JP4965569B2 - 燃料電池及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池及びそれを備える燃料電池システム、特に、燃料電池の構造に関する。
燃料電池は、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。この燃料電池の単電池（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電解質層−電極積層体が一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。このようなセルを積層して締結し、隣接する電解質層−電極積層体を互いに電気的に直列に接続する、いわゆる積層型の燃料電池が一般的である。
ところで、積層型の燃料電池には、燃料電池に供給される反応ガスを各セルのガス流路に供給するためのマニホールドが設けられている。マニホールドは、セパレータの厚み方向に貫通するように設けられたマニホールド孔が積層方向につながって形成される。
また、燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要があり、通常、１〜３セルごとに、セパレータのガス流路が設けられている反対の主面に冷却水を流す溝状の冷却水流路が設けられている。そして、燃料電池には、冷却流路に冷却水を供給するためのマニホールドが設けられている。このような燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、内部マニホールド形の燃料電池では、コンパクト化や低コスト化の観点からセパレータに各構成要素（ガス流路、マニホールド孔など）を効率よく同一面内に配置することが重要である。
しかし、各構成要素を効率よく配置すると、セパレータ内の空間比率が大きくなり、強度が低くなるため、セパレータの破損、特に各マニホールドの周縁部の破損が起こり易くなる。また、セパレータが破損した場合、燃料電池の運転が不能な状態になるので、いち早くセルスタック内のセパレータの破損を検出し、メンテナンスする必要がある。
このような課題を解決するものとして、反応ガスと共に標識ガスを燃料電池（セルスタック）に供給し、燃料電池から排出される反応ガス中の標識ガスの濃度を測定することにより、セルスタックの損傷を検出する固体電解質燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３２５９８０号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている固体電解質燃料電池では、排出される標識ガスの濃度を測定するために、検出するまでに時間が掛かり、燃料電池非運転時には、検出することができない。また、セルスタックの破損が微小である場合には、検出することが困難となり、未だ改善の余地があった。
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、セルスタックの微小な破損でも即時に確実に検出することができ、また、燃料電池が運転していないときでも、簡単な構成で常時破損を検出することが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。
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対のガス拡散電極を有する電解質層−電極積層体と、前記電解質層の周縁部に配置された環状の周縁部材と、前記電解質層−電極積層体及び前記周縁部材を挟み前記ガス拡散電極と当接する主面に反応ガスが流れる溝状のガス流路が形成された一対の導電性の板状のセパレータと、破損検出配線と、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、前記破損検出配線は前記セルを構成する前記電解質層−電極積層体以外の部材に形成されており、前記セルが積層されることにより、破損検出配線が接続されて、開回路が形成されている。
これにより、セルスタックの外周部が破損すると、それに伴って破損検出配線を流れる電流の抵抗値が変化するので、その抵抗値の変化を検出することで、セルスタックの破損を過剰な付帯設備を設けることなく、検出することが可能である。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータの面方向に延在するように形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータの外周部を短絡せずに周回するように形成されていてもよい。
これにより、微小な破損を迅速に検出することが可能である。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータに全面に亘って蛇行するように形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータの前記電解質層−電極積層体と当接する主面の周縁部に形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータの主面と面一になるように形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータの側面に形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記セパレータの内部に形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記周縁部材は、前記電解質層の周縁部を挟むようにして前記電解質層を囲む環状の枠部材と、シール部材と、を有し、前記破損検出配線は、前記枠部材に延在するように形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記枠部材の外周部を短絡せずに周回するように形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線は、前記枠部材の内部に形成されていてもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線が、印刷により形成されたものであってもよい。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線が前記セルの積層方向において複数のグループごとに分かれて接続されて、前記開回路が複数形成されていてもよい。
これにより、セルスタックの破損した部位の特定が、容易となる。
本発明の燃料電池では、前記破損検出配線が、前記セルを構成する前記電解質層−電極積層体以外の部材に複数の所定の部位にそれぞれ形成されており、前記部位ごとにその対応する破損検出配線が接続されて、前記開回路が複数形成されていてもよい。
これにより、セルスタックの破損した部位の特定が、容易となる。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池と、前記破損検出配線の抵抗の増加を検出する破損検出器と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記破損検出器による前記破損検出配線の抵抗の増加の検出に基づいて、前記セルスタックのセパレータの破損を検知する。
これにより、セルスタックの外周部が破損すると、それに伴って破損検出配線を流れる電流の抵抗が変化するので、その抵抗の変化を検出することで、セルスタックの破損を過剰な付帯設備を設けることなく、検出することが可能である。
本発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池システムによれば、セルスタックの微小な破損でも即時に確実に検出することができ、また、燃料電池が運転していないときでも、簡単な構成で常時破損を検出することが可能となる。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
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構成を模式的に示すブロック図である。
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システムは、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）１０１、燃料ガス供給装置１０２、酸化剤ガス供給装置１０３、熱媒体供給装置１０４、制御装置１０５、及び破損検出器１０６を有している。
ＰＥＦＣ１０１には、燃料ガス供給流路１１１を通じて、燃料ガス供給装置１０２が接続されている。燃料ガス供給装置１０２は、燃料ガス供給流路１０５を介してＰＥＦＣ１０１のアノード４ａに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置１０２は、ここでは、天然ガス供給インフラから供給される天然ガス（原料ガス）を燃料処理器（図示せず）に送出するプランジャーポンプ（図示せず）と、その送出量を調整することができる流量調整具（図示せず）と、送出された天然ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料処理器と、を有している。燃料処理器では、天然ガスと水蒸気とを改質反応させ、改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれるＣＯを１ｐｐｍ程度まで減少させて燃料ガスが生成される。また、ＰＥＦＣ１０１には、燃料ガス排出流路１１２を通じて、燃料ガス供給装置１０２の燃料処理器（正確には、その加熱部）と接続されている。
