JP2008181868A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の発電効率が低下する前に、燃料電池の湿潤状態の適否を判定することにより、発電効率の低下を抑制して安定した出力を供給することができ、湿潤状態を適正に制御することが可能となる燃料電池を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極が、他方の面に燃料極が設けられた燃料電池セルにより構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池において、
前記燃料電池セルが、複数の発電セルと一対の湿潤状態検出用セルからなり、
前記一対の湿潤状態検出用セルにおける一方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも過加湿状態に敏感な過加湿状態検出用セルで構成されると共に、
他方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも乾燥状態に敏感な乾燥状態検出用セルからなる構成とする。
【選択図】 図４
【解決手段】高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極が、他方の面に燃料極が設けられた燃料電池セルにより構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池において、
前記燃料電池セルが、複数の発電セルと一対の湿潤状態検出用セルからなり、
前記一対の湿潤状態検出用セルにおける一方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも過加湿状態に敏感な過加湿状態検出用セルで構成されると共に、
他方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも乾燥状態に敏感な乾燥状態検出用セルからなる構成とする。
【選択図】 図４
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池の湿潤状態の検出が可能とされた燃料電池に関する。
燃料電池装置は、体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性を有している。
さらに、燃料を充填することにより長時間連続使用が可能となるため、携帯電話、ノートＰＣ等の小型電気機器をはじめ、幅広い用途が期待されている。
中でも、固体高分子型燃料電池は、常温に近い温度で使用でき、また電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有している。
このような固体高分子型燃料電池において、その燃料電池セルは、触媒層をもつ燃料極と酸化剤極によって、高分子電解質膜が挟持された構造を有している。
この燃料極には例えば水素が燃料として供給され、また酸化剤極には例えば空気中の酸素が酸化剤として供給される。
さらに、燃料を充填することにより長時間連続使用が可能となるため、携帯電話、ノートＰＣ等の小型電気機器をはじめ、幅広い用途が期待されている。
中でも、固体高分子型燃料電池は、常温に近い温度で使用でき、また電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有している。
このような固体高分子型燃料電池において、その燃料電池セルは、触媒層をもつ燃料極と酸化剤極によって、高分子電解質膜が挟持された構造を有している。
この燃料極には例えば水素が燃料として供給され、また酸化剤極には例えば空気中の酸素が酸化剤として供給される。
固体高分子型燃料電池における上記高分子電解質膜は、内部に水を包含しており、水素イオンを伝導する。
しかしながら、固体高分子型燃料電池の性能を左右するイオン伝導性は、高分子電解質膜の湿潤の度合いに大きく依存する。
すなわち、高分子電解質膜が乾燥状態になり過ぎるとイオン伝導性が著しく低下し、内部抵抗の増大により燃料電池の出力が低下する。この現象をドライアウトという。
従って、固体高分子型燃料電池が発電を行なうためには、イオンを伝導するための高分子電解質膜が適度に湿っていることが必要である。
しかしながら、固体高分子型燃料電池の性能を左右するイオン伝導性は、高分子電解質膜の湿潤の度合いに大きく依存する。
すなわち、高分子電解質膜が乾燥状態になり過ぎるとイオン伝導性が著しく低下し、内部抵抗の増大により燃料電池の出力が低下する。この現象をドライアウトという。
従って、固体高分子型燃料電池が発電を行なうためには、イオンを伝導するための高分子電解質膜が適度に湿っていることが必要である。
一方で、高分子電解質膜を通過した水素イオンと酸化剤（酸素）が酸化剤極において反応し、酸化剤極で水が生成される。
このため、燃料電池の排出ガス中には水分（水蒸気）が含まれる。この生成された水分により液体状態の水分が過剰となると、燃料電池反応で必要となる燃料または酸化剤の流れが妨げられ、安定した出力が得られなくなってしまうこととなる。この現象をフラッディングという。
このため、燃料電池の排出ガス中には水分（水蒸気）が含まれる。この生成された水分により液体状態の水分が過剰となると、燃料電池反応で必要となる燃料または酸化剤の流れが妨げられ、安定した出力が得られなくなってしまうこととなる。この現象をフラッディングという。
このようなことから、燃料電池の運転において、湿潤状態を適正に保つことが必要となり、そのため従来において、例えば特許文献１では、燃料電池の湿潤状態を適正に制御する技術として、つぎのような燃料電池が提案されている。
この燃料電池では、燃料電池スタックを構成するセルの配列方向に、相対湿度分布を形成し、相対湿度が低いセルの電圧と相対湿度の高いセルの電圧を比較し、燃料電池の湿潤状態を判定するように構成されている。
特開２００２−１６４０６５号公報
この燃料電池では、燃料電池スタックを構成するセルの配列方向に、相対湿度分布を形成し、相対湿度が低いセルの電圧と相対湿度の高いセルの電圧を比較し、燃料電池の湿潤状態を判定するように構成されている。
しかしながら、上記従来例における特許文献１の燃料電池では、燃料電池の湿潤状態を判定するために、燃料電池スタックのセル配列方向に湿度分布を形成する必要がある。
このように、セルの配列方向に、相対湿度分布を形成するものでは、燃料電池の湿潤状態が適正でないと判定される際に、既に燃料電池の発電効率の低下が生じている。
したがって、燃料電池の湿潤状態が適切でないとの判定は、燃料電池の発電効率が低下した後か、あるいは低下が生じている状態において判定が行われることとなり、このような発電効率の低下が生じる前に判定をすることが困難なものである。
例えば、ガス流入方向と冷却水流入方向とを反対方向として、燃料電池スタックに相対湿度分布を形成するに際して、十分な湿潤状態にないと判断される際には、既にガス入り口側に位置する燃料電池セルの発電効率が低下している段階にある。
更に、特許文献１の燃料電池では、燃料電池の湿潤状態が適正でないと判定された時点では未だ発電効率が低下していない燃料電池セルにおいても、発電効率の低下が生じる条件に非常に近くなっている。このことから、従来の燃料電池では、発電効率の低下が検知されてから何らかの対策を行なう間に、更に多くの燃料電池セルの発電効率が低下し、燃料電池全体の発電効率がより大きく低下する可能性が高かった。
