JP2007042363A - 燃料電池システムとその運転方法および燃料電池 - Google Patents

燃料電池システムとその運転方法および燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2007042363A
JP2007042363A JP2005223866A JP2005223866A JP2007042363A JP 2007042363 A JP2007042363 A JP 2007042363A JP 2005223866 A JP2005223866 A JP 2005223866A JP 2005223866 A JP2005223866 A JP 2005223866A JP 2007042363 A JP2007042363 A JP 2007042363A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
water vapor
vapor pressure
electrode
electrolyte layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2005223866A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4910326B2 (ja
Inventor
Naoki Ito
直樹 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2005223866A priority Critical patent/JP4910326B2/ja
Publication of JP2007042363A publication Critical patent/JP2007042363A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4910326B2 publication Critical patent/JP4910326B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

【課題】 燃料電池を構成する部材において進行し得る水熱分解を抑制する。
【解決手段】 電解質層と、電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池１５を備える燃料電池システム１０の運転方法は、燃料電池１５の内部温度を取得する第１の工程と、取得された温度における電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を取得する第２の工程と、触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧を導出する第３の工程と、燃料電池１５が所望の電力を発電するように燃料電池システム１０を制御する際に、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧以上であるときには、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、燃料電池システム１０の制御を変更する第４の工程と、を備える。
【選択図】 図３

