(57)【要約】【課題】電解質膜の含有水分量を正確に測定にすることができる水分量測定装置を提供する。【解決手段】固体高分子膜からなる電解質膜１１１を有して空気と水素とを電気化学反応させて電気エネルギを出力するセル１０ａを複数積層配置して構成された燃料電池１０に適用され、複数のセル１０ａにおける少なくとも１つのセル（センサセル）１００ａの電解質膜１１１の含有水分量を測定する水分量測定装置であって、センサセル１００ａの電解質膜１１１と同一平面上において電解質膜１１１の外周縁部に当接して配置され、電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤する膨潤部材１３２と、膨潤部材１３２の膨潤量を検出する膨潤量検出機構１３３と、センサセル１００ａの温度を検出するセル温度センサ１０２と、膨潤量検出手段１３３の検出値およびセル温度センサ１０２の検出値に基づいて電解質膜１１１の含有水分量を測定する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解質膜（１１１）を有して酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する燃料電池セル（１０ａ）を複数積層配置して構成された燃料電池（１０）に適用され、前記複数の燃料電池セル（１０ａ）における少なくとも１つの燃料電池セル（１００ａ）の前記電解質膜（１１１）の含有水分量を測定する水分量測定装置であって、
前記少なくとも１つの燃料電池セル（１００ａ）における前記電解質膜（１１１）の同一平面上において前記電解質膜（１１１）の外周縁部に当接して配置され、前記電解質膜（１１１）に含まれる水分を吸湿して膨潤する膨潤部材（１３２）と、
前記膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出する膨潤量検出手段（１３３）と、
前記膨潤部材（１３２）が配置された燃料電池セル（１００ａ）の温度を検出するセル温度検出手段（１０２）と、
前記電解質膜（１１１）の含有水分量を測定する水分量測定手段とを備え、
前記水分量測定手段は、前記膨潤量検出手段（１３３）の検出値および前記セル温度検出手段（１０２）の検出値に基づいて前記電解質膜（１１１）の含有水分量を測定することを特徴とする水分量測定装置。
【請求項２】
前記膨潤部材（１３２）は、膨潤室（１３１）内に配置され、
前記膨潤室（１３１）は、前記膨潤部材（１３２）が前記電解質膜（１１１）に含まれる水分を吸湿した場合に、前記膨潤部材（１３２）が前記燃料電池セル（１０ａ）の積層方向に直交する方向であって、前記電解質膜（１１１）から遠ざかる方向にのみ膨潤することを許容するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水分量測定装置。
【請求項３】
前記電解質膜（１１１）の両側には、一対の電極（１１２、１１３）が配置されており、
前記膨潤部材（１３２）は、前記一対の電極（１１２、１１３）と接触しないように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の水分量測定装置。
【請求項４】
前記膨潤量検出手段（１３３）は、前記膨潤部材（１３２）に埋設されて前記膨潤部材（１３２）の膨潤量に応じて移動する磁性体（１３３ａ）と、前記磁性体（１３３ａ）の位置を検出する位置検出手段（１３３ｂ）とを有して構成され、前記位置検出手段（１３３ｂ）の検出値に基づいて前記膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水分量測定装置。
【請求項５】
前記膨潤量検出手段（１３３）は、前記膨潤部材（１３２）に当接して配置されて前記膨潤部材（１３３）の膨潤量に応じて生ずる押圧力を検出する圧力センサ（１３３ｃ）を有して構成され、前記圧力センサ（１３３ｃ）の検出値に基づいて前記膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水分量測定装置。
【請求項６】
前記膨潤部材（１３２）は、前記電解質膜（１１１）よりも親水性基の割合が多い構造としていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の水分量測定装置。
【請求項７】
前記膨潤部材（１３２）は、少なくとも前記燃料電池（１０）の積層方向の一端側の燃料電池セル（１００ａ）、および前記燃料電池（１０）の積層方向の中央側の燃料電池セル（１００ａ）に設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の水分量測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の水分量測定装置（１００）を適用した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（１０）の内部水分量を制御する水分量制御手段（５０）を備え、