このように、セルの配列方向に、相対湿度分布を形成するものでは、燃料電池の湿潤状態が適正でないと判定される際に、既に燃料電池の発電効率の低下が生じている。
したがって、燃料電池の湿潤状態が適切でないとの判定は、燃料電池の発電効率が低下した後か、あるいは低下が生じている状態において判定が行われることとなり、このような発電効率の低下が生じる前に判定をすることが困難なものである。
例えば、ガス流入方向と冷却水流入方向とを反対方向として、燃料電池スタックに相対湿度分布を形成するに際して、十分な湿潤状態にないと判断される際には、既にガス入り口側に位置する燃料電池セルの発電効率が低下している段階にある。
更に、特許文献１の燃料電池では、燃料電池の湿潤状態が適正でないと判定された時点では未だ発電効率が低下していない燃料電池セルにおいても、発電効率の低下が生じる条件に非常に近くなっている。このことから、従来の燃料電池では、発電効率の低下が検知されてから何らかの対策を行なう間に、更に多くの燃料電池セルの発電効率が低下し、燃料電池全体の発電効率がより大きく低下する可能性が高かった。
本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池の発電効率が低下する前に、燃料電池の湿潤状態の適否を判定することにより、発電効率の低下を抑制して安定した出力を供給することができ、湿潤状態を適正に制御することが可能となる燃料電池の提供を目的とする。
本発明は、以下のように構成した燃料電池を提供するものである。
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極が、他方の面に燃料極が設けられた燃料電池セルにより構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池において、
前記燃料電池セルが、複数の発電セルと一対の湿潤状態検出用セルからなり、
前記一対の湿潤状態検出用セルにおける一方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも過加湿状態に敏感な過加湿状態検出用セルで構成されると共に、
他方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも乾燥状態に敏感な乾燥状態検出用セルで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記過加湿状態検出用セルの高分子電解質膜が、前記発電セルのものよりも薄く構成され、
前記乾燥状態検出用セルの高分子電解質膜が、前記発電セルのものよりも厚く構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記過加湿状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における触媒層の濡れ性が、前記発電セルのものよりも親水性に構成され、
前記乾燥状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における触媒層の濡れ性が、前記発電セルのものよりも疎水性に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記過加湿状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における流路のガス拡散性が、前記発電セルのものよりも低く構成され、
前記乾燥状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における流路のガス拡散性が、前記発電セルのものよりも高く構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記一対の湿潤状態検出用セルが、燃料電池スタック内において隣接して配置され、前記発電セルの前記燃料極における電極同士あるいは前記発電セルの前記酸化剤極における電極同士が電気的に共通に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記一対の湿潤状態検出用セルが、前記燃料電池スタック内において隣接して配置され、前記一対の湿潤状態検出用セルの前記燃料極における電極同士あるいは前記一対の湿潤状態検出用セルの前記酸化剤極における電極同士が電気的に共通に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記一対の湿潤状態検出用セルには、前記発電セルに接続された外部負荷とは別の負荷が接続され、該負荷には発電セルが発電する平均的な電流が流れるよう設定されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記制御装置によって制御される加湿器を備え、該加湿器によって前記酸化剤極に供給される酸化剤の加湿が可能に構成されていることを特徴とする。
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極が、他方の面に燃料極が設けられた燃料電池セルにより構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池において、
前記燃料電池セルが、複数の発電セルと一対の湿潤状態検出用セルからなり、
前記一対の湿潤状態検出用セルにおける一方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも過加湿状態に敏感な過加湿状態検出用セルで構成されると共に、
他方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも乾燥状態に敏感な乾燥状態検出用セルで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記過加湿状態検出用セルの高分子電解質膜が、前記発電セルのものよりも薄く構成され、
前記乾燥状態検出用セルの高分子電解質膜が、前記発電セルのものよりも厚く構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記過加湿状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における触媒層の濡れ性が、前記発電セルのものよりも親水性に構成され、
前記乾燥状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における触媒層の濡れ性が、前記発電セルのものよりも疎水性に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記過加湿状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における流路のガス拡散性が、前記発電セルのものよりも低く構成され、
