(57)【要約】【課題】監視用セルにおける供給ガスの圧力損失を調整する。【解決手段】複数の通常セルと、供給ガスの圧力損失が通常セルより大きい監視用セルとを有する燃料電池の製造方法は、（ａ）監視用セルにおける供給ガスの圧力損失の範囲である第１の範囲を定める工程と、（ｂ）監視用セルにおける供給ガスの圧力損失と、監視用セルにおけるガス拡散層のガス流路へのたわみ量と、の関係である第１の関係を求める工程と、（ｃ）監視用セルにおける供給ガスの圧力損失を第１の範囲に収めるための条件として、たわみ量の範囲である第２の範囲を、第１の関係に基づいて定める工程と、（ｄ）監視用セルにおけるガス拡散層のガス流路へのたわみ量が第２の範囲に収まるように、燃料電池を組み立てる工程とを備える。【選択図】図４
2014059959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通常セルと、供給ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルとを有する燃料電池の製造方法であって、
（ａ）前記監視用セルにおける前記供給ガスの圧力損失の範囲である第１の範囲を定める工程と、
（ｂ）前記監視用セルにおける前記供給ガスの圧力損失と、前記監視用セルにおけるガス拡散層のガス流路へのたわみ量と、の関係である第１の関係を求める工程と、
（ｃ）前記監視用セルにおける前記供給ガスの圧力損失を前記第１の範囲に収めるための条件として、前記たわみ量の範囲である第２の範囲を、前記第１の関係に基づいて定める工程と、
（ｄ）前記監視用セルにおける前記ガス拡散層の前記ガス流路への前記たわみ量が前記第２の範囲に収まるように、前記燃料電池を組み立てる工程と
を備える、燃料電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ｄ）は、
（ｄ１）前記たわみ量と、前記監視用セルにおける前記ガス拡散層の引っ張り弾性率と、前記ガス拡散層と前記ガス流路を構成するセパレータとの面圧と、の関係である第２の関係を求める工程と、
（ｄ２）前記たわみ量を前記第２の範囲に収めるための条件として、前記面圧の条件と、前記ガス拡散層の引っ張り弾性率の範囲である第３の範囲とを、前記第２の関係に基づいて定める工程と、
（ｄ３）前記引っ張り弾性率が前記第３の範囲に収まるガス拡散層を前記監視用セルに用いるとともに、前記面圧の条件を満たすように、前記通常セルと前記監視用セルとを積層して前記燃料電池を組み立てる工程と
を含む、燃料電池の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程（ｄ２）は、前記第３の範囲を、前記ガス拡散層が座屈しない範囲に制限して定める工程を含む、
燃料電池の製造方法。
【請求項４】
燃料電池であって、
複数の通常セルと、
供給ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルと
を備え、
前記監視用セルにおけるガス拡散層は、ガス流路側へたわんでいる、燃料電池。
【請求項５】
燃料電池システムであって、
請求項４に記載の燃料電池と、
前記監視用セルの電圧を監視する監視部と、
を備える、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、燃料電池の製造方法、燃料電池、及び、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数のセルが積層されて構成された燃料電池が知られている。燃料電池は、酸素と水素の供給を受けて、電気化学反応によって発電する。このため、氷点下環境下における暖機運転時において、燃料電池への水素の供給が足りなくなった場合には、燃料電池の発電性能が低下する。また、高温運転時において燃料電池内の電解質膜が極度に乾燥した場合にも、燃料電池の発電性能は低下する。
【０００３】
このような水素欠乏や電解質膜の異常乾燥等の燃料電池の異常を検知する技術としては、例えば、下記の特許文献１に記載された技術が知られている。この特許文献１に記載の技術では、異常時における電圧変化が、通常のセルよりも敏感であるセル、すなわち、通常のセルよりも早く発電性能が低下するセル（以下、監視用セルともいう。）を燃料電池に設け、この監視用セルの電圧を監視することによって、燃料電池の異常を検知する。監視用セルの発電性能を通常のセルよりも早く低下させる方法としては、例えば、監視用セルにおける供給ガスの圧力損失を、通常のセルにおける供給ガスの圧力損失よりも大きくすることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５５８５８４号公報
【特許文献２】特開２００７−０４８６０９号公報
【特許文献３】特開２００９−１７０２２９号公報
【特許文献４】特開２００５−１５９５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の特許文献には、監視用セルにおける供給ガスの圧力損失をどのように調整して所望の範囲内に収めるのかについて、考慮されていないという課題があった。また、監視用セルの発電性能を、通常セルに対してどの程度低い性能に規定すればよいのかについて、考慮されていないという課題があった。そのほか、従来の燃料電池や燃料電池システムにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、複数の通常セルと、供給ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルとを有する燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、（ａ）前記監視用セルにおける前記供給ガスの圧力損失の範囲である第１の範囲を定める工程と；（ｂ）前記監視用セルにおける前記供給ガスの圧力損失と、前記監視用セルにおけるガス拡散層のガス流路へのたわみ量と、の関係である第１の関係を求める工程と；（ｃ）前記監視用セルにおける前記供給ガスの圧力損失を前記第１の範囲に収めるための条件として、前記たわみ量の範囲である第２の範囲を、前記第１の関係に基づいて定める工程と；（ｄ）前記監視用セルにおける前記ガス拡散層の前記ガス流路への前記たわみ量が前記第２の範囲に収まるように、前記燃料電池を組み立てる工程とを備える。