(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルを有し、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、を備えており、
前記セルは、第１セパレータ、第２セパレータ、および、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟まれている膜−電極接合体とを有し、
前記膜−電極接合体は、前記第１セパレータに接しかつ前記燃料ガスが供給されるアノード、前記第２セパレータに接しかつ前記酸化剤ガスが供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に挟まれている電解質膜を有しており、
前記第１セパレータまたは前記アノードに設けられ、かつ、水素雰囲気下における電気抵抗と、酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なる抵抗変化特性を有するセンサー部と、
前記センサー部または当該センサー部を含む前記セルの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、
制御器と、をさらに備え、
前記制御器は、
燃料電池システムの起動時に、前記抵抗測定器により測定された前記電気抵抗に基づいて、前記アノードに所定量以上の空気が混入しているか否かを判定し、
前記アノードに所定量以上の空気が混入していると判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行し、
前記アノードに所定量以上の空気が混入していないと判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行しないように構成されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記センサー部は、前記アノードに設けられ、かつ、アノード触媒を担持する担体である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記セルは、
アノード触媒を担持する担体が前記センサー部により構成されている第１セルと、
アノード触媒を担持する担体がカーボンにより構成されている第２セルと、を有しており、
前記制御器は、前記抵抗測定器により測定された前記第１セルの電気抵抗および前記第２セルの電気抵抗に基づいて、前記アノードに所定量以上の空気が混入しているか否かを判定するように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記センサー部は、前記抵抗変化特性を有する導電性材料を含み、
前記導電性材料は、チタン、スズ、インジウム、および、これらを基体とした酸化物の少なくともいずれか１つを含んでいる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
セルを有し、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、を備えており、
前記セルは、第１セパレータ、第２セパレータ、および、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟まれている膜−電極接合体とを有し、
前記膜−電極接合体は、前記第１セパレータに接しかつ前記燃料ガスが供給されるアノード、前記第２セパレータに接しかつ前記酸化剤ガスが供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に挟まれている電解質膜を有しており、
前記第１セパレータまたは前記アノードに設けられ、かつ、水素雰囲気下における電気抵抗と、酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なる抵抗変化特性を有するセンサー部と、
前記センサー部または当該センサー部を含む前記セルの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、をさらに備えている燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの起動時に、前記抵抗測定器により測定された前記電気抵抗に基づいて、前記アノードに所定量以上の空気が混入しているか否かを判定し、
前記アノードに所定量以上の空気が混入していると判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行し、
前記アノードに所定量以上の空気が混入していないと判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行しない、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子形燃料電池において燃料ガスの供給を停止した際、燃料ガス流路内に残存していた燃料ガスが、燃料ガス流路から漏出したり、電解質膜を通過したりすると、それに代わり燃料ガス流路に空気が浸入する。このような状態で燃料電池を起動させた場合、アノードで酸素還元反応が生じ、それに伴いカソードに用いた触媒層が劣化してしまう。
【０００３】
このような触媒層の劣化を回避するため、たとえば、特許文献１および２に示す技術が提案されている。この特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定している。これにより、発電始動時に、燃料極（アノード）に隣接している燃料室に酸素が残留している場合、この酸素を短時間で排出して燃料ガスで置換している。
【０００４】
また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池システム起動前に燃料電池本体の状態を判断し、この判断結果に基づいて触媒層の劣化を抑制する制御を行う否かを判断している。この際、燃料電池本体の状態を、燃料ガスを供給する前の燃料電池の電圧の変化率により判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および２に示す燃料電池では、発電効率の観点から、未だ改善の余地があった。本発明は、発電効率の低下の抑制を図った燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、セルを有し、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、を備えており、前記セルは、第１セパレータ、第２セパレータ、および、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟まれている膜−電極接合体とを有し、前記膜−電極接合体は、前記第１セパレータに接しかつ前記燃料ガスが供給されるアノード、前記第２セパレータに接しかつ前記酸化剤ガスが供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に挟まれている電解質膜を有しており、前記第１セパレータまたは前記アノードに設けられ、かつ、水素雰囲気下における電気抵抗と、酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なる抵抗変化特性を有するセンサー部と、前記センサー部または当該センサー部を含む前記セルの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、をさらに備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法において、発電効率の低下の抑制が可能であるという効果を奏する。
