JP4929571B2 - 燃料電池のセパレータ及び燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、アノードガス流路及びカソードガス流路が形成される燃料電池のセパレータに関し、更には、これを用いた燃料電池装置に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、アノードガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。

従来の燃料電池はセパレータと膜電極接合体とを交互に積層することでスタック化されており、二つのセパレータに挟持された膜電極接合体を１つの発電セルとしている（例えば、特許文献１参照）。膜電極接合体は固体高分子電解質膜の両面にガス拡散層を積層したものであり、セパレータは両面に流路を形成したものであり、セパレータの一方の面に形成された流路にはアノードガスが流れ、他方の面に形成された流路にはカソードガスが流れる。

燃料電池で効率よく発電を行うには適正な温度があり、燃料電池を適正な温度に保つために燃料電池を加熱したり冷却したりする必要がある。そのために、燃料電池に電熱材を設け、電熱材で加熱することが行われている（特許文献１参照）。
特開２００２−３１３３９１号公報

ところが、電熱材で燃料電池を加熱するためには電力を必要とするため、エネルギーの利用効率が悪かった。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、燃料電池においてエネルギーの利用効率を向上させることを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の燃料電池のセパレータは、アノードガスが流れるアノードガス流路を一方の面に有し、カソードガスが流れるカソードガス流路を他方の面に有し、前記アノードガス流路の終端部に連通するとともに前記カソードガス流路に連通する内部流路を前記一方の面と前記他方の面との間の内部に有し、アノードガスを排出するアノードガス排出孔を有し、前記アノードガス流路の終端部から前記アノードガス排出孔まで連通するアノードガス排出流路を有し、前記アノードガス排出流路の開口量を調整するアノードガスバルブを前記アノードガス排出流路の中途部に有し、前記内部流路の壁面に燃焼触媒を有する。

本発明の燃料電池装置は、固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜を挟んで対向する一対のガス拡散層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体と交互に積層されたセパレータと、を備える燃料電池装置であって、前記セパレータが、アノードガスが流れるアノードガス流路を一方の面に有し、カソードガスが流れるカソードガス流路を他方の面に有し、前記アノードガス流路の終端部に連通するとともに前記カソードガス流路に連通する内部流路を前記一方の面と前記他方の面との間の内部に有し、アノードガスを排出するアノードガス排出孔を有し、前記アノードガス流路の終端部から前記アノードガス排出孔まで連通するアノードガス排出流路を有し、前記アノードガス排出流路の開口量を調整するアノードガスバルブを前記アノードガス排出流路の中途部に有し、前記内部流路の壁面に燃焼触媒を有することを特徴とする。

以上のように、内部流路がアノードガス流路及びカソードガス流路に連通するため、アノードガス流路を流れるアノードガスが内部流路に流れ込み、カソードガス流路を流れるカソードガスも内部流路に流れ込む。そのため、内部流路にはカソードガスとアノードガスが流れるが、内部流路の壁面に燃焼触媒が設けられているからアノードガス中の燃料電池で消費されずに残留した燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物がカソードガス中の酸素と燃焼反応して、燃焼熱が生じる。従って、燃料電池装置及びセパレータが加熱される。このように、電熱材ではなく、発電後に外部に放出されるアノードガス中の成分の燃焼によって燃料電池装置が加熱されるから、エネルギーの利用効率が向上する。

また、セパレータの内部に内部流路が形成されているから、内部流路における燃焼熱が外部に伝わりにくくなっている。特に、膜電極接合体とセパレータとを交互に積層した燃料電池装置においては、セパレータの内部に内部流路が形成されているから、燃料電池装置の外面に電熱材等を設けた場合よりも膜電極接合体のガス拡散層に熱が伝わりやすくなり、燃焼熱を燃料電池装置の電気化学反応に効率よく利用することができる。

さらに、内部流路がアノードガス流路の終端部に連通するから、アノードガス流路を流れたアノードガスが内部流路に流れ込む。つまり、膜電極接合体における電気化学反応では未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物を含んだアノードガスが内部流路に流れるため、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物を燃焼反応に有効利用することができる。そのため、エネルギーの利用効率が向上する。
そして、アノードガスバルブがアノードガス排出流路の中途部に設けられているから、アノードガスバルブの開口量が大きくなるにつれてと、アノードガス流路を流れたアノードガスがアノードガス排出流路に流れやすくなってアノードガス排出孔から排出されやすくなり、逆に内部流路には流れ難くなる。そのため、内部流路では燃焼が起こりにくくなり、内部流路を流れるカソードガスによってセパレータや燃料電池装置が空冷される。
一方、アノードガスバルブの開口量が小さくなるにつれて、アノードガス流路を流れたアノードガスがアノードガス排出流路に流れにくくなって、逆にアノードガスが内部流路には流れやすくなる。そのため、内部流路では燃焼が起こりやすくなり、内部流路における燃焼熱によってセパレータや燃料電池装置が加熱される。
以上のように、アノードガスバルブの開口量の調整によってセパレータや燃料電池装置の温度制御を行うことができる。

本発明においては、前記セパレータが、カソードガスを導入するカソードガス導入孔を有し、前記カソードガス導入孔を介して前記内部流路と前記カソードガス流路が連通することが好ましい。

以上のように、カソードガス導入孔を介して内部流路とカソードガス流路が連通するので、カソードガス流路にも内部流路にも新鮮なカソードガスがカソードガス導入口から供給される。

本発明においては、前記内部流路が、前記アノードガス流路の終端部から合流部まで連通する燃焼ガス流路と、前記カソードガス流路から前記合流部まで連通するカソードガス供給流路と、前記合流部から前記アノードガス排出孔まで連通する熱交換流路と、を有することが好ましい。

以上のように、燃焼ガス流路にはアノードガス流路を流れたアノードガスが流れ込み、カソードガス供給流路にはカソードガス流路からカソードガスが流れ込み、合流部においてアノードガスとカソードガスが混合する。そして、アノードガスとカソードガスの混合気が熱交換流路を流れ、熱交換流路において燃焼が起こる。このように、アノードガス中の未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物が燃焼するので、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物を燃焼反応に有効利用することができ、エネルギーの利用効率が向上する。

本発明においては、前記セパレータが、前記カソードガス供給流路の開口量を調整するカソードガスバルブを前記カソードガス供給流路の中途部に有することが好ましい。

以上のように、カソードガス供給流路の中途部にカソードガスバルブが設けられているので、熱交換流路に供給するカソードガスの量を調整することができる。

本発明においては、燃料電池装置が、前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることが好ましい。

以上のように、制御部でアノードガスバルブの開口量を調整することによって、セパレータや燃料電池装置の温度制御を行うことができる。更に、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流は膜電極接合体で生成された電気エネルギーに依存し、更には膜電極接合体で反応した燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物の量に依存するから、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流から未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量が把握できる。即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流に応じてアノードガスバルブの開口量を制御することは、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量に応じてアノードガスバルブの開口量を制御することと実質的に同じである。このように、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量に応じてアノードガスバルブの開口量を制御しているから、セパレータや燃料電池装置の温度制御をより正確に行うことができる。