この形態の製造方法によれば、圧力損失とガス拡散層のたわみ量との関係を利用して、監視用セルにおける供給ガスの圧力損失を、所望の範囲内に収めるように調整することができる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ｄ）は、（ｄ１）前記たわみ量と、前記監視用セルにおける前記ガス拡散層の引っ張り弾性率と、前記ガス拡散層と前記ガス流路を構成するセパレータとの面圧と、の関係である第２の関係を求める工程と；（ｄ２）前記たわみ量を前記第２の範囲に収めるための条件として、前記面圧の条件と、前記ガス拡散層の引っ張り弾性率の範囲である第３の範囲とを、前記第２の関係に基づいて定める工程と；（ｄ３）前記引っ張り弾性率が前記第３の範囲に収まるガス拡散層を前記監視用セルに用いるとともに、前記面圧の条件を満たすように、前記通常セルと前記監視用セルとを積層して前記燃料電池を組み立てる工程とを含んでもよい。この形態の製造方法によれば、ガス拡散層のたわみ量と、ガス拡散層の引っ張り弾性率と、面圧との関係を利用して、監視用セルにおける供給ガスの圧力損失を、所望の範囲内に収めるように調整することができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池の製造方法において、前記工程（ｄ２）は、前記第３の範囲を、前記ガス拡散層が座屈しない範囲に制限して定める工程を含んでもよい。この形態の製造方法によれば、ガス拡散層の座屈を抑制することができる。
【００１０】
（４）本発明の他の形態によれば、燃料電池が提供される。燃料電池は、複数の通常セルと；供給ガスの圧力損失が前記通常セルより大きい監視用セルとを備え、前記監視用セルにおけるガス拡散層は、ガス流路側へたわんでいる。この形態によれば、簡易な方法で、監視用セルにおける供給ガスの圧力損失を、通常セルにおける供給ガスの圧力損失よりも大きくすることができる。
【００１１】
（５）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、上記形態の燃料電池と、前記監視用セルの電圧を監視する監視部とを備える。
【００１２】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池や燃料電池システムの設計方法、これらの設計方法によって製造・設計された燃料電池、燃料電池システム等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】通常セルの断面構成を示す説明図である。
【図３】監視用セルのアノード側におけるガス拡散層が燃料ガス流路側へたわんだ状態を模式的に示す説明図である。
【図４】燃料電池の製造工程を示す工程図である。
【図５】ガス拡散層のたわみ量と圧力損失の増加率との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【図６】ガス拡散層の引っ張り弾性率とたわみ量との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【図７】監視用セルにおける圧力損失の範囲を定める工程を示す工程図である。
【図８】各セルにおける電流密度と電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【図９】監視用セルの通常セルに対する圧力損失差と、最大負荷発電時における監視用セルの電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【図１０】複数の通常セルの電圧の分布をグラフ形式で示す説明図である。
【図１１】温度と、平均電圧Ｖｍ及び電圧Ｖｍ２との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【図１２】急速暖気運転の経過時間とセルの電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【図１３】監視用セルの通常セルに対する圧力損失差と急速暖気運転時における監視用セル１４の電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を実施形態に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
Ａ−２．燃料電池の概略構成：
Ａ−３．燃料電池の製造方法：
Ａ−４．圧力損失の範囲を定める方法：
Ｂ．変形例：
【００１５】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０への燃料ガスの供給及び燃料電池１０からの燃料ガスの排出を担う燃料ガス系機器６０と、燃料電池１０への酸化ガスの供給及び燃料電池１０からの酸化ガスの排出を担う酸化ガス系機器７０と、燃料電池１０の冷却を担う冷却系機器８０と、燃料電池システム１００の全体を制御する制御ユニット９０とを備えている。なお、本実施形態では、燃料電池システム１００は、車両に搭載されている。
【００１６】
燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、複数のセルが積層されることによって構成されている。燃料電池１０は、燃料ガスとしての水素ガス及び酸化ガスとしての空気が供給されると、電気化学反応による発電を行う。
【００１７】
