JP2012174603A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜・電極構造体の劣化に応じた温度制御をすることにより、前記電解質膜・電極構造体の最適な発電性能を維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の発電ユニット１２を積層して構成される。燃料電池１０の運転方法は、ＭＥＡの出力低下状態に対応して前記ＭＥＡから最高出力が得られる冷却媒体の温度を、予め設定する工程と、前記燃料電池１０を運転させながら、所定電流値における出力電圧を検出することにより、前記ＭＥＡの前記出力低下状態を判定する工程と、判定された前記出力低下状態に対応する前記冷却媒体の温度により、前記燃料電池１０を運転する工程とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池の運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セル（発電ユニット）を備えている。燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池では、該燃料電池の特性劣化によって出力電圧が低下することにより、所望の出力電力が得られなくなる場合がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の冷却制御装置が知られている。

この冷却制御装置は、図１２に示すように、燃料電池１の取出し電流が電流センサ２により検出されるとともに、前記燃料電池１の出力電圧が電圧センサ３により検出されている。

そして、出力特性検出部４は、検出された電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）から出力特性として劣化率を算出している。次いで、冷却液流量調整部５は、算出された劣化率に基づいて、ポンプ６の駆動を調整することにより、冷却液の流量を増量させている。

特開２００６−１７９３３３号公報

しかしながら、通常、燃料電池の劣化が進行すると、過電圧が上昇してＭＥＡ内の熱の発生が多くなってしまい、前記ＭＥＡの面内温度が上昇する。このため、ＭＥＡは、さらに劣化が促進されるという問題がある。

その際、上記の特許文献１では、燃料電池１の初期から劣化後にわたって、作動温度が一定に維持されている。これにより、上記の面内温度上昇によるさらなる燃料電池１の劣化の加速を抑制することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質膜・電極構造体の劣化に応じた冷却媒体の温度制御をすることにより、前記電解質膜・電極構造体の最適な発電性能を維持することができ、燃料電池の性能低下を有効に抑制することが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池の運転方法に関するものである。

この運転方法は、電解質膜・電極構造体の出力低下状態に対応して前記電解質膜・電極構造体から最高出力が得られる冷却媒体の温度を、予め設定する工程と、燃料電池を運転させながら、所定電流値における出力電圧を検出することにより、前記電解質膜・電極構造体の前記出力低下状態を判定する工程と、判定された前記出力低下状態に対応する前記冷却媒体の温度により、前記燃料電池を運転する工程とを有している。

また、この運転方法では、冷却媒体の温度は、冷却媒体流路の入口温度であることが好ましい。

さらに、この運転方法では、出力低下状態が進行した電解質膜・電極構造体は、出力低下前の前記電解質膜・電極構造体に比べて冷却媒体の温度が低温に設定されることが好ましい。

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の出力低下状態に対応する冷却媒体温度が予め設定され、前記電解質膜・電極構造体の前記出力低下状態に対応する前記冷却媒体温度により、燃料電池が運転される。このため、出力低下状態にある電解質膜・電極構造体から最高出力を得ることができるとともに、前記電解質膜・電極構造体がさらに性能低下（出力低下）することを確実に阻止することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略説明図である。 前記燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 冷却媒体入口温度と出力性能との関係説明図である。 ＭＥＡの劣化状態を示す電流−電圧説明図である。 劣化前後の冷却媒体入口温度と出力性能との関係説明図である。 劣化割合と最適温度との関係説明図である。 ＭＥＡ測温部位とＭＥＡ温度との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 特許文献１の冷却制御装置の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、燃料電池システム１１に組み込まれる。この燃料電池システム１１は、例えば、車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が、水平方向（矢印Ａ方向）（又は鉛直方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、金属セパレータで構成されているが、カーボンセパレータ等により構成されてもよい。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、固体高分子電解質膜２２及びカソード側電極２６よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂが設けられる。

各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。

第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部である複数の流路溝部４４ａが形成される。流路溝部４４ａの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４８ａが設けられる。

第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部である複数の流路溝部４４ｂが形成される。流路溝部４４ｂの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ｂ及び出口バッファ部４８ｂが設けられる。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が、個別に又は一体に設けられる。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が、個別に又は一体に設けられるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が、個別に又は一体に設けられる。

図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂでは、第１シール部材７４は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａを冷却媒体流路４４の入口側に連通する一方、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂ及び冷却媒体連通路３５を前記冷却媒体流路４４の出口側に連通する。