【０００９】
本発明の上記目的、他の目的、特徴および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図である。
【図３】図３Ａの上図は、ＭＥＡを模式的に示した断面図であり、図３Ａの下図は、セルの電気抵抗を概略的に示すグラフであり、図３Ｂは水素雰囲気下における白金／タンタルドープ酸化チタンを模式的に示す図であり、図３Ｃは酸素雰囲気下における白金／タンタルドープ酸化チタンを模式的に示す図である。
【図４】図１の燃料電池システムの起動時の運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図６】図５の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図である。
【図７】図５の燃料電池システムの起動時の運転方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の基礎となる知見）
本発明者は、燃料電池システムおよびその運転方法において、発電効率の低下を抑制することについて検討を重ねた。その結果、本発明者は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
【００１２】
燃料ガス流路に空気が混入した状態で燃料ガス流路に燃料ガスを供給すると、燃料ガス流路の上流側から燃料ガスが充填されるため、燃料ガス流路の下流部では空気が残ることがある。このような状態で燃料電池を起動すれば、燃料ガスが満たされている燃料ガスの上流部では、発電反応が生じる。この発電反応では、アノードでＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の水素酸化反応が起こり、カソードで２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こる。
【００１３】
一方、空気が残留した燃料ガス流路の下流部では、カソードのカーボンの腐食反応が生じる。この腐食反応では、アノードで２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの酸素還元反応が起こり、カソードで１／２Ｃ＋Ｈ２Ｏ→１／２ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が起こる。これにより、カソード触媒層が劣化し、燃料電池の発電性能が低下してしまう。
【００１４】
これに対して、特許文献１の燃料電池システムでは、発電始動時に、燃料ガスを高圧で供給している。このため、所定量以上の酸素が燃料室に残留していない場合であっても、燃料ガスが高圧で供給される。このような場合、発電に寄与しない燃料ガスが無駄に消費され、発電効率の低下を招いてしまう。
【００１５】
また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料ガスを供給する前の燃料電池の電圧の変化率に基づいて燃料電池本体の状態を判断している。この燃料ガスを供給する前の燃料電池の電圧（燃料電池の開回路電圧）は、アノードおよびカソードのそれぞれにおける水素分圧および酸素分圧などの複合的な要因により決定される。よって、開回路電圧の変化率だけではアノードへの空気混入の有無を正確に判定することは困難であるため、発電効率の低下を抑制することについて十分でなかった。
【００１６】
そこで、本発明者は、鋭意検討した結果、水素雰囲気下における電気抵抗と酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なるセンサー部を用いることにより、燃料電池の発電効率の低下を抑制できることを見出した。本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。
【００１７】
（実施の形態）
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、セルを有し、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、を備えており、前記セルは、第１セパレータ、第２セパレータ、および、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟まれている膜−電極接合体とを有し、前記膜−電極接合体は、前記第１セパレータに接しかつ前記燃料ガスが供給されるアノード、前記第２セパレータに接しかつ前記酸化剤ガスが供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に挟まれている電解質膜を有しており、前記第１セパレータまたは前記アノードに設けられ、かつ、水素雰囲気下における電気抵抗と、酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なる抵抗変化特性を有するセンサー部と、前記センサー部または当該センサー部を含む前記セルの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、をさらに備えている。
【００１８】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、第１の態様において、前記センサー部は、前記アノードに設けられ、かつ、アノード触媒を担持する担体である。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、第１または第２の態様において、制御器をさらに備えており、前記制御器は、前記燃料電池システムの起動時に、前記抵抗測定器により測定された前記電気抵抗に基づいて、前記アノードに所定量以上の空気が混入しているか否かを判定し、前記アノードに所定量以上の空気が混入していると判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行し、前記アノードに所定量以上の空気が混入していないと判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行しないように構成されている。