本実施形態では、燃料電池１０は、通常の発電性能を有する複数の通常セル１２と、通常セル１２よりも発電性能が低下しやすい監視用セル１４とを備えている。具体的には、監視用セル１４のアノードに供給される水素ガスの圧力損失は、通常セルのアノードに供給される水素ガスの圧力損失よりも大きくされている。このため、監視用セル１４は、通常セル１２よりも水素ガスの欠乏状態に陥りやすく、発電性能が低下しやすい構成となっている。また、監視用セル１４は、制御ユニット９０内の監視部９２の監視対象となっている。監視用セル１４の詳細については後述する。
【００１８】
燃料ガス系機器６０は、水素タンク６１と、シャットバルブ６２と、レギュレータ６３と、気液分離器６６と、循環ポンプ６８と、パージ弁６９と、配管６４，６５，６７ａ，６７ｂとを備えている。
【００１９】
水素タンク６１に貯蔵された水素ガスは、配管６４を介して燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして供給される。シャットバルブ６２及びレギュレータ６３は、水素ガスの圧力及び水素ガスの燃料電池１０への供給量を調整する。
【００２０】
アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスとも呼ぶ。）は、配管６５を介して気液分離器６６に導かれる。気液分離器６６は、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった水素ガスとを分離する。気液分離器６６によって分離された水素ガスは、配管６７ａ、循環ポンプ６８及び配管６４を介して、燃料電池１０に循環する。
【００２１】
気液分離器６６と循環ポンプ６８との間からは、配管６７ｂが分岐しており、この配管６７ｂには、パージ弁６９が設けられている。パージ弁６９は、通常時には閉じられており、上述のアノードオフガスは、燃料電池１０に循環する。ただし、アノードオフガスに含まれる窒素ガスや水蒸気などの不純物濃度が上昇すると、パージ弁６９が所定のタイミングで開弁し、アノードオフガスは、配管６７ｂを介して希釈器７６に導かれるとともに、燃料電池システム１００の外部に排出される。この結果、窒素ガスや水蒸気などの不純物がアノード側から取り除かれ、アノード側の不純物濃度の上昇が抑制される。
【００２２】
酸化ガス系機器７０は、エアクリーナ７１と、エアコンプレッサ７２と、希釈器７６と、配管７３，７４，７７とを備えている。エアクリーナ７１から吸入された空気は、エアコンプレッサ７２によって圧縮され、配管７３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスとも呼ぶ。）は、配管７４を介して希釈器７６に導かれる。
【００２３】
希釈器７６は、上述の所定のタイミングで希釈器７６に導入されるアノードオフガスに、カソードオフガスを混合する。すなわち、カソードオフガスによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度は、希釈される。希釈器７６から排出された排出ガスは、配管７７を介して、燃料電池システム１００の系外へ排出される。
【００２４】
冷却系機器８０は、ラジエータ８１と、循環ポンプ８２と、配管８３，８４とを備えている。配管８３，８４は、燃料電池１０とラジエータ８１とに接続されている。配管８３，８４の内部を流れる冷却水は、循環ポンプ８２の圧力によって、燃料電池１０とラジエータ８１とを循環する。このため、燃料電池１０の電気化学反応に伴って生じる熱は、循環する冷却水によって吸収され、この冷却水によって吸収された熱が、ラジエータ８１によって放熱される。この結果、燃料電池１０の温度は、適切な温度に保たれる。
【００２５】
制御ユニット９０は、内部にＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行する。制御ユニット９０は、燃料電池システム１００を制御する制御部９１と、監視用セル１４の電圧を監視する監視部９２とを備えている。
【００２６】
制御部９１は、車両からの出力要求９５や、監視用セル１４の電圧状態に基づいて、レギュレータ６３や、エアコンプレッサ７２、パージ弁６９等に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム１００を制御する。監視部９２は、監視用セル１４の電圧を監視周期Ｔ毎に監視している。監視用セル１４が水素欠乏状態となり、監視用セル１４の電圧が降下すると、監視部９２は、監視用セル１４の電圧の降下を検知する。監視部９２が監視用セル１４の電圧の降下を検知すると、制御部９１は、燃料電池１０の出力電流に制限をかけて、監視用セル１４の電圧の降下を抑制する。
【００２７】
Ａ−２．燃料電池の概略構成：
図２は、通常セル１２の断面構成を示す説明図である。通常セル１２は、電解質膜２１と、電解質膜２１の両面に形成されたアノード２２ａ、カソード２２ｂと、アノード２２ａ及びカソード２２ｂを両側から挟持するガス拡散層２４ａ，２４ｂと、ガス拡散層２４ａ，２４ｂを両側から挟持するセパレータ２６ａ，２６ｂとを備えている。なお、監視用セル１４の構成は、圧力損失を大きくするために、アノード側におけるガス拡散層２４ａが、燃料ガス流路２７側へたわんだ状態となっている点を除いて、通常セル１２の構成と同じである。ガス拡散層２４ａが、燃料ガス流路２７側へたわんだ状態については、図３を用いて後述する。
【００２８】
電解質膜２１は、湿潤状態においてプロトン伝導性を示す固体高分子によって形成されている。アノード２２ａ及びカソード２２ｂは、導電性を有する担体上に触媒が担持された電極である。本実施形態では、アノード２２ａ及びカソード２２ｂは、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２９】
ガス拡散層２４ａ，２４ｂは、電気化学反応に供されるガスの流路として機能するとともに、集電を行なうための部材としても機能する。ガス拡散層２４ａ，２４ｂは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属等によって形成することができる。
【００３０】
