(57)【要約】【課題】燃料電池の拡散層の含水量の測定を可能とし、その測定に基いて燃料電池の運転を行うようにすることである。【解決手段】燃料電池３０は、電解質膜４６を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ、触媒層４２，４８と、拡散層３８，５０と、多孔質電極層３６，５２と、セパレータ３２，５４が配置される。カソード側のセパレータ３２は、他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極３４，３５を有し、カソード側の触媒層４２は、カソード側のセパレータ３２における一組の測定用電極３４，３５が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層４４を有する。一組の測定用電極３４，３５は、モード切替部５６が測定モードに切り替えられるとき、コールコールプロット測定部５８に接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池の含水量を評価して運転するシステムにおいて、
カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって電極層における一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層を有するカソード側触媒層と、を含む燃料電池と、
燃料電池の運転停止を行う停止手段と、
燃料電池の運転停止状態において、燃料電池の電極層の一組の測定用電極と他の部分との間について、相互に分離する測定モードまたは相互に接続する運転モードに切り替える切替手段と、
切替手段によって測定モードに切り替えられた状態で、電極層の一組の測定用電極の間のインピーダンスを測定する測定手段と、
測定手段によって測定される静電容量値が予め定めた所定値であって、拡散層の含水量が予め定めた閾値であるときの所定値よりも大きいか否かを判断する判断手段と、
静電容量値が所定値よりも大きい場合に、拡散層の含水量が閾値より多いとして、燃料電池に掃気用ガスを供給して水分を掃気する掃気手段と、
静電容量値が所定値よりも小さい場合に、拡散層の含水量が閾値より少ないとして、切替手段を運転モードに切り替え、燃料電池の起動を行う起動手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
静電容量値と拡散層の含水量との関係を予め求めて記憶する記憶部を備え、
判断手段は、拡散層の含水量を予め定めた閾値としたときの静電容量値を読み出し、これを予め定めた所定値として用いて判断を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池の含水量を測定する方法において、
カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって電極層における一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層を有するカソード側触媒層と、を含む燃料電池を準備する工程と、
燃料電池の運転停止を行う停止工程と、
燃料電池の運転停止状態において、燃料電池の電極層の一組の測定用電極と他の部分との間について、相互に分離する測定モードまたは相互に接続する運転モードに切り替える切替工程と、
切替手段によって測定モードに切り替えられた状態で、電極層の一組の測定用電極の間のインピーダンスを測定する測定工程と、
測定手段によって測定される静電容量値に基いて拡散層の含水量を取得する含水量取得工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池含水量測定方法。
【請求項４】
電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池において、
カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって、他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、
カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって、電極層における一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層を有するカソード側触媒層と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池含水量測定方法及び燃料電池に係り、特に燃料電池の含水量を評価して運転を行う燃料電池システム、燃料電池の含水量を評価する燃料電池含水量測定方法及び含水量の評価に適した構造の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、例えば車両等に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、電解質膜とその両側に配置された電極層、拡散層、触媒層が積層されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒｅｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、その両側に設けられるセパレータとを基本構成要素とするものである。ここで、セパレータは、電力を取り出す機能と共に、燃料ガスと酸化ガスを供給し、反応生成水を排出する機能を有する。そして、燃料電池のアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出すことができる。
【０００３】
燃料電池は、このように燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって電力を取り出すものであるが、その反応の結果としてカソード側に水が生成される。この水がＭＥＡの内部または流路等に滞留すると、酸化ガスの電解質膜への供給が妨げられ、燃料電池の発電効率の低下等が生じる。特に、氷点下においては凍結により始動が困難になる場合がある。そこで、水分の滞留があるとＭＥＡのインピーダンスが低くなることを利用して、ＭＥＡの水分を測定し、測定の結果に応じて酸化ガス等を過剰に流す掃気、あるいはパージを行い、生成水を排出することが行われる。