また、ＰＥＦＣ１０１には、酸化剤ガス供給流路１１３を通じて、酸化剤ガス供給装置１０３が接続されている。酸化剤ガス供給装置１０３は、酸化剤ガス供給流路１１３を介してＰＥＦＣ１０１のカソード４ｂに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１０３は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）で構成されている。また、ＰＥＦＣ１０１には、酸化剤ガス排出流路１１４が接続されており、未反応の酸化剤ガスをシステム外に排出する。
さらに、ＰＥＦＣ１０１には、熱媒体供給流路１１５及び熱媒体排出流路１１６を通じて、熱媒体供給装置１０４が接続されている。熱媒体供給装置１０４は、電池内を適切な温度に維持するために、ＰＥＦＣ１０１に熱媒体を供給し、排出された熱媒体を冷却又は加熱するように構成されている。なお、ここでは、熱媒体として水を使用している。
ＰＥＦＣ１０１では、燃料ガス供給装置１０２から供給された水素を含む燃料ガスと、酸化剤ガス供給装置１０３から供給された酸素を含む酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、水が生成し、電気が発生する。このとき、未反応の燃料ガスは、燃料ガス排出流路１１２を介して燃料ガス供給装置１０２の燃料処理器にオフガスとして供給される。
また、ＰＥＦＣ１０１には、破損検出配線３１が形成されており（図２参照）、破損検出配線３１の一端は、破損検出器１０６の外部接続端子Ａと接続されており、また、破損検出配線３１の他端は、破損検出器１０６の外部接続端子Ｂと接続されている。破損検出器１０６は、ＰＥＦＣ１０１に形成された開回路の導通を常時検出し、その導通情報を制御装置１０５に入力する。
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４１、メモリ等からなる記憶部４２、モニタ等の表示部４３、及びキーボード等の操作入力部４４を有している。演算処理部４１は、記憶部４２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、燃料電池システムに関する各種の制御を行う。また、演算処理部４１は、記憶部４２に記憶されたデータや操作入力部４４から入力されたデータを処理する。そして特に、演算処理部４１は、破損検出器１０６から入力されるＰＥＦＣ１０１に形成された開回路の導通の検出結果に基づき、ＰＥＦＣ１０１を構成するセルスタックの破損を検知する。セルスタックの破損検知については、後述する。
ここで、本明細書において、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御装置群をも意味する。このため、制御装置は、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の動作を制御するように構成されていてもよい。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１の構成を説明する。
図２は、図１に示したＰＥＦＣ１０１を模式的に示した展開図である。
図２に示すように、ＰＥＦＣ１０１は、板状の全体形状を有するセル１１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体５０と、セル積層体５０の両端に配置された端板（図示せず）と、セル積層体５０と端板とをセル１１の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有するセルスタック１００から構成されている。また、端板には、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、開回路を形成する破損検出配線の外部接続端子についても図示を省略している。
また、セル１１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）５と、ガスケット（シール部材）１０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。
ここで、このセル１１の構造について図２及び図３を参照して説明する。
図３は、図２に示したＰＥＦＣ１０１を構成するセル１１の構造の概容を示す断面図である。なお、図３においては、その一部を省略している。
図３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４ａとカソード４ｂ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４ａとカソード４ｂ（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４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属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２ａと、アノード触媒層２ａ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３ａと、を有している。同様に、カソード４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属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２ｂと、カソード触媒層２ｂ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３ｂと、を有している。
アノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製のガスケット１０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。
また、図２に示すように、ガスケット１０は、ここでは、略矩形のリング状に形成されており、その主面の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔２１ｃ、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２３ｃ、熱媒体供給用マニホールド孔２５ｃ及び燃料ガス排出用マニホールド孔２２ｃ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２４ｃ、熱媒体排出用マニホールド孔２６ｃが設けられている。なお、ここでは、ガスケット１０が請求の範囲に記載された周縁部材となる。
そして、ＭＥＡ５とガスケット１０を挟むように、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が配設されている。これらのセパレータ６Ａ、６Ｂ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６Ａとカソードセパレータ６Ｂにより、ＭＥＡ５が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ５同士が互いに電気的に直列に接続される。
アノードセパレータ６Ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔２１ａ、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２３ａ、熱媒体供給用マニホールド孔２５ａ及び燃料ガス排出用マニホールド孔２２ａ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２４ａ、熱媒体排出用マニホールド孔２６ａが設けられている。
また、アノードセパレータ６Ａの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、燃料ガスを流すための溝状のアノードガス流路７が、燃料ガス供給用マニホールド孔２１ａと燃料ガス排出用マニホールド孔２２ａを結ぶように、サーペンタイン状に形成されている。一方、アノードセパレータ６Ａの外面には、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９がサーペンタイン状に形成されている（図４（ｂ）参照）。
一方、カソードセパレータ６Ｂの周縁部には、アノードセパレータ６Ａと同様に、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔２１ｂ、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２３ｂ、熱媒体供給用マニホールド孔２５ｂ及び燃料ガス排出用マニホールド孔２２ｂ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔２４ｂ、熱媒体排出用マニホールド孔２６ｂが設けられている。
また、カソードセパレータ６Ｂの内面には、酸化剤ガスを流すための溝状のカソードガス流路８がサーペンタイン状に形成されており（図３参照）、その外面には、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９が、熱媒体供給用マニホールド孔２５ｂと熱媒体排出用マニホールド孔２６ｂを結ぶように、サーペンタイン状に形成されている。
