燃料電池システム
【課題】この発明は、燃料電池内部における不純物の悪影響を抑え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】複数の燃料電池セル１０が積層されてなる燃料電池スタック２に、アノードガス供給マニホールド６０を設ける。この燃料電池システムは、シャットバルブ５８を閉じた状態で燃料電池スタック２に水素ガスを供給して発電を行う、デッドエンド運転を行うことができる。燃料電池セル１０は、ガス拡散層１４と多孔質体層１６の間に、シール層３０を備えている。
【解決手段】複数の燃料電池セル１０が積層されてなる燃料電池スタック２に、アノードガス供給マニホールド６０を設ける。この燃料電池システムは、シャットバルブ５８を閉じた状態で燃料電池スタック２に水素ガスを供給して発電を行う、デッドエンド運転を行うことができる。燃料電池セル１０は、ガス拡散層１４と多孔質体層１６の間に、シール層３０を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００５−２４３４７６号公報に開示されているように、燃料電池のアノードに供給された燃料ガスを燃料電池内に留めてシステムの運転を行う燃料電池システムが知られている（以下、このような運転方法を、「デッドエンド運転」とも称す）。
【０００３】
上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池の運転時間の経過と共に、窒素や水分といった発電反応に関与しない物質（以下、「不純物」とも称す）が燃料電池のアノードのガス流路内に蓄積されていく。これら不純物が膜電極接合体の表面を覆ってしまうと、電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位が、膜電極接合体が備える触媒を劣化させてしまうおそれもある。特に、燃料電池内において不純物の濃度が１００％の領域（すなわち、水素ガスが０％の領域、水素欠乏領域）が生ずると、その領域の触媒劣化が危惧される。
【０００４】
上記従来の技術では、システムに不純物貯留用タンク（バッファタンク）を備え付けることにより、燃料電池内の不純物をこのバッファタンクへと必要に応じて逃がすことができるようにしている。これにより、燃料電池の発電の際に、不純物が発電反応に悪影響を及ぼすことを防いでいる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４３４７６号公報
【特許文献２】特開２００１−１３５３２６号公報
【特許文献３】特開２００６−２３６５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術のバッファタンクを用いる手法のみでは、不純物が燃料電池に及ぼす悪影響の抑制効果を、期待している程度に十分に得られない場合も考えられる。本願発明者は、このような点に鑑み、燃料電池内部の不純物の悪影響を抑えることが可能な他の手法を見出した。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内部における不純物の悪影響を抑え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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノードに積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に重ねて備えられたガス供給用部材とを備えた燃料電池セルと、
燃料タンクと接続してその内部に燃料ガスが流通し、前記ガス供給用部材と接続して前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池セルのアノードの下流が閉鎖された状態で該燃料電池セルの発電を行うデッドエンド運転状態を、少なくとも一部の運転領域において実現することができるデッドエンド運転手段と、
を備えており、
前記ガス供給用部材が、
前記ガス拡散層の端面側の位置に設けられ前記燃料ガス供給通路と接続するガス入口と、
前記ガス入口に接続し、前記ガス拡散層と隔てられながら該ガス拡散層の面内の中央側に延びて、前記ガス入口に流入した燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導くガス誘導路と、
前記ガス誘導路と接続し該ガス誘導路を流れてきた燃料ガスを前記ガス拡散層へと供給することができるガス供給口と、
を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス供給用部材は、
前記ガス拡散層に積層される多孔質体層と、
前記多孔質体層に重ねられ、前記ガス拡散層の端面側の位置において前記燃料ガス供給通路に接続するガス流入口と、該ガス流入口に流入した燃料ガスを該多孔質体層へと吐出するガス吐出口と、を備えた集電板と、
前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に備えられ、前記ガス吐出口付近の位置から該界面の中央側へと延在するシール層と、
を含む構成であり、
前記多孔質体層のうち前記シール層によって前記ガス拡散層から隔てられた第１部位が、前記ガス誘導路として燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導き、
前記多孔質体層のうち前記シール層によるシールを受けずに前記ガス拡散層と接続している第２部位が、前記ガス供給口として燃料ガスを該ガス拡散層に供給することを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記シール層は、前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に挿入された、導電性を有する板であることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記多孔質体層は、ラスメタルで形成された層であることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１乃至４のいずれかの発明において、
前記膜電極接合体の前記ガス拡散層側の電極触媒層は、
該電極触媒層の面内の中央の領域に設けられた、触媒を含む第１領域と、
該電極触媒層の前記面内に前記第１領域を囲うように位置する、触媒を実質的に含まずに設けられた第２領域と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第１乃至５のいずれかの発明において、
システムの始動時に、前記デッドエンド運転状態を実現した状態で前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を行う始動制御手段を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、燃料ガスを、ガス誘導路によって燃料電池セル面内の中央側へと運び、その後ガス拡散層へと供給することができる。これにより、ガス拡散層の面内の中央寄りの位置へと燃料ガスを供給することができ、燃料ガスが存在する領域をセル面内において広範囲に確保することができる。燃料ガスが微小量（例えば濃度が数％程度）でも存在していれば、その領域では不純物の悪影響（例えば触媒劣化等の弊害）を免れることができる。第１の発明によれば、システムがデッドエンド運転状態に置かれて燃料電池セル内部に不純物が蓄積した状態で発電が行われたとしても、燃料ガスが存在する領域をセル面内において広範囲に確保して、不純物による悪影響を抑制することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、シール層を用いた簡便な構成により、不純物による悪影響を抑制することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、導電性の板材をシール層として用いることにより、シール層を高精度かつ簡易に製造でき、多孔質体層のガスの移動とシール層によるシールを両立することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、多孔質体層をラスメタルで形成することにより、製造バラツキを小さく抑えることができる。
【００１８】
第５の発明によれば、燃料電池セルの端部側のスペースに非触媒含有領域としての第２領域を積極的に設け、このスペースを高濃度不純物領域の許容領域として有効活用することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、発電時の燃料電池セル内の不純物による悪影響を抑え、かつ、水素ガスを外部に排出するおそれなく発電を開始することができるという、優れたシステム始動制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（システム構成）
図１は、本発明にかかる実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、複数の燃料電池セル１０が重ねられたものである。
【００２１】
個々の燃料電池セル１０は、アノードとカソードに、それぞれ、ガス入口とガス出口を有している。図１では図示しないが、燃料電池スタック２には、個々の燃料電池セル１０のアノードのガス入口と接続するアノードガス供給マニホールドと、個々の燃料電池セル１０のアノードのガス出口と接続するアノードガス排出マニホールドとが備えられている。アノードガス供給マニホールドとアノードガス排出マニホールドは、それぞれ、燃料電池セル１０の積層方向に伸びながら、個々の燃料電池セル１０と接続している。
【００２２】
実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック２のアノードガス供給マニホールドと接続するガス供給用配管５２を備えている。ガス供給用配管５２は、高圧の水素ガスが貯留された燃料タンク５０に接続している。ガス供給用配管５２には、バルブ５４が備えられている。バルブ５４の開度を変えることにより、燃料電池スタック２への水素ガスの供給量（あるいは供給圧）を変化させることができる。
【００２３】
実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック２のアノードガス排出マニホールドと接続するガス排出用配管５６を備えている。ガス排出用配管５６には、シャットバルブ５８が備えられている。シャットバルブ５８を開くことにより、燃料電池スタック２内のガスを、図示しない排気系へと排出することができる。
【００２４】
なお、図示しないが、実施の形態１のシステムは、個々の燃料電池セル１０のカソードと接続するカソードガス供給マニホールドおよびカソードガス排出マニホールドも備えている。これらのカソード側のマニホールドは、図示しないカソード系と接続する。カソード系は、コンプレッサ等を含んで構成され、外気から取り込んだ空気を、カソードガス供給マニホールドを介して個々の燃料電池セル１０のカソードへと供給する。
【００２５】
実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、バルブ５４およびシャットバルブ５８に接続し、実行されるルーチンの要求に従ってそれらのバルブを制御する。シャットバルブ５８を閉じた状態で燃料電池スタック２の発電を行うことにより、燃料電池セル１０のアノードの下流を閉鎖して、アノードからガスを排気することなく燃料電池セル１０の発電を行う運転状態（以下、「デッドエンド運転状態」とも称す）を実現することができる。
【００２６】
（セルの構成）
以下、図２および図３を用いて、実施の形態１の燃料電池セル１０の構成について説明する。図２は実施の形態１の燃料電池セル１０の構成を示す平面図である。図２は、燃料電池セル１０の構造をアノード側から透視した図であり、すなわち燃料電池セル１０のアノードの積層構造を示している。また、図３は図２におけるＡ−Ａ線に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である（但し、図３では、アノード側の積層構造のみを示し、カソード側の構造については図示を省略している）。
【００２７】
燃料電池セル１０は、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体１２を内蔵している。膜電極接合体１２は、扁平な矩形形状の外形を有している。膜電極接合体１２の両面には更にガス拡散層および多孔質体層が積層され、１個の積層構造体が構成される。このような積層構造体が、集電板としても機能する一対のセパレータによって挟み込まれることにより、１枚の燃料電池セル１０が得られる。
【００２８】
既述した燃料電池スタック２は、膜電極接合体、ガス拡散層および多孔質体層が積層された積層構造体が、セパレータを介在させながら、複数枚重ね合わされて構成されたものである。この場合、ある積層構造体に接するセパレータは、隣接する他の積層構造体にも接し、これら２枚の積層構造体の間を仕切る役割を果たす。燃料電池スタック２のなかで、１組のセパレータにより１つの上記積層構造体が挟持された構造が、発電の基本単位となる構造、すなわち１つの燃料電池セル１０に相当することになる。なお、燃料電池セルは、単位燃料電池あるいは単セルなどとも称される。
【００２９】
燃料電池セル１０では、図２の紙面裏面側から、膜電極接合体１２（図示せず）、ガス拡散層１４、多孔質体層１６が順次重ねられて位置している。また、図２では図示していないが、多孔質体層１６よりも紙面の表面側には、セパレータ２０がさらに取り付けられる。また、図示しないが、膜電極接合体１２よりも紙面裏面側には、カソードの構造が形成されている。