セパレータ２６ａ，２６ｂは、ガス不透過な導電性部材、例えば、圧縮カーボンやステンレス鋼によって形成されている。セパレータ２６ａ，２６ｂのそれぞれの表面には、所定の凹凸形状が形成されている。この凹凸形状によって、セパレータ２６ａとガス拡散層２４ａとの間には、燃料ガスとしての水素ガスが流れる燃料ガス流路２７が形成される。同様に、セパレータ２６ｂとガス拡散層２４ｂとの間には、酸化ガスとしての酸素が流れる酸化ガス流路２８が形成される。
【００３１】
なお、セパレータ２６ａの燃料ガス流路２７とは反対の面と、セパレータ２６ｂの酸化ガス流路２８とは反対の面とには、図示していない断面において、溝が形成されている。この溝は、通常セル１２の温度を調節するための冷却水が流れる冷却水流路として機能する。
【００３２】
図３は、監視用セル１４のアノード側におけるガス拡散層２４ａが、燃料ガス流路２７側へたわんだ状態を模式的に示す説明図である。上述したように、本実施形態では、監視用セル１４のアノード側におけるガス拡散層２４ａを、燃料ガス流路２７側へたわんだ状態とすることによって、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を、通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくしている。なお、「ガス拡散層２４ａが燃料ガス流路２７側へたわんだ状態」とは、ガス拡散層２４ａの中央付近が、燃料ガス流路２７側に膨らんで、燃料ガス流路２７の断面積が小さくなった状態を意味する。
【００３３】
本実施形態では、監視用セル１４のアノードにおけるガス拡散層２４ａの、燃料ガス流路２７側へのたわみ量ｃを調整することによって、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の増加率を調整する。なお、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の増加率とは、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失が、通常セル１２のアノードにおける圧力損失に対してどの程度増加したかを示す割合である。なお、この図３において、ａは燃料ガス流路２７の深さであり、ｂは燃料ガス流路２７の幅であり、ｃはガス拡散層２４ａのたわみ量である。
【００３４】
Ａ−３．燃料電池の製造方法：
図４は、燃料電池１０の製造工程を示す工程図である。工程Ｓ１００では、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の好ましい範囲を定める。圧力損失の好ましい範囲の定め方については、後述する。なお、本実施形態では、工程Ｓ１００において、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の増加率の好ましい範囲を定める。
【００３５】
工程Ｓ１１０では、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の増加率と、たわみ量ｃとの関係である第１の関係を求める。工程Ｓ１２０では、圧力損失の増加率を第１の範囲に収めるための条件として、たわみ量ｃの範囲である第２の範囲を、第１の関係に基づいて定める。
【００３６】
工程Ｓ１３０では、たわみ量ｃと、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率と、ガス拡散層２４ａと燃料ガス流路２７（セパレータ２６ａ）との面圧と、の関係である第２の関係を求める。工程Ｓ１４０では、たわみ量ｃを第２の範囲に収めるための条件として、ガス拡散層２４ａと燃料ガス流路２７との面圧の条件と、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率の範囲である第３の範囲とを、第２の関係に基づいて定める。
【００３７】
工程Ｓ１５０では、引っ張り弾性率が第３の範囲に収まるガス拡散層２４ａを用いて、監視用セル１４を製造する。工程Ｓ１６０では、工程Ｓ１４０において定められた面圧の条件を満たすように、通常セル１２と監視用セル１４とを積層して、燃料電池１０を組み立てる。なお、引っ張り弾性率が第３の範囲に収まるガス拡散層２４ａは、例えば、カーボン繊維の材質や厚さ、多孔率等を適宜調整することによって製造することができる。
【００３８】
このような製造方法によれば、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の増加率を、たわみ量ｃを調整することによって、所望の範囲内に収めることが可能となる。以下では、監視用セル１４における圧力損失の増加率の好ましい範囲が、２０％から１００％の範囲に定められた場合について説明する。
【００３９】
図５は、ガス拡散層２４ａのたわみ量ｃと圧力損失の増加率との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図５には、燃料ガス流路２７の幅が０．５ｍｍの場合と、１．０ｍｍの場合と、２．０ｍｍの場合とが示されている。この図５によれば、ガス拡散層２４ａの燃料ガス流路２７側へのたわみ量ｃが大きくなるほど、圧力損失の増加率が大きくなることが理解できる。また、燃料ガス流路２７の幅が小さいほど、同一のたわみ量ｃの場合であっても、圧力損失の増加率が大きいことが理解できる。なお、この図５は、下記の式（１）として示すハーゲンポワイズユの式に基づいて算出することができる。
【００４０】
【数１】
2014059959.tif 000003
【００４１】
ここで、ΔＰは圧力損失、μはガスの粘性係数、Ｌはガス流路の長さ、ｖは流量、ｄはガス流路の半径である。この式（１）によれば、ガス流路の半径ｄが小さくなるほど、圧力損失ΔＰが大きくなることが理解できる。そして、図３に示す燃料ガス流路２７のように、断面形状が四角形（例えば台形）の場合には、ガス流路の半径ｄに相当する値は、以下の経験式（２）によって与えられる。
【００４２】
【数２】