このように形成したセル１１をその厚み方向に積層することにより、セル積層体５０が形成される。また、アノードセパレータ６Ａ、カソードセパレータ６Ｂ及びガスケット１０に設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び燃料ガス排出用マニホールド孔２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、セル１１を積層したときに厚み方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド１２１及び燃料ガス排出用マニホールド１２２がそれぞれ形成される。同様にして、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃが厚み方向につながって、酸化剤ガス供給用マニホールド１２３及び酸化剤ガス排出用マニホールド１２４がそれぞれ形成され、また、熱媒体供給用マニホールド孔２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び熱媒体排出用マニホールド孔２６ａ、２６ｂ、２６ｃが、厚み方向につながって、熱媒体供給用マニホールド１２５及び熱媒体排出用マニホールド１２６が、それぞれ形成される。そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管（図２において、図示せず）が接続されている。
なお、各セパレータ６Ａ、６Ｂの外面に設けられた熱媒体流路９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つの熱媒体流路が形成されている。また、各セパレータ６Ａ、６Ｂの外面には、熱媒体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、それにより熱媒体流路等がシールされている。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１に設けられた開回路の構成について図２乃至図５を参照して説明する。
図４は、図２に示したセル１１のアノードセパレータ６Ａの構成を示した模式図であり、図４（ａ）は、アノードセパレータ６Ａの内面形状を示す模式図であり、図４（ｂ）は、アノードセパレータ６Ａの外面形状を示す模式図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示したＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す断面図である。また、図５は、図３に示したＶ−Ｖ線に沿った断面を示す断面図であるが、その一部を省略している。なお、図４（ａ）、（ｂ）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（ａ）乃至（ｃ）に示すように、アノードセパレータ６Ａには、引き回し部３１ａ、第１接続部３１ｂ及び第２接続部３１ｃを有する破損検出配線３１が設けられている。
図４（ａ）に示すように、破損検出配線３１の引き回し部３１ａは、アノードセパレータ６Ａの内面にその周縁部（外周部）を略１周するように設けられており、各マニホールド孔は引き回し部３１ａによって囲まれている。引き回し部３１ａは、ここでは、アノードセパレータ６Ａの内面の上縁部の略中央部にスペースＳ１を有するようにして、正面視にて反時計回りに引き回されている。引き回し部３１ａの、スペースＳ１の一方の側に位置する部分（以下、始端部）に第１接続部３１ｂが設けられ、引き回し部３１ａの、スペースＳ１の他方の側に位置する部分（以下、終端部）に第２接続部３１ｃが設けられている。なお、本実施の形態においては、破損検出配線３１の引き回し部３１ａは、正面視にて、アノードセパレータ６Ａの外周と各マニホールド孔との間に設けられているが、これに限定されず、その一部が、各マニホールド孔とアノードガス流路７との間に設けられていてもよい。すなわち、アノードセパレータ６Ａの外周部とは、正面視にて、アノードセパレータ６Ａの外周とアノードガス流路７との間の領域をいう。
また、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第２接続部３１ｃは、引き回し部３１ａの終端部からアノードセパレータ６Ａの外面にまで厚み方向に延び、そこから、水平方向に延びるようにして形成され、その終端部８１が、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て、第１接続部３１ｂと一致するように（重なり合うように）設けられている。
そして、図４（ｃ）に示すように、第１接続部３１ｂは厚み方向に突出し、また、第２接続部３１ｃは厚み方向に凹んでいる。アノードセパレータ６Ａの第１接続部３１ｂは、後述するカソードセパレータ６Ｂの第２接続部３１ｃの終端部８１と嵌合し、また、アノードセパレータ６Ａの第２接続部３１ｃの終端部８１は、後述するカソードセパレータ６Ｂの第１接続部３１ｂと嵌合するように形成されている。なお、第１接続部３１ｂは、ここでは、アノードセパレータ６Ａの上部に設けられているが、これに限定されず、第１接続部３１ｂと第２接続部３１ｃの終端部８１が、アノードセパレータ６Ａの厚み方向から見て一致するように設けられ、かつ、アノードセパレータ６Ａの周縁部に設けられていれば、その設置箇所は任意である。
破損検出配線３１は、ここでは、導電配線７２と、この導電配線７２を覆う絶縁体７３と、で構成されている。具体的には、第１接続部３１ｂは、柱状の絶縁体７３の中心部に導電配線７２が延在するように形成されている。また、引き回し部３１ａは、アノードセパレータ６Ａの内面に形成された溝７１中に導電配線７２が絶縁体７３で包まれるようにして埋設されて形成されており、第２接続部３１ｃは、アノードセパレータ６Ａに形成された溝及び貫通孔に導電配線７２が絶縁体７３で包まれるようにして埋設されて形成されている。
破損検出配線３１を構成する絶縁体７３の非導電性材料としては、破損検出配線３１をセルスタック１００と電気的に絶縁することができ、高い化学的耐久性を有することが必要であることから、例えば、フッ素ゴム、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、又はこれらの材料を複数含む複合材等が挙げられる。また、破損検出配線３１を構成する導電配線７２の導電性材料としては、金属箔、Ａｇペーストやカーボンペーストが挙げられる。さらに、これらの導電性材料及び非導電性材料は、セルスタック１００が破損したときに、破損検出配線３１が断線する観点から、可撓性の低い材料を使用することが好ましく、破損検出配線３１を薄く形成することが好ましい。
また、カソードセパレータ６Ｂにも、アノードセパレータ６Ａと同様に破損検出配線３１が設けられているが、カソードセパレータ６Ｂの外面（熱媒体流路９が設けられている主面）に、引き回し部３１ａが設けられ、第１接続部３１ｂが引き回し部３１ａの終端部に設けられ、また、第２接続部３１ｃの終端部８１が、カソードセパレータ６Ｂの内面に設けられている点（図２及び図５参照）が異なる。
なお、アノードセパレータ６Ａの第１接続部３１ｂの厚み方向の高さ寸法は、セルスタック１００を締結したときに、カソードセパレータ６Ｂの第２接続部３１ｃの終端部８１の厚み方向の深さ寸法と同じになるように形成されており、また、カソードセパレータ６Ｂに設けられた第１接続部３１ｂの厚み方向の高さ寸法は、セルスタック１００を締結したときに、ガスケット１０、ＭＥＡ５の厚み方向の高さ寸法と、アノードセパレータ６Ａの第２接続部３１ｃの終端部８１の厚み方向の深さ寸法と、を足し合わせた寸法と同じになるように形成されている。
これにより、図５に示すように、セルスタック１００を締結したときに、アノードセパレータ６Ａの第１接続部３１ｂが、カソードセパレータ６Ｂの第２接続部３１ｃの終端部８１に嵌合され、また、カソードセパレータ６Ｂの第１接続部３１ｂが、アノードセパレータ６Ａの第２接続部３１ｃの終端部８１に嵌合されて、各セパレータ６Ａ、６Ｂに設けられた破損検出配線３１が、それぞれ接続される。そして、燃料電池全体としてコイル状にひとつの開回路を形成する。
このように、破損検出配線３１は、各セパレータ６Ａ、６Ｂの各マニホールド孔を囲むようにして、一方の主面の周縁部を略１周するように設けられた引き回し部３１ａの両端に第１接続部３１ｂ及び第２接続部３１ｃが接続されるようにして形成されており、その全体は、各セパレータ６Ａ、６Ｂの外周部を短絡せずに周回するように（ここでは、１周するように）形成されている。そして、セルスタック１００は、上述したように、外部に露出しているその外周部が破損しやすいが、本実施の形態では、この破損しやすい外周部に、各セパレータ６Ａ、６Ｂごとに、破損検出配線３１が張り巡らされていることになる。
このため、セパレータの破損、特にセパレータの周縁部の破損（セパレータの外周とマニホールド孔との間に亀裂が生じる等）が起きると、これに伴って、破損検出配線３１も断線するが、この破損検出配線３１は、各セパレータ６Ａ、６Ｂと絶縁されており、かつ、セパレータ内で、開回路を形成していないため、セパレータの破損に伴って破損検出配線３１が断線すると、燃料電池全体として形成される開回路には、電流が流れない。このため、破損検出配線３１の導通情報を検出することにより、セルスタック１００の破損を検知することができる。
なお、本実施の形態では、破損検出配線３１が、各セパレータ６Ａ、６Ｂの外周部を短絡させずに周回する構成として、破損検出配線３１がセパレータの外周部を１周する構成としたが、これに限定されず、破損検出配線３１がセパレータの外周部を数周するような構成としてもよく、また、破損検出配線３１が完全にセパレータの外周を１周しないような構成であってもよい。