【００３０】
燃料電池セル１０は、ガス拡散層１４と多孔質体層１６との界面に挿入されたシール層３０を備えている。シール層３０は多孔質体層１６よりも紙面の奥側に位置するため、本来は図２の紙面表面側からは目視できないはずである。しかし、図２では、説明の便宜上、多孔質体層１６を部分的に透視してシール層３０が見えるように図示している。
【００３１】
図２に示すように、シール層３０は、開口２２の付近の位置から、セル面内の中央に向かって延在している。図２のように、シール層３０は、多孔質体層１６の面内の概ね紙面上方半分の領域に、発電部Ｅを覆いながら連続的に形成されている。また、図２にあるように、燃料電池セル１０面内に見たシール層３０の形状パターンは、燃料電池セル１０の長辺及び短辺に沿う方向に長辺及び短辺を有する矩形形状となっている。そして、シール層３０は、開口２２の位置からシール層３０の先端までの距離が画一的にＬ２となるように、形成されている。
【００３２】
本実施形態では、燃料電池セル１０が、ガス流入口２１と、セルの紙面上方の端部側に位置してガス流入口２１と接続する開口２２とを備えている。また、セルの紙面下方の端部側に位置する開口２４も備えている。ガス流入口２１、開口２２および開口２４は、それぞれ、図示しないセパレータ２０に設けられている。図２に示すように、実施の形態１では、開口２２および開口２４を、燃料電池セル１０の長辺に沿って伸びる細長いスリット状の形にしている。これにより、燃料電池セル１０の内部で、その短辺に沿って（図１の紙面の上下方向に）水素ガスを流通させることができる。
【００３３】
図２には、説明の便宜上、アノードガス供給マニホールド６０を破線で仮想的に示している。ガス流入口２１はアノードガス供給マニホールド６０と接続し、アノードガス供給マニホールド６０から水素ガスの供給を受ける。ガス流入口２１に流れ込んだ水素ガスは、開口２２に至った後、多孔質体層１６へと流入する。
【００３４】
実施の形態１では、以下述べるように、燃料電池セル１０内の個々の層を異なる寸法に形成している。具体的には、実施の形態１では、図２に示すように、ガス拡散層１４の寸法Ｌ１、Ｗ１に比べて多孔質体層１６の寸法Ｌ３、Ｗ２は小さくされており、多孔質体層１６がガス拡散層１４に対して一回り小さく形成されている。このような層ごとの寸法の相違は、燃料電池セル１０の端部を囲うようにシール枠部材を取り付ける都合などから、要請されるものである。なお、実施の形態１の燃料電池セル１０では、多孔質体層１６の寸法Ｌ３は、開口２２と開口２４との間の距離とほぼ同じである。
【００３５】
シール層３０は、燃料電池セル１０の長辺方向の寸法が多孔質体層１６と同じくＷ２とされ、燃料電池セル１０の短辺方向の寸法がＬ２とされている。なお、実施の形態１では、一例として、Ｌ２を、Ｌ１の３４％程度の長さ（つまり、Ｌ１の値に０．３４を乗じて得た値）にしている。
【００３６】
なお、実施の形態１では、開口２２の直近の位置からシール層３０が延びている。このため、実施の形態１では、シール層３０の寸法Ｌ２は、開口２２からガス拡散層１４に水素ガスが流入した位置から、この水素ガスがシール層３０のシールを受けなくなってガス拡散層１４へと流入し始める位置までの距離（言い換えれば、水素ガスが誘導される距離）にも相当している。
【００３７】
また、図２における距離Ｚは、ガス拡散層１４の開口２２側の端面からシール層３０の先端までの距離である。実施の形態１では、図に示すように、燃料電池セル１０の中央付近にシール層３０の端部が延びる程度に、距離Ｚが大きくされている。
【００３８】
実施の形態１では、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層には、触媒が含まれている第１の領域（図中の領域Ｅ）と、第１の領域を囲うように位置し、触媒が実質的に含まれていない第２の領域とが存在している。図２の領域Ｅは、燃料電池セル１０面内において多孔質体層１６よりも一回り小さく区画された領域であり、水素ガスの触媒反応が生ずる領域である（以下、この領域Ｅを「発電部Ｅ」とも称し、第２の領域を「非発電部」とも称す）。なお、「触媒が実質的に含まれていない」場合とは、例えば、触媒含有量が零である場合のみならず、触媒を含んでいたとしても、その含有量が、第２の領域の発電反応が第１の領域と比較して実質的に無視できる程小さいような量である場合も含む。
【００３９】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿って燃料電池セル１０を切断した場合の断面図である。図３には、燃料電池セル１０のアノード側の積層構造が図示されている。上述の図２の説明でも述べたように、膜電極接合体１２に、ガス拡散層１４、多孔質体層１６、およびセパレータ２０が順次重ねられている。
【００４０】
シール層３０は、ガス拡散層１４と多孔質体層１６の間に設けられている。実施の形態１では、多孔質体層１６を、金属微粒子（例えばチタン）を焼結した焼結多孔体を用いて形成する。また、シール層３０は、多孔質体層１６にシール材を含浸させることにより形成する。また、実施の形態１ではシール材として金属ペースト材料を用いて、シール層３０が導電性を有する構成とする。これにより、シール層３０形成部位においても電流の流れが阻害されないという利点がある。実施の形態１では、多孔質体層１６の厚さをＤ１とし、シール層３０の厚さをＤ２とした場合に、Ｄ２はＤ１の三分の一程度にする。
【００４１】
なお、実施の形態１では、燃料電池セル１０のカソード側の構成の説明は省略したが、例えば、膜電極接合体１２を介してアノード側の構成と対称の構造であってシール層３０を設けない構造とすることができる。
【００４２】
［実施の形態１の動作］
実施の形態１は、シャットバルブ５８を閉じた状態で燃料電池スタック２へと水素ガスを供給しながら発電を行うデッドエンド運転を行うことができる。デッドエンド運転の状態においては、システムの運転時間の経過と共に、窒素や水分といった発電反応に関与しない物質（以下、「不純物」とも称す）が燃料電池セル１０のアノード側に蓄積されていく。
【００４３】
この不純物は、燃料電池セル１０のカソード側から、膜電極接合体１２を透過してアノード側に侵入してきた、窒素、水蒸気、二酸化炭素等の発電に供されない物質である。空気には、窒素以外にも、水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物が含まれている。しかし、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば極微小であるので、ここでは不純物として窒素にのみ着目するものとする。ただし、本発明が想定する不純物から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。
【００４４】
（セル内のガス流れ）
上記説明した燃料電池セル１０によれば、先ず、アノードガス供給マニホールド６０からガス流入口２１へと流入した水素ガスが、開口２２から多孔質体層１６へと流れ込む。シール層３０が多孔質体層１６とガス拡散層１４の間のガスの授受を遮断しているので、開口２２から流れ込んだ水素ガスは、多孔質体層１６を面内の中央側に向かって（図２、図３においてともに紙面下方側に向かって）流れていく。
【００４５】
多孔質体層１６の中央側に流れた水素ガスは、シール層３０の寸法Ｌ２の距離を流れた後、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられていない領域に到達する。ここでは、シール層３０によるシールが行われていないので、水素ガスが多孔質体層１６からガス拡散層１４へと進行する。この水素ガスは、拡散により、ガス拡散層１４内をその面方向に沿って広がり、シール層３０の裏側も含めてガス拡散層１４内に行き渡る。ガス拡散層１４内の水素ガスは、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層へと到達し、発電反応に寄与することになる。
【００４６】
実施の形態１によれば、水素ガスを、多孔質体層１６のうちシール層３０によりシールされた部位を流して燃料電池セル１０面内の中央側へと運ぶことができる。そして、セル面内の中央側へと導かれた水素ガスを、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられていない領域においてガス拡散層１４へと供給することができる。その結果、水素ガスを、ガス拡散層１４の面内の中央寄りの位置から供給することができる。このような手法により、燃料電池セル内に不純物が蓄積された状況下において、水素が存在する領域をセル面内に広範囲に確保することが可能になる。
【００４７】
水素ガスが領域内に微小量（例えば濃度が数％程度）でも存在していれば、その領域では不純物の悪影響（例えば触媒劣化等の弊害）を免れることができる。従って、実施の形態１によれば、システムがデッドエンド運転状態に置かれて燃料電池セル１０内部に不純物が蓄積した状態で発電が行われたとしても、不純物による悪影響を抑制することができる。
【００４８】
また、実施の形態１によれば、シール層３０により、開口２２側の非発電部が覆われている。非発電部においては発電反応が生じないので、ガス拡散層１４のうち非発電部に接する部位については、水素を優先的に供給する必要はないと考えることができる。この点、シール層３０がガス拡散層１４の非発電部側の部位を覆うことで、水素を必要とする発電部Ｅ側の部位へと優先的に水素を届けることができる。
【００４９】
そして、実施の形態１によれば、シール構造の追加という非常に簡便で低コストな方法により、上述の効果を得ることができる。更に、シール層の形状（パターン）を複雑にする必要もなく、特に量産時に著しい効果が期待できる。
【００５０】
また、実施の形態１では、アノードガス供給マニホールド６０が、燃料電池セル１０の積層方向に延びながら、個々の燃料電池セル１０の端部側にあるガス流入口２１と接続されている。実施の形態１にかかる個々の燃料電池セル１０にシール層３０を挿入する手法を用いれば、個々のセルのサイズを薄く保つこともできるので、燃料電池スタック２の大型化を避けられる。これは、燃料電池セルを数百枚単位で積層して燃料電池スタックを構成するような場合には極めて有利である。このように実施の形態１は、例えば車両搭載用など、スペースに制限のある燃料電池システムにおいて極めて効果的である。
【００５１】
（システム始動時の動作）
本発明の実施の形態１では、システムの始動時にシャットバルブ５８を閉じた状態で、バルブ５４を開いて燃料電池スタック２に水素ガスを供給して発電を開始する。
【００５２】
デッドエンド運転を行う燃料電池システムにおいては、始動時に燃料電池セル１０のアノード内が空気等の非活性ガス（つまり発電に寄与しない不純物ガス）で満たされている場合、この非活性ガスが、セル内部に水素ガスが行き渡ることを妨げるという問題がある。
【００５３】
従来技術としてアノード側を一旦パージしてから水素ガスの供給を始めるという手法も考えられているが、このような手法では、例えば前回の運転終了時に残存した水素ガスがパージガスに混ざって排出されてしまうなど、水素ガスの系外への放出のおそれがある。このような背景から、デッドエンド運転を行う燃料電池システムの始動時に、アノードの排気を行わずにシステムを起動する方法の確立が望まれている。しかしながら、そのような要求に対して、未だ十分な解決策が見出されているとはいえなかった。
【００５４】
この点、本実施の形態１では、前述した燃料電池セル１０の効果を活用することにより、発電時に燃料電池セル内の不純物による悪影響を抑えながら、かつ、水素ガスを外部に排出するおそれなく発電を開始することができる。
【００５５】
［実施の形態１に関するシミュレーション結果］
ここで、図４乃至７を用いて、本願発明者が行ったシミュレーション結果を示しながら、実施の形態１の作用効果について実証する。図４は、実施の形態１に対応する構成として用意した、シール層を具備した燃料電池セル１１０について示す図である。また、図６は、比較例として示す、燃料電池セル１１０からシール層を取り除いた比較用燃料電池セル２１０について示す図である。
【００５６】
図４（ａ）と図５（ａ）は、燃料電池セル１１０と比較用燃料電池セル２１０それぞれの平面図である。図４（ｂ）と図５（ｂ）は、図４（ａ）と図５（ａ）のそれぞれにおけるＣ−Ｃ線に沿う、燃料電池セル１１０と比較用燃料電池セル２１０のそれぞれの断面図である。上述した実施の形態１の場合と同様に、便宜上シール層を視認できるように図示し、カソード側の構成については図示を省略している。
【００５７】
燃料電池セル１１０および比較用燃料電池セル２１０は、燃料電池セル１０がガス拡散層１４、多孔質体層１６、セパレータ２０、ガス流入口２１、開口２２、２４およびシール層３０を備えるのと同様に、ガス拡散層１１４、多孔質体層１１６、セパレータ１２０、ガス流入口１２１、開口１２２、１２４を備えている。但し、実施の形態１のシール層３０に対応するシール層１３０は、燃料電池セル１１０のみが備えている。
【００５８】
本願発明者は、このような２種類の構成に対して、各セルのアノードに所定の圧力で窒素ガスが充填されている状態からガス流入口１２１に水素ガスを流入させた場合について、各セル面内でのガスの分布状態のシミュレーションを行った。つまり、上述した実施の形態１のシステムの始動時の様子に対応した環境を、シミュレーションにより検討した。なお、燃料電池セル１１０および比較用燃料電池セル２１０について、水素ガスや窒素ガスの圧力などの、シミュレーション上の条件は同じである。
【００５９】
