JP7198030B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池を種々の装置の駆動源として利用することに関する技術の開発が進められている。例えば、特許文献１では、燃料電池を車両に搭載する技術が開示されている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルを有しており、燃料電池セルには、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極及びカソード電極により挟まれる電解質膜とを含む膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が設けられている。このような燃料電池では、具体的には、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素含有ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、酸素含有ガス）が供給されることによって、膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である発電部により発電が行われる。

特開２００３－２８８９２７号公報

ところで、燃料電池に関する分野では、燃料電池における温度分布を均一化することが求められている。具体的には、燃料電池セルにおける中央側と外周側との間で放熱性が異なることに起因して、燃料電池における温度分布が不均一になる場合がある。例えば、燃料電池セルにおいて、中央側では、外周側と比較して放熱性が低いので、温度が上昇しやすく、熱による劣化が促進されやすい。ここで、燃料電池セルでは、温度が高い部分ほど、抵抗が小さく電流密度が大きくなりやすいので、発熱しやすい。このことは、燃料電池セルにおける中央側で温度がさらに上昇しやすくなる要因となる。一方、外周側では、放熱されることにより温度が低下しやすく、結露が生じることに起因して劣化が促進されやすい。このように、燃料電池における温度分布が不均一になることによって、燃料電池の劣化が促進されやすくなってしまう。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池における温度分布を均一化することが可能な、新規かつ改良された燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である複数の発電部が互いに絶縁されて形成されている燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池セルにおいて互いに絶縁されている前記複数の発電部は、第１発電部と、前記第１発電部を囲むように形成されている第２発電部とを含み、前記第１発電部の電流密度は、前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるようになっており、前記第１発電部は、第１アノード電極及び第１カソード電極を含み、前記第２発電部は、第２アノード電極及び第２カソード電極を含み、前記第１アノード電極及び前記第２アノード電極は、互いに離隔して配置されており、前記第１カソード電極及び前記第２カソード電極は、互いに離隔して配置されている、燃料電池システムが提供される。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である複数の発電部が互いに絶縁されて形成されている燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池セルにおいて互いに絶縁されている前記複数の発電部は、第１発電部と、前記第１発電部を囲むように形成されている第２発電部とを含み、前記第１発電部の電流密度は、前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるようになっており、前記燃料電池セルは、前記複数の発電部に供給されるガスが流れるガス供給流路を有し、前記第１発電部の中心位置は、前記燃料電池セルの中央に対して前記ガス供給流路内の前記ガスの流れ方向における上流側に配置される、燃料電池システムが提供される。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である複数の発電部が互いに絶縁されて形成されている燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池セルにおいて互いに絶縁されている前記複数の発電部は、第１発電部と、前記第１発電部を囲むように形成されている第２発電部とを含み、前記第１発電部の電流密度は、前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるようになっており、前記燃料電池の発電を制御する制御装置をさらに備え、前記第１発電部及び前記第２発電部は、互いに並列に負荷と接続されており、前記制御装置は、前記第１発電部の電流密度が前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるように、前記第１発電部の発電電流と前記第２発電部の発電電流の比である電流比を制御する、燃料電池システムが提供される。

前記制御装置は、前記燃料電池の発電電流の要求値に基づいて、前記電流比を制御してもよい。

前記負荷は、車両の駆動輪を駆動するための動力を出力可能なモータを含み、前記制御装置は、前記車両の走行に関するパラメータに基づいて、前記電流比を制御してもよい。

前記パラメータは、前記車両の車速又は走行路の勾配を含んでもよい。

以上説明したように本発明によれば、燃料電池における温度分布を均一化することが可能となる。

本発明の実施形態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。 同実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 同実施形態に係る燃料電池セルを示す部分断面図である。 同実施形態に係る膜電極接合体を示す斜視図である。 同実施形態に係るカソード側セパレータを膜電極接合体側から見た図である。 同実施形態に係るアノード側セパレータを膜電極接合体側から見た図である。 同実施形態に係る各発電部の電気的な接続関係を示す図である。 同実施形態に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．燃料電池システムの構成＞
図１～図７を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、車両に搭載され、燃料電池１０を当該車両の駆動源として利用するものである。なお、燃料電池システム１は、あくまでも燃料電池１０を備えるシステムの例であり、車両以外の装置に搭載されてもよい。

［全体構成］
まず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０を備える。さらに、燃料電池システム１は、ＤＣＤＣコンバータ２０と、インバータ３０と、モータ４０と、燃料電池１０の発電を制御する制御装置５０とを備える。

燃料電池システム１では、燃料電池１０、ＤＣＤＣコンバータ２０、インバータ３０及びモータ４０がこの順に接続されており、燃料電池１０により発電される電力である発電電力がＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０を介してモータ４０に供給される。ＤＣＤＣコンバータ２０、インバータ３０及びモータ４０は、後述するように、燃料電池１０の燃料電池セル１００における発電部（具体的には、第１発電部及び第２発電部）と接続されている本発明に係る負荷の一例に相当する。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素含有ガス）と酸化ガス（具体的には、酸素含有ガス）とを反応させることにより発電する電池である。後述するように、燃料電池１０は燃料電池セルを有しており、当該燃料電池セルでは、膜電極接合体において発電が行われる部分（具体的には、電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分）である複数の発電部（具体的には、第１発電部及び第２発電部）が互いに絶縁されて形成されている。なお、燃料電池１０の構成の詳細については、後述する。