前記乾燥状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における流路のガス拡散性が、前記発電セルのものよりも高く構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記一対の湿潤状態検出用セルが、燃料電池スタック内において隣接して配置され、前記発電セルの前記燃料極における電極同士あるいは前記発電セルの前記酸化剤極における電極同士が電気的に共通に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記一対の湿潤状態検出用セルが、前記燃料電池スタック内において隣接して配置され、前記一対の湿潤状態検出用セルの前記燃料極における電極同士あるいは前記一対の湿潤状態検出用セルの前記酸化剤極における電極同士が電気的に共通に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記一対の湿潤状態検出用セルには、前記発電セルに接続された外部負荷とは別の負荷が接続され、該負荷には発電セルが発電する平均的な電流が流れるよう設定されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記制御装置によって制御される加湿器を備え、該加湿器によって前記酸化剤極に供給される酸化剤の加湿が可能に構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池の発電効率が低下する前に燃料電池の湿潤状態の適否を判定することにより、発電効率の低下を抑制して安定した出力を供給することができ、湿潤状態を適正に制御することが可能となる。
また、本発明によれば、燃料電池の発電効率が低下した後に燃料電池の湿潤状態の適否を判定する場合であっても、対策を行なう前に発電効率が更に大きく低下することを抑制して安定した出力を供給することができ、湿潤状態を適正に制御することが可能となる。
また、本発明によれば、燃料電池の発電効率が低下した後に燃料電池の湿潤状態の適否を判定する場合であっても、対策を行なう前に発電効率が更に大きく低下することを抑制して安定した出力を供給することができ、湿潤状態を適正に制御することが可能となる。
以下に、本発明の実施の形態における燃料電池について説明する。
図１に、本実施形態における燃料電池装置の構成を説明するための図を示す。
図１において、１１は燃料供給部、１２は酸化剤供給部、１３は加湿器、１４は燃料電池を構成する燃料電池スタック、１５は制御装置である。
ここで、燃料電池装置は、燃料供給部１１、酸化剤供給部１２、加湿器１３、燃料電池スタック１４、制御装置１５を備えている。
燃料供給部１１は、水素などの燃料を所望の圧力・流量で、燃料電池を構成する燃料電池スタック１４における発電セルの燃料極に供給する。
また、酸化剤供給部１２は、空気などの酸化剤を所望の圧力・流量で、燃料電池を構成する燃料電池スタック１４における発電セルの酸化剤極に供給する。
また、加湿器１３は必要に応じて燃料あるいは酸化剤を加湿し、制御装置１５は、燃料電池スタックの湿潤状態を検出し加湿器を制御する。
図１に、本実施形態における燃料電池装置の構成を説明するための図を示す。
図１において、１１は燃料供給部、１２は酸化剤供給部、１３は加湿器、１４は燃料電池を構成する燃料電池スタック、１５は制御装置である。
ここで、燃料電池装置は、燃料供給部１１、酸化剤供給部１２、加湿器１３、燃料電池スタック１４、制御装置１５を備えている。
燃料供給部１１は、水素などの燃料を所望の圧力・流量で、燃料電池を構成する燃料電池スタック１４における発電セルの燃料極に供給する。
また、酸化剤供給部１２は、空気などの酸化剤を所望の圧力・流量で、燃料電池を構成する燃料電池スタック１４における発電セルの酸化剤極に供給する。
また、加湿器１３は必要に応じて燃料あるいは酸化剤を加湿し、制御装置１５は、燃料電池スタックの湿潤状態を検出し加湿器を制御する。
つぎに、本実施の形態における燃料電池を構成する燃料電池スタックについて説明する。
図２に、本実施形態の燃料電池における燃料電池スタックを説明するための斜視図を示す。
本実施の形態における燃料電池スタックは、一組のエンドプレート２１とエンドプレート２２との間に、積層された複数の発電セル２３および少なくとも一対の湿潤状態検出用セルによって構成される。
エンドプレート２１には、燃料電池スタックに燃料を供給するための燃料供給口が設けられる。
また、エンドプレート２２には、燃料電池スタックから未反応の燃料等を排出するための燃料排出口が適宜設けられる。
図２中、２４は固体高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極、他方の面には燃料極を有する膜電極接合体（以下、これをＭＥＡと記す）である。
複数のＭＥＡ２４はセパレータ２５を介して、積層される。ＭＥＡ２４とセパレータ２５の間には、ガス拡散層としてカーボンクロスのような反応物を透過する導電性を有するシートが配置される。
図２に、本実施形態の燃料電池における燃料電池スタックを説明するための斜視図を示す。
本実施の形態における燃料電池スタックは、一組のエンドプレート２１とエンドプレート２２との間に、積層された複数の発電セル２３および少なくとも一対の湿潤状態検出用セルによって構成される。
エンドプレート２１には、燃料電池スタックに燃料を供給するための燃料供給口が設けられる。
また、エンドプレート２２には、燃料電池スタックから未反応の燃料等を排出するための燃料排出口が適宜設けられる。
図２中、２４は固体高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極、他方の面には燃料極を有する膜電極接合体（以下、これをＭＥＡと記す）である。
複数のＭＥＡ２４はセパレータ２５を介して、積層される。ＭＥＡ２４とセパレータ２５の間には、ガス拡散層としてカーボンクロスのような反応物を透過する導電性を有するシートが配置される。
つぎに、本実施の形態におけるセパレータについて、更に説明する。
図３に、本実施の形態におけるセパレータの構成例を説明するための図を示す。セパレータの表面には、ＭＥＡ２４の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路３１が、燃料極側には燃料を供給する燃料流路３２が形成される。
セパレータの端部には、燃料供給口あるいは燃料排出口とつながる貫通口３３が設けられる。
燃料は、燃料供給部より必要に応じて加湿器にて加湿された後、燃料供給口に導かれセパレータの貫通口を介して、燃料流路に接して配置される燃料極に供給される。
酸化剤は、酸化剤供給部より必要に応じて加湿器にて加湿された後、セパレータに設けられた酸化剤流路３１を介して、紙面垂直方向より酸化剤流路に接して配置される酸化剤極に供給される。酸化剤流路３１に用いられ得る部材としては、導電性及び通気性を有する部材、例えばステンレスやニッケル等の金属からなる発泡金属、または三次元格子体などが挙げられる。
セパレータは導電性のグラファイトあるいはステンレスなどの導電性部材より製作される。
図３（ａ）に示したセパレータにおいては、導電性の多孔質材料を配置して酸化剤流路３１としている。
図３（ｂ）に示したように、溝を形成して酸化剤流路３４とすることも可能である。
図３に、本実施の形態におけるセパレータの構成例を説明するための図を示す。セパレータの表面には、ＭＥＡ２４の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路３１が、燃料極側には燃料を供給する燃料流路３２が形成される。