Description

この発明は、燃料電池システムとその運転方法および燃料電池に関する。
一般に、複合酸化物には、温度の関数である水熱分解臨界水蒸気圧が存在し、この水熱分解臨界水蒸気圧を超える水蒸気圧に晒されると、上記複合酸化物では水熱分解反応が進行する。複合酸化物を備える燃料電池として、例えば、プロトン伝導性を有する複合酸化物（固体酸化物）を電解質層に備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなプロトン伝導性を有する固体酸化物を電解質層として備える燃料電池では、電気化学反応の進行と共にカソードで生成水が生じる。そのため、電解質層とカソードとの接触部近傍の水蒸気圧が、そのときの燃料電池の運転温度における上記固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧を超えると、電解質層において水熱分解が進行する可能性がある。また、燃料電池のカソードを、電極としての触媒活性と共に電子伝導性を有する複合酸化物によって形成する場合には、発電と共にカソードにおいて水熱分解が進行する可能性がある。
特開２００４−１４６３３７号公報
燃料電池では、例えば負荷要求が変動する場合には運転条件が大きく変化し、これに伴って燃料電池における生成水の発生量や、生成水の発生量によって変動する燃料電池内部の水蒸気圧、あるいは燃料電池の内部温度が大きく変化する。このように、燃料電池の内部において、水蒸気圧及び温度が大きく変化する場合であっても、燃料電池を構成する電解質層や電極の構成材料が水熱分解を起こさないことが望まれる。
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電中に燃料電池を構成する部材において進行し得る水熱分解を抑制することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極とを有する燃料電池と、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更するシステム制御部と
を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池システムによれば、界面水蒸気圧が、電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回るようにシステムの制御を変更するため、電解質層における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の内部温度を取得する温度取得部と、前記取得された内部温度における前記水熱分解臨界水蒸気圧を取得する臨界水蒸気圧取得部と、前記界面水蒸気圧を導出する界面水蒸気圧導出部とを備えても良い。この場合には、取得された内部温度における臨界水上気圧と界面水蒸気圧とを用いるのて、燃料電池システムの制御の精度を向上させることができる。
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記電解質層が水熱分解されない水蒸気圧として、前記取得された水熱分解臨界水蒸気圧よりも低い許容水蒸気圧を設定する許容水蒸気圧設定部を備え、
前記システム制御部は、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧以上であるときには、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更することとしても良い。
このような構成とすれば、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回るようにするために燃料電池の制御を変更する動作の信頼性を高め、電解質層における水熱分解の進行を抑制する効果を高めることができる。
本発明の第２の燃料電池システムは、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を取得する温度取得部と、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極を構成する材料の、前記取得された温度における水熱分解臨界水蒸気圧を取得する臨界水蒸気圧取得部と、
前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧を導出する界面水蒸気圧導出部と、
前記燃料電池が所望の電力を発電するように前記燃料電池システムを制御すると共に、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更するシステム制御部と
を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池システムによれば、界面水蒸気圧が、第１の電極を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回るようにシステムの制御を変更するため、第１の電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第２の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記第１の電極が水熱分解されない水蒸気圧として、前記取得された水熱分解臨界水蒸気圧よりも低い許容水蒸気圧を設定する許容水蒸気圧設定部を備え、
前記システム制御部は、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧以上であるときには、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更することとしても良い。
このような構成とすれば、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回るようにするために燃料電池の制御を変更する動作の信頼性を高め、第１の電極における水熱分解の進行を抑制する効果を高めることができる。
本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記第１の電極上を流れるガスにおける水蒸気分圧である気相水蒸気分圧を導出する気相水蒸気分圧導出部と、
前記第１の電極における電極分極を導出する電極分極導出部と
を備え、
前記界面水蒸気圧導出部は、前記気相水蒸気分圧と、前記電極分極と、前記燃料電池の内部温度とに基づいて、前記界面水蒸気圧を導出することとしても良い。
このような構成とすれば、界面水蒸気圧を、実験的に観察される電解質層における実際の分解挙動と良く一致する値として導出することができる。
本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記システム制御部は、前記界面水蒸気圧が低下するように、前記燃料電池システムの制御を変更することとしても良い。
あるいは、本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記システム制御部は、前記水熱分解臨界水蒸気圧が上昇するように、前記燃料電池システムの制御を変更することとしても良い。
このような構成とすれば、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回る状態に近づけることができる。
本発明の第３の燃料電池システムは、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧以上になるか否かを予測する水熱分解予測部と、
前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部と、
前記水熱分解予測部によって、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測されたときには、前記燃料電池の内部温度が上昇するように、前記温度調節部を制御する温度制御部と
を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第３の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部温度を上昇させることで、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧以上になることを抑え、電解質層における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第４の燃料電池システムは、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記第１の電極を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧以上になるか否かを予測する水熱分解予測部と、
前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部と、
前記水熱分解予測部によって、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測されたときには、前記燃料電池の内部温度が上昇するように、前記温度調節部を制御する温度制御部と
を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第４の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部温度を上昇させることで、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧以上になることを抑え、第１の電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第３または第４の燃料電池システムにおいて、前記水熱分解予測部は、負荷要求が増大すると予測されるときに、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測することとしても良い。
このような構成とすれば、負荷要求の増大時に燃料電池内で進行する水熱分解を防止することができる。
本発明の第１の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
前記電解質層は、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極と接する表面を含む層を構成する第１の電解質部と、前記層以外の部分である他の層を構成する第２の電解質部と、を備え、
前記第１の電解質部を構成する材料は、前記第２の電解質部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料であることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池によれば、水熱分解が進行しやすい状態になる第１の電解質部を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成するため、電解質層全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第１の燃料電池において、
前記第１の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
前記第２の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極側に供給される前記反応ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であることとしても良い。
このような構成とすれば、電解質層全体で、水熱分解の進行を防止することができる。
本発明の第２の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
前記電解質層は、面内において、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域に対応する第１の電解質部と、前記分極抵抗がより小さくなる領域に対応する第２の電解質部と、を備え、
前記第１の電解質部を構成する材料は、前記第２の電解質部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料であることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池によれば、水熱分解が進行しやすい状態になる第１の電解質部を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成するため、電解質層全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第３の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える単セルを複数積層することによって構成される燃料電池であって、
前記燃料電池において、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域に配設される前記単セルは、前記電解質層として第１の電解質部を備えると共に、前記分極抵抗がより小さくなる領域に配設される前記単セルは、前記電解質層として、前記第１の電解質部とは異なる材料から成る第２の電解質部を備え、
前記第１の電解質部を構成する材料は、前記第２の電解質部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料であることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第３の燃料電池によれば、水熱分解が進行しやすい状態になる領域に設けられた単セルが備える第１の電解質部を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成するため、燃料電池全体で、各単セルが備える電解質層における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第２または第３の燃料電池において、前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的低温になる領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的高温になる領域であることとしても良い。
このような構成とすれば、燃料電池の発電時に比較的低温になる領域を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成することにより、電解質層全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第２の燃料電池において、さらに、
前記触媒電極上に設けられて電極活物質を含有する反応ガスが流れる反応ガス流路を備え、
前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的高い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的低い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域であることとしても良い。
このような構成とすれば、燃料電池の発電時に水蒸気圧が比較的高くなる領域を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成することにより、電解質層全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第２または第３の燃料電池において、
前記第１の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記第１の電解質部との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第１の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
前記第２の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記第２の電解質部との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第２の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であることとしても良い。
このような構成とすれば、燃料電池全体で、電解質層における水熱分解の進行を防止することができる。
本発明の第１ないし第３いずれかの燃料電池において、
前記第２の電解質部を構成する材料は、前記第１の電解質部を構成する材料よりも、導電種であるイオンの伝導率が高い材料であることとしても良い。
このような構成とすれば、電解質層全体で、水熱分解の進行を抑制すると共に、電解質層における水熱分解の進行の抑制に起因する電池性能の低下を抑えることができる。
本発明の第４の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極は、前記電解質層と接する表面を含む層を構成する第１の電極部と、前記層以外の部分である他の層を構成する第２の電極部と、を備え、
前記第１の電極部を構成する材料は、前記第２の電極部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料であることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第４の燃料電池によれば、水熱分解が進行しやすい状態になる第１の電極部を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成するため、第１の電極全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第４の燃料電池において、
前記第１の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
前記第２の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極側に供給される前記反応ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であることとしても良い。
このような構成とすれば、電解質層全体で、水熱分解の進行を防止することができる。
本発明の第５の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極は、面内において、前記第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域を構成する第１の電極部と、前記分極抵抗がより小さくなる領域を構成する第２の電極部と、を備え、
前記第１の電極部を構成する材料は、前記第２の電極部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料であることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第５の燃料電池によれば、水熱分解が進行しやすい状態になる第１の電極部を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成するため、第１の電極全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第６の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える単セルを複数積層することによって構成される燃料電池であって、
前記燃料電池において、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域に配設される前記単セルは、前記第１の電極として第１の電極部を備えると共に、前記分極抵抗がより小さくなる領域に配設される前記単セルは、前記第１の電極として、前記第１の電極部とは異なる材料から成る第２の電極部を備え、
前記第１の電極部を構成する材料は、前記第２の電極部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料であることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第６の燃料電池によれば、水熱分解が進行しやすい状態になる領域に設けられた単セルが備える第１の電極部を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成するため、燃料電池全体で、各単セルが備える第１の電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第５または第６の燃料電池において、
前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的低温になる領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的高温になる領域であることとしても良い。
このような構成とすれば、燃料電池の発電時に比較的低温になる領域を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成することにより、第１の電極全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第５の燃料電池において、さらに、
前記触媒電極上に設けられて電極活物質を含有する反応ガスが流れる反応ガス流路を備え、
前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的高い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的低い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域であることとしても良い。
このような構成とすれば、燃料電池の発電時に水蒸気圧が比較的高くなる領域を、燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料で構成することにより、第１の電極全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第５または第６の燃料電池において、