ＤＣＤＣコンバータ２０は、燃料電池１０の発電電力を昇圧してインバータ３０に供給する電力変換装置である。ＤＣＤＣコンバータ２０は、いわゆるチョッパ方式の回路を含み、当該回路に設けられるスイッチング素子の動作が制御されることによって、ＤＣＤＣコンバータ２０による電力変換が制御される。

インバータ３０は、ＤＣＤＣコンバータ２０から送られる直流電力を交流電力に変換してモータ４０に供給する電力変換装置である。インバータ３０は、例えば、多相ブリッジ回路（例えば、三相ブリッジ回路）を含み、当該回路に設けられるスイッチング素子の動作が制御されることによって、インバータ３０による電力変換が制御される。

モータ４０は、車両の駆動輪９を駆動させるための動力を出力可能なモータである。具体的には、モータ４０は、ＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０を介して供給される燃料電池１０の発電電力を用いて動力を生成する。モータ４０としては、例えば、多相交流式（例えば、三相交流式）のモータが用いられる。

制御装置５０は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

制御装置５０は、燃料電池システム１における各装置の動作を制御する。具体的には、制御装置５０は、制御対象である各装置に対して電気信号を用いて動作指示を出力することによって、各装置の動作を制御する。また、制御装置５０は、各装置（例えば、車両に設けられる図示しないセンサ及び他の制御装置等）から出力された情報を受信する。制御装置５０と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。なお、制御装置５０が有する機能は複数の制御装置により分割されてもよく、その場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。また、制御装置５０は、下記で説明する以外の他の機能を追加的に有していてもよい。

本実施形態では、制御装置５０は、燃料電池１０の発電を制御する。具体的には、制御装置５０は、ＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０の動作を制御することによって、ＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０による電力変換を制御する。それにより、燃料電池１０の発電電流が制御され、ひいては燃料電池１０の発電電力が制御される。制御装置５０は、具体的には、燃料電池１０の発電電流を発電電流の要求値に一致させるように制御する。

また、本実施形態では、制御装置５０は、燃料電池１０の発電の制御において、後述するように、燃料電池１０の燃料電池セル１００における第１発電部の発電電流と第２発電部の発電電流の比である電流比を制御する。

［燃料電池の構成］
次に、図２～図７を参照して、本実施形態に係る燃料電池１０の詳細な構成について説明する。

図２は、本実施形態に係る燃料電池１０を示す斜視図である。なお、本明細書で参照する各図面は、燃料電池セル１００の積層方向をＸ方向（以下、積層方向Ｘとも呼ぶ）とし、積層方向Ｘと交差する方向（具体的には、直交する方向）をＹ方向（以下、幅方向Ｙとも呼ぶ）とし、Ｘ方向及びＹ方向と交差する方向（具体的には、直交する方向）をＺ方向（以下、長手方向Ｚとも呼ぶ）として示されている。

図２に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１００が積層されている燃料電池スタック１１と、一対の集電プレート１２，１２と、一対のエンドプレート１３，１３とを有する。

燃料電池スタック１１は、略矩形平板形状の複数の燃料電池セル１００が積層されることにより形成される積層体に相当し、略角柱形状を有する。なお、燃料電池セル１００の構成の詳細については、後述する。

一対の集電プレート１２，１２は、燃料電池スタック１１の積層方向Ｘの両側に配置されている。各集電プレート１２は、燃料電池スタック１１における積層方向Ｘの端部に位置する燃料電池セル１００と接しており、電気的に接続されている。

一対のエンドプレート１３，１３は、集電プレート１２，１２の積層方向Ｘの外側に配置されている。燃料電池スタック１１及び集電プレート１２，１２は、エンドプレート１３，１３によって積層方向Ｘに挟持されている。一方のエンドプレート１３における長手方向Ｚの一側（図２におけるＺ方向の負方向側）には、酸化ガス供給ポート３１、冷媒供給ポート３３及び燃料ガス供給ポート３２が、幅方向Ｙの一側（図２におけるＹ方向の正方向側）からこの順に並設されている。また、当該一方のエンドプレート１３における長手方向Ｚの他側には、酸化ガス排出ポート４１、冷媒排出ポート４３及び燃料ガス排出ポート４２が、幅方向Ｙの一側からこの順に並設されている。

酸化ガスが、酸化ガス供給ポート３１から燃料電池スタック１１内に供給され、酸化ガス排出ポート４１から排出される。また、燃料ガスが、燃料ガス供給ポート３２から燃料電池スタック１１内に供給され、燃料ガス排出ポート４２から排出される。また、冷媒（具体的には、冷却水）が、冷媒供給ポート３３から燃料電池スタック１１内に供給され、冷媒排出ポート４３から排出される。

本実施形態に係る燃料電池１０は、図２において太線一点鎖線により示されるように、積層方向Ｘと交差する方向に互いに絶縁された第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２に区画されている。ゆえに、燃料電池１０の燃料電池スタック１１、集電プレート１２及びエンドプレート１３の各々において、各領域内の部分は、互いに絶縁されている。具体的には、燃料電池１０における長手方向Ｚの中央側かつ幅方向Ｙの中央側の領域が第１領域Ｒ１に相当し、燃料電池１０における第１領域Ｒ１を囲む領域が第２領域Ｒ２に相当する。

