(57)【要約】【課題】電解質膜の含水量を適正な範囲に維持することができ、簡単且つ経済的に、燃料電池を良好な状態で運転制御することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０の運転方法は、電解質膜・電極構造体２４の外周端部に設けられた電位センサ６０の出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体２４の含水量を推定する工程と、推定された前記含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、燃料電池１０の運転条件を調整する工程とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられた電位センサの出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体の含水量を推定する工程と、
推定された前記含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、前記燃料電池の運転条件を調整する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転方法において、前記電位センサは、面内に単一又は複数個配置されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の運転方法において、前記運転条件の調整は、少なくとも前記アノード電極側に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整、温度調整又はパージ処理のいずれかを有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記運転条件の調整は、少なくとも前記カソード電極側に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の運転方法において、前記運転条件の調整は、少なくとも冷却媒体の温度調整又は流量調整のいずれかを有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の運転方法において、前記電解質膜・電極構造体の四隅の少なくとも１カ所に切り欠き部が設けられるとともに、前記切り欠き部に対応して前記電位センサが設置されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）とを有するアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池では、良好な発電反応を発揮させるために、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。電極含水量が多いと、電極触媒と多孔質カーボンに水詰まり（フラッディング）が惹起される一方、電極含水量が少ないと、前記固体高分子電解質膜の性能低下が惹起されるからである。従って、燃料電池を構成するカソード電極及びアノード電極の含水量を良好に制御することが重要である。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図２１に示すように、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段１と、インピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて、該燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段２とを備えている。そして、測定されたインピーダンス又は推定された含水量は、燃料電池の環境温度に基づいて、インピーダンス温度補正手段３により補正されている。
【０００５】
これにより、燃料電池本体の周囲条件（例えば、環境温度、ガス圧力）がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で、燃料電池の含水量を推定することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８４６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、インピーダンス計測と含水量計測との相関性に基づいて、燃料電池の運転制御を行うものである。このため、装置全体が相当に複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを防止することができ、簡単且つ経済的に、燃料電池を良好な状態で運転制御することが可能な燃料電池の運転方法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】
【０００９】
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関するものである。
【００１０】
この運転方法は、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられた電位センサの出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体の含水量を推定する工程を有している。さらに、推定された含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、燃料電池の運転条件を調整する工程を有している。
【００１１】
また、この運転方法では、電位センサは、面内に単一又は複数個配置されることが好ましい。
【００１２】
さらに、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくともアノード電極側に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整、温度調整又はパージ処理のいずれかを有することが好ましい。
【００１３】
さらにまた、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくともカソード電極側に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有することが好ましい。
