(57)【要約】【課題】  最適な状態で燃料電池を運転するために電池内の発電状況を観測する方法を提供すること。【解決手段】  本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体１を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法であって、燃料電池セル積層体１の燃料電池セルが積層した厚さ方向に垂直な外周部に磁気センサ２を配設し、燃料電池セル積層体１に厚さ方向に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサ２により測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体１の電流分布を測定することを特徴とする。本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、燃料電池セルにおいて発電能力の低下した部分から発電能力の低下の原因を判断でき、発電能力の低下を解消させる操作を可能とする。【選択図】  図５
2005183039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法であって、
該燃料電池セル積層体の該燃料電池セルが積層した厚さ方向に垂直な外周部に磁気センサを配設し、該燃料電池セル積層体に該厚さ方向に電気が流れるときに発生する磁界を該磁気センサにより測定し、測定された磁界から該燃料電池セル積層体の電流分布を測定することを特徴とする積層型燃料電池の電流分布の測定方法。
【請求項２】
前記磁気センサは、前記燃料電池セル積層体の前記厚さ方向の略中央部に配設される請求項１記載の積層型燃料電池の電流分布の測定方法。
【請求項３】
複数個の前記磁気センサが配設される請求項１記載の積層型燃料電池の電流分布の測定方法。
【請求項４】
電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、
該燃料電池セル積層体の周方向の外周部に配設された磁気センサと、
を有することを特徴とする積層型燃料電池。
【請求項５】
前記磁気センサは、前記燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部に配設される請求項４記載の積層型燃料電池。
【請求項６】
複数個の前記磁気センサが配設される請求項４記載の積層型燃料電池。
【請求項７】
前記磁気センサの測定値から電流分布を算出する演算手段を有する請求項４記載の積層型燃料電池。
【請求項８】
電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、該燃料電池セル積層体の周方向の外周部に配設された磁気センサと、を有する積層型燃料電池を運転する積層型燃料電池の運転方法であって、
該磁気センサにより測定される該燃料電池セル積層体を厚さ方向に流れる電流により発生する磁界から該燃料電池セルにおける発電量の分布を算出し、該燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことを特徴とする積層型燃料電池の運転方法。
【請求項９】
前記磁気センサは、前記燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部に配設される請求項８記載の積層型燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
複数個の前記磁気センサが配設される請求項８記載の積層型燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
前記ガスの制御は、前記空気極および／または前記燃料極に供給される前記ガスのガス流量および／または湿度を制御することでなされる請求項８記載の積層型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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池セルが積層した積層型燃料電池の電流分布の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、車両用あるいは固定用の発電システムとして開発が進められている。
【０００３】
燃料電池では、以下に示した水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
【０００４】
（燃料極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（空気極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
（全体）  Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