各集電プレート１２の外周部には、端子２１及び端子２２が外側に張り出して設けられている。一対の端子２１，２１は、燃料電池セル１００における第１領域Ｒ１内の発電部である後述する第１発電部と接続されている。一対の端子２２，２２は、燃料電池セル１００における第２領域Ｒ２内の発電部である後述する第２発電部と接続されている。これらの端子は、ＤＣＤＣコンバータ２０と電力線を介して接続されている。

ここで、図３～図６を参照して、燃料電池セル１００の詳細な構成について説明する。

図３は、本実施形態に係る燃料電池セル１００を示す部分断面図である。具体的には、図３に示される断面は、膜電極接合体１１０において電解質膜１１１がアノード電極１１２及びカソード電極１１３により挟まれている発電部５を通り長手方向Ｚに直交する断面である。

図３に示すように、燃料電池セル１００は、膜電極接合体１１０と、アノード側セパレータ１２０と、カソード側セパレータ１３０とを含む。

膜電極接合体１１０は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とを含む。

電解質膜１１１は、水素イオンを通過させる性質を有する膜である。アノード電極１１２及びカソード電極１１３は、電解質膜１１１を挟んで対向して配置されており、例えば、白金又は白金を含有する合金がカーボン粒子上に担持されている触媒層を有する。膜電極接合体１１０において電解質膜１１１がアノード電極１１２及びカソード電極１１３により挟まれている部分が発電部５に相当し、当該発電部５において発電が行われる。アノード電極１１２は、発電時に電子を失う側の電極であり、カソード電極１１３は、発電時に電子を得る側の電極である。

アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０は、膜電極接合体１１０を挟んで対向して配置されており、例えば、カーボン又は金属材料等の導電性を有する材料によって主に形成されている。アノード側セパレータ１２０におけるアノード電極１１２と接する面には、アノード電極１１２に供給される燃料ガスが流れる溝状の燃料ガス供給流路１２１が形成されている。カソード側セパレータ１３０におけるカソード電極１１３と接する面には、カソード電極１１３に供給される酸化ガスが流れる溝状の酸化ガス供給流路１３１が形成されている。

なお、膜電極接合体１１０には、互いに絶縁されている複数の発電部５が形成されており、燃料ガス供給流路１２１及び酸化ガス供給流路１３１を流れるガスは当該複数の発電部５に供給されるようになっている。このように、燃料電池セル１００は、複数の発電部５に供給されるガスが流れるガス供給流路を有している。

以下、図４～図６を参照して、膜電極接合体１１０、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０のさらに詳細な構成について説明する。

図４は、本実施形態に係る膜電極接合体１１０を示す斜視図である。

上述したように、燃料電池セル１００では、膜電極接合体１１０において電解質膜１１１がアノード電極１１２及びカソード電極１１３により挟まれている部分である複数の発電部５が互いに絶縁されて形成されている。具体的には、図４に示すように、膜電極接合体１１０には、第１発電部５ａ及び当該第１発電部５ａを囲むように形成されている第２発電部５ｂが互いに絶縁されて形成されている。

第１発電部５ａは、電解質膜１１１における第１領域Ｒ１内の部分に相当する長手方向Ｚの中央側かつ幅方向Ｙの中央側の部分と、当該部分を挟んで対向して配置されている第１アノード電極１１２ａ及び第１カソード電極１１３ａとを含む。また、第２発電部５ｂは、電解質膜１１１における第２領域Ｒ２内の部分に相当する第１発電部５ａを囲む部分と、当該部分を挟んで対向して配置されている第２アノード電極１１２ｂ及び第２カソード電極１１３ｂとを含む。このように、第１発電部５ａは、燃料電池セル１００における中央側に位置しており、第２発電部５ｂは、燃料電池セル１００における外周側に位置している。

第１アノード電極１１２ａ及び第２アノード電極１１２ｂは、電解質膜１１１に対して同じ側（具体的には、図４におけるＸ方向の負方向側）に位置しており、互いに離隔して配置されている。また、第１カソード電極１１３ａ及び第２カソード電極１１３ｂは、電解質膜１１１に対して第１アノード電極１１２ａ及び第２アノード電極１１２ｂと逆側（具体的には、図４におけるＸ方向の正方向側）に位置しており、互いに離隔して配置されている。それにより、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂが互いに絶縁される。

膜電極接合体１１０では、具体的には、図４に示すように、第１発電部５ａは、膜電極接合体１１０の中央に対して長手方向Ｚの負方向側に配置される。後述するように、燃料電池セル１００のガス供給流路（具体的には、燃料ガス供給流路１２１及び酸化ガス供給流路１３１）内のガスの流れ方向は、長手方向Ｚの正方向となっている。第１発電部５ａは、燃料電池１０における温度分布をより効果的に均一化する観点では、上記のように、燃料電池セル１００の中央に対して燃料電池セル１００のガス供給流路内のガスの流れ方向における上流側に配置されることが好ましい。