【００１４】
また、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくとも冷却媒体の温度調整又は流量調整のいずれかを有することが好ましい。
【００１５】
さらに、この運転方法では、電解質膜・電極構造体の四隅の少なくとも１カ所に切り欠き部が設けられるとともに、前記切り欠き部に対応して電位センサが設置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられている電位センサからの出力（電位）を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体の含水量を容易且つ確実に検出することができる。これにより、推定された含水量に基づいて、燃料電池の運転条件を調整するだけでよく、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になり、燃料電池を良好な状態で運転制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。
【図４】前記電解質膜・電極構造体に組み込まれる電位センサの正面図である。
【図５】前記電位センサの断面側面図である。
【図６】電位と含水量との関係説明図である。
【図７】燃料電池の発電条件を示すマップである。
【図８】運転条件の調整として、酸化剤ガスの流量を増加させる際の説明図である。
【図９】別の電位センサの正面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る運転方法における運転条件の調整として、冷却媒体の流量を調整する際の説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図１３】前記電解質膜・電極構造体の、図１２中、ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
【図１４】前記燃料電池を構成する電位センサの斜視説明図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図１６】前記電解質膜・電極構造体の、図１５中、ＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図１８】前記電解質膜・電極構造体の、図１７中、ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。
【図１９】本発明の第７の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。
【図２０】前記電解質膜・電極構造体の、図１９中、ＸＸ−ＸＸ線断面図である。
【図２１】特許文献１に開示されている燃料電池システムの制御部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の運転方法が実施される燃料電池システム１２は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
【００１９】
燃料電池システム１２は、複数の燃料電池１０が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２０と、前記燃料電池システム１２全体の制御を行う制御装置（ＥＣＵ）２２とを備える。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体２４を第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８で挟持する。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタニウム（Ｔｉ）板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。
【００２１】
図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００２２】
図３に示すように、カソード電極３４の外周端部３４ｅｎｄは、アノード電極３２の外周端部３２ｅｎｄよりも外側に突出するとともに、前記アノード電極３２は、固体高分子電解質膜３０の一方の面に配置される。アノード電極３２は、固体高分子電解質膜３０の外周を額縁状に露呈させる。カソード電極３４は、固体高分子電解質膜３０の他方の面に配置され、前記固体高分子電解質膜３０の外周端部は、前記カソード電極３４の外周端部３４ｅｎｄよりも外方に突出する。なお、固体高分子電解質膜３０の外周端部は、カソード電極３４の外周端部３４ｅｎｄと同一位置に配置してもよい。
【００２３】
アノード電極３２は、固体高分子電解質膜３０の一方の面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。カソード電極３４は、固体高分子電解質膜３０の他方の面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。
【００２４】
本発明では、電解質膜・電極構造体２４の作製方法が特に限定されるものではない。例えば、電極触媒層は、カーボンブラックに白金や白金合金粒子を担持した触媒粒子や白金ブラックを形成し、例えば、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用している。この高分子電解質の溶液中に、触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜３０の両面に印刷、塗布、スプレー、スパッタ又は転写することによって、電極触媒層が構成される。電極触媒層は、ガス拡散層の全面に設けられてもよく、又は、前記ガス拡散層の外周部分に前記電極触媒層が設けられない枠状の領域を設けてもよい。
【００２５】
電解質膜・電極構造体２４は、固体高分子電解質膜３０の外周を周回する樹脂製枠部材３６を備える。樹脂製枠部材３６は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＦＡ（フッ素樹脂）等で構成される。
【００２６】
