JP2011049104A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のドライアウトを、システムの大型化、高コスト化をすることなく確実に検知する。
【解決手段】燃料極２と酸化剤極３とが電解質膜１を挟んで対向配置されてなる燃料電池セル１０を複数積層して構成される燃料電池スタック２５を備える燃料電池システムにおいて、電解質膜１の中を移動する水の拡散係数をＤｗ（ｍ²／ｓｅｃ）、電解質膜１の厚さをＬ（ｍ）、電気浸透係数をＮｄ（ｍｏｌ_H2O／ＭＯＬ_H+）としたときに、燃料電池スタック２５を構成する複数の燃料電池セル１０のうち一部の燃料電池セルは、その他の燃料電池セル１０に比べてＤｗ／（Ｌ×Ｎｄ）で表わされる値が小さく、一部の燃料電池セルにはセル電圧を検出する電圧検出手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、電解質膜のドライアウトを検知する装置及び方法に関する。

燃料電池セルを複数枚積層してなる燃料電池スタックにおいて、駆動の際の発熱によって、電解質膜が損傷することが問題となっている。このような損傷は、電解質膜が乾燥した、いわゆるドライアウトの状態で生じ易く、電解質膜に孔が開く場合もある。孔が開いた場合には、出力の低下を招くだけでなく、水素と酸素が混合してしまうことで通常の電気化学反応が起こらなくなり、燃料電池スタックが発電不能になるおそれもある。

そこで、特許文献１では、各セルの電圧である単セル電圧を一定時間毎に検出し、検出した電圧が所定電圧以下になった場合にドライアウトの状態であると判定し、警告信号を発するようにしている。

特開２００７−１２４２９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、各セルに電圧検知手段を設ける必要があり、これにより装置の大型化や高コスト化が避けられない。

そこで、本発明では大型化、高コスト化を招くことなく、簡便にドライアウトを検知し得る装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタックを備える。そして、電解質膜の中を移動する水の拡散係数をＤｗ（ｍ²／ｓｅｃ）、電解質膜の厚さをＬ（ｍ）、電気浸透係数をＮｄ（ｍｏｌ_H2O／ＭＯＬ_H+）としたときに、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち一部の燃料電池セルは、その他の燃料電池セルに比べてＤｗ／（Ｌ×Ｎｄ）で表わされる値が小さい。さらに、一部の燃料電池セルにはセル電圧を検出する電圧検出手段を設ける。

本発明によれば、Ｄｗ／（Ｌ×Ｎｄ）で表わされる値が相対的に小さい燃料電池セルが、その他の燃料電池セルよりドライアウトし易くなる。ドライアウトし易い燃料電池セルがわかっているので、ドライアウトし易い燃料電池セルに電圧計を設けるだけで、ドライアウトを確実に検知することができる。すなわち、すべての燃料電池セルの電圧をモニタリングする必要がないので、システムの大型化や高コストを招くことなく、ドライアウトを確実に検知することができる。

第１実施形態に用いる燃料電池の概略図である。 図１の燃料電池を用いた燃料電池システムの一例を示す構成図である。 燃料電池内の水の動きを模式的に示した図である。 水移動性が良い場合の電流−電圧特性（ｉＶ特性）を示す図である。 水移動性が悪い場合の電流−電圧特性（ｉＶ特性）を示す図である。 第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図６の制御を実行した場合の、セル電圧、電流密度、カソード圧及び出力のタイムチャートである。 すべて同一の単位セルで燃料電池スタックを構成した場合のセル電圧、電流密度、カソード圧及び出力のタイムチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す構成図である。 第２実施形態において無負荷時に実行する制御ルーチンのフローチャートである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に用いる燃料電池の概略図である。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を用いる。そして、燃料電池１０の反応ガスとして、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスを用いる。

単位セルは、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜１）を燃料極２および酸化剤極３により狭持した膜電極接合体（以下、ＭＥＡ１５）を、さらに、アノードセパレータ４、カソードセパレータ５で狭持することにより構成する。このような単位セルを積層することにより、燃料電池１０の積層体である燃料電池スタック２５を構成する。なお、図１では、単位セルを３枚積層した状態を示している。