【０００４】
燃料電池のＭＥＡの水分評価としては、燃料電池の両電極、すなわちカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとの間に高周波信号をかけて、燃料電池の両電極間のインピーダンスを測定する方法が用いられる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池システムとして、高周波インピーダンス法で燃料電池セルのインピーダンスを測定する際、同じインピーダンスでも、燃料電池セルの含水量が多いと、掃気時のインピーダンスの上昇速度が遅いことを開示している。ここでは、同じインピーダンスで掃気を止めると、含水量の多い状態では、セパレータ内に残留する水分が多くなるので、予め、初期のインピーダンス上昇速度と、掃気処理終了を判定するためのインピーダンス値を予め求めておき、これによって掃気終了制御を行うことが述べられている。
【０００６】
特許文献２には、燃料電池の特性測定装置として、本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極を設け、カソード本電極とアノード本電極の間に、周波数、直流電流値、重畳交流電流振幅を設定する電子負荷制御部と電流計測手段とを直列に接続し、カソード本電極とカソード分割電極との間の電圧Ｖｃａ、アノード本電極とアノード分割電極との間の電圧Ｖａｎと、カソード本電極とアノード本電極の間の電圧Ｃｃｅｌｌを測定し、ＶｃａとＶａｎから得られるインピーダンス測定値の実数部と虚数部の特性図を、等価回路モデルでフィッティングし、その回路定数からＶｃｅｌｌの等価回路定数を決定し、シミュレーションを実施することが開示されている。これによって、燃料電池の電圧損失がカソード側で生じたかアノード側で生じたかを含め、燃料電池性能評価を効果的に行うことができると述べられている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４９５７２号公報
【特許文献２】特開２００７−２６５８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、燃料電池のＭＥＡの水分評価としては、燃料電池の両電極の間に高周波信号をかけて、燃料電池の両電極間のインピーダンスを測定することが行われる。両電極間に水分があると、静電容量成分が増加するが、両電極の間に含水量の分布の偏りがあると、各場所における容量が並列接続される形となるので、最も含水量の多い部分を測定することになる。また、燃料電池は、電解質膜を挟んでその両側に、触媒層、拡散層、電極層が順次積層されるが、両電極間のインピーダンスの測定においては、これらのどの層にどの程度の含水量があるのかが不明である。特に、これらの中で膜厚の厚い拡散層に水が含まれることが多いことが考えられるが、電解質膜がもともと容量成分を有しているので、その容量測定値に拡散層の容量値が埋もれてしまい、拡散層の含水量の測定が困難である。
【０００９】
特に、拡散層に液水が存在する状態で燃料電池が氷点下になった場合には、拡散層内
の液水が氷結し、燃料電池の氷点下始動の際に問題が生じえる。すなわち、燃料電池の始動によって触媒層から発生する生成水は過冷却水であるため、この過冷却水が拡散層内で氷に接触すると、この氷が氷核となって過冷却水自体が凍結し、発電性能が低下することが生じえる。これを防ぐには、酸化ガス等を掃気ガスとして供給し、掃気を行えばよいが、拡散層内の水分の評価が困難なため、掃気をどの程度行えばよいかの判断が困難である。
【００１０】
本発明の目的は、燃料電池の拡散層の含水量の測定を可能とし、その測定に基いて運転を行う燃料電池システムを提供することである。他の目的は、燃料電池の拡散層の含水量の測定を可能とする燃料電池含水量測定方法を提供することである。さらに他の目的は、拡散層の含水量の測定に適した構造の燃料電池を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池の含水量を評価して運転するシステムにおいて、カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって電極層における一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層を有するカソード側触媒層と、を含む燃料電池と、燃料電池の運転停止を行う停止手段と、燃料電池の運転停止状態において、燃料電池の電極層の一組の測定用電極と他の部分との間について、相互に分離する測定モードまたは相互に接続する運転モードに切り替える切替手段と、切替手段によって測定モードに切り替えられた状態で、電極層の一組の測定用電極の間のインピーダンスを測定する測定手段と、測定手段によって測定される静電容量値が予め定めた所定値であって、拡散層の含水量が予め定めた閾値であるときの所定値よりも大きいか否かを判断する判断手段と、静電容量値が所定値よりも大きい場合に、拡散層の含水量が閾値より多いとして、燃料電池に掃気用ガスを供給して水分を掃気する掃気手段と、静電容量値が所定値よりも小さい場合に、拡散層の含水量が閾値より少ないとして、切替手段を運転モードに切り替え、燃料電池の起動を行う起動手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、静電容量値と拡散層の含水量との関係を予め求めて記憶する記憶部を備え、判断手段は、拡散層の含水量を予め定めた閾値としたときの静電容量値を読み出し、これを予め定めた所定値として用いて判断を行うことが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池含水量測定方法は、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池の含水量を測定する方法において、カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって電極層における一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層を有するカソード側触媒層と、を含む燃料電池を準備する工程と、燃料電池の運転停止を行う停止工程と、燃料電池の運転停止状態において、燃料電池の電極層の一組の測定用電極と他の部分との間について、相互に分離する測定モードまたは相互に接続する運転モードに切り替える切替工程と、切替手段によって測定モードに切り替えられた状態で、電極層の一組の測定用電極の間のインピーダンスを測定する測定工程と、測定手段によって測定される静電容量値に基いて拡散層の含水量を取得する含水量取得工程と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池は、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池において、カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって、他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって、電極層における一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積で他の部分と分離して設けられる測定領域触媒層を有するカソード側触媒層と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池として、カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって他の部分と分離して設けられ一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積の測定領域触媒層を有するカソード側触媒層とを含む。
【００１６】
この構造は、カソード側の触媒層の一方側の面に接触するように、測定用の２つの分離電極を設ける。従来技術では、カソード電極とアノード電極をそのまま測定用に用いている。したがって、触媒層の平面に沿った方向で、２つの分離電極間のインピーダンスを測定することができる。つまり、拡散層自体のインピーダンスを直接測定することができる。また、触媒層を測定領域に限定して分離しているので、電解質膜の静電容量の影響をその測定領域の面積分に制限することができ、拡散層のインピーダンスの静電容量成分の測定の誤差を抑制することができる。このようにして、上記構造の燃料電池を用意することで、拡散層のインピーダンスを精度よく測定できる。
【００１７】
燃料電池の拡散層は、例えばカーボンを含む膜であるので、水分を含まないときは、ほとんど抵抗成分のみで静電容量成分が小さい。水分を含むと、静電容量成分が増加する。したがって、この静電容量成分の増加分を測定することで、拡散層内の含水量を評価することができる。
【００１８】
燃料電池システムは、運転中は、２つの分離電極である測定用電極が電極層のその他の部分と接続されて、一体の電極層として機能する。そして、運転が停止されると、電極層の他の部分と測定用電極との間が分離され、拡散層のインピーダンスの測定が行われ、静電容量値の測定値に基いて拡散層内の含水量の評価判断が行われる。静電容量値が予め定めた所定値よりも大きい場合に、拡散層の含水量が閾値より多いとして、燃料電池に掃気用ガスが供給されて水分が掃気され、静電容量値が所定値よりも小さくなると、測定用電極が他の部分の電極層と接続されて、燃料電池の起動が行われる。
【００１９】
このように、カソード側の触媒層の一方側の面に接触する一組の分離電極を設けることで、燃料電池の拡散層の含水量の測定を可能とし、その測定に基いて燃料電池の運転を行うことができる。
【００２０】
また、燃料電池システムにおいて、静電容量値と拡散層の含水量との関係を予め求めて記憶し、拡散層の含水量を予め定めた閾値としたときの静電容量値を読み出し、これを予め定めた所定値として用いて判断を行う。これにより、静電容量値から含水量を容易に換算できる。
【００２１】
また、上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池含水量測定方法は、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と電極層が配置される燃料電池として、カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって他の部分と分離して設けられ一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積の測定領域触媒層を有するカソード側触媒層とを含むものを用いる。
【００２２】
燃料電池をこのような構造とすることで、拡散層自体のインピーダンスを直接測定するし、電解質膜の静電容量の影響をその測定領域の面積分に制限することができる。そして、燃料電池の運転停止を行い、燃料電池の電極層の一組の測定用電極と他の部分との間について、相互に分離する測定モードに切り替え、電極層の一組の測定用電極の間のインピーダンスを測定し、測定される静電容量値に基いて拡散層の含水量を取得する。このようにして、実際に運転される燃料電池について、その停止時に拡散層の含水量を測定できる。
【００２３】
また、上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池は、カソード側の拡散層の一方側の面に接触している電極層であって他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極を有するカソード側電極層と、カソード側の拡散層の他方側の面に接触している触媒層であって他の部分と分離して設けられ一組の測定用電極が配置される領域の面積と同じ大きさの面積の測定領域触媒層を有するカソード側触媒層とを含む。
【００２４】