2014059959.tif 000004
【００４３】
ここで、ａは燃料ガス流路２７の深さであり、ｂは燃料ガス流路２７の幅である。ただし、ガス拡散層２４ａがたわみ量ｃの分だけ燃料ガス流路２７側にたわんだ場合には、ａからｃを減じた値（ａ−ｃ）を、燃料ガス流路２７の深さａとして上記式（２）へ代入する。
【００４４】
図５によれば、例えば、燃料ガス流路２７の幅ｂが１．０ｍｍの場合には、圧力損失の増加率を２０％から１００％の範囲に収めるための条件としてのたわみ量ｃの範囲は、２５μｍから９５μｍの範囲であることが理解できる。以下では、燃料ガス流路２７の幅ｂが１．０ｍｍの場合について説明する。
【００４５】
図６は、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率と、たわみ量ｃとの関係をグラフ形式で示す説明図である。ただし、この図６では、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率は、弾性率比として示されている。本実施形態における弾性率比とは、東レ製のカーボンペーパー（型番：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）の弾性率を１とした場合における弾性率の比を意味する。本実施形態では、引っ張り弾性率（弾性率比）の異なる複数のガス拡散層のサンプルを用いて、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率（弾性率比）とたわみ量ｃとの関係を調べた。さらに、本実施形態では、ガス拡散層２４ａと燃料ガス流路２７（セパレータ２６ａ）とが締結された状態における面圧（以下、締結面圧ともいう。）を変更して、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率（弾性率比）とたわみ量ｃとの関係を調べた。この図６には、締結面圧が１．２ＭＰａの場合と、１．４ＭＰａの場合と、１．５ＭＰａの場合とが示されている。
【００４６】
この図６によれば、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率（弾性率比）が大きくなるほど、ガス拡散層２４ａのたわみ量ｃが小さくなることが理解できる。そして、締結面圧の条件が１．２ＭＰａから１．５ＭＰａの範囲である場合には、たわみ量ｃを上述した２５μｍから９５μｍの範囲に収めるための条件としての引っ張り弾性率比の範囲（たわみ実現範囲）は、０．２５から１．２５の範囲であることが理解できる。
【００４７】
ただし、いずれの締結面圧の場合であっても、引っ張り弾性率比が０．２０のサンプルでは、ガス拡散層２４ａが燃料ガス流路２７側に過剰にたわみ込んで折れ曲がってしまい、座屈してしまった。これに対して、引っ張り弾性率比が０．４０のサンプルでは、いずれの締結面圧の場合であっても、ガス拡散層２４ａは座屈しなかった。したがって、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率比の範囲は、ガス拡散層２４ａが確実に座屈しない範囲に制限して、０．４０から１．２５の範囲に定めることが好ましい。
【００４８】
以下では、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失の範囲を定める方法について説明する。なお、以下では、監視用セル１４における圧力損失と、通常セル１２における圧力損失との差の好ましい範囲について説明するが、監視用セル１４と通常セル１２との圧力損失の差は、適宜、上述した監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失の増加率に変換することができる。
【００４９】
Ａ−４．圧力損失の範囲を定める方法：
図７は、監視用セル１４における圧力損失の範囲を定める工程を示す工程図である。工程Ｓ１０１では、複数の通常セル１２を製造する。工程Ｓ１０２では、監視用セル１４の電圧範囲の上限電圧Ｖ１を定める。具体的には、まず、複数の通常セル１２のそれぞれの電圧を測定し、複数の通常セル１２の平均電圧Ｖｍを求める。そして、平均電圧Ｖｍから所定の値を減じた値を、電圧範囲の上限電圧Ｖ１として定める。
【００５０】
工程Ｓ１０３では、監視用セル１４の電圧範囲の下限電圧Ｖ２を定める。具体的には、まず、所定の条件下における通常セル１２の電圧の降下速度を求める。そして、電圧の降下速度に基づいて、監視用セル１４の電圧を監視する監視部９２の監視周期Ｔの間に降下する通常セル１２の電圧の降下幅を求め、この電圧の降下幅を、下限電圧Ｖ２として定める。
【００５１】
工程Ｓ１０４では、上限電圧Ｖ１及び下限電圧Ｖ２に基づいて、監視用セル１４における供給ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める。すなわち、監視用セル１４の電圧が上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の間に収まるための、監視用セル１４における供給ガスの圧力損失の範囲の上限値及び下限値を定める。
【００５２】
以上の方法によって圧力損失の範囲を定めれば、監視用セル１４の電圧は、複数の通常セル１２の平均電圧から所定の値を減じた値以下となるので、監視用セル１４を監視部９２の監視対象として有効に機能させることができる。さらに、以上の方法によって圧力損失の範囲を定めれば、所定の条件下において監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、監視用セル１４が負電圧になることを抑制することができる。
【００５３】
以下では、このような方法によって圧力損失の範囲を定める理由について、監視用セル１４の好ましい性能とともに説明する。本実施形態では、燃料電池１０への水素ガスの供給が不足している水素欠乏時において、監視用セル１４が通常セル１２よりも鋭敏に反応、すなわち、監視用セル１４の電圧が通常セル１２の電圧よりも先に低下するように、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を、通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくする。