前記水分量制御手段（５０）は、前記水分量測定手段で測定した前記電解質膜（１１１）の含有水分量に基づいて前記燃料電池（１０）の内部水分状態を判定し、前記燃料電池（１０）の内部水分量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の含有水分量を測定する水分量測定装置、およびこれを適用した燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池では、燃料電池の内部水分量、すなわち電解質膜の含有水分量が少なく、電解質膜が乾燥している場合、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、電解質膜の含有水分量が過剰である場合、燃料電池の電解質膜、電極等が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
従って、燃料電池システムにおいては、燃料電池の内部水分状態、すなわち電解質膜の含有水分量を適切に管理する技術が重要となる。そこで、電解質膜の含有水分量と相関関係を有する燃料電池（燃料電池スタック）の内圧を略一定に保持するように燃料電池に関わるパラメータを調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、燃料電池の冷却機構を制御して燃料電池の運転温度を調整して等を行い、燃料電池セルの内圧を略一定に保持することで、燃料電池の内部水分状態、すなわち電解質膜の含有水分量の適切な管理を図っている。
【特許文献１】特開２００６−２３６９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池セルにおける電解質膜の含有水分量は、各燃料電池セルにおいてバラツキが生じる。理由としては、燃料電池では、例えば積層方向の両端側と中央位置では燃料電池セルの温度が異なり、電解質膜の含有水分量にバラツキが生じるためである。従って、電解質膜の含有水分量を適切に管理するためには、燃料電池セルの温度のバラツキを考慮する必要がある。
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、電解質膜の含有水分量を検出する手段は何ら開示されていない。さらに、特許文献１では、燃料電池の運転温度、すなわち燃料電池全体の温度に基づいて、電解質膜の含有水分量を調整しているため、各燃料電池セルにおける電解質膜の含有水分量にバラツキが生じる。その結果、特許文献１に記載の手段では、燃料電池セルの電解質膜の含有水分状態を適切に管理することができないといった問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、電解質膜の含有水分量を正確に測定することができる水分量測定装置を提供することを第１の目的とする。さらに、本発明は、電解質膜の含有水分量の適切な管理を行なうことを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１１１）を有して酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する燃料電池セル（１０ａ）を複数積層配置して構成された燃料電池（１０）に適用され、複数の燃料電池セル（１０ａ）における少なくとも１つの燃料電池セル（１００ａ）の電解質膜（１１１）の含有水分量を測定する水分量測定装置であって、少なくとも１つの燃料電池セル（１００ａ）における電解質膜（１１１）の同一平面上において電解質膜（１１１）の外周縁部に当接して配置され、電解質膜（１１１）に含まれる水分を吸湿して膨潤する膨潤部材（１３２）と、膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出する膨潤量検出手段（１３３）と、膨潤部材（１３２）が配置された燃料電池セル（１００ａ）の温度を検出するセル温度検出手段（１０２）と、電解質膜（１１１）の含有水分量を測定する水分量測定手段とを備え、水分量測定手段は、膨潤量検出手段（１３３）の検出値およびセル温度検出手段（１０２）の検出値に基づいて電解質膜（１１１）の含有水分量を測定することを特徴とする。
【０００８】
このように、水分量測定装置を膨潤量検出部（１３０）で検出する膨潤部材（１３２）の膨潤量および膨潤量検出部（１３０）が設けられた燃料電池セル（１００ａ）の温度に基づいて、電解質膜（１１１）の含有水分量を測定する構成とすることで、各燃料電池セル（１０ａ）における温度のバラツキが生じたとしても電解質膜（１１１）の含有水分量を正確に測定することができる。
【０００９】
ところで、複数の燃料電池セル（１０ａ）が複数積層配置される場合、燃料電池セル（１０ａ）同士の連結によって、膨潤部材（１３２）が燃料電池セル（１０ａ）の積層方向に膨潤しにくくなっている。つまり、膨潤量検出手段で燃料電池セル（１０ａ）の積層方向への膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出しにくくなっている。
【００１０】