本発明においては、前記燃料電池装置が、前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることが好ましい。
本発明においては、前記燃料電池装置が、前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量及び前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることが好ましい。

以上のように、制御部でアノードガスバルブの開口量を調整することによって、セパレータや燃料電池装置の温度制御を行うことができる。更に、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流は膜電極接合体で生成された電気エネルギーに依存し、更には膜電極接合体で反応した燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物の量に依存するから、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流から未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量が把握できる。即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流に応じてアノードガスバルブの開口量を制御することは、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量に応じてアノードガスバルブの開口量を制御することと実質的に同じである。このように、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量に応じてアノードガスバルブの開口量を制御しているから、セパレータや燃料電池装置の温度制御をより正確に行うことができる。
また、制御部でカソードガスバルブの開口量を調整することで、熱交換流路に供給するカソードガスの量を調整することができる。更に、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流は膜電極接合体で反応した燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物の量に依存するから、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流から未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物量が把握できる。即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流に応じてカソードガスバルブの開口量を制御することは、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物の量に応じてカソードガスバルブの開口量を制御することと実質的に同じであるから、未反応の燃焼可能な燃料もしくは燃料を改質した可燃物を燃焼させるのに適切な量のカソードガスを供給することができる。そのため、セパレータや燃料電池装置の温度制御をより正確に行うことができる。

本発明によれば、電熱材ではなくアノードガスの燃焼によって燃料電池装置が加熱されるから、エネルギーの利用効率が向上する。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、発電装置２００のブロック図である。
この発電装置２００は、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。

発電装置２００は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器２０１と、燃料容器２０１から供給された燃料と水を気化させる気化器２０３と、燃料容器２０１から燃料と水を吸引するとともに吸引した燃料と水を気化器２０３に供給する燃料ポンプ２０２と、気化器２０３から供給された燃料と水の混合気を水素ガスと二酸化炭素ガス等を化学反応式（１）、（２）のように生成する改質器２０４と、改質器２０４から供給された混合気中の一酸化炭素を化学反応式（３）のように酸化させることで混合気から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０５と、一酸化炭素除去器２０５から供給された混合気のうち水素ガスと外気の酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池本体１と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器２０５及び燃料電池本体１に供給する空気ポンプ２０６と、を備える。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

気化器２０３、燃料ポンプ２０２、改質器２０４、一酸化炭素除去器２０５及び空気ポンプ２０６は、電子機器本体に搭載されている。それに対し、燃料容器２０１は電子機器本体に対して着脱可能に設けられており、電子機器本体に対して燃料容器２０１が装着された場合に燃料容器２０１内の燃料が燃料ポンプ２０２によって気化器２０３に送られる。燃料電池本体１は電子機器本体に着脱可能に設けられていても良いし、電子機器本体に固定されていても良い。

なお、燃料容器２０１に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素原子を含む化合物が適用可能である。

本発明を適用した実施形態における燃料電池装置は、上記燃料電池本体１と、図１１に示されたようなコントローラ８０と、を備える。

図２は、スタック型の燃料電池本体１の厚さ方向に平行な切断面の端面図である。図２に示すように、この燃料電池本体１は、複数の燃料電池ユニットが電気的に直列に接続されるように積層されたものである。燃料電池本体１は、マイナス極の集電板２と、この集電板２に対してほぼ平行なプラス極の集電板３と、集電板２と集電板３との間において交互に積層された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）４及び複数の両面セパレータ５と、を備え、図示しないボルトナット結合により厚さ方向に締め付けられたものである。各燃料電池ユニットは、膜電極接合体４が両面を２枚の両面セパレータ５，５によって挟まれた構造、集電板２及び両面セパレータ５によって挟まれた構造又は集電板３及び両面セパレータ５によって挟まれた構造である。１枚の両面セパレータ５は、一方の面が燃料電池ユニットの水素極側に配置され、他方の面が隣接する他の燃料電池ユニットの酸素極側に配置されている。なお、ボルトナット結合をはずすと、この燃料電池本体１を集電板２，３、複数の膜電極接合体４及び複数の両面セパレータ５に分離することができる。また図２では燃料電池ユニットの数は４つであるがこれに限らない。

図３、図４を用いて膜電極接合体４について説明する。図３は、膜電極接合体４の平面図であり、図４は、図３に示された切断面IV−IVに沿って切断したときの矢視断面図である。図３、図４に示すように、この膜電極接合体４は、固体高分子電解質膜６と、ガス拡散層７，８と、触媒９，１０と、ガスケット１１，１２とを備えて構成されている。

固体高分子電解質膜６は、矩形状又は正方形状に形成された膜であって、水素イオン（Ｈ⁺）を選択的に透過させるものである。固体高分子電解質膜６の両面であってそれぞれの中央部には、触媒９，１０が矩形状又は正方形状に成膜されている。触媒９上には、ガス透過性と電気伝導性を有するガス拡散層７が成膜され、触媒１０上には、ガス透過性と電気伝導性を有するガス拡散層８が成膜されている。ガス拡散層７がアノード（水素極）として機能し、ガス拡散層８がカソード（酸素極）として機能する。ガスケット１１はガス拡散層７を囲繞するよう矩形枠型又は正方形枠型に設けられており、ガスケット１２はガス拡散層８を囲繞するよう矩形枠型又は正方形枠型に設けられている。ガスケット１１，１２によって固体高分子電解質膜６の外縁側が挟持されている。ガスケット１１，１２には、それぞれ各頂角近傍にボルトが挿入される孔２９が設けられている。

図３に示すように、ガス拡散層７の周囲において、アノードガス導入孔１５、アノードガス排出孔１６、カソードガス導入孔１７及びカソードガス排出孔１８がガスケット１１の表面からガスケット１２の表面まで貫通するよう形成されている。なお、アノードガスとは、水素ガスを含むガスを意味し、具体的には改質器２０４で生成された水素ガスやその他の副生成ガス（例えば、二酸化炭素ガス）等を含むガスを意味する。カソードガスとは、酸素ガスを含むガスを意味し、具体的には空気を意味する。アノードガスは上述の一酸化炭素除去器２０５から供給され、カソードガスは空気ポンプ２０６によって供給される。

図５〜図７を用いて両面セパレータ５について説明する。図５は、両面セパレータ５の両面のうちガス拡散層７に接する面の平面図であり、図６は、図５の面とは反対となる面であってガス拡散層８に接する面の平面図であり、図７は、図５，図６に示された切断面VII−VIIに沿って切断したときの矢視断面図である。