膜電極接合体１１０における長手方向Ｚの一側（図４におけるＺ方向の負方向側）には、酸化ガス供給口３１１、冷媒供給口３１３及び燃料ガス供給口３１２が、幅方向Ｙの一側（図４におけるＹ方向の正方向側）からこの順に並設されている。また、膜電極接合体１１０における長手方向Ｚの他側には、酸化ガス排出口４１１、冷媒排出口４１３及び燃料ガス排出口４１２が、幅方向Ｙの一側からこの順に並設されている。膜電極接合体１１０において、上記の各供給口及び各排出口は、積層方向Ｘに貫通して形成されている。

酸化ガス供給口３１１は、後述するカソード側セパレータ１３０の酸化ガス供給口３３１及びアノード側セパレータ１２０の酸化ガス供給口３２１と接続され、燃料電池スタック１１内で積層方向Ｘに延在する空間を形成し、当該空間は、酸化ガス供給ポート３１と連通している。また、冷媒供給口３１３は、後述するカソード側セパレータ１３０の冷媒供給口３３３及びアノード側セパレータ１２０の冷媒供給口３２３と接続され、燃料電池スタック１１内で積層方向Ｘに延在する空間を形成し、当該空間は、冷媒供給ポート３３と連通している。また、燃料ガス供給口３１２は、後述するカソード側セパレータ１３０の燃料ガス供給口３３２及びアノード側セパレータ１２０の燃料ガス供給口３２２と接続され、燃料電池スタック１１内で積層方向Ｘに延在する空間を形成し、当該空間は、燃料ガス供給ポート３２と連通している。

酸化ガス排出口４１１は、後述するカソード側セパレータ１３０の酸化ガス排出口４３１及びアノード側セパレータ１２０の酸化ガス排出口４２１と接続され、燃料電池スタック１１内で積層方向Ｘに延在する空間を形成し、当該空間は、酸化ガス排出ポート４１と連通している。また、冷媒排出口４１３は、後述するカソード側セパレータ１３０の冷媒排出口４３３及びアノード側セパレータ１２０の冷媒排出口４２３と接続され、燃料電池スタック１１内で積層方向Ｘに延在する空間を形成し、当該空間は、冷媒排出ポート４３と連通している。また、燃料ガス排出口４１２は、後述するカソード側セパレータ１３０の燃料ガス排出口４３２及びアノード側セパレータ１２０の燃料ガス排出口４２２と接続され、燃料電池スタック１１内で積層方向Ｘに延在する空間を形成し、当該空間は、燃料ガス排出ポート４２と連通している。

図５は、本実施形態に係るカソード側セパレータ１３０を膜電極接合体１１０側から見た図である。

上述したように、カソード側セパレータ１３０におけるカソード電極１１３と接する面には、カソード電極１１３に供給される酸化ガスが流れる溝状の酸化ガス供給流路１３１が形成されている。具体的には、図５に示すように、カソード側セパレータ１３０において、複数の酸化ガス供給流路１３１が、幅方向Ｙに間隔を空けて長手方向Ｚに延設されている。

カソード側セパレータ１３０における長手方向Ｚの一側（図５におけるＺ方向の負方向側）には、酸化ガス供給口３３１、冷媒供給口３３３及び燃料ガス供給口３３２が、幅方向Ｙの一側（図５におけるＹ方向の正方向側）からこの順に並設されている。また、カソード側セパレータ１３０における長手方向Ｚの他側には、酸化ガス排出口４３１、冷媒排出口４３３及び燃料ガス排出口４３２が、幅方向Ｙの一側からこの順に並設されている。カソード側セパレータ１３０において、上記の各供給口及び各排出口は、積層方向Ｘに貫通して形成されている。

カソード側セパレータ１３０では、酸化ガス供給口３３１及び酸化ガス排出口４３１は、複数の酸化ガス供給流路１３１と接続されている。ゆえに、酸化ガス供給ポート３１から燃料電池スタック１１内に供給される酸化ガスは、酸化ガス供給口３３１から複数の酸化ガス供給流路１３１に供給され、当該複数の酸化ガス供給流路１３１を通った後、酸化ガス排出口４３１から酸化ガス排出ポート４１へ送られて排出される。ゆえに、酸化ガス供給流路１３１内の酸化ガスの流れ方向は、長手方向Ｚの正方向となる。

カソード側セパレータ１３０には絶縁部２０３が形成されており、カソード側セパレータ１３０における第１発電部５ａと対向する部分及び第２発電部５ｂと対向する部分は、絶縁部２０３によって互いに離隔され、絶縁されている。絶縁部２０３は、絶縁性を有しており、カソード側セパレータ１３０における絶縁部２０３以外の部分が導電性を有している。具体的には、絶縁部２０３は、環形状を有している。なお、酸化ガス供給流路１３１は、カソード側セパレータ１３０における第１発電部５ａと対向する部分及び第２発電部５ｂと対向する部分の各部分を通過するように形成されているので、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂの各発電部５に酸化ガスを供給することができる。

上記のカソード側セパレータ１３０は、例えば、外周部に櫛歯状等の凹凸部が形成された複数の導電材を用意し、このような各導電材の凹凸部どうしを絶縁材を介して噛合わせることによって製造される。それにより、カソード側セパレータ１３０の強度を確保しつつ、カソード側セパレータ１３０を製造することができる。この場合、導電材は少なくとも２つ用いられ、導電材間に介在する絶縁材が絶縁部２０３に相当する。