そこで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、膨潤部材（１３２）は、膨潤室（１３１）内に配置され、膨潤室（１３１）は、膨潤部材（１３２）が電解質膜（１１１）に含まれる水分を吸湿した場合に、膨潤部材（１３２）が燃料電池セル（１０ａ）の積層方向に直交する方向であって、電解質膜（１１１）から遠ざかる方向にのみ膨潤することを許容するように設けられていることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、膨潤部材（１３２）が燃料電池セル（１０ａ）の積層方向に直交する方向であって、電解質膜（１１１）から遠ざかる方向にのみ膨潤するため、膨潤量検出手段で膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出しやすくすることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の発明において、電解質膜（１１１）の両側には、一対の電極（１１２、１１３）が配置されており、膨潤部材（１３２）は、一対の電極（１１２、１１３）と接触しないように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
このように、膨潤部材（１３２）と一対の電極（１１２、１１３）とが接触しないように配置することで、膨潤部材（１３２）を、発電に寄与しない部位に配置することができる。これにより、膨潤部材（１３２）を燃料電池（１０）の発電に伴う膜痩せ等の劣化から保護することができる。従って、膨潤部材（１３２）の劣化による膨潤量の検出誤差が生じるのを抑制することができるため、電解質膜（１１１）の含有水分量を正確に測定することができる。
【００１４】
また、具体的には、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の発明において、膨潤量検出手段（１３３）を、膨潤部材（１３２）に埋設されて膨潤部材（１３２）の膨潤の変化に応じて移動する磁性体（１３３ａ）と、磁性体（１３３ａ）の位置を検出する位置検出手段（１３３ｂ）とを有し、位置検出手段（１３３ｂ）の検出値に基づいて膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出するようにしてもよい。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の発明において、膨潤量検出手段（１３３）を、膨潤部材（１３２）に当接して配置されて膨潤部材（１３３）の膨潤に応じて生ずる押圧力を検出する圧力センサ（１３３ｃ）を有し、圧力センサ（１３３ｃ）の検出値に基づいて膨潤部材（１３２）の膨潤量を検出するようにしてもよい。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明のように、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の発明において、膨潤部材（１３２）を電解質膜（１１１）よりも親水性基の割合が多い構造とすることで、膨潤部材（１３２）を電解質膜（１１１）に含まれる水分を吸湿しやすい構造とすることができる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の発明において、膨潤部材（１３２）は、少なくとも燃料電池（１０）の積層方向の一端側の燃料電池セル（１００ａ）、および燃料電池（１０）の積層方向の中央側の燃料電池セル（１００ａ）に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このように、少なくとも燃料電池（１０）の積層方向の一端側と中央側のセルといった燃料電池セル（１０ａ）の温度が異なる箇所で電解質膜（１１１）の含有水分量測定することで、燃料電池（１０）の積層方向における内部水分量の分布を測定することができる。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の水分量測定装置（１００）を適用した燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１０）の内部水分量を制御する水分量制御手段（５０）を備え、水分量制御手段（５０）は、水分量測定手段で測定した電解質膜（１１１）の含有水分量に基づいて燃料電池（１０）の内部水分状態を判定し、燃料電池（１０）の内部水分量を制御することを特徴とする。
【００２０】
これによれば、水分量測定装置（１００）で正確に測定した電解質膜（１１１）の含有水分量に基づいて燃料電池（１０）の積層方向における水分状態を判定することができるため、燃料電池（１０）の内部水分量を適切に管理することができる。
【００２１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。図１は、本実施形態の水分量測定装置１００を適用した燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
【００２３】
まず、燃料電池システムは、図１に示すように、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、図示しない車両走行用電動モータ、二次電池、車両用各種補機類等の電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。
【００２４】
より具体的には、燃料電池１０は、基本単位となる燃料電池セル１０ａ（以下、単にセル１０ａと記載する。）が複数個、電気的に直列に接続されて構成されたものである。各セル１０ａでは、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