同様に、第３セパレータ２０の面２０ｂでは、図２に示すように、第３シール部材７８は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａを冷却媒体流路４４の入口側に連通する一方、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂ及び冷却媒体連通路３５を前記冷却媒体流路４４の出口側に連通する。

第１セパレータ１４は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側供給孔部８０ａ及び内側供給孔部８０ｂと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側排出孔部８２ａ及び内側排出孔部８２ｂとを有する（図２及び図３参照）。

第２セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の供給孔部８４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８６とを有する。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される。

図１に示すように、複数の発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート９０ａ、絶縁プレート９２ａ及びエンドプレート９４ａが配設される。発電ユニット１２の積層方向の他端には、ターミナルプレート９０ｂ、絶縁プレート９２ｂ及びエンドプレート９４ｂが配設される。

エンドプレート９４ａには、図示しないが、燃料ガスの供給を行う燃料ガス供給マニホールド、前記燃料ガスの排出を行う燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガスの供給を行う酸化剤ガス供給マニホールド、前記酸化剤ガスの排出を行う酸化剤ガス排出マニホールドが設けられる。

エンドプレート９４ａには、さらに冷却媒体の供給を行う冷却媒体供給マニホールド９６ａ及び前記冷却媒体の排出を行う冷却媒体排出マニホールド９６ｂが設けられる。冷却媒体供給マニホールド９６ａ及び冷却媒体排出マニホールド９６ｂには、冷却媒体循環供給装置９８を構成する冷却媒体循環路１００が接続される。

冷却媒体循環路１００には、循環ポンプ１０２とラジエータ１０４とサーモスタッド部（流量調整弁）１０６とが配設される。サーモスタッド部１０６は、冷却媒体循環路１００から分岐してラジエータ１０４を迂回するバイパス路１０８の途上に接続される。

冷却媒体循環路１００には、燃料電池１０の冷却媒体入口に対応し、すなわち、冷却媒体供給マニホールド９６ａに近接して入口側温度検出器１１０が配設される。冷却媒体循環路１００には、燃料電池１０の冷却媒体出口に対応し、すなわち、冷却媒体排出マニホールド９６ｂに近接して出口側温度検出器１１２が配設される。入口側温度検出器１１０及び出口側温度検出器１１２からの検出信号は、コントローラ１１４に送られるとともに、前記コントローラ１１４は、燃料電池システム１１全体の制御を行う。

このように構成される燃料電池１０の運転方法について、図４に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

なお、以下の説明では、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを、単にＭＥＡともいう。また、ＭＥＡの劣化（出力低下）は、荷重抜けによる電気抵抗の上昇、電極触媒層の劣化による活性化電圧の上昇、カーボンペーパのカーボン腐食による過電圧の上昇等に起因する。

先ず、発電ユニット１２の劣化状態、具体的には、ＭＥＡ（第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂ）の出力低下状態に対応して、前記ＭＥＡから最高出力が得られる冷却媒体の温度が、予め設定される（スッテップＳ１）。

ここで、冷却媒体入口温度、具体的には、冷却媒体供給マニホールド９６ａの温度と、ＭＥＡの出力性能とは、図５に示す関係を有している。

ＭＥＡは、湿度が１００％の状態で且つ最高出力が得られる最適温度Ｔ１を有している。このＭＥＡでは、冷却媒体入口温度が低すぎると、水つまりが惹起される一方、冷却媒体入口温度が高すぎると、湿度が低下して乾燥されてしまう。

そこで、予め、図５に示すように、ＭＥＡの発電性能が最大となる前記ＭＥＡの最適温度Ｔ１が実験的に求められる。そして、ＭＥＡの温度が最適温度Ｔ１になるときの冷却媒体入口温度が算出される。以下、冷却媒体入口温度とＭＥＡ最適温度とは、同一の概念として用いる。

次いで、燃料電池１０の運転中に、所定電流値の電圧を測定することにより、ＭＥＡにどの程度劣化（出力低下状態）が進んでいるかを示す劣化率が算出される。具体的には、図６に示すように、燃料電池１０では、Ｉ−Ｖ（電流−電圧）特性が得られている。例えば、２００Ａの電流値において、初期（劣化のない）電圧Ｖ０に対し電圧Ｖ１まで出力低下が惹起された際に、初期状態からの劣化率（例えば、２０％減少）が算出される。なお、劣化測定における電流値は、直線的な変化を示す抵抗過電圧の領域で行うことが好ましい。