図２に示すように、燃料電池１０は、例えば、横長形状を有しており、立位姿勢で水平方向に積層される。燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２８】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔４２ａが設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔４２ａ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂは、それぞれ１つであってもよい。
【００２９】
第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。酸化剤ガス流路４６及び燃料ガス流路４８は、水平方向に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させる。
【００３０】
第１セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂと、第２セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。冷却媒体流路５０は、鉛直方向下方に向かって冷却媒体を流通させる。
【００３１】
第１セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第１セパレータ２６の外周端部を周回して、第１シール部材５２が一体化される。第２セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第２セパレータ２８の外周端部を周回して、第２シール部材５４が一体化される。
【００３２】
第１シール部材５２及び第２シール部材５４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００３３】
第２セパレータ２８には、燃料ガス入口連通孔４０ａを燃料ガス流路４８に連通する供給孔部５６と、前記燃料ガス流路４８を燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する排出孔部５８とが形成される。
【００３４】
図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４の外周端部には、アノード側又はカソード側の少なくとも一方に、１個、あるいは、複数個の電位センサ６０が直接設けられる。電位センサ６０は、樹脂製枠部材３６で被覆されているが、この樹脂製枠部材３６により被覆されていなくてもよい。電位センサ６０は、例えば、アノード電極３２の外周端部３２ｅｎｄから数ミリ以内の位置に設けられることが好ましく、前記アノード電極３２の内部でもよく、また、前記アノード電極３２の外部でもよい。
【００３５】
電位センサ６０は、必要に応じて、カソード電極３４側に設置される。カソード電極３４側では、電位センサ６０は、カソード電極３４の外周端部３４ｅｎｄから数ミリ以内（又は数ミリ外方）の位置に設けられることが好ましい。電位センサ６０は、１個又は複数個に設定して、前記電位センサ６０の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ６０の電位勾配を用いてもよい。なお、電位センサ６０は、アノード側とカソード側との両方に設けてもよい。
【００３６】
電解質膜・電極構造体２４には、図示しないが、参照電極が設けられる。参照電極は、アノード電極３２を参照電極として利用してもよく、また、別体で固体高分子電解質膜３０のアノード側に対して電極を設けてもよい。
【００３７】
電位センサ６０は、電解質膜・電極構造体２４の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置される。図２に示すように、電位センサ６０は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に配置される。
【００３８】
一方、電位センサ６０は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍に配置される。なお、電位センサ６０は、電解質膜・電極構造体２４の水分含有量が最も多い領域又は最も少ない領域にのみ配置してもよい。但し、電位センサ６０の配置位置は、特に限定されるものではない。
【００３９】
図４及び図５に示すように、電位センサ６０は、参照電極（又はアノード電極３２、好ましくは、前記アノード電極３２の中央部分）との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部６２ａを有するシート状又は線状の導電性端子（電位測定電極）６２を備える。導電性端子６２は、基材６４にシート状の絶縁部材６６を介して固定される。
【００４０】
基材６４は、導電性端子６２の長さ方向に略同一の長さを有する一方、前記導電性端子６２の幅方向に該導電性端子６２よりも幅広に構成される。絶縁部材６６は、導電性端子６２の長さよりも短尺に構成され、前記導電性端子６２の計測部６２ａが外部に露呈する。計測部６２ａの厚さ方向は、絶縁部材６６の厚さよりも大きな寸法に設定され、前記計測部６２ａの計測面が、前記絶縁部材６６の外面よりも外方（端面の前側）に突出する。
【００４１】
導電性端子６２は、耐酸性及び耐熱性を有する、例えば、薄膜状又は線状の金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等により形成される。導電性端子６２の端部には、導電ライン６８の一端が接続される。導電ライン６８の他端は、電位測定装置７０に接続される（図１参照）。電位測定装置７０には、図示しないが、参照電極に接続された導電ラインが接続される。
【００４２】
基材６４及び絶縁部材６６は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）やポリイミド等が好適である。