アノードセパレータ４の燃料極２に対峙する面には、アノード流路６を構成する。アノード流路６には、後述するアノードガスマニホールド１４により分配された燃料ガス、例えば水素含有ガスを流通させる。また、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する面には、カソード流路７を構成する。カソード流路７には、後述するカソードガスマニホールド１２により分配された酸化剤ガスを流通させる。ここで、アノードガスマニホールド１４と、カソードガスマニホールド１２は、燃料電池スタック２５を積層方向に貫通し、外部より供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを各セルに分配する。本実施形態では、アノードガスマニホールド１４、カソードマニホールド１２として積層面を貫通する内部マニホールドを用いる。

アノードセパレータ４とカソードセパレータ５の合わせ面には、冷却水流路８を構成する。この冷却水流路８にエチレングリコール等の溶媒を流すことにより、温度上昇した燃料電池１０の熱を排出する。

また、ＭＥＡ１５の外周に沿って、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏れを防ぐためのエッジシール２０を配置する。

上記燃料電池１０の燃料極２及び酸化剤極３には、白金担持カーボンを用いる。また、電解質膜１には、厚さ２５μｍと５０μｍの２種類のＮａｆｉｏｎ（Ｄｕｐｏｎｔ社製 登録商標）を用いる。

図２は、燃料電池１０を発電源として用いるシステムの一例を示す構成図である。

燃料電池１０の積層方向両端に、それぞれ集電板３０ａ、３０ｂ、絶縁板３６及びエンドプレート３５を配置して構成する。積層した燃料電池１０、集電板３０ａ、３０ｂ、絶縁板３６及びエンドプレート３５は、燃料電池１０の内部四隅に貫通した貫通孔に、タイロッド３３を挿通して、タイロッド３３の端部にナット３４を螺合することによって締結する。締結方法は、燃料電池１０の内部にタイロッド３３を貫通する方法に限られず、燃料電池１０外部において、エンドプレート３５の四隅を４本のタイロッド３３で縦貫してもよい。

集電板３０ａ、３０ｂを、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板３０ａ、３０ｂにはそれぞれ、燃料電池１０で生じた起電力の取り出し部となる出力端子１１０を設ける。取り出された出力は、図示しない出力センサによって検出される。

絶縁板３６を、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などにより構成する。タイロッド３３を、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。タイロッド３３の表面は絶縁処理を行っており、燃料電池１０の単位セル同士の電気的短絡を防止する。

一方のエンドプレート３５には、燃料電池１０内に燃料ガス（水素ガス又は水素含有ガス）を供給するための燃料ガス入口１４ａ、及び、燃料電池１０内に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための酸化剤ガス入口１２ａ、そしてこれらの出口である燃料ガス出口１４ｂ、酸化剤ガス出口１２ｂを設ける。

出力端子１１０から取り出した電力は、モータ等の負荷３２に供給する。この燃料電池１０を自動車等の動力源として用いる場合には、モータは自動車を動かすための補機類へと繋がる。

燃料電池スタック２５の積層方向中央部に配置した燃料電池１０ａの起電力を検知するための電圧計３１を設ける。

ここで、上述した燃料電池１０内の水の動きについて説明する。

図３は、燃料電池１０内の水の動きを模式的に示した図である。燃料電池１０の発電時には、燃料極２、酸化剤極３ではそれぞれ以下のような反応が起きている。

燃料極：Ｈ₂→２Ｈ^-＋２ｅ^- ・・・（１）
酸化剤極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
このとき、Ｈ⁺（プロトン）は水分子をドラッグして電解質膜内を移動する。ここでプロトン１分子がドラッグする水分子の数をＮｄとする。一方で、燃料電池１０内では、酸化剤極３で生成したＨ₂Ｏ（水）が酸化剤極３から燃料極２へ拡散してくる。つまり、燃料極２から酸化剤極３へドラッグされる水と、酸化剤極３から燃料極２へ拡散する水がバランスされて発電が成立している。このドラッグと拡散を数式で表すと、電解質膜１内を移動する水の流束Ｊ_H2Oは、
Ｊ_H2O＝Ｎｄ・（Ｉ／Ｆ）−Ｄｗ・（ΔＣ_W／Ｌ） ・・・（３）
で表わすことができる。ここで、ΔＣ_Wは電解質膜１間の水濃度勾配、Ｉは電流密度、Ｆはファラデー定数である。

