JP2007134167A

JP2007134167A - 燃料電池、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、プログラム、および記録媒体

Info

Publication number: JP2007134167A
Application number: JP2005326063A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kasahara; 英男笠原; Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口; Kiichi Shibata; 礎一柴田; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Kazuhito Hado; 一仁羽藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】従来の積層型燃料電池においては、生産コストの増大、機械的強度の低下、配線の短絡などの弊害が発生してしまうことがあった。
【解決手段】交互に積層された複数の電極膜接合体１５と複数のセパレータ１、１′とを備えた燃料電池１０７であって、電圧計測線１９を取り付けるための穴１０が、前記複数の電極膜接合体１５と交互に積層された前記複数のセパレータ１、１′のうちの、一部のセパレータ１に対してのみ設けられている、燃料電池１０７である。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池などの積層型燃料電池における、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、プログラム、および記録媒体に関するものである。

従来の高分子電解質形燃料電池などの積層型燃料電池においては、セルの電圧を測定するために、全セルのセパレータに端子を設置し、電圧計測するという方法が一般に採られている（たとえば、特許文献１参照）。

ここで、従来の積層型燃料電池が備えるセパレータ１の斜視図である図４、および従来の燃料電池の構成図である図５を参照しながら、従来の積層型燃料電池の構成および動作について説明する。

従来の積層型燃料電池は、セパレータ１と、燃料電極と酸化剤電極とで電解質膜を挟持して接合一体化された単セルとしての電極膜接合体１５とを交互に所定枚数重ね合わせた積層体であって、積層体の積層方向の両端に端板１６を配し、さらに締め付けボルト（図示せず）を各ボルト挿入孔１３に挿通させ、該締め付けボルトを用いて端板１６と積層体とを締着一体化して作製されている。

このように作製された積層型燃料電池においては、酸化剤ガス入口マニホールド４、酸化剤ガス出口マニホールド５、燃料ガス入口マニホールド６、燃料ガス出口マニホールド７、冷却水入口マニホールド８、および冷却水出口マニホールド９が互いに独立して積層方向に連なっている。

そして、酸化剤ガス流路溝１１が電極膜接合体１５の酸化剤電極に相対し、酸化剤ガス流路溝１１の裏側にある燃料ガス流路溝（図示せず）が電極膜接合体１５の燃料電極に相対している。

また、集電電極１７、１８が、積層体の積層方向の両端に配設されている。

そして、電圧計測線１９が、各セパレータ１に取り付けられている。

電圧計測線１９は、その先端部を穴１０に差し込み、カーボンの粉と接着剤を混合したカーボン製ペーストや樹脂系の接着剤を穴１０や電圧計測線１９の先端部の根本に流し込み、接着剤１４を乾燥することで、セパレータ１に固定されている。

このように構成された積層型燃料電池においては、酸化剤ガスが酸化剤ガス入口マニホールド４から酸化剤ガス流路溝１１に流されて電極膜接合体１５の酸化剤電極に供給され、燃料ガスが燃料ガス入口マニホールド６から燃料ガス流路溝（図示せず）に流されて電極膜接合体１５の燃料電極に供給される。

酸化剤ガスおよび燃料ガスは、それぞれ、酸化剤ガス出口マニホールド５および燃料ガス出口マニホールド７から排出される。

これにより、電気化学反応が酸化剤電極および燃料電極で進行し、発電が行われる。

そして、直流電力が、集電電極１７、１８から取り出される。

同時に、冷却水が、冷却水入口マニホールド８から冷却水流路溝に流され、冷却水出口マニホールド９から排出される。

これにより、燃料電池の温度上昇が、抑えられる。

また、セルの異常を検知するために、各セルの電圧が、各セパレータ１に取り付けられている電圧計測線１９を用いてモニターされる。

なお、セル電圧モニタのハウジングのサイズが一種類で済むように、ハウジングの端子保持数を決定しておき、複数のセル電圧モニタを一体にしてスタックに装着するという方法が採られることがある（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００２−３５８９９３号公報特開２００４−７９１９５号公報

しかしながら、このような従来の燃料電池においては、低コスト化のために金型で製作されるモールドタイプのセパレータが利用されることが多くなってきているが、セパレータ側面の穴成形が困難であり、電圧計測線の取付用の穴を後加工で作製する必要があり、低コスト化の障害となっていた。