【００４３】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ（ポンプ）７１を備え、前記エアコンプレッサ７１が空気供給流路７２に配設される。空気供給流路７２には、加湿器７４と、バルブ７６を介して前記加湿器７４をバイパスするバイパス流路７８とが設けられ、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。酸化剤ガス出口連通孔３８ｂには、空気排出流路８０が連通する。空気排出流路８０は、背圧制御弁８２を介装して希釈器８４に接続される。
【００４４】
燃料ガス供給装置１８は、高圧水素を貯留する高圧水素タンク８６を備え、この高圧水素タンク８６は、水素供給流路８８を介して燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。水素供給流路８８には、バルブ９０及びエゼクタ９２が設けられるとともに、前記エゼクタ９２をバイパスするバイパス流路８８ａには、インジェクタ９３が設けられる。
【００４５】
バルブ９０は、圧力調整時に使用されるものであり、インジェクタ９３は、燃料ガスの流量調整、湿度調整及び温度調整に利用される。例えば、インジェクタ９３により未加湿の水素を供給することにより、湿度を下げることができる。後述する循環路１０２を介して循環される排出燃料ガス（以下、燃料オフガスともいう）は、インジェクタ９３により新たに供給される未反応燃料ガスよりも高温であるため、前記燃料ガスを供給することにより、供給ガス（供給される燃料ガス）の温度を下げることができる。また、インジェクタ９３に代えて、水素供給流路８８には、必要に応じて熱交換器を設けてもよい。
【００４６】
燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路９４が連通する。このオフガス流路９４は、気液分離器９６に接続されるとともに、前記気液分離器９６には、液体成分を排出するドレン流路９８と、気体成分を排出する気体流路１００とが設けられる。気体流路１００は、循環路１０２を介してエゼクタ９２に接続される一方、パージ弁１０４の開放作用下に、希釈器８４に連通する。ドレン流路９８は、バルブ１０６を介して希釈器８４に連通する。希釈器８４は、燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４０ｂから排出されるオフガス（燃料ガスを含有する）と前記燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから排出されるオフガス（酸化剤ガスを含有する）とを混在させて燃料ガス濃度（水素濃度）を規定値以下に希釈する機能を有する。
【００４７】
冷却媒体供給装置２０は、燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通し、冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路１０８を備える。冷却媒体循環路１０８には、冷却媒体入口連通孔４２ａ側に近接して冷却ポンプ１１０が配置されるとともに、冷却媒体出口連通孔４２ｂに近接してラジエータ１１２が配置される。
【００４８】
空気供給流路７２、空気排出流路８０、水素供給流路８８及びオフガス流路９４には、それぞれ圧力計１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ及び１１４ｄが配置される。空気供給流路７２及び水素供給流路８８には、湿度計１１６ａ、１１６ｂが配置される。空気排出流路８０、気体流路１００及び冷却媒体循環路１０８には、温度計１１８ａ、１１８ｂ及び１１８ｃが配置される。
【００４９】
制御装置２２には、電位測定装置７０から計測された電位が入力される。この制御装置２２は、検出された温度、圧力及び湿度に基づいて、計測された電位を補正する電位補正部１２０と、前記補正された電位に基づいて、含水量を推定する含水量推定部１２２と、推定された含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、各デバイスを制御して燃料電池１０の運転条件を調整するデバイス制御部１２４とを有する。
【００５０】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。
【００５１】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアコンプレッサ７１を介して空気供給流路７２に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器７４を通って加湿された後、又は、バイパス流路７８を通って前記加湿器７４をバイパスした後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。
【００５２】
一方、燃料ガス供給装置１８では、バルブ９０の開放作用下に、高圧水素タンク８６から水素供給流路８８に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、エゼクタ９２を通った後、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。
【００５３】
また、冷却媒体供給装置２０では、冷却ポンプ１１０の作用下に、冷却媒体循環路１０８から燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００５４】
図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２４のカソード電極３４に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから供給孔部５６を通って第２セパレータ２８の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極３２に供給される。
【００５５】
従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００５６】
次いで、カソード電極３４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部５８を通り燃料ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５７】