両面セパレータ５は、三枚の金属板１９，２０，２１と、アノードガスバルブ２２と、カソードガスバルブ２３とを備えて構成されている。金属板１９，２０，２１はステンレス鋼（ＳＵＳ）を矩形板又は正方形板に形成したものである。これら金属板１９，２０，２１はこの順に積層され、拡散接合により接合されており、接合した金属板１９，２０，２１の表面全体には金メッキが接触抵抗の低減のために施されている。金属板１９，２０，２１の接合は拡散接合に限らず、他の接合法であっても良い。金属板１９，２０，２１には、それぞれ各頂角近傍にボルトが挿入される孔３０が穿孔されている。ここで、図面において、金メッキは金属板１９，２０，２１に比較して非常に薄いので、図面を簡略化するために、金メッキの図示を省略する。

これら金属板１９，２０，２１の接合体には、その一方の面から他方の面まで貫通したアノードガス導入孔２５、アノードガス排出孔２６、カソードガス導入孔２７及びカソードガス排出孔２８が形成されている。ここで、アノードガス導入孔２５は膜電極接合体４のアノードガス導入孔１５に相対する位置に形成され、アノードガス排出孔２６は膜電極接合体４のアノードガス排出孔１６の相対する位置に形成され、カソードガス導入孔２７は膜電極接合体４のカソードガス導入孔１７の相対する位置に形成され、カソードガス排出孔２８は膜電極接合体４のカソードガス排出孔１８の相対する位置に形成されている。金属板１９，２０，２１の各孔３０は、ガスケット１１，１２の各孔２９の相対する位置に形成されている。

図８は、図７の矢印Ａ方向へ見た場合の金属板２１の平面図である。図８に示すように、金属板２１の一方の面（膜電極接合体４との接合面）であってその中央部には、葛折り状の蛇行溝３１が形成されている。蛇行溝３１の一端部においては、穿孔３２が反対面（金属板２０との接合面）にまで貫通し、蛇行溝３１の他端部においては、穿孔３３が反対面にまで貫通している。その反対面には、アノードガス導入孔２５から穿孔３２まで導かれた長溝３４と、穿孔３３から導き出た長溝３５と、アノードガス排出孔２６から長溝３５の先端部の近くまで導き出た長溝３６とが凹設されている。

この反対面は金属板２０との接合面であり、金属板２１と金属板２０が接合することによって、長溝３４，３５，３６が金属板２０によって蓋される。金属板２１に膜電極接合体４の水素極側の面を接合することによって蛇行溝３１がガス拡散層７によって蓋される。蛇行溝３１及び長溝３４が蓋されることで、アノードガス導入孔２５から長溝３４及び蛇行溝３１を経由して穿孔３３まで連なった流路７１が形成されるが、以下ではこのように膜電極接合体４のガス拡散層７に面した流路７１をアノードガス流路７１という。このアノードガス流路７１の始端部がアノードガス導入孔２５に連通し、アノードガス流路７１の終端部は穿孔３３となる。なお、蛇行溝３１、穿孔３２，３３及び長溝３４，３５，３６は、金属板２１と金属板２０の接合前にエッチングによって形成されたものである。

図９は、図７に示された矢印Ａ方向へ見た場合の金属板２０の平面図である。図９に示すように、この金属板２０の金属板２１との接合面であってその中央部には、葛折り状の蛇行溝３７が形成されている。蛇行溝３７の壁面には、水素を燃焼（酸化）させる燃焼触媒が担持されている。

蛇行溝３７の一端部はアノードガス排出孔２６まで導かれ、蛇行溝３７の他端部が合流部３８において長溝３９及び長溝４０に合流している。長溝３９が合流部３８から金属板２１の穿孔３３に対応する位置まで凹設され、長溝４０が合流部３８から反対面（金属板１９との接合面）に貫通した穿孔４１まで凹設されている。また、穿孔４１の近傍には金属板２１との接合面から金属板１９との接合面に貫通した穿孔４２が設けられている。また、金属板２１との接合面には、穿孔４２からカソードガス導入孔２７まで導かれた長溝４３が凹設されている。反対面（金属板１９との接合面）には、円形状の座ぐり４４が形成され、この座ぐり４４の底に穿孔４１及び穿孔４２が形成されている。また、金属板１９との接合面であってアノードガス排出孔２６及び長溝３９における合流部３８と逆側の端部の近傍には、円形状の座ぐり４５が形成され、座ぐり４５の底には金属板２１との接合面まで貫通した穿孔４６及び穿孔４７が形成されている。穿孔４６は、金属板２１の長溝３５の先端に対応する位置にあり、穿孔４７は、金属板２１の長溝３６の先端に対応する位置にある。

金属板２０と金属板２１が接合されることで、蛇行溝３７及び長溝３９，４０，４３が金属板２１によって蓋され、合流部３８からアノードガス排出孔２６までの流路７３が形成されるとともに、カソードガス導入孔２７から長溝４３、穿孔４２，４１、座ぐり４４及び長溝４０を経由して合流部３８までの流路７５が形成される。以下では、流路７３を熱交換流路７３といい、流路７５をカソードガス供給流路７５という。このカソードガス供給流路７５の始端部はカソードガス導入孔２７に連通し、カソードガス供給流路７５の終端部が合流部３８となり、熱交換流路７３の始端部が合流部３８においてカソードガス供給流路７５に連通し、熱交換流路７３の終端部がアノードガス排出孔２６に連通する。

また、図８、図９に示すように、長溝３９の先端と穿孔３３が重なるように金属板２０と金属板２１が接合されるので、アノードガス流路７１の終端部が穿孔３３を介して長溝３９の先端に連通し、穿孔３３から合流部３８までの流路７４が形成されるが、以下ではこの流路７４を燃焼ガス供給流路７４という。この燃焼ガス供給流路７４の始端部は穿孔３３によってアノードガス流路７１の終端部に連通し、燃焼ガス供給流路７４の終端部が合流部３８においてカソードガス供給流路７５及び熱交換流路７３に連通する。

また、長溝３５の先端と穿孔４６が重なるよう且つ長溝３６の先端と穿孔４７とが重なるよう金属板２０と金属板２１が接合されるので、長溝３５が穿孔４６，４７及び座ぐり４５を介して長溝３６に連通しており、穿孔３３からアノードガス排出孔２６までの流路７２が形成される。以下では、この流路７２をアノードガス排出流路７２という。このアノードガス排出流路７２の始端部は穿孔３３によってアノードガス流路７１の終端部に連通し、アノードガス排出流路７２の終端部はアノードガス排出孔２６に連通する。

図１０は、図７に示された矢印Ａ方向へ見た場合の金属板１９の平面図である。図１０に示すように、金属板１９の一方の面（膜電極接合体４との接合面）であってその中央部には、葛折り状の蛇行溝４８が形成されている。蛇行溝４８の一端部においては、穿孔４９が反対面（金属板２０との接合面）にまで貫通し、蛇行溝４８の他端部においては、穿孔５０が反対面にまで貫通している。その反対面には、カソードガス導入孔２７から穿孔４９まで導かれた長溝５１と、穿孔５０からカソードガス排出孔２８まで導かれた長溝５２とが凹設されている。また、金属板２０の座ぐり４４，４５と同心となる位置には、円形状の取付孔５４，５３が金属板１９を貫通するよう形成されている。取付孔５４の径は座ぐり４４の径よりも大きく、取付孔５３の径は座ぐり４５の径よりも大きい。