図５は、燃料電池セル１１０についての結果を、図７は、比較用燃料電池セル２１０についての結果を、それぞれ示している。図５のガス分布は、燃料電池セル１１０において、多孔質体層１１６の面内のガス分布とガス拡散層１１４の面内のガス分布とを重ね合わせた結果である。本シミュレーションによれば、燃料電池セル１１０内で、多孔質体層１１６のガス分布とガス拡散層１１４のガス分布が、それぞれ図５の分布と同様の分布を示すことが確認されている。図７についても、比較用燃料電池セル２１０に関して、同様の条件下での結果を示している。
【００６０】
図５および図７において、領域Ｓ１は水素ガス濃度がセル面内で最も高い領域を、領域Ｓ２は水素と窒素の混在領域のうち相対的に水素ガス濃度が高い領域を、領域Ｓ３は水素と窒素の混在領域のうちＳ２に比して水素ガス濃度が低い領域を、領域Ｓ４は窒素ガス濃度がセル面内で最も高い領域を、それぞれ示している。水素濃度は領域Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４の順に低くなっていき、窒素濃度は領域Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４の順に高くなっていく。
【００６１】
図５と図７を比較すると、シール層１３０を備える燃料電池セル１１０では、セル面内の中央を横断する形で領域Ｓ１が広く分布し、この領域Ｓ１から領域Ｓ２、Ｓ３が図５の紙面上下方向に分布している。このように、図５のシミュレーション結果によれば、燃料電池セル１１０内部で水素ガスがバランスよく分布していることが把握できる。一方、図７では、先ず領域Ｓ１がセル面内の紙面左側に偏っており、領域Ｓ２、Ｓ３の分布もセル面内において偏在している。そして、図７の紙面右下側に、領域Ｓ４が大きく広がっており、窒素ガスの局所的な滞留が広範囲に起きている。これらの結果を比較した場合、比較例燃料電池セル２１０のほうが面内のガスの濃度分布のバランスが相対的に悪く、窒素１００％領域（つまり水素欠乏領域）の発生によるセル内の異常電位、ひいては触媒劣化のおそれが相対的に大きいと考えられる。この比較により、シール層１３０を備えることによる改善効果が把握できる。
【００６２】
また、図７に示すように、シール層を備えない比較用燃料電池セル２１０では、発電部Ｅの一部（図中紙面右下側の楕円Ｐで囲った部分）が領域Ｓ４で覆われている。既述したように、発電部Ｅは、電極触媒層中で触媒が含まれている領域である。よって、発電部Ｅ内に高濃度窒素領域である領域Ｓ４が存在することは好ましくない。これに対し、図５に示すように、シール層１３０を備えた燃料電池セル１１０では、発電部Ｅの内側及びその周囲が領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３で占められている。このように、シール層１３０を備えることにより、水素ガス濃度が良好な領域を燃料電池セルの面内の中央領域に広範囲に確保し、少なくとも発電部Ｅに水素ガスが存在することを確保できる。
【００６３】
以上述べたように、本願発明者が行ったシミュレーション結果に基づく燃料電池セル１１０と比較用燃料電池セル２１０の比較結果により、シール層１３０を備えることが不純物の悪影響を抑制するという観点で有効であることが実証されている。このような燃料電池セル１１０の優位性が、そのまま、燃料電池セル１０に備えられている。
【００６４】
また、実施の形態１では、アノードの電極触媒層に、発電部Ｅと非発電部とを設けることとしている。実施の形態１でも行われているように、燃料電池セルの端部側にシール枠部材を取り付ける都合上、個々の層が、面方向に見た寸法を相違させられながら（より具体的には、ガス拡散層に比して多孔質体層を小さく）形成されることがある。この場合、シール枠部材の取り付け精度など製造面の都合を総合的に考慮すると、燃料電池セルの端部側は避けて、セル面内の中央側に一回り小さく発電部Ｅを設けることが好ましい。このとき、発電反応の有無という観点からは、燃料電池セルの端部側の非発電部は、デッドスペースになっていると考えられる。
【００６５】
実施の形態１の燃料電池によれば、このような燃料電池セルの端部側の空間に高濃度不純物領域が位置するように、水素ガスを供給することができる。実施の形態１のシミュレーション結果でも述べたように、セル面内の中央側が水素ガスの上流側となりセル面内の端部側が下流側となって、非発電部に高濃度不純物領域が位置するように、燃料電池セル内のガス濃度分布が広がりやすくなる。これにより、実施の形態１によれば、シール枠部材取付の都合等を考慮する観点から非発電部を設ける手法と、水素ガスをセル面内の中央部寄りに導く手法とを組み合わせることにより、燃料電池セル内のスペースを有効活用できるという相乗的な効果が生まている。
【００６６】
なお、ここで、実施の形態１の作用効果について、本願発明者が分析、考察した結果得た知見を述べる。図４（ｂ）に示した燃料電池セル１１０の断面図には、水素ガスの進行の様子を示す矢印が描かれている。ここで、実線矢印Ｑ１は、燃料電池セル１１０内において、開口１２２からの水素ガスが多孔質体層１６内を移動していく様子（水素の「移流」の様子）を表している。また、破線矢印Ｑ２は、ガス拡散層１１４のシール層１３０下層側へと水素ガスが潜りこんで、拡散していく流れを表している。水素の移流は主に水素ガスの圧力により水素が運ばれる現象であり、拡散はガス拡散層１１４内の濃度勾配が駆動力となる現象である。
【００６７】
燃料電池セル１１０の構造によれば、燃料電池セル１１０内における水素ガス流れの下流側の部位（開口１２４近傍）に、移流により水素が供給され、ガス拡散層１１４のシール層１３０によりシールされた部位（開口１２２側部位）には拡散により水素が供給される。実施の形態１によれば、このように、移流と拡散とを両立させて（効果的に使い分けて）セル面内に水素ガスを供給でき、窒素１００％領域つまり水素欠乏領域の発生を抑えることができる。実施の形態１の燃料電池セル１０は、以上述べたような燃料電池セル１１０の効果を具備している。
【００６８】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池セル１０が前記第１の発明における「燃料電池セル」に、膜電極接合体１２が、前記第１の発明における「膜電極接合体」に、ガス拡散層１４が前記第１の発明における「ガス拡散層」に、多孔質体層１６、セパレータ２０およびシール層３０が、前記第１の発明における「ガス供給用部材」に、それぞれ相当している。
【００６９】
また、実施の形態１では、アノードガス供給マニホールド６０が前記第１の発明における「燃料ガス供給通路」に相当し、ＥＣＵ４０がシャットバルブ５８を閉じた状態でシステムの運転を行うことにより、前記第１の発明における「デッドエンド運転手段」が実現される。
【００７０】
また、上述した実施の形態１では、セパレータ２０が備えるガス流入口２１が、前記第１の発明における「ガス入口」および前記第２の発明における「ガス流入口」に、多孔質体層１６のうちシール層３０によってガス拡散層１４から隔てられた部位が、前記第１の発明における「ガス誘導路」に、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられておらずガス拡散層１４と接している部位が、前記第１の発明における「ガス供給口」に、それぞれ相当している。
【００７１】
また、上述した実施の形態１によれば、多孔質体層１６が、前記第２の発明における「多孔質体層」に、ガス流入口２１が、前記第２の発明における「ガス流入口」に、セパレータ２０が、前記第２の発明における「集電板」に、開口２２が、前記第２の発明における「ガス吐出口」に、シール層３０が、前記第２の発明における「シール層」に、それぞれ相当している。そして、多孔質体層１６のうちシール層３０によってガス拡散層１４から隔てられた部位が、前記第２の発明における「第１部位」に、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられておらずガス拡散層１４とガスを授受できる部位が、前記第２の発明における「第２部位」に、それぞれ相当している。
【００７２】
また、上述した実施の形態１によれば、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層のうち、発電部Ｅが、前記第５の発明における「第１領域」に、非発電部が、前記５の発明における「第２領域」に、それぞれ相当している。また、システムの始動時にＥＣＵ４０がシャットバルブ５８を閉じたままシステムの起動を行うことにより、前記第６の発明における「始動制御手段」が実現されている。
【００７３】
なお、実施の形態１のシステムの利点として、例えば、以下のような項目を見出すことが出来る。
【００７４】
燃料電池内部における不純物の悪影響を抑える手法としては、他には、例えば、特許文献１にも開示されているようなバッファタンクを用いる手法が考えられている。しかしながら、例えばシステム起動時に不純物ガスを全てバッファタンクに移すことを考えた場合、燃料電池スタック２内におけるアノード側のガス流路総容積（個々の燃料電池セル１０のアノードの容積や、スタック内のアノード側のマニホールドの容積などの総和）と同等の容積のタンクを準備する必要がある。車載用の燃料電池システムなどの場合においては、必要なバッファタンク容積が約１０リットル程度まで大きくなることも考えられる。システムの搭載スペースに限りがあるような場合は、バッファタンクに全面的に頼ることは現実的に難しい。
【００７５】
この点、実施の形態１によれば、燃料電池セルの内部の構造の工夫により燃料電池内部における不純物の悪影響を抑えることができる。よって、バッファタンクを用いないシステム構成も実現できるし、あるいは、バッファタンクを併用する場合にも小型のタンクで足りるなど、システム全体の小型化を実現することができる。
【００７６】
また、燃料電池内部における不純物の悪影響を抑える手法としては、上記のバッファタンクとは別に、水素ガスによる不純物ガスの圧縮手法がある。この手法は、システムの始動時にアノード下流のバルブ（実施の形態１のシステムではシャットバルブ５８）を閉じた状態で水素ガスを供給し、水素ガスの圧力によって燃料電池スタック内の窒素の体積を圧縮するという手法である。不純ガスを、燃料電池システムの中の燃料電池セル内（より厳密には、セル内の発電に関与する部分、すなわち発電部）よりも下流側の空間（具体的には、例えば、アノードガス排出マニホールド内や、その下流に接続した配管の内部）に圧縮することができれば、個々の燃料電池セルの発電部に水素ガスを存在させることができ、水素欠乏による悪影響を回避できる。
【００７７】
しかし、このように、不純物ガスを下流側の空間内に完全に圧縮するには、供給する水素ガスの圧力を相応に高めなければならない。燃料電池セル内では、膜電極接合体の耐久性を考慮すると、アノードとカソードとの間でつけられる差圧の大きさは限られてくる。従って、このような圧縮手法によってもなお、デッドエンド運転を行う燃料電池システムの起動方法としては十分ではない場合がある。
【００７８】
この点、シミュレーション結果でも示したように、アノード内の圧力が同じであったとしても、水素ガスを燃料電池セルの中央部寄りまで運んでからガス拡散層に供給することで燃料電池セル内の水素存在領域を広げることができる。従って、実施の形態１によれば、単に圧縮手法を用いるという場合に比べて、より低いアノード圧で、同等のシステム始動性能を実現することができる。
【００７９】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、シール層３０の寸法をＬ２を、Ｌ１の３４％の長さにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。上述したように、燃料電池セル１０の中央側へと水素ガスを導くという機能を実現するように、シール層３０の寸法Ｌ２を適宜好適な寸法に決定することができる。例えば、寸法Ｌ２を相対的に小さくし、実施の形態１よりもシール層３０を短くすることもできる。
【００８０】
（第２変形例）
実施の形態１では、シール材の材料として、金属ペーストを用いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、金属微粒子を混入させて導電性を付した樹脂材料などを用いてもよい。また、必ずしも導電性のシール材である必要はなく、非導電性のシール材、フッ素樹脂やシリコン樹脂などのシール材を用いてもよい。シール層３０が燃料（実施の形態１では水素）の透過を抑制可能な気密性を有するように、種々のシール材を選定すればよい。
【００８１】
また、シール材を非導電性材料とする場合には、シール材を含浸させる位置において多孔質体層１６の表面を露出させるように、シール材を深く含浸させることとしてもよい。これにより、非導電性のシール材を用いる場合でも、シール層３０を形成しつつ、多孔質体層１６とガス拡散層１４を直接接触させることができる。
【００８２】
（第２変形例）
シール層３０は、必ずしもシール材の含浸によるものではなくともよい。例えば、燃料（実施の形態１では水素）の透過を抑制可能な程度の気密性を有するフィルムを、シール層３０に代えて、ガス拡散層１４と多孔質体層１６との界面に挿入してもよい。
【００８３】
（第３変形例）
実施の形態１では、多孔質体層１６にシール材を含浸させたが、本発明はこれに限られるものではない。実施の形態１でシール層３０を設けた位置において、多孔質体層１６に代えてガス拡散層１４に対してシール材を含浸させることにより、シール層を形成してもよい。もちろん、両方にシール材を含浸させて、シール層を形成してもよい。
【００８４】
（第４変形例）