【００２０】
本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、第３の態様において、前記セルは、アノード触媒を担持する担体が前記センサー部により構成されている第１セルと、アノード触媒を担持する担体がカーボンにより構成されている第２セルと、を有しており、前記制御器は、前記抵抗測定器により測定された前記第１セルの電気抵抗および前記第２セルの電気抵抗に基づいて、前記アノードに所定量以上の空気が混入しているか否かを判定するように構成されている。
【００２１】
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、第１乃至第４のいずれかの態様において、前記センサー部は、前記抵抗変化特性を有する導電性材料を含み、前記導電性材料は、チタン、スズ、インジウム、および、これらを基体とした酸化物の少なくともいずれか１つを含んでいる。
【００２２】
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、セルを有し、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、を備えており、前記セルは、第１セパレータ、第２セパレータ、および、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に挟まれている膜−電極接合体とを有し、前記膜−電極接合体は、前記第１セパレータに接しかつ前記燃料ガスが供給されるアノード、前記第２セパレータに接しかつ前記酸化剤ガスが供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に挟まれている電解質膜を有しており、前記第１セパレータまたは前記アノードに設けられ、かつ、水素雰囲気下における電気抵抗と、酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なる抵抗変化特性を有するセンサー部と、前記センサー部または当該センサー部を含む前記セルの電気抵抗を測定する抵抗測定器と、をさらに備えている燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの起動時に、前記抵抗測定器により測定された前記電気抵抗に基づいて、前記アノードに所定量以上の空気が混入しているか否かを判定し、前記アノードに所定量以上の空気が混入していると判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行し、前記アノードに所定量以上の空気が混入していないと判定した場合に、前記カソードの劣化を抑制する処理を実行しない。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２４】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、燃料電池システム１００の構成を概略的に示す機能ブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、センサー部２０、燃料ガス供給器３０、圧力調節器４０、酸化剤ガス供給器５０、抵抗測定器６０および制御器７０を備えている。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、水素を含有する燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応（以下、発電反応という）させて発電する反応器である。燃料電池スタック１０は、積層された複数のセルにより構成されている。複数のセルのうち、少なくとも１つは第１セル１１であって、残りは第２セル１１１である。なお、第１セル１１および第２セル１１１については、後で詳述する。
【００２６】
センサー部２０は、第１セル１１のアノード（第１アノード）１６に設けられ、かつ、抵抗変化特性を有している。抵抗変化特性とは、水素雰囲気下における電気抵抗と、酸素雰囲気下における電気抵抗とが異なる性質である。なお、センサー部２０については、後で詳述する。
【００２７】
燃料ガス供給器３０は、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する機器である。燃料ガス供給器３０は第１経路３１により燃料電池スタック１０に接続され、燃料ガスは第１経路３１を介して燃料電池スタック１０に供給される。燃料ガス供給器３０は、燃料ガスの流量を調整する機能を有し、この調整は制御器７０により行われる。燃料ガスは、水素を含有するガスである。燃料ガス供給器３０としては、たとえば、改質器、水素ボンベ、水素ガスインフラストラクチャなどが例示される。改質器は、蒸気改質方式、部分酸化方式、または、オートサーマル方式などの方式により原料ガスから燃料ガスを生成する反応器である。
【００２８】
圧力調節器４０は、第１経路３１に設けられ、燃料ガス供給器３０により供給される燃料ガスの圧力を調節する機器である。この圧力の調節は制御器７０により行われる。圧力調節機器としては、たとえば、ステッピングモーターを備えた可変オリフィスおよびガバナが例示される。
【００２９】
酸化剤ガス供給器５０は、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する機器である。酸化剤ガス供給器５０は第２経路５１により燃料電池スタック１０に接続され、酸化剤ガスは第２経路５１を介して燃料電池スタック１０に供給される。酸化剤ガス供給器５０は、酸化剤ガスを送出する流量を調整する機能を有し、この調整は制御器７０により行われる。酸化剤ガスとしては、たとえば、空気や酸素などが挙げられる。酸化剤ガス供給器５０としては、たとえば、空気を送風するファンやブロアなどの送風機、酸素ボンベなどが例示される。
【００３０】
抵抗測定器６０は、各セル１１、１１１の電気抵抗を測定する機器であって、測定した電気抵抗を制御器７０へ出力する。たとえば、抵抗測定器６０は、一定の距離を隔てて各セル１１、１１１に電気的に接続された一対の端子間の電気抵抗を各セル１１、１１１の電気抵抗として測定する。この実施の形態では、抵抗測定器６０は、第１セル１１におけるアノード（第１アノード）１６とカソード１７との間の電気抵抗、および、第２セル１１１におけるアノード（第２アノード）１１６とカソード１７との間の電気抵抗をそれぞれ測定する。測定手法としては、たとえば、交流インピーダンス法および電流遮断法等が例示される。
【００３１】
制御器７０は、燃料電池システム１００の各部を制御する装置である。制御器７０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）および記憶部（図示せず）を備える。たとえば、演算処理部としてはＭＰＵおよびＣＰＵ等のプロセッサが例示され、記憶部としてはメモリ−が例示される。記憶部は、制御プログラムを記憶し、演算処理部は、制御プログラムを記憶部から読み出してこれを実行する。換言すると、制御プログラムは、演算処理部に、そのプログラムされた制御を実行させる。制御器７０は、集中制御を行う単独の装置で構成されていてもよく、互いに協同して分散制御を行う装置で構成されていてもよい。
