JP2010176974A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電解質層の破損による電圧の突然劣化を充分に防止することができ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】電解質層−電極接合体５と、第１燃料ガス流路８Ａと第２燃料ガス流路８Ｂが形成されたアノードセパレータ６Ａと、第１酸化剤ガス流路９Ａと第２酸化剤ガス流路９Ｂが形成されたカソードセパレータ６Ｂと、を有する燃料電池１０１と、第１燃料ガス供給経路２１からの燃料ガスの供給先を第１燃料ガス流路８Ａと燃料ガスバイパス経路２３との間で切り替える第１切り替え器６１と、第１酸化剤ガス供給経路２５からの酸化剤ガスの供給先を第１酸化剤ガス流路９Ａと酸化剤ガスバイパス経路２７との間で切り替える第２切り替え器６２と、を備える、燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有する燃料ガスと空気等の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、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−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反応ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）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。また、このように構成されたセルを複数積層し、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、ＰＥＦＣが形成される。
このようなＰＥＦＣのセルにおいては、アノードでは、式（１）に示す反応が起こり、カソードでは、式（２）に示す反応が起こる。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（１）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（２）
なお、ＰＥＦＣが発電中には、カソードで生成した水の一部が逆拡散して、アノードに移動する。
ところで、燃料電池の各セルに、全ての負荷域でガスを流す第１の種類のガス流路Ａと低負荷ではガスを流さない第２の種類のガス流路Ｂを設けた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池では、ガス流路Ａ、Ｂの使用頻度に応じて、電解質膜の膜厚を変えて、燃料電池の負荷によりガス流路Ａとガス流路Ｂを使い分けることにより、性能と耐久性を両立できるとしている。
特開２００３−３４６８５１号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池であっても、特に、燃料電池を高温低加湿（例えば、反応ガスの露点を燃料電池スタック内の温度よりも低くする）の条件で運転すると、高分子電解質膜の破損による耐久性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、高分子電解質膜の破損による電圧の突然劣化を充分に抑制することができる燃料電池、これを備えた燃料電池システム、及び燃料電池の運転方法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。
高分子電解質形燃料電池で用いられている高分子電解質膜は、乾燥した状態では充分なイオン伝導性が得られないため、高分子電解質膜を充分に湿潤させた状態で、燃料電池の発電運転を行う必要がある。このため、高分子電解質形燃料電池の膜−電極接合体には、充分な量の水分を含む燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスと呼ぶ）を供給する。
しかしながら、膜−電極接合体に充分な量の水分を含む反応ガスを供給できない場合（例えば、燃料電池を高温低加湿の条件で運転するような場合）には、高分子電解質膜に含まれる水分が反応ガスによって持ち去られ、高分子電解質膜が乾燥する場合がある。
本発明者等は、高分子電解質膜の乾燥した部分は劣化しやすく、最終的に高分子電解質膜に孔が開くに到ることを見出した。
また、この高分子電解質膜の劣化は、高分子電解質膜における燃料ガス流路の上流側の部分（以下、燃料ガス流路の上流部）と対向する部分及び酸化剤ガス流路の上流側の部分（以下、酸化剤ガス流路の上流部）と対向する部分で起こり易いことを、本発明者らは見出した。特に、燃料ガス流路の上流部のうち、燃料ガス流路と電極とが最初に接触する入口付近、及び酸化剤ガス流路の上流部のうち、酸化剤ガス流路と電極とが最初に接触する入口付近と対向する高分子電解質膜の部分において、劣化が顕著に起こることを、本発明者らは見出した。
さらに、高分子電解質膜の劣化過程において、高分子電解質膜の膜厚が徐々に薄くなる段階においては、極端に大きな電圧低下には至らず、高分子電解質膜に孔が空いたときから、電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ることを、本発明者らは見出した。
そして、本発明者らは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、本発明を想到した。
すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、電解質層と、前記電解質層の一方の主面に配置されたアノード電極と、前記電解質層の他方の主面に配置されたカソード電極と、を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体の前記アノード電極と接触するように配設され、前記アノード電極と接触する内面に溝状の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路が形成された導電性のアノードセパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体の前記カソード電極と接触するように配設され、前記カソード電極と接触する内面に溝状の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路が形成された導電性のカソードセパレータと、を有する燃料電池と、前記第１燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１燃料ガス供給経路と、前記第１燃料ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２燃料ガス供給経路と、前記第１燃料ガス供給経路と前記第２燃料ガス供給経路とを接続する燃料ガスバイパス経路と、前記第１燃料ガス供給経路からの燃料ガスの供給先を前記第１燃料ガス流路と前記燃料ガスバイパス経路との間で切り替える第１切り替え器と、前記第１酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１酸化剤ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２酸化剤ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス供給経路と前記第２酸化剤ガス供給経路とを接続する酸化剤ガスバイパス経路と、前記第１酸化剤ガス供給経路からの酸化剤ガスの供給先を前記第１酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガスバイパス経路との間で切り替える第２切り替え器と、を備える。ここで、本発明において、燃料ガス等の流体の流路を「接続する」とは、「直接接続する」場合と、「間接的に接続する」場合と、の双方を意味する。
これにより、電解質層（高分子電解質膜）における第１燃料ガス流路（燃料ガス流路の上流部）に対向する部分及び第１酸化剤ガス流路（酸化剤ガス流路の上流部）に対向する部分が、乾燥により劣化したような場合に、電解質層の当該部分に孔が開く前に、燃料ガスを第１燃料ガス供給経路から燃料ガスバイパス経路を通流するように第１切り替え器を切り替え、及び酸化剤ガスを第１酸化剤ガス供給経路から酸化剤ガスバイパス経路を通流するように第２切り替え器を切り替えることで、燃料ガス及び酸化剤ガスが、第１燃料ガス流路及び第１酸化剤ガス流路を通流することを抑制することができる。このため、電解質層における第１燃料ガス流路に対向する部分及び第１酸化剤ガス流路に対向する部分から水分が持ち去られることを抑制し、電解質層の当該部分が、さらに乾燥して孔が開くことが抑制されるので、燃料電池の電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ること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、前記アノード電極は、第１アノード発電領域と第２アノード発電領域を有し、前記カソード電極は、第１カソード発電領域と第２カソード発電領域を有し、前記第１燃料ガス流路は、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、該アノードセパレータの前記第１アノード発電領域と対向する部分に形成され、前記第２燃料ガス流路は、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、該アノードセパレータの前記第２アノード発電領域と対向する部分に形成され、前記第１酸化剤ガス流路は、前記カソードセパレータの厚み方向から見て、該カソードセパレータの前記第１カソード発電領域と対向する部分に形成され、前記第２酸化剤ガス流路は、前記カソードセパレータの厚み方向から見て、該カソードセパレータの前記第２カソード発電領域と対向する部分に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、前記第１アノード発電領域の少なくとも一部が、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、前記第１カソード発電領域と重なるように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、前記第１アノード発電領域は、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、前記第１カソード発電領域と互いに重なるように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、前記アノード電極は、第１分離部材を有し、前記カソード電極は、第２分離部材を有し、前記第１アノード発電領域と前記第２アノード発電領域とは、前記アノード電極が前記第１分離部材によって前記第１アノード発電領域に対応する部分と前記第２アノード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分され、前記第１カソード発電領域と前記第２カソード発電領域とは、前記カソード電極が前記第２分離部材によって前記第１カソード発電領域に対応する部分と前記第２カソード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記アノード電極は、前記アノードセパレータの内面側に配置されたアノードガス拡散層を有し、前記カソード電極は、前記カソードセパレータの内面側に配置されたカソードガス拡散層を有し、前記アノードガス拡散層は、第１分離部材を有し、前記カソードガス拡散層は、第２分離部材を有し、前記第１アノード発電領域と前記第２アノード発電領域とは、前記アノードガス拡散層が前記第１分離部材によって前記第１アノード発電領域に対応する部分と前記第２アノード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分され、前記第１カソード発電領域と前記第２カソード発電領域とは、前記カソード電極が前記第２分離部材によって前記第１カソード発電領域に対応する部分と前記第２カソード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２燃料ガス流路及び前記第２酸化剤ガス流路は、それぞれ、屈曲するように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、前記第１燃料ガス流路及び前記第２燃料ガス流路は、該第１燃料ガス流路と該第２燃料ガス流路との間に形成される第１アノードリブ部の幅が、前記第２燃料ガス流路間に形成される第２アノードリブ部の幅よりも大きくなるように形成され、前記第１酸化剤ガス流路及び前記第２酸化剤ガス流路は、該第１酸化剤ガス流路と該第２酸化剤ガス流路との間に形成される第１カソードリブ部の幅が、前記第２酸化剤ガス流路間に形成される第２カソードリブ部の幅よりも大きくなるように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、前記第１燃料ガス流路及び前記第２燃料ガス流路は、前記第１アノードリブ部の幅が、前記第２アノードリブ部の幅の２倍以上になるように形成され、前記第１酸化剤ガス流路及び前記第２酸化剤ガス流路は、前記第１カソードリブ部の幅が、前記第２カソードリブ部の幅の２倍以上になるように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、前記第１燃料ガス供給経路に燃料ガスを供給するように構成された燃料ガス供給器と、前記第１酸化剤ガス供給経路に酸化剤ガスを供給するように構成された酸化剤ガス供給器と、制御器と、を備え、前記制御器が、前記第１燃料ガス供給経路からの前記燃料ガスの供給先を前記第１燃料ガス流路と前記燃料ガスバイパス経路との間で切り替えるように第１切り替え器を制御し、前記第１酸化剤ガス供給経路からの前記酸化剤ガスの供給先を前記第１酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガスバイパス経路との間で切り替えるように第２切り替え器を制御してもよい。