実施の形態１では、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層が、発電部Ｅおよびその周囲を囲う非発電部を備えている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。例えば電極触媒層の面内の全領域に渡って触媒が含まれている燃料電池セルに対しても、シール層３０を用いて本発明の思想を適用することができる。
【００８５】
なお、多孔質体層１６は、焼結多孔体以外にも、発泡金属、エキスパンドメタルなどの、種々の多孔質体を用いて形成することが可能である。
【００８６】
なお、下記（i）〜（iii）の運転状態は、デッドエンド運転状態に含まれるものとする。
【００８７】
（i）燃料電池セルのアノード極（アノード側のガス流路）からガスを排気させることなく、燃料電池の発電を継続的に行う運転状態。
【００８８】
（ii）アノード極内における不純物ガス（上記実施の形態では、電解質膜を介してカソードから透過してきた窒素などの反応非関与ガス）の分圧と、カソード極における不純物ガスとが、略つりあった状態（あるいは略等しくなった状態）で、燃料電池セルの発電を継続的に行う運転状態。換言すれば、アノードの不純物ガスの分圧を、カソードの不純物ガスの分圧まで上げた状態で発電する運転状態。
電解質膜はガスを透過する性質を有している。カソードとアノードとの間にガスの分圧差があると、この分圧差が縮小されるように電解質膜を介してガスが移動する。その結果、アノードとカソードにおける不純物ガスの分圧は、やがて略つりあった状態となる。（ii）の態様は、このような状態で発電を行う運転状態である。
【００８９】
（iii）燃料電池のアノードに供給された燃料（上記の実施の形態では、既述したように、水素を含む反応ガス）を、略全て、発電反応で消費する運転。
ここで、略全てとは、シール構造や電解質膜を介してアノード極の外へとリークしていった分の燃料を除き、供給された全ての燃料であることが好ましい。
【００９０】
なお、本発明は、常にではなく特定の状況下（例えば、小負荷時のみなど）に限ってデッドエンド運転を行う燃料電池に対しても、採用することができる。つまり、本発明の対象となる燃料電池システムは、必ずしも全ての発電帯域、運転領域でデッドエンド運転を行う燃料電池システムに限られるものではない。
【００９１】
なお、実施の形態１では、個々の燃料電池セル１０が開口２４を介してアノードガス排出マニホールドに接続し、このアノードガス排出マニホールドがガス排出用配管５６に接続している。そして、シャットバルブ５８の開閉により、燃料電池セル１０のアノードの下流の状態を、を開放状態と閉鎖状態との間で任意に切換えることができる。しかしながら、本発明は、このようなシステム構成のみに限定されるものではない。個々の燃料電池セル１０のアノードがガス入口だけを備えガス出口を備えていないような、アノードの下流が完全に閉鎖されている（「完全デッドエンド方式」とも呼ばれる）ようなシステムに、本発明を用いることができる。なお、このような完全デッドエンド方式のシステムでは、システムの構成上、前記第１の発明における「デッドエンド運転手段」が常時機能していることになる。
【００９２】
実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池セル７０を、燃料電池セル１０に代えて用いている点を除き、実施の形態１の燃料電池システムと同じ構成を備えている。以下、実施の形態２が実施の形態１と相違する点、つまり実施の形態２の特徴点について説明する。
【００９３】
図８は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池セル７０の断面図である。図３に示した燃料電池セル１０と同じ構成には、同一の符号を付している。実施の形態２の燃料電池セル７０は、多孔質体層１６に代えて多孔質体層７６を、シール層３０に変えてシール層８０を備えている点を除き、燃料電池セル１０と同じ構造である。
【００９４】
実施の形態２では、多孔質体層７６をラスメタルを用いて形成している。また、実施の形態２では、シール層８０を、多孔質体層７６とガス拡散層１４の間に、金属製の平板を挟み込むことにより形成している。図９は、図８における領域Ｂを拡大した図である。移流による多孔質体層７６内の水素ガスの移動を実線矢印Ｑ１で、ガス拡散層１４内の拡散による水素ガスの移動を破線矢印Ｑ２で、それぞれ示している。
【００９５】
実施の形態２の効果を、図１０に示す比較例と比較しながら説明する。図１０に示す比較例は、実施の形態１の構成と同様に、焼結多孔体の多孔質体層１１６と、多孔質体層１１６にシール材を含浸させることにより形成したシール層１３０とを備えている。
【００９６】
シール材を含浸させる場合、その含浸の度合いが適切であれば、図１０（ａ）に示すように、水素ガスの移動および遮断（つまり、ガス拡散層１４の面内の中央側への水素ガスの誘導）を適切に行うことができる。しかしながら、シール材の含浸の際に、シール材が多孔質体層の内部まで深く侵入しすぎると、図１０（ｂ）のように多孔質体層内のガスの移動経路が閉塞されるという不具合が生じてしまう。このような事態は、圧損の増加を招き、水素ガスの進行を阻害してしまう。この点、実施の形態２によれば、ラスメタルおよび金属製の平板を用いることにより、上記のような製造上の不具合の発生を抑えることができる。
【００９７】
また、ラスメタルや金属製の平板を用いれば、シール材の含浸による製造手法に比べて加工精度も高くでき、製造ばらつきを極力抑えることができる。なお、多孔質体層７６の厚みＤ３に対するシール層８０の厚み（即ち、金属製の平板の厚さ）Ｄ４は、実施の形態１と同じく、Ｄ４をＤ３の三分の一程度にすることができる。
【００９８】
尚、上述した実施の形態２では、シール層８０を形成している金属製の平板が、前記第３の発明における「導電性を有する板」に相当している。また、実施の形態２では、多孔質体層７６が、前記第４の発明における「ラスメタルで形成された層」に相当している。
【００９９】
なお、金属製の平板に限らず、導電性（電気伝導性）を有する材料で形成した板材を、実施の形態２のシール層８０を形成するために用いてもよい。
【０１００】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、多孔質体層とガス拡散層との間にシール層を挿入することにより、燃料電池セルの面内の中央側へと水素ガスを導いた。これに対し、実施の形態３では、セパレータ内にトンネル状のガス流路を形成し、このガス流路を用いて、燃料電池セルの面内の中央側へと水素ガスを導くこととする。
【０１０１】
図１１は、実施の形態３にかかる燃料電池セル９０を示す図である。燃料電池セル９０は、シール層３０を備えない点およびセパレータが異なる点を除き、実施の形態１の燃料電池セル１０と同様の構造を備えている。燃料電池セル９０は、３枚のプレート（９２ａ、９２ｂ、９２ｃ）を重ねて形成されたセパレータ９２を備えている。セパレータ９２には、ガス誘導路９４およびガス排出路９６が形成されている。
【０１０２】
ガス誘導路９４は燃料電池セル９０の紙面上方で、図示しないアノードガス供給マニホールドに接続する。ガス排出路９６は、図示しないアノードガス排出マニホールドに接続する。なお、このように、複数の平板プレートを重ねてセパレータを構成する多層セパレータ構造は、より具体的には、例えば、特開２００７−１４９４２７号公報に開示されているような技術を用いて実現することができる。
【０１０３】
ガス誘導路９４の下流端は、多孔質体層１６の表面に接続している。実施の形態３では、多孔質体層１６の端面から距離Ｚの位置で、ガス誘導路９４が多孔質体層１６に接続するようにしている。距離Ｚの大きさについては、実施の形態１のシール層３０の場合と同様に、燃料電池セル９０の中央側へと水素ガスを導くという機能を実現するように適宜好適な値に決定することができる。
【０１０４】
これにより、実施の形態１と同様に、水素ガスをセル面内の中央寄りに導く事ができる。なお、一枚の平板をセパレータとして用いる場合には、平板の内部に貫通路を設けて、実施の形態３のガス誘導路を実現してもよい。
【０１０５】
尚、上述した実施の形態３は、セパレータ９０が、前記第１の発明における「ガス供給用部材」に、ガス誘導路９４の入口が、前記第１の発明における「ガス入口」に、ガス誘導路９４が、前記第１の発明における「ガス誘導路」に、ガス誘導路９４の出口が、前記第１の発明における「ガス供給口」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明にかかる実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池セルの構成を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿って燃料電池セルを切断した場合の断面図である。
【図４】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための図である。
【図５】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための図である。
【図６】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための、比較例を示す図である。
【図７】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための図、比較例を示すである。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池セルの断面図である。
【図９】図８における領域Ｂを拡大した図である。
【図１０】実施の形態２に対する比較例を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池セルの断面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
２ 燃料電池スタック
１０ 燃料電池セル
１２ 膜電極接合体
１４ ガス拡散層
１６ 多孔質体層
２０ セパレータ
２１ ガス流入口
２２ 開口
２４ 開口
３０ シール層
４０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
５０ 燃料タンク
５２ ガス供給用配管
５４ バルブ
５６ ガス排出用配管
５８ シャットバルブ
６０ アノードガス供給マニホールド
７０ 燃料電池セル
７６ 多孔質体層
８０ シール層
９０ 燃料電池セル
９２ セパレータ
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ プレート
１１０ 燃料電池セル
１１４ ガス拡散層
１１６ 多孔質体層
１２０ セパレータ
１２１ ガス流入口
１２２ 開口
１２４ 開口
１３０ シール層
２１０ 比較用燃料電池セル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００５−２４３４７６号公報に開示されているように、燃料電池のアノードに供給された燃料ガスを燃料電池内に留めてシステムの運転を行う燃料電池システムが知られている（以下、このような運転方法を、「デッドエンド運転」とも称す）。
【０００３】
上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池の運転時間の経過と共に、窒素や水分といった発電反応に関与しない物質（以下、「不純物」とも称す）が燃料電池のアノードのガス流路内に蓄積されていく。これら不純物が膜電極接合体の表面を覆ってしまうと、電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位が、膜電極接合体が備える触媒を劣化させてしまうおそれもある。特に、燃料電池内において不純物の濃度が１００％の領域（すなわち、水素ガスが０％の領域、水素欠乏領域）が生ずると、その領域の触媒劣化が危惧される。
【０００４】
上記従来の技術では、システムに不純物貯留用タンク（バッファタンク）を備え付けることにより、燃料電池内の不純物をこのバッファタンクへと必要に応じて逃がすことができるようにしている。これにより、燃料電池の発電の際に、不純物が発電反応に悪影響を及ぼすことを防いでいる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４３４７６号公報
【特許文献２】特開２００１−１３５３２６号公報
【特許文献３】特開２００６−２３６５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術のバッファタンクを用いる手法のみでは、不純物が燃料電池に及ぼす悪影響の抑制効果を、期待している程度に十分に得られない場合も考えられる。本願発明者は、このような点に鑑み、燃料電池内部の不純物の悪影響を抑えることが可能な他の手法を見出した。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内部における不純物の悪影響を抑え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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノードに積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に重ねて備えられたガス供給用部材とを備えた燃料電池セルと、
燃料タンクと接続してその内部に燃料ガスが流通し、前記ガス供給用部材と接続して前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池セルのアノードの下流が閉鎖された状態で該燃料電池セルの発電を行うデッドエンド運転状態を、少なくとも一部の運転領域において実現することができるデッドエンド運転手段と、