【００２５】
（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
さらに、燃料電池１０から出力される電気エネルギは、燃料電池１０全体として出力される電圧を検出する電圧センサ１１、および、燃料電池１０全体として出力される電流を検出する電流センサ１２によって計測される。なお、電圧センサ１１および電流センサ１２の検出信号は、後述する制御装置５０に入力されている。
【００２６】
また、燃料電池１０の空気極（正極）側には、酸化剤ガスである空気（酸素）を燃料電池１０に供給するための空気供給配管２０ａ、並びに、燃料電池１０にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１０から外気へ排出するための空気排出配管２０ｂが接続されている。
【００２７】
空気供給配管２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気排出配管２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。
【００２８】
さらに、空気供給配管２０ａおよび空気排出配管２０ｂには、空気調圧弁２３から流出した空気の有する湿度（水蒸気）を空気ポンプ２１から圧送された空気へ移動させるための加湿器２２が設けられている。この加湿器２２は、複数本の中空糸にて構成されており、燃料電池１０へ供給される空気を加湿する機能を果たす。
【００２９】
燃料電池１０の水素極（負極）側には、燃料ガスである水素を燃料電池１０に供給するための水素供給配管３０ａ、水素極側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１０から外気へ排出するための水素排出配管３０ｂが接続されている。さらに、水素供給配管３０ａおよび水素排出配管３０ｂは、水素循環配管３０ｃを介して接続されている。
【００３０】
水素供給配管３０ａの最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給配管３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。
【００３１】
水素排出配管３０ｂには、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、水素極側において生成水は発生しないものの、水素極側には、酸素極側から各セル１０ａの電解質膜を透過した生成水が溜まるおそれがある。そこで、本実施形態では、水素排出配管３０ｂおよび電磁弁３４を設けている。
【００３２】
水素循環配管３０ｃは、水素供給配管３０ａの水素調圧弁３２下流側と水素排出配管３０ｂの電磁弁３４上流側とを接続するように設けられている。これにより、燃料電池１０から流出した未反応の水素を、燃料電池１０に循環させて再供給している。また、水素循環配管３０ｃには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が配置されている。
【００３３】
ところで、燃料電池１０は発電効率を確保するために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水回路４０が接続されている。この冷却水回路４０には、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させるウォータポンプ４１、電動ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。
【００３４】
さらに、冷却水回路４０には、冷却水を、ラジエータ４３を迂回するように流すバイパス流路４４が設けられている。冷却水回路４０とバイパス流路４４との合流点には、バイパス流路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。この流路切替弁４５の弁開度が調整されることによって、冷却水回路４０の冷却能力が調整される。
【００３５】
また、冷却水回路４０の燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段としての冷却水温度センサ４６が設けられている。この冷却水温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。なお、この冷却水温度センサ４６の検出信号も、制御装置５０に入力される。
【００３６】
制御装置５０は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。
【００３７】
具体的には、制御装置５０の入力側には、上述の電圧センサ１１、電流センサ１２および冷却水温度センサ４６の検出信号等の他に、後述する水分量測定装置１００のから出力される検出信号が入力される。一方、出力側には、上述の空気ポンプ２１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、電磁弁３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の各種電気式アクチュエータが接続されている。