図６は、本実施形態に係るアノード側セパレータ１２０を膜電極接合体１１０側から見た図である。

上述したように、アノード側セパレータ１２０におけるアノード電極１１２と接する面には、アノード電極１１２に供給される燃料ガスが流れる溝状の燃料ガス供給流路１２１が形成されている。具体的には、図６に示すように、アノード側セパレータ１２０において、複数の燃料ガス供給流路１２１が、幅方向Ｙに間隔を空けて長手方向Ｚに延設されている。

アノード側セパレータ１２０における長手方向Ｚの一側（図６におけるＺ方向の負方向側）には、酸化ガス供給口３２１、冷媒供給口３２３及び燃料ガス供給口３２２が、幅方向Ｙの一側（図６におけるＹ方向の正方向側）からこの順に並設されている。また、アノード側セパレータ１２０における長手方向Ｚの他側には、酸化ガス排出口４２１、冷媒排出口４２３及び燃料ガス排出口４２２が、幅方向Ｙの一側からこの順に並設されている。アノード側セパレータ１２０において、上記の各供給口及び各排出口は、積層方向Ｘに貫通して形成されている。

アノード側セパレータ１２０では、燃料ガス供給口３２２及び燃料ガス排出口４２２は、複数の燃料ガス供給流路１２１と接続されている。ゆえに、燃料ガス供給ポート３２から燃料電池スタック１１内に供給される酸化ガスは、燃料ガス供給口３２２から複数の燃料ガス供給流路１２１に供給され、当該複数の燃料ガス供給流路１２１を通った後、燃料ガス排出口４２２から燃料ガス排出ポート４２へ送られて排出される。ゆえに、燃料ガス供給流路１２１内の燃料ガスの流れ方向は、長手方向Ｚの正方向となる。

アノード側セパレータ１２０には絶縁部２０２が形成されており、アノード側セパレータ１２０における第１発電部５ａと対向する部分及び第２発電部５ｂと対向する部分は、絶縁部２０２によって互いに離隔され、絶縁されている。絶縁部２０２は、絶縁性を有しており、アノード側セパレータ１２０における絶縁部２０２以外の部分が導電性を有している。具体的には、絶縁部２０２は、環形状を有している。なお、燃料ガス供給流路１２１は、アノード側セパレータ１２０における第１発電部５ａと対向する部分及び第２発電部５ｂと対向する部分の各部分を通過するように形成されているので、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂの各発電部５に燃料ガスを供給することができる。

上記のアノード側セパレータ１２０は、例えば、外周部に櫛歯状等の凹凸部が形成された複数の導電材を用意し、このような各導電材の凹凸部どうしを絶縁材を介して噛合わせることによって製造される。それにより、アノード側セパレータ１２０の強度を確保しつつ、アノード側セパレータ１２０を製造することができる。この場合、導電材は少なくとも２つ用いられ、導電材間に介在する絶縁材が絶縁部２０２に相当する。

なお、燃料電池セル１００には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、冷媒供給ポート３３から燃料電池スタック１１内に供給される冷媒は、当該冷媒流路を通って、冷媒排出ポート４３から排出される。例えば、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０にそれぞれ冷媒流路が形成されており、アノード側セパレータ１２０に形成されている冷媒流路はアノード側セパレータ１２０の冷媒供給口３２３及び冷媒排出口４２３と接続されており、カソード側セパレータ１３０に形成されている冷媒流路はカソード側セパレータ１３０の冷媒供給口３３３及び冷媒排出口４３３と接続されている。

図７は、本実施形態に係る各発電部５の電気的な接続関係を示す図である。

燃料電池１０の燃料電池スタック１１では、上述した燃料電池セル１００が積層されることによって、図７に示すように、各燃料電池セル１００の第１発電部５ａは互いに直列に接続される。そして、直列に接続された複数の第１発電部５ａにおける両端の第１発電部５ａが、それぞれ端子２１と接続されている。また、各燃料電池セル１００の第２発電部５ｂは互いに直列に接続され、両端の第２発電部５ｂがそれぞれ端子２２と接続されている。

そして、端子２１，２１及び端子２２，２２が、それぞれＤＣＤＣコンバータ２０と電力線を介して接続されている。それにより、燃料電池セル１００において互いに絶縁されている第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂが互いに並列にＤＣＤＣコンバータ２０と接続される。

ここで、制御装置５０は、例えばＤＣＤＣコンバータ２０の動作を制御することによって、各発電部５の発電電力を独立に制御することができる。それにより、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流の比である電流比を制御することができる。

具体的には、本実施形態に係る制御装置５０は、第１発電部５ａの電流密度（換言すると、単位面積あたりの発電電流）が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるように、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流の比である電流比を制御する。このように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１発電部５ａの電流密度は、第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるようになっている。それにより、燃料電池１０における温度分布を均一化することが実現される。このような制御装置５０が行う制御については、後述にて詳細に説明する。

＜２．燃料電池システムの動作＞
続いて、図８を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

図８は、本実施形態に係る制御装置５０が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図８に示される制御フローは、例えば、予め設定されている設定時間間隔で繰り返される。

図８に示される制御フローが開始されると、まず、ステップＳ５０１において、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流の要求値を算出する。