また、薄いセパレータの側面に穴をあけることは、セパレータの機械的な強度を弱めることにつながり、セパレータが積層型燃料電池の運転中に温度上昇が原因で割れる恐れがあった。

なお、積層型燃料電池のコンパクト化を図るために、３ｍｍを下回るような薄いセパレータが用いられるようになると、電圧計測線取付用の穴をセパレータの側面に設けること自体が必ずしも容易ではない。

また、セパレータ１が薄くなると、電圧計測線取付用の穴１０にかかる機械的な力を分散させる必要がある。

そこで、図５に示されるように、穴１０の位置が図面上左右で互い違いとなるようにセパレータ１を配置し、機械的な応力を分散させ、セパレータ１の損傷事故の発生を抑制している。

これは、隣接する電圧計測線１９の先端部分が接触して短絡するのを抑制する作用も有する。

しかし、積層数が増えるに従って、電圧計測線１９の数も増え、電圧計測ターミナルまでの配線が煩雑になる。

結局のところ、積層型燃料電池からとりだされた大量の電圧計測線１９は、積層型燃料電池のコンパクト性を失わせる原因になる。

また、特に燃料電池自動車の電源や可搬型電源として用いられる積層型燃料電池においては、頻繁な振動などの影響を受けて、電圧計測線１９が途中で混線し、セルが短絡する恐れや、電圧計測線１９が引っ張られて電圧計測線１９とセパレータ１との接続部の一部が外れ、セル電圧異常を検知するなどの誤動作が発生する恐れがあった。

また、多くの電圧計測線１９を結線する電圧計測ターミナルや、それぞれの電圧を測定する測定手段が必要になり、高価なデータロガーなどを用いてセル電圧を計測する必要があった。

つまり、従来の積層型燃料電池においては、電圧計測線１９を取り付ける穴１０が多数設けられているために、セパレータ１が割れてしまったり、電圧計測線１９の数が多くなって煩雑になったり、多数の電圧計測ターミナルが必要になったりすることがあった。

このように、従来の積層型燃料電池においては、生産コストの増大、機械的強度の低下、配線の短絡などの弊害が発生してしまうという課題があった。

本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、生産コストの増大、機械的強度の低下、配線の短絡などの弊害を抑制することができる燃料電池、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、プログラム、および記録媒体を提供することを目的とする。

第１の本発明は、交互に積層された複数の電極膜接合体と複数のセパレータとを備えた燃料電池であって、
電圧計測線を取り付けるための穴が、前記複数の電極膜接合体と交互に積層された前記複数のセパレータのうちの、一部のセパレータに対してのみ設けられている、燃料電池である。

第２の本発明は、前記穴は、前記複数の電極膜接合体と交互に積層された前記複数のセパレータのうちの、所定の個数ごとのセパレータに対してのみ設けられている第１の本発明の、燃料電池である。

第３の本発明は、前記所定の個数は、前記所定の個数と前記電極膜接合体に対応するセルの電池電圧の標準偏差との積が、前記セルの電池電圧の平均値からのあらかじめ定められた降下電圧の許容値を実質的に超えないように決められている第２の本発明の、燃料電池である。

第４の本発明は、前記セルの電池電圧の標準偏差は、実質的に６０ｍＶであり、
前記セルの電池電圧の平均値は、実質的に７６０ｍＶであり、
前記降下電圧の許容値は、実質的に５６０ｍＶ以下であり、
前記所定の個数は、実質的に１０個未満である第３の本発明の、燃料電池である。

第５の本発明は、前記セルの電池電圧の標準偏差は、実質的に１０ｍＶ以上２０ｍＶ以下であり、
前記セルの電池電圧の平均値は、実質的に６５０ｍＶ以上８００ｍＶ以下であり、
前記所定の個数は、実質的に７個以下である第２の本発明の、燃料電池である。

第６の本発明は、第１の本発明の燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスを改質によって生成する水素生成装置と、
前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給手段と、
前記燃料電池に供給される負荷電流を調節する負荷電流調節手段と、
前記取り付けられる電圧計測線を利用して計測された電圧に基づいて、（１）前記酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）前記燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および／または前記燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）前記冷却水の量、（４）前記負荷電流の電流密度のうちの少なくとも一つを制御する制御手段とを備えた、燃料電池システムである。