【００３８】
次に、本実施形態の水分量測定装置１００の詳細について説明する。水分量測定装置１００は、燃料電池１０の積層方向の両端側、および中央側に配置された３つのセンサセル１００ａ、センサセル１００ａの温度を検出するセル温度センサ１０２、後述する膨潤量検出部１３０の各配置箇所に対応する部位の水分量を測定して制御装置５０へ出力する信号処理回路５１を備えて構成されている。
【００３９】
まず、図２〜図４によりセンサセル１００ａの概要について説明する。図２は燃料電池１０の外管斜視図、図３は燃料電池内の温度分布を説明する説明図、図４はセンサセル１００ａの分解図を示している。
【００４０】
図２に示すように、センサセル１００ａは、燃料電池１０の内部水分状態がセル１０ａの温度に影響を受けることを考慮して、燃料電池１０におけるセル１０ａの積層方向の両端側、および中央側に配置されている。ここで、燃料電池１０の運転中における温度分布は、図３に示すように、中央側のセルで高温となり、両端側のセルで低温となっている。
【００４１】
センサセル１００ａは、図４に示すように、後述する電解質膜１１１の両側に一対の電極１１２、１１３を配置した四角形状の膜電極接合体１１０を、一対のセパレータ１２０で狭持する構成となっている。
【００４２】
なお、図示しないが、一対のセパレータ１２０における膜電極接合体１１０の外周縁部の各角部に対応する部位の近傍には、膜電極接合体１１０に空気および水素を供給するためのマニホールド、および膜電極接合体１１０から空気および水素を排出するためのマニホールドがそれぞれ形成されている。
【００４３】
そして、センサセル１００ａには、膜電極接合体１１０の外周縁部における各角部から外方側に突出するように４つの膨潤量検出部１３０が設けられている。つまり、膜電極接合体１１０に空気および水素を供給・排出するためのマニホールドの近傍に各膨潤量検出部１３０が設けられる構成となっている。これは、空気および水素を供給・排出するためのマニホールドの近傍で電解質膜１１１の含有水分量にバラツキが生じやすいためである。
【００４４】
次に、図５、図６によりセンサセル１００ａの詳細について説明する。図５は、センサセル１００ａの膜電極接合体１１０をセル１０ａの積層方向から見た透視図であり、図６は、本実施形態におけるセンサセル１００ａの部分断面図である。ここで、図６は、図５のＡ−Ａ断面図に対応している。なお、各膨潤量検出部１３０の内部構成はそれぞれ同等な構成となっているため、図６で示す膨潤量検出部１３０の内部構成を代表して説明し、他の膨潤量検出部１３０の説明を省略する。
【００４５】
図５、図６に示すように、センサセル１００ａは、電解質膜１１１、触媒層１１２、および拡散層１１３からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１１０と、一対のセパレータ１２０とを備えている。電解質膜１１１の両外側には、触媒層１１２が配置され、各触媒層１１２の外側には拡散層１１３が配置されており、各拡散層１１３の外側には、セパレータ１２０が配置されている。
【００４６】
ここで、触媒層１１２および拡散層１１３は、各電極（負極（水素極）、正極（空気極））を構成している。触媒層１１２は、カーボン担体に電気化学反応を促進する触媒（白金等）を担持させたカーボン担持白金触媒等で構成され、拡散層１１３は、導電体でかつ液体水分保持性能を有するカーボンクロス等で構成されている。
【００４７】
また、一対のセパレータ１２０は、空気極と対向する面に空気極に空気を供給するための空気通路１２１ａが形成されたセパレータ１２１と水素極と対向する面に水素極に水素を供給するための水素通路１２２ａが形成されたセパレータ１２２からなる。各セパレータ１２０は、導電性金属又はカーボン材よりなる板状部材で構成されている。
【００４８】
そして、センサセル１００ａには、膜電極接合体１１０の外周縁部の各角部からセル１０ａの積層方向に直交する方向であって膜電極接合体１１０から遠ざかる方向に突出するように４つの膨潤量検出部１３０が設けられている。
【００４９】
具体的には、各膨潤量検出部１３０は、各セパレータ１２０間における膜電極接合体１１０の外周縁部の各角部に対応する位置に区画形成された膨潤室１３１、電解質膜１１１と同一平面状において電解質膜１１１の外周縁部と当接して配置され、電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤する膨潤部材１３２、および膨潤部材１３２の膨潤量を測定する膨潤量検出手段を構成する膨潤量検出機構１３３を有して構成されている。なお、膨潤部材１３２は、膨潤室１３１内に配置されている。
【００５０】
膨潤室１３１は、膨潤部材１３２が電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿した場合に、膨潤部材１３２がセル１０ａの積層方向に直交する方向であって電解質膜１１１から遠ざかる方向（以下、膨潤方向とも呼ぶ）にのみ膨潤することを許容するように区画形成されている。
【００５１】