前記第１の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極部と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第１の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
前記第２の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第２の電極部と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第２の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であることとしても良い。
このような構成とすれば、燃料電池全体で、第１の電極における水熱分解の進行を防止することができる。
本発明の４ないし第６いずれか記載の燃料電池において、
前記第２の電極部を構成する材料は、前記第１の電極部を構成する材料よりも、電極としての触媒活性および電子伝導性が高い材料であることとしても良い。
このような構成とすれば、第１の電極全体で、水熱分解の進行を抑制すると共に、第１の電極における水熱分解の進行の抑制に起因する電池性能の低下を抑えることができる。
本発明の第７の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
前記電解質層として、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極と接する表面を少なくとも含む領域が、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料によって形成される電解質層を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第７の燃料電池によれば、電解質層における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明の第８の燃料電池は、 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極として、前記電解質層と接する表面を少なくとも含む領域が、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料によって形成される電極を備えることを要旨とする。
以上のように構成された本発明の第８の燃料電池によれば、第１の電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法などの形態で実現することが可能である。
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．水熱分解と水蒸気圧との関係：
Ｂ．第１実施例の燃料電池システム：
（Ｂ−１）システム構成：
（Ｂ−２）システム制御：
（Ｂ−３）第１実施例の変形例：
Ｃ．第２実施例の燃料電池システム：
Ｄ．第３実施例の燃料電池：
Ｅ．第４実施例の燃料電池：
Ｆ．第５実施例の燃料電池：
Ｇ．第６実施例の燃料電池スタック：
Ｈ．変形例：
Ａ．水熱分解と水蒸気圧との関係：
プロトン伝導性固体酸化物を電解質層として有する燃料電池では、発電に伴ってカソードで水が生じ、この生成水が、カソードに給排されている酸化ガス中に気化することにより、酸化ガス中の水蒸気圧が上昇する。このように酸化ガス中の水蒸気圧が上昇したときに、水蒸気圧が、固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧を超えると、固体酸化物から成る電解質層では水熱分解が進行する。そのため、燃料電池が備える電解質における水熱分解の進行を抑えるためには、酸化ガス中の水蒸気圧よりも、そのときの運転温度における固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧の方が高い状態を維持することが必要であると考えられる。
しかしながら、燃料電池の発電中に、酸化ガス中の水蒸気圧が、電解質層を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧を超えない場合であっても、固体酸化物電解質層の表層部が水熱分解する場合があることを、本願出願人は新たな知見として見い出した。そして、このような知見から、電解質層とカソードとの界面を含む局所的な領域は、カソード上を流れる酸化ガス中とは異なる水蒸気分圧環境にある、すなわち、酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い所定の水蒸気圧に晒される状態と同視できる状態になるとの結論に至った。これは、電解質層とカソードとの界面を含む局所的な領域は、カソード分極に起因する電気化学的効果により、単に酸化ガス中の水蒸気分圧環境に晒されたときよりも、固体酸化物がより分解されやすい状態になるためと考えられる。
以下、電解質層とカソードとの界面近傍には、酸化ガス中よりも高い水蒸気圧となる特殊な環境が成立しているものと想定して、界面近傍におけるこのような仮想的な水蒸気分圧を、界面水蒸気圧と呼ぶことにする。すなわち、電解質とカソードとの界面近傍の局所的な状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧として表わした値を、界面水蒸気圧と呼ぶ。本願出願人は、上記界面水蒸気圧についてさらに詳細に解析し、界面水蒸気圧（以下、界面水蒸気圧を、Ｐinf（Ｈ2Ｏ）と表わす）を、以下の（１）式によって近似的に表わすことができることを見いだした。
Ｐinf（Ｈ2Ｏ）＝Ｐvap（Ｈ2Ｏ）×ｅｘｐ（２Ｆη／ＲＴ） …（１）
ただし、Ｐvap（Ｈ2Ｏ）：気相（酸化ガス中）の水蒸気圧、
Ｆ：ファラデー定数、
η：カソード分極、
Ｒ：気体定数、
Ｔ：温度、である。
すなわち、（１）式によって算出した界面水蒸気圧から予想される電解質層の分解条件と、実験的に観察された電解質層における実際の分解挙動とが、良く一致した。以下、これについて説明する。
図１０は、代表的な固体酸化物についての水熱分解臨界水蒸気圧を表わす図である。図１０（Ａ）は、ＢａＺｒＯ3、ＳｒＺｒＯ3、ＢａＣｅＯ3の３種類の固体酸化物についての水熱分解臨界水蒸気圧を示しており、図１０（Ｂ）は、Ｌａ0.5Ｓｒ0.5ＭｎＯ3についての水熱分解臨界水蒸気圧を示す。図１０（Ａ）に示す固体酸化物に所定のドーパントを加えることで、プロトン伝導性を有する固体酸化物を作製することができる。このような固体酸化物を電解質層として用いる燃料電池において、酸化ガス中の水蒸気圧と電解質層の分解挙動とを調べると、酸化ガス中の水蒸気圧が、水熱分解臨界水蒸気圧の図からは水熱分解を起こさないと考えられる値であっても、電解質層表面が分解する場合がある。このように、酸化ガス中の水蒸気圧は水熱分解臨界水蒸気圧未満であるものの実際には分解が進行する場合に、（１）式に基づいて界面水蒸気圧を算出すると、界面水蒸気圧としては水熱分解臨界水蒸気圧を超える値が得られた。すなわち、酸化ガス中の水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧未満であっても、（１）式から算出される界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を超えるならば固体酸化物表面では水熱分解が進行するという結果が得られた。このようにして、（１）式が、実際の分解挙動を良く反映することが確認された。
以上のことから、本発明の実施例では、上記（１）式を用いて求めた仮想的な水蒸気圧である界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を、水熱分解臨界水蒸気圧未満にすることによって、電解質層における水熱分解反応の進行の抑制を図っている。なお、燃料電池において、電解質層だけでなく、カソード電極も、固体酸化物（例えば図１０（Ｂ）に示す固体酸化物）によって構成することができる。そのため、実施例では、カソード電極を構成する固体酸化物においても、電解質層を構成する固体酸化物と同様にして、水熱分解の抑制を図っている。
Ｂ．第１実施例の燃料電池システム：
（Ｂ−１）システム構成：
図１は、本発明の第１実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、燃料ガス供給部３０と、酸化ガス供給部４０と、冷却部６０と、制御部５０と、を備えている。燃料電池１５によって発電された電力は、負荷１６に供給される。
燃料電池１５は、固体酸化物型の燃料電池であり、単セルが複数積層されたスタック構造を有している。図２は、燃料電池１５を構成する単セル２０の概略構成を示す断面模式図である。単セル２０は、水素透過性金属層２２と、水素透過性金属層２２の一方の面上に形成された電解質層２１と、電解質層２１上に形成されたカソード電極２４と、から成る層構造を備えている。また、単セル２０は、上記層構造を、さらに両側から挟持する２つのガスセパレータ２８、２９を備えている。ガスセパレータ２８と水素透過性金属層２２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路２５が形成されている。また、ガスセパレータ２９とカソード電極２４との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路２６が形成されている。
水素透過性金属層２２は、水素透過性を有する金属によって形成される緻密な層であり、例えば、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金により形成することができる。あるいは、バナジウム（Ｖ）等の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金を基材として、少なくともその一方の面（単セル内燃料ガス流路側の面）にＰｄやＰｄ合金層を形成した多層膜としても良い。この水素透過性金属層２２は、本実施例の燃料電池においてアノード電極として働く。
電解質層２１は、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る層である。電解質層２１を構成する固体電解質としては、例えば、ＢａＣｅＯ3 系や、ＳｒＺｒＯ3系や、ＢａＺｒＯ3系、あるいはＳｒＣｅＯ3 系などのペロブスカイト型セラミックスプロトン伝導体を用いることができる。電解質層２１は、緻密な水素透過性金属層２２上に成膜されるため、充分な薄膜化（例えば、０．１〜５μｍ）が可能となる。したがって、固体酸化物の膜抵抗を低減することができ、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することができる。
カソード電極２４は、例えば、電気化学反応を促進する触媒活性と共に電子伝導性を有する固体酸化物によって形成することができる。カソード電極２４を構成する固体電解質としては、例えば、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4ＣｏＯ3や、Ｌａ0.5Ｓｒ0.5ＭｎＯ3等のペロブスカイト型導電体を用いることができる。あるいは、カソード電極２４は、上記触媒活性を有する貴金属、例えばパラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）によって形成しても良い。白金のように水素透過性を有しない貴金属によりカソード電極２４を構成する場合には、カソード電極２４を充分に薄く形成するなどにより、カソード電極２４においてガス透過性を確保すればよい。
ガスセパレータ２８，２９は、電子伝導性を有する材料（例えば、ステンレス鋼等の金属）により形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ２８，２９の表面には、既述した単セル内燃料ガス流路２５や単セル内酸化ガス流路２６を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。なお、図２に示した本実施例の単セル２０においては、ガスセパレータと電極（水素透過性金属層２２あるいはカソード電極２４）との間に、さらに、導電性と共にガス透過性を有する部材（集電体）を配設する等の変形が可能である。
燃料電池が発電する際には、単セル内燃料ガス流路２５に供給される燃料ガス中の水素分子が、水素透過性金属層２２の表面において、触媒金属である水素透過性金属の働きで水素原子あるいはプロトンに分離する。分離した水素原子あるいはプロトンは、水素透過性金属層２２内を透過し、その後、プロトンの状態で電解質層２１内をさらに透過する。このとき、カソード電極２４では、カソード電極２４を構成する固体酸化物が触媒活性を有することにより、電解質層２１を透過してカソード電極２４に達したプロトンと、単セル内酸化ガス流路２６に供給される酸化ガス中の酸素とから水が生じ、電気化学反応が進行する。
なお、燃料電池１５には、その内部温度を検出するための温度センサ１７が設けられている。温度センサ１７は、例えば熱電対によって構成することができる
燃料ガス供給部３０は、燃料ガス供給源３２と燃料ガス用配管３４とを有しており、燃料電池１５内に形成される単セル内燃料ガス流路２５に、水素を含有する燃料ガスを供給する。燃料ガスとしては、水素ガスを用いることができ、この場合には、燃料ガス供給源３２としては、水素ボンベや、水素吸蔵合金を備える水素タンクを用いることができる。また、燃料ガスとして改質ガスを用いても良く、この場合には、燃料ガス供給源３２としては、炭化水素やアルコールなどの炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する装置を用いることができる。
酸化ガス供給部４０は、ブロワ４２と酸化ガス用配管４４とを有しており、燃料電池１５内に形成される単セル内酸化ガス流路２６に、酸化ガスとして空気を供給する。
また、燃料電池１５と負荷１６とを接続する配線には、燃料電池１５からの出力電流を検出する電流センサ１８が設けられている。さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１５からの出力電圧を検出するために、電圧センサ１９が設けられている。
冷却部６０は、燃料電池１５を冷却して燃料電池１５の運転温度を所定範囲に保つための冷媒を、燃料電池１５内部に流通させるための構造である。冷却部６０は、冷媒流路６３と、冷媒流路６３に冷媒として空気を導入するブロワ６４と、冷媒流路６３に接続されるスタック内冷媒路６２とを備えている。スタック内冷媒路６２は、燃料電池１５の内部において、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に設けられており、冷媒流路６３を介してブロワ６４から空気が供給される。本実施例の燃料電池システム１０では、ブロワ６４の駆動量、すなわち、スタック内冷媒路６２に供給される空気量を調節することによって、燃料電池１５の内部温度を調節可能となっている。
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５５と、ＣＰＵ５５で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５５で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５７と、各種の信号を入出力する入出力ポート５８等を備える。この制御部５０は、例えば燃料電池１５に対する負荷要求に関する情報や、燃料電池１５の運転状態に係る情報（例えば、電流センサ１８、電圧センサ１９あるいは温度センサ１７の検出信号）を取得する。そして、制御部５０は、燃料電池１５の発電制御に関わる機能を有する各機能部（例えば、燃料ガス供給部３０や酸化ガス供給部４０や冷却部６０）に駆動信号を出力する。
（Ｂ−２）システム制御：
図３は、燃料電池１５を構成する固体酸化物における水熱分解反応の進行を抑えるために実行される水熱分解判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池１５の発電中に、制御部５０のＣＰＵ５５において、所定の時間間隔で実行される。
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ５５は、最初に燃料電池１５に対する負荷要求を取得する（ステップＳ１００）。その後、ＣＰＵ５５は、取得した負荷要求に従って、燃料電池１５の発電条件および負荷１６を制御する（ステップＳ１１０）。燃料電池１５の発電条件の制御としては、ＣＰＵ５５は、負荷要求に応じた電力を発電するために設定される所定量の燃料ガスおよび酸化ガスが燃料電池１５に供給されるように、燃料ガス供給部３０および酸化ガス供給部４０に駆動信号を出力する。具体的には、燃料ガス供給部３０の燃料ガス供給源３２が水素ボンベを備える場合には、水素ボンベから燃料電池１５への水素供給量を調節する圧力調整弁に対して駆動信号を出力する。また、燃料ガス供給源３２が改質器を備える場合には、改質器に供給する炭化水素などの改質原料の量を調節する流量調整弁に対して駆動信号を出力する。酸化ガス供給部４０については、ブロワ４２に対して駆動信号を出力する。また、負荷１６の制御としては、負荷１６が例えば電動機である場合には、ＣＰＵ５５は、電動機の駆動量が負荷要求に応じた駆動量となるように電動機に対して駆動信号を出力する。
次にＣＰＵ５５は、燃料電池１５の内部温度Ｔおよびカソード分極ηを取得する（ステップＳ１２０）。燃料電池１５の内部温度Ｔの取得は、温度センサ１７の検出信号の取得により行なう。なお、燃料電池１５の内部温度Ｔは、燃料電池１５の内部温度を直接検出する以外の方法により求めても良い。燃料電池１５の内部温度を良く反映して、燃料電池１５の内部温度と一定の相関関係を有する温度を検出することによって容易に内部温度を求めることができる。例えば、燃料電池１５から排出される燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒の温度を検出して、内部温度Ｔを求めても良い。また、温度を検出する以外の方法、例えば、燃料電池１５における発電量から算出される発熱量に基づいて、内部温度Ｔを推定しても良い。
カソード分極ηは、さらに電流センサ１８および電圧センサ１９の検出信号を取得して、これらの検出値に基づいて導出される。ここで、燃料電池１５における抵抗は、ＩＲ抵抗と分極抵抗（アノード分極およびカソード分極）との和として把握することができる。ＩＲ抵抗とは、主として、燃料電池１５を構成する各部材（例えば、電解質層２１、水素透過性金属層２２、カソード電極２４、セパレータ２８，２９）が示す抵抗値と、上記各部材間に生じる接触抵抗との和から成る。ここで、カソード分極ηは、例えば燃料電池１５において交流インピーダンス法を行なうことにより求めることができる。交流インピーダンス法とは、燃料電池に微少な正弦交流波を印加してインピーダンスの解析を行なう周知の手法であり、上記ＩＲ抵抗、アノード分極およびカソード分極を分離して把握することが可能となる。図１の燃料電池１５に対して、図示しない交流印加部を用いて正弦交流波を印加し、検出される電流値および電圧値に基づいて、制御部５０においてインピーダンスの解析を行なえば良い。
あるいは、カソード分極ηを直接検出するのではなく、推定値として求めても良い。上記各部材が示す抵抗値と、各部材間に生じる接触抵抗とは、各部材を構成する材料に応じて定まる値である。特に、電解質層２１が示す抵抗値は温度に応じて変化する値であるため、上記ＩＲ抵抗は、温度および出力電流に応じて定まる値として把握することができる。そのため、検出した電流値および電圧値から求まる全体の抵抗値と、温度および出力電流に基づいて推定されるＩＲ抵抗とから、分極抵抗を推定することができる。また、分極抵抗のうち、アノード分極は無視できる程度に小さいため、推定した分極抵抗をカソード分極ηとして取り扱うこととしても良い。
ステップＳ１２０で内部温度Ｔおよびカソード分極ηを取得すると、ＣＰＵ５５は、カソード電極２４上を流れる酸化ガス中の水蒸気圧Ｐvap（Ｈ2Ｏ）を算出する（ステップＳ１３０）。燃料電池１５は、水が全て気体として存在する温度条件であるため、酸化ガス中の水蒸気圧Ｐvap（Ｈ2Ｏ）は、燃料電池１５で生じる生成水量と、カソードに供給される酸化ガス流量と、空気中の水蒸気分圧とから算出することができる。ここで、発電に伴って生じる生成水量は、以下に示す燃料電池における電気化学反応を表わす式と、燃料電池における発電量とに基づいて算出することができる。なお、以下の（２）式はアノードにおける反応を示し、（３）式はカソードにおける反応を示し、（４）式は燃料電池全体における反応を示している。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（２）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（４）
燃料電池１５における発電量は、ステップＳ１００で取得した負荷要求、あるいは、ステップＳ１１０で負荷１６に対して出力した駆動信号に基づいて、知ることができる。カソードに供給される酸化ガス流量は、ステップＳ１１０でブロワ４２に出力した駆動信号に基づいて知ることができる。空気中の水蒸気分圧は、予め制御部５０内のメモリに記憶しておけばよい。
なお、燃料電池１５において、酸化ガスを常に一定の過剰率（負荷要求に対して理論的に定まる必要量に対する実際の供給ガス量の割合）で供給する制御を行なう場合には、酸化ガス中の水蒸気圧は一定に保たれる。したがって、このような制御を行なう場合には、過剰率に応じて定まる水蒸気圧を予め制御部５０に記憶しておけばよい。
次に、ＣＰＵ５５は、電解質層２１とカソード電極２４との界面近傍における既述した仮想的な水蒸気分圧である界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を算出する（ステップＳ１４０）。このときＣＰＵ５５は、界面水蒸気圧導出部として機能する。界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）は、ステップＳ１３０で算出した酸化ガス中の水蒸気圧Ｐvap（Ｈ2Ｏ）と、ステップＳ１２０で取得したカソード分極ηおよび内部温度Ｔを用いて、既述した（１）式に基づいて算出する。