【００３２】
たとえば、制御器７０は、抵抗測定器６０により測定された電気抵抗と、記憶している所定の電気抵抗の閾値とを比較する。比較の結果、制御器７０は、アノードに空気が混入しているか否かを判定し、この判定結果に応じて各部に指令を出力する。
【００３３】
次に、燃料電池スタック１０の構成について、図２を参照して説明する。図２は、燃料電池スタック１０の一部を模式的に示す断面図である。燃料電池スタック１０は、固体高分子形燃料電池のスタックであって、第１セル１１および第２セル１１１を含んでいる。
【００３４】
第１セル１１は、ガス種（酸素および水素）に対する抵抗変化特性を有するセルである。この抵抗変化特性とは、第１アノード１６が燃料ガスなどにさらされた水素雰囲気下にある場合の第１セル１１の電気抵抗と、第１アノード１６が酸素を含む空気などにさらされた酸素雰囲気下にある場合の第１セル１１の電気抵抗が異なる性質である。第１セル１１は、第１セパレータ１３、第２セパレータ１４、および、これらの間に挟まれている膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly,第１ＭＥＡ)１２を有している。
【００３５】
第２セル１１１は、ガス種に対する抵抗変化特性を有さない、または、その抵抗変化特性が第１セル１１より小さいセルである。第２セル１１１は、第１セパレータ１３、第２セパレータ１４、および、これらの間に挟まれている膜−電極接合体(Membrane Electrode Assembly, 第２ＭＥＡ)１１２を有している。なお、各ＭＥＡ１２、１１２を以外の構成は、第１セル１１および第２セル１１１で同じである。
【００３６】
第１ＭＥＡ１２は、アノード（第１アノード）１６、カソード１７、および、これらの間に挟まれている電解質膜１５を有している。第２ＭＥＡ１１２は、アノード（第２アノード）１１６、カソード１７、および、これらの間に挟まれている電解質膜１５を有している。なお、各アノード１６、１１６以外の構成は、第１ＭＥＡ１２および第２ＭＥＡ１１２で同じである。
【００３７】
電解質膜１５は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す高分子材料で形成されており、たとえば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられる。電解質膜１５は、第１主面とこれに対向する第２主面とを有している。たとえば、第１主面および第２主面は長方形状であって、これらの面積は第１主面および第２主面以外の電解質膜１５の面より大きい。
【００３８】
各アノード１６、１１６は、導電性を有する担体上にアノード触媒を担持させた電極である。第１アノード１６は、センサー部２０が設けられており、ガス拡散層１８および触媒層（第１アノード触媒層）１９を備えている。第２アノード１１６は、センサー部２０が設けられておらず、ガス拡散層１８および触媒層（第２アノード触媒層）１１９を備えている。また、カソード１７は、導電性を有する担体上にカソード触媒を担持させた電極である。カソード１７は、ガス拡散層１８および触媒層（カソード触媒層）２８を備えている。
【００３９】
ガス拡散層１８は、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持ち、基材２１およびコーティング層２２を備えている。基材２１は、導電性、ならびに、気体および液体の透過性に優れた材料、たとえば、炭素質材料からなる多孔質構造である。この炭素質材料としては、たとえば、カーボンペーパー、炭素繊維クロス、炭素繊維フェルトなどの炭素繊維が例示される。コーティング層２２は、基材２１と触媒層１９、１１９、２８との間に介在し、これらの接触抵抗を下げ、液体の透過性（排水性）を向上するための層である。コーティング層２２としては、たとえば、カーボンブラックおよび撥水剤から形成される。
【００４０】
第１アノード触媒層１９は、ガス種に対する抵抗変化特性を有する導電性材料で形成されている。第１アノード触媒層１９は、酸素雰囲気下における電気抵抗が、水素雰囲気下における電気抵抗より高い。たとえば、第１アノード触媒層１９の酸素雰囲気下における電気抵抗は、水素雰囲気下における電気抵抗の２倍を超える。これにより、第１アノード触媒層１９が酸素雰囲気下にある第１セル１１の電気抵抗は、第１アノード触媒層１９が水素雰囲気下にある第１セル１１の電気抵抗の２倍を超える。
【００４１】
また、第１アノード触媒層１９の電気抵抗の比は、カソード触媒層２８の電気抵抗の比より大きい。この第１アノード触媒層１９の電気抵抗の比は、水素雰囲気下におけるアノード触媒層１９の電気抵抗に対する酸素雰囲気下における第１アノード触媒層１９の電気抵抗の割合である。カソード触媒層２８の電気抵抗の比は、水素雰囲気下におけるカソード触媒層２８の電気抵抗に対する酸素雰囲気下におけるカソード触媒層２８の電気抵抗の割合である。
【００４２】
第１アノード触媒層１９は電解質膜１５の第１の主面上に設けられており、第１アノード触媒層１９は、第１触媒材料および第１導電性材料を含んでいる。第１触媒材料は、アノード触媒であって、発電反応における水素酸化反応に対して活性を持つ材料で形成されている。第１触媒材料として、たとえば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）などの貴金属が例示され、この中でも白金およびその合金が好ましい。第１触媒材料は、粒子状に形成されており、この粒子の平均一次径が、たとえば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第１触媒材料は、第１導電性材料の表面に担持されている。
【００４３】
第１導電性材料は、センサー部２０により構成されており、抵抗変化特性を持つ導電性材料で形成されている。この抵抗変化特性を持つ導電性材料は、チタン、スズ、インジウム、および、これらを基体とした酸化物の少なくともいずれか１つを含んでいる。第１導電性材料が粒子状に形成されており、この粒子の平均一次径が、たとえば、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
【００４４】
さらに、第１アノード触媒層１９の導電性を高める目的で、導電性セラミックスに異種金属（ドーパント）がドープされていてもよい。このドーパントとしては、たとえば、ニオブ、タンタル、アンチモン、クロム、タングステンおよびモリブデンが例示される。
【００４５】