第７の本発明は、第１の本発明の燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿ステップと、
前記燃料電池に供給される燃料ガスを改質によって生成する水素生成ステップと、
前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給ステップと、
前記燃料電池に供給される負荷電流を調節する負荷電流調節ステップと、
前記取り付けられる電圧計測線を利用して計測された電圧に基づいて、（１）前記酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）前記燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および／または前記燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）前記冷却水の量、（４）前記負荷電流の電流密度のうちの少なくとも一つを制御する制御ステップとを備えた、燃料電池の運転方法である。

第８の本発明は、第７の本発明の燃料電池の運転方法の、前記取り付けられる電圧計測線を利用して計測された電圧に基づいて、（１）前記酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）前記燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および／または前記燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）前記冷却水の量、（４）前記負荷電流の電流密度のうちの少なくとも一つを制御する制御ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。

第９の本発明は、第８の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体である。

本発明は、生産コストの増大、機械的強度の低下、配線の短絡などの弊害を抑制することができるという長所を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
はじめに、本発明における実施の形態１の燃料電池発電システムの模式図である図１、および本発明における実施の形態１の燃料電池発電システムのブロック図である図２を参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電システムの構成および動作について説明を行う。

なお、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作について説明しながら、本発明の燃料電池の運転方法の一実施の形態についても説明する。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料電池１０７と、燃料電池１０７に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器１０１と、燃料電池１０７に供給される燃料ガスを改質によって生成する水素生成装置１０５と、燃料電池１０７に冷却水を供給する冷却水供給手段１０９と、燃料電池１０７に供給される負荷電流を調節する負荷電流調節手段１１０と、電圧計測線１９を利用して計測された電圧に基づいて、（１）酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）冷却水の量、（４）負荷電流の電流密度を制御する制御手段１１１とを備えている。

水素生成装置１０５は、ポンプ１０６によって供給される水を添加して都市ガスを改質し、水素を含むガスを作って、燃料ガスとして燃料電池１０７のアノードに供給する装置である。

なお、水素生成装置１０５は、改質器、バーナー、一酸化炭素除去器などから構成され、都市ガス中のメタンと水とを反応させて、主に水素と二酸化炭素からなる改質ガスを作り出す装置である。

加湿器１０１は、ブロア１０２によってフィルター１０３で濾過された上で供給される空気を、ポンプ１０４によって供給される水で加湿してカソードに供給する装置である。

燃料電池１０７は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された空気とを利用して発電する装置である。

インバータ１０８は、発電によって生成されたＤＣをＡＣに変換して電力を外部に供給する装置である。

本実施の形態の燃料電池発電システムは、通常運転時には、燃料電池１０７のスタックの電圧を検知しながら、燃料ガス及び／または酸化剤ガスに対する加湿量、冷却水供給手段１０９が燃料電池１０７に供給する冷却水の量、水素生成装置１０５の改質器の温度、および負荷電流調節手段１１０が調節する負荷電流の電流密度を制御しながら運転を行う。

ここで、本発明における実施の形態１の燃料電池１０７の構成図である図３を参照しながら、本実施の形態の燃料電池１０７の構成および動作について説明を行う。

燃料電池１０７は、交互に積層された複数の電極膜接合体１５と複数のセパレータ１、１′とを備えている。そして、電圧計測線１９を取り付けるための穴１０が、複数の電極膜接合体１５と交互に積層された複数のセパレータ１、１′のうちの、２個ごとのセパレータ１に対してのみ設けられている。

セルを保護するために、下限電圧を設定し、燃料電池１０７を運転している。

運転中にセル電圧が下限電圧に達した場合、各セルで電圧を計測していれば検出精度は高いが、電圧端子数や接続ケーブルが増えてスタックが嵩張る。

本実施の形態においては、電圧端子を２セル毎に設置することで、スタックが嵩張らず、ロガー制御の簡素化ができる上に、生産時のコストダウンを図ることが出来る。

以上においては、本実施の形態の燃料電池発電システムの構成および動作について説明を行ったが、以下では、本発明の原理について詳しく説明を行う。

はじめに、予備的な実験として、５０セルに積層したスタックの燃料電池を、燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置で改質した改質ガス（水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍ、露点６５℃）を供給し、酸素極側には露点が７０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２で運転した。