また、ＣＰＵ５５は、電解質層２１を構成する固体酸化物の、現在の内部温度Ｔにおける水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）を導出する（ステップＳ１５０）。このとき、ＣＰＵ５５は、上記内部温度Ｔにおける電解質層２１を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧を取得する臨界水蒸気圧取得部として機能する。水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）は、図１０に示したように温度に応じて定まる値であるため、水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）と内部温度Ｔとの関係を予め制御部５０内にマップとして記憶しておき、ステップＳ１５０では、このマップを参照すればよい。
その後、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１４０で算出した界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）と、所定の基準値refＡとを比較する（ステップＳ１６０）。ここで、所定の基準値refＡとは、ステップＳ１５０で導出した水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）から所定の安全マージン値margＢを減じた値である。すなわち、以下の（５）式が成り立つ。
refＡ＝Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）−margＢ …（５）
このステップＳ１６０は、固体酸化物によって形成される電解質層２１の表層部が、水熱分解される可能性がある状態であるか否かを判断する工程であり、水熱分解されないとの判断を行なう際の信頼性を確保するために、上記安全マージン値margＢが設けられている。したがって、安全マージン値margＢは、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）や水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）を求める際に生じる得る誤差の原因、例えば、電流センサ１８や電圧センサ１９や温度センサ１７における測定誤差、あるいは既述したマップ作成時に生じる誤差を考慮して、適宜設定すればよい。基準値refＡを算出する際には、ＣＰＵ５５は、電解質層２１が水熱分解されない水蒸気圧としての許容水蒸気圧を設定する許容水蒸気圧設定部として機能する。
ステップＳ１６０において、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡ以上である場合には、電解質層２１を構成する固体酸化物が水熱分解される状態になっていると考えられる。そのため、このような場合には、ＣＰＵ５５は、燃料電池１５の出力電圧が上昇するように、燃料電池１５の運転条件を変更する制御を行ない（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。このステップＳ１７０は、具体的には、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡよりも小さくなって、上記固体酸化物が水熱分解されない状態になるように、ステップＳ１１０で設定し実行している燃料電池１５の発電条件および負荷１６に関する制御状態を変更するものである。
燃料電池では一般に、低負荷時（出力電力が小さいとき）ほどカソード分極ηが小さくなるが、出力電力は、出力電圧を上昇させることにより減少させることができる。出力電圧を上昇させてカソード分極ηを小さくすることで、（１）式より、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を小さくすることができ、その結果、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を基準値refＡよりも小さくする、あるいはこのような状態に近づけることができる。燃料電池１５の出力電圧を上昇させるような制御の変更とは、より具体的には、負荷１６が電動機である場合には、制御部５０から負荷１６に対する駆動信号の目標値を変更して、負荷１６における消費電力を小さくすることによって実行される。このステップＳ１７０では、負荷１６の消費電力が一定の大きさで小さくなるように負荷１６に対する駆動信号の目標値を変更しても良く、この場合には、ステップＳ１７０を実行するごとに、所望の状態に近づけることができる。あるいは、ステップＳ１７０では、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）と基準値refＡとの差に基づいて、負荷１６の消費電力における望ましい減少量を設定し、設定した消費電力の減少量に基づいて、負荷１６に対する駆動信号の目標値を変更しても良い。なお、ステップＳ１７０では、燃料電池１５の出力電圧を上昇させると共に、燃料電池１５に供給する燃料ガスおよび酸化ガス量を少なくするように、ステップＳ１１０で設定した制御を変更しても良い。
ステップＳ１６０において、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡ未満である場合には、電解質層２１を構成する固体酸化物は水熱分解されない状態にあると考えられる。そのため、ＣＰＵ５５は、ステップＳ１１０で設定し実行している燃料電池１５の発電条件および負荷１６に関する制御状態を維持し（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。すなわち、負荷要求に応じた電力が燃料電池１５から得られる運転状態を維持する。
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池による発電を行なう際に、電解質層２１を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）に基づいて燃料電池システムの制御を変更することによって、上記固体酸化物の水熱分解の抑制を可能にしている。すなわち、上記固体酸化物が設けられた環境における水蒸気圧が、固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）を下回るように、システム制御を変更しているため、固体酸化物の水熱分解を抑制することができる。
特に本実施例では、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）以上である場合に、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）よりも小さくなるように制御を変更している。すなわち、電解質層２１において、カソード電極２４との界面近傍の水蒸気圧が、電解質層２１を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧よりも低くなるように制御を変更している。このように、単にカソード側に供給されるガス中の水蒸気圧ではなく、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を想定し、この界面水蒸気圧に基づいて制御を行なうことにより、水熱分解が進行しやすい界面近傍領域を含めて電解質層２１全体で、水熱分解の進行を抑制することができる。これにより、電解質層２１を構成する固体酸化物の水熱分解に起因する燃料電池１５の性能低下を抑制すると共に、燃料電池１５の耐久性を向上させることができる。このとき、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）未満である場合、すなわち電解質層２１を構成する固体酸化物が水熱分解されない状態である場合には、燃料電池１５において負荷要求に応じた発電が行なわれる状態が維持される。したがって、全体としては負荷要求に応じた発電量が得られる制御を行ないつつ、燃料電池１５内部の水蒸気圧の状態が、固体酸化物が水熱分解され得る状態となったときには、制御を変更することによって、上記水熱分解の進行を抑制することができる。
なお、本実施例では、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）と比較するために、水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）に代えて、水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）から所定の安全マージン値margＢを減じた値である基準値refＡを用いている。これにより、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）や水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）を求める際に誤差が生じていても、界面水蒸気圧が水熱分解臨界水蒸気圧を下回る状態を実質的に維持可能となり、制御の信頼性を向上させることができる。
（Ｂ−３）第１実施例の変形例：
（Ｂ−３−１）変形例１：
第１実施例では、（５）式に従って基準値refＡを設定する際に安全マージン値margＢを用いているが、この安全マージン値margＢは、一定の値とする必要はない。基準値refＡを設定する際に参照する水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）は、燃料電池１５の内部温度に基づいて導出するが、例えば、燃料電池１５の内部温度が、温度検出の際の誤差が大きくなる温度であると判断される場合には、安全マージン値margＢを、より大きな値としても良い。具体的には、温度センサ１７が、温度によって温度測定誤差が変動する性質を有する場合に、検出した温度が、測定誤差が大きくなると予想される温度範囲であるときには、安全マージン値margＢを、より大きな値とすれば良い。
（Ｂ−３−２）変形例２：
第１実施例では、ステップＳ１６０において、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡ以上である場合には、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡ未満となるように制御を変更しているが、水熱分解の進行を停止させるために、燃料電池１５の発電を停止させることとしても良い。例えば、何らかの理由により、ステップＳ１７０において燃料電池１５の出力電圧を上昇させる処理を行なっても、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡ以上である状態を改善できない事態が生じる可能性が考えられる。また、ステップＳ１６０において界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡに比べて極めて大きく、許容し難い速度で水熱分解が進行する事態が生じる可能性が考えられる。このような場合には、燃料電池１５と負荷１６との間の接続を切断し、燃料電池１５の発電を停止させる制御を行なっても良い。
（Ｂ−３−３）変形例３：
第１実施例では、ステップＳ１７０において、燃料電池１５の出力電圧を上昇させる制御を行なうことによって、固体酸化物が水熱分解される状態の解消を図っているが、異なる制御を行なっても良い。例えば、ブロワ４２の駆動量を増加させて、燃料電池１５のカソードに供給する酸化ガス量を増加させても良い。酸化ガス量を増加させることで、酸化ガス中の水蒸気圧Ｐvap（Ｈ2Ｏ）が低下し、その結果、酸化ガス中の水蒸気圧Ｐvap（Ｈ2Ｏ）の値を用いて（５）式に基づいて算出される界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）も低下する。したがって、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を基準値refＡ未満にすることが可能となる。
あるいは、冷媒によって燃料電池１５を冷却させる程度を抑えることによって、燃料電池１５の温度を上昇させても良い。燃料電池１５の内部温度Ｔを上昇させると、ステップＳ１５０で導出される固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）が上昇し、その結果、基準値Ａが大きくなる。これにより、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を基準値refＡ未満にすることが可能となる。燃料電池１５を冷却させる程度を抑えるには、例えば、ブロワ６４の駆動量を減少させて、冷媒である空気流量を減少させればよい。
実施例のように燃料電池１５の出力電圧を上昇させる制御は、極めて短い時間で効果が得られるため望ましいが、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）を低下させることができれば、あるいは基準値Ａを大きくすることができれば、異なる制御であっても同様の効果が得られる。
（Ｂ−３−４）変形例４：
第１実施例では、ステップＳ１２０でカソード分極ηを取得する際に、燃料電池１５全体の出力電圧および出力電流を検出し、燃料電池１５全体を代表する値として、カソード分極ηを検出しているが、異なる構成としても良い。例えば、特定の単一の単セル、あるいは特定の複数の単セルのそれぞれに電圧センサを設け、交流インピーダンス法を行なう際に、上記特定の単セルについてインピーダンスの解析を行なってカソード分極ηを求めても良い。このような構成とすれば、上記特定の単セルについて、電解質層表面で水熱分解が進行するか否かを判断することができる。特に、上記特定の単セルとして、電解質層が水熱分解される状態になりやすい単セル（例えば温度が低下しやすい位置の単セル）を選択しておけば、いずれかの単セル内で水熱分解が進行し始める前に、水熱分解の進行を抑制する適切な措置をとることが可能となる。
（Ｂ−３−５）変形例５：
第１実施例では、ＣＰＵ５５が負荷要求を取得した後に、負荷要求に応じた電力を燃料電池１５が出力するように制御を変更し、その後、内部温度Ｔを検出すると共に、出力電圧および出力電流を検出することによってカソード分極ηを求めている。このように、負荷要求に応じて実際に運転状態を変更したうえで、固体酸化物の水熱分解が進行される状態となったか否かを判断するのではなく、運転状態を変更した結果を予測して、この予測に基づいて、固体酸化物が水熱分解される状態になるか否かを判断することとしても良い。燃料電池では、発電量が定まれば、出力電圧および出力電流を予想することができる。また、燃料電池における発電量と発熱量の関係や、燃料電池における熱容量を予め調べておくことにより、燃料電池の発電状態に関する制御を変更した後の燃料電池温度を予測することも可能である。そして、予測に基づいて、固体酸化物が水熱分解される状態になると判断される場合には、固体酸化物が水熱分解されない状態となるように、具体的には、例えば燃料電池１５の出力電圧が充分に低くなるように、燃料電池１５の発電状態を制御すればよい。このように予測に基づいて判断する場合には、電解質層２１を構成する固体酸化物は、短い時間であっても水熱分解される環境に晒されることがない。
（Ｂ−３−６）変形例６：
第１実施例では、電解質層２１における、カソード電極２４との界面近傍での水熱分解を抑制しているが、カソード電極２４を固体酸化物によって構成する場合には、上記構成に加えて、あるいは上記構成に代えて、カソード電極２４における、電解質層２１との界面近傍での水熱分解を抑制することとしても良い。
カソード電極２４の界面における水熱分解を抑制するには、図３のステップＳ１５０において、電解質層２１を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）に代えて、カソード電極２４を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧を導出すればよい。そして、カソード電極２４を構成する固体酸化物における水熱分解臨界水蒸気圧に基づいて基準値refＡを設定し、この基準値refＡを、ステップＳ１６０の判断で用いれば良い。
電解質層２１とカソード電極２４との両方を固体酸化物によって形成する場合には、それぞれについて図３に示した判断を行なっても良い。また、電解質層２１を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧と、カソード電極２４を構成する固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧のいずれかが、燃料電池の運転温度範囲において常に低くなる場合には、低い方の水熱分解臨界水蒸気圧のみに基づいて、図３に示した判断を行なうこととしても良い。
（Ｂ−３−７）変形例７：
第１実施例の燃料電池システム１０では、負荷１６は、必要な電力を全て燃料電池１５から得ることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池１５とは異なる電源として２次電池を備えることとして、燃料電池１５と２次電池のうちの一方および両方から、負荷１６に対して電力を供給する構成としても良い。この場合にも、図３のステップＳ１７０において、燃料電池１５の出力電圧がより低くなるように制御を変更して燃料電池１５からの出力電力量を減少させることで、同様の効果が得られる。また、このように負荷１６に対してさらに他の電源から電力供給可能とすることで、燃料電池１５内部の水蒸気圧の状態に関わらず、負荷要求を満たす電力を負荷１６に対して供給し続けることが可能となる。
Ｃ．第２実施例の燃料電池システム：
第１実施例では、実測値あるいは推定値に基づいて界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）および水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）を求め、水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）が界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）以上にならないように制御している。これに対して、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）および水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）を具体的に導出することなく、水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）が界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）以上になる可能性が高いと判断されるときに、固体酸化物の水熱分解を抑制するための制御を行なうことも可能である。以下に、このような構成を第２実施例として説明する。
図４は、第２実施例の燃料電池システムにおいて、実行される負荷増大予想処理ルーチンを表わすフローチャートである。第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０と同様の構成を有しているため、以下、第１実施例と同じ参照番号を用いて詳しい説明は省略する。第２実施例の燃料電池システム１０は、特に、車両の駆動用電源として電気自動車に搭載されており、負荷１６は、車両の駆動力を発生するモータである。また、第２実施例の燃料電池システム１０を搭載される車両は、さらに、ＧＰＳ信号を受信するカーナビゲーションシステムを搭載しており、制御部５０は、カーナビゲーションシステムから、ＧＰＳ信号に係る情報を含む情報（以下、カーナビ情報という）を取得することができる。図４に示す負荷増大予想処理ルーチンは、燃料電池システム１０の稼働中に、制御部５０のＣＰＵ５５において、所定の時間間隔で実行される。
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ５５は、最初にカーナビ情報を取得する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００で取得するカーナビ情報は、車両の現在位置に関する情報（現在位置の高度に関する情報を含む）の他、車両の走行先に関する地理的情報（車両の走行先における高度情報を含む）を含む。
カーナビ情報を取得すると、ＣＰＵ５５は、取得した情報に基づいて、燃料電池１５に対する負荷要求が、所定の大きさで増大すると予想されるか否かを判断する（ステップＳ２１０）。例えば、カーナビ情報に基づいて、車両の走行先の高度の上昇傾向から、負荷要求の大きな増加を要する勾配の登りの坂道にさしかかろうとしていると判断される場合には、負荷要求の増大が予想されると判断する。ここで、ステップＳ２１０における判断は、界面水蒸気圧が、電解質層２１および／またはカソード電極２４を構成する固体酸化物における水熱分解臨界水蒸気圧から求められる基準値refＡ以上となる可能性があるか否かを判断するものである。したがって、電解質層２１および／またはカソード電極２４を構成する固体酸化物が示す水熱分解臨界水蒸気圧や、負荷増大時に供給酸化ガス量が増加する際の反応性など、システム全体の性質を考慮して、ステップＳ２１０における具体的な判断基準を設定すればよい。
ステップＳ２１０において負荷要求の増大が予想されない場合には、燃料電池１５の内部温度Ｔに関する特段の制御は不要であるため、ＣＰＵ５５は、本ルーチンを終了する。
ステップＳ２１０において、負荷要求の増大が予想されると判断した場合には、ＣＰＵ５５は、燃料電池１５が所定の高温状態にあるか否かを判断する（ステップＳ２２０）。ここで、所定の高温状態とは、燃料電池１５の内部温度が、定常状態に比べてより高くなるように制御されている状態をいう。本実施例では、燃料電池１５が定常運転を行なうときには、温度センサ１７が検出する温度が所定の温度範囲内に維持されるように、ブロワ６４を制御することにより、燃料電池１５の内部温度を、定常状態に対応する一定の温度範囲に保っている。上記所定の高温状態とは、温度センサ１７の検出温度が、上記定常状態に対応する一定の温度範囲に代えて、定常状態に対応する一定の温度範囲よりも高温側にシフトした温度範囲内に維持されるように、燃料電池１５の内部温度の制御が行なわれている状態をいう。定常状態に対応する一定の温度範囲、および、所定の高温状態に対応する温度範囲、すなわち、定常状態および所定の高温状態のそれぞれにおける内部温度Ｔの目標温度範囲は、予め設定されて制御部５０内に記憶されている。