【００５４】
ここで、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失と、通常セル１２のアノードにおける圧力損失との差（以下、単に圧力損失差ともいう。）が小さすぎると、監視用セル１４の水素欠乏時における反応（電圧降下）が、通常セル１２の水素欠乏時における反応と同程度となり、監視用セル１４がセンサーとして機能しないおそれがある。
【００５５】
一方、圧力損失差が大きすぎると、氷点下環境下における暖機運転時の水素欠乏状態の場合や、９０℃以上の高温運転時に、セル内の電解質膜２１が過剰に乾燥した状態（以下、ドライアップともいう。）となった場合において、監視用セル１４の電圧が低下し過ぎて０Ｖ以下（負電圧）となり、監視用セル１４が劣化してしまうおそれがある。
【００５６】
そこで、本実施形態では、上述した事態を避けるために、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差が、どの範囲に収まっていればよいのかについて検討する。以下では、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差の検討に先立って、監視用セル１４の電圧の好ましい範囲について検討する。
【００５７】
図８は、各セルにおける電流密度と電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図８には、複数の通常セル１２のそれぞれの電圧を測定することによって得られた通常セル１２の平均電圧Ｖｍが示されている。平均電圧Ｖｍの下側には、電圧Ｖｍ２が示されている。この電圧Ｖｍ２は、複数の通常セル１２の電圧の標準偏差σを求め、この標準偏差σを３倍した値である３σを、平均電圧Ｖｍから差し引くことによって得られる。また、この図８には、水素欠乏時やドライアップ時等におけるセルの電圧降下幅Ｖｔｈが示されている。
【００５８】
この図８に示すように、各セルの電圧は、電流密度が大きくなるにしたがって低下する。本実施形態では、燃料電池１０の最大負荷発電時におけるセルの電圧に着目し、この最大負荷発電時における電圧Ｖｍ２を上限電圧Ｖ１として定める。そして、電圧降下幅Ｖｔｈを下限電圧Ｖ２として定める。
【００５９】
このとき、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧は、上限電圧Ｖ１以下であることが好ましい。このようにすれば、監視用セル１４の電圧と通常セル１２の電圧との差が明確になるとともに、監視用セル１４の電圧が、ほぼ全ての通常セル１２の電圧よりも低い状態になっている可能性が高くなるので、監視用セル１４を監視部９２の監視対象として有効に機能させることが可能となる。
【００６０】
一方、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧は、下限電圧Ｖ２以上であることが好ましい。このようにすれば、水素欠乏時やドライアップ時等の異常時において、監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、監視用セル１４の電圧が０Ｖ以下（負電圧）となってしまうことを抑制することができ、監視用セル１４の劣化を抑制することが可能となる。
【００６１】
以上より、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧は、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収まることが好ましい。
【００６２】
次に、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差をどの範囲に収めれば、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧を、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収めることができるのかについて検討する。なお、上限電圧Ｖ１や下限電圧Ｖ２（＝電圧降下幅Ｖｔｈ）の求め方の詳細については後述する。
【００６３】
図９は、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差と、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図９には、複数の通常セル１２の平均電圧Ｖｍと、上限電圧Ｖ１と、下限電圧Ｖ２（＝電圧降下幅Ｖｔｈ）とが示されている。また、この図９に示された各点は、圧力損失差の異なる監視用セル１４の電圧を測定することによって得られたデータである。曲線Ｓ１は、これらのデータを滑らかに結んだ線である。この図９に示すように、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差が大きくなるほど、すなわち、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失が大きくなるほど、監視用セル１４の電圧は低下する。
【００６４】
ここで、上限電圧Ｖ１と曲線Ｓ１との交点における圧力損失差をＰ１として定め、下限電圧Ｖ２と曲線Ｓ１との交点における圧力損失差をＰ２として定める。そうすると、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差を、Ｐ１からＰ２の範囲に収めれば、最大負荷発電時における監視用セル１４の電圧が、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収まることが理解できる。
【００６５】