これにより、電解質層（高分子電解質膜）における第１燃料ガス流路（燃料ガス流路の上流部）に対向する部分及び第１酸化剤ガス流路（酸化剤ガス流路の上流部）に対向する部分が、乾燥により劣化したような場合に、電解質層の当該部分に孔が開く前に、燃料ガスを第１燃料ガス供給経路から燃料ガスバイパス経路を通流するように第１切り替え器を切り替え、及び酸化剤ガスを第１酸化剤ガス供給経路から酸化剤ガスバイパス経路を通流するように第２切り替え器を切り替えることで、燃料ガス及び酸化剤ガスが、第１燃料ガス流路及び第１酸化剤ガス流路を通流することを抑制することができる。このため、電解質層における第１燃料ガス流路に対向する部分及び第１酸化剤ガス流路に対向する部分から水分が持ち去られることを抑制し、電解質層の当該部分が、さらに乾燥して孔が開くことが抑制されるので、燃料電池の電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ること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、前記燃料ガス供給器から供給される前記燃料ガスの流量を検知するように構成された燃料ガス流量検知器、及び、前記酸化剤ガス供給器から供給される前記酸化剤ガスの流量を検知するように構成された酸化剤ガス流量検知器のうちの少なくとも１つを備え、前記制御器は、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量のうち少なくとも１つが、予め定められる閾値以上になると、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に通流するように第１切り替え器を制御し、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流するように第２切り替え器を制御してもよい。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池は、第１燃料ガス供給マニホールドと、第１燃料ガス排出マニホールドと、第２燃料ガス供給マニホールドと、第１酸化剤ガス供給マニホールドと、第１酸化剤ガス排出マニホールドと、第２酸化剤ガス供給マニホールドと、を有し、前記第１燃料ガス供給経路の下流端は、前記第１燃料ガス供給マニホールドを介して前記第１燃料ガス流路の上流端と接続され、前記第２燃料ガス供給経路の上流端は、前記第１燃料ガス排出マニホールドを介して前記第１燃料ガス流路の下流端と接続され、前記第２燃料ガス供給経路の下流端は、前記第２燃料ガス供給マニホールドを介して前記第２燃料ガス流路と接続され、前記第１酸化剤ガス供給経路の下流端は、前記第１酸化剤ガス供給マニホールドを介して前記第１酸化剤ガス流路の上流端と接続され、前記第２酸化剤ガス供給経路の上流端は、前記第１酸化剤ガス排出マニホールドを介して前記第１酸化剤ガス流路の下流端と接続され、前記第２酸化剤ガス供給経路の下流端は、前記第２酸化剤ガス供給マニホールドを介して前記第２酸化剤ガス流路と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の運転方法は、電解質層と、前記電解質層の一方の主面に該電解質層の周縁部より内方に位置するように配置されたアノード電極と、前記電解質層の他方の主面に前該電解質層の周縁部より内方に位置するように配置されたカソード電極と、を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記アノード電極と接触する内面に溝状の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路が形成された導電性のアノードセパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記カソード電極と接触する内面に溝状の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路が形成された導電性のカソードセパレータと、を有する燃料電池と、前記第１燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１燃料ガス供給経路と、前記第１燃料ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２燃料ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１酸化剤ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２酸化剤ガス供給経路と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記第１燃料ガス流路に、かつ、酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記第１酸化剤ガス流路に通流させ、その後、前記第１燃料ガス供給経路と前記第２燃料ガス供給経路とを接続する燃料ガスバイパス経路と、前記第１酸化剤ガス供給経路と前記第２酸化剤ガス供給経路とを接続する酸化剤ガスバイパス経路と、を設け、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に、かつ、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流させて前記燃料電池システムを運転する。
これにより、電解質層（高分子電解質膜）における第１燃料ガス流路（燃料ガス流路の上流部）に対向する部分及び第１酸化剤ガス流路（酸化剤ガス流路の上流部）に対向する部分が、乾燥により劣化したような場合に、電解質層の当該部分に孔が開く前に、燃料ガスを第１燃料ガス供給経路から燃料ガスバイパス経路を通流するように第１切り替え器を切り替え、及び酸化剤ガスを第１酸化剤ガス供給経路から酸化剤ガスバイパス経路を通流するように第２切り替え器を切り替えることで、燃料ガス及び酸化剤ガスが、第１燃料ガス流路及び第１酸化剤ガス流路を通流することを抑制することができる。このため、電解質層における第１燃料ガス流路に対向する部分及び第１酸化剤ガス流路に対向する部分から水分が持ち去られることを抑制し、電解質層の当該部分が、さらに乾燥して孔が開くことが抑制されるので、燃料電池の電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ること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の運転方法は、電解質層と、前記電解質層の一方の主面に配置されたアノード電極と、前記電解質層の他方の主面に配置されたカソード電極と、を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記アノード電極と接触する内面に溝状の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路が形成された導電性のアノードセパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記カソード電極と接触する内面に溝状の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路が形成された導電性のカソードセパレータと、を有する燃料電池と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムは、前記第１燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１燃料ガス供給経路と、前記第１燃料ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２燃料ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１酸化剤ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２酸化剤ガス供給経路と、前記第１燃料ガス供給経路と前記第２燃料ガス供給経路とを接続する燃料ガスバイパス経路と、前記第１酸化剤ガス供給経路と前記第２酸化剤ガス供給経路とを接続する酸化剤ガスバイパス経路と、を備え、燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記第１燃料ガス流路に、かつ、酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記第１酸化剤ガス流路に通流させ、その後、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に、かつ、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流させて前記燃料電池システムを運転する。
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量のうち少なくとも１つが、予め定められる閾値以上になると、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に、かつ、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流させて前記燃料電池システムを運転してもよい。
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、電解質層における燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の上流部に対向する部分が、乾燥して劣化した場合に、電解質層の当該部分の更なる乾燥を抑制して、当該部分に孔が開くことを抑制し、燃料電池の電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ることを抑制することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又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場合もある。
（実施の形態１）
[燃料電池システムの構成]
図１及び図２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す模式図である。図１は、第１及び第２切り替え器を切り替える前の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示した図であり、図２は、第１及び第２切り替え器を切り替えた後の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示した図である。
図１及び図２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、水素生成装置（燃料ガス供給器）１０２、酸化剤ガス供給装置（酸化剤ガス供給器）１０３、冷却水タンク１０４、及び制御装置（制御器）１０５を備えていて、水素生成装置１０２から供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給装置１０３から供給された酸化剤ガスが、燃料電池１０１内で電気化学的に反応して、電気と熱が生成される。
水素生成装置１０２は、改質器、変成器、浄化器（いずれも図示せず）、及びバーナ１０２ａを有している。水素生成装置１０２の改質器の入口には、原料ガス供給経路（図示せず）の下流端が接続されていて、その上流端は、原料ガス供給器（図示せず）に接続されている。これにより、原料ガス供給器から水素生成装置１０２の改質器に原料ガス（メタン）が供給することができる。なお、本実施の形態においては、原料ガスとしてメタンを使用しているが、これに限定されず、エタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等に例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスを使用することができる。
バーナ１０２ａには、オフガス経路２４の下流端が接続されており、燃料電池１０１で使用されなかった余剰の燃料ガスがオフガスとして、バーナ１０２ａに供給される。バーナ１０２ａでは、図示されない流路を通じて供給された原料ガス（または、燃料電池１０１からオフガス経路２４を介して供給されたオフガス）を燃焼用空気供給器（図示せず）から供給される燃焼用空気によって燃焼させる。
そして、改質器では、バーナ１０２ａで生成された燃焼ガスの伝熱を利用して、原料ガス供給器から原料ガス供給経路を介して供給される原料ガスと、改質用水タンク（図示せず）から供給される水と、を改質反応させることにより、水素リッチな改質ガスを生成する。また、変成器及び浄化器では、改質器で生成された改質ガスを、変成反応及び選択反応させることにより、一酸化炭素が数ｐｐｍ以下にまで低減した燃料ガスを生成する。
また、水素生成装置１０２の浄化器の出口には、第１燃料ガス供給経路２１の上流端が接続されており、第１燃料ガス供給経路２１の下流端は、第１燃料ガス供給マニホールド１３１を介して、燃料電池１０１の第１燃料ガス流路８Ａの上流端に接続されている（図３及び図７参照）。燃料電池１０１の第１燃料ガス流路８Ａの下流端には、第１燃料ガス排出マニホールド１３２を介して、第２燃料ガス供給経路２２の上流端が接続されており、第２燃料ガス供給経路２２の下流端は、第２燃料ガス供給マニホールド１３３を介して、燃料電池１０１の第２燃料ガス流路８Ｂの上流端に接続されている（図３及び図７参照）。
また、第２燃料ガス供給経路２２の途中には、第１切り替え器６１を介して、燃料ガスバイパス経路２３の下流端が接続されており、その上流端は、第１燃料ガス供給経路２１の途中に接続されている。具体的には、第２燃料ガス供給経路２２は、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａと第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂを有しており、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａの上流端は、第１燃料ガス排出マニホールド１３２を介して、第１燃料ガス流路８Ａの下流端に接続され、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａの下流端は、第１切り替え器６１の第２ポート６１ｂに接続されている。また、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂの上流端は、第１切り替え器６１の第３ポート６１ｃに接続されており、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂの下流端は、第２燃料ガス供給マニホールド１３３を介して、燃料電池１０１の第２燃料ガス流路８Ｂの上流端に接続されている。一方、第１切り替え器６１の第１ポート６１ａには、燃料ガスバイパス経路２３の下流端が接続されていて、燃料ガスバイパス経路２３の上流端は、第１燃料ガス供給経路２１の途中に接続されている。また、第１燃料ガス供給経路２１の燃料ガスバイパス経路２３が接続されている部分の上流側には、燃料ガス流量検知器１０６が設けられている。燃料ガス流量検知器１０６は、第１燃料ガス供給経路２１を通流する燃料ガスの流量を検知し、検知した流量を制御装置１０５に出力するように構成されている。