蛇行溝４８、穿孔４９，５０、長溝５１，５２及び取付孔５３，５４は、金属板１９と金属板２０の接合前にエッチングによって形成されたものであり、金属板１９と金属板２０が接合することによって、長溝５１，５２が金属板２０によって蓋される。一方、金属板１９に膜電極接合体４の酸素極側の面を接合することによって蛇行溝４８がガス拡散層８によって蓋される。蛇行溝４８及び長溝５１，５２が蓋されることで、カソードガス導入孔２７から長溝５１、蛇行溝４８及び長溝５２を経由してカソードガス排出孔２８まで連なった流路７６が形成されるが、以下ではこのように膜電極接合体４のガス拡散層８に面した流路７６をカソードガス流路７６という。このカソードガス流路７６の始端部はカソードガス導入孔２７に連通し、カソードガス流路７６の終端部はカソードガス排出孔２８に連通し、カソードガス流路７６とカソードガス供給流路７５はカソードガス導入孔２７を介して連通している。

金属板１９〜２１の積層体の両面のうち一方の面が、燃料電池ユニットのアノードガス流路７１の形成された面であり、他方の面が、当該燃料電池ユニットに隣接する他の燃料電池ユニットのカソードガス流路７６の形成された面である。そして、この両面の間の内部には、燃焼ガス供給流路７４、カソードガス供給流路７５及び熱交換流路７３からなる内部流路が形成されている。

図５〜図７に示すように、アノードガス排出流路７２の中途部には、アノードガス排出流路７２の開口量を調整するアノードガスバルブ２２が取り付けられている。具体的には、取付孔５３にアノードガスバルブ２２が嵌め込まれ、このアノードガスバルブ２２によって座ぐり４５が蓋されるように閉塞されている。このアノードガスバルブ２２は圧電素子型又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型のアクチュエータである。また、アノードガスバルブ２２の中央部であって穿孔４６に対向する部分には、閉塞用のゴム２２ａが設けられている。このアノードガスバルブ２２は、振動することによってゴム２２ａをもって穿孔４６を開閉するようになっている。このアノードガスバルブ２２は、穿孔４６の開口量を調整することによって、アノードガス排出流路７２に流れる流体の流量を調整するものである。

また、カソードガス供給流路７５の中途部には、カソードガス供給流路７５の開口量を調整するカソードガスバルブ２３が取り付けられている。具体的には、取付孔５４に圧電素子型又はＭＥＭＳ型のカソードガスバルブ２３が嵌め込まれ、このカソードガスバルブ２３によって座ぐり４４が閉塞されている。カソードガスバルブ２３は、振動することによって閉塞用ゴム２３ａをもって穿孔４２を開閉するようになっている。このカソードガスバルブ２３は、穿孔４２の開閉を行って穿孔４２の開口量を調整することによって、カソードガス供給流路７５に流れる流体の流量を調整するものである。

図２を用いて集電板２について説明する。集電板２は、所定の形状に孔が設けられた複数の金属板を積層してなる。図２に示すように、集電板２には、その一方の面から他方の面まで貫通したアノードガス排出孔８６及びカソードガス導入孔８７が形成されている。アノードガス排出孔８６は、膜電極接合体４のアノードガス排出孔１６及び両面セパレータ５のアノードガス排出孔２６に相対する位置に形成され、カソードガス導入孔８７は、膜電極接合体４のカソードガス導入孔１７及び両面セパレータ５のカソードガス導入孔２７に相対する位置に形成されている。そのため、集電板２、膜電極接合体４及び両面セパレータ５を積層した場合、集電板２のアノードガス排出孔８６、膜電極接合体４のアノードガス排出孔１６及び両面セパレータ５のアノードガス排出孔２６が互いに連通するとともに、集電板２のカソードガス導入孔８７、膜電極接合体４のカソードガス導入孔１７及び両面セパレータ５のカソードガス導入孔２７が互いに連通する。

集電板２には、金属板２０と同様に、長溝３５、長溝３６、葛折り状の蛇行溝３７（７３）、合流部３８、長溝３９、長溝４０、穿孔４１、穿孔４２、長溝４３、座ぐり４４、穿孔４６及び穿孔４７が設けられている。集電板２の両面のうち膜電極接合体４との接合面であってその中央部には、金属板２１に設けられた葛折り状の蛇行溝３１を有するアノードガス流路７１と同様に、葛折り状の溝であるアノードガス流路８９が形成されている。アノードガス流路８９の一端が膜電極接合体４のアノードガス導入孔１５に連通し、アノードガス流路８９の他端が長溝３５に連通している。集電板２は、さらに両面セパレータ５と同様に、アノードガスバルブ２２及びゴム２２ａが設けられているアノードガスバルブ収納室６１を有している。集電板２内では、アノードガスバルブ収納室６１が集電板２内の穿孔４６及び穿孔４７に連通し、この穿孔４７が長溝３６に連通し、長溝３６がアノードガス排出孔８６に連通している。アノードガス流路８９が形成された面を膜電極接合体４に接合すると、アノードガス流路８９がガス拡散層７によって蓋される。
そして、集電板２内の葛折り状の蛇行溝３７及びアノードガス流路８９は互いに平面的に重なっている。集電板２の座ぐり４４には、両面セパレータ５と同様に、アノードガスバルブ２２が設けられ、長溝４３はカソードガス導入孔８７に連通している。

集電板３には、その一方の面から他方の面まで貫通したアノードガス導入孔８５及びカソードガス排出孔８８が形成されている。アノードガス導入孔８５は、膜電極接合体４のアノードガス導入孔１５及び両面セパレータ５のアノードガス導入孔２５に相対する位置に形成され、カソードガス排出孔８８は、膜電極接合体４のカソードガス排出孔１８及び両面セパレータ５のカソードガス排出孔２８に相対する位置に形成されている。そのため、集電板３、膜電極接合体４及び両面セパレータ５を積層した場合、集電板３のアノードガス導入孔８５、膜電極接合体４のアノードガス導入孔１５及び両面セパレータ５のアノードガス導入孔２５が互いに連通するとともに、集電板２のカソードガス排出孔８８、膜電極接合体４のカソードガス排出孔１８及び両面セパレータ５のカソードガス排出孔２８が互いに連通する。

集電板３の両面のうち膜電極接合体４との接合面であってその中央部には、葛折り状の溝であるカソードガス流路９０が形成され、カソードガス流路９０の一端が膜電極接合体４のカソードガス導入孔１７に連通し、カソードガス流路９０の他端がカソードガス排出孔８８に連通している。