すなわち、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差を、Ｐ１からＰ２の範囲に収まるように調整すれば、監視用セル１４の電圧を、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収めることができ、監視用セル１４の性能を最適なものにすることができる。なお、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差を調整する方法については後述する。
【００６６】
次に、上限電圧Ｖ１の求め方について説明する。
【００６７】
図１０は、複数の通常セル１２の電圧の分布をグラフ形式で示す説明図である。この図１０は、複数の通常セル１２の電圧を同じ動作条件で測定し、０．０５Ｖ毎に電圧を区切って通常セル１２の数を測定した結果を示している。この図１０に示すように、複数の通常セル１２の電圧を測定すると、電圧の分布は、ほぼ正規分布となる。上述したように、本実施形態では、複数の通常セル１２の電圧の標準偏差σを算出する。そして、複数の通常セル１２の電圧の平均電圧Ｖｍから３σを減じた値Ｖｍ２を上限電圧Ｖ１として定める。この図１０に示すように、上限電圧Ｖ１よりも小さい電圧の通常セル１２は、ほとんど存在しない。したがって、監視用セル１４の電圧を、上限電圧Ｖ１以下とすれば、監視用セル１４が監視部９２の監視対象として有効に機能することが理解できる。
【００６８】
図１１は、温度と、平均電圧Ｖｍ及び電圧Ｖｍ２との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図１１に示すように、平均電圧Ｖｍと電圧Ｖｍ２との差、すなわち、各セルの電圧のバラツキは、温度によって大きく異なっている。具体的には、低温域と高温域において各セルの電圧のバラツキが大きくなっている。したがって、上限電圧Ｖ１（＝電圧Ｖｍ２）及びＰ１は、各セルの電圧のバラツキが最も大きくなる温度条件において求めることが好ましい。
【００６９】
次に、下限電圧Ｖ２に対応する電圧降下幅Ｖｔｈの求め方について説明する。本実施形態では、電圧降下幅Ｖｔｈには、急速暖気運転の水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１と、高温運転のドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２の２種類が含まれる。
【００７０】
図１２は、急速暖気運転の経過時間と、セルの電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図１２に示すように、０℃以下の氷点下環境下において、急速暖気運転が行なわれた場合には、各セルは、水素欠乏状態になりやすく、電圧が低下する。電圧が低下して０Ｖ以下の負電圧になると、セルが劣化するおそれがある。
【００７１】
そこで、本実施形態では、図１２に示す曲線Ｓ２の傾きに基づいて電圧降下速度［ｄＶ／ｄｔ］を求めるとともに、この電圧降下速度に、監視部９２の監視周期Ｔを掛けることによって、監視周期Ｔの間における電圧降下幅Ｖｔｈ１を求める。なお、本実施形態では、電圧降下幅Ｖｔｈ１は、電圧が降下する場合を正の値として規定する。
【００７２】
ここで、電圧降下幅Ｖｔｈ１として、電圧降下速度に監視周期Ｔを掛け合わせた値を採用した理由について説明する。上述したように、監視部９２は、監視用セル１４の電圧を監視周期Ｔ毎に監視している。このため、急速暖気運転が行なわれて監視用セル１４が水素欠乏状態となり、監視用セル１４の電圧が降下すると、監視部９２は、監視用セル１４の電圧の降下を検知する。監視部９２が監視用セル１４の電圧の降下を検知すると、制御部９１は、燃料電池１０の出力電流に制限をかけて、監視用セル１４の電圧の降下を抑制する。すなわち、監視用セル１４の電圧は、最大でも、監視周期Ｔの間しか降下しないからである。
【００７３】
図１３は、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差と、急速暖気運転時における監視用セル１４の電圧との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図１３には、水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１が示されている。そして、曲線Ｓ３と、電圧降下幅Ｖｔｈ１との交点における圧力損失差をＰ２ｈとして定める。このＰ２ｈは、監視用セル１４が水素欠乏時に負電圧となってしまうことを抑制することのできる上限の圧力損失差である。
【００７４】
次に、ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２を求める。ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２の求め方は、図１２に示した水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１の求め方と同じである。すなわち、ドライアップ時において電圧が降下する場合の傾きに基づいて電圧降下速度［ｄＶ／ｄｔ］を求めるとともに、この電圧降下速度に、監視部９２の監視周期Ｔを掛けることによって、監視周期Ｔの間における電圧降下幅Ｖｔｈ２を求めればよい。そして、図１３と同様にして、電圧降下幅Ｖｔｈ２から、Ｐ２ｄを求めればよい。このＰ２ｄは、監視用セル１４がドライアップ時に負電圧となってしまうことを抑制することのできる上限の圧力損失差である。
【００７５】
そして、Ｐ２ｈ（水素欠乏時）と、Ｐ２ｄ（ドライアップ時）のうち、小さい方を、圧力損失差の上限であるＰ２として定め、監視用セル１４の通常セル１２に対する圧力損失差をＰ２以下とすればよい。
【００７６】