５０セル中の個々の電池に関して、セルの電池電圧の平均値は７６０ｍＶであり、セルの電池電圧の標準偏差を利用して算出したバラツキは６０ｍＶであった。

これをつぎの表に示す。

電圧端子を２０セル毎、１０セル毎、８セル毎、６セル毎、５セル毎、４セル毎、２セル毎に設置した場合についてそれぞれ考察する。

これをつぎの表に示す。

電圧端子をそれぞれのセル間隔に設置したスタックのスタック電圧は、スタック平均電圧に電圧端子を設置したスタック内のセル数を乗じた値で推定することができる。

また、このようにして推定されたスタック電圧に、バラツキ６０ｍＶにスタック内のセル数を乗じた値を加減することで、電圧端子を設置したスタックの、バラツキによって変動するスタック間の電池電圧を推定することができる。

このとき、下限電圧２００ｍＶに達したセルを、設定した端子内に１セル含んでいた場合の電圧値が、先ほど求めたバラツキ範囲に収まってしまうと、下限電圧セルが含まれていると判断することに妥当性がなくなる。

具体的には、下限電圧セルの存在は、１０セル毎では検出できる可能性が低く、１０セル毎未満では検出できる可能性が高い。

要するに、そのような個数は、その個数と電極膜接合体に対応するセルの電池電圧の標準偏差との積が、セルの電池電圧の平均値からのあらかじめ定められた降下電圧の許容値を実質的に超えないように決められていればよい。

なお、セルの正極と負極とが逆転する現象である転極も考慮すると、電圧端子を４セル毎以下にするのが望ましい。下限電圧セルにおいては転極が起こっている可能性が高く、転極が起こっている時には、電極を構成しているイオン交換膜のピンホールが起こり、セル抵抗は通常の５倍を超えてしまう可能性があるためである。

より具体的には、アノード触媒中のルテニウムは、転極が起こってアノード電位が標準水素電極電位に対してある程度高くなると、イオン交換膜中の水と反応して酸化ルテニウムを生成し、金属ルテニウムとして溶出する。すると、アノード触媒は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素などに被毒され、発電機能を十分に発揮できなくなる。

以下で説明する、電池電圧の標準偏差が小さい場合に即して述べると、最小電圧から電圧が順に大きくなるようにセルが並んでいる場合と、電圧が平均的になるようにセルが並んでいる場合とを比較すると、電圧が３５０ｍＶに到達しているセルが並んでおり、このようなセルを含んだ状態で電圧端子を設置するとして、両者の電圧端子間の電圧の差分値が下限電圧３５０ｍＶよりも大きくなってしまった際に、電圧が３５０ｍＶに到達しているセルが検出できなくなる可能性が高い。

なお、電圧が下限値に到達寸前のセルが一つある場合のＭＥＡ抵抗は、正常なセルの抵抗を１．０ｍΩ程度とすると、１０ｍΩ程度になる可能性がある。設定電流密度が高い場合（より具体的には１０Ａほどの負荷電流が流れている場合）、オーム損による電圧低下は１００ｍＶ程度になる可能性があるので、この１００ｍＶ分も考慮すると、電圧端子を４セル毎程度に設置することにより下限電圧セルを検知できる可能性が高い。

ところで、スタックの電圧を検出し、不安定なセルを検出した場合には、酸素利用率を４０％から３０％に自動制御し、電圧は安定化することができる。

もちろん、加湿量、電流量なども自動調整することが可能である。

また、電圧計測線の先端部を複数に分岐させ、その分岐された先端部の個数に応じた複数の小さな穴を設けてもよい。

より具体的には、電圧計測線１９の先端部を二つに分岐させ、二つに分岐させた先端部を取り付けるための小穴を二個設けてもよい。そのような小穴の断面積をもとの穴１０の断面積の半分とすることにすれば、二つの小穴の断面積の和はもとの穴１０の断面積に等しくなるから電気的な抵抗の増大は発生せず、機械的な応力が分散することによりセパレータ１の損傷事故の発生を抑制できる。もちろん、このような小穴をその位置が重なり合わずに互い違いとなるように設けることにより、機械的な応力をより分散させることができ、隣接する電圧計測線の先端部分が接触して発生する短絡をも抑制することができる。

なお、本発明の原理については、以上で詳細に説明したが、以下では電池電圧の標準偏差が小さい場合に関して少し観点を変えて説明を行う。

Ｎ（個）のセルが積層されたスタック内の各セルの電圧Ｖ（ｍＶ）の分布は、ほぼ正規分布になると考えられる。そこで、各セルの電圧Ｖの分布は正規分布であると考え、その平均値および標準偏差をそれぞれμ（ｍＶ）およびσ（ｍＶ）で表す。