Ｊ_H2Oは燃料極２から酸化剤極３への移動をプラスと定義しており、通常は、Ｊ_H2Oはマイナスの値、つまり水は酸化剤極３から燃料極２へと移動する。逆にいえば、Ｊ_H2Oがゼロ以上となったとき、燃料極２から酸化剤極３へ水が移動することを表わしており、この条件を満たすと乾燥（ドライアウト）し始める。そこで上式を、この境界を意味するＪ_H2O＝０として電流密度Ｉについて解くと、ドライアウト開始時（Ｊ_H2O＝０）の電流Ｉ_Dryは、次のように表わされる。

Ｉ_Dry＝Ｆ・[Ｄｗ／（Ｎｄ×Ｌ）]・ΔＣ_W ・・・（４）

式（４）から、Ｄｗ／（Ｎｄ×Ｌ）が小さいと、小さな電流でもドライアウトしてしまうことがわかる。また、Ｄｗ／（Ｎｄ×Ｌ）が大きいほど燃料極２と酸化剤極３との間での水移動性が良好で、これが小さいと水移動性が悪いということがわかる。

図４、図５は、それぞれ水移動性が良い場合と悪い場合の電流−電圧特性（ｉＶ特性）を示している。図中の実線Ｖは電圧、実線Ｏは抵抗を示しており、横軸が電流密度を示している。

燃料電池１０内では、様々な外乱要因によって電解質膜１内の含水量が異なり、この含水量の違いはｉＶ特性に現れる。したがって、図４及び図５に示すように１つの燃料電池１０内の一方の端部付近と、中央付近と、他方の端部付近の３か所のｉＶ特性を比べると、含水量の違いに応じてそれぞれ異なるｉＶ特性を示す。

電解質膜１の水移動性が良い場合と悪い場合を比較すると、図４と図５からわかるように、水移動性が良い場合の方が３か所のｉＶ特性の差は相対的に小さい。つまり、水移動性が良い場合には、電解質膜１のどの位置でも同様に電流密度を取り出せるようなｉＶ特性になっている。

これに対して、水移動性が悪い場合は、場所によって取り出せる電流密度の限界値が異なるｉＶ特性となっている。これは、上記のＤｗ／（Ｎｄ×Ｌ）が小さいために、生成水を電解質膜１に十分戻すことができず、乾燥してしまうからである。例えば図５でいえば、左側部分と中央部分の電流密度限界値が右側部分よりも小さいため、電流が右側部分に集中して、この部分が発熱してドライアウトする。この熱による膨張等によって損傷や孔開きに至る。

燃料電池スタック２５の単位セルがすべて同じ仕様であれば、その部分に孔が開くかはランダムに決まることになる。したがって、すべての単位セルをモニタリングしなければ、ドライアウトを検知できない。

そこで、本実施形態では、燃料電池スタック２５の中央部に配置したセル１０ａには、厚さ５０μｍの電解質膜１を用い、その他の燃料電池１０には厚さ２５μｍの電解質膜１を用いる。

これは、中央部のセル１０ａだけ、前述した水移動性を表わす値Ｄｗ／（Ｎｄ×Ｌ）の電解質膜厚さＬを２倍にしたことになる。つまり、このセル１０ａは他のセルに比べて水移動性が半分になり、すべてのセルの中で最も早くドライアウトすることになる。