このようにすれば、水素欠乏時において監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、ドライアップ時において監視用セル１４の電圧が降下した場合であっても、監視用セル１４が負電圧となってしまうことを抑制することができる。
【００７７】
このように、本実施形態では、監視用セル１４の電圧が、上限電圧Ｖ１から下限電圧Ｖ２の範囲に収まるように、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失を調整するので、監視用セル１４を監視部９２の監視対象として有効に機能させつつ、水素欠乏時やドライアップ時の電圧降下による監視用セル１４の負電圧化を抑制することが可能となる。
【００７８】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７９】
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、監視用セル１４は、１つの燃料電池１０内に１つ設けられている。しかし、監視用セル１４は、１つの燃料電池１０内に２つ以上設けられていてもよい。
【００８０】
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、たわみ量ｃと圧力損失の増加率との関係（図５）は、上記数式を用いた数値計算によって求められている。しかし、たわみ量ｃと圧力損失の増加率との関係を、実験によって求めてもよい。同様に、たわみ量ｃとガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率との関係（図６）を、数値計算等のシミュレーションによって求めてもよい。また、上記実施形態における図６では、ガス拡散層２４ａの引っ張り弾性率は、弾性率比として示されている。しかし、図６において、弾性率比の代わりに、ガス拡散層２４ａの弾性率そのものが示されていてもよい。
【００８１】
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、監視用セル１４のアノードにおける圧力損失が通常セル１２のアノードにおける圧力損失よりも大きくなるように調整している。しかし、監視用セル１４のカソードにおける圧力損失が通常セル１２のカソードにおける圧力損失よりも大きくなるように調整してもよい。
【００８２】
Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、上限電圧Ｖ１を定める際に、３σを平均電圧Ｖｍから減じている。しかし、２σやσ、平均電圧Ｖｍの５％等の所定の値を平均電圧Ｖｍから減じてもよい。
【００８３】
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、下限電圧Ｖ２を求めるために、水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１と、ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２の２つを求めている。すなわち、上記実施形態では、２つの条件下に対応する２つの電圧降下速度を求め、２つの条件下に対応する２つの電圧降下幅を求めている。しかし、他の条件下における電圧降下速度及び電圧降下幅をさらに求めてもよく、また、１つの条件下における電圧降下速度及び電圧降下幅のみを求めてもよい。例えば、水素欠乏時における電圧降下幅Ｖｔｈ１のみを求めてもよく、ドライアップ時における電圧降下幅Ｖｔｈ２のみを求めてもよい。
【００８４】
Ｂ６．変形例６：
上記実施形態では、図１２において、監視用セル１４の電圧降下速度は、通常セル１２の電圧降下速度とほぼ等しいと推定し、通常セル１２を用いて電圧降下幅Ｖｔｈ１を求めている。しかし、通常セル１２の代わりに、監視用セル１４に近い構造のテスト用セルを用いて、電圧降下幅Ｖｔｈを求めてもよい。
【００８５】
Ｂ７．変形例７：
上記実施形態では、図９及び図１３の横軸として、監視用セル１４と通常セル１２の圧力損失差を採用している。しかし、図９及び図１３の横軸として、監視用セル１４の圧力損失の増加率を採用してもよい。
【００８６】
Ｂ８．変形例８：
上記実施形態では、車両に搭載される燃料電池システム１００について説明している。しかし、上記実施形態の燃料電池システム１００は、車両以外の移動体に搭載されてもよく、また、設置型であってもよい。
【００８７】
Ｂ９．変形例９：
上記実施形態においてソフトウェアで実現されている機能の一部をハードウェアで実現してもよく、あるいは、ハードウェアで実現されている機能の一部をソフトウェアで実現してもよい。
【００８８】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１０…燃料電池
１２…通常セル
１４…監視用セル
２１…電解質膜
２２ａ…アノード
２２ｂ…カソード
２４ａ…ガス拡散層
２４ｂ…ガス拡散層
２６ａ…セパレータ
２６ｂ…セパレータ
２７…燃料ガス流路
２８…酸化ガス流路
２９ａ…水素ガス供給マニホールド
２９ａ１…供給部
２９ｂ…水素ガス排出マニホールド
２９ｃ…分配器
６０…燃料ガス系機器
６１…水素タンク
６２…シャットバルブ
６３…レギュレータ
６４…配管
６５…配管
６６…気液分離器
６７ａ…配管
６７ｂ…配管
６８…循環ポンプ
６９…パージ弁
７０…酸化ガス系機器
７１…エアクリーナ
７２…エアコンプレッサ
７３…配管
７４…配管
７６…希釈器
７７…配管
８０…冷却系機器
８１…ラジエータ
８２…循環ポンプ
８３…配管
９０…制御ユニット
９１…制御部
９２…監視部
９５…出力要求
１００…燃料電池システム
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2014059959.tif 000013
【図１０】
2014059959.tif 000014
【図１１】
2014059959.tif 000015
【図１２】
2014059959.tif 000016
【図１３】
2014059959.tif 000017