燃料電池をこのような構造とすることで、拡散層自体のインピーダンスを直接測定するし、電解質膜の静電容量の影響をその測定領域の面積分に制限することができ、精度よく拡散層の含水量を評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池として１つのセルの構造を説明するが、実際の燃料電池システムとして、複数のセル、つまり複数の単位電池を組み合わせて所望の出力電力を得るようにした燃料電池スタックの形式とすることができる。また、以下では、燃料電池の構造として、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ、触媒層と拡散層と多孔質電極層とセパレータとが配置されるものとして説明するが、機能的に、触媒機能、ガスの拡散機能、ガスと水が流れることができる電極機能、筐体的な電極機能を有する構造であればよく、これ以外の要素を含んでもよい。
【００２６】
また、燃料電池システムとして、アノード側に、水素タンク、レギュレータ、水素循環ポンプ、三方弁が配置され、カソード側に、大気源、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）、調圧弁、希釈器が配置されるものとして説明するが、これは説明のための一例であって、これ以外の要素、例えば、酸化ガス加湿器、冷却水系統、ガスバイパス系統等を付加することができる。
【００２７】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２８】
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す図である。この燃料電池システム１０は、水素を燃料ガスとし、大気を酸化ガスとし、電解質膜を含む燃料電池３０において電気化学反応によって燃料ガスと酸化ガスを反応させて所望の電力を得ることができるシステムである。このシステムにおいては、燃料ガスの供給と酸化ガスの供給とを制御することで、所望の電力が出力されるように運転制御を行うことができるが、ここでは特に、燃料電池３０の拡散層の含水量を評価し、その評価に基いて燃料電池の掃気と起動を制御する機能を有する。さらに特には、燃料電池３０の拡散層の含水量の評価に基いて、氷点下における燃料電池３０の起動制御を行う機能を有する。
【００２９】
燃料電池システム１０は、システム本体部１１と、システム本体部１１の各要素の作動を全体として制御する制御部６０とを含んで構成される。システム本体部１１は、燃料電池３０と、燃料電池３０のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。
【００３０】
燃料電池３０は、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と多孔質電極層とセパレータが配置される構造を有し、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。燃料電池３０の構造の詳細は、モード切替部５６とコールコールプロット測定部（Ｃ／Ｃ測定部）５８の説明と合わせて後述する。
【００３１】
アノード側の水素ガス源１２は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源１２に接続されるレギュレータ１４は、水素ガス源１２からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ１４の出力口は燃料電池３０のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池３０に供給される。
【００３２】
燃料電池３０のアノード側出口に接続される分流器（ＤＶ）１６は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、図示されていない排気バルブを通して希釈器２６に流すためのものである。また、分流器（ＤＶ）１６の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器（ＨＰ）１８は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００３３】
カソード側の酸化ガス源２０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源２０である大気は図示されていないフィルタを通してからエアコンプレッサ（ＡＣＰ）２２に供給される。ＡＣＰ２２は、図示されていないモータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ２２は、制御部６０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。これによって、適当な流量の加圧酸化ガスが燃料電池３０に供給される。
【００３４】
燃料電池３０のカソード側出口に設けられる調圧弁２４は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池３０への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。調圧弁２４の出力口は、希釈器２６に接続される。希釈器２６は、燃料電池３０のアノード側の使用済みガスである水素を含むガスを、カソード側の使用済みガスで希釈して外部に排出する機能を有する。
【００３５】
ここで燃料電池３０の構造を説明する。図２は燃料電池３０の断面図と、これに関連して設けられるモード切替部５６と、コールコールプロット測定部（Ｃ／Ｃ測定部）５８の配置を示す図である。図２の燃料電池３０の断面図では、紙面の上方がカソード側で、紙面の下方がアノード側である。
【００３６】
この燃料電池３０は、固体高分子型燃料電池と呼ばれるもので、電解質膜４６を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ、触媒層４２，４８と、拡散層３８，５０と、多孔質電極層３６，５２と、セパレータ３２，５４が配置される。通常の固体高分子型燃料電池は、電解質膜４６を挟んでほぼ対称の構造を有するが、図２では、セパレータ３２，５４と、多孔質電極層３６，５２と、触媒層４２，４８が、カソード側とアノード側で異なっている。