したがって、中央部のセル１０ａのみ電圧をモニタリングしていれば、ドライアウトを検知することができる。そこで、セル１０ａにのみ電圧計３１を設ける。

また、セル１０ａのカソード触媒担持量は、他のセルに対して２/３の量とし、セル１０ａを構成するセパレータの厚さは、他のセルを構成するセパレータの２倍とする。

なお、カソード触媒担持量を減らす代わりに、冷却水を流す流路断面積を２/３程度にして圧力損失を増やしてもよい。

次に、上述した燃料電池スタック２５の制御について説明する。

図６は、電流を取り出している状態である通常運転中に、燃料電池スタック２５のドライアウト及びそれに伴う穴開き等を防止するために図示しない制御装置が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。システム運転中に一定期間ごと、例えば１０ミリ秒ごと、に繰り返し実行する。なお、通常は水素および酸素の利用率を一定として運転しており、特に記載がなければ、電流に合わせてガス流量を変化させている。以下、ステップに従って説明する。

ステップＳ１では、常にセル１０ａの電圧をモニタリングして、この電圧が所定電圧Ｖ１を下回ったらステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、燃料電池スタック２５の出力を低下させて、取り出す電流を低下させる。そして、ステップＳ３ではセル電圧がＶ１以上になったか否かを判定し、Ｖ１以上になるまでステップＳ２、Ｓ３を繰り返す。

ここで、ステップＳ２で電流を低下させる理由について説明する。

本制御はセル１０ａのドライアウトを早急に解消することを目的とする。そのために後述するようにカソードのガス圧（カソード圧）を上昇させるが、カソード圧は直ちには上昇せず、数秒程度を要する。これに対して、セル電圧はドライアウトした場合には１秒程度で急激に低下するので、カソード圧の上昇が間に合わずにセルの破損に至るおそれがある。そこで、後述するステップＳ４でカソード圧を上昇させる前に、まず電流を強制的に低下させることでドライアウトによるセルの破損を回避している。

フローチャートの説明に戻る。

セル電圧がＶ１以上になったらステップＳ４に進み、カソード圧を上昇させる。このガス圧力上昇に伴いゼル１０ａは湿潤状態となるので、ステップＳ５で電流を増加させる。

ステップＳ６では要求出力に到達したか否かを判定し、到達するまで上記ステップＳ３からＳ６を繰り返し実行し、つまり要求出力に到達するまでカソード圧上昇と電流増加を繰り返し、要求出力に到達したら本ルーチンを終了する。

ここで、カソード圧の上限は、燃料電池１０の上限圧力を超えない範囲にする必要がある。通常、セパレータや電解質膜１の耐圧を考慮すると、２００〜３００ｋＰａ程度が上限となる。したがって、カソード圧が上限に達してもなお要求出力に到達していない場合には、カソード圧は要求出力に到達するまで上限値に保持されることとなる。

次に、上記制御を実行した場合の効果について説明する。

図７は上記制御を実行した場合の、セル１０ａの電圧、電流密度、カソード圧、及び出力のタイムチャートである。図８は、比較のためのグラフであって、すべて同一の単位セルで燃料電池スタックを構成し、各セルについて電圧挙動を調べた結果、実験後に損傷が確認されたセルの電圧挙動を示すグラフである。

いずれも、最初の５秒間は無負荷状態で、５秒経過から１０秒経過までの間に、要求出力になるまで電流密度を増加させ、その電流密度を維持するようにした場合の電圧挙動である。また、図６のステップＳ１で用いる所定電圧Ｖ１は、予め測定したｉｖ特性から乾燥する条件を求め、−２Ｖとした。

図７では、５秒経過後から電流密度を増加させるのに伴ってセル１０ａの電圧は約０．６Ｖまで低下し、１０秒経過から２０秒経過までの間はそのまま約６Ｖで発電をしていた。しかし、２０秒経過後からセル１０ａの電圧は急激に低下し、図示されていないが−２Ｖまで低下した。これは、スタック温度が徐々に上昇し、２０秒経過の時点でドライアウトしたためと考えられる。その後、図示はされていないが、セル１０ａの電圧が−２Ｖまで低下している。