セパレータの端部には、燃料供給口あるいは燃料排出口とつながる貫通口３３が設けられる。
燃料は、燃料供給部より必要に応じて加湿器にて加湿された後、燃料供給口に導かれセパレータの貫通口を介して、燃料流路に接して配置される燃料極に供給される。
酸化剤は、酸化剤供給部より必要に応じて加湿器にて加湿された後、セパレータに設けられた酸化剤流路３１を介して、紙面垂直方向より酸化剤流路に接して配置される酸化剤極に供給される。酸化剤流路３１に用いられ得る部材としては、導電性及び通気性を有する部材、例えばステンレスやニッケル等の金属からなる発泡金属、または三次元格子体などが挙げられる。
セパレータは導電性のグラファイトあるいはステンレスなどの導電性部材より製作される。
図３（ａ）に示したセパレータにおいては、導電性の多孔質材料を配置して酸化剤流路３１としている。
図３（ｂ）に示したように、溝を形成して酸化剤流路３４とすることも可能である。
一対の湿潤状態検出用セルは、前述した発電セルと基本的な構成は同じである。ただし、一方の湿潤状態検出用セルは発電セルよりも過加湿状態に敏感であり、過加湿な環境で発電を行うと出力の低下が生じ易い構成とする（過加湿状態検出用セル）。
他方の湿潤状態検出用セルは発電セルよりも乾燥状態に敏感であり、乾燥した環境で発電を行うと出力の低下が生じ易い構成とする（乾燥状態検出用セル）。
燃料電池スタックの湿潤状態が通常運転時に比べて過加湿状態に変化すると、発電セルおよび乾燥状態検出用セルの出力低下が発生する前に、過加湿状態検出用セルの出力が低下する。
このため、乾燥状態検出用セルと過加湿状態検出用セルの出力電圧を比較監視すれば、燃料電池スタック内の発電セルの出力低下が生じる前に、過加湿状態に変化しつつあることを検出することが可能となる。
一方、燃料電池スタックの湿潤状態が通常運転時に比べて乾燥状態に変化すると、発電セルおよび過加湿状態検出用セルの出力低下が発生する前に、乾燥状態検出用セルの出力が低下する。
このため、乾燥状態検出用セルと過加湿状態検出用セルの出力電圧を比較監視すれば、燃料電池スタック内の発電セルの出力低下が生じる前に乾燥状態に変化しつつあることを検出することが可能となる。
他方の湿潤状態検出用セルは発電セルよりも乾燥状態に敏感であり、乾燥した環境で発電を行うと出力の低下が生じ易い構成とする（乾燥状態検出用セル）。
燃料電池スタックの湿潤状態が通常運転時に比べて過加湿状態に変化すると、発電セルおよび乾燥状態検出用セルの出力低下が発生する前に、過加湿状態検出用セルの出力が低下する。
このため、乾燥状態検出用セルと過加湿状態検出用セルの出力電圧を比較監視すれば、燃料電池スタック内の発電セルの出力低下が生じる前に、過加湿状態に変化しつつあることを検出することが可能となる。
一方、燃料電池スタックの湿潤状態が通常運転時に比べて乾燥状態に変化すると、発電セルおよび過加湿状態検出用セルの出力低下が発生する前に、乾燥状態検出用セルの出力が低下する。
このため、乾燥状態検出用セルと過加湿状態検出用セルの出力電圧を比較監視すれば、燃料電池スタック内の発電セルの出力低下が生じる前に乾燥状態に変化しつつあることを検出することが可能となる。
一対の湿潤状態検出用セルは、例えば電解質膜や触媒層の厚さ、ＭＥＡやガス拡散層の濡れ性、燃料あるいは酸化剤のガス拡散層や流路の拡散性を後に述べるような方法で調整することによって実現することができる。
これら部材が与える影響、すなわち湿潤状態の変化に対する敏感性は、燃料電池装置や燃料電池スタックの構成により異なる場合があるので、適宜選択するのが好ましい。
例えば、無加湿の燃料により発電する構成の燃料電池装置で有効な具体的方法を次に説明する。
一つの方法として、無加湿の燃料により発電する構成の燃料電池装置においては、電解質膜の厚さを変えることによって湿潤状態の違いに対する敏感性を変化させることができる。
すなわち、電解質膜の薄いセルは過加湿状態に敏感であり、電解質膜の厚いセルは乾燥状態に敏感である。
したがって、過加湿状態検出用セルの電解質膜においては、発電セルのものよりも薄くする。
これに対して、乾燥状態検出用セルの電解質膜においては、発電セルのものよりも厚くする。
電解質膜としてＤｕＰｏｎｔ社製のナフィオンを用いる場合、例えば発電セルにはＮ−１１５（１２７マイクロメートル）、過加湿状態検出用セルにはＮ−１１２（５１マイクロメートル）を選択することが可能である。
また、乾燥状態検出用セルには、Ｎ−１１７（１８３マイクロメートル）を選択することが可能である。
これら部材が与える影響、すなわち湿潤状態の変化に対する敏感性は、燃料電池装置や燃料電池スタックの構成により異なる場合があるので、適宜選択するのが好ましい。
例えば、無加湿の燃料により発電する構成の燃料電池装置で有効な具体的方法を次に説明する。
一つの方法として、無加湿の燃料により発電する構成の燃料電池装置においては、電解質膜の厚さを変えることによって湿潤状態の違いに対する敏感性を変化させることができる。
すなわち、電解質膜の薄いセルは過加湿状態に敏感であり、電解質膜の厚いセルは乾燥状態に敏感である。
したがって、過加湿状態検出用セルの電解質膜においては、発電セルのものよりも薄くする。
これに対して、乾燥状態検出用セルの電解質膜においては、発電セルのものよりも厚くする。
電解質膜としてＤｕＰｏｎｔ社製のナフィオンを用いる場合、例えば発電セルにはＮ−１１５（１２７マイクロメートル）、過加湿状態検出用セルにはＮ−１１２（５１マイクロメートル）を選択することが可能である。
また、乾燥状態検出用セルには、Ｎ−１１７（１８３マイクロメートル）を選択することが可能である。
過加湿状態検出用セルでは電解質膜が薄いため、発電に伴って酸化剤極で発生した水分が電解質膜を介して燃料極側に逆拡散しやすい。このため過加湿状態検出用セルでは、発電セルよりも逆拡散する水分が多く、過加湿状態において燃料極でのフラッディングが起こりやすい。
一方、乾燥状態検出用セルでは電解質膜が厚いため、発電に伴って酸化剤極で発生した水分が電解質膜を介して燃料極側に逆拡散しにくい。
このため、乾燥状態検出用セルでは、発電セルよりも逆拡散する水分が少なく、特に無加湿の水素を用いている燃料電池装置においては、乾燥状態においてドライアウトが起こりやすい。
一方、乾燥状態検出用セルでは電解質膜が厚いため、発電に伴って酸化剤極で発生した水分が電解質膜を介して燃料極側に逆拡散しにくい。
このため、乾燥状態検出用セルでは、発電セルよりも逆拡散する水分が少なく、特に無加湿の水素を用いている燃料電池装置においては、乾燥状態においてドライアウトが起こりやすい。
また、別の方法として、触媒層の濡れ性を変えることによって湿潤状態の違いに対する敏感性を調整できる。
例えば、過加湿状態検出用セルの酸化剤極触媒層の濡れ性を発電セルのものよりも親水性に、乾燥状態検出用セルの燃料極触媒層の濡れ性は発電セルのものよりも疎水性にする。これは、例えば触媒層中のＰＴＦＥ坦持量を変化することによって達成される。すなわち触媒層の濡れ性は、ＰＴＦＥ坦持量を、減少すると親水性に、増大すると疎水性となる。酸化剤極触媒層の撥水性が十分でないと、酸化剤極で生成する水が十分に除去されず、触媒層上に滞留し、フラッディングが起こりやすい。一方、燃料極触媒層の撥水性が過剰であると、生成した水が十分逆拡散せず、ドライアウトが起こりやすくなる。