【００３７】
電解質膜４６は、プロトン伝導性ポリマーで、例えば商品名ナフィオン等を用いることができる。
【００３８】
触媒層４２，４８は、電解質膜４６の両面にそれぞれ積層される薄膜で、Ｐｔ等を含む触媒合金を担持したカーボン粉末を材料とするものを用いることができる。
【００３９】
拡散層３８，５０は、電解質膜４６の両面にそれぞれ触媒層４２，４８が積層された積層体のその両面にそれぞれ積層される薄膜である。拡散層３８，５０は、触媒層４２，４８に燃料ガス、酸化ガスを拡散させて触媒層４２，４８および電解質膜４６に運びこみ、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応で生成される水等を運び出し、また電気エネルギを取り出す機能を有する膜である。拡散層３８，５０としては、カーボン繊維あるいはカーボン粉末を材料とするものを用いることができる。
【００４０】
拡散層３８，５０は、触媒層４２，４８、電解質膜４６に比べれば厚い数１００μｍ程度の膜厚を有する。なお、図２には、カソード側の拡散層３８に含まれる水分４０が模式的に示されている。この水分の量が、拡散層含水量測定の測定対象となる。
【００４１】
多孔質電極層３６，５２は、電解質膜４６の両面にそれぞれ触媒層４２，４８と拡散層３８，５０が積層された積層体のその両面にそれぞれ積層される電極層である。多孔質電極層３６，５２は、多孔質、すなわちポーラスな金属層で、燃料ガス、酸化ガス、水を通しながら、電気エネルギを取り出す機能を有する。
【００４２】
セパレータ３２，５４は、積層体構造を有する燃料電池３０の両側を保持する機能と共に、電極としての機能を有し、例えば金属板等で構成される。セパレータ３２，５４は、燃料ガス、酸化ガス、水を通さない材質が用いられるので、燃料ガスを流すための流路、酸化ガスを流すための流路、水を排出するための流路がそれぞれ加工によって形成される。
【００４３】
多孔質電極層３６，５２とセパレータ３２，５４は、その機能が異なることから相互に異なる材質を用いて構成されるが、共に電気エネルギを取り出す導体であることでは共通するので、これらを合わせて単に電極層と呼ぶこともできる。
【００４４】
このように、拡散層３８，５０に注目すると、拡散層３８，５０の一方側の面に電極層が接触し、他方側の面に触媒層が接触している構造となっている。
【００４５】
一般的な固体電解質燃料電池では、電解質膜４６を挟んで、その両側のカソード側とアノード側に、それぞれ対称的に触媒層、拡散層、電極層が形成されるが、図２の例では、電極層であるセパレータ３２，５４および多孔質電極層３６，５２と、触媒層４２，４８が、カソード側とアノード側とで異なっている。
【００４６】
すなわち、アノード側は、一般的な固体電解質燃料電池と同様に、各層がそれぞれ均一な層で形成されるが、カソード側においては、拡散層３８の含水量の測定のために、他の部分と独立した測定領域が形成される。この拡散層３８の含水量の測定のための測定領域は、図２の例では燃料電池３０において１箇所設けられているが、必要に応じ、数箇所設けるものとしてもよい。
【００４７】
その様子を図３に示す。図３の上段の図は、カソード側のセパレータ３２の測定領域を示す平面図で、カソード側の多孔質電極層３６も同様の形状、寸法の平面図となる。また、図３の下段の図は、カソード側の触媒層４２の測定領域を示す平面図である。図３の上段の平面図と下段の平面図とは、破線で対応位置が示されているように、積層状態でちょうど測定領域が重なるようにして図示されている。
【００４８】
すなわち、カソード側のセパレータ３２は、他の部分３３と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用電極３４，３５を有する。また、ここでは図示していないが、カソード側の多孔質電極層３６も、他の部分と互いに絶縁分離して設けられる一組の測定用多孔質電極を有する。この２つの分離電極である測定用電極３４，３５が配置される領域が、カソード側のセパレータ３２における測定領域である。
【００４９】
また、カソード側の触媒層４２は、他の部分４３から絶縁分離して測定領域触媒層４４
が設けられる。この測定領域触媒層４４は、カソード側のセパレータ３２に設けられる一組の測定用電極３４，３５、および多孔質電極層３６に設けられる一組の測定用多孔質電極が配置される領域の面積と同程度の大きさの面積を有する。同程度の大きさとは、後述するように、電解質膜４６等の静電容量の影響を抑制するのに十分な小ささであればよい。一つの目安は、拡散層３８に一組の測定用多孔質電極が接触する接触部の面積Ａと余り変らない程度の大きさとするもので、例えば、Ａの０．８倍から２倍程度とすることができる。この測定領域触媒層４４が、カソード側の触媒層４２における測定領域である。
【００５０】
モード切替部５６は、セパレータ３２における一組の測定用電極３４，３５と、セパレータ３２における他の部分３３との間について、相互に分離する測定モードまたは相互に接続する運転モードに切り替える切替手段である。モード切替部５６は、制御部６０の制御の下で作動する。具体的には、燃料電池３０が運転中のときに、測定用電極３４，３５はセパレータ３２の他の部分３３と接続されて一体化された電極層として機能する。このモードが運転モードである。また、燃料電池３０が停止して、カソード側の拡散層３８の水分４０の量を測定しようとするときは、測定用電極３４，３５は、セパレータ３２の他の部分３３と電気的に絶縁分離した状態の分離電極として機能し、コールコールプロット測定部（Ｃ／Ｃ測定部）５８による測定が可能とされる。このモードが測定モードである。
【００５１】
コールコールプロット測定部（Ｃ／Ｃ測定部）５８は、一組の測定用電極３４，３５の間の測定対象物のインピーダンスを測定する機能を有する高周波インピーダンス測定器である。コールコールプロット測定部５８は、一組の測定用電極３４，３５の間に直流バイアスと、これに重畳する高周波電圧信号とを供給し、一組の測定用電極３４，３５と測定対象物とで形成されるループを流れる高周波電流信号を検出し、高周波電圧信号と高周波電流信号に基いて、その周波数におけるインピーダンスを求める機能を有する。なお、コールコールプロットとは、高周波信号の角速度ω＝２πｆを変化させてインピーダンスの変化の軌跡を実数軸と虚数軸の平面上で示すものである。コールコールプロット測定部５８の測定データは、制御部６０に伝送される。