また、燃料電池１０１の第２燃料ガス流路８Ｂの下流端には、第２燃料ガス排出マニホールド１３４を介して、オフガス経路２４の上流端が接続されており、オフガス経路２４の下流端は、水素生成装置１０２のバーナ１０２ａに接続されている。
これにより、水素生成装置１０２で生成された燃料ガスが、燃料電池１０１の第１燃料ガス流路８Ａ及び／又は第２燃料ガス流路８Ｂに供給され、第１燃料ガス流路８Ａ及び／又は第２燃料ガス流路８Ｂに供給された燃料ガスは、第１燃料ガス流路８Ａ及び／又は第２燃料ガス流路８Ｂを通流する間に、各セル５１のアノード電極４Ａ（図４参照）に供給されて、電気化学反応に供される。また、燃料電池１０１で使用されなかった余剰の燃料ガスは、オフガスとしてオフガス経路２４に供給される。オフガス経路２４に供給された余剰の燃料ガスは、上述したように、バーナ１０２ａで燃焼される。
酸化剤ガス供給装置１０３は、燃料電池１０１の第１酸化剤ガス流路９Ａ及び／又は第２酸化剤ガス流路９Ｂ（図４参照）に酸化剤ガス（ここでは、空気）を供給することができるように構成されていて、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができる。具体的には、酸化剤ガス供給装置１０３には、第１酸化剤ガス供給経路２５の上流端が接続されており、第１酸化剤ガス供給経路２５の下流端は、第１酸化剤ガス供給マニホールド１３５を介して、燃料電池１０１の第１酸化剤ガス流路９Ａの上流端に接続されている。燃料電池１０１の第１酸化剤ガス流路９Ａの下流端には、第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６を介して、第２酸化剤ガス供給経路２６の上流端が接続されており、第２酸化剤ガス供給経路２６の下流端は、第２酸化剤ガス供給マニホールド１３７を介して、燃料電池１０１の第２酸化剤ガス流路９Ｂの上流端に接続されている。
また、第２酸化剤ガス供給経路２６の途中には、第２切り替え器６２を介して、酸化剤ガスバイパス経路２７の下流端が接続されており、酸化剤ガスバイパス経路２７の上流端は、第１酸化剤ガス供給経路２５の途中に接続されている。より詳しくは、第２酸化剤ガス供給経路２６は、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａと第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂを有しており、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａの上流端は、第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６を介して、第１酸化剤ガス流路９Ａの下流端に接続され、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａの下流端は、第２切り替え器６２の第２ポート６２ｂに接続されている。また、第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂの上流端は、第２切り替え器６２の第３ポート６２ｃに接続されており、第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂの下流端は、第２酸化剤ガス供給マニホールド１３７を介して、燃料電池１０１の第２酸化剤ガス流路９Ｂの上流端に接続されている。一方、第２切り替え器６２の第１ポート６２ａには、酸化剤ガスバイパス経路２７の下流端が接続されていて、酸化剤ガスバイパス経路２７の上流端は、第１酸化剤ガス供給経路２５の途中に接続されている。また、第１酸化剤ガス供給経路２５の酸化剤ガスバイパス経路２７が接続されている部分の上流側には、酸化剤ガス流量検知器１０７が設けられている。酸化剤ガス流量検知器１０７は、第１酸化剤ガス供給経路２５を通流する酸化剤ガスの流量を検知し、検知した流量を制御装置１０５に出力するように構成されている。
また、燃料電池１０１の第２酸化剤ガス流路９Ｂの下流端には、第２酸化剤ガス排出マニホールド１３８を介して、酸化剤ガス排出経路２８の上流端が接続されており、酸化剤ガス排出経路２８の下流端は、燃料電池システム１００の外部に開放されている。
これにより、酸化剤ガス供給装置１０３から、燃料電池１０１の第１酸化剤ガス流路９Ａ及び／又は第２酸化剤ガス流路９Ｂに酸化剤ガスが供給され、第１酸化剤ガス流路９Ａ及び／又は第２酸化剤ガス流路９Ｂに供給された酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路９Ａ及び／又は第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する間に、各セル５１のカソード電極４Ｂ（図４参照）に供給されて、電気化学反応に供される。また、燃料電池１０１で使用されなかった余剰の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路２８から燃料電池システム１００外に排出される。
そして、燃料電池１０１では、第１燃料ガス流路８Ａ及び／又は第２燃料ガス流路８Ｂから各セル５１のアノード電極４Ａに供給された燃料ガスと、第１酸化剤ガス流路９Ａ及び／又は第２酸化剤ガス流路９Ｂから各セル５１のカソード電極４Ｂに供給された酸化剤ガスとが、電気化学的に反応して水が生成し、電気と熱が発生する。なお、燃料電池１０１には、インバータ（図示せず）が電気的に接続されていて、インバータは、燃料電池１０１が発電した直流電力を交流電力に変換し、燃料電池システム１００外の電力負荷にその交流電力を供給する。
また、燃料電池１０１には、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発生した熱を回収して、燃料電池１０１を冷却するための冷却水が通流する冷却水流路１０（図４参照）が設けられている。冷却水流路１０の上流端には、冷却水循環路２９を構成する冷却水往路２９ａの下流端が接続されており、その上流端は、冷却水を貯えるための冷却水タンク１０４の下部に接続されている。また、冷却水タンク１０４の下部には、冷却水循環路２９を構成する冷却水復路２９ｂの下流端が接続されており、その上流端は、燃料電池１０１の冷却水流路１０の下流端に接続されている。
さらに、冷却水復路２９ｂの適所には、冷却水循環路２９及び冷却水流路１０を通流する冷却水の流量を調整するためのポンプ１０８が設けられていて、該ポンプ１０８は、制御装置１０５によって制御されている。なお、ここでは、流量調節が可能なポンプを用いているが、これに限定されず、ポンプと流量調節弁等の流量調節器を用いてもよい。これにより、燃料電池１０１内を所定の温度（例えば、80℃）に保つことができる。
制御装置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、通信部、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、記憶部に記憶された積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、所定の閾値以上になると、第１切り替え器６１及び第２切り替え器６２を制御して、燃料ガス及び酸化剤ガスの通流経路を変更する。
ここで、本発明において、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、制御装置１０５は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。
［燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１の構成について、図３を参照しながら説明する。
図３は、図１に示す燃料電池システム１００における燃料電池１０１の概略構成を模式的に示す斜視図である。なお、図３において、燃料電池１０１の上下方向を図における上下方向として表している。
図３に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１０１は、板状の全体形状を有するセル（単電池）５１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体８１と、セル積層体８１の両端に配置された第１端板４１Ａ及び第２端板４１Ｂと、セル積層体８１と第１及び第２端板４１Ａ、４１Ｂとをセル５１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第１及び第２端板４１Ａ、４１Ｂの内方には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル５１は、鉛直面に平行に延在しており、セル５１の積層方向は水平方向となっている。
セル積層体８１における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第１燃料ガス供給マニホールド１３１が設けられている。第１燃料ガス供給マニホールド１３１の一端は、第１端板４１Ａ、第１端板４１Ａ側に配置された集電板、及び第１端板４１Ａ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、第１燃料ガス供給経路２１（正確には、第１燃料ガス供給経路２１を構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。一方、第１燃料ガス供給マニホールド１３１の他端は、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板によって閉鎖されている。
また、第１燃料ガス供給マニホールド１３１の下方には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６が設けられている。第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６の一端は、第１端板４１Ａ、第１端板４１Ａ側に配置された集電板、及び第１端板４１Ａ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａ（正確には、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａを構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。一方、第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６の他端は、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板によって閉鎖されている。
また、第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６の下方には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第２燃料ガス供給マニホールド１３３が設けられている。第２燃料ガス供給マニホールド１３３の一端は、第１端板４１Ａ側に配置された集電板によって閉鎖されており、第２燃料ガス供給マニホールド１３３の他端は、第２端板４１Ｂ、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板、及び第２端板４１Ｂ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂ（正確には、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂを構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。
さらに、第１燃料ガス供給マニホールド１３１の内側には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、冷却水供給マニホールド１３９が設けられている。冷却水供給マニホールド１３９の一端は、第１端板４１Ａ、第１端板４１Ａ側に配置された集電板、及び第１端板４１Ａ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、冷却水往路２９ａ（正確には、冷却水往路２９ａを構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。一方、冷却水供給マニホールド１３９の他端は、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板によって閉鎖されている。
一方、セル積層体８１における第１の側部の下部には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第２酸化剤ガス排出マニホールド１３８が設けられている。第２酸化剤ガス排出マニホールド１３８の一端は、第１端板４１Ａ、第１端板４１Ａ側に配置された集電板、及び第１端板４１Ａ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、酸化剤ガス排出経路２８（正確には、酸化剤ガス排出経路２８を構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。一方、第２酸化剤ガス排出マニホールド１３８の他端は、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板によって閉鎖されている。