燃料電池は、通常は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを形成し、空気極に酸素を有する空気を燃料極に水素を供給して発電を行っている。そして、一つの燃料電池セルでは実用に供するだけの電力がえられないため、多数の燃料電池セルを積層させた積層型燃料電池とすることで高い発電量を得ている。なお、積層型燃料電池において、多数の燃料電池セルは、電気的に直列に接続されている。
【０００５】
燃料電池においては、燃料電池セルへの燃料ガス（水素）および空気（酸素）の供給量をできるだけ少なくして最大の発電量を得ることが運転の目的の一つとされている。また、固体高分子型燃料電池においては水をプロトンの媒体として使用するため、燃料電池セルに供給される燃料ガス（水素）は加湿されている。
【０００６】
しかしながら、燃料電池はその反応が示すように発電によって水が発生する。燃料電池内において水分が過剰となると、余分な量の水分が発電を阻害して発電力が低下するようになるという問題があった。このため、燃料電池の中では適正な範囲の水分を保つことが要求されている。
【０００７】
そして、この燃料電池の中を適正な範囲の水分で保つという要求は、積層型燃料電池のそれぞれの燃料電池セルにおいても要求されている。詳しくは、燃料電池に供給されるガスの温度、圧力あるいは湿度を調節して燃料電池を適正な状態に保ったとしても、燃料電池を構成するそれぞれの燃料電池セルにおいては、部分的に適正な条件から外れるようになることがある。適正な条件から外れると、その部分は十分な発電を行うことができなくなり、燃料電池セルにおいて発電を行う部分が偏るようになる。発電を行う部分が偏ると、その部分の劣化の進行がはやくなり、燃料電池全体の寿命が短くなっていた。また、取り出せる電圧が低くなってしまう。このため、燃料電池セルにおいても、適正な範囲の水分で保つことが要求されている。
【０００８】
燃料電池の状態を監視する手段としては、それぞれの燃料電池セルの発電電圧を測定する方法が用いられている。詳しくは、燃料電池セルのセル電圧の低下から異常状態を診断する方法である。また、燃料電池内の電流分布から反応ガスの過不足を診断し、反応ガス流量もしくは負荷電流を制御して燃料電池の破壊を防止するようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、それぞれの燃料電池セルの発電能力は監視できるが、燃料電池セルに部分的に発電できない部分が生じることまで判別は不能であった。
【特許文献１】特開平９−２５９９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、最適な状態で燃料電池を運転するために電池内の発電状況を観測する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明者らは検討を重ねた結果、本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法、電流分布の測定方法を有する積層型燃料電池ならびに積層型燃料電池の運転方法を見出した。
【００１１】
すなわち、本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法であって、燃料電池セル積層体の燃料電池セルが積層した厚さ方向に垂直な外周部に磁気センサを配設し、燃料電池セル積層体に厚さ方向に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサにより測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体の電流分布を測定することを特徴とする。
【００１２】
本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セルが積層した厚さ方向に流れる電流により生じる磁界を磁気センサで測定することで燃料電池セル積層体の電流分布を測定する。
【００１３】
本発明の積層型燃料電池は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の周方向の外周部に配設された磁気センサと、を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セル積層体の外周に配設された磁気センサが燃料電池セル積層体において発電により生じた電流の電流分布を測定できる。そして、測定された電流分布から、最適な発電状態となるように運転条件を調節することが可能となる。
【００１５】
本発明の積層型燃料電池の運転方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の周方向の外周部に配設された磁気センサと、を有する積層型燃料電池を運転する積層型燃料電池の運転方法であって、磁気センサにより測定される燃料電池セル積層体を厚さ方向に流れる電流により発生する磁界から燃料電池セルにおける発電量の分布を算出し、燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことを特徴とする。