また、各セパレータ６Ａ、６Ｂの主面に設けた引き回し部３１ａをセパレータの厚み方向から見て、それぞれ反時計回りに引き回させて形成したが、これに限定されず、各セパレータ６Ａ、６Ｂの主面に設けた引き回し部３１ａをそれぞれ時計回りに引き回させて形成してもよい。さらに、一方のセパレータの主面に対して時計回りに引き回させて形成し、他方のセパレータの主面に対して反時計回りに引き回させて形成させてもよい。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの破損検出器１０６の構成について説明する。
図６は、図１に示した破損検出器１０６の断線検出回路の構成を示す回路図である。
図１及び図６に示すように、破損検出器１０６は、一対の外部接続端子Ａ及びＢと、比較器６５と、破損検出電源６１と、基準電源６２と、を備えている。比較器６５の出力端子は、制御装置１０５の演算処理部４１に接続されている。比較器６５のプラス側入力端子には、外部接続端子Ｂが接続され、この外部接続端子ＢにＰＥＦＣ１０１の破損検出配線３１の一端が接続されている。そして、破損検出配線３１の他端は外部接続端子Ａに接続され、この外部接続端子Ａには、破損検出電源６１の正極が接続されている。破損検出電源６１の負極は、接地されている。一方、比較器６５のマイナス側入力端子には抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端は、接地されている。また、比較器６５のマイナス側入力端子には、抵抗Ｒ２と並列に、抵抗Ｒ１と基準電源６２との直列回路が接続されている。この直列回路においては、比較器６５のマイナス側入力端子に抵抗Ｒ１が接続され、抵抗Ｒ１に基準電源６２の正極が接続されている。基準電源６２の負極は、接地されている。そして、破損検出電源６１と基準電源６２との電圧は、基準電源６２の電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧してなる電圧が、破損検出電源６１の電圧より低くなるように定められている。ここでは、破損検出電源６１及び基準電源６２の電圧は共に１２Ｖであり、この基準電源６２の１２Ｖの電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧してなる電圧が１０Ｖとなっている。さらに、比較器６５へは出力信号用の電源としてプラス側には、出力信号用電源６３が接続し、マイナス側は接地されている。
これにより、破損検出配線３１が導通しているときは、比較器６５のプラス側入力端子には、破損検出電源６１の１２Ｖの電圧が入力され、比較器６５のマイナス側入力端子には、１０Ｖが入力される。その結果、比較器６５の出力端子には、ＨＩＧＨ信号である１２Ｖが出力され、この出力が、制御装置１０５の演算処理部４１に入力される。一方、破損検出配線３１が断線しているときは、比較器６５のプラス側入力端子には、破損検出電源６１の電圧が入力されず、入力電圧が０Ｖとなる。その結果、比較器６５の出力端子には、ＬＯＷ信号である０Ｖが出力され、この出力が、制御装置１０５の演算処理部４１に入力される。制御装置１０５の演算処理部４１は、比較器６５のＬＯＷ信号を検知することによって、破損検出配線３１の断線を検知する。
なお、破損検出配線３１が断線に至らなくても、断線しそうな程度に破損した場合にはその抵抗値が増大する。そうすると、比較器６５のプラス側入力端子に入力される電圧が１２Ｖから低下する。ここで、比較器６５のプラス側入力端子電圧ＶBに対する出力信号電圧ＶOの関係について、図１９を参照しながら説明する。
図１９は、比較器６５のプラス側入力端子電圧ＶBに対する出力信号電圧ＶOの関係を示すグラフである。
図１９に示すように、ＶBが１０Ｖ以上のときは、ＶOはＨＩＧＨ信号となり、破損検出配線３１は導通していると検知される。一方、ＶBが１０Ｖより小さいときは、ＶOはＬＯＷ信号となり、破損検出配線３１は断線しており、セルスタック１００が破損していると検知される。このため、完全に断線されていなくても、断線相当の破損でも検出可能である。
なお、上記では、破損検出電源６１、基準電源６２、及び出力信号用電源６３の電圧をそれぞれ１２Ｖとしたが、これに限定されず、それぞれ任意の電圧とすることができる。また、比較器６５のマイナス側入力端子には、１０Ｖの電圧を入力したが、これに限定されず、任意の電圧とすることができ、例えば、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の値を変更することにより、比較器６５のマイナス側入力端子に任意の電圧を入力することができる。すなわち、破損検出電源６１の電圧及び比較器６５のマイナス側入力端子に入力する電圧を適宜変更することにより、破損検出配線３１が断線しそうな程度の破損を検出する電圧を任意の電圧とすることができる。これにより、セルスタック１００の微小な破損であっても、検知することができる。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるＰＥＦＣ１０１の破損検出配線３１の形成方法について説明する。なお、各セパレータ６Ａ、６Ｂは、その形状が異なるだけで、破損検出配線３１の形成方法は同じであるので、ここでは、アノードセパレータ６Ａについて説明する。
まず、アノードセパレータ６Ａを、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板に機械加工によって、燃料ガス流路７、熱媒体流路９や燃料ガス供給用マニホールド孔２１ａ等のマニホールド孔を形成することによって作製する（図４参照）。
そして、引き回し部３１ａが設けられるアノードセパレータ６Ａの内面の周縁部に、機械加工によって溝７１を形成する。溝７１の終端部から、厚み方向に貫通孔を設け、セパレータ６Ａの外面において、その貫通孔から水平方向に溝７１を形成する。
次に、アノードセパレータ６Ａの内面及び外面に設けた溝７１に、フッ素ゴム等の非導電性材料をスクリーンメッシュやオートディスペンサーにより印刷をし、セパレータ６Ａに設けた貫通孔に、予め導電性材料からなる導電配線７２を非導電性材料からなる絶縁体７３で被覆した電線を埋め込む。そして、この導電配線７２と接続して電流が導通するように、カーボンペースト等の導電性材料を印刷し、この印刷した導電性材料を覆い、セパレータ６Ａの主面と面一になるように非導電性材料を印刷する。そして、第１接続部３１ｂを形成する部分は上記導電性材料の印刷による配線を完全に被覆せずに中心部を約１ｍｍの穴が開いたリング状非導電性材料を印刷する。またリング状の非導電性材料の厚み方向の高さ寸法は、セルスタック１００を締結したときに、ガスケット１０、ＭＥＡ５の厚み方向の高さ寸法と、アノードセパレータ６Ａの第２接続部３１ｃの終端部８１の厚み方向の深さ寸法と、を足し合わせた寸法と同じになるように形成する。そして上記リング状非導電性材料の中央穴部に導電性材料を充填・印刷することにより第１接続部３１ｂを形成する。これにより、破損検出配線３１が形成され、破損検出配線３１の導電配線７２が、絶縁体７３によりセパレータ６Ａと絶縁される。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作を説明する。燃料電池システムの一般的動作は周知であるので、その説明は省略し、ここでは、セルスタック１００の破損検知動作のみを説明する。
図１及び図６において、ＰＥＦＣ１０１の破損検出配線３１には、破損検出器１０６の破損検出電源６１の電圧が印加されている。そして、ＰＥＦＣ１０１のセルスタック１００が破損していない場合には、破損検出配線３１は導通しており、このため、破損検出器１０６から制御装置１０５の演算処理部４１に正の電圧が入力されている。従って、演算処理部４１は、破損検出配線３１の断線を検知しない。
一方、ＰＥＦＣ１０１のセルスタック１００が破損すると、破損検出配線３１が断線し、破損検出器１０６から制御装置１０５の演算処理部４１に負の電圧が入力される。これにより、演算処理部４１は、破損検出配線３１の断線、ひいてはセルスタック１００の破損を検知する。そして、演算処理部４１は、セルスタック１００の破損メッセージを表示部４３に表示する。
この場合、破損検出配線３１は、セルスタック１００を構成する個々のセパレータの周縁部を略周回するように配設されているので、個々のセパレータの微小な破損が生じても断線する。従って、個々のセパレータの微小な破損、すなわちセルスタック１００の微小な破損を検出することができる。しかも、セルスタック１００に破損検出配線３１を設け、その破損検出器１０６を設けるだけで済むので簡単な構成とすることができる。また、開回路の導通の検出は、発電中だけでなく非発電中でも行うことができるので、例えば、燃料電池の輸送時による破損や非発電時の凍結による破損も検出することが可能となる。
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例について説明する。
［変形例１］
図７は、本変形例のセル１１の構造の概容を示す模式図である。また、図８は、図７のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示す断面図である。なお、図７及び図８においては、その一部を省略し、また、以下の説明では、図３と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。
本変形例の燃料電池システムの基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムと同じであるが、セルスタック１００に配設された破損検出配線３１が以下のように異なる。
図７に示すように、破断検出配線３１の引き回し部３１ａが、アノードセパレータ６Ａ、カソードセパレータ６Ｂのそれぞれの内面に突出するように設けられている。