また、セル積層体８１における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の上部には、該セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第１酸化剤ガス供給マニホールド１３５が設けられている。第１酸化剤ガス供給マニホールド１３５の一端は、第１端板４１Ａ側に配置された集電板によって閉鎖されており、第１酸化剤ガス供給マニホールド１３５の他端は、第２端板４１Ｂ、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板、及び第２端板４１Ｂ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、第１酸化剤ガス供給経路２５（正確には、第１酸化剤ガス供給経路２５を構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。
また、第１酸化剤ガス供給マニホールド１３５の下方には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第１燃料ガス排出マニホールド１３２が設けられている。第１燃料ガス排出マニホールド１３２の一端は、第１端板４１Ａ側に配置された集電板によって閉鎖されており、第１燃料ガス排出マニホールド１３２の他端は、第２端板４１Ｂ、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板、及び第２端板４１Ｂ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａ（正確には、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａを構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。
また、第１燃料ガス排出マニホールド１３２の下方には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第２酸化剤ガス供給マニホールド１３７が設けられている。第２酸化剤ガス供給マニホールド１３７の一端は、第１端板４１Ａ、第１端板４１Ａ側に配置された集電板、及び第１端板４１Ａ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂ（正確には、第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂを構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。一方、第２酸化剤ガス供給マニホールド１３７の他端は、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板によって閉鎖されている。
また、セル積層体８１における第２の側部の下部には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、第２燃料ガス排出マニホールド１３４が設けられている。第２燃料ガス排出マニホールド１３４の一端は、第１端板４１Ａ側に配置された集電板によって閉鎖されており、第２燃料ガス排出マニホールド１３４の他端は、第２端板４１Ｂ、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板、及び第２端板４１Ｂ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、オフガス経路２４（正確には、オフガス経路２４を構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。
さらに、第２燃料ガス排出マニホールド１３４の内側には、セル積層体８１のセル５１の積層方向に貫通するように、冷却水排出マニホールド１４０が設けられている。冷却水排出マニホールド１４０の一端は、第１端板４１Ａ側に配置された集電板によって閉鎖されており、冷却水排出マニホールド１４０の他端は、第２端板４１Ｂ、第２端板４１Ｂ側に配置された集電板、及び第２端板４１Ｂ側に配置された絶縁板に設けられた貫通孔に連通し、該貫通孔には、冷却水復路２９ｂ（正確には、冷却水復路２９ｂを構成する配管）が接続されている（図１及び図２参照）。これにより、第１燃料ガス供給経路２１等を介して、燃料電池１０１に燃料ガス等が供給され、また、未使用の燃料ガス等が排出される。
[セルの構成]
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００におけるセル５１の構成について図４を参照しながら説明する。
図４は、図３に示す燃料電池１０１におけるセル５１の概略構成を模式的に示す断面図である。
図４に示すように、セル５１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体（電解質層−電極接合体））５と、ガスケット７Ａ、７Ｂと、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を有している。
まず、ＭＥＡ５について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図５は、図４に示すセル５１におけるＭＥＡ５の概略構成を示す模式図である。なお、図５において、ＭＥＡ５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及び図５に示すように、ＭＥＡ５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、アノード電極４Ａと、カソード電極４Ｂと、を有していて、高分子電解質膜１の両面に、その周縁部より内方に位置するようにアノード電極４Ａとカソード電極４Ｂが、それぞれ設けられている。
高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する。高分子電解質膜１の周縁部には、高分子電解質膜１の厚み方向に貫通するように、第１燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔が設けられている。
具体的には、高分子電解質膜１における一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部には、第１燃料ガス供給マニホールド孔３１が設けられており、その下方には、第１酸化剤ガス排出マニホールド孔３６が設けられており、さらに、その下方には、第２燃料ガス供給マニホールド孔３３が設けられている。また、第１燃料ガス供給マニホールド孔３１の内側には、冷却水供給マニホールド孔３９が設けられている。一方、高分子電解質膜１における第１の側部の下部には、第２酸化剤ガス排出マニホールド孔３８が設けられている。
また、高分子電解質膜１における他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の上部には、第１酸化剤ガス供給マニホールド孔３５が設けられており、その下方には、第１燃料ガス排出マニホールド孔３２が設けられており、さらに、その下方には、第２酸化剤ガス供給マニホールド孔３７が設けられている。一方、高分子電解質膜１における第２の側部の下部には、第２燃料ガス排出マニホールド孔３４が設けられており、その内側には、冷却水排出マニホールド孔４０が設けられている。
なお、高分子電解質膜１としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるＤｕ Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）、旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名）やＡｃｉｐｌｅｘ（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳＩＩ等を使用することができる。
高分子電解質膜１の一方の主面には、アノード電極４Ａが設けられていて、高分子電解質膜１の他方の主面には、カソード電極４Ｂが設けられている。アノード電極４Ａは、第１アノード発電部４０１ａと第２アノード発電部４０２ａを有しており、第１アノード発電部４０１ａと第２アノード発電部４０２ａは、高分子電解質膜１の主面に平行な方向（ここでは上下方向）に狭い間隔（以下、隙間Ｇ１という）をおいて配置されている。つまり、第１アノード発電部４０１ａと第２アノード発電部４０２ａとは、隙間Ｇ１を挟んで上下方向に分離して配置されている。隙間Ｇ１は左右方向（第１の側部と第２の側部とを結ぶ方向）に延びるように形成されている。そして、この隙間Ｇ１に後述するガスケット７Ａの区分部７０１ｃが位置するように当該ガスケット７Ａが設けられている。
また、カソード電極４Ｂは、第１カソード発電部４０１ｂと第２カソード発電部４０２ｂを有していており、第１カソード発電部４０１ｂと第２カソード発電部４０２ｂは、高分子電解質膜１の主面に平行な方向（ここでは上下方向）に狭い間隔（以下、隙間Ｇ２という）をおいて配置されている。つまり、第１カソード発電部４０１ｂと第２カソード発電部４０２ｂは、隙間Ｇ２を挟んで上下方向に分離して配置されている。隙間Ｇ２は左右方向（第１の側部と第２の側部とを結ぶ方向）に延びるように形成されている。そして、この隙間Ｇ２に後述するガスケット７Ｂの区分部７０１ｃが位置するように当該ガスケット７Ｂが設けられている。
具体的には、第１アノード発電部４０１ａは、図５に示すように、ＭＥＡ５の上部に配置されており、第２アノード発電部４０２ａは、第１アノード発電部４０１ａの下方に配置されている。同様に、第１カソード発電部４０１ｂは、ＭＥＡ５の上部に配置されており、第２カソード発電部４０２ｂは、第１カソード発電部４０１ｂの下方に配置されている。また、第１アノード発電部４０１ａは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から透視して（以下、厚み方向から見てという）、第１カソード発電部４０１ｂと互いに重なるように形成されていて、第２アノード発電部４０２ａは、第２カソード発電部４０２ｂと互いに重なるように形成されている。
また、第１アノード発電部４０１ａは、第１アノード触媒層２０１ａと第１アノードガス拡散層３０１ａを有しており、第１アノード触媒層２０１ａは、高分子電解質膜１の一方の主面と接触するように設けられ、第１アノードガス拡散層３０１ａは、第１アノード触媒層２０１ａを覆うように設けられている。また、第２アノード発電部４０２ａは、第２アノード触媒層２０２ａと第２アノードガス拡散層３０２ａを有しており、第２アノード触媒層２０２ａは、高分子電解質膜１の一方の主面と接触するように設けられ、第２アノードガス拡散層３０２ａは、第２アノード触媒層２０２ａを覆うように設けられている。
同様に、第１カソード発電部４０１ｂは、第１カソード触媒層２０１ｂと第１カソードガス拡散層３０１ｂを有しており、第１カソード触媒層２０１ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面と接触するように設けられ、第１カソードガス拡散層３０１ｂは、第１カソード触媒層２０１ｂを覆うように設けられている。また、第２カソード発電部４０２ｂは、第２カソード触媒層２０２ｂと第２カソードガス拡散層３０２ｂを有しており、第２カソード触媒層２０２ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面と接触するように設けられ、第２カソードガス拡散層３０２ｂは、第２カソード触媒層２０２ｂを覆うように設けられている。
第１分離部材及び第２分離部材を有することにより、第１燃料ガス流路８Ａを通流する燃料ガスが、第１燃料ガス流路８Ａに沿って流れずに、第１アノード発電部４０１ａから第２アノード発電部４０２ａに伏流により短絡することが抑制され、また、第１酸化剤ガス流路９Ａを通流する酸化剤ガスが、第１カソード発電部４０１ｂから第２カソード発電部４０２ｂに伏流により短絡することが抑制される。また、燃料ガス及び酸化剤ガスを第１燃料ガス流路８Ａ及び第１酸化剤ガス流路９Ａに、それぞれ供給しないように第１切り替え器６１及び第２切り替え器６２を切り替えた後に、第２燃料ガス流路８Ｂを通流する燃料ガスが、第２燃料ガス流路８Ｂに沿って流れずに、第２アノード発電部４０２ａから第１アノード発電部４０１ａに伏流により短絡することが抑制され、また、第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する酸化剤ガスが、第２カソード発電部４０２ｂから第１カソード発電部４０１ｂに伏流により短絡することが抑制される。
なお、第１アノード発電部４０１ａが第１アノード発電領域を構成し、第２アノード発電部４０２ａが第２アノード発電領域を構成する。同様に、第１カソード発電部４０１ｂが第１カソード発電領域を構成し、第２カソード発電部４０２ｂが第２カソード発電領域を構成する。
そして、第１アノード触媒層２０１ａと第２アノード触媒層２０２ａからアノード触媒層２Ａが構成され、第１アノードガス拡散層３０１ａと第２アノードガス拡散層３０２ａからアノードガス拡散層３Ａが構成される。同様に、第１カソード触媒層２０１ｂと第２カソード触媒層２０２ｂからカソード触媒層２Ｂが構成され、第１カソードガス拡散層３０１ｂと第２カソードガス拡散層３０２ｂからカソードガス拡散層３Ｂが構成される。なお、本実施の形態においては、第１アノード触媒層２０１ａと第２アノード触媒層２０２ａ、第１アノードガス拡散層３０１ａと第２アノードガス拡散層３０２ａ、第１カソード触媒層２０１ｂと第２カソード触媒層２０２ｂ、及び第１カソードガス拡散層３０１ｂと第２カソードガス拡散層３０２ｂは同様に構成されているため、以下の説明においては、アノード触媒層２Ａ、アノードガス拡散層３Ａ、カソード触媒層２Ｂ、及びカソードガス拡散層３Ｂとして、それぞれ説明する。
アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。
また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂとしては、例えば、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、充分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをアノードガス拡散層３Ａ又はカソードガス拡散層３Ｂの中に分散させてもよい。さらに、充分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でアノードガス拡散層３Ａ又はカソードガス拡散層３Ｂを構成してもよい。また、カーボン粉末及び撥水性高分子を主成分とした多孔質部材でアノードガス拡散層３Ａ又はカソードガス拡散層３Ｂを構成してもよい。