を備えており、
前記ガス供給用部材が、
前記ガス拡散層の端面側の位置に設けられ前記燃料ガス供給通路と接続するガス入口と、
前記ガス入口に接続し、前記ガス拡散層と隔てられながら該ガス拡散層の面内の中央側に延びて、前記ガス入口に流入した燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導くガス誘導路と、
前記ガス誘導路と接続し該ガス誘導路を流れてきた燃料ガスを前記ガス拡散層へと供給することができるガス供給口と、
を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス供給用部材は、
前記ガス拡散層に積層される多孔質体層と、
前記多孔質体層に重ねられ、前記ガス拡散層の端面側の位置において前記燃料ガス供給通路に接続するガス流入口と、該ガス流入口に流入した燃料ガスを該多孔質体層へと吐出するガス吐出口と、を備えた集電板と、
前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に備えられ、前記ガス吐出口付近の位置から該界面の中央側へと延在するシール層と、
を含む構成であり、
前記多孔質体層のうち前記シール層によって前記ガス拡散層から隔てられた第１部位が、前記ガス誘導路として燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導き、
前記多孔質体層のうち前記シール層によるシールを受けずに前記ガス拡散層と接続している第２部位が、前記ガス供給口として燃料ガスを該ガス拡散層に供給することを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記シール層は、前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に挿入された、導電性を有する板であることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記多孔質体層は、ラスメタルで形成された層であることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１乃至４のいずれかの発明において、
前記膜電極接合体の前記ガス拡散層側の電極触媒層は、
該電極触媒層の面内の中央の領域に設けられた、触媒を含む第１領域と、
該電極触媒層の前記面内に前記第１領域を囲うように位置する、触媒を実質的に含まずに設けられた第２領域と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第１乃至５のいずれかの発明において、
システムの始動時に、前記デッドエンド運転状態を実現した状態で前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を行う始動制御手段を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、燃料ガスを、ガス誘導路によって燃料電池セル面内の中央側へと運び、その後ガス拡散層へと供給することができる。これにより、ガス拡散層の面内の中央寄りの位置へと燃料ガスを供給することができ、燃料ガスが存在する領域をセル面内において広範囲に確保することができる。燃料ガスが微小量（例えば濃度が数％程度）でも存在していれば、その領域では不純物の悪影響（例えば触媒劣化等の弊害）を免れることができる。第１の発明によれば、システムがデッドエンド運転状態に置かれて燃料電池セル内部に不純物が蓄積した状態で発電が行われたとしても、燃料ガスが存在する領域をセル面内において広範囲に確保して、不純物による悪影響を抑制することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、シール層を用いた簡便な構成により、不純物による悪影響を抑制することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、導電性の板材をシール層として用いることにより、シール層を高精度かつ簡易に製造でき、多孔質体層のガスの移動とシール層によるシールを両立することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、多孔質体層をラスメタルで形成することにより、製造バラツキを小さく抑えることができる。
【００１８】
第５の発明によれば、燃料電池セルの端部側のスペースに非触媒含有領域としての第２領域を積極的に設け、このスペースを高濃度不純物領域の許容領域として有効活用することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、発電時の燃料電池セル内の不純物による悪影響を抑え、かつ、水素ガスを外部に排出するおそれなく発電を開始することができるという、優れたシステム始動制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（システム構成）
図１は、本発明にかかる実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、複数の燃料電池セル１０が重ねられたものである。
【００２１】
個々の燃料電池セル１０は、アノードとカソードに、それぞれ、ガス入口とガス出口を有している。図１では図示しないが、燃料電池スタック２には、個々の燃料電池セル１０のアノードのガス入口と接続するアノードガス供給マニホールドと、個々の燃料電池セル１０のアノードのガス出口と接続するアノードガス排出マニホールドとが備えられている。アノードガス供給マニホールドとアノードガス排出マニホールドは、それぞれ、燃料電池セル１０の積層方向に伸びながら、個々の燃料電池セル１０と接続している。
【００２２】
実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック２のアノードガス供給マニホールドと接続するガス供給用配管５２を備えている。ガス供給用配管５２は、高圧の水素ガスが貯留された燃料タンク５０に接続している。ガス供給用配管５２には、バルブ５４が備えられている。バルブ５４の開度を変えることにより、燃料電池スタック２への水素ガスの供給量（あるいは供給圧）を変化させることができる。
【００２３】
実施の形態１のシステムは、燃料電池スタック２のアノードガス排出マニホールドと接続するガス排出用配管５６を備えている。ガス排出用配管５６には、シャットバルブ５８が備えられている。シャットバルブ５８を開くことにより、燃料電池スタック２内のガスを、図示しない排気系へと排出することができる。
【００２４】
なお、図示しないが、実施の形態１のシステムは、個々の燃料電池セル１０のカソードと接続するカソードガス供給マニホールドおよびカソードガス排出マニホールドも備えている。これらのカソード側のマニホールドは、図示しないカソード系と接続する。カソード系は、コンプレッサ等を含んで構成され、外気から取り込んだ空気を、カソードガス供給マニホールドを介して個々の燃料電池セル１０のカソードへと供給する。
【００２５】
実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、バルブ５４およびシャットバルブ５８に接続し、実行されるルーチンの要求に従ってそれらのバルブを制御する。シャットバルブ５８を閉じた状態で燃料電池スタック２の発電を行うことにより、燃料電池セル１０のアノードの下流を閉鎖して、アノードからガスを排気することなく燃料電池セル１０の発電を行う運転状態（以下、「デッドエンド運転状態」とも称す）を実現することができる。
【００２６】
（セルの構成）
以下、図２および図３を用いて、実施の形態１の燃料電池セル１０の構成について説明する。図２は実施の形態１の燃料電池セル１０の構成を示す平面図である。図２は、燃料電池セル１０の構造をアノード側から透視した図であり、すなわち燃料電池セル１０のアノードの積層構造を示している。また、図３は図２におけるＡ−Ａ線に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である（但し、図３では、アノード側の積層構造のみを示し、カソード側の構造については図示を省略している）。
【００２７】
燃料電池セル１０は、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体１２を内蔵している。膜電極接合体１２は、扁平な矩形形状の外形を有している。膜電極接合体１２の両面には更にガス拡散層および多孔質体層が積層され、１個の積層構造体が構成される。このような積層構造体が、集電板としても機能する一対のセパレータによって挟み込まれることにより、１枚の燃料電池セル１０が得られる。
【００２８】
既述した燃料電池スタック２は、膜電極接合体、ガス拡散層および多孔質体層が積層された積層構造体が、セパレータを介在させながら、複数枚重ね合わされて構成されたものである。この場合、ある積層構造体に接するセパレータは、隣接する他の積層構造体にも接し、これら２枚の積層構造体の間を仕切る役割を果たす。燃料電池スタック２のなかで、１組のセパレータにより１つの上記積層構造体が挟持された構造が、発電の基本単位となる構造、すなわち１つの燃料電池セル１０に相当することになる。なお、燃料電池セルは、単位燃料電池あるいは単セルなどとも称される。
【００２９】
燃料電池セル１０では、図２の紙面裏面側から、膜電極接合体１２（図示せず）、ガス拡散層１４、多孔質体層１６が順次重ねられて位置している。また、図２では図示していないが、多孔質体層１６よりも紙面の表面側には、セパレータ２０がさらに取り付けられる。また、図示しないが、膜電極接合体１２よりも紙面裏面側には、カソードの構造が形成されている。
【００３０】
燃料電池セル１０は、ガス拡散層１４と多孔質体層１６との界面に挿入されたシール層３０を備えている。シール層３０は多孔質体層１６よりも紙面の奥側に位置するため、本来は図２の紙面表面側からは目視できないはずである。しかし、図２では、説明の便宜上、多孔質体層１６を部分的に透視してシール層３０が見えるように図示している。
【００３１】
図２に示すように、シール層３０は、開口２２の付近の位置から、セル面内の中央に向かって延在している。図２のように、シール層３０は、多孔質体層１６の面内の概ね紙面上方半分の領域に、発電部Ｅを覆いながら連続的に形成されている。また、図２にあるように、燃料電池セル１０面内に見たシール層３０の形状パターンは、燃料電池セル１０の長辺及び短辺に沿う方向に長辺及び短辺を有する矩形形状となっている。そして、シール層３０は、開口２２の位置からシール層３０の先端までの距離が画一的にＬ２となるように、形成されている。
【００３２】
本実施形態では、燃料電池セル１０が、ガス流入口２１と、セルの紙面上方の端部側に位置してガス流入口２１と接続する開口２２とを備えている。また、セルの紙面下方の端部側に位置する開口２４も備えている。ガス流入口２１、開口２２および開口２４は、それぞれ、図示しないセパレータ２０に設けられている。図２に示すように、実施の形態１では、開口２２および開口２４を、燃料電池セル１０の長辺に沿って伸びる細長いスリット状の形にしている。これにより、燃料電池セル１０の内部で、その短辺に沿って（図１の紙面の上下方向に）水素ガスを流通させることができる。
【００３３】
図２には、説明の便宜上、アノードガス供給マニホールド６０を破線で仮想的に示している。ガス流入口２１はアノードガス供給マニホールド６０と接続し、アノードガス供給マニホールド６０から水素ガスの供給を受ける。ガス流入口２１に流れ込んだ水素ガスは、開口２２に至った後、多孔質体層１６へと流入する。
【００３４】
実施の形態１では、以下述べるように、燃料電池セル１０内の個々の層を異なる寸法に形成している。具体的には、実施の形態１では、図２に示すように、ガス拡散層１４の寸法Ｌ１、Ｗ１に比べて多孔質体層１６の寸法Ｌ３、Ｗ２は小さくされており、多孔質体層１６がガス拡散層１４に対して一回り小さく形成されている。このような層ごとの寸法の相違は、燃料電池セル１０の端部を囲うようにシール枠部材を取り付ける都合などから、要請されるものである。なお、実施の形態１の燃料電池セル１０では、多孔質体層１６の寸法Ｌ３は、開口２２と開口２４との間の距離とほぼ同じである。
【００３５】
シール層３０は、燃料電池セル１０の長辺方向の寸法が多孔質体層１６と同じくＷ２とされ、燃料電池セル１０の短辺方向の寸法がＬ２とされている。なお、実施の形態１では、一例として、Ｌ２を、Ｌ１の３４％程度の長さ（つまり、Ｌ１の値に０．３４を乗じて得た値）にしている。
【００３６】
なお、実施の形態１では、開口２２の直近の位置からシール層３０が延びている。このため、実施の形態１では、シール層３０の寸法Ｌ２は、開口２２からガス拡散層１４に水素ガスが流入した位置から、この水素ガスがシール層３０のシールを受けなくなってガス拡散層１４へと流入し始める位置までの距離（言い換えれば、水素ガスが誘導される距離）にも相当している。
【００３７】
また、図２における距離Ｚは、ガス拡散層１４の開口２２側の端面からシール層３０の先端までの距離である。実施の形態１では、図に示すように、燃料電池セル１０の中央付近にシール層３０の端部が延びる程度に、距離Ｚが大きくされている。
【００３８】
実施の形態１では、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層には、触媒が含まれている第１の領域（図中の領域Ｅ）と、第１の領域を囲うように位置し、触媒が実質的に含まれていない第２の領域とが存在している。図２の領域Ｅは、燃料電池セル１０面内において多孔質体層１６よりも一回り小さく区画された領域であり、水素ガスの触媒反応が生ずる領域である（以下、この領域Ｅを「発電部Ｅ」とも称し、第２の領域を「非発電部」とも称す）。なお、「触媒が実質的に含まれていない」場合とは、例えば、触媒含有量が零である場合のみならず、触媒を含んでいたとしても、その含有量が、第２の領域の発電反応が第１の領域と比較して実質的に無視できる程小さいような量である場合も含む。