各セルの電圧Ｖは、よく知られているように、ほとんどμ−３σ≦Ｖ≦μ＋３σの範囲内にあるとしてもよい。そこで、各セルの電圧Ｖがこの範囲においてμ−３σ、μ−３σ（１−４／Ｎ）、μ−３σ（１−６／Ｎ）、μ−３σ（１−８／Ｎ）、…というように低い順番で並んだ極端な例を考察する。

このような極端な例においては、１モジュールの電圧に相当する、Ｎ_ｘセルの間隔で設けられた端子間の電圧は、
（数１）
μ・Ｎ_ｘ―３σＮ_ｘ（１−Ｎ_ｘ／Ｎ）
となる。

もちろん、各セルの電圧Ｖがすべてμである平均的な例においては、Ｎ_ｘセルの間隔で設けられた端子間の電圧は、
（数２）
μ・Ｎ_ｘ
となる。

したがって、上述の極端な例におけるＮ_ｘセルの間隔で設けられた端子間の電圧と、平均的な例におけるＮ_ｘセルの間隔で設けられた端子間の電圧との電圧差は、
（数３）
３σＮ_ｘ（１−Ｎ_ｘ／Ｎ）
と計算される。

実際に利用され得る仕様の一つの例においては、３０≦Ｎ≦１００程度であってσ＝２０程度であることが多く、同電圧差が３５０ｍＶ程度以内に収まれば有意な電圧差の測定を行うことができると考えられる。

そこで、Ｎ＝６０、σ＝２０とし、上述の電圧差が３５０ｍＶ以内に収まる条件を導出すると、
（数４）
３・２０・Ｎ_ｘ（１−Ｎ_ｘ／６０）＜３５０
すなわち、
（数５）
Ｎ_ｘ ^２−６０Ｎ_ｘ＋３５０＞０
であるから、
（数６）
Ｎ_ｘ＜３０−５・２２^１／２＝６．５４…
が得られる。

ここに、出力変動などによるセル電圧のバラツキを十分に把握するため、安全性を考慮し、
（数７）
Ｎ_ｘ＞３０＋５・２２^１／２＝５３．４５…
を採用しなかった。

したがって、６セル以内の間隔で設けられた端子間の電圧を測定することが望ましいといえる。

なお、転極したセルが含まれていると、セル抵抗が大きくなって、電圧降下が生じることがある。このような電圧降下は、電流密度が０．８Ａ／ｃｍ^２程度であるとすると、１００ｍＶ程度になる可能性がある。

そこで、やはりＮ＝６０、σ＝２０とし、上述の電圧差が１００ｍＶ程度の余裕を見て２５０ｍＶ以内に収まる条件を導出すると、
（数８）
３・２０・Ｎ_ｘ（１−Ｎ_ｘ／６０）＜２５０
すなわち、
（数９）
Ｎ_ｘ ^２−６０Ｎ_ｘ＋２５０＞０
であるから、
（数１０）
Ｎ_ｘ＜３０−５・２６^１／２＝４．５０…
が得られる。

ここに、出力変動などによるセル電圧のバラツキを十分に把握するため、安全性を考慮し、
（数１１）
Ｎ_ｘ＞３０＋５・２６^１／２＝５５．４９…
を採用しなかった。

したがって、転極したセルが含まれ得ることを考慮すると、４セル以内の間隔で設けられた端子間の電圧を測定することがより望ましいといえる。

次に本発明の実施例を具体的に説明する。

（実施例１）
始めにガス拡散層を以下の方法で作製した。

カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰＨ−０６０）にポリテトラフルオロエチレンの分散液（ダイキン工業（株）製ルブロンＬＤＷ−４０）を乾燥重量で１０重量％含侵させた後、熱風乾燥機を用いて３５０℃で加熱することで撥水処理を行った。

さらに、炭素粉末とフッ素樹脂からなる高分子含有導電層を形成した。

すなわち、炭素粉末（電気化学工業（株）製デンカブラック）に、フッ素樹脂としてのポリテトラフルオロエチレンの分散液（ダイキン製ルブロンＬＤＷ−４０）を、乾燥重量で３０重量％混合して作製した分散液を、前述の撥水処理したカーボンペーパーに塗工し、熱風乾燥機を用いて３５０℃で加熱することで、高分子含有導電層を含むガス拡散層を作製した。