【００１６】
本発明の運転方法は、燃料電池セル積層体の外周部に配設された磁気センサが燃料電池セル積層体において発電により生じた電流の電流分布を測定し、測定された電流分布から、最適な発電状態となるように燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことで最適な運転状況で積層型燃料電池を運転できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体の厚さ方向に流れる電流が発生させる磁界を測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体の電流分布が得られる。そして、燃料電池セル積層体の電流分布から、燃料電池セルにおいて発電能力の低下した部分が判断でき、発電能力の低下の原因を判断できるようになる。
【００１８】
本発明の積層型燃料電池は、上記電流分布の測定方法を実施する燃料電池であり、発電能力の低下の原因を判断できることで、発電能力の低下の原因に対処することができ、全体としての発電能力の低下を抑えることが可能な燃料電池である。
【００１９】
本発明の積層型燃料電池の運転方法は、上記燃料電池の運転方法であり、燃料電池セル積層体に供給されるガスを調節することで燃料電池セル内を最適な条件に保ち、発電能力の低下を抑える運転方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（積層型燃料電池の電流分布の測定方法）
本発明の電流分布の測定方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法である。
【００２１】
本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体の燃料電池セルが積層した厚さ方向に垂直な外周部に磁気センサを配設し、燃料電池セル積層体に厚さ方向に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサにより測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体の電流分布を測定する。すなわち、本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体に厚さ方向に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサにより測定するものである。
【００２２】
一般に、無限長の長さの導線に電流ｉ（Ａ）が流れると、導線からの距離がｒ（ｍ）の地点においては、数１式で示された大きさの磁束密度Ｂ（Ｗｂ／ｍ2）が発生することが知られている（右ねじの法則）。
【００２３】
【数１】
2005183039.tif 000003
【００２４】
本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体をこの導線に見立てて、燃料電池セル積層体の磁界を測定するものである。すなわち、燃料電池セル積層体の厚さ方向にはそれぞれの燃料電池セルにおいて発電された電流が流れており、この厚さ方向を導線の長さ方向として考えたときには、燃料電池セル積層体の周方向に磁界が発生している。ここで、燃料電池セルは所定の面積を有するものであり、この所定の面積は微少面積の和により形成されると考えることができる。そして、燃料電池セル積層体の周方向に発生する磁界は、この微少面積のそれぞれに電流が流れたときに発生する磁界の和であり、微少面積の一部が発電を行わない（電流が流れない）あるいは発電能力が低下する（電流が小さくなる）と燃料電池セル積層体の周方向に発生する磁界は変化する。本発明の電流分布の測定方法は、この磁界の変化から、燃料電池セル積層体の電流分布を求めるものである。
【００２５】
電流がある有限の面積内で流れているとすると、電流による磁束を積分することでその面積内の磁束密度分布が求められる。積層型燃料電池（および燃料電池セル）ならびに積層型燃料電池の周囲の物体の透磁率が空気と同じであるとし、本発明の電流分布の測定方法を図１〜４を用いて具体的に説明する。
【００２６】
燃料電池セルの発電可能領域が正方形に形成されているものとする。ここで、発電可能領域とは、燃料電池セルにおいて電気化学反応が進行する領域を示すものであり、実際の燃料電池セルにおいては空気極、電解質、燃料極が積層した状態でガスが供給される領域である。
【００２７】
この燃料電池セルにおいては、発電可能領域の全面（図１の斜線部）で発電が行われる。そして、燃料電池セルにおいて発電が行われ、図１において紙面の手前から紙面の奥方向に電流が流れると、図２に示されたように時計回りの向きの磁力線で示される磁界が発生する。そして、この発生した磁界の磁束密度は、図２に示したように、発電可能領域の境界領域において大きく、発電可能領域の中央では小さくなっている。
【００２８】