具体的には、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流の要求値に関するパラメータに基づいて、燃料電池１０の発電電流の要求値を算出する。燃料電池１０の発電電流の要求値に関するパラメータとしては、例えば、駆動輪９に伝達される動力（以下、駆動力とも呼ぶ）の要求値又はモータ４０に供給される電流の要求値等が適用され得る。例えば、当該パラメータとしての上記の各要求値が制御装置５０と異なる他の制御装置により算出される場合、当該他の制御装置から制御装置５０に当該各要求値の算出結果が送信されることによって、制御装置５０は当該各要求値を取得することができる。制御装置５０は、例えば、駆動輪９に伝達される動力の要求値に基づいて、モータ４０に供給される電流の要求値を算出し、当該電流の要求値の算出結果に基づいて、燃料電池１０の発電電流の要求値を算出する。

次に、ステップＳ５０３において、制御装置５０は、第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるように、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流の比である電流比を決定する。

上述したように、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流を発電電流の要求値に一致させるように制御する。ゆえに、各発電部５の発電電流は、燃料電池１０の発電電流の要求値を上記電流比で分配した値となる。また、各発電部５の電流密度は、各発電部５の発電電流を各燃料電池セル１００における各発電部５の面積により除して得られる値となる。具体的には、第１発電部５ａの電流密度は、第１発電部５ａの発電電流を各燃料電池セル１００における第１発電部５ａの面積により除して得られる値となり、第２発電部５ｂの電流密度は、第２発電部５ｂの発電電流を各燃料電池セル１００における第２発電部５ｂの面積により除して得られる値となる。よって、第１発電部５ａの電流密度と第２発電部５ｂの電流密度との間の大小関係は、上記電流比と、第１発電部５ａの面積と第２発電部５ｂの面積の比である面積比との関係性に依存する。

例えば、面積比が１：１である場合（つまり、第１発電部５ａの面積と第２発電部５ｂの面積とが等しい場合）、電流比を１：１にする（つまり、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流とを等しくする）ことによって、第１発電部５ａの電流密度は第２発電部５ｂの電流密度と一致する。ゆえに、面積比が１：１である場合、制御装置５０は、電流比を１：１よりも第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に決定する。それにより、第１発電部５ａの電流密度を第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくすることができる。

また、例えば、面積比が１：２である場合（つまり、第２発電部５ｂの面積が第１発電部５ａの面積の２倍である場合）、電流比を１：２にする（つまり、第２発電部５ｂの発電電流を第１発電部５ａの発電電流の２倍にする）ことによって、第１発電部５ａの電流密度は第２発電部５ｂの電流密度と一致する。ゆえに、面積比が１：２である場合、制御装置５０は、電流比を１：２よりも第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に決定する。それにより、第１発電部５ａの電流密度を第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくすることができる。

ここで、制御装置５０は、燃料電池セル１００における中央側に位置する第１発電部５ａでの発熱をより効果的に抑制する観点では、燃料電池１０の発電電流の要求値に基づいて、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流の比である電流比を決定することが好ましい。具体的には、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流の要求値が大きいほど、第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に電流比を決定する。

なお、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流の要求値と異なるパラメータに基づいて、電流比を決定してもよい。例えば、制御装置５０は、燃料電池システム１が搭載される車両の走行に関するパラメータに基づいて、電流比を決定してもよい。車両の走行に関するパラメータは、例えば、燃料電池システム１が搭載される車両の車速又は走行路の勾配を含む。

例えば、制御装置５０は、燃料電池システム１が搭載される車両の車速に基づいて、電流比を決定する。この場合、例えば、燃料電池システム１が搭載される車両の車速を検出するセンサが当該車両に設けられ、当該センサから制御装置５０に検出結果が送信されることによって、制御装置５０は車速を示す情報を取得することができる。

ここで、車速が高いとき、車速が低いときと比較して、駆動力の要求値が大きくなり、発電電流の要求値が大きくなる傾向がある。ゆえに、制御装置５０は、車速を発電電流の要求値の指標として用いることによって、燃料電池１０の発電電流の要求値が大きいほど、第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に電流比を決定することができる。具体的には、制御装置５０は、車速が高いほど、第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に電流比を決定する。

また、例えば、制御装置５０は、燃料電池システム１が搭載される車両の走行路の勾配に基づいて、電流比を決定する。この場合、例えば、走行路の勾配を検出するセンサが当該車両に設けられ、当該センサから制御装置５０に検出結果が送信されることによって、制御装置５０は走行路の勾配を示す情報を取得することができる。なお、制御装置５０は車両に設けられる加速度センサにより検出される車両の加速度に基づいて走行路の勾配を算出してもよい。

ここで、走行路の勾配は、上り坂の場合に正の値をとり、下り坂の場合に負の値をとるものとする。この場合、走行路の勾配が大きいとき、走行路の勾配が小さいときと比較して、駆動力の要求値が大きくなり、発電電流の要求値が大きくなる傾向がある。ゆえに、制御装置５０は、走行路の勾配を発電電流の要求値の指標として用いることによって、燃料電池１０の発電電流の要求値が大きいほど、第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に電流比を決定することができる。具体的には、制御装置５０は、走行路の勾配が大きいほど、第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に電流比を決定する。

次に、ステップＳ５０５において、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流を制御する。具体的には、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流（具体的には、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流との合計値）を燃料電池１０の発電電流の要求値に一致させるように制御する。その際、制御装置５０は、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流の比である電流比をステップＳ５０３で決定した電流比に一致させるように制御する。