さらに、アノードガス拡散層３Ａとアノード触媒層２Ａとの間、及び、カソードガス拡散層３Ｂとカソード触媒層２Ｂとの間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。これにより、ＭＥＡ５における水管理（ＭＥＡ５の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易に、かつ、より確実に行うことができる。
次に、セル５１の他の要素について説明する。
ＭＥＡ５の高分子電解質膜１の一方の主面の周縁部には、アノード電極４Ａを囲むようにフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７Ａが配設されていて、同様に、高分子電解質膜１の他方の主面の周縁部には、カソード電極４Ｂを囲むようにフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７Ｂが配設されている。ここで、図４及び図６を参照しながら、ガスケット７Ａについて、さらに詳細に説明する。なお、ガスケット７Ｂは、ガスケット７Ａ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。
図６は、図４に示すセル５１におけるガスケット７Ａの概略構成を示す模式図である。なお、図６において、ガスケット７Ａ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及び図６に示すように、ガスケット７Ａは、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、その主面の周縁部には、高分子電解質膜１と同様に、厚み方向の貫通孔からなる第１燃料ガス供給マニホールド孔３１等のマニホールド孔が設けられている。また、ガスケット７Ａの中央部には、開口部が矩形の貫通孔７０１ａ、７０１ｂが設けられていて、該貫通孔７０１ａと貫通孔７０１ｂの間に、水平方向に延びるように区分部７０１ｃが形成されている。区分部７０１ｃは、アノード電極４Ａの第１アノード発電部４０１ａと第２アノード発電部４０２ａとの間に介挿されている。すなわち、本実施の形態１においては、ガスケット７Ａの区分部７０１ｃが、第１分離部材を構成し、ガスケット７Ｂの区分部７０１ｃが、第２分離部材を構成する。
これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが抑制され、また、セル５１内でこれらのガスが互いに混合されることが抑制される。
また、図４に示すように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂは、ＭＥＡ５とガスケット７Ａ、７Ｂを挟むように配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数のセル５１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
アノードセパレータ６Ａのアノード電極４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の第１燃料ガス流路８Ａと第２燃料ガス流路８Ｂが設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却水流路１０が設けられている。ここで、アノードセパレータ６Ａの内面の構成について、図７を参照しながら詳細に説明する。
図７は、図４に示すセル５１におけるアノードセパレータ６Ａの概略構成を示す模式図である。なお、図７において、アノードセパレータ６Ａ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７に示すように、アノードセパレータ６Ａは、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、その主面の周縁部には、高分子電解質膜１と同様に、厚み方向の貫通孔からなる第１燃料ガス供給マニホールド孔３１等のマニホールド孔が設けられている。そして、第１燃料ガス流路８Ａは、第１燃料ガス供給マニホールド孔３１と第１燃料ガス排出マニホールド孔３２とを結ぶように形成されており、第２燃料ガス流路８Ｂは、第２燃料ガス供給マニホールド孔３３と第２燃料ガス排出マニホールド孔３４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燃料ガス流路８Ａは、第１燃料ガス供給マニホールド孔３１から第２の側部、かつ、下方（斜め下方向）に向かって、ある距離延び、そこから、第１燃料ガス排出マニホールド孔３２に到るまで、水平方向に延びるように形成されている。換言すると、第１燃料ガス流路８Ａは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６Ａの内面におけるアノード電極４Ａの第１アノード発電部４０１ａと対向する部分を通過するように形成されている。すなわち、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａの第１燃料ガス流路８Ａと対向する部分及びその近傍部分が、第１アノード発電部４０１ａを構成する。
また、第２燃料ガス流路８Ｂは、第２燃料ガス供給マニホールド孔３３から第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、その到達点から第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、上記のような延在パターンを２回繰り返して、底から、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、第２燃料ガス排出マニホールド孔３４に到るように、第２の側部、かつ、下方（斜め下方向）に向かってある距離延びている。換言すると、第２燃料ガス流路８Ｂは、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノードセパレータ６Ａの内面におけるアノード電極４Ａの第２アノード発電部４０２ａと対向する部分を通過するように形成されている。すなわち、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、アノード電極４Ａの第２燃料ガス流路８ＢＡと対向する部分及びその近傍部分が、第２アノード発電部４０２ａを構成する。
なお、本実施の形態１においては、第１燃料ガス流路８Ａ及び第２燃料ガス流路８Ｂともに、１つの溝で構成したが、これに限定されず、複数の溝で構成してもよい。また、第２燃料ガス流路８Ｂをサーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、渦巻状に形成してもよい。
また、図４に示すように、カソードセパレータ６Ｂのカソード電極４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の第１酸化剤ガス流路９Ａ及び第２酸化剤ガス流路９Ｂが設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、冷却水が通流するための溝状の冷却水流路１０が設けられている。なお、カソードセパレータ６Ｂは、アノードセパレータ６Ａ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。
これにより、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水を冷却水流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
そして、このように構成されたセル５１をその厚み方向に積層することにより、セル積層体８１が形成される（図３参照）。このとき、高分子電解質膜１、ガスケット７Ａ、ガスケット７Ｂ、アノードセパレータ６Ａ、及びカソードセパレータ６Ｂに設けられた第１燃料ガス供給マニホールド孔３１等のマニホールド孔は、セル５１を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、第１燃料ガス供給マニホールド１３１等のマニホールドが、それぞれ形成される。そして、セル積層体８１の両端に集電板及び絶縁板を配置し、その両端に更に第１端板４１Ａ及び第２端板４１Ｂを配置して、締結具で締結することにより、燃料電池１０１が形成される。
［セルの製造方法］
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００におけるセル５１の製造方法について説明する。なお、以下に説明するようにして製造したＭＥＡ５（正確には、ＭＥＡ５にガスケット７Ａ、７Ｂが接合した接合体）を用いて、セル５１及び燃料電池１００を製造する方法は、特に限定されず、公知の燃料電池の製造技術を採用することができるため、詳細な説明を省略する。
まず、公知の薄膜製造技術を用いて、フッ素ゴムシート（切断後、ガスケット７Ａ、７Ｂとなる部材）と高分子電解質膜シート（切断後、高分子電解質膜１となる部材）を製造する。ついで、フッ素ゴムシートから、図６に示すように、第１燃料ガス供給マニホールド孔３１等の各マニホールド孔及び貫通孔７０１ａ、７０１ｂをパンチング等により切り取る。そして、マニホールド孔等を切り取ったフッ素ゴムシートを高分子電解質膜シートの両主面上に配置し、フッ素ゴムシートと高分子電解質膜シートを接合する。
次に、貫通孔７０１ａ、７０１ｂの開口部から、触媒層形成用インクを塗工又はスプレーして、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂを形成する。なお、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂの形成は、例えば、スプレー法、スピンコート法、ドクターブレード法、ダイコート法、スクリーン印刷法に基づいて、行うことができる。これにより、膜−触媒層−ガスケット接合体が形成される。
次に、膜−触媒層−ガスケット接合体を予め設定された大きさに裁断し、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂの主面に予め適宜な大きさに裁断したアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂ（例えば、カーボンクロス等）をそれぞれ接合することにより、ＭＥＡ５（正確には、ＭＥＡ５にガスケット７Ａ、７Ｂが接合した接合体）が得られる。なお、撥水カーボン層形成インクを予めアノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂの主面、又はアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂの主面に塗工等することにより、撥水カーボン層を形成してから、ＭＥＡ５を形成してもよい。
[燃料電池システムの動作（運転方法）]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作（運転方法）について、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御装置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、第１切り替え器６１は、第２ポート６１ｂを第３ポート６１ｃと連通させ、かつ、第１ポート６１ａを遮断して、燃料ガスが、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａ及び第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂを通流するように作動する。また、第２切り替え器６２は、第２ポート６２ｂを第３ポート６２ｃと連通させ、かつ、第１ポート６２ａを遮断して、酸化剤ガスが、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａ及び第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂを通流するように作動する。
次に、水素生成装置１０２で生成された燃料ガスが、第１燃料ガス供給経路２１に供給される。第１燃料ガス供給経路２１に供給された燃料ガスは、第１燃料ガス供給経路２１を通流して、燃料電池１０１の第１燃料ガス供給マニホールド１３１（図３参照）を介して、各セル５１の第１燃料ガス流路８Ａに供給される。このとき、燃料ガス流量検知器１０６は、第１燃料ガス供給経路２１を通流する燃料ガスの流量を検知して、検知した流量を制御装置１０５に出力する。そして、制御装置１０５の演算処理部は、燃料ガス流量検知器１０６から入力された燃料ガスの流量を積算して、積算した燃料ガスの流量（積算燃料ガス流量）を記憶部に記憶させる。
第１燃料ガス流路８Ａに供給された燃料ガスは、第１燃料ガス流路８Ａを通流する間に、アノード電極４Ａの第１発電部４０１ａに供給される。また、第１燃料ガス流路８Ａを通流した燃料ガスは、第１燃料ガス排出マニホールド１３２（図３参照）を介して、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａに供給される。第２燃料ガス供給経路上流部２２ａに供給された燃料ガスは、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａ及び第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂを通流して、燃料電池１０１の第２燃料ガス供給マニホールド１３３（図３参照）を介して、各セル５１の第２燃料ガス流路８Ｂに供給される。
第２燃料ガス流路８Ｂに供給された燃料ガスは、第２燃料ガス流路８Ｂを通流する間に、アノード電極４Ａの第２発電部４０２ａに供給される。また、第２燃料ガス流路８Ｂを通流した燃料ガスは、第２燃料ガス排出マニホールド１３４（図３参照）を介して、オフガス経路２４に供給される。オフガス経路２４に供給された燃料ガスは、オフガスとして、バーナ１０２ａに供給される。
また、酸化剤ガス供給装置１０３から酸化剤ガスが、第１酸化剤ガス供給経路２５に供給される。第１酸化剤ガス供給経路２５に供給された酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給経路２５を通流して、燃料電池１０１の第１酸化剤ガス供給マニホールド１３５（図３参照）を介して、各セル５１の第１酸化剤ガス流路９Ａに供給される。このとき、酸化剤ガス流量検知器１０７は、第１酸化剤ガス供給経路２５を通流する酸化剤ガスの流量を検知して、検知した流量を制御装置１０５に出力する。そして、制御装置１０５の演算処理部は、酸化剤ガス流量検知器１０７から入力された酸化剤ガスの流量を積算して、積算した酸化剤ガスの流量（積算酸化剤ガス流量）を記憶部に記憶させる。