ＭＥＡに劣化（出力低下）が生じると、このＭＥＡ内の熱の発生が多くなって、膜温度が上昇する。このため、ＭＥＡの劣化の割合（劣化率）に応じた冷却媒体の最適温度を、予め設定されたグラフ（図７参照）から読み出す。

例えば、図８に示すように、初期ＭＥＡ（性能出力が低下していないＭＥＡ）では、冷却媒体入口温度が最適温度Ｔ１として予め得られている。一方、性能低下が惹起されたＭＥＡでは、冷却媒体入口温度が最適温度Ｔ１よりも低温の最適温度Ｔ２において最高出力が得られる。

従って、例えば、２０％の劣化率を有するＭＥＡでは、最適温度Ｔ２となる冷却媒体入口温度に設定される。そして、ＭＥＡの最適温度（ＭＥＡ最適温度）とＭＥＡの劣化率（劣化の割合）とが得られ、このデータは、図８に示すように、予めグラフとして記憶されている。

次いで、ステップＳ２に進んで、燃料電池１０の運転が開始される。図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部８０ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部８０ｂから面１４ａ側に導入された後、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、燃料ガスは、供給孔部８４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、面１８ｂ側で第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部８２ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８２ａを通って、再度、面１４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部８６を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

さらに、図１に示すように、冷却媒体循環供給装置９８を構成する冷却媒体循環路１００から燃料電池１０に供給された冷却媒体は、左右一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａに供給される（図２参照）。冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入される。

図３に示すように、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、発電ユニット１２の上部側左右両端に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接する位置に振り分けて設けられている。

このため、各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａから冷却媒体流路４４に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向中央部側で衝突して重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット１２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに排出される。また、冷却媒体流路４４の下流に流動した冷却媒体の一部は、冷却媒体連通路３５に向かって重力方向に排出されている。

各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに排出される冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体循環路１００に戻される。冷却媒体は、サーモスタッド部１０６を介してラジエータ１０４に供給される強制冷却用経路と、前記ラジエータ１０４を迂回する経路（バイパス路１０８）とに選択的に流通される。さらに、循環ポンプ１０２の作用下に、冷却媒体は、燃料電池１０に循環供給される。

さらに、図４中、ステップＳ３に進んで、コントローラ１１４は、燃料電池１０を運転させながら、所定電流値における出力電圧を検出する（図６参照）。ＭＥＡに出力電圧の低下、すなわち、劣化が惹起されていると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、ＭＥＡの劣化率（出力低下状態）が判定される。

ここで、例えば、ＭＥＡの劣化率が２０％であると（出力電圧Ｖ０から出力電圧Ｖ１に低下）、図７に示すグラフに基づいて、ＭＥＡの最適温度Ｔ２が読み出される（ステップＳ５）。

次に、このＭＥＡの最適温度Ｔ２に対応する冷却媒体入口温度が読み出される。コントローラ１１４は、読み出された冷却媒体入口温度になるように、サーモスタッド部１０６を駆動制御する。そして、燃料電池１０の運転が終了することにより（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、上記の制御が終了する。

この場合、第１の実施形態では、ＭＥＡの出力低下状態に対応する冷却媒体入口温度が予め設定され、前記ＭＥＡの前記出力低下状態に対応する前記冷却媒体入口温度により、燃料電池１０が運転されている。

特に、発電ユニット１２では、図２に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流通されるとともに（平行流）、冷却媒体が発電面に沿って鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流れている。

従って、発電ユニット１２の発電面下方側には、他の部分に比べて高温になり易い、所謂、ヒートスポットが発生し易い。このため、図９に示すように、ＭＥＡの劣化が進むと、特に、前記ＭＥＡの下部側は、劣化閾値を越えてさらに劣化が促進されるおそれがある。

そこで、第１の実施形態では、冷却媒体入口温度を初期の冷却媒体入口温度よりも低温に設定している。これにより、ＭＥＡの上部から下部にわたって、ＭＥＡ温度が劣化閾値以下に冷却されるため、前記ＭＥＡの劣化の促進を有効に抑制することが可能になる。従って、劣化したＭＥＡにおける最高出力を得ることができるとともに（図８参照）、前記ＭＥＡがさらに性能低下することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。