また、第１アノード触媒層１９のガス種（酸素および水素）に対する抵抗変化の応答性を高める目的で、導電性セラミックスの表面に貴金属が担持されていてもよい。この貴金属としては、たとえば、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、レニウム、オスミウム、銀および金が例示される。
【００４６】
たとえば、白金および白金合金は、水素酸化反応に対して活性を有すると共に、抵抗変化の応答性を高める性質も有している。よって、第１アノード触媒層１９の導電性セラミックスの表面に白金あるいは白金合金を担持すると、第１アノード触媒層１９は、燃料電池の第１アノード１６の電極として機能するだけでなく、ガス種に対する優れた検知機能を発揮する。
【００４７】
第２アノード触媒層１１９は、ガス種に対する抵抗変化特性を有さない、または、第１アノード触媒層１９より抵抗変化特性が小さい導電性材料で形成されている。第２アノード触媒層１１９は電解質膜１５の第１の主面上に設けられており、第２触媒材料および第２導電性材料を含んでいる。第２触媒材料は、アノード触媒であって、発電反応における水素酸化反応に対して活性を持つ材料で形成されている。第２触媒材料として、たとえば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）が例示され、この中でも白金およびその合金が好ましい。第２触媒材料は、粒子状に形成されており、この粒子の平均一次径が、たとえば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第２触媒材料は、第２導電性材料の表面に担持されている。
【００４８】
第２導電性材料は、抵抗変化特性がない、または、第１導電性材料より小さい導電性材料で形成されている。この導電性材料としては、たとえば、カーボンが例示される。
【００４９】
カソード触媒層２８は、電解質膜１５の第２主面上に設けられている。カソード触媒層２８は、第３触媒材料および第３導電性材料を含んでいる。第３触媒材料は、酸素還元反応に対して活性を持つ触媒であって、たとえば、白金または白金合金が用いられる。第３導電性材料は、抵抗変化特性を持たない、または、抵抗変化特性が第１導電性材料より低い材料であって、たとえば、カーボンが用いられる。
【００５０】
第１セパレータ１３は、各ＭＥＡ１２、１１２のアノード側ガス拡散層１８に接触するように設けられている。また、第２セパレータ１４は、各ＭＥＡ１２、１１２のカソード側ガス拡散層１８に接触するように設けられている。各セパレータ１３、１４は、導電性、ガス不透過性、熱伝導性および耐久性などを有する材料、たとえば、圧縮カーボン、または、ステンレス鋼などの金属材料によって形成されている。
【００５１】
第１セパレータ１３には、アノード側ガス拡散層１８に対向する一方主面に溝状の第１凹部が設けられている。この第１凹部とアノード側ガス拡散層１８とにより囲まれた空間は、燃料ガスなどのガスが流通する流路（アノード側流路）２３として機能する。
【００５２】
また、第１セパレータ１３の一方主面と反対側の他方主面に、溝状の第２凹部が設けられている。この第１セパレータ１３の他方主面に隣接する第２セパレータ１４と、第２凹部とにより囲まれた空間が、各ＭＥＡ１２、１１２を冷却する水（冷却水）が流通する流路（冷却水流路）２５として機能する。
【００５３】
第２セパレータ１４には、カソード側ガス拡散層１８に対向する一方主面に溝状の第３凹部が設けられている。この第３凹部とカソード側ガス拡散層１８とにより囲まれた空間は、酸化剤ガスなどのガスが流通する流路（カソード側流路）２４として機能する。
【００５４】
抵抗測定器６０の端子は、たとえば、各セル１１、１１１における第１セパレータ１３および第２セパレータ１４のそれぞれに接続されている。これにより、各セル１１、１１１の電気抵抗が測定される。
【００５５】
複数のセル１１、１１１は、積層され、それにより互いに隣接するセル１１、１１１が電気的に直列に接続されている。そして、積層された複数の１１、１１１は、ボルトなどの締結部材２６により所定の圧力にて締結されている。この加圧締結により、燃料ガスおよび酸化剤ガスのリークが防止されると共に、接触抵抗が低減されている。また、第１セパレータ１３と第２セパレータ１４との間には、各アノード１６、１１６およびカソード１７の各側面を覆うようにガスケット２７が配置されている。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏洩が防がれる。
【００５６】
次に、第１ＭＥＡ１２における化学反応およびアノード１６の電気抵抗の変化について、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃを参照して説明する。図３Ａの上図は、第１ＭＥＡ１２における化学反応を示した図である。図３Ａの下図は、白金／タンタルドープ酸化チタン（Ｐｔ／Ｔｉ０．９Ｔａ０．１Ｏ２−δ）を第１アノード触媒層１９に用いた第１セル１１の電気抵抗を概略的に示すグラフである。また、図３Ａの領域Ａは、第１アノード１６に燃料ガスが存在する水素雰囲気の領域である。図３Ａの領域Ｂは、第１アノード１６に空気が残存する酸素雰囲気の領域である。図３Ｂは水素雰囲気下における白金触媒を担持した白金／タンタルドープ酸化チタンの模式図である。図３Ｃは酸素雰囲気下における白金触媒を担持した白金／タンタルドープ酸化チタンの模式図である。
【００５７】
まず、抵抗変化特性を有さないアノードを備えたＭＥＡにおける化学反応について説明する。なお、抵抗変化特性を有さないアノード触媒層では、カーボンなど抵抗変化特性を有さない導電性材料により構成されている。
【００５８】
図３Ａの上図に示すように、領域Ａにおいては、アノードで、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応が生じ、プロトンＨ＋および電子ｅ−が生成する。このプロトンＨ＋が電解質膜１５を介してカソード１７へ移動する。カソード１７で、アノードからのプロトンＨ＋および領域Ｂのカソード１７からの電子ｅ−により、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏの反応が生じ、水が生成する。また、電子ｅ−が領域Ｂに移動する。
【００５９】
一方、領域Ｂにおいては、カソード１７で、Ｐｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ−の反応、および、Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−の反応が生じ、プロトンＨ＋および電子ｅ−が生成する。この電子ｅ−が領域Ａに移動する。また、プロトンＨ＋が電解質膜１５を介してカソード１７へ移動する。アノード１６で、カソード１７からのプロトンＨ＋および領域Ａからの電子ｅ−により、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏの反応により水が生成する。