図２に示すように、この燃料電池本体１の外壁には、燃料電池本体１の温度を測定し、測定温度を電気信号として出力する温度センサ６０が温度測定手段として設けられている。

また、アノードガス導入孔８５、アノードガス排出孔８６、カソードガス導入孔８７及びカソードガス排出孔８８には、それぞれ管状の口金６５，６６，６７，６８が嵌められている。口金６５は一酸化炭素除去器２０５に接続され、改質器２０４で生成されたアノードガスが一酸化炭素除去器２０５からアノードガス導入孔１５，２５，８５へ供給されるようになっている。口金６７が外気に通じており、ポンプ２０６によってカソードガスが口金６７を通じてカソードガス導入孔１７，２７，８７へ供給されるようになっている。

この燃料電池本体１による電力の生成について説明する。
口金６５を通じて、アノードガス導入孔１５，２５，８５に供給されたアノードガスは、アノードガス流路７１，８９を流動してアノードガス排出孔１６，２６，８６から排出される。アノードガスがアノードガス流路７１，８９を流動している時は、電気化学反応式（４）に示すように水素ガスが触媒９の作用を受けて水素イオンと電子とに分離し、電子がガス拡散層７により取り出され、水素イオンが固体高分子電解質膜６を透過する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）

口金６７を通じて、酸素ガスを含むカソードガス（ここでは、空気）がカソードガス導入孔１７，２７，８７に供給され、カソードガス導入孔１７，２７，８７に供給されたカソードガスがカソードガス流路７６，９０を流動してカソードガス排出孔１８，２８，８８から排出される。カソードガスがカソードガス流路７６，９０を流動している時は、電気化学反応式（５）に示すように酸素が触媒１０の作用を受け、固体高分子電解質膜６を透過した水素イオンとガス拡散層８に伝導した電子と反応し、水が生成される。
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

以上のようにして、それぞれの膜電極接合体４において電力が生成される。膜電極接合体４のガス拡散層７，８が導電性の両面セパレータ５や集電板２，３と接するようにして膜電極接合体４、両面セパレータ５及び集電板２，３が積層されているので、膜電極接合体４を単位セルとした場合、単位セルが直列接続された状態となっている。従って、集電板２がマイナス極となり、集電板３がプラス極となる。なお、集電板２と集電板３がリード線等を介して後述するＤＣ−ＤＣコンバータ１０２に接続され、複数の膜電極接合体４で生成された電力が集電板２及び集電板３からＤＣ−ＤＣコンバータ１０２に出力される。

アノードガスバルブ２２、カソードガスバルブ２３の開閉とガスの流れについて説明する。
アノードガスバルブ２２が閉じている場合には、アノードガス流路７１を流れたアノードガスが燃焼ガス供給流路７４及び熱交換流路７３を経由してアノードガス排出孔１６，２６，８６へ流れる。一方、アノードガスバルブ２２が開いている場合には、アノードガスがアノードガス流路７１から燃焼ガス供給流路７４及び熱交換流路７３へ流れず、アノードガス排出孔１６，２６，８６へ直接流れる。

また、カソードガスバルブ２３が開いている場合には、カソードガス導入孔２７から供給されたカソードガスがカソードガス供給流路７５及び熱交換流路７３を経由してカソードガス排出孔１８，２８，８８へ流れる。一方、カソードガスバルブ２３が閉じている場合には、カソードガス導入孔２７から供給されたカソードガスが熱交換流路７３には流れない。カソードガス流路７６は、カソードガスバルブ２３の開閉に限らず、カソードガス導入孔２７からカソードガスが流入し、カソードガス排出孔１８，２８，８８にカソードガスを排出する。

また、アノードガスバルブ２２が閉じ且つカソードガスバルブ２３が開いている場合には、カソードガス及びアノードガスが合流部３８で混合して、その混合気が熱交換流路７３を流れる。このとき燃焼ガス供給流路７４を通過するアノードガスの中には、固体高分子電解質膜６を透過せずに残留してしまう水素を含んでおり、アノードガス及びカソードガスの混合気が熱交換流路７３を流れている時には、残留した水素ガスと酸素ガスとが熱交換流路７３の壁面に担持された燃焼触媒の作用を受けて、酸化反応（燃焼反応）が起こる。これにより、燃焼熱が発し、燃料電池本体１の温度が上昇する。このように、電熱材ではなく、アノードガスに含まれる燃料電池ユニットで未反応の残留水素ガスの燃焼によって、燃料電池本体１が加熱されるから、エネルギーの利用効率が向上する。また、両面セパレータ５の内部に熱交換流路７３が形成されているから、熱交換流路７３における燃焼熱が外部に伝わりにくく、膜電極接合体４のガス拡散層７，８に熱が伝わりやすくなり、燃焼熱によって加熱された燃料電池ユニット内の水素ガスと酸素ガスの電気化学反応が効率的に促進される。

ここで、アノードガスバルブ２２及びカソードガスバルブ２３の両方が開いている場合には、カソードガスは熱交換流路７３を流れるが、アノードガスは熱交換流路７３を流れない。従って、熱交換流路７３内において酸化反応が起こらないが、大気中で常温のカソードガスによって熱交換が起こる。そのため、燃料電池本体１の温度が常温に近づくように下降する。

また、アノードガスバルブ２２及びカソードガスバルブ２３の両方が閉じている場合には、カソードガスもアノードガスも熱交換流路７３を流れない。

図１１を用いて、燃料電池本体１のコントローラ８０について説明する。
このコントローラ８０は、制御部１０１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と、バルブドライバ１０３，１０４とを備える。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、燃料電池本体１からの入力電圧（ここでは、集電板２と集電板３との間の電圧）を変換し、出力電圧として外部の機器に出力する。

バルブドライバ１０３は制御部１０１からの制御信号に基づきアノードガスバルブ２２に駆動電力を出力し、バルブドライバ１０４は制御部１０１からの制御信号に基づきカソードガスバルブ２３に駆動電力を出力する。

制御部１０１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する。制御部１０１のＲＯＭにはプログラムが格納されており、制御部１０１のＣＰＵがＲＡＭを作業領域としてプログラムに従って処理を行うようになっている。制御部１０１は、プログラムによって指令されることによって、バルブドライバ１０３，１０４を介してアノードガスバルブ２２、カソードガスバルブ２３を開閉させてアノードガスバルブ２２及びカソードガスバルブ２３の開口量を制御したり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力電圧を計測することで燃料電池本体１の直流出力電圧を測定したり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力電流を計測することで燃料電池本体１の直流出力電流を計測したり、温度センサ６０によって燃料電池本体１の温度を測定したりする。

また、燃料電池ユニットの出力電圧や出力電流は温度によって変位するものであり、制御部１０１のＲＯＭには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２に設定すべき燃料電池ユニットからの入力電圧と温度との関係を表した入力電圧／温度テーブル（Ａ）が格納されている。制御部１０１は、入力電圧／温度テーブル（Ａ）を参照して、温度センサ６０で測定した温度から入力電圧を割り出し、その割り出した入力電圧となるようＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を制御する。入力電圧／温度テーブル（Ａ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、に入力される入力電流が過電流にならないように設定されている。