具体的には、膨潤室１３１は、膨潤部材１３２と電解質膜１１１とが当接する部位における電解質膜１１１の外周縁部に沿う方向（以下、膨潤室１３１、膨潤部材１３２の幅方向とも呼ぶ）の寸法は、膨潤部材１３２が幅方向に膨潤しないように、膨潤部材１３２の幅方向と同一寸法となっている。つまり、膨潤室１３１の幅方向の壁面によって、膨潤部材１３２が幅方向に膨潤することを規制している。
【００５２】
さらに、膨潤室１３１は、膨潤部材１３２の膨潤方向における一端側（電解質膜１１１に近い側）の壁面が、膨潤部材１３２と電解質膜１１１とが当接可能に開口している。また、膨潤室１３１は、膨潤部材１３２の膨潤方向における他端側（電解質膜１１１から遠い側）の壁面が膨潤部材１３２と隙間が空くように区画形成されている。
【００５３】
さらに、膨潤部材１３２は、電解質膜１１１と同一平面状に配置される構成であるため、膨潤部材１３２は、電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿すると、膨順方向にのみ膨潤する。なお、膨潤部材１３２は、膨潤室１３１内の膨潤部材１３２の膨潤方向における他端側に形成された隙間を埋めるように膨潤する。
【００５４】
ここで、本実施形態の膨潤部材１３２は、電解質膜１１１と同様の材料、例えば、スルホン酸フルオロポリマ、ナフィオン（登録商標）等で構成され、電解質膜１１１同様に水分を含有する。つまり、膨潤部材１３２は、電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤する構成となっている。
【００５５】
また、膨潤部材１３２は、電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤するため、電解質膜１１１の含有水分量が多い場合は、膨潤部材１３２の膨潤量が多く、電解質膜１１１の含有水分量が少ない場合は、膨潤部材１３２の膨潤量が少ない状態となる。このように、電解質膜１１１の含有水分量と膨潤部材１３２の膨潤量とは、密接な相関関係を有している。
【００５６】
なお、膨潤部材１３２は、電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿しやすいように電解質膜１１１よりも親水性基（親水性のスルホン酸基）の割合が多い構造（例えば、電解質膜１１１よりも微細なクラスタ構造）を有する材料を用いてもよい。この場合、膨潤部材１３２がより膨潤しやすくなるため、膨潤量検出部１３０で膨潤量を検出しやすくすることができる。
【００５７】
また、上述のように膨潤部材１３２は、膜電極接合体１１０の外周縁部に形成された膨潤室１３１内に配置される構成であるため、膨潤部材１３２の両側面が一対の電極１１２、１１３と接触しないように配置される構成となっている。すなわち、膨潤部材１３２は、センサセル１００ａにおける発電に寄与しない部位に配置される構成となっている。
【００５８】
次に、本実施形態の膨潤量検出機構１３３は、膨潤部材１３２に埋設された磁性体１３３ａ、および磁性体１３３ａの位置を検出する位置検出手段である近接センサ１３３ｂで構成されている。
【００５９】
この磁性体１３３ａは、膨潤部材１３２に埋設されているため、膨潤部材１３２が電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤（体積変化）すると、膨潤部材１３２の膨潤方向に移動する。
【００６０】
また、近接センサ１３３ｂは、セパレータ１２０における膨潤部材１３２の膨潤方向の外側に配設されている。そのため、磁性体１３３ａは、膨潤部材１３２が電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤すると、近接センサ１３３ｂに近づくように移動することとなる。
【００６１】
つまり、近接センサ１３３ｂで検出する磁性体１３３ａの位置が近接センサ１３３ｂに対して近いほど膨潤部材１３２の膨潤量が多く、磁性体１３３ａの位置が近接センサ１３３ｂに対して遠いほど膨潤部材１３２の膨潤量が少ない状態となる。
【００６２】
また、膨潤部材１３２には、セル温度センサ１０２が設けられている。このセル温度センサ１０２は、膨潤部材１３２の温度変化によって吸湿できる水分量が変化することを考慮して設けられており、各膨潤量検出部１３０の膨潤部材１３２の温度を検出している。なお、セル温度センサ１０２は、膨潤部材１３２の温度を直接検出する構成でなくとも、間接的にセンサセル１００ａの温度を検出する構成としてもよい。
【００６３】
次に、本実施形態の燃料電池１０の内部水分量制御について図７に基づいて説明する。図７は、制御装置５０のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量制御の流れを示すフローチャートである。図７の制御フローは、燃料電池システムの作動後にスタートする。
【００６４】
まず、ステップＳ１０にて、各センサセル１００ａの各膨潤量検出部１３０における膨潤量検出機構１３３で、膨潤部材１３２の膨潤量を検出する。具体的には、膨潤部材１３２に埋設された磁性体１３３ａの位置を近接センサ１３３ｂで検出する。
【００６５】
そして、近接センサ１３３ｂの検出値と膨潤部材１３２とを関連付けた制御マップ等を用いて、近接センサ１３３ｂの検出値から膨潤部材１３２の膨潤量を検出する。なお、この制御マップは、予め実験等で作成し、制御装置５０のＲＯＭ等に記憶しておけばよい。
【００６６】