しかも、冷却媒体入口温度を初期の冷却媒体入口温度よりも低温にすることができる。このため、ＭＥＡ全体にわたりヒートスポットの発生が確実に阻止され、良好な発電性能を得ることが可能になる。

なお、ＭＥＡの劣化は、冷却媒体入口温度（冷却媒体供給マニホールド９６ａの温度）と冷却媒体出口温度（冷却媒体排出マニホールド９６ｂの温度）との温度差を検出することにより、判定することもできる。検出された温度差が、初期温度差を超える値となった際、冷却媒体入口温度を初期冷却媒体入口温度よりも低温に設定すればよい。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０を構成する発電ユニット１２２の要部分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

発電ユニット１２２は、電解質膜・電極構造体１２４が、第１セパレータ１２６と第２セパレータ１２８とに挟持される。発電ユニット１２２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａが、矢印Ａ方向に貫通形成される。発電ユニット１２２の矢印方向の下端縁部には、燃料ガス出口連通孔３２ｂ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ａ方向に貫通形成される。

第１セパレータ１２６のカソード側電極２６に対向する面には、重力方向下方に向かって酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路１３０が形成される。第２セパレータ１２８のアノード側電極２４に対向する面には、重力方向下方に向かって燃料ガスを流通させる燃料ガス流路１３２が形成される。

第１セパレータ１２６と第２セパレータ１２８との各対向する面には、これらの間に重力方向に向かって冷却媒体を流通させる冷却媒体流路１３４が形成される。

このように構成される発電ユニット１２２では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体は、重力方向下方に向かってそれぞれ流通する平行流を構成している。従って、特に発電ユニット１２２の下部側にヒートスポットが発生し易い。

このため、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様に、電解質膜・電極構造体１２４の出力低下状態に対応する冷却媒体入口温度が、予め設定される。これにより、電解質膜・電極構造体１２４にヒートスポットが発生することがなく、所望の発電性能を得ることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する発電ユニット１４２の要部分解斜視説明図である。

発電ユニット１４２は、電解質膜・電極構造体１４４が第１セパレータ１４６と第２セパレータ１４８とに挟持される。発電ユニット１４２の矢印Ｂ方向一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂが、矢印Ａ方向に貫通形成される。発電ユニット１４２の矢印Ｂ方向他端縁部には、燃料ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ａ方向に貫通形成される。

第１セパレータ１４６のカソード側電極２６に対向する面には、酸化剤ガス流路１５０が形成されるとともに、第２セパレータ１４８のアノード側電極２４に対抗する面には、燃料ガス流路１５２が形成される。第１セパレータ１４６と第２セパレータ１４８との間には、冷却媒体流路１５４が形成される。

これのように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス流路１５０の酸化剤ガス流れ方向と燃料ガス流路１５２の燃料ガス流れ方向とは、互いに反対方向に、すなわち、対向流に構成されている。この第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の運転方法を採用することにより、同様の効果が得られる。

１０、１２０、１４０…燃料電池 １１…燃料電池システム
１２、１２２、１４２…発電ユニット
１４、１８、２０、１２６、１２８、１４６、１４８…セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１２４、１４４…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６、５８、１３２、１５２…燃料ガス流路
４４、１３４、１５４…冷却媒体流路
５０、６６、１３０、１５０…酸化剤ガス流路
７４、７６、７８…シール部材 ９８…冷却媒体循環供給装置
１００…冷却媒体循環路 １０２…循環ポンプ
１０４…ラジエータ １０６…サーモスタッド部
１０８…バイパス路 １１０、１１２…温度検出器
１１４…コントローラ

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池の運転方法であって、
   前記電解質膜・電極構造体の出力低下状態に対応して該電解質膜・電極構造体から最高出力が得られる冷却媒体の温度を、予め設定する工程と、
   前記燃料電池を運転させながら、所定電流値における出力電圧を検出することにより、前記電解質膜・電極構造体の前記出力低下状態を判定する工程と、
   判定された前記出力低下状態に対応する前記冷却媒体の温度により、前記燃料電池を運転する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記冷却媒体の温度は、前記冷却媒体流路の入口温度であることを特徴とする燃料電池の運転方法。
3. 請求項１又は２記載の運転方法において、前記出力低下状態が進行した前記電解質膜・電極構造体は、出力低下前の前記電解質膜・電極構造体に比べて前記冷却媒体の温度が低温に設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。

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