また、制御部１０１のＲＯＭには、カソードガスバルブ２３に設定すべき開口量と温度との関係を表した開口量／温度テーブル（Ｂ）が格納されている。制御部１０１は、開口量／温度テーブル（Ｂ）を参照して、温度センサ６０で測定した温度から開口量を割り出して、その割り出した開口量となるようカソードガスバルブ２３を制御する。ここで、開口量／温度テーブル（Ｂ）においては、温度と開口量の関係は、温度が高くなるにつれて開口量が大きくなる関係である。

また、制御部１０１のＲＯＭには、アノードガスバルブ２２に設定すべき開口量と温度と含有水素量との関係を表した開口量／温度／含有水素量テーブル（Ｃ）が格納されている。含有水素量とは、アノードガス流路７１を流れきったアノードガスに含まれる水素ガスの量である。ここで、開口量／温度／含有水素量テーブル（Ｃ）においては、温度に反比例して開口量が大きくなり、含有水素量に比例して開口量が大きくなる。

次式（６）に示すように、制御部１０１は、燃料電池本体１の直流出力電流から単位時間あたりの含有水素量（単位：ＣＣＭ）を算出する。
単位時間あたりの含有水素量＝アノードガス量×０．７５×（１−直流出力電流／Ｉ_max） …（６）
上記係数０．７５は、アノードガスが１００％電気化学反応式（１）の通り反応して右辺の水素と二酸化炭素との混合気になったとしたときの混合気中の水素モル比である。

式（６）において、Ｉ_maxは、供給されたアノードガスに含まれる水素ガスによって各燃料電池ユニットの電気化学反応式（４）を引き起こして発電されたときに取り出せる単位時間あたりの最大電流であって、次式（７）で求められる。次式（７）において、アノードガス量の単位はリットル毎分である。
Ｉ_max＝アノードガス量（l）×ファラデー定数×２(イオン価数)／２２．４(l/mol)／６０(sec)／燃料電池ユニットのスタック数 …（７）

そして、制御部１０１は、開口量／温度／含有水素量テーブル（Ｃ）を参照して、温度センサ６０で測定した温度と、算出した含有水素量とから開口量を読み出して、その読み出した開口量となるようアノードガスバルブ２２を制御する。なお、単位時間あたりの含有水素量が直流出力電流から計算されたものであるから、開口量／温度／含有水素量テーブル（Ｃ）はアノードガスバルブ２２に設定すべき開口量と温度と直流出力電流との関係を実質的に表している。

また、制御部１０１のＲＯＭには、カソードガスバルブ２３に設定すべき開口量と温度と単位時間あたりの必要空気量との関係を表した開口量／温度／必要空気量テーブル（Ｄ）が格納されている。必要空気量とは、単位時間あたりの含有水素量からその水素を燃焼するのに必要な単位時間あたりの酸素量を含んだ単位時間あたりの空気の量である。ここで、開口量／温度／必要空気量テーブル（Ｄ）においては、必要空気量に比例して開口量が大きくなる。

制御部１０１は、式（６）に従って燃料電池本体１の直流出力電流から含有水素量を算出し、更に次式（８）に従って含有水素量から必要空気量を算出するようになっている。式（８）において、係数２．５は空気中の酸素量に対する空気量であり、係数１．２は水素を十分に反応させるための余剰の酸素を含めたマージンである。
必要空気量＝含有水素量×２．５×１．２ …（８）

そして、制御部１０１は、開口量／温度／必要空気量テーブル（Ｄ）を参照して、温度センサ６０で測定した温度と、算出した必要空気量とから開口量を割り出して、その割り出した開口量となるようカソードガスバルブ２３を制御する。なお、必要空気量が含有水素量から計算されたものであり、含有水素量が直流出力電流から計算されたものであるから、開口量／温度／必要空気量テーブル（Ｄ）はカソードガスバルブ２３に設定すべき開口量と温度と直流出力電流との関係を実質的に表している。

次に、プログラムによって指令された制御部１０１の動作と、制御部１０１の動作に伴った燃料電池装置の動作について説明する。

図１２は、プログラムによって指令された制御部１０１の動作の流れを示したフローチャートである。

カソードガスがカソードガス導入孔１７，２７，８７に供給され、アノードガスがアノードガス導入孔１５，２５，８５に供給されると、上述したように、各膜電極接合体４において電気化学反応が起こり、燃料電池本体１において電力が生成されるとともに、熱エネルギーも生成される。これにより、燃料電池本体１からＤＣ−ＤＣコンバータ１０２に電流・電圧が出力され、燃料電池本体１も発熱する。

アノードガス及びカソードガスが燃料電池本体１に供給されていると、燃料電池本体１が発電し続けるが、燃料電池本体１の発電中に制御部１０１が図１２に示すような処理を行う。

図１２に示すように、制御部１０１が温度センサ６０の出力を読み込み、燃料電池本体１の温度Ｔを測定する（ステップＳ１）。そして、制御部１０１が測定温度Ｔを設定閾温度Ｔ1、危険閾温度Ｔ2及び限界閾温度Ｔ3（限界閾温度Ｔ3＞危険閾温度Ｔ2＞設定閾温度Ｔ1）と比較する（ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４）。ここで、設定閾温度Ｔ1とは、燃料電池本体１が発電する際の理想的な温度であり、危険閾温度Ｔ2とは、危険を表す温度域の下限であり、限界閾温度Ｔ3とは、破壊のおそれを表す温度域の下限である。つまり、限界閾温度Ｔ3以上となると燃料電池本体１が破壊するおそれがあることを意味し、危険閾温度Ｔ2以上では、燃料電池本体１の寿命を短くする恐れがあることを意味している。

比較した結果、制御部１０１が測定温度Ｔを限界閾温度Ｔ3以上と判定した（ステップＳ２：Ｙｅｓ）場合には、制御部１０１が正常に制御できないと判断してエラー出力を出力し（ステップＳ２１）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力回路を切断し（ステップＳ２２）、燃料電池装置の動作を停止して待機モードに移行する（ステップＳ２３）。

制御部１０１が測定温度Ｔを限界閾温度Ｔ3未満と判定した場合、測定温度Ｔが危険閾温度Ｔ2以上であるかどうか判定し（ステップＳ３）、測定温度Ｔが危険閾温度Ｔ2以上と判定した場合、制御部１０１がアノードガスバルブ２２を全開にしてアノードガス流路７１を流れた残留水素を含むアノードガスが燃焼ガス供給流路７４及び熱交換流路７３へ殆ど流れ込まなくさせて水素燃焼を停止させ温度を冷却し（ステップＳ１８）、制御部１０１は、入力電圧／温度テーブル（Ａ）にしたがってＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力電圧Ｖsを読み出し（ステップＳ１９）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電圧を入力電圧Ｖsに設定する（ステップＳ２０）。これにより、燃料電池本体１の温度を速やかに下げるとともに温度Ｔに合わせて燃料電池本体１からの入力電圧を設定する。