そこで、図６の制御ルーチンに従って電流を低下させ（図６のＳ２）、セル電圧が−２Ｖを上回ることを確認した（図６のＳ３）。そして、カソード圧を上昇させる制御を開始し（図６のＳ４）、続いて電流を増加させた（図６のＳ５）。最終的に、３０秒の時点で元の出力（要求出力）に到達したことを確認し、制御を終了している。

上記のようなドライアウト時の操作を複数回行っても、実験後に燃料電池スタック２５を構成する各セルに損傷は確認されなかった。

一方、図８では、２０秒経過までの電圧挙動と、２０秒経過後から急激に電圧が低下する点では図７と同様であるが、図８では−３０Ｖまで電圧が低下し、その後電圧が元に戻ることはなかった。そこで当該セルを取り出して確認したところ、電解質膜１に穴が開いていることが確認された。

なお、特定の単位セルを他のセルよりも早くドライアウトし易くするには、上述したように電解質膜１の厚さを変えることが最も簡便な方法であるが、この他にも、拡散係数の小さい電解質膜を用いる等の方法もある。例えば、水の移動性には、イオン交換基容量との相関があり、イオン交換基容量が小さいほど水の拡散性が低下する。そこで、セル１０ａにイオン交換基容量が小さい電解質膜を用いることでも、上記と同様の効果を得ることができる。また、見かけ上のイオン交換基容量を下げるために、イオン交換基のプロトンを金属イオンで置換する方法でも、同様の効果を得ることができる。

なお、上記説明では、セル１０ａを燃料電池スタック２５の中央部に配置したが、これに限られるわけではない。

また、セル１０ａが１枚の場合について説明したが、セル１０ａを複数設けて、例えば２枚のセル１０ａを燃料電池スタック２５の両端に配置してもよい。

以上のように本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。

（１）複数のセル１０、１０ａを積層して構成される燃料電池スタック２５を備える燃料電池システムにおいて、セル１０ａはその他のセル１０に比べてＤｗ／（Ｌ×Ｎｄ）で表わされる値が小さいので、セル１０ａは他のセル１０に比べて水移動性が悪くなる。つまり、セル１０ａは他のセル１０に比べてドライアウトし易くなる。そして、他のセル１０に比べてドライアウトし易いセル１０ａに電圧計３１を設けたので、システムの大型化、高コスト化を招くことなく、ドライアウトを確実に検知することができる。

（２）セル１０ａは、触媒担持量がその他のセル１０に比べて少ない。触媒担持量が少ない方が、過電圧が大きく高温になり易い。そして燃料電池が高温になると湿度は相対的に低下するので、より乾燥しやすく、電流密度分布がばらつきやすくなる。したがって、セル１０ａの水移動性を悪くするのに加え、さらに触媒担持量をその他のセル１０に比べて少なくすることで、セル１０ａはさらにドライアウトし易くなる。これによって、さらにドライアウトを検知し易くなる。

（３）セル１０ａ用の冷却水流路８は、その他のセル１０用の冷却水流路８よりも圧力損失が大きい。圧力損失が大きいほど冷却水流量が減少するため、放熱しにくくなり、高温（低湿度）になり易い。高温、低湿度条件ではセル１０ａはドライアウトし易くなるため、ドライアウトを検知し易くなる。

（４）燃料電池スタック２５の熱は、端部では空気中に放熱されるが中央部では放熱されにくい。したがって、中央部の方が相対的に高温、低湿度になり易い。そこで、セル１０ａを燃料電池スタック２５の中央部に配置することで、セル１０ａはよりドライアウトし易くなり、ドライアウトを検知し易くなる。

（５）セル１０ａのセパレータ４、５は、その他のセル１０のセパレータ４、５に比べて厚いので、セル１０ａが発熱したとしてもセパレータ４、５の変形を防ぐことができる。これにより、セパレータ４、５の変形に起因する燃料ガスの外部への漏れを防止でき、信頼性や安全性を確保することができる。

（６）セル１０ａのセル電圧が予め設定した所定電圧Ｖ１を下回った場合に、セル１０ａの酸化剤極３に供給するガス圧力を増加させるので、供給ガスの流速が下がり、湿度は相対的に高くなる。これにより、ドライアウトが生じた場合にも電解質膜１の損傷を防いで、通常運転に復帰することができる。