例えば、過加湿状態検出用セルの酸化剤極触媒層の濡れ性を発電セルのものよりも親水性に、乾燥状態検出用セルの燃料極触媒層の濡れ性は発電セルのものよりも疎水性にする。これは、例えば触媒層中のＰＴＦＥ坦持量を変化することによって達成される。すなわち触媒層の濡れ性は、ＰＴＦＥ坦持量を、減少すると親水性に、増大すると疎水性となる。酸化剤極触媒層の撥水性が十分でないと、酸化剤極で生成する水が十分に除去されず、触媒層上に滞留し、フラッディングが起こりやすい。一方、燃料極触媒層の撥水性が過剰であると、生成した水が十分逆拡散せず、ドライアウトが起こりやすくなる。
さらに、別の方法として、酸化剤流路等におけるガス拡散性を変えることによって湿潤状態の違いに対する敏感性を変化できる。
すなわち、流路のガス拡散性を減少させると過加湿状態に敏感であり、ガス拡散性が高いと乾燥状態に敏感である。
したがって、過加湿状態検出用セルの流路のガス拡散性を発電セルのものよりも低く、乾燥状態検出用セルの流路のガス拡散性は発電セルのものよりも高くする。
これは、例えば、酸化剤流路で用いる導電性多孔質部材の気孔率あるいは流路の溝形状を変化させることによって達成される。
例えば、導電性多孔質部材として発泡金属を用いる場合、気孔率を、過加湿状態検出用セル、発電セル、乾燥状態検出用セルの順に増大させる。
酸化剤流路の拡散性が低いと、生成した水が十分に除去できずフラッディングが起こりやすくなる。
一方、ガス拡散性が高いと、電解質膜の加湿が不十分となりドライアウトが起こりやすい。
すなわち、流路のガス拡散性を減少させると過加湿状態に敏感であり、ガス拡散性が高いと乾燥状態に敏感である。
したがって、過加湿状態検出用セルの流路のガス拡散性を発電セルのものよりも低く、乾燥状態検出用セルの流路のガス拡散性は発電セルのものよりも高くする。
これは、例えば、酸化剤流路で用いる導電性多孔質部材の気孔率あるいは流路の溝形状を変化させることによって達成される。
例えば、導電性多孔質部材として発泡金属を用いる場合、気孔率を、過加湿状態検出用セル、発電セル、乾燥状態検出用セルの順に増大させる。
酸化剤流路の拡散性が低いと、生成した水が十分に除去できずフラッディングが起こりやすくなる。
一方、ガス拡散性が高いと、電解質膜の加湿が不十分となりドライアウトが起こりやすい。
以上に説明したように、一対の湿潤状態検出用セルを設けると、燃料電池スタック内で湿潤状態に変化が生じたとき、発電セルよりも湿潤状態検出用セルにてフラッディングあるいはドライアウトが起こる。
フラッディングあるいはドライアウトが起こると、いずれか一方の湿潤状態検出用セルの出力は低下する。
このため、過加湿状態検出用セルと乾燥状態検出用セルよりなる一対の湿潤状態検出用セルの出力を比較することによって、燃料電池スタックの湿潤状態が適正に保たれているか検出可能である。
したがって、複雑な構成・制御を行わなくても、このような一対の湿潤状態検出用セルを設けることによって、湿潤状態検出用セル以外の発電セルの出力低下が発生する前に、湿潤状態が適正に保たれているかを検出することができる。
フラッディングあるいはドライアウトが起こると、いずれか一方の湿潤状態検出用セルの出力は低下する。
このため、過加湿状態検出用セルと乾燥状態検出用セルよりなる一対の湿潤状態検出用セルの出力を比較することによって、燃料電池スタックの湿潤状態が適正に保たれているか検出可能である。
したがって、複雑な構成・制御を行わなくても、このような一対の湿潤状態検出用セルを設けることによって、湿潤状態検出用セル以外の発電セルの出力低下が発生する前に、湿潤状態が適正に保たれているかを検出することができる。
さらに、次に示すように、湿潤状態の検出結果に基づいて燃料電池スタックの湿潤状態を制御すれば、燃料電池スタックの発電効率低下を最小限に抑制した燃料電池の安定した運転が可能である。
過加湿状態検出用セルの出力が乾燥状態検出用セルの出力よりも低下した場合、制御装置では燃料電池スタックが過加湿気味であると判断し、例えば加湿器で酸化剤の加湿を抑制する。
一方、乾燥状態検出用セルの出力が過加湿状態検出用セルの出力よりも低下した場合、制御装置では燃料電池スタックが乾燥気味であると判断し、例えば加湿器で酸化剤の加湿を増大する。
これにより発電セルの出力低下を最小限に抑制して湿潤状態を検知し制御することが可能となる。
ここで、加湿器として、バブラー式や噴霧式等を用いることができ、バブラー温度を制御あるいは噴霧量の制御等によって、加湿の抑制・増大が可能となる。
また、湿潤状態を制御する別の方法としては、加湿器のほかにも、燃料あるいは酸化剤の流量を増減させる方法、燃料電池スタックの出力を増減する方法などストイキオメトリーの制御等によって行うことが可能である。
過加湿状態検出用セルの出力が乾燥状態検出用セルの出力よりも低下した場合、制御装置では燃料電池スタックが過加湿気味であると判断し、例えば加湿器で酸化剤の加湿を抑制する。
一方、乾燥状態検出用セルの出力が過加湿状態検出用セルの出力よりも低下した場合、制御装置では燃料電池スタックが乾燥気味であると判断し、例えば加湿器で酸化剤の加湿を増大する。
これにより発電セルの出力低下を最小限に抑制して湿潤状態を検知し制御することが可能となる。
ここで、加湿器として、バブラー式や噴霧式等を用いることができ、バブラー温度を制御あるいは噴霧量の制御等によって、加湿の抑制・増大が可能となる。
また、湿潤状態を制御する別の方法としては、加湿器のほかにも、燃料あるいは酸化剤の流量を増減させる方法、燃料電池スタックの出力を増減する方法などストイキオメトリーの制御等によって行うことが可能である。
本実施の形態の構成によれば、一対の湿潤状態検出用セル一方のみの発電効率低下によって、燃料電池の湿潤状態が不適切であると判定可能となるので、複数の燃料電池セルの発電効率の低下を防ぐことができる。
したがって、燃料電池の湿潤状態判定時に、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができ、安定した出力が供給可能となる。
また、湿潤状態検出用セルの電解質膜、触媒層あるいは拡散層の変更により湿潤状態の判定が実施可能となるので、燃料電池スタックの燃料や酸化剤の供給方法、あるいは冷却水の循環方法など複雑な構成・制御を必要としない。
さらに、一対の湿潤状態検出用セルのアノードあるいはカソード電極を共通とする構成を採ることにより、共通でない電極間の電圧を検知することによって、燃料電池の実質的な湿潤状態を判断可能となる。
また、電圧の正負により、判断が可能となる構成を採ることによって、簡便に精度良い湿潤状態の制御を可能とすることができる。
したがって、燃料電池の湿潤状態判定時に、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができ、安定した出力が供給可能となる。
また、湿潤状態検出用セルの電解質膜、触媒層あるいは拡散層の変更により湿潤状態の判定が実施可能となるので、燃料電池スタックの燃料や酸化剤の供給方法、あるいは冷却水の循環方法など複雑な構成・制御を必要としない。
さらに、一対の湿潤状態検出用セルのアノードあるいはカソード電極を共通とする構成を採ることにより、共通でない電極間の電圧を検知することによって、燃料電池の実質的な湿潤状態を判断可能となる。