【００３９】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿って燃料電池セル１０を切断した場合の断面図である。図３には、燃料電池セル１０のアノード側の積層構造が図示されている。上述の図２の説明でも述べたように、膜電極接合体１２に、ガス拡散層１４、多孔質体層１６、およびセパレータ２０が順次重ねられている。
【００４０】
シール層３０は、ガス拡散層１４と多孔質体層１６の間に設けられている。実施の形態１では、多孔質体層１６を、金属微粒子（例えばチタン）を焼結した焼結多孔体を用いて形成する。また、シール層３０は、多孔質体層１６にシール材を含浸させることにより形成する。また、実施の形態１ではシール材として金属ペースト材料を用いて、シール層３０が導電性を有する構成とする。これにより、シール層３０形成部位においても電流の流れが阻害されないという利点がある。実施の形態１では、多孔質体層１６の厚さをＤ１とし、シール層３０の厚さをＤ２とした場合に、Ｄ２はＤ１の三分の一程度にする。
【００４１】
なお、実施の形態１では、燃料電池セル１０のカソード側の構成の説明は省略したが、例えば、膜電極接合体１２を介してアノード側の構成と対称の構造であってシール層３０を設けない構造とすることができる。
【００４２】
［実施の形態１の動作］
実施の形態１は、シャットバルブ５８を閉じた状態で燃料電池スタック２へと水素ガスを供給しながら発電を行うデッドエンド運転を行うことができる。デッドエンド運転の状態においては、システムの運転時間の経過と共に、窒素や水分といった発電反応に関与しない物質（以下、「不純物」とも称す）が燃料電池セル１０のアノード側に蓄積されていく。
【００４３】
この不純物は、燃料電池セル１０のカソード側から、膜電極接合体１２を透過してアノード側に侵入してきた、窒素、水蒸気、二酸化炭素等の発電に供されない物質である。空気には、窒素以外にも、水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物が含まれている。しかし、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば極微小であるので、ここでは不純物として窒素にのみ着目するものとする。ただし、本発明が想定する不純物から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。
【００４４】
（セル内のガス流れ）
上記説明した燃料電池セル１０によれば、先ず、アノードガス供給マニホールド６０からガス流入口２１へと流入した水素ガスが、開口２２から多孔質体層１６へと流れ込む。シール層３０が多孔質体層１６とガス拡散層１４の間のガスの授受を遮断しているので、開口２２から流れ込んだ水素ガスは、多孔質体層１６を面内の中央側に向かって（図２、図３においてともに紙面下方側に向かって）流れていく。
【００４５】
多孔質体層１６の中央側に流れた水素ガスは、シール層３０の寸法Ｌ２の距離を流れた後、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられていない領域に到達する。ここでは、シール層３０によるシールが行われていないので、水素ガスが多孔質体層１６からガス拡散層１４へと進行する。この水素ガスは、拡散により、ガス拡散層１４内をその面方向に沿って広がり、シール層３０の裏側も含めてガス拡散層１４内に行き渡る。ガス拡散層１４内の水素ガスは、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層へと到達し、発電反応に寄与することになる。
【００４６】
実施の形態１によれば、水素ガスを、多孔質体層１６のうちシール層３０によりシールされた部位を流して燃料電池セル１０面内の中央側へと運ぶことができる。そして、セル面内の中央側へと導かれた水素ガスを、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられていない領域においてガス拡散層１４へと供給することができる。その結果、水素ガスを、ガス拡散層１４の面内の中央寄りの位置から供給することができる。このような手法により、燃料電池セル内に不純物が蓄積された状況下において、水素が存在する領域をセル面内に広範囲に確保することが可能になる。
【００４７】
水素ガスが領域内に微小量（例えば濃度が数％程度）でも存在していれば、その領域では不純物の悪影響（例えば触媒劣化等の弊害）を免れることができる。従って、実施の形態１によれば、システムがデッドエンド運転状態に置かれて燃料電池セル１０内部に不純物が蓄積した状態で発電が行われたとしても、不純物による悪影響を抑制することができる。
【００４８】
また、実施の形態１によれば、シール層３０により、開口２２側の非発電部が覆われている。非発電部においては発電反応が生じないので、ガス拡散層１４のうち非発電部に接する部位については、水素を優先的に供給する必要はないと考えることができる。この点、シール層３０がガス拡散層１４の非発電部側の部位を覆うことで、水素を必要とする発電部Ｅ側の部位へと優先的に水素を届けることができる。
【００４９】
そして、実施の形態１によれば、シール構造の追加という非常に簡便で低コストな方法により、上述の効果を得ることができる。更に、シール層の形状（パターン）を複雑にする必要もなく、特に量産時に著しい効果が期待できる。
【００５０】
また、実施の形態１では、アノードガス供給マニホールド６０が、燃料電池セル１０の積層方向に延びながら、個々の燃料電池セル１０の端部側にあるガス流入口２１と接続されている。実施の形態１にかかる個々の燃料電池セル１０にシール層３０を挿入する手法を用いれば、個々のセルのサイズを薄く保つこともできるので、燃料電池スタック２の大型化を避けられる。これは、燃料電池セルを数百枚単位で積層して燃料電池スタックを構成するような場合には極めて有利である。このように実施の形態１は、例えば車両搭載用など、スペースに制限のある燃料電池システムにおいて極めて効果的である。
【００５１】
（システム始動時の動作）
本発明の実施の形態１では、システムの始動時にシャットバルブ５８を閉じた状態で、バルブ５４を開いて燃料電池スタック２に水素ガスを供給して発電を開始する。
【００５２】
デッドエンド運転を行う燃料電池システムにおいては、始動時に燃料電池セル１０のアノード内が空気等の非活性ガス（つまり発電に寄与しない不純物ガス）で満たされている場合、この非活性ガスが、セル内部に水素ガスが行き渡ることを妨げるという問題がある。
【００５３】
従来技術としてアノード側を一旦パージしてから水素ガスの供給を始めるという手法も考えられているが、このような手法では、例えば前回の運転終了時に残存した水素ガスがパージガスに混ざって排出されてしまうなど、水素ガスの系外への放出のおそれがある。このような背景から、デッドエンド運転を行う燃料電池システムの始動時に、アノードの排気を行わずにシステムを起動する方法の確立が望まれている。しかしながら、そのような要求に対して、未だ十分な解決策が見出されているとはいえなかった。
【００５４】
この点、本実施の形態１では、前述した燃料電池セル１０の効果を活用することにより、発電時に燃料電池セル内の不純物による悪影響を抑えながら、かつ、水素ガスを外部に排出するおそれなく発電を開始することができる。
【００５５】
［実施の形態１に関するシミュレーション結果］
ここで、図４乃至７を用いて、本願発明者が行ったシミュレーション結果を示しながら、実施の形態１の作用効果について実証する。図４は、実施の形態１に対応する構成として用意した、シール層を具備した燃料電池セル１１０について示す図である。また、図６は、比較例として示す、燃料電池セル１１０からシール層を取り除いた比較用燃料電池セル２１０について示す図である。
【００５６】
図４（ａ）と図５（ａ）は、燃料電池セル１１０と比較用燃料電池セル２１０それぞれの平面図である。図４（ｂ）と図５（ｂ）は、図４（ａ）と図５（ａ）のそれぞれにおけるＣ−Ｃ線に沿う、燃料電池セル１１０と比較用燃料電池セル２１０のそれぞれの断面図である。上述した実施の形態１の場合と同様に、便宜上シール層を視認できるように図示し、カソード側の構成については図示を省略している。
【００５７】
燃料電池セル１１０および比較用燃料電池セル２１０は、燃料電池セル１０がガス拡散層１４、多孔質体層１６、セパレータ２０、ガス流入口２１、開口２２、２４およびシール層３０を備えるのと同様に、ガス拡散層１１４、多孔質体層１１６、セパレータ１２０、ガス流入口１２１、開口１２２、１２４を備えている。但し、実施の形態１のシール層３０に対応するシール層１３０は、燃料電池セル１１０のみが備えている。
【００５８】
本願発明者は、このような２種類の構成に対して、各セルのアノードに所定の圧力で窒素ガスが充填されている状態からガス流入口１２１に水素ガスを流入させた場合について、各セル面内でのガスの分布状態のシミュレーションを行った。つまり、上述した実施の形態１のシステムの始動時の様子に対応した環境を、シミュレーションにより検討した。なお、燃料電池セル１１０および比較用燃料電池セル２１０について、水素ガスや窒素ガスの圧力などの、シミュレーション上の条件は同じである。
【００５９】
図５は、燃料電池セル１１０についての結果を、図７は、比較用燃料電池セル２１０についての結果を、それぞれ示している。図５のガス分布は、燃料電池セル１１０において、多孔質体層１１６の面内のガス分布とガス拡散層１１４の面内のガス分布とを重ね合わせた結果である。本シミュレーションによれば、燃料電池セル１１０内で、多孔質体層１１６のガス分布とガス拡散層１１４のガス分布が、それぞれ図５の分布と同様の分布を示すことが確認されている。図７についても、比較用燃料電池セル２１０に関して、同様の条件下での結果を示している。
【００６０】
図５および図７において、領域Ｓ１は水素ガス濃度がセル面内で最も高い領域を、領域Ｓ２は水素と窒素の混在領域のうち相対的に水素ガス濃度が高い領域を、領域Ｓ３は水素と窒素の混在領域のうちＳ２に比して水素ガス濃度が低い領域を、領域Ｓ４は窒素ガス濃度がセル面内で最も高い領域を、それぞれ示している。水素濃度は領域Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４の順に低くなっていき、窒素濃度は領域Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４の順に高くなっていく。
【００６１】
図５と図７を比較すると、シール層１３０を備える燃料電池セル１１０では、セル面内の中央を横断する形で領域Ｓ１が広く分布し、この領域Ｓ１から領域Ｓ２、Ｓ３が図５の紙面上下方向に分布している。このように、図５のシミュレーション結果によれば、燃料電池セル１１０内部で水素ガスがバランスよく分布していることが把握できる。一方、図７では、先ず領域Ｓ１がセル面内の紙面左側に偏っており、領域Ｓ２、Ｓ３の分布もセル面内において偏在している。そして、図７の紙面右下側に、領域Ｓ４が大きく広がっており、窒素ガスの局所的な滞留が広範囲に起きている。これらの結果を比較した場合、比較例燃料電池セル２１０のほうが面内のガスの濃度分布のバランスが相対的に悪く、窒素１００％領域（つまり水素欠乏領域）の発生によるセル内の異常電位、ひいては触媒劣化のおそれが相対的に大きいと考えられる。この比較により、シール層１３０を備えることによる改善効果が把握できる。
【００６２】
また、図７に示すように、シール層を備えない比較用燃料電池セル２１０では、発電部Ｅの一部（図中紙面右下側の楕円Ｐで囲った部分）が領域Ｓ４で覆われている。既述したように、発電部Ｅは、電極触媒層中で触媒が含まれている領域である。よって、発電部Ｅ内に高濃度窒素領域である領域Ｓ４が存在することは好ましくない。これに対し、図５に示すように、シール層１３０を備えた燃料電池セル１１０では、発電部Ｅの内側及びその周囲が領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３で占められている。このように、シール層１３０を備えることにより、水素ガス濃度が良好な領域を燃料電池セルの面内の中央領域に広範囲に確保し、少なくとも発電部Ｅに水素ガスが存在することを確保できる。
【００６３】
以上述べたように、本願発明者が行ったシミュレーション結果に基づく燃料電池セル１１０と比較用燃料電池セル２１０の比較結果により、シール層１３０を備えることが不純物の悪影響を抑制するという観点で有効であることが実証されている。このような燃料電池セル１１０の優位性が、そのまま、燃料電池セル１０に備えられている。
【００６４】
また、実施の形態１では、アノードの電極触媒層に、発電部Ｅと非発電部とを設けることとしている。実施の形態１でも行われているように、燃料電池セルの端部側にシール枠部材を取り付ける都合上、個々の層が、面方向に見た寸法を相違させられながら（より具体的には、ガス拡散層に比して多孔質体層を小さく）形成されることがある。この場合、シール枠部材の取り付け精度など製造面の都合を総合的に考慮すると、燃料電池セルの端部側は避けて、セル面内の中央側に一回り小さく発電部Ｅを設けることが好ましい。このとき、発電反応の有無という観点からは、燃料電池セルの端部側の非発電部は、デッドスペースになっていると考えられる。
【００６５】