また、図８に示すように、カソードセパレータ６Ｂに設けられた引き回し部３１ａの始端部には、第１接続部３１ｂが設けられておらず、一方、第２接続部３１ｃは、その終端部８１が、厚み方向に突出するように形成されている。なお、引き回し部３１ａの始端部では、導電配線７２がカソードセパレータ６Ｂとは絶縁されるように絶縁体７３に被覆されているが、アノードセパレータ６Ａの第１接続部３１ｂの導電配線７２と接続される（接触する）よう絶縁体７３で被覆されていない。
そして、アノードセパレータ６Ａに設けられた引き回し部３１ａの始端部と第２接続部３１ｃの終端部８１及びカソードセパレータ６Ｂに設けられた引き回し部３１ａの始端部と第２接続部３１ｃの終端部８１は、それぞれ、セパレータの厚み方向から見て一致する（重なる）ように構成されていない。
しかし、アノードセパレータ６Ａに設けられた第１接続部３１ｂと、カソードセパレータ６Ｂに設けられた引き回し部３１ａの始端部と、が当接し、アノードセパレータ６Ａに設けられた第２接続部３１ｃの終端部８１と、カソードセパレータ６Ｂの第１接続部３１ｂと、が当接するように構成されている。
これにより、セルスタック１００を締結したときに、各セパレータ６Ａ、６Ｂに設けられた破損検出配線３１が、それぞれ接続されて燃料電池全体としてひとつの開回路を形成する。
このように、本変形例では、各セパレータ６Ａ、６Ｂに溝を形成しなくともよいので、その分製造が容易となる。
なお、ここでは、アノードセパレータ６Ａに第１接続部３１ｂが設けられ、カソードセパレータ６Ｂに第１接続部３１ｂが設けられていない構成としたが、これに限定されず、アノードセパレータ６Ａに第１接続部３１ｂが設けられておらず、カソードセパレータ６Ｂに第１接続部３１ｂが設けられている構成としてもよい。
（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、実施の形態１に係る燃料電池システムと基本的構成は同じであるが、以下の点で異なる。
図９は、本実施の形態２に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１Ａを模式的に示した展開図である。なお、図９における上下方向を、図における上下方向として表し、以下の説明では、図２と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。
図９に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１Ａには、破損検出配線３１を構成する引き回し部３１ａが、各セパレータ６Ａ、６Ｂの側面（外周部）を略１周するように設けられている。そして、アノードセパレータ６Ａの引き回し部３１ａの始端部とカソードセパレータ６Ｂの引き回し部３１ａの始端部を第１接続部３１ｂが接続しており、また、アノードセパレータ６Ａの引き回し部３１ａの終端部とカソードセパレータ６Ｂの引き回し部３１ａの終端部を第２接続部３１ｃが接続している（図１０参照）。
これにより、各セパレータ６Ａ、６Ｂに設けられた破損検出配線３１が、それぞれ接続され、燃料電池全体としてひとつの開回路を形成する。
次に、この破損検出配線３１の形成方法について説明する。
図１０（ａ）乃至（ｃ）は、図９に示したＰＥＦＣ１０１Ａの破損検出配線３１の形成方法について示した模式図である。
まず、図１０（ａ）に示す工程において、単体の状態の各セパレータ６Ａ、６Ｂの側面にフッ素ゴム等の非導電性材料からなる絶縁体７３を印刷する。そして、この印刷された側面上を引き回すようにしてカーボンペースト等の導電性材料からなる導電配線７２を印刷する。このとき、各セパレータ６Ａ、６Ｂの一方の側面の略中央部にスペースＳ２を有するようにして印刷を行う。さらに、この印刷した導電配線７２の一部を露出させ、それ以外の部分を覆うようにして絶縁体７３を印刷する。このようにして形成した単体の状態の各セパレータ６Ａ、６Ｂを積層して締結し、セルスタック１００Ａを作製する。
次に、図１０（ｂ）に示すように、このセルスタック１００Ａにおいて、隣接するセパレータ間に設けられた導電配線７２が露出した部分をそれぞれ接続するように、セルスタック１００Ａの外周面に導電性材料を印刷する。具体的には、アノードセパレータ６Ａの引き回し部３１ａの始端部とカソードセパレータ６Ｂの引き回し部３１ａの始端部を接続するように印刷し、また、アノードセパレータ６Ａの引き回し部３１ａの終端部とカソードセパレータ６Ｂの引き回し部３１ａの終端部を接続するように印刷する。
そして、図１０（ｃ）に示すように、導電配線７２が露出した部分を覆うようにして絶縁体７３を印刷する。
これにより、破損検出配線３１が形成され、破損検出配線３１の導電配線７２が、絶縁体７３によりセルスタック１００Ａと絶縁され、燃料電池全体としてひとつの開回路を形成する。
なお、ここでは、予め各セパレータ６Ａ、６Ｂに引き回し部３１ａを形成して、セルスタック１００Ａを締結したが、これに限定されず、セルスタック１００Ａを作製した後に、引き回し部３１ａを形成してもよい。また、導電配線７２をセルスタック１００Ａに直接印刷することにより、第１接続部３１ｂ及び第２接続部３１ｃを形成したが、これに限定されず、非導電性材料で形成されたフィルムに導電性材料を印刷して第１接続部３１ｂ及び第２接続部３１ｃを形成して、このフィルムを用いて、隣接する引き回し部３１ａを接続するようにしてもよい。
このように、本実施の形態２に係る燃料電池システムでは、破損検出配線３１は、セルスタック１００Ａを構成する個々のセパレータの側面を略周回するように配設されているので、実施の形態１と同様の効果が得られる。
（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、実施の形態１に係る燃料電池システムと基本的構成は同じであるが、破損検出配線の接続が分割されて複数（本実施形態では２つ）の開回路が形成される点で異なる。
まず、アノードセパレータに設けられた破損検出配線の構成について説明する。
図１１は、本実施の形態３に係る燃料電池システムにおける燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示した模式図である。図１１（ａ）は、アノードセパレータ６Ａの内面形状を示す模式図であり、図１１（ｂ）は、アノードセパレータ６Ａの外面形状を示す模式図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）に示したＸＩ−ＸＩ線に沿った断面を示す断面図である。なお、図１１（ａ）、（ｂ）における上下方向を、図における上下方向として表し、以下の説明では、図４と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。
図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、アノードセパレータ６Ａには、破損検出配線３１が分割して設けられており、軸Ｙに対して略対照となるように２つの破損検出配線３１がアノードセパレータ６Ａの内面に配設されている。以下、燃料ガス供給用マニホールド孔２１ａ、熱媒体排出用マニホールド孔２６ａ、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔２４ａを囲む破損検出配線を第１破損検出配線３１１Ａと呼び、熱媒体供給用マニホールド孔２５ａ、酸化剤ガス供給用マニホールド孔２３ａ、及び燃料ガス排出用マニホールド孔２２ａを囲む破損検出配線を第２破損検出配線３１１Ｂと呼ぶ。
第１破損検出配線３１１Ａの引き回し部３１ａは、アノードセパレータ６Ａの内面にその周縁部（外周部）を反時計回りに略半周するように設けられている。一方、第２破損検出配線３１１Ａの引き回し部３１ａは、時計回りに略半周するように設けられている。
また、アノードセパレータ６Ａの上部に位置する第１破損検出配線３１１Ａの引き回し部３１ａの始端部には、第１接続部３１ｂがアノードセパレータ６Ａの内面から突出するように設けられており、また、その内方には、第２接続部３１ｃが埋設されている。そして、第１接続部３１ｂの始端部と第２接続部３１ｃの終端部８１は、正面視にて一致するように形成されている。一方、第１破損検出配線３１１Ａの引き回し部３１ａの終端部には、第１接続部３１ｂがアノードセパレータ６Ａの外面から突出するように設けられており、また、その内方には、第２接続部３１ｃが埋設されている。同様に、アノードセパレータ６Ａの下部に位置する第２破損検出配線３１１Ａの始端部には、第１及び第２接続部３１ｂ、３１ｃがそれぞれ配設され、その終端部にも第１及び第２接続部３１ｂ、３１ｃがそれぞれ配設されている。
なお、カソードセパレータ６Ｂにも、アノードセパレータ６Ａと同様に破損検出配線３１が設けられているが、アノードセパレータ６Ａとほぼ同じ構成であるため、その詳細な説明は省略する。また、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの内面から突出するように設けられた第１接続部３１ｂの厚み方向の高さ寸法は、セルスタック１００を締結したときに、ガスケット１０、ＭＥＡ５の厚み方向の高さ寸法と、アノードセパレータ６Ａの第２接続部３１ｃの終端部８１の厚み方向の深さ寸法と、を足し合わせた寸法と同じになるように形成されており、また、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの外面から突出するように設けられた第１接続部３１ｂの厚み方向の高さは、第２接続部３１ｃの終端部８１の厚み方向の深さ寸法と同じになるように形成されている。