第１酸化剤ガス流路９Ａに供給された酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路９Ａを通流する間に、カソード電極４Ｂの第１発電部４０１ｂに供給される。また、第１酸化剤ガス流路９Ａを通流した酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス排出マニホールド１３６（図３参照）を介して、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａに供給される。第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａに供給された酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａ及び第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂを通流して、燃料電池１０１の第２酸化剤ガス供給マニホールド１３７（図３参照）を介して、各セル５１の第２酸化剤ガス流路９Ｂに供給される。
第２酸化剤ガス流路９Ｂに供給された酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する間に、カソード電極４Ｂの第２発電部４０２ｂに供給される。また、第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流した酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス排出マニホールド１３８（図３参照）を介して、酸化剤ガス排出経路２８に供給される。酸化剤ガス排出経路２８に供給された酸化剤ガスは、燃料電池システム１００外に排出される。
また、燃料電池１０１には、冷却水タンク１０４から冷却水往路２９ａを介して、冷却水が供給され、燃料電池１０１（正確には、燃料電池１０１の冷却水供給マニホールド１３９（図３参照））に供給された冷却水は、燃料電池１０１の冷却水供給マニホールド１３９を介して、各セル５１の冷却水流路１０に供給される。冷却水流路１０に供給された冷却水は、冷却水流路１０を通流する間に、燃料電池１０１内で発生した熱を回収して、燃料電池１０１を所定の温度に保つ。また、冷却水流路１０を通流した冷却水は、冷却水排出マニホールド１４０（図３参照）を介して、冷却水復路２９ｂに供給される。冷却水復路２９ｂに供給された冷却水は、冷却水復路２９ｂを通流して、冷却水タンク１０４に供給される。
このようにして、燃料電池１０１では、第１燃料ガス流路８Ａ及び第２燃料ガス流路８Ｂから各セル５１のアノード電極４Ａに供給された燃料ガスと、第１酸化剤ガス流路９Ａ及び第２酸化剤ガス流路９Ｂから各セル５１のカソード電極４Ｂに供給された酸化剤ガスとが、電気化学的に反応して水が生成し、電気と熱が発生する。また、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発生した熱は、冷却水流路１０を通流する冷却水によって回収され、燃料電池１０１内が所定の温度に保たれる。
また、制御装置１０５の演算処理部は、燃料電池システム１００の運転時間を時計部から取得して、記憶部にその積算した運転時間（積算運転時間）を記憶させる。また、制御装置１０５の演算処理部は、インバータから燃料電池１０１の発電量を取得して、記憶部にその積算した発電量（積算発電量）を記憶させる。そして、制御装置１０５の演算処理部は、記憶部に記憶されている積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値（予め定められている閾値）以上になると、第１切り替え器６１の第１ポート６１ａを第３ポート６１ｃと連通させ、かつ、第２ポート６１ｂを遮断して、燃料ガスが、第１燃料ガス供給経路２１から燃料ガスバイパス経路２３を介して、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂを通流するように作動させる。また、第２切り替え器６２は、第１ポート６２ａを第３ポート６２ｃと連通させ、かつ、第２ポート６２ｂを遮断して、酸化剤ガスが、第１酸化剤ガス供給経路２５から酸化剤ガスバイパス経路２７を介して、第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂを通流するように作動させる（図２参照）。なお、記憶部に記憶されている所定の閾値は、高分子電解質膜１における第１燃料ガス流路８Ａに対向する部分及び第１酸化剤ガス流路９Ａに対向する部分に孔が生じるまでの積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量を予め実験等によって求められたものであり、燃料電池システムの出力等によって異なるものである。また、当該所定の閾値は、燃料電池システム１００の安全を充分に確保して運転する観点から、予め実験等で求められた高分子電解質膜１に孔が生じるまでの積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量よりも小さい値に設定することが好ましい。
これにより、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、高分子電解質膜１における第１燃料ガス流路８Ａに対向する部分及び第１酸化剤ガス流路９Ａに対向する部分が、乾燥により劣化したような場合に、高分子電解質膜１の当該部分に孔が生じる前に、第１切り替え器６１及び第２切り替え器６２を制御して、燃料ガス及び酸化剤ガスが、それぞれ、第１燃料ガス流路８Ａ及び第１酸化剤ガス流路９Ａを通流することを抑制することができる。また、第１アノード発電部４０１ａと第２アノード発電部４０２ａとの間に区分部（第１分離部材）７０１ｃが配置されているため、第１切り替え器６１及び第２切り替え器６２を制御して、燃料ガス及び酸化剤ガスが、それぞれ、第１燃料ガス流路８Ａ及び第１酸化剤ガス流路９Ａを通流することを抑制した後に、第２燃料ガス流路８Ｂを通流する燃料ガスが、第２燃料ガス流路８Ｂに沿って流れずに、第２アノード発電部４０２ａから第１アノード発電部４０１ａに伏流により短絡することが抑制される。同様に、第１カソード発電部４０１ｂと第２カソード発電部４０２ｂとの間に区分部（第２分離部材）７０１ｃが配置されているため、第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する酸化剤ガスが、第２カソード発電部４０２ｂから第１カソード発電部４０１ｂに伏流により短絡することが抑制される。
このため、高分子電解質膜１における第１燃料ガス流路８Ａに対向する部分及び第１酸化剤ガス流路９Ａに対向する部分から、第１燃料ガス流路８Ａ及び第１酸化剤ガス流路９Ａに存在する燃料ガス及び酸化剤ガスに水分が持ち去られることを抑制し、高分子電解質膜１の当該部分が、さらに乾燥して孔が開くことが抑制することができる。従って、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１０１の電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ることを抑制することができる。
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるセル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、本発明の実施の形態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１００と基本的構成は同じであるが、セル５１のガスケット７Ａの区分部７０１ｃが、アノードガス拡散層３Ａのみを２つに分割し、ガスケット７Ｂの区分部７０１ｃが、カソードガス拡散層３Ｂのみを２つに分割するように形成されている点が異なる。すなわち、第１アノードガス拡散層３０１ａと第２アノードガス拡散層３０２ａとは、隙間Ｇ１´を挟んで上下方向に分離して配置され、第１カソードガス拡散層３０１ｂと第２カソードガス拡散層３０ｂａとは、隙間Ｇ２´を挟んで上下方向に分離して配置されている。
アノード触媒層２Ａは、アノードガス拡散層３Ａに比べてその厚みが非常に小さく、同様に、カソード触媒層２Ｂは、カソードガス拡散層３Ｂに比べて、その厚みが非常に小さい。また、アノード電極４Ａ及びカソード電極４Ｂにおける反応ガスの伏流は、主にアノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂで生じる。
このため、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂを区分部７０１ｃで分離しなくても、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを区分部７０１ｃで２つに分離することで、第１切り替え器６１及び第２切り替え器６２を制御して、燃料ガス及び酸化剤ガスが、それぞれ、第１燃料ガス流路８Ａ及び第１酸化剤ガス流路９Ａを通流することを抑制した後に、第２燃料ガス流路８Ｂを通流する燃料ガスが、第２燃料ガス流路８Ｂに沿って流れずに、第２アノードガス拡散層３０２ａから第１アノードガス拡散層３０１ａに伏流による短絡を抑制することができる。これにより、第２アノード発電部４０２ａから第１アノード発電部４０１ａへの伏流による短絡を抑制することができる。同様に、第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する酸化剤ガスが、第２カソードガス拡散層３０２ｂから第１カソードガス拡散層３０１ｂに伏流による短絡を抑制することができ、これにより、第２カソード発電部４０２ｂから第１カソード発電部４０１ｂへの伏流による短絡を抑制することができる。
従って、このように構成された本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおいても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００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、アノードガス拡散層３Ａとカソードガス拡散層３Ｂを完全に２つに分割する構成としたが、これに限定されず、第２アノード発電部４０２ａから第１アノード発電部４０１ａへの燃料ガスの伏流による短絡、及び第２カソード発電部４０２ｂから第１カソード発電部４０１ｂへの酸化剤ガスの伏流による短絡を抑制することができれば、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂが完全に分割されていない構成（一部でつながる部分を有する構成）であってもよい。
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムにおけるセルの概略構成を模式的に示す断面図であり、図１０は、図９に示すセルのアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。なお、図１０においては、アノードセパレータ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９及び図１０に示すように、本発明の実施の形態３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１００と基本的構成は同じであるが、ガスケット７Ａに第１分離部材である区分部７０１ｃを設けずに、アノードセパレータ６Ａにおける第１燃料ガス流路８Ａと第２燃料ガス流路８Ｂとの間に形成される第１アノードリブ部１８Ａの幅方向（図９における上下方向）の寸法が、第２燃料ガス流路８Ｂのみによって形成される第２アノードリブ部１８Ｂの幅方向の寸法が２倍以上になるように、第１燃料ガス流路８Ａ及び第２燃料ガス流路８Ｂが形成されている点が異なる。また、同様に、本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、ガスケット７Ｂに第２分離部材である区分部７０１ｃを設けずに、カソードセパレータ６Ｂにおける第１酸化剤ガス流路９Ａと第２酸化剤ガス流路９Ｂとの間に形成される第１カソードリブ部１９Ａの幅方向の寸法が、第２酸化剤ガス流路９Ｂのみによって形成される第２カソードリブ部１９Ｂの幅方向の寸法が２倍以上になるように、第１酸化剤ガス流路９Ａ及び第２酸化剤ガス流路９Ｂが形成されている点が、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と異なる。
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システムでは、第１アノードリブ部１８Ａの幅を第２アノードリブ部１８Ｂの幅よりも大きくすることにより、第１燃料ガス流路８Ａを通流する燃料ガスと第２燃料ガス流路８Ｂ（特に、第２燃料ガス供給マニホールド孔３３から水平方向に延びる部分）を通流する燃料ガスの圧力差による当該流路間に生じる圧力勾配を小さくすることができる。
このため、第１切り替え器６１及び第２切り替え器６２を制御して、燃料ガス及び酸化剤ガスが、それぞれ、第１燃料ガス流路８Ａ及び第１酸化剤ガス流路９Ａを通流することを抑制した後に、第２燃料ガス流路８Ｂを通流する燃料ガスが、第２燃料ガス流路８Ｂに沿って流れずに、第２アノード発電部４０２ａから第１アノード発電部４０１ａに伏流により短絡することが抑制される。同様に、第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する酸化剤ガスが、第２カソード発電部４０２ｂから第１カソード発電部４０１ｂに伏流により短絡することが抑制される。
従って、このように構成された本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムにおいても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
（実施の形態４）