次に、ステップＳ２０にて、各センサセル１００ａの各膨潤量検出部１３０におけるセル温度センサ１０２で、それぞれの膨潤部材１３２の温度を検出する。
【００６７】
次に、ステップＳ３０で、各膨潤量検出部１３０で検出した膨潤部材１３２の膨潤量とセル温度センサ１０２で検出した温度から各センサセル１００ａ内の各膨潤量検出部１３０における電解質膜１１１の含有水分量を測定する。具体的には、膨潤部材１３２の膨潤量およびセンサセル１００ａの温度と、電解質膜１１１の含有水分量とを関連付けた制御マップを用いて、各膨潤量検出部１３０の検出値とセル温度センサ１０２の検出値から電解質膜１１１の含有水分量を測定する。
【００６８】
なお、膨潤部材１３２の膨潤量および温度と電解質膜１１１の含有水分量とを関連付けた制御マップは、予め実験等で作成し、制御装置５０のＲＯＭ等に記憶しておけばよい。
【００６９】
次に、ステップＳ４０で、燃料電池１０の内部水分状態が、ドライアップ状態か否かを判定する。このドライアップ状態か否かの判定は、ステップＳ３０で測定した各センサセル１００ａ内の各膨潤量検出部１３０で検出した電解質膜１１１の含有水分量に基づいて行なう。具体的には、各センサセル１００ａ内の各膨潤量検出部１３０で測定した電解質膜１１１の含有水分量の最小値若しくは平均値等が、予め実験等により設定した乾燥基準量を下回る場合にドライアップ状態と判定することができる。
【００７０】
ステップＳ４０でドライアップ状態と判定された場合には、ステップＳ５０でドライアップ対策処理を行なう。ドライアップ対策処理としては、例えば、空気調圧弁２３を閉鎖側に絞るとともに、燃料電池１０の負荷率を増加される処理を行なえばよい。
【００７１】
これによれば、空気調圧弁２３を閉鎖側に絞ることで、各セル１０ａへの加湿器２２で加湿された空気量を増加させることができる。また、燃料電池１０の負荷率を増加させることで燃料電池１０の発電に伴う生成水が増加する。従って、各セル１０ａにおける電解質膜１１１の含有水分量を増加させることができ、ドライアップ状態を解消することができる。なお、燃料電池１０の負荷率は、定格負荷に対する割合を意味している。
【００７２】
一方、ステップＳ４０でドライアップ状態と判定されなかった場合には、ステップＳ６０で燃料電池１０の水分状態がフラッディング状態か否かを判定する。このフラッディング状態か否かの判定は、ステップＳ３０で測定した電解質膜１１１の含有水分量に基づいて行なう。具体的には、各センサセル１００ａ内の各膨潤量検出部１３０で測定した電解質膜１１１の含有水分量の最大値若しくは平均値等が、予め実験等により設定した湿潤基準量を上回る場合にフラッディング状態と判定する。
【００７３】
ステップＳ６０でフラッディング状態と判定された場合には、ステップＳ７０でフラッディング対策処理を行なう。フラッディング対策処理としては、例えば、空気調圧弁２３若しくは水素排出配管３０ｂの電磁弁３４を開放側に開くとともに、空気ポンプ２１からの空気の供給量の増加若しくは水素調圧弁３２を開放側に開く処理を行なえばよい。
【００７４】
これによれば、空気調圧弁２３若しくは電磁弁３４を開放側に開くことで、排出ガスととともに電解質膜１１１に含まれる水分を外部に排出することができる。また、空気ポンプ２１からの空気の供給量の増加、若しくは水素調圧弁３２を開放側に開くことで、電解質膜１１１に含まれる水分を外部に排出し易くすることができる。従って、各セル１０ａにおける電解質膜１１１の含有水分量を減少させることができ、フラッディング状態を解消することができる。
【００７５】
なお、上述のステップＳ３０の処理が、本発明の水分量測定手段に相当し、ステップＳ４０〜ステップＳ７０の処理が、本発明の水分量制御手段に相当している。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態の構成では、各膨潤量検出部１３０において検出する膨潤部材１３２の膨潤量およびセル温度センサ１０２で検出する膨潤部材１３２の温度に基づいて、電解質膜１１１の含有水分量を測定する構成とすることで、各セル１０ａにおける温度のバラツキが生じたとしても、電解質膜１１１の含有水分量を正確に測定することができる。
【００７７】
さらに、電解質膜１１１と同一平面状に配置した膨潤部材１３２にて水分を吸湿する構成とすることで、電解質膜１１１が厚さ方向に膨潤して他の構成（セパレータ１２０等）と干渉することを抑制することができる。
【００７８】
また、膨潤部材１３２を配置する膨潤室１３１を発電に寄与しない部位に設ける構成とすることで、膨潤部材１３２を燃料電池１０の発電に伴う膜痩せ等の劣化から保護することができる。従って、膨潤部材１３２の劣化による膨潤量の検出誤差が生じるのを抑制することができるため、電解質膜１１１の含有水分量を正確に測定することができる。
【００７９】
また、水分量測定装置１００で正確に測定した電解質膜１１１の含有水分量に基づいて燃料電池１０の積層方向における水分状態を判定することができるため、燃料電池１０の内部水分量を適切に管理することができる。
【００８０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。ここで、図８は、本実施形態におけるセンサセル１００ａの部分断面図である。なお、図８は、図５のＡ−Ａ断面図に対応している。