上述したように、ステップＳ５０３において、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂの電流比は、第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるように決定されている。それにより、ステップＳ５０５において、電流比が制御されることにより、第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなる。このように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１発電部５ａの電流密度は、第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるようになっている。

次に、図８に示される制御フローは終了する。

＜３．燃料電池システムの効果＞
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池セル１００において複数の発電部５が互いに絶縁されて形成されており、当該複数の発電部５は、第１発電部５ａと、当該第１発電部５ａを囲むように形成されている第２発電部５ｂとを含む。また、第１発電部５ａの電流密度は、第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるようになっている。それにより、燃料電池セル１００における中央側での発熱を抑制することができるので、放熱性が外周側と比較して低い燃料電池セル１００における中央側での温度の上昇を抑制することができる。さらに、燃料電池セル１００における外周側での発熱を促進させることができるので、放熱性が中央側と比較して高い燃料電池セル１００における外周側での温度の低下を抑制することができる。ゆえに、燃料電池１０における温度分布を均一化することができる。それにより、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。さらに、燃料電池１０における温度分布が均一化されることにより、例えば、同一の発電部５内における電流密度の分布を均一化することができるので、温度分布が不均一になることに起因する発電効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１発電部５ａは、燃料電池セル１００の中央に対してガス供給流路内のガスの流れ方向における上流側に配置されることが好ましい。ここで、ガス供給流路内でのガスの濃度は、上流側から下流側に進むにつれて低下する。また、発電部５では、供給されるガスの濃度が高い部分ほど、電流密度が大きくなりやすく、発熱しやすくなる。ゆえに、第１発電部５ａが燃料電池セル１００の中央に対してガス供給流路内のガスの流れ方向における上流側に配置されることによって、第１発電部５ａをガスの濃度が比較的高い位置に配置することができる。よって、このような位置に配置された第１発電部５ａの電流密度を第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくすることによって、燃料電池セル１００において発熱しやすい部分での発熱を適切に抑制することができる。それにより、燃料電池１０における温度分布をより効果的に均一化することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂは、互いに並列に負荷と接続されており、制御装置５０は、第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるように、第１発電部５ａの発電電流と第２発電部５ｂの発電電流の比である電流比を制御することが好ましい。それにより、第１発電部５ａの電流密度を適切に第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくすることができる。ゆえに、燃料電池１０における温度分布を適切に均一化することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置５０は、燃料電池１０の発電電流の要求値に基づいて、上記電流比を制御することが好ましい。それにより、上記電流比を発電電流の要求値の変化に応じて適切に制御することができるので、燃料電池１０における温度分布をより適切に均一化することができる。具体的には、燃料電池１０の発電電流の要求値が大きいほど、第２発電部５ｂの発電電流の割合が大きい比に電流比を決定することによって、燃料電池１０の発電電流の要求値が過度に大きい場合であっても、第１発電部５ａの発電電流が過度に大きくなることを抑制し、燃料電池セル１００における中央側での発熱を適切に抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、負荷は、車両の駆動輪９を駆動するための動力を出力可能なモータ４０を含み、制御装置５０は、車両の走行に関するパラメータに基づいて、上記電流比を制御することが好ましい。それにより、上記パラメータを発電電流の要求値の指標として用いて、上記電流比を適切に制御することができる。ゆえに、燃料電池１０における温度分布をより適切に均一化することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、車両の走行に関するパラメータは、車両の車速又は走行路の勾配を含むことが好ましい。それにより、上記電流比を車両の車速又は走行路の勾配に基づいて適切に制御することができる。燃料電池１０における温度分布をより適切に均一化することができる。

＜４．むすび＞
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池セル１００において複数の発電部５が互いに絶縁されて形成されており、当該複数の発電部５は、第１発電部５ａと、当該第１発電部５ａを囲むように形成されている第２発電部５ｂとを含む。また、第１発電部５ａの電流密度は、第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるようになっている。それにより、燃料電池セル１００において放熱性が低い中央側での発熱を抑制することができ、放熱性が高い外周側での発熱を促進させることができる。ゆえに、燃料電池１０における温度分布を均一化することができる。それにより、燃料電池１０の劣化及び発電効率の低下を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記では、制御装置５０により第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂの電流比が制御されることによって、第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなる例を説明したが、電流比の制御によらずに第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるようになっていてもよい。例えば、本発明に係る燃料電池システムは、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂが直列にＤＣＤＣコンバータ２０と接続されており、かつ、第１発電部５ａの面積が第２発電部５ｂの面積より大きくなっている燃料電池システムであってもよい。この場合、第１発電部５ａと第２発電部５ｂとの間で発電電流は一致し、面積が上記のように異なることによって、第１発電部５ａの電流密度を第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくすることができる。

例えば、上記では、図１を参照して、燃料電池システム１の全体構成について説明したが、本発明に係る燃料電池システムの構成はこのような例に限定されない。例えば、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システム１の構成から一部の構成要素が省略された燃料電池システムであってもよく、燃料電池システム１の構成に追加的な構成要素（例えば、モータ４０に供給される電力を蓄電するバッテリ）が付加された燃料電池システムであってもよい。