また、電圧の正負により、判断が可能となる構成を採ることによって、簡便に精度良い湿潤状態の制御を可能とすることができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池について説明する。
図４に、本実施例の燃料電池スタック内における一対の湿潤状態検出用セルと発電セルの配置例を示す。
図において、４１は燃料電池スタック、４２は制御装置、４３は外部負荷である。
また、図４中の矢印は、図２中Ａ−Ａ'断面における燃料の流れを示す。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池について説明する。
図４に、本実施例の燃料電池スタック内における一対の湿潤状態検出用セルと発電セルの配置例を示す。
図において、４１は燃料電池スタック、４２は制御装置、４３は外部負荷である。
また、図４中の矢印は、図２中Ａ−Ａ'断面における燃料の流れを示す。
本実施例において、燃料電池は、燃料電池スタック４１と制御装置４２と外部負荷４３によって構成されている。
ここで、制御装置４２は一対の湿潤状態検出用セルに接続される。
一対の湿潤状態検出用セルは、燃料電池スタック内の任意の場所に形成可能である。
すなわち、一対の湿潤状態検出用セルは、図４（ａ）のように、互いに隣接して配置するようにしてもよい。
あるいは、図４（ｂ）のように、燃料電池スタック内で離れた場所に配置することも可能である。
隣接して配置すると、制御装置と湿潤状態検出用セルの配線を低減できる。
また、図４（ｃ）のように、発電セルのみを外部負荷４３へ接続し、一対の湿潤状態検出用セルには別途負荷４４を接続することも可能である。
負荷４４には燃料電池スタックが外部負荷に電力を供給する際に、発電セルが発電する平均的な電流が流れるよう設定することが好ましい。
これは、一対の湿潤状態検出用セルと発電セルの発電状態を揃えるためである。但し、一対の湿潤状態検出用セルが発電セルよりも、スタックの湿潤状態が変化した時に敏感に反応することが確保されるならば、発電電流値が異なっても目的は達成される。
ここで、制御装置４２は一対の湿潤状態検出用セルに接続される。
一対の湿潤状態検出用セルは、燃料電池スタック内の任意の場所に形成可能である。
すなわち、一対の湿潤状態検出用セルは、図４（ａ）のように、互いに隣接して配置するようにしてもよい。
あるいは、図４（ｂ）のように、燃料電池スタック内で離れた場所に配置することも可能である。
隣接して配置すると、制御装置と湿潤状態検出用セルの配線を低減できる。
また、図４（ｃ）のように、発電セルのみを外部負荷４３へ接続し、一対の湿潤状態検出用セルには別途負荷４４を接続することも可能である。
負荷４４には燃料電池スタックが外部負荷に電力を供給する際に、発電セルが発電する平均的な電流が流れるよう設定することが好ましい。
これは、一対の湿潤状態検出用セルと発電セルの発電状態を揃えるためである。但し、一対の湿潤状態検出用セルが発電セルよりも、スタックの湿潤状態が変化した時に敏感に反応することが確保されるならば、発電電流値が異なっても目的は達成される。
次に、本実施例において、どのように燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制されるかについて説明する。
図５に、燃料電池スタック内の各セルの電圧分布の一例を説明するための図を示す。
図５において、５１は発電セル、５２および５３は一対の湿潤状態検出用セルの出力電圧を表わし、５２は過加湿状態検出用セル、５３は乾燥状態検出用セルの出力電圧を表わす。
ここで、燃料電池スタック内で湿潤状態が適正に保たれている場合、図５（ａ）のような電圧分布となる。
また、燃料電池スタックの湿潤状態が過加湿状態へ変化する場合、その初期において図５（ｂ）のような電圧分布となる。
また、燃料電池スタックの湿潤状態が乾燥状態へ変化する場合、その初期において図５（ｃ）のような電圧分布となる。
図５に、燃料電池スタック内の各セルの電圧分布の一例を説明するための図を示す。
図５において、５１は発電セル、５２および５３は一対の湿潤状態検出用セルの出力電圧を表わし、５２は過加湿状態検出用セル、５３は乾燥状態検出用セルの出力電圧を表わす。
ここで、燃料電池スタック内で湿潤状態が適正に保たれている場合、図５（ａ）のような電圧分布となる。
また、燃料電池スタックの湿潤状態が過加湿状態へ変化する場合、その初期において図５（ｂ）のような電圧分布となる。
また、燃料電池スタックの湿潤状態が乾燥状態へ変化する場合、その初期において図５（ｃ）のような電圧分布となる。
このように、燃料電池スタックの湿潤状態が変化した初期において、一対の湿潤状態検出用セルの内、一方の出力が低下する。
しかし、この時点において、湿潤状態検出用セル以外の発電セル及び前記出力が低下した湿潤状態検出用セルとは異なる方の湿潤状態検出用セルの出力は変化しない。したがって、制御装置４２によって一対の湿潤状態検出用セルの出力を比較し、湿潤状態の変化を検知した際に湿潤状態の制御を行えば、燃料電池の出力低下を最小限に抑制して、適正な湿潤状態において燃料電池スタックを運転することが可能となる。
本実施例は、燃料電池スタック内に湿潤状態検出用セルを直列に含み、外部負荷に電力を供給する燃料電池である。
このような燃料電池では、湿潤状態の変化を検知する時に燃料電池スタックの出力電圧が若干落ちるものの、発電効率が低下した発電セルの近くに配置されている発電セルの発電効率が低下する前に対策を行なうことが可能である。
これにより、燃料電池の出力電圧低下を最小限に留めることができる。
すなわち、安定した出力を供給することができる燃料電池の提供が可能となる。
しかし、この時点において、湿潤状態検出用セル以外の発電セル及び前記出力が低下した湿潤状態検出用セルとは異なる方の湿潤状態検出用セルの出力は変化しない。したがって、制御装置４２によって一対の湿潤状態検出用セルの出力を比較し、湿潤状態の変化を検知した際に湿潤状態の制御を行えば、燃料電池の出力低下を最小限に抑制して、適正な湿潤状態において燃料電池スタックを運転することが可能となる。
本実施例は、燃料電池スタック内に湿潤状態検出用セルを直列に含み、外部負荷に電力を供給する燃料電池である。
このような燃料電池では、湿潤状態の変化を検知する時に燃料電池スタックの出力電圧が若干落ちるものの、発電効率が低下した発電セルの近くに配置されている発電セルの発電効率が低下する前に対策を行なうことが可能である。
これにより、燃料電池の出力電圧低下を最小限に留めることができる。
すなわち、安定した出力を供給することができる燃料電池の提供が可能となる。
［実施例２］
実施例２においては、一対の湿潤状態検出用セルを隣接配置して、さらに発電セルのアノード電極同士（燃料極における電極同士）あるいは発電セルのカソード電極同士（酸化剤極における電極同士）を電気的に共通に接続するようにした構成例について説明する。図６は、本実施例の構成例を説明するための図であり、図６（ａ）（ｃ）はアノード電極同士（燃料極における電極同士）を共通に設けた例である。
また、図６（ｂ）（ｄ）はカソード電極同士（酸化剤極における電極同士）を共通に設けた例である。
図６において、６１は燃料電池スタック、６２は制御装置、６３は外部負荷である。