次に、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を以下の方法で作製した。

導電性炭素粉末に平均粒径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持したもの（田中貴金属工業（株）製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇに、水１０ｇを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の９重量％エタノール溶液（旭硝子（株）製フレミオン）５５ｇを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。

このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、酸化剤極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ^２当り０．３ｍｇになるように調整した。

導電性炭素粉末に白金−ルテニウム合金を担持したもの（田中貴金属工業（株）製ＴＥＣ６１Ｅ５４）１０ｇに、水１０ｇを加え、水素イオン伝導性高分子電解質の９％エタノール溶液（旭硝子（株）製フレミオン）５０ｇを混合し、触媒ぺ−ストを作製した。

このペーストをポリプロピレンフィルム上にワイヤーバーを用いたバーコーティングにより塗布し、乾燥することで、燃料極側触媒層とした。触媒層の塗布量は、白金の含有量が１ｃｍ^２当り０．３ｍｇになるように調整した。

この触媒層付きポリプロピレンフィルムをそれぞれ６ｃｍ角に切り、水素イオン伝導性高分子電解質膜（ジャパンゴアテックス（株）社製ゴア−セレクト、膜厚３０μｍ）を、前述した触媒層付きの２組のポリプロピレンフィルムで触媒層が内側になるように挟み、１３０℃で１０分間ホットプレスした。その後、ポリプロピレンフィルムを除去し、触媒層付高分子電解質膜を得た。

その高分子含有導電層が内側になるように、両側にガス拡散層を挟んで、ＭＥＡとした。

一方、黒鉛板にガス流路と冷却水流路を切削加工してセパレータ板を作製した。

ＭＥＡを一対のセパレータ板で挟み、燃料電池セルを構成した。

この燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成し、本実施例では電圧端子を２セル毎に設置し、燃料電池発電システムを作製した。

燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置で改質した改質ガス（水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍ、露点６５℃）を供給し、酸素極側には露点が７０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２で発電を行った。

冷却水を、燃料電池セルの入口側で７０℃、出口側で７２〜７５℃になるように調整した。

（実施例２）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際、本実施例では電圧端子を４セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例３）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を５セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例４）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を６セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例５）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を７セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例６）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を８セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例７）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を１０セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例８）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を１５セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

（実施例９）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本実施例では電圧端子を４セル毎に設置し、燃料電池システムを作製した。

冷却水を、燃料電池セルの入口側で７０℃、出口側で７２〜７５℃になるように調整して運転を行った。

本実施例では、連続運転を２３時間実施した後、スタック電圧が不安定になったため、電流密度を１００ｍＡ／ｃｍ^２にし、酸素利用率を３５％に下げた。

（比較例）
実施例１で作製した燃料電池セルを５０セルに積層させてスタックを形成する際に、本比較例では電圧端子を各セルに設置し、燃料電池システムを作製した。

燃料極側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置で改質した改質ガス（水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍ、露点６５℃）を供給し、酸素極側には露点が７０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、燃料利用率（Ｕ_ｆ）８０％、酸素利用率（Ｕ_ｏ）４０％、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ^２で発電を行った。

冷却水を燃料電池セルの入口側で７０℃、出口側で７２〜７５℃になるように調整した。

以上で説明された比較例において、５０セル中の個々の電池に関して、セルの電池電圧の平均値は７２０ｍＶであり、セルの電池電圧の標準偏差を利用して算出したバラツキは１８ｍＶであった。

これをつぎの表に示す。

実施例１〜８にそれぞれ対応する電圧端子を１５セル毎、１０セル毎、８セル毎、７セル毎、６セル毎、５セル毎、４セル毎、２セル毎に設置した場合についてそれぞれ考察する。なお、実施例９は、連続運転を行った場合に関する参考的な実施例であった。

これをつぎの表に示す。

単セルの下限電圧を３５０ｍＶに設定すると、平均電圧値との差が３５０ｍＶ以内に収まるものは、電圧端子が２セル毎、４セル毎、５セル毎、６セル毎、７セル毎に設けられたものである。