また、例えば、図２を参照して、燃料電池１０の構成について説明したが、本発明に係る燃料電池の構成はこのような例に限定されない。

例えば、本発明に係る燃料電池において、積層される燃料電池セル１００の数は燃料電池１０と異なっていてもよい。また、本発明に係る燃料電池において、燃料電池セル１００の膜電極接合体１１０に第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂ以外の他の発電部がさらに設けられていてもよく、第１発電部５ａ及び第２発電部５ｂの各々が複数の発電部に分割されていてもよい。その場合においても、上述した例と同様に、アノード側セパレータ１２０及びカソード側セパレータ１３０の各セパレータにおいて、膜電極接合体１１０の各発電部と対向する部分が互いに絶縁されるように絶縁部が形成される。それにより、燃料電池１０において積層方向Ｘと交差する方向に互いに絶縁された領域の数及び配置は、発電部の数及び配置と対応して変化し得る。

また、本発明に係る燃料電池において、各燃料電池セル１００の寸法及び形状は互いに異なっていてもよく、各燃料電池セル１００の間で対応する発電部（例えば、隣り合う燃料電池セル１００の各第１発電部５ａ）の寸法及び形状は互いに異なっていてもよい。また、本発明に係る燃料電池において、アノード側セパレータ１２０に形成される燃料ガス供給流路１２１及びカソード側セパレータ１３０に形成される酸化ガス供給流路１３１の経路は上記の例と異なっていてもよい。例えば、燃料ガス供給流路１２１及び酸化ガス供給流路１３１は、幅方向Ｙに延在していてもよく、燃料ガス供給流路１２１及び酸化ガス供給流路１３１の間で延在する方向が異なっていてもよい。

また、例えば、上記では、制御装置５０が燃料電池１０の発電電流の要求値に基づいて電流比を制御する例及び車両の走行に関するパラメータに基づいて電流比を制御する例を説明したが、制御装置５０は、上記以外の他の方法によって、第１発電部５ａの電流密度が第２発電部５ｂの電流密度よりも小さくなるように、電流比を制御してもよい。例えば、制御装置５０は、車両が比較的低速で走行しており、かつ、発進と停車とを間欠的に繰り返している場合等に、燃料電池１０の発電電流の要求値が比較的低い状態であると判定し、燃料電池１０の発電電流の要求値が比較的高い場合と比べて第２発電部５ｂの発電電流の割合が小さくなるように、電流比を制御してもよい。このように、制御装置５０は、車両の様々な走行状態に応じて電流比を制御してもよい。

また、例えば、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。いくつかの処理ステップは、並列的に実行されてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

１ 燃料電池システム
５ 発電部
５ａ 第１発電部
５ｂ 第２発電部
９ 駆動輪
１０ 燃料電池
１１ 燃料電池スタック
１２ 集電プレート
１３ エンドプレート
２０ ＤＣＤＣコンバータ
３０ インバータ
４０ モータ
５０ 制御装置
１００ 燃料電池セル
１１０ 膜電極接合体
１１１ 電解質膜
１１２ アノード電極
１１３ カソード電極
１２０ アノード側セパレータ
１２１ 燃料ガス供給流路
１３０ カソード側セパレータ
１３１ 酸化ガス供給流路
２０２ 絶縁部
２０３ 絶縁部

Claims (6)

1. 膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である複数の発電部が互いに絶縁されて形成されている燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池セルにおいて互いに絶縁されている前記複数の発電部は、第１発電部と、前記第１発電部を囲むように形成されている第２発電部とを含み、
   前記第１発電部の電流密度は、前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるようになっており、
   前記燃料電池セルは、前記複数の発電部に供給されるガスが流れるガス供給流路を有し、
   前記第１発電部の中心位置は、前記燃料電池セルの中央に対して前記ガス供給流路内の前記ガスの流れ方向における上流側に配置される、
   燃料電池システム。
2. 膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である複数の発電部が互いに絶縁されて形成されている燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池セルにおいて互いに絶縁されている前記複数の発電部は、第１発電部と、前記第１発電部を囲むように形成されている第２発電部とを含み、
   前記第１発電部の電流密度は、前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるようになっており、
   前記燃料電池の発電を制御する制御装置をさらに備え、
   前記第１発電部及び前記第２発電部は、互いに並列に負荷と接続されており、
   前記制御装置は、前記第１発電部の電流密度が前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるように、前記第１発電部の発電電流と前記第２発電部の発電電流の比である電流比を制御する、
   燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料電池の発電電流の要求値に基づいて、前記電流比を制御する、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記負荷は、車両の駆動輪を駆動するための動力を出力可能なモータを含み、
   前記制御装置は、前記車両の走行に関するパラメータに基づいて、前記電流比を制御する、
   請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記パラメータは、前記車両の車速又は走行路の勾配を含む、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 膜電極接合体において電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟まれている部分である複数の発電部が互いに絶縁されて形成されている燃料電池セルを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池セルにおいて互いに絶縁されている前記複数の発電部は、第１発電部と、前記第１発電部を囲むように形成されている第２発電部とを含み、
   前記第１発電部の電流密度は、前記第２発電部の電流密度よりも小さくなるようになっており、
   前記第１発電部は、第１アノード電極及び第１カソード電極を含み、
   前記第２発電部は、第２アノード電極及び第２カソード電極を含み、
   前記第１アノード電極及び前記第２アノード電極は、互いに離隔して配置されており、
   前記第１カソード電極及び前記第２カソード電極は、互いに離隔して配置されている、
   燃料電池システム。

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