また、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２６と第２セパレータ２８との間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂから排出される。
【００５８】
図１に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに排出された酸化剤ガスは、空気排出流路８０を流通して希釈器８４に導入される。一方、燃料ガス出口連通孔４０ｂに排出されたオフガス（一部が消費された燃料ガス）は、オフガス流路９４から気液分離器９６に導入される。オフガスは、液状水分が除去された後、気体流路１００から循環路１０２を介してエゼクタ９２に吸引される。
【００５９】
また、冷却媒体出口連通孔４２ｂに排出された冷却媒体は、冷却媒体循環路１０８を通ってラジエータ１１２により冷却される。さらに、冷却媒体は、冷却ポンプ１１０の作用下に、燃料電池スタック１４に循環供給される。
【００６０】
次いで、本発明の第１の実施形態に係る運転方法について、以下に説明する。
【００６１】
先ず、電解質膜・電極構造体２４の含水量と電位センサ６０の出力（電位）との相関性を予め取得した。具体的には、アノード電極３２側の含水量と電位との関係を実験的に検出したところ、図６に示す電位−含水量曲線が得られ、含水量の有効範囲に対応する電位の範囲が設定された。
【００６２】
その際、種々の発電条件による電位域と含水量との関係が取得された。この得られた燃料電池１０の運転条件（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ、ｉｖ）は、図７に示すように、含水量（Ｚ、Ｙ、Ｘ、Ｗ）に対応した電位域（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）のマップとして制御装置２２のメモリに記憶される。
【００６３】
ここで、運転条件（例えば、１、２）としては、燃料電池スタック１４に供給される酸化剤ガスの流量、露点及び圧力、前記燃料電池スタック１４から排出される酸化剤ガスの露点及び圧力、前記燃料電池スタック１４に供給される燃料ガスの流量、露点及び圧力、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガス（燃料ガス）の露点及び圧力、前記燃料電池スタック１４に供給される冷却媒体の温度、流量並びに該燃料電池スタック１４から排出される冷却媒体の温度等が含まれる。
【００６４】
第１の実施形態において、具体的な運転条件の調整（運転制御）としては、アノード電極３２側のパージ処理（パージ弁１０４を短時間だけ開く処理）、前記カソード電極３４に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有する。また、アノード電極３２側では、パージ処理の他、前記アノード電極３２に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整又は温度調整を行ってもよい。
【００６５】
なお、アノード電極３２側には、供給される燃料ガスに含まれる水分及びカソード電極３４側から固体高分子電解質膜３０を逆拡散する生成水が存在している。従って、アノード電極３２側のパージ処理を行うことにより、カソード電極３４側から前記アノード電極３２側への拡散が促進され、前記カソード電極３４側の含水量を低下させることができる。
【００６６】
次に、燃料電池システム１２が発電運転している際、制御装置２２では、各電位センサ６０により検出された電位が、電位測定装置７０を介して入力されるとともに、電位補正部１２０には、各温度、各圧力及び各湿度が入力される。このため、電位補正部１２０では、検出された電位が温度補正、圧力補正及び湿度補正された補正電位が得られ、この補正電位が含水量推定部１２２に送られる。なお、電位補正部１２０では、複数の電位センサ６０の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ６０の電位勾配を用いてもよい。
【００６７】
含水量推定部１２２では、図６に示すように、予め設定された電位と固体高分子電解質膜３０の含水量との相関性から、入力された補正電位を用いて演算処理することにより、含水量が推定される。さらに、デバイス制御部１２４では、推定含水量が、所定の含水量範囲内（図６中、有効範囲参照）に維持されるように、燃料電池スタック１４の運転条件を調整する。
【００６８】
そこで、デバイス制御部１２４は、例えば、燃料ガス供給装置１８を構成するパージ弁１０４の開放作用下に、気体流路１００を希釈器８４に連通させる。従って、各燃料電池１０の燃料ガス流路４８を通って加湿された燃料ガスは、オフガスとしてオフガス流路９４に排出された後、希釈器８４に導入される。
【００６９】
オフガスは、気液分離器９６を通過する際に、液状水が除去されるものの、水蒸気を含んでいる。このため、パージ弁１０４の開放作用下に、オフガスがパージ処理されることにより、水蒸気を含有するオフガスが希釈器８４に排出される。これにより、各燃料電池１０の燃料ガス流路４８には、高圧水素タンク８６からドライな燃料ガスが供給されるため、前記燃料ガス流路４８に滞留する水分は、前記燃料ガス中に含有されて確実に除去される。
【００７０】
上記のように、アノード電極３２側から水分が除去されるため、前記アノード電極３２側の含水量が減少する。一方、カソード電極３４側の滞留水は、固体高分子電解質膜３０を通ってアノード電極３２側への拡散が促進される。従って、カソード電極３４側の含水量を低下させることができる。
【００７１】
アノード電極３２側の含水量が低下すると、図６に示すように、検出される電位が低下する。制御装置２２では、各電位センサ６０により検出されて電位測定装置７０から入力される電位を監視することにより、含水量を推定し、前記含水量が有効範囲内に入った際に、アノード電極３２側のパージ処理を停止させる。
【００７２】
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体２４の外周端部に設けられている電位センサ６０からの出力（電位）を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体２４の含水量を容易且つ確実に検出することができる。