この燃料電池セルにおいて、発電可能領域の一部で発電が停止したとする。この状態を図３に示した。図３中で外周で区画された正方形が発電可能領域であり、斜線部で示された部分が発電領域であり、斜線部以外の部分が発電が停止した発電停止領域とする。この燃料電池セルにおいては、発電により上記した（図１および２に示した）正常な燃料電池セルと同様な方向に電流が流れると、図４に示した磁力線で示される磁界が発生する。この燃料電池セルにおいては、燃料電池セルの発電領域の外周にそった磁力線の磁界が発生している。詳しくは、発電領域の外周と発電可能領域の外周とが一致する部分においては、発電可能領域の外周に沿って時計回りの磁力線の磁界が発生した。また、発電停止領域の近傍においては、発電停止領域と発電領域との境界に沿った方向の磁力線の磁界と発電停止領域の外周でありかつ発電可能領域の外周に沿った磁力線の磁界が発生している。このとき、発電停止領域の外周でありかつ発電可能領域の外周に沿った磁力線の磁界の磁束密度は、発電領域の外周でありかつ発電可能領域の外周において発生した磁力線の磁界の磁束密度よりも小さくなっている。また、発電可能領域の中央では小さな磁束密度となっている。
【００２９】
図２および４に示された二つの燃料電池セルを比較すると、発電停止領域の外周でありかつ発電可能領域の外周に沿った方向の磁力線の磁界の磁束密度と、発電領域の外周でありかつ発電可能領域の外周において発生した磁界の磁束密度とは異なっている。すなわち、発電可能領域の外周において磁界を測定することで、発電停止領域の有無を判断することが可能となる。
【００３０】
本発明の電流分布の測定方法は、発電可能領域の近傍における磁界を磁気センサで測定するものであり、この測定により発電が停止したあるいは発電能力が低下した領域を判断することが可能となる。これにより、燃料電池セル積層体の電流分布を得ることができる。
【００３１】
本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セルの周方向に発生する磁界を測定するものであるため、磁気センサが燃料電池セル積層体の燃料電池セルが積層した厚さ方向に垂直な外周部に配設される。
【００３２】
磁気センサは、燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部に配設されることが好ましい。燃料電池セル積層体においては、燃料電池セル積層体を構成する燃料電池セルのひとつの一部に発電能力が低下した部分が存在したとすると、その他の燃料電池セルの発電能力が低下した部分に対応した部分に電流が流れにくくなる。このため、ひとつの燃料電池セルにおいて発生した不具合は他の燃料電池セルにおいて判別できる。この結果、燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部で磁界の測定をすることができる。
【００３３】
また、燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部においては、厚さ方向に電流が流れるため、厚さ方向に流れる電流が発生する磁界を正確に測定できる。ここで、積層型燃料電池においては、燃料電池セル積層体の端部に集電部材を配されており、この集電部材が燃料電池セル積層体で発電された電力を外部に流すこととなる。また、通常の積層型燃料電池は厚さ方向に押圧されており、集電部材には厚さ方向と垂直な方向に電流が流れる。すなわち、燃料電池セル積層体の端部の近傍においては、厚さ方向に対して傾斜した方向に電気が流れている。この結果、燃料電池セル積層体の端部の近傍においては、傾斜した方向に流れる電流により磁界が発生することとなり、磁気センサにより測定されたデータの誤差が大きくなる。
【００３４】
さらに、上記したように、燃料電池セル積層体の端部近傍は、集電部材や押圧のための部材が配設されるため、磁気センサの取り付けが難しかった。
【００３５】
このため、磁気センサを燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部に配設することで、簡単にかつ正確に発生した磁界を測定できる。
【００３６】
複数個の磁気センサが配設されることが好ましい。通常、地磁気により±０．３×１０-4Ｔ（０．３Ｇ）程度の誤差が生じるが、複数個の磁気センサが配設されることで地磁気の補正を行うことができ、より精度の高い測定を行うことができる。すなわち、複数の磁気センサが配設されることで、それぞれの磁気センサにより得られたデータからより正確な電流分布を得ることができる。ここで、複数の磁気センサは、燃料電池セル積層体の厚さ方向に垂直な外周において周方向の位相が異なるように配設されることが好ましい。
【００３７】
（積層型燃料電池）
本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セル積層体１と、磁気センサ２と、を有する。本発明の積層型燃料電池を図５に示した。
【００３８】