図１１及び図１２は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図１１は、第１及び第２切り替え器を切り替える前の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示した図であり、図１２は、第１及び第２切り替え器を切り替えた後の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示した図である。
図１１及び図１２に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１と基本的構成は同じであるが、第１切り替え器６１が、第１開閉弁６１ｅと第２開閉弁６１ｆで構成され、第２切り替え器６２が、第１開閉弁６２ｅと第２開閉弁６２ｆで構成されている点が異なる。具体的には、第１切り替え器６１を構成する第１開閉弁６１ｅは、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａの途中に設けられていて、第１切り替え器６１を構成する第２開閉弁６１ｆは、燃料ガスバイパス経路２３の途中に設けられている。また、第２切り替え器６２を構成する第１開閉弁６２ｅは、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａの途中に設けられていて、第２切り替え器６２を構成する第２開閉弁６２ｆは、酸化剤ガスバイパス経路２７の途中に設けられている。
また、第１切り替え器６１と第２切り替え器６２がこのように構成されているため、制御装置１０５の演算処理部は、記憶部に記憶されている積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値以上になるまでは、第１開閉弁６１ｅを開放するように制御し、また、第２開閉弁６１ｆを閉鎖するように制御する。また、制御装置１０５の演算処理部は、第１開閉弁６１ｅを開放するように制御し、また、第２開閉弁６１ｆを閉鎖するように制御する。
これにより、燃料ガスは、第１燃料ガス供給経路２１、第１燃料ガス流路８Ａ、第２燃料ガス供給経路上流部２２ａ、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂ、及び第２燃料ガス流路８Ｂを通流し、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給経路２５、第１酸化剤ガス流路９Ａ、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａ、第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂ、及び第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する（図１１参照）。
そして、制御装置１０５の演算処理部は、記憶部に記憶されている積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値以上になると、第１開閉弁６１ｅを閉鎖するように制御し、また、第２開閉弁６１ｆを開放するように制御する。また、制御装置１０５の演算処理部は、第１開閉弁６１ｅを閉鎖するように制御し、また、第２開閉弁６１ｆを開放するように制御する。
これにより、燃料ガスは、第１燃料ガス供給経路２１から燃料ガスバイパス経路２３を介して、第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂ及び第２燃料ガス流路８Ｂを通流し、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給経路２５から酸化剤ガスバイパス経路２７を介して第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂ及び第２酸化剤ガス流路９Ｂを通流する。
このように構成された本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００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、第１開閉弁６１ｅを第２燃料ガス供給経路上流部２２ａに設けたが、これに限定されず、第１燃料ガス供給経路２１の燃料ガスバイパス経路２３との接続部分から下流側に設けてもよい。また、第１開閉弁６２ｅを第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａに設けたが、これに限定されず、第１酸化剤ガス供給経路２５の酸化剤ガスバイパス経路２７との接続部分から下流側に設けてもよい。
（実施の形態５）
図１３及び図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図１３は、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値以上になる前の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示した図であり、図１４は、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値以上になった後の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示した図である。
図１３及び図１４に示すように、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１は、実施の形態４に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１と基本的構成は同じであるが、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値以上になると、メンテナンス作業者が燃料ガスバイパス経路２３及び酸化剤ガスバイパス経路２７を構成する配管を取り付けるように構成されている点が異なる。
すなわち、図１３に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、家庭に備え付けるときには、燃料電池システム１００の燃料電池１０１には、燃料ガスバイパス経路２３及び酸化剤ガスバイパス経路２７が設けられていない。一方、燃料電池１０１の第２燃料ガス供給経路上流部２２ａには、開閉弁６３が設けられ、また、第２酸化剤ガス供給経路上流部２６ａには、開閉弁６４が設けられている。
燃料電池システム１００の運転を開始して、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量の少なくとも１つが、記憶部に記憶されている所定の閾値以上になると、制御装置１０５の演算処理部は、表示部に燃料ガスバイパス経路２３及び酸化剤ガスバイパス経路２７の取り付けを知らせる表示を行わせる。なお、表示部への表示だけではなく、スピーカから音声を出力したり、警報音を出力したり、警報を表す光を出射したりしてもよく、また、サービスセンターに直接、燃料ガスバイパス経路２３及び酸化剤ガスバイパス経路２７の取り付けを伝達してもよい。
そして、図１４に示すように、メンテナンス作業者が、燃料ガスバイパス経路２３を構成する配管を第１燃料ガス供給経路２１と第２燃料ガス供給経路下流部２２ｂとを接続するように設け、また、酸化剤ガスバイパス経路２７を構成する配管を第１酸化剤ガス供給経路２５と第２酸化剤ガス供給経路下流部２６ｂとを接続するように設ける。また、メンテナンス作業者（又は制御装置１０５）は、開閉弁６３及び開閉弁６４を閉鎖させる。その後、燃料電池システム１００の運転開始を許可して、燃料電池システム１００の運転を行う。
このように構成された本発明の実施の形態５に係る燃料電池システム１００においても、実施の形態４に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
なお、上記実施形態１〜５においては、第１アノード触媒層２０１ａ、第２アノード触媒層２０２ａ、第１カソード触媒層２０１ｂ及び第２カソード触媒層２０２ｂは、高分子電解質膜１の周縁より内方に設けられているとしたが、これに限定されない。例えば、高分子電解質膜１の周縁部の少なくとも一部にさらに設けられていてもよく、高分子電解質膜１の全面に設けられていてもよい。
また、上記実施形態１〜５においては、燃料電池１０１として、各マニホールド孔がセパレータに設けられたいわゆる内部マニホールド形を採用したが、これに限定されず、燃料電池１０１として、外部マニホールド形を採用してもよい。
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、電解質層における燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の上流部に対向する部分が、乾燥して劣化した場合に、電解質層の当該部分の更なる乾燥を抑制して、当該部分に孔が開くことを抑制し、燃料電池の電圧の急激な低下とともに発電不能状態に陥ることを抑制することが可能なため、燃料電池の技術分野で有用である。
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す模式図である。 図２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す模式図である。 図３は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池の概略構成を模式的に示す斜視図である。 図４は、図３に示す燃料電池におけるセルの概略構成を模式的に示す断面図である。 図５は、図４に示すセルにおけるＭＥＡの概略構成を示す模式図である。 図６は、図４に示すセルにおけるガスケットの概略構成を示す模式図である。 図７は、図４に示すセルにおけるアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるセルの概略構成を模式的に示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムにおけるセルの概略構成を模式的に示す断面図である。 図１０は、図９に示すセルのアノードセパレータの概略構成を示す模式図である。 図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図１２は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図１４は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
１ 高分子電解質膜（電解質層）
２Ａ アノード触媒層
２Ｂ カソード触媒層
３Ａ アノードガス拡散層
３Ｂ カソードガス拡散層
４Ａ アノード電極
４Ｂ カソード電極
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体（電解質層−電極接合体））
６Ａ アノードセパレータ
６Ｂ カソードセパレータ
７Ａ ガスケット
７Ｂ ガスケット
８Ａ 第１燃料ガス流路
８Ｂ 第２燃料ガス流路
９Ａ 第１酸化剤ガス流路
９Ｂ 第２酸化剤ガス流路
１０ 冷却水流路
１８Ａ 第１アノードリブ部
１８Ｂ 第２アノードリブ部
１９Ａ 第１カソードリブ部
１９Ｂ 第２カソードリブ部
２１ 第１燃料ガス供給経路
２２ 第２燃料ガス供給経路
２２ａ 第２燃料ガス供給経路上流部
２２ｂ 第２燃料ガス供給経路下流部
２３ 燃料ガスバイパス経路
２４ オフガス経路
２５ 第１酸化剤ガス供給経路
２６ 第２酸化剤ガス供給経路
２６ａ 第２酸化剤ガス供給経路上流部
２６ｂ 第２酸化剤ガス供給経路下流部
２７ 酸化剤ガスバイパス経路
２８ 酸化剤ガス排出経路
２９ 冷却水循環路
２９ａ 冷却水往路
２９ｂ 冷却水復路
３１ 第１燃料ガス供給マニホールド孔
３２ 第１燃料ガス排出マニホールド孔
３３ 第２燃料ガス供給マニホールド孔
３４ 第２燃料ガス排出マニホールド孔
３５ 第１酸化剤ガス供給マニホールド孔
３６ 第１酸化剤ガス排出マニホールド孔
３７ 第２酸化剤ガス供給マニホールド孔
３８ 第２酸化剤ガス排出マニホールド孔
３９ 冷却水供給マニホールド孔
４０ 冷却水排出マニホールド孔
４１Ａ 第１端板
４１Ｂ 第２端板
５１ セル
６１ 第１切り替え器
６１ａ 第１ポート
６１ｂ 第２ポート
６１ｃ 第３ポート
６１ｅ 第１開閉弁
６１ｆ 第２開閉弁
６２ 第２切り替え器
６２ａ 第１ポート
６２ｂ 第２ポート
６２ｃ 第３ポート
６２ｅ 第１開閉弁
６２ｆ 第２開閉弁
６３ 開閉弁
６４ 開閉弁
８１ セル積層体
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 水素生成装置（燃料ガス供給器）
１０２ａ バーナ
１０３ 酸化剤ガス供給装置（酸化剤ガス供給器）
１０４ 冷却水タンク
１０５ 制御装置（制御器）
１０６ 燃料ガス流量検知器
１０７ 酸化剤ガス流量検知器
１０８ ポンプ
１３１ 第１燃料ガス供給マニホールド
１３２ 第１燃料ガス排出マニホールド
１３３ 第２燃料ガス供給マニホールド
１３４ 第２燃料ガス排出マニホールド
１３５ 第１酸化剤ガス供給マニホールド
１３６ 第１酸化剤ガス排出マニホールド
１３７ 第２酸化剤ガス供給マニホールド
１３８ 第２酸化剤ガス排出マニホールド
１３９ 冷却水供給マニホールド
１４０ 冷却水排出マニホールド
４０１ａ 第１アノード発電部（第１アノード発電領域）
４０１ｂ 第１カソード発電部（第１カソード発電領域）
４０２ａ 第２アノード発電部（第２アノード発電領域）
４０２ｂ 第２カソード発電部（第２カソード発電領域）
７０１ａ 貫通孔
７０１ｂ 貫通孔
７０１ｃ 区分部（第１分離部材、第２分離部材）

Claims (15)

  1. 電解質層と、前記電解質層の一方の主面に配置されたアノード電極と、前記電解質層の他方の主面に配置されたカソード電極と、を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体の前記アノード電極と接触するように配設され、前記アノード電極と接触する内面に溝状の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路が形成された導電性のアノードセパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体の前記カソード電極と接触するように配設され、前記カソード電極と接触する内面に溝状の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路が形成された導電性のカソードセパレータと、を有する燃料電池と、