【００７３】
これにより、推定された含水量に基づいて、燃料電池１０の運転条件を調整するだけでよく、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体２４の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる。このため、燃料電池１０を良好な状態で確実に運転制御することができるという効果が得られる。
【００７４】
しかも、第１の実施形態では、電位センサ６０は、電解質膜・電極構造体２４の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置されている。具体的には、図２に示すように、電位センサ６０は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に配置されている。一方、電位センサ６０は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍に配置されている。
【００７５】
従って、電解質膜・電極構造体２４が部分的に多量の含水量となってフラッディングを惹起することを確実に阻止するとともに、前記電解質膜・電極構造体２４が部分的に含水量不足となって乾燥することを可及的に抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜３０は、良好の湿潤状態を確実に維持することができ、所望の発電反応を確実且つ連続的に遂行することが可能になる。
【００７６】
ところで、燃料電池システム１２では、上記のアノード電極３２側のパージ処理に代えて、又は、前記パージ処理に併用して、他の運転条件の調整を行うことができる。例えば、カソード電極３４側では、各燃料電池１０の酸化剤ガス流路４６に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる処理が行われる。
【００７７】
具体的には、図８に示すように、含水量の増加に伴って検出電位が高くなり、前記電位が既定値（閾値）を超えると判断された際、酸化剤ガス流路４６に供給される酸化剤ガスの流量（Ａｉｒ流量）が増加される。このため、酸化剤ガス流路４６からの排水性が向上し、含水量が減少するとともに、電位が低下する。従って、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体２４の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる。
【００７８】
なお、第１の実施形態では、電位センサ６０を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、図９に示す電位センサ６０ａを使用することができる。
【００７９】
電位センサ６０ａでは、導電性端子６２を基材６４と絶縁部材６６ａとを介して固定する。絶縁部材６６ａは、基材６４と同一の長さを有しており、一端縁部には、導電性端子６２の計測部６２ａを外部に露呈させる開口部６６ｂが形成される。
【００８０】
このように、構成される電位センサ６０ａは、上記の電位センサ６０と同様の作用効果を有する。
【００８１】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法における運転条件の調整として、冷却媒体の流量を調整する際の説明図である。
【００８２】
第２の実施形態では、燃料電池スタック１４に供給される冷却媒体の流量を低下させることにより、含水量を低下させている。従って、冷却媒体の流量を低下させるだけで、電位を低下させることができ、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体２４の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８３】
なお、冷却媒体の流量を下げる方法の他、前記冷却媒体の温度を上げることにより、含水量を低下させて電位の低下を図ることも可能である。
【００８４】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池１３０を構成する電解質膜・電極構造体１３２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する電解質膜・電極構造体２４と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００８５】
電解質膜・電極構造体１３２は、固体高分子電解質膜３０をアノード電極３２ａ及びカソード電極３４ａで挟持する。アノード電極３２ａの外周端部は、カソード電極３４ａの外周端部よりも外方に突出する。すなわち、アノード電極３２ａ及びカソード電極３４ａの寸法は、第１の実施形態のアノード電極３２及びカソード電極３４の寸法とは逆に設定される（図３参照）。固体高分子電解質膜３０上には、アノード電極３２ａ側の面及びカソード電極３４ａ側の面に電位センサ６０が設置される。
【００８６】
これにより、第３の実施形態では、電位センサ６０を介して、電解質膜・電極構造体１３２の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８７】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池１４０を構成する電解質膜・電極構造体１４２の正面説明図である。
【００８８】
図１２及び図１３に示すように、電解質膜・電極構造体１４２は、固体高分子電解質膜３０をアノード電極１４４及びカソード電極１４６で挟持する。アノード電極１４４は、固体高分子電解質膜３０と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜３０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極１４４は、カソード電極１４６よりも大きな平面寸法に設定される（図１２参照）。
【００８９】