【００８１】
上述の実施形態では、膨潤量検出部１３０における膨潤量検出機構１３３を、膨潤部材１３２に埋設された磁性体１３３ａと磁性体１３３ａの位置を検出する近接センサ１３３ｂとで構成する例について説明した。本実施形態では、膨潤量検出機構１３３を圧力センサ１３３ｃで構成する例について説明する。以下、上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
具体的には、図８に示すように、膨潤室１３１において膨潤部材１３２と電解質膜１１１と当接させる一端側の反対側（電解質膜１１１から遠い側）に圧力センサ１３３ｃを配設する。そして、膨潤部材１３２が電解質膜１１１に含まれる水分を吸湿して膨潤する際に、膨潤部材１３２の膨潤によって発生する押圧力を圧力センサ１３３ｃで検出する。
【００８３】
そして、圧力センサ１３３ｃの検出値と膨潤部材１３２とを関連付けた制御マップ等を用いて、圧力センサ１３３ｃの検出値から膨潤部材１３２の膨潤量を検出する。なお、この制御マップは、予め実験等で作成し、制御装置５０のＲＯＭ等に記憶しておけばよい。
【００８４】
次に、各センサセル１００ａの各膨潤量検出部１３０におけるセル温度センサ１０２で、膨潤部材１３２の温度を検出し、各膨潤量検出部１３０の膨潤量検出機構１３３で検出した膨潤量とセル温度センサ１０２で検出した温度から各センサセル１００ａ内の電解質膜１１１の含有水分量を測定する。
【００８５】
具体的には、膨潤部材１３２の膨潤量および温度と、電解質膜１１１の含有水分量とを関連付けた制御マップを用いて、各膨潤量検出部１３０の膨潤量検出機構１３３の検出値とセル温度センサ１０２の検出値から電解質膜１１１の含有水分量を測定する。なお、膨潤部材１３２の膨潤量（圧力センサ１３３ｃの検出値）および温度と電解質膜１１１の含有水分量とを関連付けた制御マップは、予め実験等で作成し、制御装置５０のＲＯＭ等に記憶しておけばよい。
【００８６】
このように、膨潤量検出機構１３３の構成を圧力センサ１３３ｃで構成したとしても、膨潤部材１３２の膨潤量を検出することができ、第１実施形態の構成と同様な効果を得ることができる。
【００８７】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。
【００８８】
（１）上述の実施形態では、センサセル１００ａにおける膜電極接合体１１０の外周縁部における各角部に４つの膨潤量検出部１３０を設ける例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、膜電極接合体１１０の外周縁部における水素若しくは空気を供給するためのマニホールド近傍で電解質膜１１１の含有水分量が最も変化しやすい部位に１つ設ける構成でもよく、逆に膜電極接合体１１０の周縁部に多数設けてもよい。
【００８９】
（２）上述の実施形態では、センサセル１００ａを燃料電池１０のセル１０ａの積層方向の両端側、および中央側に配置する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池１０における少なくともセル１０ａの積層方向の一端側と中央側に配置する構成であれ、燃料電池１０の積層方向における水分状態の分布を把握することができる。
【００９０】
（３）上述の実施形態では、膨潤部材１３２の膨潤量の検出する場合や電解質膜１１１の含有水分量を測定する場合に、予め制御装置５０のＲＯＭ等に記憶しておいた制御マップに基づいているが、これに限定されず、例えば、理論式等に基づいて算出してもよい。
【００９１】
（４）上述の実施形態では、燃料電池１０の内部水分状態の判定方法、および内部水分量の制御方法についての例を説明したが、説明した例に限定されず、他の内部水分状態の判定方法、および内部水分量の制御方法を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池の斜視図である。
【図３】燃料電池の積層方向における温度分布を説明する説明図である。
【図４】第１実施形態のセンサセルの分解図である。
【図５】第１実施形態のセンサセルの内部構成を説明する説明図である。
【図６】第１実施形態のセンサセルの部分断面図である。
【図７】第１実施形態の水分量制御の流れを示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態のセンサセルの部分断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０      燃料電池
１０ａ    セル
５０      制御装置
１００    水分量測定装置
１００ａ  センサセル（膨潤検出部が設けられた燃料電池セル）
１３１    膨潤室
１３２    膨潤部材
１３３    膨潤量検出機構（膨潤量検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010086716.tif 000007
【図６】
2010086716.tif 000008
【図７】
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【図８】
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