【００５２】
このような構成の燃料電池３０を用いることで、カソード側の拡散層３８における含水量を精度よく測定し評価することができる。すなわち、カソード側の拡散層３８の一方側の面に接触するように、２つの分離電極である測定用電極３４，３５が設けられるので、触媒層の平面に沿った方向で、２つの分離電極間のインピーダンスを測定することができる。従来技術では、カソード電極とアノード電極をそのまま測定用に用いているので、カソード側の拡散層３８以外の要素のインピーダンスが含まれている。つまり、カソード側の拡散層３８の一方側の面に２つの分離電極を立てることで、カソード側の拡散層３８自体のインピーダンスを直接測定することができる。
【００５３】
また、カソード側の触媒層４２について、測定領域触媒層４４をこの分離電極の測定領域に限定して分離しているので、電解質膜４６の静電容量の影響をその測定領域の面積分に制限することができる。これによって、カソード側の拡散層３８のインピーダンスの静電容量成分の測定の誤差を抑制することができる。このようにして、燃料電池３０を上記構造とすることで、カソード側の拡散層３８のインピーダンスを精度よく測定できる。
【００５４】
上記構造を有する燃料電池３０について、一組の測定用電極３４，３５の間の等価回路のモデルを図４、図５を用いて説明する。図４は、燃料電池３０に水分が全く含まれないとして場合の等価回路で、図５は、燃料電池３０に水分が含まれるときの等価回路である。これらの図で、左側の図には、電解質膜４６、測定領域触媒層４４、カソード側の拡散層３８、カソード側の多孔質電極層３６、カソード側のセパレータ３２における等価回路成分が分かるように、各層の間の境界が破線で示されている。右側の図は、左側の等価回路成分をまとめて１つの等価回路図としたものである。
【００５５】
図４は、燃料電池３０に水分が全くないとしたときの等価回路である。なお、セパレータと多孔質電極層の抵抗成分は全体から見ると小さい値であるので、カソード側のセパレータ３２、カソード側の多孔質電極層３６のインピーダンス成分は無視してある。
【００５６】
拡散層は、上記のようにカーボン繊維、カーボン粉末等を材料とする薄膜であるので、これに水分が全く含まれないとするときは抵抗成分のみがあると考えることができる。したがって、カソード側の拡散層３８について、測定用電極３４，３５の間のインピーダンスは抵抗成分８０で表すことができる。同様に、カソード側の拡散層３８とカソード側の測定領域触媒層４４との界面におけるインピーダンスも、抵抗成分８２のみで表すことができる。
【００５７】
触媒層と電解質膜についても、ここに水分が全くなければ、抵抗成分で表すことができるが、電解質膜はその構造上、静電容量成分を含む。静電容量を含む部分は一般的に抵抗成分も含むので、これを、静電容量（Ｃ）と抵抗成分（Ｒ）が並列に接続されたものにさらに抵抗成分（Ｒ）が直列に接続されたもので示すことができる。そこで、カソード側の測定領域触媒層４４とカソード側の電解質膜４６の等価回路は、この静電容量を含む部分の等価回路に抵抗成分が並列接続された複合成分８４で示すことができる。
【００５８】
燃料電池３０は、電解質膜４６を挟んで、アノード側にも触媒層４８、拡散層５０、多孔質電極層５２、セパレータ５４が配置されるが、この部分の等価回路もカソード側と同様に考えることができる。すなわち、電解質膜４６と触媒層４８における等価回路は、上記複合成分８４と同様の内容と考えることができ、触媒層４８と拡散層５０の界面、および拡散層５０の内部についての等価回路は、抵抗成分と考えることができる。そこで、電解質膜４６からアノード側の要素についての等価回路を、先ほどの複合成分８４に繰り入れて表すことができる。
【００５９】
以下では、図４における複合成分８４は、カソード側の測定領域触媒層４４とカソード側の電解質膜４６の等価回路を示すものであるが、その回路定数を変更して、アノード側の各要素の等価回路における成分を含んでいるものとする。このときの触媒層は、測定領域触媒層４４であるので、電解質膜４６以降のアノード側の各要素の寄与は、この測定領域触媒層４４の領域に相当するものに限定される。したがって、測定領域触媒層４４の面積を適当に小さくして、インピーダンス測定におけるこの複合成分８４の寄与を抑制することができる。
【００６０】
このように考えると、カソード側のセパレータ３２に、他の部分と分離して設けられる一組の測定用電極３４，３５の間における燃料電池３０の等価回路は、図４の右側にまとめられた形となる。つまり、燃料電池３０に水分が含まれないときは、一組の測定用電極３４，３５の間における燃料電池３０の等価回路は、抵抗成分８０に、抵抗成分８２と複合成分８４が直列接続された成分が、互いに並列接続されたものとなる。ここで、抵抗成分８０は、カソード側の拡散層３８の抵抗成分であり、抵抗成分８２は、カソード側の拡散層３８とカソード側の測定領域触媒層４４との間の界面における抵抗成分であり、複合成分８４は、カソード側の測定領域触媒層４４からアノード側にある各要素についての複合成分に相当する。
【００６１】
図５は、燃料電池３０に水分が含まれる場合の等価回路を示す図である。膜中に含まれる水分は、水分の抵抗成分と共に静電容量成分を有する。そこで、水分に関する等価回路を、上記の複合成分８４と同様に、抵抗と静電容量を含む複合成分で示すことができる。
【００６２】
したがって、カソード側の拡散層３８に水分が含まれるときの等価回路は、図４の抵抗成分８０から、複合成分８１に変化することになる。同様に、カソード側の拡散層３８とカソード側の測定領域触媒層４４の界面における等価回路も、図４の抵抗成分８２から、複合成分８３に変化することになる。また、カソード側の測定領域触媒層４４から電解質膜４６を経てアノード側の各要素についての等価回路は、形式上は図４の複合成分８４と同じ複合成分であるが、水分を含むことで各回路定数が変更された複合成分８５となる。