実施の形態１の燃料電池によれば、このような燃料電池セルの端部側の空間に高濃度不純物領域が位置するように、水素ガスを供給することができる。実施の形態１のシミュレーション結果でも述べたように、セル面内の中央側が水素ガスの上流側となりセル面内の端部側が下流側となって、非発電部に高濃度不純物領域が位置するように、燃料電池セル内のガス濃度分布が広がりやすくなる。これにより、実施の形態１によれば、シール枠部材取付の都合等を考慮する観点から非発電部を設ける手法と、水素ガスをセル面内の中央部寄りに導く手法とを組み合わせることにより、燃料電池セル内のスペースを有効活用できるという相乗的な効果が生まている。
【００６６】
なお、ここで、実施の形態１の作用効果について、本願発明者が分析、考察した結果得た知見を述べる。図４（ｂ）に示した燃料電池セル１１０の断面図には、水素ガスの進行の様子を示す矢印が描かれている。ここで、実線矢印Ｑ１は、燃料電池セル１１０内において、開口１２２からの水素ガスが多孔質体層１６内を移動していく様子（水素の「移流」の様子）を表している。また、破線矢印Ｑ２は、ガス拡散層１１４のシール層１３０下層側へと水素ガスが潜りこんで、拡散していく流れを表している。水素の移流は主に水素ガスの圧力により水素が運ばれる現象であり、拡散はガス拡散層１１４内の濃度勾配が駆動力となる現象である。
【００６７】
燃料電池セル１１０の構造によれば、燃料電池セル１１０内における水素ガス流れの下流側の部位（開口１２４近傍）に、移流により水素が供給され、ガス拡散層１１４のシール層１３０によりシールされた部位（開口１２２側部位）には拡散により水素が供給される。実施の形態１によれば、このように、移流と拡散とを両立させて（効果的に使い分けて）セル面内に水素ガスを供給でき、窒素１００％領域つまり水素欠乏領域の発生を抑えることができる。実施の形態１の燃料電池セル１０は、以上述べたような燃料電池セル１１０の効果を具備している。
【００６８】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池セル１０が前記第１の発明における「燃料電池セル」に、膜電極接合体１２が、前記第１の発明における「膜電極接合体」に、ガス拡散層１４が前記第１の発明における「ガス拡散層」に、多孔質体層１６、セパレータ２０およびシール層３０が、前記第１の発明における「ガス供給用部材」に、それぞれ相当している。
【００６９】
また、実施の形態１では、アノードガス供給マニホールド６０が前記第１の発明における「燃料ガス供給通路」に相当し、ＥＣＵ４０がシャットバルブ５８を閉じた状態でシステムの運転を行うことにより、前記第１の発明における「デッドエンド運転手段」が実現される。
【００７０】
また、上述した実施の形態１では、セパレータ２０が備えるガス流入口２１が、前記第１の発明における「ガス入口」および前記第２の発明における「ガス流入口」に、多孔質体層１６のうちシール層３０によってガス拡散層１４から隔てられた部位が、前記第１の発明における「ガス誘導路」に、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられておらずガス拡散層１４と接している部位が、前記第１の発明における「ガス供給口」に、それぞれ相当している。
【００７１】
また、上述した実施の形態１によれば、多孔質体層１６が、前記第２の発明における「多孔質体層」に、ガス流入口２１が、前記第２の発明における「ガス流入口」に、セパレータ２０が、前記第２の発明における「集電板」に、開口２２が、前記第２の発明における「ガス吐出口」に、シール層３０が、前記第２の発明における「シール層」に、それぞれ相当している。そして、多孔質体層１６のうちシール層３０によってガス拡散層１４から隔てられた部位が、前記第２の発明における「第１部位」に、多孔質体層１６のうちシール層３０が設けられておらずガス拡散層１４とガスを授受できる部位が、前記第２の発明における「第２部位」に、それぞれ相当している。
【００７２】
また、上述した実施の形態１によれば、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層のうち、発電部Ｅが、前記第５の発明における「第１領域」に、非発電部が、前記５の発明における「第２領域」に、それぞれ相当している。また、システムの始動時にＥＣＵ４０がシャットバルブ５８を閉じたままシステムの起動を行うことにより、前記第６の発明における「始動制御手段」が実現されている。
【００７３】
なお、実施の形態１のシステムの利点として、例えば、以下のような項目を見出すことが出来る。
【００７４】
燃料電池内部における不純物の悪影響を抑える手法としては、他には、例えば、特許文献１にも開示されているようなバッファタンクを用いる手法が考えられている。しかしながら、例えばシステム起動時に不純物ガスを全てバッファタンクに移すことを考えた場合、燃料電池スタック２内におけるアノード側のガス流路総容積（個々の燃料電池セル１０のアノードの容積や、スタック内のアノード側のマニホールドの容積などの総和）と同等の容積のタンクを準備する必要がある。車載用の燃料電池システムなどの場合においては、必要なバッファタンク容積が約１０リットル程度まで大きくなることも考えられる。システムの搭載スペースに限りがあるような場合は、バッファタンクに全面的に頼ることは現実的に難しい。
【００７５】
この点、実施の形態１によれば、燃料電池セルの内部の構造の工夫により燃料電池内部における不純物の悪影響を抑えることができる。よって、バッファタンクを用いないシステム構成も実現できるし、あるいは、バッファタンクを併用する場合にも小型のタンクで足りるなど、システム全体の小型化を実現することができる。
【００７６】
また、燃料電池内部における不純物の悪影響を抑える手法としては、上記のバッファタンクとは別に、水素ガスによる不純物ガスの圧縮手法がある。この手法は、システムの始動時にアノード下流のバルブ（実施の形態１のシステムではシャットバルブ５８）を閉じた状態で水素ガスを供給し、水素ガスの圧力によって燃料電池スタック内の窒素の体積を圧縮するという手法である。不純ガスを、燃料電池システムの中の燃料電池セル内（より厳密には、セル内の発電に関与する部分、すなわち発電部）よりも下流側の空間（具体的には、例えば、アノードガス排出マニホールド内や、その下流に接続した配管の内部）に圧縮することができれば、個々の燃料電池セルの発電部に水素ガスを存在させることができ、水素欠乏による悪影響を回避できる。
【００７７】
しかし、このように、不純物ガスを下流側の空間内に完全に圧縮するには、供給する水素ガスの圧力を相応に高めなければならない。燃料電池セル内では、膜電極接合体の耐久性を考慮すると、アノードとカソードとの間でつけられる差圧の大きさは限られてくる。従って、このような圧縮手法によってもなお、デッドエンド運転を行う燃料電池システムの起動方法としては十分ではない場合がある。
【００７８】
この点、シミュレーション結果でも示したように、アノード内の圧力が同じであったとしても、水素ガスを燃料電池セルの中央部寄りまで運んでからガス拡散層に供給することで燃料電池セル内の水素存在領域を広げることができる。従って、実施の形態１によれば、単に圧縮手法を用いるという場合に比べて、より低いアノード圧で、同等のシステム始動性能を実現することができる。
【００７９】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、シール層３０の寸法をＬ２を、Ｌ１の３４％の長さにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。上述したように、燃料電池セル１０の中央側へと水素ガスを導くという機能を実現するように、シール層３０の寸法Ｌ２を適宜好適な寸法に決定することができる。例えば、寸法Ｌ２を相対的に小さくし、実施の形態１よりもシール層３０を短くすることもできる。
【００８０】
（第２変形例）
実施の形態１では、シール材の材料として、金属ペーストを用いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、金属微粒子を混入させて導電性を付した樹脂材料などを用いてもよい。また、必ずしも導電性のシール材である必要はなく、非導電性のシール材、フッ素樹脂やシリコン樹脂などのシール材を用いてもよい。シール層３０が燃料（実施の形態１では水素）の透過を抑制可能な気密性を有するように、種々のシール材を選定すればよい。
【００８１】
また、シール材を非導電性材料とする場合には、シール材を含浸させる位置において多孔質体層１６の表面を露出させるように、シール材を深く含浸させることとしてもよい。これにより、非導電性のシール材を用いる場合でも、シール層３０を形成しつつ、多孔質体層１６とガス拡散層１４を直接接触させることができる。
【００８２】
（第２変形例）
シール層３０は、必ずしもシール材の含浸によるものではなくともよい。例えば、燃料（実施の形態１では水素）の透過を抑制可能な程度の気密性を有するフィルムを、シール層３０に代えて、ガス拡散層１４と多孔質体層１６との界面に挿入してもよい。
【００８３】
（第３変形例）
実施の形態１では、多孔質体層１６にシール材を含浸させたが、本発明はこれに限られるものではない。実施の形態１でシール層３０を設けた位置において、多孔質体層１６に代えてガス拡散層１４に対してシール材を含浸させることにより、シール層を形成してもよい。もちろん、両方にシール材を含浸させて、シール層を形成してもよい。
【００８４】
（第４変形例）
実施の形態１では、膜電極接合体１２のアノードの電極触媒層が、発電部Ｅおよびその周囲を囲う非発電部を備えている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。例えば電極触媒層の面内の全領域に渡って触媒が含まれている燃料電池セルに対しても、シール層３０を用いて本発明の思想を適用することができる。
【００８５】
なお、多孔質体層１６は、焼結多孔体以外にも、発泡金属、エキスパンドメタルなどの、種々の多孔質体を用いて形成することが可能である。
【００８６】
なお、下記（i）〜（iii）の運転状態は、デッドエンド運転状態に含まれるものとする。
【００８７】
（i）燃料電池セルのアノード極（アノード側のガス流路）からガスを排気させることなく、燃料電池の発電を継続的に行う運転状態。
【００８８】
（ii）アノード極内における不純物ガス（上記実施の形態では、電解質膜を介してカソードから透過してきた窒素などの反応非関与ガス）の分圧と、カソード極における不純物ガスとが、略つりあった状態（あるいは略等しくなった状態）で、燃料電池セルの発電を継続的に行う運転状態。換言すれば、アノードの不純物ガスの分圧を、カソードの不純物ガスの分圧まで上げた状態で発電する運転状態。
電解質膜はガスを透過する性質を有している。カソードとアノードとの間にガスの分圧差があると、この分圧差が縮小されるように電解質膜を介してガスが移動する。その結果、アノードとカソードにおける不純物ガスの分圧は、やがて略つりあった状態となる。（ii）の態様は、このような状態で発電を行う運転状態である。
【００８９】
（iii）燃料電池のアノードに供給された燃料（上記の実施の形態では、既述したように、水素を含む反応ガス）を、略全て、発電反応で消費する運転。
ここで、略全てとは、シール構造や電解質膜を介してアノード極の外へとリークしていった分の燃料を除き、供給された全ての燃料であることが好ましい。
【００９０】
なお、本発明は、常にではなく特定の状況下（例えば、小負荷時のみなど）に限ってデッドエンド運転を行う燃料電池に対しても、採用することができる。つまり、本発明の対象となる燃料電池システムは、必ずしも全ての発電帯域、運転領域でデッドエンド運転を行う燃料電池システムに限られるものではない。
【００９１】
なお、実施の形態１では、個々の燃料電池セル１０が開口２４を介してアノードガス排出マニホールドに接続し、このアノードガス排出マニホールドがガス排出用配管５６に接続している。そして、シャットバルブ５８の開閉により、燃料電池セル１０のアノードの下流の状態を、を開放状態と閉鎖状態との間で任意に切換えることができる。しかしながら、本発明は、このようなシステム構成のみに限定されるものではない。個々の燃料電池セル１０のアノードがガス入口だけを備えガス出口を備えていないような、アノードの下流が完全に閉鎖されている（「完全デッドエンド方式」とも呼ばれる）ようなシステムに、本発明を用いることができる。なお、このような完全デッドエンド方式のシステムでは、システムの構成上、前記第１の発明における「デッドエンド運転手段」が常時機能していることになる。
【００９２】
実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池セル７０を、燃料電池セル１０に代えて用いている点を除き、実施の形態１の燃料電池システムと同じ構成を備えている。以下、実施の形態２が実施の形態１と相違する点、つまり実施の形態２の特徴点について説明する。
【００９３】
図８は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池セル７０の断面図である。図３に示した燃料電池セル１０と同じ構成には、同一の符号を付している。実施の形態２の燃料電池セル７０は、多孔質体層１６に代えて多孔質体層７６を、シール層３０に変えてシール層８０を備えている点を除き、燃料電池セル１０と同じ構造である。
【００９４】
実施の形態２では、多孔質体層７６をラスメタルを用いて形成している。また、実施の形態２では、シール層８０を、多孔質体層７６とガス拡散層１４の間に、金属製の平板を挟み込むことにより形成している。図９は、図８における領域Ｂを拡大した図である。移流による多孔質体層７６内の水素ガスの移動を実線矢印Ｑ１で、ガス拡散層１４内の拡散による水素ガスの移動を破線矢印Ｑ２で、それぞれ示している。