燃料電池本体１が危険閾温度Ｔ2以上になった場合でも、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電流を減らすことで、燃料電池本体１の熱損失を下げることができる。これは、図１３で説明することができる。図１３は、燃料電池本体１の温度ごとに燃料電池本体１の出力電流と出力電圧との関係を表したグラフである（ただし燃料電池本体１の温度はTX＜TY＜TZ）。図１３に示すように、燃料電池本体１の出力電流が増加につれて出力電圧が低下し、また温度が高い程、出力電圧が高く出力電流が大きくなる傾向がある。仮に高温のTZ時の燃料電池本体１の出力電圧を０．４Ｖとすると、そのときの出力電流が０．８Ａとなり、燃料電池本体１の理論出力電圧を１．２３Ｖとすると、（１．２３−０．４）×０．８＝０．６６４Ｗの熱損失が生じ燃料電池本体１が加熱され、TZ時の燃料電池本体１の出力電圧を０．６２Ｖとすると、そのときの出力電流が０．４Ａとなり、（１．２３−０．６２）×０．４＝０．２４４Ｗと熱損失を少なくなり、燃料電池本体１の加温が少なくなる。このように燃料電池本体１からの入力電圧Ｖsを比較的高くして燃料電池本体１からの発電電流を低くして熱損失を抑えることで燃料電池本体１の無駄な加温を抑えることができる。

ステップＳ３で測定温度Ｔが危険閾温度Ｔ2以下と判定した場合、引き続き測定温度Ｔが設定閾温度Ｔ1以上であるかどうか判定し（ステップＳ４）、測定温度Ｔが設定閾温度Ｔ1以上である場合、制御部１０１がアノードガスバルブ２２を全開にし（ステップＳ１５）、制御部１０１は、開口量／温度テーブル（Ｂ）を参照して、測定温度Ｔからカソードガスバルブ２３の開口量Ｖbを読み出し（ステップＳ１６）、カソードガスバルブ２３の開口量を開口量Ｖbに設定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７後、制御部１０１の処理はステップＳ１に戻る。

以上のステップＳ１７のように、カソードガス導入孔２７にから供給されたカソードガスがカソードガス供給流路７５及び熱交換流路７３へ流れ込む。こうして、熱交換流路７３にはアノードガスが流れず、常温の空気であるカソードガスが流れるので、燃料電池本体１が空冷される。このように、開口量／温度テーブル（Ｂ）に基づいて測定温度Ｔに適切な開口量Ｖbでカソードガスバルブ２３が開くので、最適な量のカソードガスが熱交換流路７３を流れ、燃料電池本体１の正確な温度制御を行うことができる。

ステップＳ４で測定温度Ｔが設定閾温度Ｔ1未満と判定した場合、制御部１０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を入力電圧Ｖusに設定する（ステップＳ５）。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、定入力電圧で動作し、燃料電池本体１からの入力電圧を入力電圧Ｖus以下にならないように下記に示すステップを行う。

ステップＳ５から所定時間経過後、制御部１０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を介して燃料電池本体１の直流出力電流Ｉ₀を計測する（ステップＳ６）。そして、制御部１０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を介して燃料電池本体１の直流出力電圧Ｖ₀を計測する（ステップＳ７）。ステップＳ６、ステップＳ７は順番が逆であってもよい。

次に、制御部１０１が直流出力電圧Ｖ₀を所定値（ここでは、例えば０．３〔Ｖ〕×燃料電池ユニットの数）と比較し、直流出力電圧Ｖ₀が所定値以下である場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の設定入力電圧Ｖusに満たないので制御部１０１の処理がステップＳ２１に移行し、燃料電池本体１の動作を停止する。ステップＳ８において直流出力電圧Ｖ₀が所定値を越えている場合には、制御部１０１の処理がステップＳ９に移行する。

ステップＳ９においては、制御部１０１が、上記式（６）に従って直流出力電流Ｉ₀から含有水素量Ｃhを算出する。次に、制御部１０１が、上記式（８）に従って含有水素量Ｃhから必要空気量Ｎaを算出する（ステップＳ１０）。

次に、制御部１０１は、開口量／温度／含有水素量テーブル（Ｃ）を参照して、測定温度Ｔ及びステップＳ９で算出された含有水素量Ｃhから開口量Ｖhを読み出す（ステップＳ１１）。次に、制御部１０１は、開口量／温度／必要空気量テーブル（Ｄ）を参照して、測定温度Ｔ及び必要空気量Ｎaから開口量Ｖaを割り出す（ステップＳ１２）。

次に、制御部１０１は、ステップＳ１１に基づいてアノードガスバルブ２２の開口量を開口量Ｖhに制御する（ステップＳ１３）とともに、ステップＳ１２に基づいてカソードガスバルブ２３の開口量を開口量Ｖaに制御し（ステップＳ１４）、その後制御部１０１の処理がステップＳ１に戻る。

以上のステップＳ１３のようにアノードガスバルブ２２が開口量Ｖhで開くと（全開ではない）、アノードガス流路７１を流れたアノードガスの一部が燃焼ガス供給流路７４及び熱交換流路７３へ流れ込む。また、燃料電池本体１の直流出力電流Ｉ₀から算出されたアノードガス中の含有水素量Chからマージンを考慮した上で必要最低限の酸素を取り込むようにステップＳ１４のようにカソードガスバルブ２３が開口量Ｖaで開くと（完全に閉じていない）、カソードガス導入孔２７にから供給されたカソードガスがカソードガス供給流路７５及び熱交換流路７３へ流れ込む。このように熱交換流路７３に流れる酸素量が必要最低限なので常温の酸素による熱交換流路７３内の温度の低減を抑えることができ、またアノードガス及びカソードガスの混合気が熱交換流路７３を流れて、水素ガスと酸素ガスとが熱交換流路７３の壁面に担持された燃焼触媒の作用を受けて、酸化反応（燃焼反応）が起こる。

ここで、熱交換流路７３へ流れるカソードガスの流量は、カソードガスバルブ２３の開口量Ｖａに依存する。即ち、開口量Ｖａが大きくなるにつれて、カソードガス導入孔２７から熱交換流路７３へ流れるカソードガスの流量が大きくなる。アノードガス流路７１から熱交換流路７３へ流れるアノードガスの流量は、アノードガスバルブ２２の開口量Ｖｈに依存する。即ち、開口量Ｖｈが大きくなるにつれて、アノードガス流路７１から熱交換流路７３へ流れるアノードガスの流量が小さくなる。

以上のように、燃料電池本体１の温度に応じて、制御部１０１がＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電流からアノードガス中の水素ガスの量を計算し、更にそれを燃焼するのに必要なカソードガスの量を計算し、各バルブ２２，２３を制御したり、常温のカソードガスだけを熱交換流路７３に送ることにより燃料電池本体１の空冷を行ったり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電圧を上げる（直流入力電圧を入力電圧Ｖsに設定する）ことで直流入力電流を小さくして、燃料電池本体１の温度制御をすることによって、燃料電池本体１自体の発熱を抑えて、燃料電池本体１の温度制御を効率的に実現することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。