【００６３】
これをまとめると、燃料電池３０に水分が含まれる場合の一組の測定用電極３４，３５の間における燃料電池３０の等価回路は、図５の右側の形となる。つまり、燃料電池３０に水分が含まれるときは、一組の測定用電極３４，３５の間における燃料電池３０の等価回路は、抵抗と静電容量とを含む第１の複合成分８１に、第２の複合成分８３と第３の複合成分８５が直列接続された成分が、互いに並列接続されたものとなる。ここで、第１の複合成分８１は、カソード側の拡散層３８の水分による静電容量を含む複合成分であり、第２の複合成分８３は、カソード側の拡散層３８とカソード側の測定領域触媒層４４との間の界面における水分による静電容量を含む複合成分であり、第３の複合成分８５は、カソード側の測定領域触媒層４４からアノード側にある各要素についての水分による静電容量について回路定数を変更した複合成分に相当する。
【００６４】
図４と図５に示されるように、一組の測定用電極３４，３５の間における燃料電池３０の等価回路は、燃料電池３０に水分が全く含まれないとしたときに比べ、カソード側の拡散層３８に水分４０が含まれることによって、静電容量成分が並列接続されることになる。なお、電解質膜４６以降の各要素についての複合成分８５にも静電容量成分が付加されることになるが、上記のように、測定領域触媒層４４の面積を適当に小さくして、インピーダンス測定におけるこの複合成分８５の寄与を抑制することができる。
【００６５】
このように、カソード側の拡散層３８一方側の面に一組の測定用電極３４，３５を他の電極部分から分離して接触させ、この一組の測定用電極３４，３５が配置される領域の面積と同程度の面積の測定領域触媒層４４を他の触媒層と分離して設けることで、カソード側の拡散層３８の水分４０をインピーダンス測定によって評価することができる。
【００６６】
図６は、一組の測定用電極３４，３５の間の燃料電池３０のインピーダンスについてコールコールプロット測定部５８を用いて得られたコールコールプロット図を複数まとめてマップ６４とした例を示す図である。測定する機能を有する測定器である。ここでは、拡散層３８における水分４０の量である含水量を変化させて、コールコールプロット図がどのように変化するかが示されている。図６において、横軸はインピーダンスＺの実数部であり、縦軸はインピーダンスＺの虚数部である。コールコールプロット図は、高周波インピーダンス測定において、高周波信号の周波数をｆとして、角速度ω＝２πｆを変化させることで得ることができる。
【００６７】
ここで、特性線９０は、拡散層３８の含水量が閾値含水量のときの閾値コールコールプロット図である。閾値含水量は、燃料電池システム１０の実際の運転において発電効率の低下程度から定めることができる。具体的には、氷点下における燃料電池システム１０の起動において、その発電効率を予め定めてある許容発電効率の下限閾値と比較し、許容発電効率の下限閾値のときのコールコールプロット図を閾値コールコールプロット図とすることができる。これに代えて、種々の実験結果等から、拡散層３８の含水量が燃料電池システム１０の運転上限界とされる値を予め求めておき、その含水量を閾値含水量とすることができる。この場合には、拡散層３８がその閾値含水量を有する状態の燃料電池３０のインピーダンスを一組の測定用電極３４，３５で測定し、得られたコールコールプロット図を閾値コールコールプロット図とすることができる。
【００６８】
図６において、特性線９２は、拡散層３８の含水量が閾値含水量未満のときの閾値コールコールプロット図である。特性線９４，９６は、拡散層３８の含水量が閾値含水量を超えるときの閾値コールコールプロット図であり、特性線９６の方が特性線９４に比べ、拡散層３８の含水量が多い。このように、拡散層３８の含水量が増加するに応じて、コールコールプロット図は、インピーダンスＺの実数部、すなわち抵抗成分の値が減少し、インピーダンスＺの虚数部、すなわち静電容量成分の値が増加する。
【００６９】
したがって、マップ６４を予め準備しておけば、コールコールプロット測定部５８における高周波信号の角速度ωを与えて、測定されたインピーダンスＺの実数部と虚数部の値から、拡散層３８の含水量を求めることができる。また、その求められた含水量が閾値含水量を超えているか否かを判断することもできる。
【００７０】
また、コールコールプロット測定部５８における高周波信号の角速度ωを一定とする場合には、マップ６４から、閾値含水量に対応する閾値静電容量値Ｃ0を予め定めることができる。この閾値静電容量値Ｃ0を用いることで、コールコールプロット測定部５８の実測静電容量値が閾値静電容量値Ｃ0を超えるか否かの判断を行うことができる。
【００７１】
再び図１に戻り、記憶部６２は、制御部６０と接続され、プログラム等を記憶する機能のほかに、ここでは特に、コールコールプロット図に関するマップ６４を記憶する。マップ６４は、図６で説明した内容のもので、コールコールプロット測定部５８の高周波インピーダンス測定における角速度ωと、拡散層３８の含水量と、インピーダンスＺの関係を示すものである。例えば、角速度ωと、インピーダンスＺを検索キーとして拡散層３８の含水量を読み出すことができる。また、角速度ωと、インピーダンスＺを検索キーとして、拡散層３８の含水量と閾値含水量との大小関係を読み出すことができる。あるいは、角速度ωと、インピーダンスＺの静電容量値を検索キーとして、この静電容量値と閾値静電容量値Ｃ0との大小関係を読み出すことができる。
【００７２】
コールコールプロット図の記憶は、マップ形式のほかに、角速度ωと、拡散層３８の含水量と、インピーダンスＺの関係等をテーブル化したルックアップテーブルの形式とすることができる。あるいは、角速度ωと、拡散層３８の含水量と、インピーダンスＺの関係等を数式化して、例えば、角速度ωとインピーダンスＺとを入力して拡散層３８の含水量を出力する関数形式としてもよい。
【００７３】
制御部６０は、システム本体部１１の各要素をシステム全体として制御する機能を有するが、ここでは特に、燃料電池３０の拡散層３８の含水量を求め、その含水量に基いて燃料電池システム１０の起動停止等の制御を行う機能を有する。かかる制御部は、適当なコンピュータ等で構成することができる。