ステップＳ２２０において燃料電池１５が所定の高温状態ではないと判断されると、ＣＰＵ５５は、次に、燃料電池１５の内部温度Ｔを上昇させる処理を実行し（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。燃料電池１５の内部温度Ｔを上昇させる処理とは、具体的には、燃料電池１５を所定の高温状態にする処理である。すなわち、内部温度Ｔの制御を行なう際の目標温度範囲を、定常状態に対応する一定の温度範囲から、所定の高温状態に対応する温度範囲へと切り替える処理である。このように、目標温度範囲をより高い温度範囲へと変更することにより、燃料電池１５の内部温度Ｔのレベルは上昇する。
ステップＳ２２０において燃料電池１５が所定の高温状態にあると判断されるときには、負荷増大が予測されて、すでに燃料電池１５を所定の高温状態にする処理が行なわれたと考えられるため、ＣＰＵ５５は、所定の高温状態を維持して本ルーチンを終了する。
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システム１０によれば、負荷増大を予測したときには、実際の負荷増大に先だって燃料電池１５の内部温度Ｔを上昇させておくことができ、これによって、負荷増大時に、電解質層２１やカソード電極２４を構成する固体酸化物の水熱分解の進行を抑制することができる。これは、温度が高いほど、固体酸化物における水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）は一般に高くなるため、水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）に基づいて設定される基準値Ａが、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い状態を維持しやすくなることによる。また、温度が高いほどカソード分極ηは一般に小さくなるため、カソード分極ηが大きくなる高負荷時においてもカソード分極ηの増大を抑えることができ、これによって界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）の増大も抑えられて、基準値Ａが界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い状態を維持しやすくなるためである。
第１実施例で説明したように、固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）が基準値refＡ未満である状態にするためには、出力電圧の制御を始めとして種々の制御が可能である。その中で、内部温度Ｔを上昇させる制御は、実際に内部温度Ｔを上昇させて効果を得るまでには比較的時間を要するものの、内部温度Ｔを上昇させることで得られるＰcrit（Ｈ2Ｏ）をrefＡ未満とするうえでの効果は、他の制御に比べて大きい。本実施例では、負荷要求の増大を前もって予測して、効果が得られるまでに要する時間は長いものの、より大きな効果が得られる対策である内部温度Ｔの上昇を行なうことで、固体酸化物の水熱分解を効果的に防止している。
第２実施例では、ステップＳ２２０において、燃料電池１５が所定の高温状態にあるか否かの判断を、内部温度Ｔの目標温度範囲の設定状態に基づいて判断しているが、異なる構成としても良い。例えば、温度センサ１７が検出した実際の検出値に基づいて、燃料電池１５が所定の高温状態にあるか否かを判断しても良い。
また、第２実施例では、ステップＳ２３０において内部温度Ｔを上昇させるために、内部温度Ｔの目標温度範囲の設定を変更しているが、異なる処理を行なっても良い。例えば、燃料電池１５に供給する燃料ガスの温度を高めることによって、燃料電池１５の内部温度Ｔを上昇させることができる。具体的には、燃料電池システム１０が、燃料ガス供給源３２として、炭化水素系燃料を改質する改質器を備えると共に、改質器における改質温度が燃料電池１５の運転温度よりも高く、燃料電池１５への供給に先立って改質ガスを降温させる場合が考えられる。このような燃料電池システムでは、ステップＳ２３０において、改質ガスを降温させる程度を減少させることによって、内部温度Ｔを上昇させることができる。
また、第２実施例では、燃料電池システム１０を車両の駆動用電源として電気自動車に搭載し、車両の駆動力を発生するモータを負荷１６としているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池システム１０を、特定の建物や施設に電力を供給する定置型の発電装置として用いることができる。このようなシステムでは、界面水蒸気圧が、電解質層２１および／またはカソード電極２４を構成する固体酸化物における水熱分解臨界水蒸気圧から求められる基準値refＡ以上になると予想される程度に、特定の時間帯において上記建物や施設における消費電力が増大する場合が考えられる。このような場合には、ステップＳ２１０において、上記特定の時間帯に近づいたか否かを判断すればよい。上記特定の時間帯が近づいたときに、燃料電池１５の内部温度Ｔを上昇させる制御を行なえば、実際に負荷要求が増大したときには、燃料電池１５が備える固体酸化物における水熱分解の進行を抑制することができる。
Ｄ．第３実施例の燃料電池：
第１および第２実施例では、燃料電池システム１０における運転制御によって、固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）が界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）未満である状態の維持を図っている。これとは別に、電解質層２１やカソード電極２４を構成する固体酸化物の種類や配置を選択することにより、固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧Ｐcrit（Ｈ2Ｏ）が界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）未満となる状態の維持を図ることが可能である。このような構成を第３実施例として以下に説明する。
図５は、第３実施例の燃料電池を構成する単セル１２０の概略構成を現わす断面模式図である。第３実施例の燃料電池は、例えば第１実施例の燃料電池システム１０において、燃料電池１５と同様に用いることができる。第３実施例の単セル１２０は、第１実施例の単セル２０と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。単セル１２０は、単セル２０における電解質層２１に代えて、電解質層１２１を備えている。図５では、単セル１２０において、水素透過性金属層２２と、電解質層１２１と、カソード電極２４とが積層される様子のみを表わしている。
第３実施例の単セル１２０が備える電解質層１２１は、第１実施例の電解質層２１と同様のプロトン伝導性を有する固体酸化物から成る層である。図５に示すように、第３実施例の電解質層１２１は、カソード電極２４と接する表面を含む層を構成する第１電解質部１２１ａと、水素透過性金属層２２と接する側の層を構成する第２電解質部１２１ｂとを備えている。第１電解質部１２１ａと、第２電解質部１２１ｂとは、それぞれを構成するプロトン伝導性固体酸化物の組成が異なっている。
既述したように、固体酸化物は、水熱分解臨界水蒸気圧として、温度に応じた固有の値を示す。このような水熱分解臨界水蒸気圧と温度との関係は、固体酸化物の組成に応じて一定の関係が定まる。本実施例の電解質層１２１では、第１電解質部１２１ａを構成する固体酸化物の方が、第２電解質部１２１ｂを構成する固体酸化物に比べて、燃料電池が発電する際の温度範囲にわたって、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示すように、各々の層を構成する固体酸化物の組成が選択されている。例えば、図１０（Ａ）では、示した温度範囲にわたって、ＢａＺｒＯ3はＢａＣｅＯ3に比べて高い水熱分解臨界水蒸気圧を示している。第１電解質部１２１ａを構成する固体酸化物と第２電解質部１２１ｂを構成する固体酸化物とは、上記ＢａＺｒＯ3とＢａＣｅＯ3とのような関係にある固体酸化物である。
なお、第１電解質部１２１ａおよび第２電解質部１２１ｂは、同種の固体酸化物に異なる種類および／または量のドーパントを加えた固体酸化物によって形成しても良いし、異なる種類の固体酸化物に所定のドーパントを加えた固体酸化物によって形成しても良い。例えば、ＢａＺｒＯ3のジルコニウムサイトの一部をイットリウム（Ｙ）やインジウム（Ｉｎ）で置き換えた固体酸化物を用いる際に、用いるドーパント量を第１電解質部１２１ａと第２電解質部１２１ｂとで異ならせ、異なる水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物の層を形成してもよい。あるいは、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示すＢａＺｒＯ3に所定のドーパントを加えた固体酸化物を用いて第１の電解質部１２１ａを形成すると共に、より低い水熱分解臨界水蒸気圧を示すＢａＣｅＯ3に所定のドーパントを加えた固体酸化物を用いて第２の電解質部１２１ｂを形成しても良い。
このような電解質層１２１は、例えば、水素透過性金属層２２上にＰＶＤあるいはＣＶＤによって電解質層１２１を成膜する際に、最初に、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物の層を成膜した後に、途中で成膜材料を変更して、その後、より低い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物の層を成膜すればよい。
以上のように構成された第３実施例の燃料電池によれば、カソードに供給される酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い水蒸気圧である界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）に晒される状態と同視できる状態になる第１電解質部１２１ａを、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物で形成するため、電解質層１２１における水熱分解の進行を抑制することができる。ここで、電解質層において、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）に晒される状態と同視できる状態になるのは、カソード電極と接する表面を含む限られた領域だけである。したがって、第１電解質部１２１ａの厚さは、１０〜１００ｎｍとすれば良く、全体の性能や製造工程上の便宜などを考慮して、適宜設定すればよい。
このとき、特に、第１電解質部１２１ａを構成する固体酸化物として、燃料電池の発電の際の運転条件として予想される条件にわたって、電解質層１２１とカソード電極２４との界面近傍の局所的な状態を表わす水蒸気圧である界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な固体酸化物を用いることが望ましい。このような構成とすれば、燃料電池の発電を行なう際に、特別な制御を行なうことなく、第１電解質部１２１ａにおける水熱分解の進行を防止可能となる。なお、燃料電池の発電の際の運転条件として予想される条件とは、燃料電池の発電量が変動する際に、燃料電池が取りうる内部温度範囲、および、取りうる酸化ガスにおける水蒸気圧の範囲を含む条件をいう。
このような第３実施例の燃料電池においては、第２電解質部１２１ｂを構成する固体酸化物は、第１電解質部１２１ａを構成する固体酸化物ほどには、水熱分解臨界水蒸気圧が高い必要はない。しかしながら、燃料電池の発電の際の運転条件として予想される条件にわたって、酸化ガス中の水蒸気圧よりも水熱分解臨界水蒸気圧が高い状態が維持されるように、第２電解質部１２１ｂを構成する固体酸化物の組成を選択することが望ましい。これにより、燃料電池の発電の際に、特別な制御を行なうことなく、電解質層１２１全体における水熱分解の進行を防止可能となる。
なお、一般にプロトン伝導性固体酸化物は、所定の温度で示す水熱分解臨界水蒸気圧が高いほど、プロトン伝導性が低くなるという性質を示す。これは、結晶構造に歪みがなく安定性の高い固体酸化物ほど水熱分解臨界水蒸気圧が高くなるが、このように強固な結晶構造を持つ固体酸化物ほどプロトン伝導性が低下するためと考えられる。したがって、第３実施例のように、カソード電極２４と接する表面を含む層を構成する固体酸化物として、他の層を構成する固体酸化物よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物を用いる場合に、後者が前者よりもプロトン伝導性の高い固体酸化物である場合には、電解質層全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
なお、電解質層において、プロトン伝導性が低下する程度が許容できる場合には、より広い範囲、例えば電解質層全体を、燃料電池の発電の際の運転条件にわたって界面水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を示し得る固体酸化物によって形成しても良い。
第３実施例では、電解質層１２１において、界面側の層と他の層との間で、構成する固体酸化物の組成を異ならせたが、カソード電極を構成する固体酸化物の組成も同様にして設定することができる。このような構成を第３実施例の変形例として図６に示す。図６では、図５と同様に、単セルにおいて、水素透過性金属層と、電解質層と、カソード電極とが積層される様子のみを表わしている。
第３実施例の変形例の燃料電池における単セルは、図２の単セル２０において、カソード電極２４に代えてカソード電極１２４を備えている。カソード電極１２４は、電解質層２１と接する表面を含む層を構成する第１カソード電極部１２４ａと、セパレータ２９側の層を構成する第２カソード電極部１２４ｂとによって構成されている。ここで、第１カソード電極部１２４ａは、第２カソード電極部１２４ｂに比べて、燃料電池の運転温度範囲にわたって、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示すように、固体酸化物の組成が選択されている。
カソード電極は、例えば、構成材料となる固体酸化物の微粒子（例えば平均粒径１μｍ程度）を作製してペースト化し、このペーストを用いて電解質層上にスクリーン印刷を行なうことにより形成することができる。この場合には、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物を備えるペーストを用い、例えば上記微粒子１層分の厚さに印刷することで、第１カソード電極部１２４ａを形成すればよい。また、その上に、より低い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物を備えるペーストを用いて印刷を行ない、第２カソード電極部１２４ｂを形成すればよい。あるいは、電解質層と同様に、ＰＶＤやＣＶＤによってカソード電極１２４を形成することも可能である。
このような第３実施例の変形例の燃料電池によれば、カソード電極１２４における水熱分解の進行を抑制することができる。ここで、第２カソード電極部１２４ｂを構成する固体酸化物として、燃料電池において予想される発電の際の運転条件にわたって、酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な固体酸化物を用いれば、特別な制御を行なうことなく、カソード電極１２４全体における水熱分解の進行を防止可能となる。このとき、特に、第１カソード電極部１２４ａを構成する固体酸化物として、燃料電池において予想される発電の際の運転条件にわたって、界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な固体酸化物を用いることで、特別な制御を行なうことなく第１カソード電極部１２４ａにおける水熱分解の進行を防止可能となる。さらに、第２カソード電極部１２４ｂを構成する固体酸化物として、第１カソード電極部１２４ａを構成する固体酸化物よりも、電極としての触媒活性および電子伝導性が高い固体酸化物を用いるならば、カソード電極１２４全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。カソード電極において、触媒活性および電子伝導性が低下する程度が許容できる場合には、より広い範囲、例えばカソード電極全体を、燃料電池の発電の際の運転条件にわたって界面水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を示し得る固体酸化物によって形成しても良い。
Ｅ．第４実施例の燃料電池：
第３実施例では、電解質層において、カソード電極と接する表面を含む層と他の層との間で固体酸化物の組成を異ならせ、上記表面を含む層における水熱分解の進行を抑制しているが、電解質層の面内で、固体酸化物の組成を異ならせることとしても良い。界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）はカソード分極ηが大きいほど高くなるため、電解質層の面内におけるカソード分極の分布状態に基づいて固体酸化物の組成を異ならせることにより、電解質層における水熱分解の進行を抑制することができる。カソード分極の分布状態は、例えば、温度分布状態に基づいて判断することができる。すなわち、温度が低いほど、カソード分極は一般に大きくなる。温度分布状態に基づいて電解質層の面内における固体酸化物の組成を異ならせる構成を、第４実施例として以下に説明する。
図７は、第４実施例の燃料電池を構成する電解質層２２１の構成を表わす平面図である。第４実施例の燃料電池は、例えば第１実施例の燃料電池システム１０において、燃料電池１５と同様に用いることができ、第１実施例の燃料電池１５と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。第４実施例の燃料電池は、燃料電池１５を構成する単セル２０と同様の単セルを基本構造とすると共に、単セル２０における電解質層２１に代えて、図７に示す電解質層２２１を備えている。
図７に示すように、電解質層２２１は、その外周部側の領域に第１電解質部２２１ａを備え、他の領域、すなわち中心部側の領域に第２電解質部２２１ｂを備えている。第１電解質部２２１ａは、第２電解質部２２１ｂに比べて、燃料電池が発電する際の温度範囲にわたって、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物によって構成されている。例えば、第１電解質部２２１ａは、第３実施例の第１電解質部１２１ａと同様の固体酸化物によって形成すればよく、第２電解質部２２１ｂは、第３実施例の第２電解質部１２１ｂと同様の固体酸化物によって形成すればよい。
このような電解質層２２１を形成するには、例えば、最初に、水素透過性金属層２２上において第２電解質部２２１ｂを形成すべき領域をマスキングしたうえで第１電解質部２２１ａを成膜し、その後、第１電解質部２２１ａをマスキングして、第２電解質部２２１ｂを成膜すればよい。
燃料電池が発電する際には、一般に、スタック構造の外周部から放熱が行なわれるため、燃料電池の内部温度の分布状態は、外周部ほど低温となる。既述したように、温度が低いほど、カソード分極が大きくなることにより界面水蒸気圧は高くなるが、温度が低いときには、さらに固体酸化物における水熱分解臨界水蒸気圧が低くなるため、界面水蒸気圧が水熱分解水蒸気圧以上となり易くなる。すなわち、固体酸化物は水熱分解し易くなる。そのため、電解質層２２１において、温度が低下しやすい外周部を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物によって構成することにより、固体酸化物がより水熱分解し易い環境となる外周部領域においても、電解質層２２１を構成する固体酸化物の水熱分解を抑制することができる。
なお、燃料電池内の温度分布に関わる条件、例えば、予想される負荷要求やスタック構造における熱容量あるいは燃料電池の設置場所を考慮して、第１電解質部２２１ａおよび第２電解質部２２１ｂを構成する固体酸化物を選択することが望ましい。このような温度分布状態に関わる影響を考慮したうえで、燃料電池が発電する際の運転条件下において、第１電解質部２２１ａを設ける領域における界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、第１電解質部２２１ａを構成する固体酸化物を選択することが望ましい。また、燃料電池が発電する際の運転条件下において、第２電解質部２２１ｂを設ける領域における界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、第２電解質部２２１ｂを構成する固体酸化物を選択することが望ましい。これにより、燃料電池の発電を行なう際に、特別な制御を行なうことなく、電解質層２２１全体において水熱分解の進行を防止可能となる。ここで、上記第１電解質部２２１ａおよび第２電解質部２２１ｂにおいて、第３実施例と同様に、カソード電極と接する表面を含む限られた領域のみを、上記条件を満たす固体酸化物によって形成することも可能である。この場合には、上記表面を含む限られた領域以外の領域は、燃料電池において予想される発電の際の運転条件にわたって、酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な固体酸化物によって形成すればよい。
また、上記第１電解質部２２１ａと第２電解質部２２１ｂとの面内での配置、すなわち第１電解質部２２１ａおよび第２電解質部２２１ｂの形状は、燃料電池が設置される環境など、燃料電池の内部温度の分布状態に影響する要因を考慮して適宜変更することができる。また、既述したように、プロトン伝導性固体酸化物は一般に、所定の温度で示す水熱分解臨界水蒸気圧が高いほどプロトン伝導性が低くなるという性質を示す。したがって、上記のように第１電解質部２２１ａに比べて高温になる第２電解質部２２１ｂを、燃料電池の運転条件下においてより低い水熱分解臨界水蒸気圧を示すと共により安定な固体酸化物によって構成することで、電解質層全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