これにより、セルスタック１００を締結したときに、アノードセパレータ６Ａの第１接続部３１ｂが、カソードセパレータ６Ｂの第２接続部３１ｃの終端部８１に嵌合され、また、カソードセパレータ６Ｂの第１接続部３１ｂが、アノードセパレータ６Ａの第２接続部３１ｃの終端部８１に嵌合されて、各セパレータ６Ａ、６Ｂに設けられた第１及びだい２破損検出配線３１１Ａ、３１１Ａが、それぞれ接続される。そして、燃料電池全体として２つの開回路が形成される。なお、本実施の形態では、破損検出配線３１をアノードセパレータ６Ａの内面に設ける構成としたが、これに限定されず、外面に設けてもよく、また、２つの破損検出配線３１のうち何れか一方を内面に設け、他方を外面に設ける構成としてもよい。また、破損検出配線３１を２つ設ける構成としたが、これに限定されず、２つ以上設ける構成であってもよい。
次に、本実施の形態３に係る燃料電池システムの破損検出器の構成について、図１２を参照しながら説明する。
図１２は、本実施の形態３に係る燃料電池システムの破損検出器の構成を示す模式図である。なお、以下の説明では、図６と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。
図１２に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システムは、実施の形態１の破損検出器１０６でそれぞれ構成された第１破損検出器１０６Ａと、第２破損検出器１０６Ｂと、を有している。
具体的には、ＰＥＦＣ１０１の第１破損検出配線３１１Ａの一端が外部接続端子Ａに接続されており、第１破損検出配線３１１Ａの他端は外部接続端子Ｂに接続されている。そして、外部接続端子Ａと外部接続端子Ｂは、電気配線１０６Ｃを介して接続され、電気配線１０６Ｃの途中には、第１破損検出器１０６Ａが設けられている。同様に、ＰＥＦＣ１０１の第２破損検出配線３１１Ｂの一端が外部接続端子Ｃに接続されており、第２破損検出配線３１１Ａの他端は外部接続端子Ｄに接続されている。そして、外部接続端子Ｃと外部接続端子Ｄは、電気配線１０６Ｄを介して接続され、電気配線１０６Ｄの途中には、第２破損検出器１０６Ｂが設けられている。
これにより、実施の形態１と同様にセルスタック１００の破損を検知することができる。また、本実施の形態においては、セルスタック１００に破損検出配線３１を複数設けているので、破損した箇所を容易に特定することができる。
なお、本実施の形態では、各セパレータ６Ａ、６Ｂに２つの破損検出配線３１を設ける構成としたが、これに限定されず、複数（例えば、３以上）の破損検出配線３１を設ける構成としてもよい。さらに、２つの開回路に別々に破損検出器を設ける構成としたが、これに限定されず、２つの開回路を直列に接続して、１つの破損検出器で抵抗値を検出する構成としてもよい。
次に、本実施の形態３に係る燃料電池システムの変形例について説明する。
［変形例２］
本変形例２の燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１は、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１と同じであるが、セル１１を積層してセルスタック１００を作製するときに、各セパレータ６Ａ、６Ｂに配設された破損検出配線３１をセルの積層方向において複数（ここでは２つ）のグループごとに分かれて接続し、当該複数の開回路を形成する点が異なる。
図１３は、本変形例の燃料電池システムのＰＥＦＣ１０１の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１３において、一部を省略し、以下の説明では、図５と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。
図１３に示すように、本変形例２では、セルスタック１００の積層方向における所定の部位に位置する、隣接するセル１１、１１間の破損検出配線３１を接続しないように形成する。具体的には、隣接するセル１１、１１における、一方のセル１１のカソードセパレータ６Ｂに、破損検出配線３１の引き回し部３１ａの終端部に第１接続部３１ｂを設けず、セルスタック１００外部に破損検出配線３１が導出されている。また、他方のセル１１のアノードセパレータ６Ａに、破損検出配線３１の引き回し部３１ａの終端部に第２接続部３１ｃを設けず、セルスタック１００外部に破損検出配線３１が導出されている。これにより、セル１１を積層してセルスタック１００を作製するときに、破損検出配線３１がセルの積層方向において２つのグループに分かれて、グループごとに接続され、２つの開回路が形成される。
そして、上記実施の形態１に係る燃料電池システムと同様に、開回路を形成する破損検出配線３１の抵抗値を検出できるように破損検出器（図示せず）が配設されている。これにより、セルスタック１００の破損を検知することができ、また、セルスタック１００に破損検出配線３１を複数設けているので、破損した箇所を容易に特定することができる。
なお、ここでは、破損検出配線３１を２つに分割して接続し、２つの開回路を形成する構成としたが、これに限定されず、複数（例えば、３以上、セルの積層数以下）の破損検出配線３１を設ける構成としてもよい。さらに、２つの開回路に別々に破損検出器を設ける構成としたが、これに限定されず、２つの開回路を直列に接続して、１つの破損検出器で抵抗値を検出する構成としてもよい。
（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と同じであるが、各セパレータの内部に破損検出配線が形成されている点が異なる。
図１４は、本実施の形態４に係る燃料電池システムのアノードセパレータ６Ａの概略構成を示す模式図である。図１４（ａ）は、アノードセパレータ６Ａの断面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すアノードセパレータ６Ａを分解した断面図であり、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）に示すＸＩＶＣ方向から見たアノードセパレータ６Ａを示す模式図である。なお、図１４（ｃ）においては、アノードセパレータ６Ａの上下方向を図の上下方向として表し、以下の説明では、図４と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。
図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システムのアノードセパレータ６Ａは、２つの板部材６０Ａ、６０Ｂを有しており、これらの板部材６０Ａ、６０Ｂを接合させることにより形成される。板部材６０Ａの板部材６０Ｂと当接する一方の主面（以下、内面という）には、破損検出配線３１が、アノードセパレータ６Ａ（正確には、板部材６０Ａ）の面方向に延在するように形成されている。
具体的には、板部材６０Ａの内面に形成されている破損検出配線３１は、引き回し部３１ａとサーペンタイン部３１ｄを有しており、引き回し部３１ａとサーペンタイン部３１ｄが互いに短絡しないように形成されている。引き回し部３１ａは、板部材６０Ａの内面の上縁部の略中央部に、その始端部と終端部が位置しており、板部材６０Ａの周縁部に沿うように形成されている。一方、サーペンタイン部３１ｄは、板部材６０Ａの周縁部より内方の領域（各マニホールド孔より内方に位置する領域）にサーペンタイン状に形成されている。また、破損検出配線３１の引き回し部３１ａの始端部には、第１接続部３１ｂが板部材６０Ａの内面から突出するように設けられており、終端部には、第２接続部３１ｃが設けられている。
板部材６０Ｂの板部材６０Ａと当接する一方の主面の第１接続部３１ｂが当接する部分には、第３接続部３１ｅが設けられている。第３接続部３１ｅの始端部８２は、厚み方向に凹んでおり、一方、その終端部は、厚み方向に突出している。
そして、このように形成された板部材６０Ａと板部材６０Ｂとを適宜な方法で接合することにより、アノードセパレータ６Ａが形成される。なお、カソードセパレータ６Ｂについても同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
このように、本実施の形態４に係る燃料電池システムでは、各セパレータ６Ａ、６Ｂの周縁部だけでなく、その内方領域にも破損検出配線３１が配設されている（破損検出配線３１が各セパレータ６Ａ、６Ｂの面方向において全領域に配設されている）ため、各セパレータ６Ａ、６Ｂの内方領域での破損をも検出することができ、より微小な破損を検出することができる。なお、ここでは、各セパレータ６Ａ、６Ｂの面方向の全領域に亘って破損検出配線３１が形成されている構成としたが、これに限定されず、面方向に延在するように構成されていれば、破損検出配線３１はどのように形成されていてもよい。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５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と同じであるが、セル１１の構成が以下のように異なる。
図１５は、本実施の形態５に係る燃料電池システムにおけるＰＥＦＣ１０１のセル１１の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図１５においては、一部を省略し、また一部を展開させている。以下の説明では、図４と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。