【００６０】
このように、抵抗変化特性を有さないＭＥＡでは、電子ｅ−が領域Ａと領域Ｂとの間を移動する。これにより、カソード１７の第２触媒材料の白金（Ｐｔ）および第２導電性材料のカーボン（Ｃ）が腐食する。
【００６１】
これに対し、抵抗変化特性を有する第１アノード１６を備えた第１ＭＥＡ１２では、図３Ａの下図のように、領域Ｂにおける第１セル１１の電気抵抗が領域Ａより高い。これは、図３Ｃに示すように、白金／タンタルドープ酸化チタンの表面における吸着酸素種による。
【００６２】
つまり、図３Ｂに示すように、水素雰囲気下では白金／タンタルドープ酸化チタンの表面に白金触媒は担持されているが、それ以外の物は吸着されていない。これに対し、図３Ｃに示すように、酸素雰囲気下では、酸素が白金／タンタルドープ酸化チタンの表面で還元され、荷電酸素種（Ｏ２−、Ｏ−、Ｏ２−）などの化学吸着分子が発生する。これが、白金／タンタルドープ酸化チタンの表面に吸着し、表面に、バンドベンディングを有する空乏層が形成される。このバンドベンディングによって結晶粒界および粒子間における電子の移動が妨げられ、第１アノード１６の電気抵抗が増加する。これにより、領域Ｂにおけるアノード１６の触媒活性が低下し、Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏの反応が起こりにくくなる。これに伴い、領域ＢにおけるプロトンＨ＋の移動、および、カソード１７におけるＰｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ−、Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−の反応が抑制され、領域Ｂにおける第２触媒材料および第２導電性材料の腐食が抑制される。
【００６３】
次に、燃料電池システム１００の起動時における運転方法について、図４を参照して説明する。図４は、燃料電池システム１００の起動時における運転方法の一例を示すフローチャートである。この燃料電池システム１００の起動時における運転は、制御器７０により実行される。
【００６４】
まず、制御器７０は、燃料電池システム１００の起動か否かを判定する(ステップＳ１)。ここで、燃料電池システム１００の起動でなければ(ステップＳ１：Ｎｏ)、ステップＳ１の処理を繰り返す。
【００６５】
一方、燃料電池システム１００の起動であれば(ステップＳ１：ＹＥＳ)、制御器７０は抵抗測定器６０により測定された第１セル１１の電気抵抗Ｒ１を取得する（ステップＳ２）。また、制御器７０は抵抗測定器６０により測定された第２セル１１１の電気抵抗Ｒ２を取得する（ステップＳ３）。
【００６６】
そして、制御器７０は、第１セル１１の電気抵抗Ｒ１および第２セル１１１の電気抵抗Ｒ２に基づいて、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入しているか否かを判定する（ステップＳ４）。具体的には、制御器７０は、第１セル１１の電気抵抗Ｒ１と第２セル１１１の電気抵抗Ｒ２との電気抵抗の差（Ｒ１−Ｒ２）が所定の電気抵抗差の閾値Ｘ以上であるか否かを判定する。
【００６７】
ここで、各アノード１６、１１６に空気が混入している場合、各アノード１６、１１６が酸素雰囲気下にある。この場合、第２アノード１１６は、ガス種に対する抵抗変化特性を有していないため、水素雰囲気下における電気抵抗と同じまたはほぼ同じ電気抵抗を示す。これに対して、第１アノード１６は、ガス種に対する抵抗変化特性を有しているため、水素雰囲気下における電気抵抗より大きい電気抵抗を示す。この結果、各セル１１、１１１の電気抵抗の差（Ｒ１−Ｒ２）は所定の電気抵抗差の閾値Ｘ以上に大きくなる（ステップＳ４：ＹＥＳ）。よって、制御器７０は、電気抵抗の差（Ｒ１−Ｒ２）が所定の電気抵抗差の閾値Ｘ以上である場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入していると判定する。
【００６８】
制御器７０は、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入していると判定すると、第１シーケンスを実行する（ステップＳ５）。第１シーケンスは、カソード１７の劣化を抑制する処理を含む燃料電池システム１００の起動処理である。カソード１７の劣化を抑制する処理としては、たとえば、燃料ガスの圧力を第２シーケンスにおける圧力より高く調節して、燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給する処理である。
【００６９】
この場合、まず、制御器７０は、圧力調節器４０を制御して、燃料ガス供給器３０から燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスの圧力を第２シーケンスにおける圧力より高く調節する。そして、制御器７０は、燃料ガス供給器３０を制御して、燃料ガスの供給を開始する。これにより、燃料ガスが燃料電池スタック１０に高圧で供給されるため、各アノード１６、１１６に残留する空気が排出されて燃料ガスで置換される。このため、燃料ガスの供給開始から所定時間が経過した後に、制御器７０は、圧力調節器４０を制御して、燃料ガス供給器３０から燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスの圧力を第２シーケンスにおける圧力と同じに調節する。また、制御器７０は酸化剤ガス供給器５０を制御して、酸化剤ガスを供給する。これにより、燃料電池システム１００の起動が開始される。なお、第１シーケンスにおいて、冷却水の通流および燃料電池スタック１０の加熱など、必要に応じて行ってもよい。
【００７０】
一方、各アノード１６、１１６に空気が混入していない場合、各アノード１６、１１６が水素雰囲気下にある。このため、各アノード１６、１１６の電気抵抗は同じまたはほぼ同じになり、各セル１１、１１１の電気抵抗の差（Ｒ１−Ｒ２）は所定の電気抵抗の閾値Ｘより小さくなる。また、仮に、電解質膜１５が乾燥すると、各セル１１、１１１の電気抵抗が上昇する。ただし、このような場合であっても、各セル１１、１１１の電解質膜１５は同じまたはほぼ同じように乾燥し、それに伴い各セル１１、１１１の電気抵抗も上昇する。よって、これらの各セル１１、１１１の電気抵抗の差（Ｒ１−Ｒ２）は所定の電気抵抗差の閾値Ｘより小さくなる。よって、制御器７０は、電気抵抗の差（Ｒ１−Ｒ２）が所定の電気抵抗差の閾値Ｘより小さい場合（ステップＳ４：ＮＯ）、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入していないと判定する。
【００７１】