    前記第１燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１燃料ガス供給経路と、
    前記第１燃料ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２燃料ガス供給経路と、
    前記第１燃料ガス供給経路と前記第２燃料ガス供給経路とを接続する燃料ガスバイパス経路と、
    前記第１燃料ガス供給経路からの燃料ガスの供給先を前記第１燃料ガス流路と前記燃料ガスバイパス経路との間で切り替える第１切り替え器と、
    前記第１酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１酸化剤ガス供給経路と、
    前記第１酸化剤ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２酸化剤ガス供給経路と、
    前記第１酸化剤ガス供給経路と前記第２酸化剤ガス供給経路とを接続する酸化剤ガスバイパス経路と、
    前記第１酸化剤ガス供給経路からの酸化剤ガスの供給先を前記第１酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガスバイパス経路との間で切り替える第２切り替え器と、を備える、燃料電池システム。
  2. 前記アノード電極は、第１アノード発電領域と第２アノード発電領域を有し、
    前記カソード電極は、第１カソード発電領域と第２カソード発電領域を有し、
    前記第１燃料ガス流路は、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、該アノードセパレータの前記第１アノード発電領域と対向する部分に形成され、
    前記第２燃料ガス流路は、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、該アノードセパレータの前記第２アノード発電領域と対向する部分に形成され、
    前記第１酸化剤ガス流路は、前記カソードセパレータの厚み方向から見て、該カソードセパレータの前記第１カソード発電領域と対向する部分に形成され、
    前記第２酸化剤ガス流路は、前記カソードセパレータの厚み方向から見て、該カソードセパレータの前記第２カソード発電領域と対向する部分に形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１アノード発電領域の少なくとも一部が、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、前記第１カソード発電領域と重なるように形成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第１アノード発電領域は、前記アノードセパレータの厚み方向から見て、前記第１カソード発電領域と互いに重なるように形成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記アノード電極は、第１分離部材を有し、
    前記カソード電極は、第２分離部材を有し、
    前記第１アノード発電領域と前記第２アノード発電領域とは、前記アノード電極が前記第１分離部材によって前記第１アノード発電領域に対応する部分と前記第２アノード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分され、
    前記第１カソード発電領域と前記第２カソード発電領域とは、前記カソード電極が前記第２分離部材によって前記第１カソード発電領域に対応する部分と前記第２カソード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記アノード電極は、前記アノードセパレータの内面側に配置されたアノードガス拡散層を有し、
    前記カソード電極は、前記カソードセパレータの内面側に配置されたカソードガス拡散層を有し、
    前記アノードガス拡散層は、第１分離部材を有し、
    前記カソードガス拡散層は、第２分離部材を有し、
    前記第１アノード発電領域と前記第２アノード発電領域とは、前記アノードガス拡散層が前記第１分離部材によって前記第１アノード発電領域に対応する部分と前記第２アノード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分され、
    前記第１カソード発電領域と前記第２カソード発電領域とは、前記カソード電極が前記第２分離部材によって前記第１カソード発電領域に対応する部分と前記第２カソード発電領域に対応する部分とに分離されることによって互いに区分されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第２燃料ガス流路及び前記第２酸化剤ガス流路は、それぞれ、屈曲するように形成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第１燃料ガス流路及び前記第２燃料ガス流路は、該第１燃料ガス流路と該第２燃料ガス流路との間に形成される第１アノードリブ部の幅が、前記第２燃料ガス流路間に形成される第２アノードリブ部の幅よりも大きくなるように形成され、
    前記第１酸化剤ガス流路及び前記第２酸化剤ガス流路は、該第１酸化剤ガス流路と該第２酸化剤ガス流路との間に形成される第１カソードリブ部の幅が、前記第２酸化剤ガス流路間に形成される第２カソードリブ部の幅よりも大きくなるように形成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第１燃料ガス流路及び前記第２燃料ガス流路は、前記第１アノードリブ部の幅が、前記第２アノードリブ部の幅の２倍以上になるように形成され、
    前記第１酸化剤ガス流路及び前記第２酸化剤ガス流路は、前記第１カソードリブ部の幅が、前記第２カソードリブ部の幅の２倍以上になるように形成されている、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記第１燃料ガス供給経路に燃料ガスを供給するように構成された燃料ガス供給器と、
    前記第１酸化剤ガス供給経路に酸化剤ガスを供給するように構成された酸化剤ガス供給器と、
    制御器と、を備え、
    前記制御器が、前記第１燃料ガス供給経路からの前記燃料ガスの供給先を前記第１燃料ガス流路と前記燃料ガスバイパス経路との間で切り替えるように第１切り替え器を制御し、前記第１酸化剤ガス供給経路からの前記酸化剤ガスの供給先を前記第１酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガスバイパス経路との間で切り替えるように第２切り替え器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料ガス供給器から供給される前記燃料ガスの流量を検知するように構成された燃料ガス流量検知器、及び、前記酸化剤ガス供給器から供給される前記酸化剤ガスの流量を検知するように構成された酸化剤ガス流量検知器のうちの少なくとも１つを備え、
    前記制御器は、積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量のうち少なくとも１つが、予め定められる閾値以上になると、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に通流するように第１切り替え器を制御し、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流するように第２切り替え器を制御する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池は、第１燃料ガス供給マニホールドと、第１燃料ガス排出マニホールドと、第２燃料ガス供給マニホールドと、第１酸化剤ガス供給マニホールドと、第１酸化剤ガス排出マニホールドと、第２酸化剤ガス供給マニホールドと、を有し、
    前記第１燃料ガス供給経路の下流端は、前記第１燃料ガス供給マニホールドを介して前記第１燃料ガス流路の上流端と接続され、
    前記第２燃料ガス供給経路の上流端は、前記第１燃料ガス排出マニホールドを介して前記第１燃料ガス流路の下流端と接続され、前記第２燃料ガス供給経路の下流端は、前記第２燃料ガス供給マニホールドを介して前記第２燃料ガス流路と接続され、
    前記第１酸化剤ガス供給経路の下流端は、前記第１酸化剤ガス供給マニホールドを介して前記第１酸化剤ガス流路の上流端と接続され、
    前記第２酸化剤ガス供給経路の上流端は、前記第１酸化剤ガス排出マニホールドを介して前記第１酸化剤ガス流路の下流端と接続され、前記第２酸化剤ガス供給経路の下流端は、前記第２酸化剤ガス供給マニホールドを介して前記第２酸化剤ガス流路と接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  13. 電解質層と、前記電解質層の一方の主面に該電解質層の周縁部より内方に位置するように配置されたアノード電極と、前記電解質層の他方の主面に前該電解質層の周縁部より内方に位置するように配置されたカソード電極と、を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記アノード電極と接触する内面に溝状の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路が形成された導電性のアノードセパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記カソード電極と接触する内面に溝状の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路が形成された導電性のカソードセパレータと、を有する燃料電池と、前記第１燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１燃料ガス供給経路と、前記第１燃料ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２燃料ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１酸化剤ガス供給経路と、前記第１酸化剤ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２酸化剤ガス供給経路と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
    燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記第１燃料ガス流路に、かつ、酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記第１酸化剤ガス流路に通流させ、その後、前記第１燃料ガス供給経路と前記第２燃料ガス供給経路とを接続する燃料ガスバイパス経路と、前記第１酸化剤ガス供給経路と前記第２酸化剤ガス供給経路とを接続する酸化剤ガスバイパス経路と、を設け、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に、かつ、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流させて前記燃料電池システムを運転する、燃料電池システムの運転方法。
  14. 電解質層と、前記電解質層の一方の主面に配置されたアノード電極と、前記電解質層の他方の主面に配置されたカソード電極と、を有する電解質層−電極接合体と、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記アノード電極と接触する内面に溝状の第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路が形成された導電性のアノードセパレータと、板状で、前記電解質層−電極接合体と接触するように配設され、前記カソード電極と接触する内面に溝状の第１酸化剤ガス流路と第２酸化剤ガス流路が形成された導電性のカソードセパレータと、を有する燃料電池と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    前記第１燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１燃料ガス供給経路と、
    前記第１燃料ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２燃料ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２燃料ガス供給経路と、
    前記第１酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第１酸化剤ガス供給経路と、
    前記第１酸化剤ガス流路の下流端にその上流端が接続され、前記第２酸化剤ガス流路の上流端にその下流端が接続された第２酸化剤ガス供給経路と、
    前記第１燃料ガス供給経路と前記第２燃料ガス供給経路とを接続する燃料ガスバイパス経路と、
    前記第１酸化剤ガス供給経路と前記第２酸化剤ガス供給経路とを接続する酸化剤ガスバイパス経路と、を備え、
    燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記第１燃料ガス流路に、かつ、酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記第１酸化剤ガス流路に通流させ、
    その後、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に、かつ、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流させて前記燃料電池システムを運転する、燃料電池システムの運転方法。
  15. 積算発電量、積算運転時間、積算燃料ガス流量、及び積算酸化剤ガス流量のうち少なくとも１つが、予め定められる閾値以上になると、前記燃料ガスを前記第１燃料ガス供給経路から前記燃料ガスバイパス経路に、かつ、前記酸化剤ガスを前記第１酸化剤ガス供給経路から前記酸化剤ガスバイパス経路に通流させて前記燃料電池システムを運転する、請求項１３又は１４に記載の燃料電池システムの運転方法。
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