【００７４】
制御部６０は、システム本体部１１の起動停止を含む運転制御を行う起動停止モジュール６６と、モード切替部５６の作動を測定モードと運転モードとの間で切り替える測定・運転切替モジュール６８と、コールコールプロット測定部５８によって測定されたデータを取得する測定モジュール７０と、コールコールプロット測定部５８の測定結果に基いて拡散層３８の含水量の状態を判断する含水量判断モジュール７２と、拡散層３８の含水量の判断に基いてシステム本体部１１において掃気を行う掃気モジュール７４を含んで構成される。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。
【００７５】
図７は、制御部６０による各機能の作用を説明するもので、燃料電池３０の拡散層３８の含水量を求め、その含水量に基いて燃料電池システム１０の起動停止等の制御を行う手順を示すフローチャートである。各手順は、燃料電池運転プログラムの中の含水量に基く運転処理における各処理手順に対応する。
【００７６】
ここでは、システム本体部１１における発電停止から出発する（Ｓ１０）。この工程は、外部からの運転停止指令等に基き、制御部６０の起動停止モジュール６６の機能によって実行される。発電停止のときは、次の起動に備えて、予め定めた内容の掃気が行われる（Ｓ１２）。この工程は、制御部６０の掃気モジュール７４の機能によって実行される。その後、燃料電池３０が外気温度と同じとなるように、適当な時間経過をおくために放置される（Ｓ１４）。
【００７７】
そして、モード切替部５６において運転モードから測定モードに切り替えられ、コールコールプロット測定部５８において高周波インピーダンス法によって一組の測定用電極３４，３５を用いたコールコールプロット測定が行われ、その結果が取得される（Ｓ１６）。この工程は、制御部６０の測定・運転切替モジュール６８と測定モジュール７０の機能によって実行される。
【００７８】
コールコールプロット測定は、高周波信号の角速度ωを変化させてインピーダンスに関するコールコールプロット特性線を測定することで行われる。このように、コールコールプロット特性線の全体を測定して取得することで、記憶部６２に記憶される各特性線との比較が容易となる。また、コールコールプロット特性線を測定し取得するほかに、高周波信号の角速度ωを一定として、そのときのインピーダンス値、あるいは静電容量値を測定し、取得するものとしてもよい。
【００７９】
つぎに、コールコールプロット測定の結果と、記憶部６２のマップ６４とを比較し、拡散層３８の含水量を求め、その含水量が閾値含水量以下か否かを判断する。あるいは、これに代えて、実測された静電容量値Ｃが、閾値静電容量値Ｃ0以下か否かを判断する（Ｓ１８）。この工程は、制御部６０の含水量判断モジュール７２の機能によって実行される。
【００８０】
そして、閾値静電容量値が氷点下起動に対して設定された内容であるときは、Ｓ１８の判断において、判断が否定されると、氷点下起動に対して拡散層３８の含水量が多すぎるとして、Ｓ１２に戻り、予め定めた範囲の掃気等が再度繰り返されて実行される。そして、Ｓ１８の判断が肯定されると、氷点下起動が行われる（Ｓ２０）。この工程は、制御部６０の起動停止モジュール６６の機能によって実行される。このように、燃料電池３０の拡散層３８の含水量を求め、その含水量に基いて燃料電池システム１０の適切な掃気、起動停止等の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係る実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、燃料電池の断面図と、これに関連して設けられるモード切替部と、コールコールプロット測定部の配置を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、カソード側のセパレータについての一組の測定用電極と、カソード側の触媒層についての測定領域触媒層との関係説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、燃料電池に水分が全く含まれないとした場合の等価回路である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、燃料電池に水分が含まれる場合の等価回路である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、コールコールプロット図を複数まとめてマップとした例を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、燃料電池の拡散層の含水量を求め、その含水量に基いて燃料電池システムの起動停止等の制御を行う手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１０  燃料電池システム、１１  システム本体部、１２  水素ガス源、１４  レギュレータ、１６  分流器、１８  循環昇圧器、２０  酸化ガス源、２２  ＡＣＰ、２４  調圧弁、２６  希釈器、３０  燃料電池、３２，５４  セパレータ、３３  （セパレータの）他の部分、３４，３５  測定用電極、３６，５２  多孔質電極層、３８，５０  拡散層、４０  水分、４２，４８  触媒層、４３  （触媒層の）他の部分、４４  測定領域触媒層、４６  電解質膜、５６  モード切替部、５８  コールコールプロット測定部、６０  制御部、６２  記憶部、６４  マップ、６６  起動停止モジュール、６８  測定・運転切替モジュール、７０  測定モジュール、７２  含水量判断モジュール、７４  掃気モジュール、８０，８２  抵抗成分、８１，８３，８４，８５  複合成分、９０，９２，９４，９６  特性線。
【図１】
2010040283.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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