制御器７０は、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入していないと判定すると、第２シーケンスを実行する（ステップＳ６）。第２シーケンスは、通常の燃料電池システム１００を起動する処理であって、カソード１７の劣化を抑制する処理を含まない燃料電池システム１００の起動処理である。たとえば、制御器７０は、圧力調節器４０を制御して、燃料ガス供給器３０から燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスの圧力を通常の起動時における圧力に調節する。そして、制御器７０は、燃料ガス供給器３０を制御して、燃料ガスの供給を開始する。また、制御器７０は酸化剤ガス供給器５０を制御して、酸化剤ガスを供給する。これにより、燃料電池システム１００の起動が開始される。なお、第２シーケンスにおいて、冷却水の通流および燃料電池スタック１０の加熱など、必要に応じて行ってもよい。
【００７２】
上記構成によれば、抵抗変化特性を有するセンサー部２０を第１アノード１６に設け、抵抗測定器６０により第１セル１１の電気抵抗を測定している。このセンサー部２０はガス種に応じて電気抵抗が変化するため、センサー部２０が設けられた第１セル１１もその電気抵抗が変化する。よって、第１セル１１の電気抵抗を測定し、この電気抵抗の変化に基づいて第１アノード１６に空気が混入しているか否かをより正確に判定することができる。これにより、第１アノード１６に空気が混入した場合に、燃料ガスを高圧で供給することができるため、燃料ガスの浪費を防ぎつつ、カソード触媒層２８の劣化による発電効率の低下を抑制することができる。
【００７３】
また、センサー部２０の導電性材料に、チタン、スズ、インジウム、および、これらを基体とした酸化物の少なくともいずれか１つを用いている。これらの金属または金属酸化物は、酸素雰囲気下における電気抵抗と水素雰囲気下における電気抵抗とが大きく異なる。よって、この電気抵抗の差に基づいて、第１アノード１６における空気の存在をより正確に検知することができる。
【００７４】
さらに、センサー部２０は、第１アノード１６に設けられ、かつ、アノード触媒（第１触媒材料）を担持する担体である。つまり、センサー部２０は、第１アノード１６における空気を検出するセンサーとして機能すると共に、第１アノード触媒層１９の第１導電性材料として用いられる。よって、センサー部２０を備えることによるコストおよびサイズの増加を抑制することができる。また、第１触媒材料は一般的に貴金属で形成されているため、この貴金属によりこれを担持するセンサー部２０の抵抗変化の応答性が高まる。よって、この電気抵抗の差に基づいて、第１アノード１６における空気の存在をより正確に検知することができる。
【００７５】
また、燃料電池システム１００の起動時に、抵抗測定器６０により測定された電気抵抗に基づいて、第１アノード１６に所定量以上の空気が混入しているか否かを判定する。そして、第１アノード１６に所定量以上の空気が混入していると判定した場合に、カソード１７の劣化を抑制する処理を実行する。一方、第１アノード１６に所定量以上の空気が混入していないと判定した場合に、カソード１７の劣化を抑制する処理を実行しない。このように、センサー部２０の電気抵抗に基づいたより正確な検知によって、燃料ガスの浪費を防ぎつつ、カソード触媒層２８の劣化による発電効率の低下を抑制することができる。
【００７６】
さらに、セルは、アノード触媒を担持する担体がセンサー部２０により構成されている第１セル１１と、アノード触媒を担持する担体がカーボンにより構成されている第２セル１１１と、を有している。そして、制御器７０は、抵抗測定器６０により測定された第１セル１１の電気抵抗および第２セル１１１の電気抵抗に基づいて、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入しているか否かを判定している。この第２セル１１１のカーボンは、抵抗変化特性がないまたはセンサー部２０より小さい。よって、電解質膜１５の乾燥など、ガス種以外の要因で第１セル１１の電気抵抗が変化するような場合であっても、第２セル１１１の電気抵抗を参照することにより、ガス種以外の要因による電気抵抗の変化を排除して判定することができる。この結果、第１アノード１６における空気の存在をより正確に検知することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池システム１００の構成について、図５を参照して説明する。図５は、燃料電池システム１００を概略的に示す断面図である。こ燃料電池システム１００の燃料電池スタック１０は、第１セル１１を含まず、第２セル１１１により構成されている。
【００７８】
次に、燃料電池スタック１０の構成について、図６を参照して説明する。図６は、燃料電池スタック１０の一部を模式的に示す断面図である。燃料電池スタック１０は、複数の第２セル１１１が積層されて構成されている。
【００７９】
センサー部２０は、第１セパレータ１３に設けられている。センサー部２０は第２アノード１１６に供給されるガスを検出するセンサーであるため、センサー部２０の位置は第２アノード１１６に供給されるガスに接することができる位置であればよい。たとえば、アノード側ガス拡散層１８に対向する第１セパレータ１３の面、または、アノード側流路２３に対向する第１セパレータ１３の面などにセンサー部２０が配置されている。
【００８０】
センサー部２０は、抵抗変化特性を有しており、たとえば、抵抗変化特性を持つ導電性材料で形成されている。この抵抗変化特性を持つ導電性材料は、チタン、スズ、インジウム、および、これらを基体とした酸化物の少なくともいずれか１つを含んでいる。第１導電性材料が粒子状に形成されており、この粒子の平均一次径が、たとえば、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
【００８１】
センサー部２０の導電性を高める目的で、導電性セラミックスに異種金属（ドーパント）がドープされていてもよい。このドーパントとしては、たとえば、ニオブ、タンタル、アンチモン、クロム、タングステンおよびモリブデンが例示される。また、センサー部２０のガス種に対する抵抗変化の応答性を高める目的で、導電性セラミックスの表面に貴金属が担持されていてもよい。この貴金属としては、たとえば、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、レニウム、オスミウム、銀および金が例示される。
【００８２】
抵抗測定器６０の端子は、たとえば、センサー部２０に接続されている。これにより、センサー部２０の電気抵抗が測定される。
【００８３】
次に、燃料電池システム１００の起動時における運転方法について、図７を参照して説明する。図７は、燃料電池システム１００の起動時における運転方法の一例を示すフローチャートである。この燃料電池システム１００の起動時における運転は、制御器７０により実行される。
【００８４】
まず、制御器７０は、燃料電池システム１００の起動か否かを判定する(ステップＳ１)。ここで、燃料電池システム１００の起動でなければ(ステップＳ１：Ｎｏ)、ステップＳ１の処理を繰り返す。一方、燃料電池システム１００の起動であれば(ステップＳ１：ＹＥＳ)、制御器７０は抵抗測定器６０により測定されたセンサー部２０の電気抵抗Ｒｓを取得する（ステップＳ１２）。