〔変形例１〕
上記実施形態では、ステップＳ１においては燃料電池本体１に設けられた温度センサ６０によって燃料電池本体１の温度を直接的に測定したが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電流や直流入力電圧から燃料電池本体１の温度Ｔを求めても良い。つまり、図１３に示すように、燃料電池本体１の電流−電圧特性が温度に応じているので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電流や直流入力電圧から燃料電池本体１の温度Ｔを求めることができる。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電圧が一定に設定した場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の直流入力電流から燃料電池本体１の温度Ｔを求めることができる。

〔変形例２〕
上記実施形態では、燃料電池本体１に設けられたバルブ２２，２３が電気的に動作するものであるが、熱的に動作するものであっても良い。つまり、バルブ２２，２３が圧電素子型ではなく、バイメタル型又は形状記憶合金型とする。燃料電池本体１の温度が設定温度以下の場合には、バイメタル型又は形状記憶合金型のバルブ２２が閉じ、アノードガス流路７１を流れたアノードガスが熱交換流路７３に流れ、これにより燃焼熱により燃料電池本体１の温度が上昇する。一方、燃料電池本体１の温度が設定温度を超える場合には、バルブ２２が開き、アノードガス流路７１を流れたアノードガスが熱交換流路７３に流れず、これにより燃焼熱が発生しない。

〔変形例３〕
長溝３５及び長溝３６の中途部の少なくともいずれかに逆止弁を設け、ガスがアノードガス排出孔２６から穿孔３３に向かうガスの流れをこれら逆止弁によって阻止しても良い。また、長溝４０及び長溝４３の中途部の少なくともいずれかに逆止弁を設け、ガスが合流部３８からカソードガス導入孔２７に向かったガスの流れをこれら逆止弁によって阻止しても良い。また、燃焼ガス供給流路７４の中途部に逆止弁を設け、分岐点から穿孔３３に向かったガスの流れをこの逆止弁によって阻止しても良い。

〔変形例４〕
上記実施形態では、アノードガス排出孔１６，２６，８６とカソードガス排出孔１８，２８，８８が別々であったが、同じ排出孔で兼ねていても良い。例えば、カソードガス流路７６の終端がカソードガス排出孔２８に連通するのではなく、アノードガス排出孔２６に連通しても良いし、逆に、アノードガス排出流路７２及び熱交換流路７３の終端がアノードガス排出孔２６に連通するのではなく、カソードガス排出孔２８に連通していても良い。

〔変形例５〕
上記実施形態では、水素を改質して燃料電池本体１に供給したが、これに限らず、気化器２０３、改質器２０４、一酸化炭素除去器２０５を設けることなしにメタノール等の燃料を燃料電池本体１に供給して発電する直接型燃料電池に利用してもよい。

発電装置２００のブロック図である。 燃料電池本体１の断面図である。 膜電極接合体４の平面図である。 図３の切断面IV−IVの矢視断面図である。 両面セパレータ５の一方の面の平面図である。 両面セパレータ５の他方の面の平面図である。 図５の切断面VII−VIIの矢視断面図である。 金属板２１の平面図である。 金属板２０の平面図である。 金属板１９の平面図である。 コントローラ８０のブロック図である。 プログラムに従ったコントローラ８０の動作のフローチャートである。 燃料電池本体１の温度ごとに燃料電池本体１の出力電流と出力電圧との関係を表したグラフである。

符号の説明

１…燃料電池本体
４…膜電極接合体
５…両面セパレータ
６…固体高分子電解質膜
７、８…ガス拡散層
２２…アノードガスバルブ
２３…カソードガスバルブ
２５…アノードガス導入孔
２６…アノードガス排出孔
２７…カソードガス導入孔
２８…カソードガス排出孔
３３…穿孔
７１…アノードガス流路
７２…アノードガス排出流路
７３…熱交換流路
７４…燃焼ガス供給流路
７５…カソードガス供給流路
７６…カソードガス流路
８０…コントローラ
１０１…制御部
１０２…ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (11)

1. アノードガスが流れるアノードガス流路を一方の面に有し、
   カソードガスが流れるカソードガス流路を他方の面に有し、
   前記アノードガス流路の終端部に連通するとともに前記カソードガス流路に連通する内部流路を前記一方の面と前記他方の面との間の内部に有し、
   アノードガスを排出するアノードガス排出孔を有し、
   前記アノードガス流路の終端部から前記アノードガス排出孔まで連通するアノードガス排出流路を有し、
   前記アノードガス排出流路の開口量を調整するアノードガスバルブを前記アノードガス排出流路の中途部に有し、
   前記内部流路の壁面に燃焼触媒を有することを特徴とする燃料電池のセパレータ。
2. カソードガスを導入するカソードガス導入孔を有し、
   前記カソードガス導入孔を介して前記内部流路と前記カソードガス流路が連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
3. 前記内部流路が、前記アノードガス流路の終端部から合流部まで連通する燃焼ガス流路と、前記カソードガス流路から前記合流部まで連通するカソードガス供給流路と、前記合流部から前記アノードガス排出孔まで連通する熱交換流路と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池のセパレータ。
4. 前記カソードガス供給流路の開口量を調整するカソードガスバルブを前記カソードガス供給流路の中途部に有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池のセパレータ。
5. 固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜を挟んで対向する一対のガス拡散層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体と交互に積層されたセパレータと、を備える燃料電池装置であって、
   前記セパレータが、アノードガスが流れるアノードガス流路を一方の面に有し、カソードガスが流れるカソードガス流路を他方の面に有し、前記アノードガス流路の終端部に連通するとともに前記カソードガス流路に連通する内部流路を前記一方の面と前記他方の面との間の内部に有し、アノードガスを排出するアノードガス排出孔を有し、前記アノードガス流路の終端部から前記アノードガス排出孔まで連通するアノードガス排出流路を有し、前記アノードガス排出流路の開口量を調整するアノードガスバルブを前記アノードガス排出流路の中途部に有し、前記内部流路の壁面に燃焼触媒を有することを特徴とする燃料電池装置。
6. 前記セパレータがカソードガスを導入するカソードガス導入孔を有し、
   前記カソードガス導入孔を介して前記内部流路と前記カソードガス流路が連通することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記内部流路が、前記アノードガス流路の終端部から合流部まで連通する燃焼ガス流路と、前記カソードガス流路から前記合流部まで連通するカソードガス供給流路と、前記合流部から前記アノードガス排出孔まで連通する熱交換流路と、を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池装置。
8. 前記セパレータが前記カソードガス供給流路の開口量を調整するカソードガスバルブを前記カソードガス供給流路の中途部に有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載の燃料電池装置。
10. 前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載の燃料電池装置。
11. 前記膜電極接合体によって生成された電力を入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を測定し、その入力電流に応じて前記アノードガスバルブの開口量及び前記カソードガスバルブの開口量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載の燃料電池装置。

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