第２実施形態について説明する。

図９は本実施形態を適用する燃料電池の概略図である。基本的な構成は図２と同様なので、相違点についてのみ説明する。

本実施形態では、電圧計３１を設けたセル１０ａを、燃料ガス入口１４ａ及び酸化剤ガス入口１２ａ並びに燃料ガス出口１４ｂ及び酸化剤ガス出口１２ｂから遠い側の集電板３０ｂに隣接するように配置した。そして、アノードガスマニホールド１４及びカソードガスマニホールド１２に、セル１０ａと他のセル１０との間でのガスの流れを遮断可能なシャットオフ弁４０を設けた。さらに、セル１０ａの燃料極２と酸化剤極３を電気的に接続する通電スイッチ４１を設けた。

すなわち、シャットオフ弁４０を開くと、燃料ガス入口１４ａ及び酸化剤ガス入口１２ａから供給されたガスはすべてのセル１０、１０ａに供給され、燃料ガス出口１４ｂ及び酸化剤ガス出口１２ｂから排出される。一方、シャットオフ弁４０を閉じると、セル１０ａへのガスの供給がされなくなる。

また、通電スイッチ４１をオフにすると、すべてのセル１０、１０ａを直列に配置した状態となる。一方、通電スイッチ４１をオンにすると、セル１０ａは電気的にバイパスされる。つまり、集電板３０ａ、３０ｂはセル１０ａを除いたセル１０から出力を取り出すこととなる。

通常運転時には、シャットオフ弁４０は開いた状態、通電スイッチ４１はオフの状態になっている。

次に上記構成の燃料電池スタック２５の制御について説明する。

通常運転中の制御は、第１実施形態と同様である。しかし、電流を取り出していない状態である無負荷時には、ドライアウトによってセル１０ａが破損しているか否かを判断し、破損がある場合に引き続き運転を行うための制御を実行する。

無負荷時に図６の制御ルーチンを実行しないのは、無負荷時には電解質膜１内をプロトンが流れないので、水をドラッグすることがなく、結果としてドライアウトすることがないからである。

なお、通常運転中に図６の制御ルーチンを実行すれば、上述したようにドライアウトを確実に発見できるので、基本的にはセル１０ａの破損を防止することができる。

しかし、ドライアウトによる電圧降下からミリ秒以下の短時間でセル１０ａが破損する場合もある。この場合には、電流を下げる制御（図６のＳ２）が間に合わずに、セル１０ａが破損するおそれがある。そこで、本実施形態では、通常運転中に実行する図６の制御の他に、無負荷時にはセル１０ａの破損の有無を判断し、破損がある場合でも運転を継続するための制御を実行する。

図１０は図示しない制御装置が無負荷時に実行する制御ルーチンのフローチャートである。以下、フローチャートのステップに従って説明する。

ステップＳ２１では、電圧をモニタリングし、検出した電圧が所定電圧Ｖ２以下になったらステップＳ２２へ進む。ここでの所定電圧Ｖ２は、セルが破損したか否かを判断するための閾値であり、所定電圧Ｖ２以下の場合にはセル１０ａは破損していると判断する。

所定電圧Ｖ２の大きさは、使用するセル毎に設定する。例えば、破損していない状態で約０．９５Ｖであったセルが、０．９Ｖとなったときに破損を確認できた場合には、所定電圧Ｖ２は０．９Ｖに設定する。

ステップＳ２１で所定電圧Ｖ２以下の場合、つまりセル１０ａの破損が確認された場合には、ステップＳ２２でシャットオフ弁４０を閉じる。これにより、セル１０ａへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が遮断されるので、セル１０ａ内で燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止し、信頼性や安全性を確保することができる。

ステップＳ２３では、通電スイッチ４１をオンにする。これにより、セル１０ａのアノードとカソードが電気的に接続されるので、セル１０ａに隣接する集電板３０ｂと、セル１０ａを除くセル１０が、セル１０ａをバイパスして電気的に接続される。したがって、セル１０ａが発電できなくても、燃料電池スタック２５が継続して発電することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。