図１５に示すように、セル１１は、ＭＥＡ５、ガスケット１０と枠部材１２を有する周縁部材１３、アノードセパレータ６Ａ、及びカソードセパレータ６Ｂを備えている。枠部材１２は、ＭＥＡ５の高分子電解質膜１の周縁部を挟むように設けられている。また、枠部材１２の周縁部には、破損検出配線３１が配設されている。さらに、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの内面は、枠部材１２とＭＥＡ５との厚みの違いによる段差に応じるようにして、中央部が台形状に突出するように段差を有している。
ここで、周縁部材１３について、図１６乃至図１８を参照しながら、更に詳細に説明する。
図１６は、図１５に示すセル１１の周縁部材１３の概略構成を模式的に示す正面図であり、図１７は、図１５に示すセル１１の周縁部材１３の概略構成を模式的に示す正面図であり、図１８は、図１６に示すＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿った段面図である。なお、図１６及び図１７において、周縁部材１３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。
まず、周縁部材１３の構成について説明する。
図１５乃至図１８に示すように、枠部材１２は、略矩形のリング状に形成されており、ＭＥＡ５の高分子電解質膜１の外縁と接合している。枠部材１２の開口部は、ＭＥＡ５のアノード４ａ又はカソード４ｂよりも若干大きくなるように形成されている。また、枠部材１２の周縁部には、燃料ガス供給用マニホールド２１ａ等の各マニホールド孔が設けられている。
そして、枠部材１２の主面には、ガスケット１０の位置決めを容易にするための位置決め溝１０Ａが形成されている。また、ガスケット１０は、枠部材１２の主面に設けられている。
ガスケット１０は、弾性体で構成され、環状部１０Ａ、１０Ｂ、及びリブ部１０Ｃを有している。図１６に示すように、環状部１０Ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔２１ａ等のマニホールド孔を囲むように形成されており、また、環状部１０Ｂは、枠部材１２の開口部を囲むように形成されている。そして、これらの環状部１０Ａ、１０Ｂは互いに接続されている。また、図１５に示すように、環状部１０Ａ、１０Ｂのアノードセパレータ６Ａ（又はカソードセパレータ６Ｂ）と対向する側の主面には、該環状部１０Ａ、１０Ｂの外周に沿って延びるように、リブ部１０Ｃが形成されている（なお、図１６において、リブ部１０Ｃは、省略している）。このリブ部１０Ｃは、セルスタック１００の締結時において、リブ部１０Ｃに押圧力が集中するので、各マニホールド孔及びＭＥＡ５の周囲をより適切にシールすることができる。
次に、周縁部材１３の各構成要素について説明する。
枠部材１２は、熱可塑性樹脂から構成される。この熱可塑性樹脂は、ＰＥＦＣ１０１の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い荷重撓み温度を有する。また、枠部材１２は、化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂が好ましく、その中でも機械的強度が大きく、かつ、耐熱性が高い材質が好ましく、例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適である。例示をすれば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）等は数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１５０℃以上の荷重撓み温度を有しており、好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えば、グラスフィラーが充填されたポリプロピレン（ＧＥＰＰ）等は、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率１０００〜１５００ＭＰａ）の数倍の弾性率を有し、かつ、１５０℃近い荷重撓み温度を有しており、好適な材料である。本実施の形態においては、熱可塑性樹脂である、ガラスフィラー添加ＰＰＳ（大日本インキ株式会社ＤＩＣ-ＰＰＳ ＦＺ１１４０-Ｂ2）が用いられている。
ガスケット１０は、熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーからなる群より選択される少なくとも１種から構成される。この熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーは、ＰＥＦＣ１０１の運転温度以下において、化学的に安定で、特に加水分解を起こさない等耐熱水性を有する。また、ガスケット１０の圧縮弾性率は、例えば、２００ＭＰａ以下であることが望ましい。好適な材料としては、本実施形態においては、ＰＰ及びＥＰＤＭを有してなるポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８１０１−５５（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ社製）を用いている。
次に、破損検出配線３１について説明する。
本実施の形態においては、破損検出配線３１は、枠部材１２の外縁と各マニホールド孔との間に配設されている。具体的には、破損検出配線３１の引き回し部３１ａは、枠部材１２のアノードセパレータ６Ａと対向する面（以下、外面という）にその周縁部（外周部）を略１周するように設けられており、各マニホールド孔（正確には、ガスケット１０）は引き回し部３１ａによって囲まれている。引き回し部３１ａは、ここでは、枠部材１２の外面の上縁部の略中央部にスペースＳ１を有するようにして、正面視にて反時計回りに引き回されている。引き回し部３１ａの、スペースＳ１の一方の側に位置する部分（以下、始端部）に第１接続部３１ｂが設けられ、引き回し部３１ａの、スペースＳ１の他方の側に位置する部分（以下、終端部）に第２接続部３１ｃが設けられている。なお、枠部材１２の外周部とは、正面視にて、枠部材１２の外周と各マニホールド孔との間の領域をいう。
また、図１７及び図１８に示すように、第２接続部３１ｃは、引き回し部３１ａの終端部から枠部材１２の内面にまで厚み方向に延び、そこから、水平方向に延びるようにして形成され、その終端部８１が、枠部材１２の厚み方向から見て、第１接続部３１ｂと一致するように（重なり合うように）設けられている。
そして、図１８に示すように、第１接続部３１ｂは厚み方向に突出し、また、第２接続部３１ｃは厚み方向に凹んでいる。枠部材１２の第１接続部３１ｂは、隣接する枠部材１２の第２接続部３１ｃの終端部８１と嵌合するように形成されている。なお、第１接続部３１ｂは、ここでは、枠部材１２の上部に設けられているが、これに限定されず、第１接続部３１ｂと第２接続部３１ｃの終端部８１が、枠部材１２の厚み方向から見て一致するように設けられ、かつ、枠部材１２の周縁部に設けられていれば、その設置箇所は任意である。
破損検出配線３１は、ここでは、導電配線７２と、この導電配線７２を覆う絶縁体７３と、で構成されている。具体的には、第１接続部３１ｂは、柱状の絶縁体７３の中心部に導電配線７２が延在するように形成されている。また、引き回し部３１ａは、枠部材１２の外面に形成された溝７１中に導電配線７２が絶縁体７３で包まれるようにして埋設されて形成されており、第２接続部３１ｃは、枠部材１２に形成された溝及び貫通孔に導電配線７２が絶縁体７３で包まれるようにして埋設されて形成されている。
なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂの第１接続部３１ｂが設けられる部分には、厚み方向に貫通する貫通孔が設けられており、該貫通孔に第１接続部３１ｂが嵌挿されるように構成されている。また、枠部材１２に設けられた第１接続部３１ｂの厚み方向の高さ寸法は、セルスタック１００を締結したときに、ＭＥＡ５及びアノードセパレータ６Ａ（又はカソードセパレータ６Ｂ）の厚み方向の高さ寸法と、枠部材１２に設けられた第２接続部３１ｃの終端部８１の厚み方向の深さ寸法と、を足し合わせた寸法と同じになるように形成されている。
これにより、セルスタック１００を締結したときに、枠部材１２の第１接続部３１ｂが、隣接する枠部材１２の第２接続部３１ｃの終端部８１に嵌合されて、各枠部材１２に設けられた破損検出配線３１が、それぞれ接続される。そして、燃料電池全体としてコイル状にひとつの開回路を形成する。
このように、破損検出配線３１は、枠部材１２の各マニホールド孔を囲むようにして、一方の主面の周縁部を略１周するように設けられた引き回し部３１ａの両端に第１接続部３１ｂ及び第２接続部３１ｃが接続されるようにして形成されており、その全体は、枠部材１２の外周部を短絡せずに周回するように（ここでは、１周するように）形成されている。
そして、セルスタック１００は、上述したように、外部に露出しているその外周部が破損しやすいが、本実施の形態では、この破損しやすい外周部に、枠部材１２ごとに、破損検出配線３１が張り巡らされていることになる。
このため、セパレータの破損、特にセパレータの周縁部の破損（セパレータの外周とマニホールド孔との間に亀裂が生じる等）が起きると、これに伴って、破損検出配線３１が断線、圧縮等されて、その抵抗値が増加する。この増加した抵抗値を検出することによって、セルスタック１００の破損を検出することができる。
なお、本実施の形態では、破損検出配線３１が、枠部材１２の外周部を短絡させずに周回する構成として、破損検出配線３１が枠部材１２の外周部を１周する構成としたが、これに限定されず、破損検出配線３１が枠部材１２の外周部を数周するような構成としてもよく、また、破損検出配線３１が完全に枠部材１２の外周を１周しないような構成であってもよい。