実施例２においては、一対の湿潤状態検出用セルを隣接配置して、さらに発電セルのアノード電極同士（燃料極における電極同士）あるいは発電セルのカソード電極同士（酸化剤極における電極同士）を電気的に共通に接続するようにした構成例について説明する。図６は、本実施例の構成例を説明するための図であり、図６（ａ）（ｃ）はアノード電極同士（燃料極における電極同士）を共通に設けた例である。
また、図６（ｂ）（ｄ）はカソード電極同士（酸化剤極における電極同士）を共通に設けた例である。
図６において、６１は燃料電池スタック、６２は制御装置、６３は外部負荷である。
以上の本実施例の構成例のように接続することによって、一対の湿潤状態検出用セルの電気的に共通に接続されていない電極間の電圧により湿潤状態の判断が可能となる。
このような構成例の場合、前述したように発電セルのみに接続された外部負荷６３とは別に、一対の湿潤状態検出用セルにそれぞれに、負荷６４、６５を接続するのが好ましい。また図中矢印は、図４中と同様、燃料電池スタック内の燃料の流れを示す。
燃料電池スタック内の一連の発電セルは、外部負荷に接続して電力を供給する。一方、負荷６４、６５に接続された一対の湿潤状態検出用セルの電気的に共通に接続されていない電極は、制御装置で電極間の電圧が検知され湿潤状態の制御に用いられる。
本実施例では、２端子間の電圧のみで燃料電池スタックの湿潤状態の検知が可能となるので、制御装置を簡略化することが可能である。
このような構成例の場合、前述したように発電セルのみに接続された外部負荷６３とは別に、一対の湿潤状態検出用セルにそれぞれに、負荷６４、６５を接続するのが好ましい。また図中矢印は、図４中と同様、燃料電池スタック内の燃料の流れを示す。
燃料電池スタック内の一連の発電セルは、外部負荷に接続して電力を供給する。一方、負荷６４、６５に接続された一対の湿潤状態検出用セルの電気的に共通に接続されていない電極は、制御装置で電極間の電圧が検知され湿潤状態の制御に用いられる。
本実施例では、２端子間の電圧のみで燃料電池スタックの湿潤状態の検知が可能となるので、制御装置を簡略化することが可能である。
図６に示したセパレータ６６、６７、６８、６９の具体的な構成例を、図７に示す。
図７（ａ）および（ｂ）は、図６（ａ）、（ｂ）におけるセパレータ６６で使用可能なセパレータの例であり、両面に酸化剤流路を設けた構成である。セパレータの端部には、貫通口７１が設けられる。
図７（ａ）は酸化剤流路として導電性の多孔質材料７２を用いた例、図７（ｂ）は、溝７３を形成した例である。
図７（ｃ）は、図６（ａ）におけるセパレータ６７で使用可能なセパレータの例であり、両面に燃料流路７４を設けた構成である。
セパレータの端部には、貫通口７１が設けられると同時に、セパレータ両面に設けられた燃料流路に燃料を導く。
図７（ａ）および（ｂ）は、図６（ａ）、（ｂ）におけるセパレータ６６で使用可能なセパレータの例であり、両面に酸化剤流路を設けた構成である。セパレータの端部には、貫通口７１が設けられる。
図７（ａ）は酸化剤流路として導電性の多孔質材料７２を用いた例、図７（ｂ）は、溝７３を形成した例である。
図７（ｃ）は、図６（ａ）におけるセパレータ６７で使用可能なセパレータの例であり、両面に燃料流路７４を設けた構成である。
セパレータの端部には、貫通口７１が設けられると同時に、セパレータ両面に設けられた燃料流路に燃料を導く。
図６（ｃ）では、図６（ａ）で用いるセパレータ６７の変わりにセパレータ６８を用いる。
セパレータ６８では、燃料流路がセパレータの両面で共有された構成となっている。
例えば図７（ｄ）（ｅ）のような構成のセパレータが適応可能である。
図７（ｅ）では、セパレータの端部に設けられた貫通口７１に接して、導電性の多孔質材料７５を配置して燃料流路とする。
セパレータ６８では、燃料流路がセパレータの両面で共有された構成となっている。
例えば図７（ｄ）（ｅ）のような構成のセパレータが適応可能である。
図７（ｅ）では、セパレータの端部に設けられた貫通口７１に接して、導電性の多孔質材料７５を配置して燃料流路とする。
図６（ｄ）では、図６（ｂ）で用いるセパレータ６６の変わりにセパレータ６９を用いる。
セパレータ６９では、酸化剤流路がセパレータの両面で共有された構成となっている。例えば、図７（ｆ）（ｇ）のような構成のセパレータが適用可能である。図７（ｇ）では、両面の酸化剤流路として共通の導電性の多孔質材料７６を用いる。
例えば、図６（ｃ）の構成では、燃料流路が共有される一対の湿潤状態検出用セルの、燃料の湿潤状態を同一に保てるので、酸化剤流路の湿潤状態の差異を検出可能となる。
また、図６（ｄ）の構成では、酸化剤流路が共有される一対の湿潤状態検出用セルでは、酸化剤の湿潤状態を同一に保てるので、燃料流路の湿潤状態の差異を検出可能となる。
このように、一対の湿潤状態検出用セルの燃料流路あるいは酸化剤流路を共有することにより、酸化剤あるいは燃料のみの湿潤状態の影響を検出可能となるので、酸化剤あるいは燃料の湿潤状態制御を精度良く実施可能となる。
セパレータ６９では、酸化剤流路がセパレータの両面で共有された構成となっている。例えば、図７（ｆ）（ｇ）のような構成のセパレータが適用可能である。図７（ｇ）では、両面の酸化剤流路として共通の導電性の多孔質材料７６を用いる。
例えば、図６（ｃ）の構成では、燃料流路が共有される一対の湿潤状態検出用セルの、燃料の湿潤状態を同一に保てるので、酸化剤流路の湿潤状態の差異を検出可能となる。
また、図６（ｄ）の構成では、酸化剤流路が共有される一対の湿潤状態検出用セルでは、酸化剤の湿潤状態を同一に保てるので、燃料流路の湿潤状態の差異を検出可能となる。
このように、一対の湿潤状態検出用セルの燃料流路あるいは酸化剤流路を共有することにより、酸化剤あるいは燃料のみの湿潤状態の影響を検出可能となるので、酸化剤あるいは燃料の湿潤状態制御を精度良く実施可能となる。
図６（ｃ）に示す、一対の湿潤状態検出用セルを隣接配置し、アノード電極同士（燃料極における電極同士）を電気的に共通に接続すると共に、燃料流路を共通に構成する燃料電池スタックを用いた燃料電池装置を説明する。
燃料電池スタック内の一対の湿潤状態検出用セルでは、例えば酸化剤流路に用いる導電性の多孔質材料の気孔率が異なる構成とする。
すなわち、気孔率を、過加湿状態検出用セル＜発電セル＜乾燥状態検出用セル、の順に大きくなるよう選択する。三菱マテリアル株式会社製のステンレス製の発泡金属などが利用可能であり、気孔率は例えば、過加湿状態検出用セルで７０％、発電セルで８０％、乾燥状態検出用セルで９０％のように選択できる。過加湿状態検出用セルに接続する負荷６４および乾燥状態検出用セルに接続する負荷６５はそれぞれ、発電セルが外部負荷６３に供給する平均的な電流が流れるよう設定する。
一対の湿潤状態検出用セルのカソード電極（酸化剤極における電極）はそれぞれ制御装置に接続し、電圧を検出する。制御装置では検出された電圧に基づいて、酸化剤供給部と燃料電池スタックの酸化剤供給経路間に設けられた加湿器における酸化剤の加湿を制御する。
燃料電池スタック内の一対の湿潤状態検出用セルでは、例えば酸化剤流路に用いる導電性の多孔質材料の気孔率が異なる構成とする。
すなわち、気孔率を、過加湿状態検出用セル＜発電セル＜乾燥状態検出用セル、の順に大きくなるよう選択する。三菱マテリアル株式会社製のステンレス製の発泡金属などが利用可能であり、気孔率は例えば、過加湿状態検出用セルで７０％、発電セルで８０％、乾燥状態検出用セルで９０％のように選択できる。過加湿状態検出用セルに接続する負荷６４および乾燥状態検出用セルに接続する負荷６５はそれぞれ、発電セルが外部負荷６３に供給する平均的な電流が流れるよう設定する。