燃料電池セル積層体１は、電解質３０の一方の面に空気極３１を他方の面に燃料極３２を接合し、これをガス流路を備えたセパレータ３３，３４で挟持した燃料電池セル３を積層してなる。また、磁気センサ２は、燃料電池セル積層体１の厚さ方向に垂直な面の周方向の外周に配設される。本発明の積層型燃料電池は、上記電流分布の測定方法を適用できる燃料電池である。
【００３９】
本発明の積層型燃料電池において、磁気センサ２が配設される燃料電池セル積層体１の外周部とは、燃料電池セル積層体１が発生する磁界を測定できる電解質３０の外側の位置を示すものである。すなわち、燃料電池セル積層体１の外周面、外周面から小間隔を隔てた位置、外周面から内部に進んだ位置、のいずれであってもよい。詳しくは、一般的な燃料電池セルにおいては、その外周はセパレータの外周が形成している。すなわち、発電のための電気化学反応が進行する発電領域より大きな形状をセパレータが有している。そしてこの燃料電池セルが積層した燃料電池セル積層体においても、セパレータがその外周を形成する。磁気センサは、発電領域により近接したことが好ましいことから、セパレータの内部に磁気センサを配設することが、セパレータの外周に区画された燃料電池セル積層体の外周面に配設するより好ましい。
【００４０】
磁気センサ２は、配設された場所における磁界を測定できるセンサであれば特に限定されるものではない。ここで、一般的な固体高分子型の燃料電池であり、発電領域の面積が４００ｃｍ2、１Ａ／ｃｍ2の電流密度の燃料電池においては、磁束密度の最大値は±６×１０-4Ｔ（６Ｇ）程度であることから、ホール素子、磁気抵抗素子、フラックスゲートセンサ等の磁気センサを用いることができる。また、これらの素子のうち、厚さ方向に垂直な面における磁束密度を測定できる素子が磁気センサとしてより好ましい。
【００４１】
本発明の積層型燃料電池において、磁気センサ２は、燃料電池セル積層体１の厚さ方向の略中央部に配設されることが好ましい。
【００４２】
本発明の積層型燃料電池において、複数個の磁気センサが配設されることが好ましい。
【００４３】
本発明の積層型燃料電池は、磁気センサの測定値から電流分布を算出する演算手段を有することが好ましい。演算手段を有することで、磁気センサの測定値から電流分布を算出することが可能となる。また、この演算手段は、燃料電池セル積層体の電流分布から積層型燃料電池の最適な運転条件を決定することが好ましい。
【００４４】
本発明の積層型燃料電池は、空気極および／または燃料極に供給されるガスのガス流量および／または湿度を制御するガス制御手段を有することが好ましい。ガス制御手段を有することで、空気極および／または燃料極に供給されるガスが調節され、燃料電池セル内における発電性能の低下を抑えることができる。
【００４５】
さらに、ガス制御手段は、演算手段と接続されたことが好ましい。ガス制御手段と演算手段とが接続されることで、電流分布から積層型燃料電池の運転条件を決定することができ、この運転条件にそった発電を行うことができる。
【００４６】
本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セル積層体の外周部に磁気センサを配設した以外は、従来公知の積層型燃料電池と同様の構成とすることができる。また、本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セルが積層したものであればその種類が限定されるものではないが、固体高分子型の燃料電池であることが好ましい。
【００４７】
本発明の積層型燃料電池の実施のひとつの形態を図５〜１０に示した。なお、以下に示す積層型燃料電池は、本発明の燃料電池のひとつの形態を示すものであり、本発明を限定するものではない。
【００４８】
図６は燃料電池セル３の構成を模式的に示した断面図である。燃料電池セル３は、電解質膜３０の両側面に電極３１，３２が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータ３３および燃料側セパレータ３４で構成されている。ここで、空気側セパレータ３３および燃料側セパレータ３４は、導電性の材質よりなり、それぞれの極の集電板を兼ねている。この燃料電池セル３においては、燃料側セパレータ３４が−極の集電板を、空気側セパレータ３３は＋極の集電板を兼ねている。なお、図６は、燃料電池セル３の構成を模式的に示した図であり、実際には空気側セパレータ３３および燃料側セパレータ３４は電解質膜３０よりはるかに厚くなっている。具体的には、空気側セパレータ３３および燃料側セパレータ３４はおおむね１〜２ｍｍの厚さであり、ＭＥＡは電解質膜と拡散層と触媒の合計がおよそ０．５ｍｍである。なお、電極３１，３２は、拡散層をも示している。この拡散層は、通常、０．２ｍｍ程度の厚さを有している。
【００４９】
図７は空気側セパレータ３３を示した図であり、空気側セパレータ３３は、積層したときに発電領域に空気を導入する空気導入流路を形成する空気流通孔３３０と、空気流通孔３３０に接続される空気入口部３３１と、積層したときに発電領域から空気を排出する空気排出流路を形成する空気排出孔３３４と、空気排出孔３３４と接続される空気出口部３３３と、空気出口部３３３に接続され空気入口部３３１から空気出口部３３３に向かって空気を流すための空気流路溝３３２とを備えている。また、空気側セパレータ３３は、積層したときに水素導入流路を形成する水素流通孔３３５と、水素排出流路を形成する水素排出孔３３６とが形成されている。
【００５０】
図８は燃料側セパレータ３４を示した図であり、燃料側セパレータ３４は、積層したときに発電領域に水素を導入する水素導入流路を形成する水素流通孔３４０と、水素流通孔３４０に接続される水素入口部３４１と、積層したときに発電領域から水素を排出する水素排出流路を形成する水素排出孔３４４と、水素排出孔３４４と接続される水素出口部３４３と、水素出口部３４３に接続され水素入口部３４１から水素出口部３４３に向かって水素を流すための水素流路溝３４２とを備えている。また、燃料側セパレータ３４は、積層したときに空気導入流路を形成する空気流通孔３４５と、空気排出流路を形成する空気排出孔３４６とが形成されている。
【００５１】
また、空気側セパレータ３３および燃料側セパレータ３４には、積層したときに冷却剤が流通する冷却剤流路を区画する冷却流路孔３３７，３４７がもうけられている。
【００５２】
そして、この燃料電池セル３を空気側セパレータ３３と燃料側セパレータ３４とが背向した状態で５０層程度を積層させて燃料電池セル積層体１が形成される。このとき、燃料電池セル積層体１の厚さ方向には、空気導入流路、空気排出流路、水素導入流路、水素排出流路、ならびに冷却剤流路がもうけられている。なお、空気側セパレータ３３と燃料側セパレータ３４とが一体をなすことが好ましい。
【００５３】
燃料電池セル積層体１の両端部には、金属板を所定形状に切り出してなる集電板１０，１０が配設されている。この集電板１０，１０は、燃料電池セル積層体１の厚さ方向と垂直な方向の一方向に突出した端子部（図示せず）がもうけられている。また、燃料電池セル積層体１は、気密性を確保するとともに燃料電池セルの密着性を高めるために厚さ方向に加圧されている。この加圧は、間に絶縁板を介した状態で加圧板１１，１１を用いて集電板１０，１０を押圧することでなされた。
【００５４】
そして、燃料電池セル積層体１の外周部に磁気センサ２が配設された。燃料電池セル積層体１は、断面が略正方形の柱状を有し、磁気センサ２は、柱の長さ方向（燃料電池セルの積層した厚さ方向）の中央部に配設された。また、磁気センサ２は、燃料電池セル積層体１の略正方形状の断面の外周の４つの辺のそれぞれの中央部に配設された。
【００５５】
そして、この磁気センサ２が配設された燃料電池セル積層体１の空気導入流路、空気排出流路、水素導入流路、水素排出流路、ならびに冷却剤流路のそれぞれを空気導入手段４Ａ、空気排出手段４Ｂ、水素導入手段５Ａ、水素排出手段５Ｂ、冷却剤導入手段（図示せず）、冷却剤排出手段（図示せず）のそれぞれに接続した。なお、これらの手段は、いずれも流量を調節する流量調節手段と、ガス中の水分量を調節する水分量調節手段と、を有するものである。この積層型燃料電池においては、これらの手段が上記したガス制御手段にあたる。
【００５６】
そして、磁気センサ２，２を演算手段６に接続した。また、演算手段６は、それぞれの流量調節手段および水分量調節手段に接続され、流量調節手段における流量および水分量調節手段におけるガスの水分量の調節を指示する。すなわち、演算手段６は、磁気センサ２において測定された磁気から燃料電池セル積層体１の電流分布を求め、発電能力の低下等により電流分布にかたよりが生じたときにその原因を判断し、電流分布のかたよりを解消できるように、燃料電池セル積層体へのガスの調節を行う。
【００５７】
この積層型燃料電池の構成を図９に示した。
【００５８】
なお、本発明の積層型燃料電池は、磁気センサにより燃料電池セル積層体の磁界を測定することから、燃料電池全体を構成するための構造材料には、磁界（磁束密度分布）を乱さない低透磁率の材料を用いることが好ましい。このような材料として、オーステナイト系ステンレスを用いることが好ましい。オーステナイト系ステンレスを用いるときに、冷間加工による透磁率の上昇を磁気焼鈍等の処理により抑えることが好ましい。
【００５９】
なお、上記実施の形態においては、磁気センサ２は、燃料電池セル積層体１の外周面に配設されたが、セパレータ中に配設してもよい。この形態の空気側セパレータ３３’を図１０に示した。なお、図１０に示された空気側セパレータ３３’は、上記空気側セパレータ３３と同様な、空気流通孔３３０’、空気入口部３３１、空気排出孔３３４’、空気出口部３３３’、空気流路溝３３２’水素流通孔３３５’、水素排出孔３３６’、冷却流路孔３３７’とを備えている。
【００６０】
（積層型燃料電池の運転方法）
本発明の積層型燃料電池の運転方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の周方向の外周部に配設された磁気センサと、を有する積層型燃料電池を運転する積層型燃料電池の運転方法であって、磁気センサにより測定される燃料電池セル積層体を厚さ方向に流れる電流により発生する磁界から燃料電池セルにおける発電量の分布を算出し、燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことを特徴とする。
【００６１】
本発明の運転方法は、上記積層型燃料電池において、燃料電池セルに部分的な発電能力の低下を生じさせることなく発電を行うことができる運転方法である。
【００６２】
一般的に、燃料電池は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルの空気極に酸素を含有する空気を、燃料極に水素を供給し、水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギを発生させる。このため、燃料電池セルに供給される空気と水素の供給状況を調節することで、その発電能力を調節できる。このため、燃料電池セルが積層した燃料電池セル積層体においても、それぞれの燃料電池セルに供給される水素と酸素を調節することで積層体の発電能力を調節できる。
【００６３】
本発明の運転方法は、燃料電池セル積層体の電流分布から燃料電池セルの発電能力が低下した部分を求め、その発電能力の低下の原因を判断し、燃料電池セル積層体に供給されるガスを制御するものである。このガスの制御を行うことで、発電能力の低下を解消できる。ここで、燃料電池セル積層体に供給されるガスとは、燃料電池セル積層体に供給されて発電に寄与するガスを示すものであり、燃料電池セルの空気極に供給される空気および燃料極に供給される水素を示す。
【００６４】
燃料電池は、空気極に空気を、燃料極に水素を供給し、酸素と水素の電気化学的な反応から電力を取り出すものであり、固体高分子型燃料電池においては水をプロトンの媒体として使用するため、燃料電池セルに供給されるガス（水素）は加湿されている。しかしながら、燃料電池において水分が過剰となると、余分な量の水分が発電を阻害して発電力が低下するようになる。
【００６５】
すなわち、燃料電池セルにおいて部分的な発電能力の低下は、水分により生じると考えられる。さらに、この部分的な発電能力の低下は、燃料極側においては加湿された水素が導入される水素入り口部と、空気極側においては発電反応により発生した水が集まる空気出口部と、において起こりやすくなっている。
【００６６】
このため、燃料電池セル積層体の電流分布から、一部の発電能力が低下したときにその低下した位置がわかることとなる。すなわち、その発電能力の低下の原因を判断できる。そして、この発電能力の低下を解消するように燃料電池セル積層体に供給されるガスを調節することで、発電能力の低下を解消できる。
【００６７】
本発明の積層型燃料電池の運転方法において、磁気センサは、燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部に配設されることが好ましい。
【００６８】
本発明の積層型燃料電池の運転方法において、複数個の磁気センサが配設されることが好ましい。
【００６９】
本発明の積層型燃料電池の運転方法において、ガスの制御は、空気極および／または燃料極に供給されるガスのガス流量および／または湿度を制御することでなされることが好ましい。
【００７０】
本発明の積層型燃料電池の運転方法のひとつの形態を以下に説明する。なお、本説明は、上記図６〜１０において示された積層型燃料電池を用いて説明する。
【００７１】
まず、積層型燃料電池においては、燃料電池セル３０の空気極３１に空気が、燃料極３２に加湿された水素が導入され、発電が行われている。燃料電池セル３０の発電領域の全面で適切な発電が行われているときには、燃料電池セル３０の発電領域の全面に発生する電流は均一である。すなわち、燃料電池セル積層体１の厚さ方向に流れる電流分布にかたよりが生じない。
【００７２】
燃料極３２には、加湿された水素（水分を含む水素ガス）が水素導入流路を介して導入される。水素に含まれる水分はプロトンの媒体としてはたらくため、水素が燃料電池セル３０の燃料側セパレータ３４の水素流路溝３４２を進むにつれて水分はプロトンの媒体として消費されていく。このため、水素入り口部３４１近傍から水素出口部３４３に向かってすすむにつれて水素流路溝３４２を流れる水素中の水分濃度は低下する。
【００７３】
ここで、燃料極３４に導入される水素中の水分量が多くなったとする。水素流路溝３４２の水素入り口部３４１の近傍における水素中の水分量が多くなる。そして、水素中の水分量が過剰となると、水素流路溝３４２の水素入り口部３４１の近傍における発電のための電気化学反応の進行を水分が阻害し、この部分における発電能力が低下する。この発電能力の低下は、燃料電池セル３０の発電領域において発電される電力量にかたよりを生じさせる。燃料電池セル３０の発電量にかたよりが生じると、燃料電池セル積層体１の厚さ方向に流れる電流分布が変化（かたより）が生じる。この電流分布のかたよりにより発生した磁界は、磁気センサ２により測定される。そして、磁気センサ２から演算手段６に測定データが送られ、演算手段６において電流分布のかたよりおよびその発生位置が算出される。そして、演算手段６においては、電流分布のかたよりの発生位置から水素中の水分量が過剰となったことにより発電能力が低下したものと判断し、水素導入手段５Ａおよび水素排出手段５Ｂに燃料電池セル３０に導入される水素中の水分量を低下させる（適切な水分量とする）ように指示する。演算手段６からの指示により、それぞれの流量調節手段および水分量調節手段が調節されて、水素中の水分量が（減少された）適切な量とする。これにより、水素流路溝３４２の水素入り口部３４１の近傍における水素中の水分量が減少し、水分が発電のための電気化学反応の進行を阻害しなくなり、燃料電池セル３０の発電領域において均一な発電が行われるようになる。