また、枠部材１２の主面に設けた引き回し部３１ａを枠部材１２の厚み方向から見て、反時計回りに引き回させて形成したが、これに限定されず、枠部材１２の主面に設けた引き回し部３１ａをそれぞれ時計回りに引き回させて形成してもよい。さらに、上記実施の形態３及び変形例２のように、破損検出配線３１を複数のグループごとに接続して複数の開回路が形成される構成としてもよく、また、実施の形態４のように枠部材１２の内部に破損検出配線３１が形成される構成としてもよい。
さらに、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池について説明したが、これに限定されず、本発明に係る燃料電池は、リン酸形燃料電池等の燃料電池であってもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の高分子電解質形燃料電池は、セルスタックの破損を過剰な付帯設備を設けることなく検出することができる、家庭用コージェネレーションや車載用の燃料電池として有用である。
また、本発明の燃料電池システムは、セルスタックの破損を電気的導通により検出することが可能であるため、メンテナンスが容易な燃料電池システムとして有用である。
図１は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、図１に示した高分子電解質形燃料電池を模式的に示した展開図である。 図３は、図２に示した高分子電解質形燃料電池を構成するセルの構造の概容を示す断面図である。 図４は、図２に示したセルのアノードセパレータの概略構成を示した模式図である。 図５は、図２に示したＶ−Ｖ線に沿った断面を示す断面図である。 図６は、図１に示した破損検出器の断線検出回路の概略を示した模式図である。 図７は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例におけるセルの構造の概容を示す模式図である。 図８は、図７に示したＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示す断面図である。 図９は、本実施の形態２に係る燃料電池システムの高分子電解質形燃料電池を模式的に示した展開図である。 図１０は、図９に示した高分子電解質形燃料電池の破損検出配線の形成方法について示した模式図である。 図１１は、本実施の形態３に係る燃料電池システムにおける燃料電池のアノードセパレータの概略構成を示した模式図である。 図１２は、本実施の形態３に係る燃料電池システムの破損検出器の構成を示す模式図である。 図１３は、本変形例の燃料電池システムの高分子電解質形燃料電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図１４は、本実施の形態４に係る燃料電池システム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１５は、本実施の形態５に係る燃料電池システムにおける高分子電解質形燃料電池のセルの概略構成を模式的に示す断面図である。 図１６は、図１５に示すセルの周縁部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１７は、図１５に示すセルの周縁部材の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１８は、図１６に示すＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿った段面図である。 図１９は、図６に示す比較器のプラス側入力端子電圧ＶBに対する出力信号電圧ＶOのグラフを示したものである。
符号の説明
１ 高分子電解質膜
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
４ｂ カソード
５ ＭＥＡ
６Ａ アノードセパレータ
６Ｂ カソードセパレータ
７ アノードガス流路
８ カソードガス流路
９ 熱媒体流路
１０ ガスケット
１１ セル
２１ａ 燃料ガス供給用マニホールド孔
２１ｂ 燃料ガス供給用マニホールド孔
２１ｃ 燃料ガス供給用マニホールド孔
２２ａ 燃料ガス排出用マニホールド孔
２２ｂ 燃料ガス排出用マニホールド孔
２２ｃ 燃料ガス排出用マニホールド孔
２３ａ 酸化剤ガス供給用マニホールド孔
２３ｂ 酸化剤ガス供給用マニホールド孔
２３ｃ 酸化剤ガス供給用マニホールド孔
２４ａ 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
２４ｂ 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
２４ｃ 酸化剤ガス排出用マニホールド孔
２５ａ 熱媒体供給用マニホールド孔
２５ｂ 熱媒体供給用マニホールド孔
２５ｃ 熱媒体供給用マニホールド孔
２６ａ 熱媒体排出用マニホールド孔
２６ｂ 熱媒体排出用マニホールド孔
２６ｃ 熱媒体排出用マニホールド孔
３１ 破損検出配線
３１ａ 引き回し部
３１ｂ 第１接続部
３１ｃ 第２接続部
４１ 演算処理部
４２ 記憶部
４３ 表示部
４４ 操作入力部
５０ セル積層体
６０Ａ 板部材
６０Ｂ 板部材
６１ 破損検出電源
６２ 基準電源
６３ 出力信号用電源
６５ 比較器
７１ 溝
７２ 導電配線
７３ 絶縁体
８１ 終端部
１０１ 高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０２ 燃料ガス供給装置
１０３ 酸化剤ガス供給装置
１０４ 熱媒体供給装置
１０５ 制御装置
１０６ 破損検出器
１１１ 燃料ガス供給流路
１１２ 燃料ガス排出流路
１１３ 酸化剤ガス供給流路
１１４ 酸化剤ガス排出流路
１１５ 熱媒体供給流路
１１６ 熱媒体排出流路
１２１ 燃料ガス供給用マニホールド
１２２ 燃料ガス排出用マニホールド
１２３ 酸化剤ガス供給用マニホールド
１２４ 酸化剤ガス排出用マニホールド
１２５ 熱媒体供給用マニホールド
１２６ 熱媒体排出用マニホールド
Ａ 端子
Ｂ 端子
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｓ１ スペース
Ｓ２ スペース

Claims (15)

  1. 電解質層と該電解質層の周縁部より内方の部分を挟む一対のガス拡散電極を有する電解質層−電極積層体と、前記電解質層の周縁部に配置された環状の周縁部材と、前記電解質層−電極積層体及び前記周縁部材を挟み前記ガス拡散電極と当接する主面に反応ガスが流れる溝状のガス流路が形成された一対の導電性の板状のセパレータと、破損検出配線と、を有するセルと、
    該セルが積層されたセルスタックと、を備え、
    前記破損検出配線は前記セルを構成する前記電解質層−電極積層体以外の部材に形成されており、
    前記セルが積層されることにより、破損検出配線が接続されて、開回路が形成されている、燃料電池。
  2. 前記破損検出配線は、前記セパレータの面方向に延在するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記破損検出配線は、前記セパレータの外周部を短絡せずに周回するように形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
  4. 前記破損検出配線は、前記セパレータに全面に亘って蛇行するように形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
  5. 前記破損検出配線は、前記セパレータの前記電解質層−電極積層体と当接する主面の周縁部に形成されている、請求項３に記載の燃料電池。
  6. 前記破損検出配線は、前記セパレータの主面と面一になるように形成されている、請求項４に記載の燃料電池。
  7. 前記破損検出配線は、前記セパレータの側面に形成されている、請求項３に記載の燃料電池。
  8. 前記破損検出配線は、前記セパレータの内部に形成されている、請求項２に記載の燃料電池。
  9. 前記周縁部材は、前記電解質層の周縁部を挟むようにして前記電解質層を囲む環状の枠部材と、シール部材と、を有し、
    前記破損検出配線は、前記枠部材に延在するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
  10. 前記破損検出配線は、前記枠部材の外周部を短絡せずに周回するように形成されている、請求項９に記載の燃料電池。
  11. 前記破損検出配線は、前記枠部材の内部に形成されている、請求項９に記載の燃料電池。
  12. 前記破損検出配線が、印刷により形成されたものである、請求項１に記載の燃料電池。
  13. 前記破損検出配線が前記セルの積層方向において複数のグループごとに分かれて接続されて、前記開回路が複数形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
  14. 前記破損検出配線が、前記セルを構成する前記電解質層−電極積層体以外の部材に複数の所定の部位にそれぞれ形成されており、
    前記各部位にその対応する破損検出配線が接続されて、前記開回路が複数形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
  15. 請求項１に記載の燃料電池と、前記破損検出配線の抵抗の増加を検出する破損検出器と、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記破損検出器による前記破損検出配線の抵抗の増加の検出に基づいて、前記セルスタックのセパレータの破損を検知する、燃料電池システム。
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