一対の湿潤状態検出用セルのカソード電極（酸化剤極における電極）はそれぞれ制御装置に接続し、電圧を検出する。制御装置では検出された電圧に基づいて、酸化剤供給部と燃料電池スタックの酸化剤供給経路間に設けられた加湿器における酸化剤の加湿を制御する。
［実施例３］
実施例３においては、制御装置における、電圧の検出値と、加湿器の制御方法について説明する。
図８に、本実施例を説明するための燃料電池装置動作中の、制御装置における電圧の検出値の時間変化を示す。電圧の極性は、図６（ｃ）中の方向とする。
すなわち、負荷６５の接続された乾燥状態検出用セルの出力電圧を正方向とする。
例えば、図８中Ａの領域では乾燥状態検出用セルの出力電圧が過加湿状態検出用セルの出力電圧よりも高く、燃料電池スタックが過加湿状態にあると判断し、加湿器における酸化剤の加湿を行わない。
実施例３においては、制御装置における、電圧の検出値と、加湿器の制御方法について説明する。
図８に、本実施例を説明するための燃料電池装置動作中の、制御装置における電圧の検出値の時間変化を示す。電圧の極性は、図６（ｃ）中の方向とする。
すなわち、負荷６５の接続された乾燥状態検出用セルの出力電圧を正方向とする。
例えば、図８中Ａの領域では乾燥状態検出用セルの出力電圧が過加湿状態検出用セルの出力電圧よりも高く、燃料電池スタックが過加湿状態にあると判断し、加湿器における酸化剤の加湿を行わない。
一方、Ｂの領域では、燃料電池スタックの加湿が十分でないと判断し、加湿器における酸化剤の加湿を行う。
このように、一対の湿潤状態検出用セルの出力に基づいて湿潤状態の制御を行うと、発電セルの出力の低下を最小限に抑制した、精度良い制御が簡便な構成で実現可能となる。
このように、一対の湿潤状態検出用セルの出力に基づいて湿潤状態の制御を行うと、発電セルの出力の低下を最小限に抑制した、精度良い制御が簡便な構成で実現可能となる。
１１：燃料供給部
１２：酸化剤供給部
１３：加湿器
１４：燃料電池スタック
１５：制御装置
２１、２２：エンドプレート
２３：発電セル
２４：ＭＥＡ
２５：セパレータ
３１：酸化剤流路
３２：燃料流路
３３：貫通口
３４：酸化剤流路
４１：燃料電池スタック
４２：制御装置
４３：外部負荷
４４：負荷
５１：発電セル
５２：過加湿状態検出用セル
５３：乾燥状態検出用セル
６１：燃料電池スタック
６２：制御装置
６３：外部負荷
６４、６５：負荷
６６、６７、６８、６９：セパレータ
７１：貫通口
７２：燃料流路
７３：溝
７４：燃料流路
７５：多孔質材料
７６：多孔質材料
１２：酸化剤供給部
１３：加湿器
１４：燃料電池スタック
１５：制御装置
２１、２２：エンドプレート
２３：発電セル
２４：ＭＥＡ
２５：セパレータ
３１：酸化剤流路
３２：燃料流路
３３：貫通口
３４：酸化剤流路
４１：燃料電池スタック
４２：制御装置
４３：外部負荷
４４：負荷
５１：発電セル
５２：過加湿状態検出用セル
５３：乾燥状態検出用セル
６１：燃料電池スタック
６２：制御装置
６３：外部負荷
６４、６５：負荷
６６、６７、６８、６９：セパレータ
７１：貫通口
７２：燃料流路
７３：溝
７４：燃料流路
７５：多孔質材料
７６：多孔質材料
Claims (9)
- 高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極が、他方の面に燃料極が設けられた燃料電池セルにより構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池において、
前記燃料電池セルが、複数の発電セルと一対の湿潤状態検出用セルからなり、
前記一対の湿潤状態検出用セルにおける一方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも過加湿状態に敏感な過加湿状態検出用セルで構成されると共に、
他方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも乾燥状態に敏感な乾燥状態検出用セルで構成されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記過加湿状態検出用セルの高分子電解質膜が、前記発電セルのものよりも薄く構成され、
前記乾燥状態検出用セルの高分子電解質膜が、前記発電セルのものよりも厚く構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 - 前記過加湿状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における触媒層の濡れ性が、前記発電セルのものよりも親水性に構成され、
前記乾燥状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における触媒層の濡れ性が、前記発電セルのものよりも疎水性に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 - 前記過加湿状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における流路のガス拡散性が、前記発電セルのものよりも低く構成され、
前記乾燥状態検出用セルの前記酸化剤極または前記燃料極における流路のガス拡散性が、前記発電セルのものよりも高く構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 - 前記一対の湿潤状態検出用セルが、前記燃料電池スタック内において隣接して配置され、前記一対の湿潤状態検出用セルの前記燃料極における電極同士あるいは前記一対の湿潤状態検出用セルの前記酸化剤極における電極同士が電気的に共通に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記一対の湿潤状態検出用セルの電圧を比較することにより湿潤状態を検知し、該検知によって湿潤状態の制御を行う制御装置を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記制御装置は、前記一対の湿潤状態検出用セルが請求項５に記載のとおり電気的に接続されている燃料電池において、
前記一対の湿潤状態検出用セルの電気的に共通に接続されていない電極間の電圧により湿潤状態を検知することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。 - 前記一対の湿潤状態検出用セルには、前記発電セルに接続された外部負荷とは別の負荷が接続され、該負荷には発電セルが発電する平均的な電流が流れるよう設定されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池。
- 前記制御装置によって制御される加湿器を備え、該加湿器によって前記酸化剤極に供給される酸化剤の加湿が可能に構成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
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