なお、電解質層２２１において面内で固体酸化物の組成を異ならせる際に、面内を３つ以上の領域に分割して、それぞれの領域で、構成する固体酸化物の組成を異ならせることとしても良い。全体として、燃料電池の発電時により低温になり易い領域を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す性質を有する固体酸化物で形成することで、同様の効果が得られる。
第４実施例では、燃料電池の内部温度の分布状態に応じて、電解質層２２１を構成する固体酸化物の組成を面内で異ならせたが、同様にして、カソード電極を構成する固体酸化物の組成を面内で異ならせても良い。例えば、カソード電極において、低温になり易い外周部の領域を第３実施例の変形例の第１カソード電極部１２４ａと同様の固体酸化物で形成し、他の領域、すなわち中心部側の領域を、第２カソード電極部１２４ｂと同様の固体酸化物で形成することができる。このように、発電時により低温になり易い領域を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物によって形成することで、カソード電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
特に、低温になり易い領域と他の領域のいずれにおいても、燃料電池の発電中に、各々の領域で予想される界面水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、各々の領域を構成する固体酸化物を選択することが望ましい。これにより、カソード電極全体において水熱分解の進行を防止可能となる。このとき、電解質層と接する表面を含む限られた領域のみを上記固体酸化物によって形成しても良い。この場合には、他の領域は、燃料電池の発電中に各々の領域で予想される酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるような固体酸化物によって構成すれば良い。また、中心部側の領域を構成する固体酸化物として、外周部の領域を構成する固体酸化物よりも、電極としての触媒活性および電子伝導性が高い固体酸化物を用いるならば、カソード電極全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
Ｆ．第５実施例の燃料電池：
第４実施例では、温度分布状態に基づくカソード分極の分布状態に応じて、電解質層の面内で固体酸化物の組成を異ならせているが、異なる構成とすることもできる。カソード分極の分布状態は、例えば、酸化ガス中の水蒸気圧に基づいて判断することもできる。すなわち、酸化ガス中の水蒸気圧が高いほど、カソード分極は一般に大きくなる。酸化ガス中の水蒸気圧に基づいて電解質層の面内における固体酸化物の組成を異ならせる構成を、第５実施例として以下に説明する。なお、酸化ガス中の水蒸気圧がより高くなるときの他に、酸化ガス中の酸素分圧がより低くなるときにも、カソード分極は一般に大きくなるといえる。ここで、燃料電池の単セル内酸化ガス流路では、酸化ガス中の水蒸気圧が高い領域ほど酸化ガス中の酸素濃度が低くなるため、以下の説明は、水蒸気圧についてのみに着目して説明する。
図８は、第５実施例の燃料電池が備える単セル３２０の構成の概略を現わす断面模式図である。第５実施例の燃料電池は、例えば第１実施例の燃料電池システム１０において、燃料電池１５と同様に用いることができ、第１実施例の燃料電池１５と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。第５実施例の単セル３２０は、単セル２０における電解質層２１に代えて、電解質層３２１を備えている。図８では、単セル３２０において、水素透過性金属層２２と、電解質層３２１と、カソード電極２４とが積層される様子のみを表わしている。
図８に示すように、第５実施例の燃料電池では、各単セル面において一定の方向に酸化ガスが流れるように、単セル内酸化ガス流路２６が形成されている。すなわち、単セル面において一定の方向に酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路２６が形成されるように、セパレータ２９表面の凹凸形状が設けられている。
第５実施例の電解質層３２１は、第１電解質部３２１ａと、第２電解質部３２１ｂとを備えている。第１電解質部３２１ａは、第２電解質部３２１ｂに対して、面内における酸化ガスの流れがより下流側となる領域に設けられている。また、第１電解質部３２１ａは、第２電解質部３２１ｂに比べて、燃料電池が発電する際の温度範囲にわたって、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物によって構成されている。例えば、第１電解質部３２１ａは、第３実施例の第１電解質部１２１ａと同様の固体酸化物によって形成すればよく、第２電解質部３２１ｂは、第３実施例の第２電解質部１２１ｂと同様の固体酸化物によって形成すればよい。
燃料電池が発電する際には、カソード電極において水が生じるため、単セル内酸化ガス流路２６内では、下流側ほど酸化ガス中の水蒸気圧が高くなる。既述したように、酸化ガス中の水蒸気圧が高いほど、カソード分極が大きくなることにより界面水蒸気圧は高くなるが、酸化ガス中の水蒸気圧が高いこと自身によっても、界面水蒸気圧は高くなり（（１）式参照）、固体酸化物が水熱分解しやすくなる。すなわち、界面水蒸気圧が水熱分解水蒸気圧以上となり易くなる。そのため、電解質層３２１において、水蒸気圧が高くなる傾向にある下流側領域を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物によって構成することにより、固体酸化物がより水熱分解し易い環境となる下流側領域においても、電解質層３２１を構成する固体酸化物の水熱分解を抑制することができる。
なお、燃料電池が発電する際の運転条件における単セル内酸化ガス流路２６内の酸化ガス中の水蒸気圧の変動および水蒸気の分布状態を予め予測して、第１電解質部３２１ａおよび第２電解質部３２１ｂを構成する固体酸化物を選択することが望ましい。すなわち、燃料電池の運転状態が変化して酸化ガス中の水蒸気圧が変動しても、第１電解質部３２１ａを設ける領域における界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、第１電解質部３２１ａを構成する固体酸化物を選択することが望ましい。また、酸化ガス中の水蒸気圧が変動しても、第２電解質部３２１ｂを設ける領域における界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、第２電解質部３２１ｂを構成する固体酸化物を選択することが望ましい。これにより、燃料電池の発電を行なう際に、特別な制御を行なうことなく、電解質層３２１全体において水熱分解の進行を防止可能となる。ここで、上記第１電解質部３２１ａおよび第２電解質部３２１ｂにおいて、第３実施例と同様に、カソード電極と接する表面を含む限られた領域のみを、上記条件を満たす固体酸化物によって形成することも可能である。この場合には、上記表面を含む限られた領域以外の領域は、燃料電池において予想される発電の際の運転条件にわたって、それぞれの領域における酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な固体酸化物によって形成すればよい。
また、上記第１電解質部３２１ａと第２電解質部３２１ｂとの面内での配置は、単セル内酸化ガス流路２６の流路形状、すなわち面内を酸化ガスがどのように流れるかに応じて、より下流側の領域に第１電解質部１２１ａが設けられるように適宜変更すればよい。また、既述したように、プロトン伝導性固体酸化物は、所定の温度で示す水熱分解臨界水蒸気圧が高いほどプロトン伝導性が低くなるという性質を示すため、上記構成とすることで、電解質層全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
なお、電解質層３２１において面内で固体酸化物の組成を異ならせる際に、面内を３つ以上の領域に分割して、それぞれの領域で、構成する固体酸化物の組成を異ならせることとしても良い。全体として、酸化ガスの流れの下流側に相当する領域を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す性質を有する固体酸化物で形成することで、同様の効果が得られる。
第５実施例では、単セル面内における酸化ガス中の水蒸気圧の変化に応じて、電解質層３２１を構成する固体酸化物の組成を面内で異ならせたが、同様にして、酸化ガス中の水蒸気圧に応じて、カソード電極を構成する固体酸化物の組成を面内で異ならせても良い。例えば、カソード電極において、酸化ガス流れの下流側に相当する領域を第３実施例の変形例の第１カソード電極部１２４ａと同様の固体酸化物で形成し、他の領域、すなわち酸化ガス流れの上流側に相当する領域を、第２カソード電極部１２４ｂと同様の固体酸化物で形成することができる。このように、水蒸気圧がより高い酸化ガスが流れる領域を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す性質を有する固体酸化物で形成することで、カソード電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
特に、下流側の領域と上流側の領域とのいずれにおいても、燃料電池の発電中に、各々の領域で予想される界面水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、各々の領域を構成する固体酸化物を選択することが望ましい。これにより、カソード電極全体において水熱分解の進行を防止可能となる。このとき、電解質層と接する表面を含む限られた領域のみを上記固体酸化物によって形成しても良い。この場合には、他の領域は、燃料電池の発電中に各々の領域を通過する酸化ガス中の水蒸気圧として予想される水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるような固体酸化物によって構成すれば良い。また、上流側の領域を構成する固体酸化物として、下流側の領域を構成する固体酸化物よりも、電極としての触媒活性および電子伝導性が高い固体酸化物を用いるならば、カソード電極全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
Ｇ．第６実施例の燃料電池スタック：
第４および第５実施例では、電解質層の面内で、固体酸化物の組成を異ならせたが、スタック構造全体に対する位置に応じて、電解質層を構成する固体酸化物の組成を異ならせても良い。このような構成を第６実施例として以下に説明する。
図９は、第６実施例の燃料電池４１５の概略構成を表わす説明図である。燃料電池４１５は、例えば第１実施例の燃料電池システム１０において、燃料電池１５と同様に用いることができ、第１実施例の燃料電池１５に類似する構成を有している。燃料電池４１５は、単セルを積層したスタック構造を有しているが、スタック構造において、積層方向の両端部近傍には、所定数の第１の単セル４２０ａを備えており、他の領域、すなわち、積層方向のより中央部側には、第２の単セル４２０ｂを備えている。
第１の単セル４２０ａおよび第２の単セル４２０ｂは、第１実施例の単セル２０と同様の構成を有しているが、第１の単セル４２０ａと第２の単セル４２０ｂとでは、電解質層を構成する固体酸化物の組成が異なっている。すなわち、第１の単セル４２０ａが備える電解質層は、第２の単セル４２０ｂが備える電解質層に比べて、燃料電池が発電する際の温度範囲にわたって、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す固体酸化物によって構成されている。例えば、第１の単セル４２０ａが備える電解質層は、第３実施例の第１電解質部１２１ａと同様の固体酸化物によって形成すればよく、第２の単セル４２０ｂが備える電解質層は、第３実施例の第２電解質部１２１ｂと同様の固体酸化物によって形成すればよい。
燃料電池が発電する際には、一般に、スタック構造の積層方向端部の近傍ほど、スタック構造からの放熱が多くなり、温度が低くなり易い。既述したように、温度が低いほど、カソード分極が大きくなることにより界面水蒸気圧は高くなるが、温度が低いときには、さらに固体酸化物における水熱分解臨界水蒸気圧が低くなるため、固体酸化物は水熱分解しやすくなる。すなわち、界面水蒸気圧が水熱分解水蒸気圧以上となり易くなる。そのため、スタック構造において、温度が低下しやすい積層方向端部近傍を、水熱分解臨界水蒸気圧がより高い固体酸化物によって構成される電解質を備える単セルで構成することで、発電時に水熱分解が起きやすい低温状態となるスタック端部において、電解質の水熱分解を抑制することができる。
なお、燃料電池内の温度分布に関わる条件、例えば、予想される負荷要求やスタック構造における熱容量あるいは燃料電池の設置場所を考慮して、第１の単セル４２０ａおよび第２の単セル４２０ｂが備える電解質層を構成する固体酸化物を選択することが望ましい。このような温度分布状態に関わる影響を考慮したうえで、燃料電池が発電する際の運転条件下において、第１の単セル４２０ａ内における界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、第１の単セル４２０ａが備える電解質層を構成する固体酸化物を選択することが望ましい。また、燃料電池が発電する際の運転条件下において、第２の単セル４２０ｂ内における界面水蒸気圧Ｐinf（Ｈ2Ｏ）よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、第２の単セル４２０ｂが備える電解質層を構成する固体酸化物を選択することが望ましい。これにより、燃料電池の発電を行なう際に、特別な制御を行なうことなく、スタック構造全体において、電解質層の水熱分解の進行を防止可能となる。ここで、上記第１の単セル４２０ａが備える電解質層および第２の単セル４２０ｂが備える電解質層において、第３実施例と同様に、カソード電極と接する表面を含む限られた領域のみを、上記条件を満たす固体酸化物によって形成することも可能である。この場合には、上記表面を含む限られた領域以外の領域は、燃料電池において予想される発電の際の運転条件にわたって、各単セル内を通過する酸化ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な固体酸化物によって形成すればよい。
また、スタック端部に配設する第１の単セル４２０ａの数は、スタックからの放熱に関わる諸条件、例えば、燃料電池の運転温度や燃料電池が設置される環境、あるいはスタック構造全体の熱容量に応じて、適宜設定すればよい。また、既述したように、プロトン伝導性固体酸化物は、所定の温度で示す水熱分解臨界水蒸気圧が高いほどプロトン伝導性が低くなるという性質を示すため、上記構成とすることで、スタック構造全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
なお、第６実施例では、スタック構造を構成する単セルとして、第１の単セル４２０ａと第２の単セル４２０ｂとの２種類を用いたが、電解質層を構成する固体酸化物の組成が異なる３種類以上の単セルを用いても良い。スタック全体として、燃料電池の発電時により低温になりやすい領域に、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す性質の固体酸化物を備えた単セルを配設することで、同様の効果が得られる。
第６実施例では、スタック全体の温度分布状態に応じて、スタック全体に対する位置に応じて、電解質層２２１を構成する固体酸化物の組成を異ならせたが、同様にして、カソード電極を構成する固体酸化物の組成を異ならせても良い。例えば、積層方向の両端部近傍に設けた単セルが備えるカソード電極は、第３実施例の変形例の第１カソード電極部１２４ａと同様の固体酸化物で形成し、積層方向のより中央部側に設けた単セルが備えるカソード電極は、第２カソード電極部１２４ｂと同様の固体酸化物で形成することができる。このように、発電時により低温になる領域に設ける単セルが備えるカソード電極を、より高い水熱分解臨界水蒸気圧を示す性質を有する固体酸化物で形成することで、スタック全体として、カソード電極における水熱分解の進行を抑制することができる。
特に、燃料電池の発電中に、低温になり易い単セル内と、より高温になり易い単セルのいずれにおいても、それぞれの単セルで予想される界面水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるように、カソード電極を構成する固体酸化物を選択することが望ましい。これにより、スタック構造全体において、カソード電極の水熱分解の進行を防止可能となる。このとき、電解質層と接する表面を含む限られた領域のみを上記固体酸化物によって形成してもよい。この場合には、他の領域は、燃料電池の発電中に各単セル内を通過する酸化ガス中の水蒸気圧として予想される水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能となるような固体酸化物によって構成すれば良い。また、積層方向のより中央部側に設けた単セルが備えるカソード電極を構成する固体酸化物として、電極としての触媒活性および電子伝導性がより高い固体酸化物を用いるならば、スタック全体として、水熱分解進行の抑制と、電池性能の維持の両立が可能となる。
Ｈ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例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。
第１ないし第６実施例の燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体酸化物から成る電解質層および水素透過性金属層を有する燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に本発明を適用することも可能である。例えば、固体酸化物型燃料電池であって、プロトン伝導性を有する固体酸化物を電解質層として用いると共に、水素分離膜を有しない燃料電池を用いても良い。ここで、水素透過性金属層を備える燃料電池は、既述したように、電解質層の薄型化が可能となることで、より低い温度で運転可能となる。このように運転温度がより低い燃料電池は極めて有用であるが、運転温度を低くすることで、水熱分解臨界水蒸気圧がより低くなるため、水熱分解がより起こりやすくなる。したがって、水素透過性金属層を備える燃料電池は、本願発明による効果を特に顕著に得ることができるが、水素透過性金属層を有しない燃料電池であっても、本願発明を適用することで、同様の効果を得ることができる。
また、プロトン伝導性固体酸化物によって電解質層を構成する場合に、ペロブスカイト型以外のプロトン伝導性固体酸化物、例えばパイロクロアやスピネル型の固体酸化物を用いても良い。この場合にも、それぞれの固体酸化物が示す水熱分解臨界水蒸気圧を考慮して制御を行なうことで、あるいは固体酸化物の組成の選択を行なうことで、同様の効果が得られる。
あるいは、電解質層を、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物によって形成した固体酸化物型燃料電池において、本願発明を適用しても良い。この場合には、アノード側で水が生じる。したがって、例えば第１実施例のステップＳ１４０において（１）式に基づいて界面水蒸気圧を算出する際には、カソード分極に代えてアノード分極を用いればよい。さらに、（１）式に基づいて界面水蒸気圧を算出する際には、酸化ガス中の水蒸気圧に代えて、燃料ガス中の水蒸気圧を用いればよい。
また、第１実施例で制御を行なう際、あるいは、第３実施例で電解質層を構成する固体酸化物の組成を選択する際に用いる界面水蒸気圧を、（１）式とは異なる近似の方法、あるいは他の推定方法により求めることとしても良い。ガス中の水蒸気圧とは異なる水蒸気圧に晒される状態と同視できる電解質層と電極との界面の状態を、良く反映する近似方法や推定方法を用いて、同様の制御を行なうことで、あるいは固体酸化物の組成を選択することで、同様の効果を得ることができる。
第１実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。 実施例の単セルの概略構成を示す断面模式図である。 水熱分解判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。 負荷増大予想処理ルーチンを表わすフローチャートである。 第３実施例の単セルの概略構成を現わす断面模式図である。 第３実施例の変形例の単セルの概略構成を現わす断面模式図である。 第４実施例の燃料電池を構成する電解質層の構成を表わす平面図である。 第５実施例の単セルの概略構成を現わす断面模式図である。 第６実施例の燃料電池の概略構成を表わす説明図である 固体酸化物の水熱分解臨界水蒸気圧を示す説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池システム
１５，４１５…燃料電池
１６…負荷
１７…温度センサ
１８…電流センサ
１９…電圧センサ
２０，１２０，３２０…単セル
２１，１２１，２２１，３２１…電解質層
２２…水素透過性金属層
２４，１２４…カソード電極
２５…単セル内燃料ガス流路
２６…単セル内酸化ガス流路
２８，２９…ガスセパレータ
３０…燃料ガス供給部
３２…燃料ガス供給源
３４…燃料ガス用配管
４０…酸化ガス供給部
４２…ブロワ
４４…酸化ガス用配管
５０…制御部
５５…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５７…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０…冷却部
６２…スタック内冷媒路
６３…冷媒流路
６４…ブロワ
１２１ａ，２２１ａ，３２１ａ…第１電解質部
１２１ｂ，２２１ｂ，３２１ｂ…第２電解質部
１２４ａ…第１カソード電極部
１２４ｂ…第２カソード電極部
４２０ａ…第１の単セル
４２０ｂ…第２の単セル