【００８５】
そして、制御器７０は、センサー部２０の電気抵抗Ｒｓに基づいて、各アノード１６、１１６に所定量以上の空気が混入しているか否かを判定する（ステップＳ１４）。具体的には、制御器７０は、センサー部２０の電気抵抗Ｒｓが所定の電気抵抗の閾値Ｙ以上であるか否かを判定する。ここで、アノード側流路２３または第２アノード１１６に空気が混入している場合、センサー部２０が酸素雰囲気下にある。センサー部２０は、ガス種に対する抵抗変化特性を有しているため、その電気抵抗は水素雰囲気下における電気抵抗より大きくなる。この結果、センサー部２０の電気抵抗Ｒｓは所定の電気抵抗の閾値Ｙ以上に大きくなる（ステップＳ１４：ＹＥＳ）。よって、制御器７０は、第２アノード１１６に空気が混入していると判定する。そして、制御器７０は、第１シーケンスを実行する（ステップＳ５）。
【００８６】
一方、アノード側流路２３または第２アノード１１６に空気が混入していない場合、センサー部２０が水素雰囲気下にある。このため、センサー部２０の電気抵抗は所定の電気抵抗の閾値Ｙより小さくなる。よって、制御器７０は、第２アノード１１６に空気が混入していないと判定して、第２シーケンスを実行する（ステップＳ６）。
【００８７】
上記構成によれば、抵抗変化特性を有するセンサー部２０を第１セパレータ１３に設け、抵抗測定器６０によりセンサー部２０の電気抵抗を測定している。このセンサー部２０はガス種に応じて電気抵抗が変化する。よって、センサー部２０の電気抵抗を測定し、この電気抵抗の変化に基づいて第２アノード１１６に空気が混入しているか否かをより正確に判定することができる。これにより、第２アノード１１６に空気が混入した場合に、燃料ガスを高圧で供給することができるため、燃料ガスの浪費を防ぎつつ、カソード触媒層２８の劣化による発電効率の低下を抑制することができる。
【００８８】
また、センサー部２０の導電性材料に、チタン、スズ、インジウム、および、これらを基体とした酸化物の少なくともいずれか１つを用いている。この電気抵抗の差に基づいて、第２アノード１１６における空気の存在をより正確に検知することができる。
【００８９】
また、燃料電池システム１００の起動時に、抵抗測定器６０により測定された電気抵抗に基づいて、第１アノード１６に所定量以上の空気が混入しているか否かを判定する。そして、第１アノード１６に所定量以上の空気が混入していると判定した場合に、カソード１７の劣化を抑制する処理を実行する。一方、第２アノード１１６に所定量以上の空気が混入していないと判定した場合に、カソード１７の劣化を抑制する処理を実行しない。このように、センサー部２０の電気抵抗に基づいたより正確な検知によって、燃料ガスの浪費を防ぎつつ、カソード触媒層２８の劣化による発電効率の低下を抑制することができる。
【００９０】
（その他の実施の形態）
上記実施の形態１では、第１セル１１の電気抵抗および第２セル１１１の電気抵抗を抵抗測定器６０により測定した。これに対して、第１セル１１の第１アノード１６に設けられたセンサー部２０の電気抵抗および第２セル１１１の第２アノード１１６の電気抵抗を抵抗測定器６０により測定してもよい。この場合、第１セル１１については抵抗測定器６０の端子をセンサー部２０に接続し、第２セル１１１については抵抗測定器６０の端子を第２アノード１１６の第２アノード触媒層１１９に接続する。また、第１セル１１の第１アノード１６に設けられたセンサー部２０とカソード１７との間の電気抵抗および第２セル１１１の第２アノード１１６とカソード１７との間の電気抵抗を抵抗測定器６０により測定してもよい。この場合、第１セル１１については抵抗測定器６０の端子をセンサー部２０およびカソード１７のそれぞれに接続し、第２セル１１１については抵抗測定器６０の端子を第２アノード１１６の第２アノード触媒層１１９、および、カソード１７のそれぞれに接続する。
【００９１】
上記実施の形態１では、燃料電池スタック１０は第１セル１１および第２セル１１１により構成されていた。これに対して、燃料電池スタック１０は、第２セル１１１を含まず、第１セル１１により構成されていてもよい。この場合、図４に示す燃料電池システム１００の起動時の運転方法では、ステップＳ３の処理を実行せず、ステップＳ４の処理の代わりに、第１セル１１の電気抵抗Ｒ１が所定の電気抵抗の閾値以上か否かを判定する。そして、電気抵抗Ｒ１が所定の電気抵抗の閾値以上であれば、第１アノード１６に空気が混入していると判定する。一方、電気抵抗Ｒ１が所定の電気抵抗の閾値未満であれば、第１アノード１６に空気が混入していないと判定する。
【００９２】
上記実施の形態１では、第１アノード触媒層１９の第１導電性材料がセンサー部２０により構成されていた。これに対して、センサー部２０は、第１アノード触媒層１９以外の第１アノード１６の位置に設けられていてもよい。この場合も、第１アノード１６にセンサー部２０が設けられているため、ガス種に応じて第１セル１１の電気抵抗は変化する。よって、第１セルの電気抵抗に基づいて第１アノード１６における空気の混入を検知することができる。
【００９３】
上記全ての実施の形態では、図４および図７のステップＳ５における第１シーケンスで、カソード１７の劣化を抑制する処理として、燃料ガスの圧力を第２シーケンスにおける圧力より高く調節し、燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給した。ただし、この処理は、カソード１７の劣化を抑制する処理であれば、これに限定されない。たとえば、燃料電池スタック１０をダミー抵抗に接続してもよい。
【００９４】
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。また、上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法は、発電効率の低下の抑制を図った燃料電池システムおよびその運転方法等として有用である。
【符号の説明】
【００９６】
１０    ：燃料電池スタック
１１    ：第１セル（セル）
１２    ：第１ＭＥＡ（膜−電極接合体）
１３    ：第１セパレータ
１４    ：第２セパレータ
１５    ：電解質膜
１６    ：第１アノード（アノード）
１７    ：カソード
２０    ：センサー部
３０    ：燃料ガス供給器
５０    ：酸化剤ガス供給器
６０    ：抵抗測定器
７０    ：制御器
１００  ：燃料電池システム
１１１  ：第２セル（セル）
１１２    ：第２ＭＥＡ（膜−電極接合体）
１１６    ：第２アノード（アノード）
【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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