（７）無負荷の状態で、セル１０ａのセル電圧が予め設定した所定電圧Ｖ２を下回った場合に、セル１０ａへの燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断するので、燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止できる。

（８）無負荷の状態で、セル１０ａのセル電圧が予め設定した所定電圧Ｖ２を下回った場合に、セル１０ａの燃料極２と酸化剤極３を電気的に接続させるので、セル１０ａをバイパスして燃料電池スタック２５の継続発電が可能となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 電解質膜
２ 燃料極
３ 酸化剤極
４ カソードセパレータ
５ アノードセパレータ
６ アノード流路
７ カソード流路
８ 冷却水流路
１０ セル
１２ カソードガスマニホールド
１４ アノードガスマニホールド
２０ エッジシール
２５ 燃料電池スタック
３０ 集電板
３１ 電圧計
３２ 負荷
１１０ 出力端子

Claims (12)

1. 燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
   前記電解質膜の中を移動する水の拡散係数をＤｗ（ｍ²／ｓｅｃ）、前記電解質膜の厚さをＬ（ｍ）、電気浸透係数をＮｄ（ｍｏｌ_H2O／ＭＯＬ_H+）としたときに、
   前記燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち一部の燃料電池セルは、その他の燃料電池セルに比べてＤｗ／（Ｌ×Ｎｄ）で表わされる値が小さく、
   前記一部の燃料電池セルにはセル電圧を検出する電圧検出手段を設けることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルは、触媒担持量がその他の燃料電池セルに比べて少ないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックを冷却するための冷却水を流す冷却水流路を備え、
   前記電圧検出手段を設けた燃料電池セル用の冷却水流路は、その他のセル用の冷却水流路よりも圧力損失が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルを、燃料電池スタックの中央部に配置することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルのセパレータは、その他の燃料電池セルのセパレータに比べて厚いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルへの、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断可能なシャットオフ弁を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルの燃料極と酸化剤極を電気的に接続させ得る通電手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタックを備え、前記電解質膜の中を移動する水の拡散係数をＤｗ（ｍ²／ｓｅｃ）、前記電解質膜の厚さをＬ（ｍ）、電気浸透係数をＮｄ（ｍｏｌ_H2O／ＭＯＬ_H+）としたときに、前記燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち一部の燃料電池セルは、その他の燃料電池セルに比べてＤｗ／（Ｌ×Ｎｄ）で表わされる値が小さく、前記一部の燃料電池セルのセル電圧を検出する電圧検出手段を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記電圧検出手段で検出したセル電圧を予め設定した所定電圧Ｖ１と比較し、
   前記電圧検出手段で検出したセル電圧が前記所定電圧Ｖ１を下回った場合には、前記一部の燃料電池セルでドライアウトが発生していると判定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 前記一部の燃料電池セルのセル電圧が予め設定した所定電圧Ｖ１を下回った場合に、前記燃料電池スタックの酸化剤極に供給するガス圧力を増加させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
10. 燃料電池スタックの酸化剤極に供給するガス圧力を増加させる前に、前記燃料電池スタックから取り出す電流を減少させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法。
11. 前記燃料電池システムは前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルへの燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断可能なシャットオフ弁をさらに備え、
    前記燃料電池スタックが無負荷の状態で、前記一部の燃料電池セルのセル電圧が予め設定した所定電圧Ｖ２を下回った場合に、前記シャットオフ弁により前記一部の燃料電池セルへの燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法。
12. 前記燃料電池システムは前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルの燃料極と酸化剤極を電気的に接続させ得る通電手段をさらに備え、
    前記燃料電池スタックが無負荷の状態で、前記一部の燃料電池セルのセル電圧が予め設定した所定電圧Ｖ２を下回った場合に、前記通電手段により前記一部の燃料電池セルの燃料極と酸化剤極を電気的に接続させることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御方法。

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