また、バラツキから推定されるスタック電圧の最小値を見ると、スタック内における１つの２００ｍＶセルの存在を検出できる端子のセル間隔は、４セル未満がもっともよいことがわかった。

これより、４セル毎の電圧計測を利用して、燃料電池の運転が適切に制御できることがわかり、スタックの小型化、簡素化及びコストダウンも可能となる。

なお、本発明のプログラムは、上述した本発明の燃料電池の運転方法の全部または一部のステップの動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。

また、本発明の記録媒体は、上述した本発明の燃料電池の運転方法の全部または一部のステップの全部または一部の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムを記録した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能かつ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協動して前記動作を実行する記録媒体である。

なお、本発明の上記「一部のステップ」とは、それらの複数のステップの内の、一つまたは幾つかのステップを意味する。

また、本発明の上記「ステップの動作」とは、前記ステップの全部または一部の動作を意味する。

また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な、ＲＯＭなどの記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵなどの純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。

なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。

本発明にかかる燃料電池、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、プログラム、および記録媒体は、生産コストの増大、機械的強度の低下、配線の短絡などの弊害を抑制することができ、固体高分子型燃料電池などの積層型燃料電池などとして有用である。

本発明における実施の形態１の燃料電池発電システムの模式図本発明における実施の形態１の燃料電池発電システムのブロック図本発明における実施の形態１の燃料電池１０７の構成図従来の積層型燃料電池が備えるセパレータ１の斜視図従来の燃料電池の構成図

符号の説明

１、１′ セパレータ
１４接着剤
１５電極膜接合体
１６端板
１７、１８集電電極
１９電圧計測線

Claims

交互に積層された複数の電極膜接合体と複数のセパレータとを備えた燃料電池であって、
電圧計測線を取り付けるための穴が、前記複数の電極膜接合体と交互に積層された前記複数のセパレータのうちの、一部のセパレータに対してのみ設けられている、燃料電池。
前記穴は、前記複数の電極膜接合体と交互に積層された前記複数のセパレータのうちの、所定の個数ごとのセパレータに対してのみ設けられている請求項１記載の、燃料電池。
前記所定の個数は、前記所定の個数と前記電極膜接合体に対応するセルの電池電圧の標準偏差との積が、前記セルの電池電圧の平均値からのあらかじめ定められた降下電圧の許容値を実質的に超えないように決められている請求項２記載の、燃料電池。
前記セルの電池電圧の標準偏差は、実質的に６０ｍＶであり、
前記セルの電池電圧の平均値は、実質的に７６０ｍＶであり、
前記降下電圧の許容値は、実質的に５６０ｍＶ以下であり、
前記所定の個数は、実質的に１０個未満である請求項３記載の、燃料電池。
前記セルの電池電圧の標準偏差は、実質的に１０ｍＶ以上２０ｍＶ以下であり、
前記セルの電池電圧の平均値は、実質的に６５０ｍＶ以上８００ｍＶ以下であり、
前記所定の個数は、実質的に７個以下である請求項２記載の、燃料電池。
請求項１記載の燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスを改質によって生成する水素生成装置と、
前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給手段と、
前記燃料電池に供給される負荷電流を調節する負荷電流調節手段と、
前記取り付けられる電圧計測線を利用して計測された電圧に基づいて、（１）前記酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）前記燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および／または前記燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）前記冷却水の量、（４）前記負荷電流の電流密度のうちの少なくとも一つを制御する制御手段とを備えた、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿ステップと、
前記燃料電池に供給される燃料ガスを改質によって生成する水素生成ステップと、
前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給ステップと、
前記燃料電池に供給される負荷電流を調節する負荷電流調節ステップと、
前記取り付けられる電圧計測線を利用して計測された電圧に基づいて、（１）前記酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）前記燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および／または前記燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）前記冷却水の量、（４）前記負荷電流の電流密度のうちの少なくとも一つを制御する制御ステップとを備えた、燃料電池の運転方法。
請求項７記載の燃料電池の運転方法の、前記取り付けられる電圧計測線を利用して計測された電圧に基づいて、（１）前記酸化剤ガスに対する加湿の量、（２）前記燃料ガスを改質によって生成する際の加湿の量、および／または前記燃料ガスを改質によって生成する際の温度、（３）前記冷却水の量、（４）前記負荷電流の電流密度のうちの少なくとも一つを制御する制御ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
請求項８記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータにより処理可能な記録媒体。