アノード電極１４４の四隅には、切り欠き部１４４ａが形成される。各切り欠き部１４４ａでは、積層方向に対して、カソード電極１４６の外周端部位置が、アノード電極１４４の外周端部位置よりも外方に突出する。なお、切り欠き部１４４ａの形状は、特に限定されるものではない。
【００９０】
各切り欠き部１４４ａに対応してカソード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体１４２の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍とに、電位センサ１４８が設置される。
【００９１】
電位センサ１４８は、図１３及び図１４に示すように、参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部１５０ａ、１５２ａ、１５４ａ及び１５６ａを有する複数のシート状又は線状の導電性端子（電位測定電極）１５０、１５２、１５４及び１５６を備える。導電性端子１５０、１５２、１５４及び１５６は、シート状の第１絶縁部材１５８とシート状の第２絶縁部材１６０との間に介装される。なお、導電性端子は、１個又は複数個設けてあればよく、個数は種々変更可能である。
【００９２】
導電性端子１５０、１５２、１５４及び１５６は、例えば、薄膜状又は線状の金（Ａｕ）により形成されるとともに、前記導電性端子１５０から前記導電性端子１５６に向かって、順次、短尺に構成される。各計測部１５０ａ、１５２ａ、１５４ａ及び１５６ａは、第１絶縁部材１５８に形成された開口部１５８ａ、１５８ｂ、１５８ｃ及び１５８ｄから外部に長さＬ（数μｍ〜数十μｍ）だけ突出する。計測部１５０ａ、１５２ａ、１５４ａ及び１５６ａは、他の部位１５０ｂ、１５２ｂ、１５４ｂ及び１５６ｂ上にめっき処理によって厚く構成し、又は、先端を折り曲げて厚くしてもよい。
【００９３】
各計測部１５０ａ、１５２ａ、１５４ａ及び１５６ａは、順次、段差状に高さ方向（矢印Ｃ方向）に低くなるように配置され、図１３に示すように、固体高分子電解質膜３０のカソード電極１４６側に、それぞれ所定の位置に配置される。図１４に示すように、導電性端子１５０、１５２、１５４及び１５６には、他の部位１５０ｂ、１５２ｂ、１５４ｂ及び１５６ｂの下端部に導電ライン１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ及び１６２ｄが接続される。導電ライン１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ及び１６２ｄは、図示しない電位測定装置に接続される。
【００９４】
これにより、第４の実施形態では、電位センサ１４８を介して、電解質膜・電極構造体１４２の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、複数の計測部１５０ａ、１５２ａ、１５４ａ及び１５６ａにより、平面領域における含水率の分布を検出することができる。
【００９５】
なお、第４の実施形態では、電位センサ１４８を用いているが、これに代えて電位センサ６０を採用してもよい。また、アノード電極１４４側にも、電位センサ１４８又は電位センサ６０を設けてもよい。その際、カソード電極１４６の四隅には、切り欠き部が形成される。この切り欠き部は、固体高分子電解質膜３０を挟んで、カソード電極１４６とアノード電極１４４との位置関係を、電位測定に最適な形状にすることが好ましい。以下に説明する第５以降の実施形態でも、同様である。
【００９６】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池１６３を構成する電解質膜・電極構造体１６５の正面説明図である。
【００９７】
図１５及び図１６に示すように、電解質膜・電極構造体１６５は、固体高分子電解質膜３０をアノード電極１６４及びカソード電極１６６で挟持する。アノード電極１６４は、固体高分子電解質膜３０と、同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極１６４は、カソード電極１６６よりも大きな平面寸法に設定される（図１５参照）。
【００９８】
アノード電極１６４と固体高分子電解質膜３０とが同一寸法である場合、このアノード電極１６４の端部の電位計測を行う際には、前記アノード電極１６４の四隅には、切り欠き部１６４ａが形成される。なお、アノード電極１６４の平面寸法が、固体高分子電解質膜３０の平面寸法よりも小さい場合には、切り欠き部１６４ａを設ける必要がない。
【００９９】
一方、アノード電極１６４と同様に、カソード電極１６６の端部の電位計測も行う際には、前記カソード電極１６６の四隅の少なくとも１カ所（四隅全てでもよい）には、切り欠き部１６６ａが形成される。切り欠き部１６６ａの寸法は、アノード電極１６４とカソード電極１６６との大きさの差である寸法と同じに設定される。又は、アノード電極１６４とカソード電極１６６と大きさの差は、電位計測に最適な形状により設定される。カソード電極１６６のみの電位計測を行う際には、前記カソード電極１６６に切り欠き部を設けなくてもよい。
【０１００】
各切り欠き部１６４ａに対応して、すなわち、電解質膜・電極構造体１６５の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍とに対応して、アノード側に電位センサ１４８が設置される。また、アノード電極１６４又はカソード電極１６６のいずれか一方にのみ、あるいは両方に電位センサ１４８を設置してもよい。
【０１０１】
これにより、第５の実施形態では、電位センサ１４８を介して、電解質膜・電極構造体１６５の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
図１７は、本発明の第６の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池１７０を構成する電解質膜・電極構造体１７２の正面説明図である。
【０１０３】
図１７及び図１８に示すように、電解質膜・電極構造体１７２は、固体高分子電解質膜３０をアノード電極１７４及びカソード電極１７６で挟持する。カソード電極１７６は、固体高分子電解質膜３０と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜３０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極１７６は、アノード電極１７４よりも大きな平面寸法に設定される（図１７参照）。