【００９５】
実施の形態２の効果を、図１０に示す比較例と比較しながら説明する。図１０に示す比較例は、実施の形態１の構成と同様に、焼結多孔体の多孔質体層１１６と、多孔質体層１１６にシール材を含浸させることにより形成したシール層１３０とを備えている。
【００９６】
シール材を含浸させる場合、その含浸の度合いが適切であれば、図１０（ａ）に示すように、水素ガスの移動および遮断（つまり、ガス拡散層１４の面内の中央側への水素ガスの誘導）を適切に行うことができる。しかしながら、シール材の含浸の際に、シール材が多孔質体層の内部まで深く侵入しすぎると、図１０（ｂ）のように多孔質体層内のガスの移動経路が閉塞されるという不具合が生じてしまう。このような事態は、圧損の増加を招き、水素ガスの進行を阻害してしまう。この点、実施の形態２によれば、ラスメタルおよび金属製の平板を用いることにより、上記のような製造上の不具合の発生を抑えることができる。
【００９７】
また、ラスメタルや金属製の平板を用いれば、シール材の含浸による製造手法に比べて加工精度も高くでき、製造ばらつきを極力抑えることができる。なお、多孔質体層７６の厚みＤ３に対するシール層８０の厚み（即ち、金属製の平板の厚さ）Ｄ４は、実施の形態１と同じく、Ｄ４をＤ３の三分の一程度にすることができる。
【００９８】
尚、上述した実施の形態２では、シール層８０を形成している金属製の平板が、前記第３の発明における「導電性を有する板」に相当している。また、実施の形態２では、多孔質体層７６が、前記第４の発明における「ラスメタルで形成された層」に相当している。
【００９９】
なお、金属製の平板に限らず、導電性（電気伝導性）を有する材料で形成した板材を、実施の形態２のシール層８０を形成するために用いてもよい。
【０１００】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、多孔質体層とガス拡散層との間にシール層を挿入することにより、燃料電池セルの面内の中央側へと水素ガスを導いた。これに対し、実施の形態３では、セパレータ内にトンネル状のガス流路を形成し、このガス流路を用いて、燃料電池セルの面内の中央側へと水素ガスを導くこととする。
【０１０１】
図１１は、実施の形態３にかかる燃料電池セル９０を示す図である。燃料電池セル９０は、シール層３０を備えない点およびセパレータが異なる点を除き、実施の形態１の燃料電池セル１０と同様の構造を備えている。燃料電池セル９０は、３枚のプレート（９２ａ、９２ｂ、９２ｃ）を重ねて形成されたセパレータ９２を備えている。セパレータ９２には、ガス誘導路９４およびガス排出路９６が形成されている。
【０１０２】
ガス誘導路９４は燃料電池セル９０の紙面上方で、図示しないアノードガス供給マニホールドに接続する。ガス排出路９６は、図示しないアノードガス排出マニホールドに接続する。なお、このように、複数の平板プレートを重ねてセパレータを構成する多層セパレータ構造は、より具体的には、例えば、特開２００７−１４９４２７号公報に開示されているような技術を用いて実現することができる。
【０１０３】
ガス誘導路９４の下流端は、多孔質体層１６の表面に接続している。実施の形態３では、多孔質体層１６の端面から距離Ｚの位置で、ガス誘導路９４が多孔質体層１６に接続するようにしている。距離Ｚの大きさについては、実施の形態１のシール層３０の場合と同様に、燃料電池セル９０の中央側へと水素ガスを導くという機能を実現するように適宜好適な値に決定することができる。
【０１０４】
これにより、実施の形態１と同様に、水素ガスをセル面内の中央寄りに導く事ができる。なお、一枚の平板をセパレータとして用いる場合には、平板の内部に貫通路を設けて、実施の形態３のガス誘導路を実現してもよい。
【０１０５】
尚、上述した実施の形態３は、セパレータ９０が、前記第１の発明における「ガス供給用部材」に、ガス誘導路９４の入口が、前記第１の発明における「ガス入口」に、ガス誘導路９４が、前記第１の発明における「ガス誘導路」に、ガス誘導路９４の出口が、前記第１の発明における「ガス供給口」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明にかかる実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池セルの構成を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿って燃料電池セルを切断した場合の断面図である。
【図４】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための図である。
【図５】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための図である。
【図６】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための、比較例を示す図である。
【図７】実施の形態１の効果を実証するシミュレーション結果を説明するための図、比較例を示すである。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池セルの断面図である。
【図９】図８における領域Ｂを拡大した図である。
【図１０】実施の形態２に対する比較例を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池セルの断面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
２ 燃料電池スタック
１０ 燃料電池セル
１２ 膜電極接合体
１４ ガス拡散層
１６ 多孔質体層
２０ セパレータ
２１ ガス流入口
２２ 開口
２４ 開口
３０ シール層
４０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
５０ 燃料タンク
５２ ガス供給用配管
５４ バルブ
５６ ガス排出用配管
５８ シャットバルブ
６０ アノードガス供給マニホールド
７０ 燃料電池セル
７６ 多孔質体層
８０ シール層
９０ 燃料電池セル
９２ セパレータ
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ プレート
１１０ 燃料電池セル
１１４ ガス拡散層
１１６ 多孔質体層
１２０ セパレータ
１２１ ガス流入口
１２２ 開口
１２４ 開口
１３０ シール層
２１０ 比較用燃料電池セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノードに積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に重ねて備えられたガス供給用部材とを備えた燃料電池セルと、
燃料タンクと接続してその内部に燃料ガスが流通し、前記ガス供給用部材と接続して前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池セルのアノードの下流が閉鎖された状態で該燃料電池セルの発電を行うデッドエンド運転状態を、少なくとも一部の運転領域において実現することができるデッドエンド運転手段と、
を備えており、
前記ガス供給用部材が、
前記ガス拡散層の端面側の位置に設けられ前記燃料ガス供給通路と接続するガス入口と、
前記ガス入口に接続し、前記ガス拡散層と隔てられながら該ガス拡散層の面内の中央側に延びて、前記ガス入口に流入した燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導くガス誘導路と、
前記ガス誘導路と接続し該ガス誘導路を流れてきた燃料ガスを前記ガス拡散層へと供給することができるガス供給口と、
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給用部材は、
前記ガス拡散層に積層される多孔質体層と、
前記多孔質体層に重ねられ、前記ガス拡散層の端面側の位置において前記燃料ガス供給通路に接続するガス流入口と、該ガス流入口に流入した燃料ガスを該多孔質体層へと吐出するガス吐出口と、を備えた集電板と、
前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に備えられ、該ガス拡散層の前記ガス吐出口側の端部の側から該界面の中央側へと延在するシール層と、
を含む構成であり、
前記多孔質体層のうち前記シール層によって前記ガス拡散層から隔てられた第１部位が、前記ガス誘導路として燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導き、
前記多孔質体層のうち前記シール層によるシールを受けずに前記ガス拡散層と接続している第２部位が、前記ガス供給口として燃料ガスを該ガス拡散層に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記シール層は、前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に挿入された、導電性を有する板であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記多孔質体層は、ラスメタルで形成された層であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記膜電極接合体の前記ガス拡散層側の電極触媒層は、
該電極触媒層の面内の中央の領域に設けられた、触媒を含む第１領域と、
該電極触媒層の前記面内に前記第１領域を囲うように位置する、触媒を実質的に含まずに設けられた第２領域と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
システムの始動時に、前記デッドエンド運転状態を実現した状態で前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を行う始動制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノードに積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に重ねて備えられたガス供給用部材とを備えた燃料電池セルと、
燃料タンクと接続してその内部に燃料ガスが流通し、前記ガス供給用部材と接続して前記燃料電池セルのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池セルのアノードの下流が閉鎖された状態で該燃料電池セルの発電を行うデッドエンド運転状態を、少なくとも一部の運転領域において実現することができるデッドエンド運転手段と、
を備えており、
前記ガス供給用部材が、
前記ガス拡散層の端面側の位置に設けられ前記燃料ガス供給通路と接続するガス入口と、
前記ガス入口に接続し、前記ガス拡散層と隔てられながら該ガス拡散層の面内の中央側に延びて、前記ガス入口に流入した燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導くガス誘導路と、
前記ガス誘導路と接続し該ガス誘導路を流れてきた燃料ガスを前記ガス拡散層へと供給することができるガス供給口と、
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給用部材は、
前記ガス拡散層に積層される多孔質体層と、
前記多孔質体層に重ねられ、前記ガス拡散層の端面側の位置において前記燃料ガス供給通路に接続するガス流入口と、該ガス流入口に流入した燃料ガスを該多孔質体層へと吐出するガス吐出口と、を備えた集電板と、
前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に備えられ、該ガス拡散層の前記ガス吐出口側の端部の側から該界面の中央側へと延在するシール層と、
を含む構成であり、
前記多孔質体層のうち前記シール層によって前記ガス拡散層から隔てられた第１部位が、前記ガス誘導路として燃料ガスを該ガス拡散層の面内の中央側へと導き、
前記多孔質体層のうち前記シール層によるシールを受けずに前記ガス拡散層と接続している第２部位が、前記ガス供給口として燃料ガスを該ガス拡散層に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記シール層は、前記ガス拡散層と前記多孔質体層の界面に挿入された、導電性を有する板であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記多孔質体層は、ラスメタルで形成された層であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記膜電極接合体の前記ガス拡散層側の電極触媒層は、
該電極触媒層の面内の中央の領域に設けられた、触媒を含む第１領域と、
該電極触媒層の前記面内に前記第１領域を囲うように位置する、触媒を実質的に含まずに設けられた第２領域と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
システムの始動時に、前記デッドエンド運転状態を実現した状態で前記燃料電池セルへの燃料ガスの供給を行う始動制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−１３４９４８（Ｐ２００９−１３４９４８Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０９２４７（Ｐ２００７−３０９２４７）
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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