Claims (35)

  1. 燃料電池システムであって、
    電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極とを有する燃料電池と、
    前記燃料電池の内部温度を取得する温度取得部と、
    前記取得された温度における前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を取得する臨界水蒸気圧取得部と、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更するシステム制御部と
    を備える燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
    前記燃料電池の内部温度を取得する温度取得部と、
    前記取得された内部温度における前記水熱分解臨界水蒸気圧を取得する臨界水蒸気圧取得部と、
    前記界面水蒸気圧を導出する界面水蒸気圧導出部とを備える燃料電池システム。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
    前記電解質層が水熱分解されない水蒸気圧として、前記取得された水熱分解臨界水蒸気圧よりも低い許容水蒸気圧を設定する許容水蒸気圧設定部を備え、
    前記システム制御部は、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧以上であるときには、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更する
    燃料電池システム。
  4. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の内部温度を取得する温度取得部と、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極を構成する材料の、前記取得された温度における水熱分解臨界水蒸気圧を取得する臨界水蒸気圧取得部と、
    前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧を導出する界面水蒸気圧導出部と、
    前記燃料電池が所望の電力を発電するように前記燃料電池システムを制御すると共に、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更するシステム制御部と
    を備える燃料電池システム。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
    前記第１の電極が水熱分解されない水蒸気圧として、前記取得された水熱分解臨界水蒸気圧よりも低い許容水蒸気圧を設定する許容水蒸気圧設定部を備え、
    前記システム制御部は、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧以上であるときには、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更する
    燃料電池システム。
  6. 請求項２ないし５いずれか記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
    前記第１の電極上を流れるガスにおける水蒸気分圧である気相水蒸気分圧を導出する気相水蒸気分圧導出部と、
    前記第１の電極における電極分極を導出する電極分極導出部と
    を備え、
    前記界面水蒸気圧導出部は、前記気相水蒸気分圧と、前記電極分極と、前記燃料電池の内部温度とに基づいて、前記界面水蒸気圧を導出する
    燃料電池システム。
  7. 請求項２ないし６いずれか記載の燃料電池システムにおいて、
    前記システム制御部は、前記界面水蒸気圧が低下するように、前記燃料電池システムの制御を変更する
    燃料電池システム。
  8. 請求項２ないし７いずれか記載の燃料電池システムにおいて、
    前記システム制御部は、前記水熱分解臨界水蒸気圧が上昇するように、前記燃料電池システムの制御を変更する
    燃料電池システム。
  9. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    （ａ）前記燃料電池の内部温度を取得する第１の工程と、
    （ｂ）前記取得された温度における前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧を取得する第２の工程と、
    （ｃ）前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧を導出する第３の工程と、
    （ｄ）前記燃料電池が所望の電力を発電するように前記燃料電池システムを制御する際に、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更する第４の工程と
    を備える燃料電池システムの運転方法。
  10. 請求項９記載の燃料電池システムの運転方法であって、さらに、
    （ｅ）前記電解質層が水熱分解されない水蒸気圧として、前記取得された水熱分解臨界水蒸気圧よりも低い許容水蒸気圧を設定する第５の工程を備え、
    前記第４の工程は、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧以上であるときには、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更する
    燃料電池システムの運転方法。
  11. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    （ａ）前記燃料電池の内部温度を取得する第１の工程と、
    （ｂ）前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極を構成する材料の、前記取得された温度における水熱分解臨界水蒸気圧を取得する第２の工程と、
    （ｃ）前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な領域における現在の燃料電池の運転条件下での状態を表わす値であって、水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧を導出する第３の工程と、
    （ｄ）前記燃料電池が所望の電力を発電するように前記燃料電池システムを制御する際に、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を超えた場合、あるいは、超えることが予測される場合には、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更する第４の工程と
    を備える燃料電池システムの運転方法。
  12. 請求項１１記載の燃料電池システムの運転方法であって、さらに、
    （ｅ）前記第１の電極が水熱分解されない水蒸気圧として、前記取得された水熱分解臨界水蒸気圧よりも低い許容水蒸気圧を設定する第５の工程を備え、
    前記第４の工程は、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧以上であるときには、前記界面水蒸気圧が前記許容水蒸気圧を下回るように、前記燃料電池システムの制御を変更する
    燃料電池システムの運転方法。
  13. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧以上になるか否かを予測する水熱分解予測部と、
    前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部と、
    前記水熱分解予測部によって、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測されたときには、前記燃料電池の内部温度が上昇するように、前記温度調節部を制御する温度制御部と
    を備える燃料電池システム。
  14. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記第１の電極を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧以上になるか否かを予測する水熱分解予測部と、
    前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部と、
    前記水熱分解予測部によって、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測されたときには、前記燃料電池の内部温度が上昇するように、前記温度調節部を制御する温度制御部と
    を備える燃料電池システム。
  15. 請求項１３または１４記載の燃料電池システムであって、
    前記水熱分解予測部は、負荷要求が増大すると予測されるときに、前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測する
    燃料電池システム。
  16. 電解質層と該電解質層の両側に配設された触媒電極とを有する燃料電池と、前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    （ａ）前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記電解質層を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧以上になるか否かを予測する第１の工程と、
    （ｂ）前記第１の工程で前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測したときには、前記燃料電池の内部温度が上昇するように、前記温度調節部を制御する第２の工程と
    を備える燃料電池システムの運転方法。
  17. 電解質層と該電解質層の両側に配設された触媒電極とを有する燃料電池と、前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    （ａ）前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる側の第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧が、前記第１の電極を構成する材料の水熱分解臨界水蒸気圧以上になるか否かを予測する第１の工程と、
    （ｂ）前記第１の工程で前記界面水蒸気圧が前記水熱分解臨界水蒸気圧以上になると予測したときには、前記燃料電池の内部温度が上昇するように、前記温度調節部を制御する第２の工程と
    を備える燃料電池システムの運転方法。
  18. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
    前記電解質層は、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極と接する表面を含む層を構成する第１の電解質部と、前記層以外の部分である他の層を構成する第２の電解質部と、を備え、
    前記第１の電解質部を構成する材料は、前記第２の電解質部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料である
    燃料電池。
  19. 請求項１８記載の燃料電池において、
    前記第１の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
    前記第２の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極側に供給される前記反応ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料である
    燃料電池。
  20. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
    前記電解質層は、面内において、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域に対応する第１の電解質部と、前記分極抵抗がより小さくなる領域に対応する第２の電解質部と、を備え、
    前記第１の電解質部を構成する材料は、前記第２の電解質部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料である
    燃料電池。
  21. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える単セルを複数積層することによって構成される燃料電池であって、
    前記燃料電池において、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域に配設される前記単セルは、前記電解質層として第１の電解質部を備えると共に、前記分極抵抗がより小さくなる領域に配設される前記単セルは、前記電解質層として、前記第１の電解質部とは異なる材料から成る第２の電解質部を備え、
    前記第１の電解質部を構成する材料は、前記第２の電解質部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料である
    燃料電池。
  22. 請求項２０または２１記載の燃料電池であって、
    前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的低温になる領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的高温になる領域である
    燃料電池。
  23. 請求項２０記載の燃料電池であって、さらに、
    前記触媒電極上に設けられて電極活物質を含有する反応ガスが流れる反応ガス流路を備え、
    前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的高い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的低い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域である
    燃料電池。
  24. 請求項２０ないし２３いずれか記載の燃料電池において、
    前記第１の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記第１の電解質部との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第１の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
    前記第２の電解質部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記第２の電解質部との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第２の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料である
    燃料電池。
  25. 請求項１８ないし２４いずれか記載の燃料電池において、
    前記第２の電解質部を構成する材料は、前記第１の電解質部を構成する材料よりも、導電種であるイオンの伝導率が高い材料である
    燃料電池。
  26. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極は、前記電解質層と接する表面を含む層を構成する第１の電極部と、前記層以外の部分である他の層を構成する第２の電極部と、を備え、
    前記第１の電極部を構成する材料は、前記第２の電極部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料である
    燃料電池。
  27. 請求項２６記載の燃料電池において、
    前記第１の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
    前記第２の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極側に供給される前記反応ガス中の水蒸気圧よりも高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料である
    燃料電池。
  28. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極は、面内において、前記第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域を構成する第１の電極部と、前記分極抵抗がより小さくなる領域を構成する第２の電極部と、を備え、
    前記第１の電極部を構成する材料は、前記第２の電極部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料である
    燃料電池。
  29. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える単セルを複数積層することによって構成される燃料電池であって、
    前記燃料電池において、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極における分極抵抗がより大きくなる領域に配設される前記単セルは、前記第１の電極として第１の電極部を備えると共に、前記分極抵抗がより小さくなる領域に配設される前記単セルは、前記第１の電極として、前記第１の電極部とは異なる材料から成る第２の電極部を備え、
    前記第１の電極部を構成する材料は、前記第２の電極部を構成する材料に比べて、前記燃料電池が発電する際の温度条件下において、水熱分解臨界水蒸気圧がより高くなる材料である
    燃料電池。
  30. 請求項２８または２９記載の燃料電池であって、
    前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的低温になる領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に比較的高温になる領域である
    燃料電池。
  31. 請求項２８記載の燃料電池であって、さらに、
    前記触媒電極上に設けられて電極活物質を含有する反応ガスが流れる反応ガス流路を備え、
    前記分極抵抗がより大きくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的高い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域であり、前記分極抵抗がより小さくなる領域は、前記燃料電池の発電時に前記反応ガス流路において水蒸気圧が比較的低い前記反応ガスが流れる領域に対応する領域である
    燃料電池。
  32. 請求項２８ないし３１いずれか記載の燃料電池において、
    前記第１の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極部と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第１の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料であり、
    前記第２の電極部を構成する材料は、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第２の電極部と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした第２の界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料である
    燃料電池。
  33. 請求項２６ないし３２いずれか記載の燃料電池において、
    前記第２の電極部を構成する材料は、前記第１の電極部を構成する材料よりも、電極としての触媒活性および電子伝導性が高い材料である
    燃料電池。
  34. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
    前記電解質層として、前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極と接する表面を少なくとも含む領域が、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質層との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料によって形成される電解質層を備える
    燃料電池。
  35. 電解質層と、該電解質層の両側に配設された触媒電極と、を備える燃料電池であって、
    前記触媒電極のうち発電に伴って生成水が生じる第１の電極として、前記電解質層と接する表面を少なくとも含む領域が、前記燃料電池が発電する際の運転条件下において、前記第１の電極と前記電解質との界面近傍の局所的な状態を表わす値であって水熱分解に影響する程度を水蒸気圧で表わした界面水蒸気圧よりも、高い水熱分解臨界水蒸気圧を維持可能な材料によって形成される電極を備える
    燃料電池。
JP2005223866A 2005-08-02 2005-08-02 燃料電池システムとその運転方法 Expired - Fee Related JP4910326B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005223866A JP4910326B2 (ja) 2005-08-02 2005-08-02 燃料電池システムとその運転方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005223866A JP4910326B2 (ja) 2005-08-02 2005-08-02 燃料電池システムとその運転方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007042363A true JP2007042363A (ja) 2007-02-15
JP4910326B2 JP4910326B2 (ja) 2012-04-04