【００７４】
このように、燃料電池セル積層体１の電流分布の変化から、積層型燃料電池の最適な発電状態が維持できる。
【００７５】
なお、水素中の水分量の不足は、積層型燃料電池の発電力と、水素排出手段５Ｂに排出された水素中の水分量から判断することができる。
【００７６】
また、空気極３１で発電のための電気化学反応により生じた水分は、電解質３０内を逆拡散し、燃料極３３側に到達し、Ｈ+イオンをプロトンの状態で空気極３１に引き連れていく。すなわち、空気出口部３３３近傍は、逆拡散した水分による発電能力の低下が発生しやすくなっている。
【００７７】
電解質３０を透過した水分が多くなると、空気流路溝３３２中の水分量が多くなる。そして、空気流路溝３３２中の水分量が過剰となると、逆浸透により燃料極３４側に水分が移動し、空気流路溝３３２の空気出口部３３３の近傍における発電のための電気化学反応の進行を水分が阻害し、この部分における発電能力が低下する。この発電能力の低下は、燃料電池セル積層体１の厚さ方向に流れる電流分布にかたよりを生じさせる。この電流分布のかたよりにより発生した磁界は、磁気センサ２により測定される。そして、磁気センサ２から演算手段６に送られ、演算手段６において電流分布のかたよりおよびその発生位置を算出する。そして、演算手段６においては、電流分布のかたよりの発生位置から空気流路溝３３２中の水分量が過剰となったことにより発電能力が低下したものと判断し、空気導入手段４Ａおよび空気排出手段４Ｂに燃料電池セル３０に導入される空気中の水分量を低下させて適切な水分量とするように指示し、それぞれの流量調節手段および水分量調節手段が適切な水分量とする。このとき、同時に水素導入手段５Ａおよび水素排出手段５Ｂにも水素中の水分量の調節を指示させてもよい。これにより、空気流路溝３３２中の水分量が過剰になることによる燃料電池セル３０の発電能力の低下が解消される。この結果、積層型燃料電池の最適な発電状態が維持できる。
【００７８】
上記したように、燃料電池セル積層体１の外周部に配設された磁気センサ２により燃料電池セル積層体１の厚さ方向の電流分布を測定し、その電流分布から燃料電池セル積層体１に供給されるガス（空気あるいは水素）を調節することで、積層型燃料電池は最適な運転状況が維持された。積層型燃料電池が最適な運転状況で運転されることで、高い発電力を保った発電を行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】燃料電池セルの発電領域を示した図である。
【図２】燃料電池セルに発生した磁界を示した図である。
【図３】一部に発電が停止した領域を有する燃料電池セルの発電領域を示した図である。
【図４】一部に発電が停止した領域を有する燃料電池セルに発生した磁界を示した図である。
【図５】積層型燃料電池を示した図である。
【図６】燃料電池セルの断面図である。
【図７】空気側セパレータを示した図である。
【図８】燃料側セパレータを示した図である。
【図９】積層型燃料電池の構成を示した図である。
【図１０】セパレータ中に磁気センサが配設された空気側セパレータを示した図である。
【符号の説明】
【００８０】
１…燃料電池セル積層体          １０…集電板
１１…加圧板
２…磁気センサ
３…燃料電池セル                ３０…電解質
３１…空気極                    ３２…燃料極
３３…空気側セパレータ          ３４…燃料側セパレータ
３３０，３３０’…空気流通孔    ３３１，３３１’…空気入口部
３３２，３３２’…空気流路溝    ３３３，３３３’…空気出口部
３３４，３３４’…空気排出孔    ３３５，３３５’…水素流通孔
３３６，３３６’…水素排出孔    ３３７，３３７’…冷却流路孔
３４０…水素流通孔              ３４１…水素入口部
３４２…水素流路溝              ３４３…水素出口部
３４４…水素排出孔              ３４５…空気流通孔
３４６…空気排出孔              ３４７…冷却流路孔
４Ａ…空気導入手段              ４Ｂ…空気排出手段
５Ａ…水素導入手段              ５Ｂ…水素排出手段
６…演算手段
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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