【０１０４】
カソード電極１７６の四隅には、切り欠き部１７６ａが形成される。各切り欠き部１７６ａでは、積層方向に対して、アノード電極１７４の外周端部位置が、カソード電極１７６の外周端部位置よりも外方に突出する。
【０１０５】
各切り欠き部１７６ａに対応してアノード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体１７２の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍とに、電位センサ１４８が設置される。また、カソード電極１７６側にも、電位センサ１４８又は電位センサ６０を設けてもよい。
【０１０６】
これにより、第６の実施形態では、電位センサ１４８を介して、電解質膜・電極構造体１７２の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０７】
図１９は、本発明の第７の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池１８０を構成する電解質膜・電極構造体１８２の正面説明図である。
【０１０８】
図１９及び図２０に示すように、電解質膜・電極構造体１８２は、固体高分子電解質膜３０をアノード電極１８４及びカソード電極１８６で挟持する。カソード電極１８６は、固体高分子電解質膜３０と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜３０よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極１８６は、アノード電極１８４よりも大きな平面寸法に設定される（図１９参照）。
【０１０９】
アノード電極１８４の端部の電位計測及びカソード電極１８６の端部の電位計測を行う際には、前記アノード電極１８４の四隅には、切り欠き部１８４ａが形成される一方、前記カソード電極１８６の四隅には、切り欠き部１８６ａが形成される。なお、切り欠き部１８４ａ、１８６ａの形状は、必要に応じて設定され、電位計測に最適な形状に変更可能である。アノード電極１８４のみの電位計測を行う際には、アノード電極１８４に切り欠き部１８４ａを設けなくてもよい。
【０１１０】
各切り欠き部１８４ａ、１８６ａに対応してアノード側及びカソード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体１８２の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔３８ａの近傍とに、電位センサ１４８が設置される。また、アノード電極１６４又はカソード電極１６６のいずれか一方にのみ、電位センサ１４８を設置してもよい。
【０１１１】
これにより、第７の実施形態では、電位センサ１４８を介して、電解質膜・電極構造体１８２の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１１２】
１０、１３０、１４０、１６３、１７０、１８０…燃料電池
１２…燃料電池システム                  １４…燃料電池スタック
１６…酸化剤ガス供給装置                １８…燃料ガス供給装置
２０…冷却媒体供給装置                  ２２…制御装置
２４、１３２、１４２、１６５、１７２、１８２…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ                  ３０…固体高分子電解質膜
３２、３２ａ、１４４、１６４、１７４、１８４…アノード電極
３４、３４ａ、１４６、１６６、１７６、１８６…カソード電極
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔            ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔              ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔              ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４６…酸化剤ガス流路                    ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路                      ６０、６０ａ、１４８…電位センサ
６２、１５０、１５２、１５４、１５６…導電性端子
６２ａ、１５０ａ、１５２ａ、１５４ａ、１５６ａ…計測部
７０…電位測定装置                      １２０…電位補正部
１２２…含水量推定部                    １２４…デバイス制御部
【図１】
2014003011.tif 000003
【図２】
2014003011.tif 000004
【図３】
2014003011.tif 000005
【図４】
2014003011.tif 000006
【図５】
2014003011.tif 000007
【図６】
2014003011.tif 000008
【図７】
2014003011.tif 000009
【図８】
2014003011.tif 000010
【図９】
2014003011.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2014003011.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2014003011.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2014003011.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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