Family

ID=37800163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005223866A Expired - Fee Related JP4910326B2 (ja) 2005-08-02 2005-08-02 燃料電池システムとその運転方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4910326B2 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099310A (ja) * 2007-10-15 2009-05-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2016095964A (ja) * 2014-11-13 2016-05-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の制御方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62115671A (ja) * 1985-11-15 1987-05-27 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
JPH05144451A (ja) * 1991-11-20 1993-06-11 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池の反応ガス・冷却媒体通流構造
JP2002063914A (ja) * 2000-03-13 2002-02-28 Toyota Motor Corp 燃料電池用ガスセパレータおよび該燃料電池用セパレータの製造方法並びに燃料電池
JP2002216820A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Eco Design Kk 超臨界水酸化反応による燃料電池

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62115671A (ja) * 1985-11-15 1987-05-27 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
JPH05144451A (ja) * 1991-11-20 1993-06-11 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池の反応ガス・冷却媒体通流構造
JP2002063914A (ja) * 2000-03-13 2002-02-28 Toyota Motor Corp 燃料電池用ガスセパレータおよび該燃料電池用セパレータの製造方法並びに燃料電池
JP2002216820A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Eco Design Kk 超臨界水酸化反応による燃料電池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009099310A (ja) * 2007-10-15 2009-05-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2016095964A (ja) * 2014-11-13 2016-05-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の制御方法
US10158136B2 (en) 2014-11-13 2018-12-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and fuel cell control method

Also Published As

Publication number Publication date
JP4910326B2 (ja) 2012-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. The reactant starvation of the proton exchange membrane fuel cells for vehicular applications: A review
US8492037B2 (en) Fuel cell system having wet-state determination
CN107078323B (zh) 燃料电池的状态判定装置及方法
US9444115B2 (en) Fuel cell system with calculation of liquid water volume
EP2052429A2 (en) Fuel cell system
JP4967381B2 (ja) 燃料電池システム、燃料電池の湿潤度合計測方法、燃料電池のパージ制御方法
JP6857846B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
CN112519636A (zh) 燃料电池车辆的驾驶控制设备及驾驶控制方法
US20150280255A1 (en) Fuel cell system and water content control method of fuel cell
Bosio et al. Multiscale modelling potentialities for solid oxide fuel cell performance and degradation analysis
JP4362266B2 (ja) 燃料ガスの供給不足検出方法および燃料電池の制御方法
JP4910326B2 (ja) 燃料電池システムとその運転方法
WO2011021101A1 (en) Fuel cell system and operating method for fuel cell system
JP2007280892A (ja) 燃料電池システム
KR101639170B1 (ko) 연료 전지의 제조 방법
JP2015220211A (ja) 燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法
KR101335879B1 (ko) 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 및 연료 전지의 상태 검출 방법
JP2010040283A (ja) 燃料電池システム、燃料電池含水量測定方法及び燃料電池
JP5233589B2 (ja) 燃料電池運転制御方法及び燃料電池システム
JP2009259481A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法
JP2010205483A (ja) 燃料電池システム、および、燃料電池の過熱状態検出方法
WO2011086471A1 (en) Fuel reforming system and control method of fuel reforming system
JP5329291B2 (ja) 燃料電池モジュールの制御プログラム
JP2010257751A (ja) 燃料電池システムの制御方法
JP2008159379A (ja) 反応ガスの欠乏状態の有無の判定

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080520

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110726

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110916

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111220

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120102

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150127

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees