JP2014003011A - Method for operating fuel cell - Google Patents

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雅孝 古山
Keiko Yamazaki
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain a water content of an electrolyte membrane in a proper range, thereby simply and economically controlling operation of a fuel cell in a good state.SOLUTION: A method for operating a fuel cell 10 includes the steps of: estimating a water content of an electrolyte membrane-electrode structure 24 from a preliminarily set relationship between a potential and a water content on the basis of an output value of a potential sensor 60 disposed at an outer peripheral end of the electrolyte membrane-electrode structure 24; and adjusting operating conditions of the fuel cell 10 so that the estimated water content is maintained in a predetermined water content range.

Description

本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関する。   The present invention relates to a method of operating a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated.

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)と多孔質カーボン(ガス拡散層)とを有するアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators (bipolar plates). Normally, in a fuel cell, a fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

この種の燃料電池では、良好な発電反応を発揮させるために、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。電極含水量が多いと、電極触媒と多孔質カーボンに水詰まり(フラッディング)が惹起される一方、電極含水量が少ないと、前記固体高分子電解質膜の性能低下が惹起されるからである。従って、燃料電池を構成するカソード電極及びアノード電極の含水量を良好に制御することが重要である。   In this type of fuel cell, it is necessary to maintain the solid polymer electrolyte membrane in a desired wet state in order to exhibit a good power generation reaction. This is because if the electrode water content is high, water clogging (flooding) is caused in the electrode catalyst and the porous carbon, whereas if the electrode water content is low, the performance of the solid polymer electrolyte membrane is reduced. Therefore, it is important to satisfactorily control the water content of the cathode and anode electrodes constituting the fuel cell.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図21に示すように、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス演算手段1と、インピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて、該燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段2とを備えている。そして、測定されたインピーダンス又は推定された含水量は、燃料電池の環境温度に基づいて、インピーダンス温度補正手段3により補正されている。   Thus, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 21, the fuel cell system estimates the water content of the fuel cell based on the relationship between the impedance calculation means 1 for measuring the impedance of the fuel cell and the estimated water content of the fuel cell with respect to the impedance. And a water content estimation means 2. The measured impedance or the estimated water content is corrected by the impedance temperature correction means 3 based on the environmental temperature of the fuel cell.

これにより、燃料電池本体の周囲条件(例えば、環境温度、ガス圧力)がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で、燃料電池の含水量を推定することができる、としている。   Thus, the moisture content of the fuel cell can be estimated after correcting the influence of the ambient conditions (for example, environmental temperature, gas pressure) of the fuel cell body on the measured impedance value.

特開2008−84601号公報JP 2008-84601 A

しかしながら、上記の特許文献1では、インピーダンス計測と含水量計測との相関性に基づいて、燃料電池の運転制御を行うものである。このため、装置全体が相当に複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。   However, in Patent Document 1 described above, operation control of the fuel cell is performed based on the correlation between impedance measurement and moisture content measurement. For this reason, there is a problem that the entire apparatus is considerably complicated and the cost is increased, which is not economical.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜の含水量を適正な範囲に維持してフラッディングを防止することができ、簡単且つ経済的に、燃料電池を良好な状態で運転制御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。   The present invention solves this type of problem, can maintain the water content of the electrolyte membrane in an appropriate range and prevent flooding, and can operate the fuel cell in a good condition simply and economically. It is an object of the present invention to provide a method of operating a fuel cell that can be controlled.

本発明は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関するものである。   The present invention relates to a method of operating a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated.

この運転方法は、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられた電位センサの出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体の含水量を推定する工程を有している。さらに、推定された含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、燃料電池の運転条件を調整する工程を有している。   This operation method is based on the output value of the potential sensor provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure, and the inclusion of the electrolyte membrane / electrode structure is determined from the relationship between the preset potential and the water content. A step of estimating the amount of water. Furthermore, it has the process of adjusting the driving | running condition of a fuel cell so that the estimated water content may be maintained in the predetermined water content range.

また、この運転方法では、電位センサは、面内に単一又は複数個配置されることが好ましい。   In this operation method, it is preferable that a single or a plurality of potential sensors be arranged in the plane.

さらに、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくともアノード電極側に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整、温度調整又はパージ処理のいずれかを有することが好ましい。   Further, in this operation method, it is preferable that the adjustment of the operation condition includes at least one of a flow rate adjustment, a pressure adjustment, a humidity adjustment, a temperature adjustment, or a purge process of the fuel gas supplied to the anode electrode side.

さらにまた、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくともカソード電極側に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有することが好ましい。   Furthermore, in this operation method, it is preferable that the adjustment of the operation condition includes at least one of flow rate adjustment, pressure adjustment, temperature adjustment, and humidity adjustment of the oxidant gas supplied to the cathode electrode side.

また、この運転方法では、運転条件の調整は、少なくとも冷却媒体の温度調整又は流量調整のいずれかを有することが好ましい。   Further, in this operation method, it is preferable that the adjustment of the operation condition includes at least either a temperature adjustment or a flow rate adjustment of the cooling medium.

さらに、この運転方法では、電解質膜・電極構造体の四隅の少なくとも1カ所に切り欠き部が設けられるとともに、前記切り欠き部に対応して電位センサが設置されることが好ましい。   Further, in this operation method, it is preferable that a notch is provided at at least one of the four corners of the electrolyte membrane / electrode structure, and a potential sensor is installed corresponding to the notch.

本発明によれば、電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられている電位センサからの出力(電位)を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体の含水量を容易且つ確実に検出することができる。これにより、推定された含水量に基づいて、燃料電池の運転条件を調整するだけでよく、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になり、燃料電池を良好な状態で運転制御することができる。   According to the present invention, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure can be easily and reliably detected only by detecting the output (potential) from the potential sensor provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure. Can be detected. Thus, it is only necessary to adjust the operating conditions of the fuel cell based on the estimated water content, and the water content of the electrolyte membrane / electrode structure is maintained within a predetermined water content range simply and economically. Thus, the fuel cell can be operated and controlled in a good state.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成説明図である。1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system in which a method for operating a fuel cell according to a first embodiment of the present invention is implemented. 前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。It is principal part sectional explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the said fuel cell. 前記電解質膜・電極構造体に組み込まれる電位センサの正面図である。It is a front view of the electric potential sensor integrated in the said electrolyte membrane and electrode structure. 前記電位センサの断面側面図である。It is a cross-sectional side view of the potential sensor. 電位と含水量との関係説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between an electric potential and moisture content. 燃料電池の発電条件を示すマップである。It is a map which shows the electric power generation conditions of a fuel cell. 運転条件の調整として、酸化剤ガスの流量を増加させる際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of increasing the flow volume of oxidizing agent gas as adjustment of an operating condition. 別の電位センサの正面図である。It is a front view of another electric potential sensor. 本発明の第2の実施形態に係る運転方法における運転条件の調整として、冷却媒体の流量を調整する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of adjusting the flow volume of a cooling medium as adjustment of the driving | running condition in the driving | running method which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell with which the operating method which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is implemented. 本発明の第4の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell with which the operating method which concerns on the 4th Embodiment of this invention is implemented. 前記電解質膜・電極構造体の、図12中、XIII−XIII線断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane / electrode structure taken along line XIII-XIII in FIG. 12. 前記燃料電池を構成する電位センサの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the potential sensor which constitutes the fuel cell. 本発明の第5の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell with which the operating method which concerns on the 5th Embodiment of this invention is implemented. 前記電解質膜・電極構造体の、図15中、XVI−XVI線断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane / electrode structure taken along line XVI-XVI in FIG. 15. 本発明の第6の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell with which the operating method which concerns on the 6th Embodiment of this invention is implemented. 前記電解質膜・電極構造体の、図17中、XVIII−XVIII線断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane / electrode structure taken along line XVIII-XVIII in FIG. 17. 本発明の第7の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the electrolyte membrane and electrode structure which comprises the fuel cell with which the operating method which concerns on the 7th Embodiment of this invention is implemented. 前記電解質膜・電極構造体の、図19中、XX−XX線断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view of the electrolyte membrane / electrode structure taken along line XX-XX in FIG. 19. 特許文献1に開示されている燃料電池システムの制御部の構成図である。2 is a configuration diagram of a control unit of a fuel cell system disclosed in Patent Document 1. FIG.

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の運転方法が実施される燃料電池システム12は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 12 in which a method for operating a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention is implemented is, for example, mounted on a fuel cell vehicle such as a fuel cell electric vehicle. A fuel cell system is configured.

燃料電池システム12は、複数の燃料電池10が積層される燃料電池スタック14と、前記燃料電池スタック14に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置16と、前記燃料電池スタック14に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置18と、前記燃料電池スタック14に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置20と、前記燃料電池システム12全体の制御を行う制御装置(ECU)22とを備える。   The fuel cell system 12 includes a fuel cell stack 14 in which a plurality of fuel cells 10 are stacked, an oxidant gas supply device 16 that supplies an oxidant gas to the fuel cell stack 14, and fuel gas to the fuel cell stack 14. A fuel gas supply device 18 to be supplied, a cooling medium supply device 20 for supplying a cooling medium to the fuel cell stack 14, and a control device (ECU) 22 for controlling the entire fuel cell system 12 are provided.

図2に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体24を第1セパレータ26及び第2セパレータ28で挟持する。第1セパレータ26及び第2セパレータ28は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタニウム(Ti)板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure 24 between a first separator 26 and a second separator 28. The first separator 26 and the second separator 28 are, for example, a steel plate, a stainless steel plate, a titanium (Ti) plate, an aluminum plate, a plated steel plate, a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment, or a carbon member. Etc.

図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体24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30と、前記固体高分子電解質膜30を挟持するアノード電極32及びカソード電極34とを備える。固体高分子電解質膜30は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the electrolyte membrane / electrode structure 24 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 30 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 30 interposed therebetween. An anode electrode 32 and a cathode electrode 34 are provided. As the solid polymer electrolyte membrane 30, an HC (hydrocarbon) electrolyte is used in addition to the fluorine electrolyte.

図3に示すように、カソード電極34の外周端部34endは、アノード電極32の外周端部32endよりも外側に突出するとともに、前記アノード電極32は、固体高分子電解質膜30の一方の面に配置される。アノード電極32は、固体高分子電解質膜30の外周を額縁状に露呈させる。カソード電極34は、固体高分子電解質膜30の他方の面に配置され、前記固体高分子電解質膜30の外周端部は、前記カソード電極34の外周端部34endよりも外方に突出する。なお、固体高分子電解質膜30の外周端部は、カソード電極34の外周端部34endと同一位置に配置してもよい。   As shown in FIG. 3, the outer peripheral end 34 end of the cathode electrode 34 projects outward from the outer peripheral end 32 end of the anode electrode 32, and the anode electrode 32 is formed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 30. Be placed. The anode electrode 32 exposes the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 30 in a frame shape. The cathode electrode 34 is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 30, and the outer peripheral end portion of the solid polymer electrolyte membrane 30 protrudes outward from the outer peripheral end portion 34 end of the cathode electrode 34. The outer peripheral end of the solid polymer electrolyte membrane 30 may be disposed at the same position as the outer peripheral end 34end of the cathode electrode 34.

アノード電極32は、固体高分子電解質膜30の一方の面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。カソード電極34は、固体高分子電解質膜30の他方の面に接合される電極触媒層と、前記電極触媒層に積層されるガス拡散層とを設ける。   The anode electrode 32 includes an electrode catalyst layer joined to one surface of the solid polymer electrolyte membrane 30 and a gas diffusion layer laminated on the electrode catalyst layer. The cathode electrode 34 includes an electrode catalyst layer joined to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 30 and a gas diffusion layer laminated on the electrode catalyst layer.

本発明では、電解質膜・電極構造体24の作製方法が特に限定されるものではない。例えば、電極触媒層は、カーボンブラックに白金や白金合金粒子を担持した触媒粒子や白金ブラックを形成し、例えば、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用している。この高分子電解質の溶液中に、触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜30の両面に印刷、塗布、スプレー、スパッタ又は転写することによって、電極触媒層が構成される。電極触媒層は、ガス拡散層の全面に設けられてもよく、又は、前記ガス拡散層の外周部分に前記電極触媒層が設けられない枠状の領域を設けてもよい。   In the present invention, the method for producing the electrolyte membrane / electrode structure 24 is not particularly limited. For example, the electrode catalyst layer forms catalyst particles or platinum black in which platinum or platinum alloy particles are supported on carbon black, and uses, for example, a polymer electrolyte as an ion conductive binder. The electrode catalyst layer is formed by printing, coating, spraying, sputtering, or transferring a catalyst paste prepared by uniformly mixing catalyst particles in the polymer electrolyte solution on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 30. Composed. The electrode catalyst layer may be provided on the entire surface of the gas diffusion layer, or a frame-like region where the electrode catalyst layer is not provided may be provided on the outer periphery of the gas diffusion layer.

電解質膜・電極構造体24は、固体高分子電解質膜30の外周を周回する樹脂製枠部材36を備える。樹脂製枠部材36は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やPPA(ポリフタルアミド)、LCP(液晶ポリマー)、PES(ポリエーテルサルフォン)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PFA(フッ素樹脂)等で構成される。   The electrolyte membrane / electrode structure 24 includes a resin frame member 36 that goes around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 30. The resin frame member 36 is, for example, PPS (polyphenylene sulfide), PPA (polyphthalamide), LCP (liquid crystal polymer), PES (polyethersulfone), PEEK (polyetheretherketone), PFA (fluororesin), or the like. Consists of.

図2に示すように、燃料電池10は、例えば、横長形状を有しており、立位姿勢で水平方向に積層される。燃料電池10の矢印B方向(図2中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印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酸化剤ガス入口連通孔38aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する燃料ガス出口連通孔40bとが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 has, for example, a horizontally long shape, and is stacked in a horizontal direction in a standing posture. One end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 2) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. An inlet communication hole 38a and a fuel gas outlet communication hole 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the arrow C direction (vertical direction).

燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔40aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔38bとが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas inlet communication hole 40a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. Outlet communication holes 38b are arranged in the direction of arrow C.

燃料電池10の矢印C方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔42aが設けられるとともに、前記燃料電池10の矢印C方向の下端縁部には、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42bが設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔42a及び冷却媒体出口連通孔42bは、それぞれ1つであってもよい。   A pair of cooling medium inlet communication holes 42a for supplying a cooling medium is provided at the upper end edge in the arrow C direction of the fuel cell 10, and the lower end edge in the arrow C direction of the fuel cell 10 is A pair of cooling medium outlet communication holes 42b for discharging the cooling medium is provided. The cooling medium inlet communication hole 42a and the cooling medium outlet communication hole 42b may each be one.

第1セパレータ26の電解質膜・電極構造体24に向かう面26aには、酸化剤ガス入口連通孔38aと酸化剤ガス出口連通孔38bとに連通する酸化剤ガス流路46が設けられる。第2セパレータ28の電解質膜・電極構造体24に向かう面28aには、燃料ガス入口連通孔40aと燃料ガス出口連通孔40bとに連通する燃料ガス流路48が形成される。酸化剤ガス流路46及び燃料ガス流路48は、水平方向に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを流通させる。   An oxidant gas flow path 46 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 38a and the oxidant gas outlet communication hole 38b is provided on the surface 26a of the first separator 26 facing the electrolyte membrane / electrode structure 24. A fuel gas passage 48 communicating with the fuel gas inlet communication hole 40a and the fuel gas outlet communication hole 40b is formed on the surface 28a of the second separator 28 facing the electrolyte membrane / electrode structure 24. The oxidant gas passage 46 and the fuel gas passage 48 allow the oxidant gas and the fuel gas to flow in the horizontal direction.

第1セパレータ26の面26aとは反対の面26bと、第2セパレータ28の面28aとは反対の面28bとの間には、冷却媒体入口連通孔42aと冷却媒体出口連通孔42bとに連通する冷却媒体流路50が形成される。冷却媒体流路50は、鉛直方向下方に向かって冷却媒体を流通させる。   The cooling medium inlet communication hole 42a and the cooling medium outlet communication hole 42b communicate with the surface 26b opposite to the surface 26a of the first separator 26 and the surface 28b opposite to the surface 28a of the second separator 28. A cooling medium flow path 50 is formed. The cooling medium channel 50 circulates the cooling medium downward in the vertical direction.

第1セパレータ26の面26a、26bには、この第1セパレータ26の外周端部を周回して、第1シール部材52が一体化される。第2セパレータ28の面28a、28bには、この第2セパレータ28の外周端部を周回して、第2シール部材54が一体化される。   The first seal member 52 is integrated with the surfaces 26 a and 26 b of the first separator 26 around the outer peripheral end of the first separator 26. The second seal member 54 is integrated with the surfaces 28 a and 28 b of the second separator 28 around the outer peripheral end of the second separator 28.

第1シール部材52及び第2シール部材54は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   The first seal member 52 and the second seal member 54 are, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material, Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

第2セパレータ28には、燃料ガス入口連通孔40aを燃料ガス流路48に連通する供給孔部56と、前記燃料ガス流路48を燃料ガス出口連通孔40bに連通する排出孔部58とが形成される。   The second separator 28 has a supply hole portion 56 that communicates the fuel gas inlet communication hole 40a with the fuel gas flow channel 48, and a discharge hole portion 58 that communicates the fuel gas flow channel 48 with the fuel gas outlet communication hole 40b. It is formed.

図3に示すように、電解質膜・電極構造体24の外周端部には、アノード側又はカソード側の少なくとも一方に、1個、あるいは、複数個の電位センサ60が直接設けられる。電位センサ60は、樹脂製枠部材36で被覆されているが、この樹脂製枠部材36により被覆されていなくてもよい。電位センサ60は、例えば、アノード電極32の外周端部32endから数ミリ以内の位置に設けられることが好ましく、前記アノード電極32の内部でもよく、また、前記アノード電極32の外部でもよい。   As shown in FIG. 3, one or a plurality of potential sensors 60 are directly provided on the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure 24 on at least one of the anode side and the cathode side. The potential sensor 60 is covered with the resin frame member 36, but may not be covered with the resin frame member 36. The potential sensor 60 is preferably provided, for example, at a position within several millimeters from the outer peripheral end portion 32end of the anode electrode 32, and may be inside the anode electrode 32 or outside the anode electrode 32.

電位センサ60は、必要に応じて、カソード電極34側に設置される。カソード電極34側では、電位センサ60は、カソード電極34の外周端部34endから数ミリ以内(又は数ミリ外方)の位置に設けられることが好ましい。電位センサ60は、1個又は複数個に設定して、前記電位センサ60の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ60の電位勾配を用いてもよい。なお、電位センサ60は、アノード側とカソード側との両方に設けてもよい。   The potential sensor 60 is installed on the cathode electrode 34 side as necessary. On the cathode electrode 34 side, the potential sensor 60 is preferably provided at a position within several millimeters (or several millimeters outward) from the outer peripheral end 34end of the cathode electrode 34. One or a plurality of potential sensors 60 may be set, and an average value, a maximum value or a minimum value of the values of the potential sensors 60, or a potential gradient of the plurality of potential sensors 60 may be used. The potential sensor 60 may be provided on both the anode side and the cathode side.

電解質膜・電極構造体24には、図示しないが、参照電極が設けられる。参照電極は、アノード電極32を参照電極として利用してもよく、また、別体で固体高分子電解質膜30のアノード側に対して電極を設けてもよい。   Although not shown, the electrolyte membrane / electrode structure 24 is provided with a reference electrode. As the reference electrode, the anode electrode 32 may be used as the reference electrode, or a separate electrode may be provided on the anode side of the solid polymer electrolyte membrane 30.

電位センサ60は、電解質膜・電極構造体24の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置される。図2に示すように、電位センサ60は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔40bの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍に配置される。   The potential sensor 60 is disposed in a region where the moisture content of the electrolyte membrane / electrode structure 24 is the largest and the smallest. As shown in FIG. 2, the potential sensor 60 is disposed below the gravitational direction, which is the region with the largest amount of moisture, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 40 b and in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 38 b.

一方、電位センサ60は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔40aの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍に配置される。なお、電位センサ60は、電解質膜・電極構造体24の水分含有量が最も多い領域又は最も少ない領域にのみ配置してもよい。但し、電位センサ60の配置位置は、特に限定されるものではない。   On the other hand, the potential sensor 60 is disposed above the fuel gas inlet communication hole 40a and in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 38a above the gravity direction, which is a region where the amount of moisture is the smallest. The potential sensor 60 may be disposed only in a region where the moisture content of the electrolyte membrane / electrode structure 24 is the highest or lowest. However, the arrangement position of the potential sensor 60 is not particularly limited.

図4及び図5に示すように、電位センサ60は、参照電極(又はアノード電極32、好ましくは、前記アノード電極32の中央部分)との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部62aを有するシート状又は線状の導電性端子(電位測定電極)62を備える。導電性端子62は、基材64にシート状の絶縁部材66を介して固定される。   As shown in FIGS. 4 and 5, the potential sensor 60 detects a potential difference from the reference electrode (or the anode electrode 32, preferably the central portion of the anode electrode 32), and is bent or bent to one side. A sheet-like or linear conductive terminal (potential measurement electrode) 62 having a projecting measurement part 62a is provided. The conductive terminal 62 is fixed to the base material 64 via a sheet-like insulating member 66.

基材64は、導電性端子62の長さ方向に略同一の長さを有する一方、前記導電性端子62の幅方向に該導電性端子62よりも幅広に構成される。絶縁部材66は、導電性端子62の長さよりも短尺に構成され、前記導電性端子62の計測部62aが外部に露呈する。計測部62aの厚さ方向は、絶縁部材66の厚さよりも大きな寸法に設定され、前記計測部62aの計測面が、前記絶縁部材66の外面よりも外方(端面の前側)に突出する。   The base material 64 has substantially the same length in the length direction of the conductive terminal 62, and is wider than the conductive terminal 62 in the width direction of the conductive terminal 62. The insulating member 66 is configured to be shorter than the length of the conductive terminal 62, and the measuring portion 62a of the conductive terminal 62 is exposed to the outside. The thickness direction of the measuring part 62a is set to a dimension larger than the thickness of the insulating member 66, and the measuring surface of the measuring part 62a protrudes outward (front side of the end face) from the outer surface of the insulating member 66.

導電性端子62は、耐酸性及び耐熱性を有する、例えば、薄膜状又は線状の金(Au)や白金(Pt)等により形成される。導電性端子62の端部には、導電ライン68の一端が接続される。導電ライン68の他端は、電位測定装置70に接続される(図1参照)。電位測定装置70には、図示しないが、参照電極に接続された導電ラインが接続される。   The conductive terminal 62 is formed of, for example, thin film or linear gold (Au), platinum (Pt), or the like having acid resistance and heat resistance. One end of a conductive line 68 is connected to the end of the conductive terminal 62. The other end of the conductive line 68 is connected to the potential measuring device 70 (see FIG. 1). Although not shown, the potential measuring device 70 is connected to a conductive line connected to the reference electrode.

基材64及び絶縁部材66は、絶縁性を有し、耐熱水性、耐酸性及び耐熱性に優れるとともに、フレキシブルな材料で形成される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や液晶ポリマー(LCP)やポリイミド等が好適である。   The base material 64 and the insulating member 66 have insulating properties, are excellent in hot water resistance, acid resistance, and heat resistance, and are formed of a flexible material. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), liquid crystal polymer (LCP), polyimide, and the like are suitable.

図1に示すように、酸化剤ガス供給装置16は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ(ポンプ)71を備え、前記エアコンプレッサ71が空気供給流路72に配設される。空気供給流路72には、加湿器74と、バルブ76を介して前記加湿器74をバイパスするバイパス流路78とが設けられ、燃料電池スタック14の酸化剤ガス入口連通孔38aに連通する。酸化剤ガス出口連通孔38bには、空気排出流路80が連通する。空気排出流路80は、背圧制御弁82を介装して希釈器84に接続される。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas supply device 16 includes an air compressor (pump) 71 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air compressor 71 is disposed in an air supply flow path 72. The air supply channel 72 is provided with a humidifier 74 and a bypass channel 78 that bypasses the humidifier 74 via a valve 76, and communicates with the oxidant gas inlet communication hole 38 a of the fuel cell stack 14. An air discharge passage 80 communicates with the oxidant gas outlet communication hole 38b. The air discharge channel 80 is connected to the diluter 84 via a back pressure control valve 82.

燃料ガス供給装置18は、高圧水素を貯留する高圧水素タンク86を備え、この高圧水素タンク86は、水素供給流路88を介して燃料電池スタック14の燃料ガス入口連通孔40aに連通する。水素供給流路88には、バルブ90及びエゼクタ92が設けられるとともに、前記エゼクタ92をバイパスするバイパス流路88aには、インジェクタ93が設けられる。   The fuel gas supply device 18 includes a high-pressure hydrogen tank 86 that stores high-pressure hydrogen. The high-pressure hydrogen tank 86 communicates with the fuel gas inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 14 via a hydrogen supply flow path 88. The hydrogen supply flow path 88 is provided with a valve 90 and an ejector 92, and an injector 93 is provided in a bypass flow path 88 a that bypasses the ejector 92.

バルブ90は、圧力調整時に使用されるものであり、インジェクタ93は、燃料ガスの流量調整、湿度調整及び温度調整に利用される。例えば、インジェクタ93により未加湿の水素を供給することにより、湿度を下げることができる。後述する循環路102を介して循環される排出燃料ガス(以下、燃料オフガスともいう)は、インジェクタ93により新たに供給される未反応燃料ガスよりも高温であるため、前記燃料ガスを供給することにより、供給ガス(供給される燃料ガス)の温度を下げることができる。また、インジェクタ93に代えて、水素供給流路88には、必要に応じて熱交換器を設けてもよい。   The valve 90 is used for pressure adjustment, and the injector 93 is used for fuel gas flow rate adjustment, humidity adjustment, and temperature adjustment. For example, by supplying unhumidified hydrogen by the injector 93, the humidity can be lowered. Since exhaust fuel gas (hereinafter also referred to as fuel off-gas) circulated through a circulation path 102 described later is higher in temperature than unreacted fuel gas newly supplied by the injector 93, the fuel gas is supplied. Thus, the temperature of the supply gas (supplied fuel gas) can be lowered. Further, in place of the injector 93, the hydrogen supply flow path 88 may be provided with a heat exchanger as necessary.

燃料電池スタック14の燃料ガス出口連通孔40bには、オフガス流路94が連通する。このオフガス流路94は、気液分離器96に接続されるとともに、前記気液分離器96には、液体成分を排出するドレン流路98と、気体成分を排出する気体流路100とが設けられる。気体流路100は、循環路102を介してエゼクタ92に接続される一方、パージ弁104の開放作用下に、希釈器84に連通する。ドレン流路98は、バルブ106を介して希釈器84に連通する。希釈器84は、燃料電池スタック14の燃料ガス出口連通孔40bから排出されるオフガス(燃料ガスを含有する)と前記燃料電池スタック14の酸化剤ガス出口連通孔38bから排出されるオフガス(酸化剤ガスを含有する)とを混在させて燃料ガス濃度(水素濃度)を規定値以下に希釈する機能を有する。   An off-gas flow path 94 communicates with the fuel gas outlet communication hole 40 b of the fuel cell stack 14. The off-gas channel 94 is connected to a gas-liquid separator 96, and the gas-liquid separator 96 is provided with a drain channel 98 for discharging a liquid component and a gas channel 100 for discharging a gas component. It is done. The gas flow path 100 is connected to the ejector 92 via the circulation path 102, and communicates with the diluter 84 while the purge valve 104 is opened. The drain flow path 98 communicates with the diluter 84 via the valve 106. The diluter 84 includes off gas (containing fuel gas) discharged from the fuel gas outlet communication hole 40b of the fuel cell stack 14 and off gas (oxidant) discharged from the oxidant gas outlet communication hole 38b of the fuel cell stack 14. Gas containing) and diluting the fuel gas concentration (hydrogen concentration) below a specified value.

冷却媒体供給装置20は、燃料電池スタック14の冷却媒体入口連通孔42aと冷却媒体出口連通孔42bとに連通し、冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路108を備える。冷却媒体循環路108には、冷却媒体入口連通孔42a側に近接して冷却ポンプ110が配置されるとともに、冷却媒体出口連通孔42bに近接してラジエータ112が配置される。   The cooling medium supply device 20 includes a cooling medium circulation path 108 that communicates with the cooling medium inlet communication hole 42 a and the cooling medium outlet communication hole 42 b of the fuel cell stack 14 and circulates and supplies the cooling medium. In the cooling medium circulation path 108, a cooling pump 110 is disposed in the vicinity of the cooling medium inlet communication hole 42a side, and a radiator 112 is disposed in the vicinity of the cooling medium outlet communication hole 42b.

空気供給流路72、空気排出流路80、水素供給流路88及びオフガス流路94には、それぞれ圧力計114a、114b、114c及び114dが配置される。空気供給流路72及び水素供給流路88には、湿度計116a、116bが配置される。空気排出流路80、気体流路100及び冷却媒体循環路108には、温度計118a、118b及び118cが配置される。   Pressure gauges 114a, 114b, 114c, and 114d are disposed in the air supply flow path 72, the air discharge flow path 80, the hydrogen supply flow path 88, and the off-gas flow path 94, respectively. Hygrometers 116 a and 116 b are disposed in the air supply channel 72 and the hydrogen supply channel 88. Thermometers 118a, 118b, and 118c are disposed in the air discharge channel 80, the gas channel 100, and the cooling medium circulation channel 108.

制御装置22には、電位測定装置70から計測された電位が入力される。この制御装置22は、検出された温度、圧力及び湿度に基づいて、計測された電位を補正する電位補正部120と、前記補正された電位に基づいて、含水量を推定する含水量推定部122と、推定された含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、各デバイスを制御して燃料電池10の運転条件を調整するデバイス制御部124とを有する。   The potential measured from the potential measuring device 70 is input to the control device 22. The control device 22 includes a potential correction unit 120 that corrects the measured potential based on the detected temperature, pressure, and humidity, and a water content estimation unit 122 that estimates the water content based on the corrected potential. And a device control unit 124 that controls each device and adjusts the operating condition of the fuel cell 10 so that the estimated water content is maintained within a predetermined water content range.

このように構成される燃料電池システム12の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 12 configured as described above will be described below.

図1に示すように、酸化剤ガス供給装置16を構成するエアコンプレッサ71を介して空気供給流路72に酸化剤ガス(空気)が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器74を通って加湿された後、又は、バイパス流路78を通って前記加湿器74をバイパスした後、燃料電池スタック14の酸化剤ガス入口連通孔38aに供給される。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas (air) is sent to the air supply flow path 72 via the air compressor 71 constituting the oxidant gas supply device 16. This oxidant gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 38a of the fuel cell stack 14 after being humidified through the humidifier 74 or after bypassing the humidifier 74 through the bypass passage 78. The

一方、燃料ガス供給装置18では、バルブ90の開放作用下に、高圧水素タンク86から水素供給流路88に燃料ガス(水素ガス)が供給される。この燃料ガスは、エゼクタ92を通った後、燃料電池スタック14の燃料ガス入口連通孔40aに供給される。   On the other hand, in the fuel gas supply device 18, the fuel gas (hydrogen gas) is supplied from the high-pressure hydrogen tank 86 to the hydrogen supply flow path 88 while the valve 90 is opened. The fuel gas passes through the ejector 92 and is then supplied to the fuel gas inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 14.

また、冷却媒体供給装置20では、冷却ポンプ110の作用下に、冷却媒体循環路108から燃料電池スタック14の冷却媒体入口連通孔42aに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。   In the cooling medium supply device 20, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the cooling medium circulation path 108 to the cooling medium inlet communication hole 42 a of the fuel cell stack 14 under the action of the cooling pump 110. .

図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔38aから第1セパレータ26の酸化剤ガス流路46に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体24のカソード電極34に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔40aから供給孔部56を通って第2セパレータ28の燃料ガス流路48に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路48に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体24のアノード電極32に供給される。   As shown in FIG. 2, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 46 of the first separator 26 from the oxidant gas inlet communication hole 38 a, moves in the direction of arrow B, and moves to the electrolyte membrane / electrode structure 24. It is supplied to the cathode electrode 34. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 48 of the second separator 28 from the fuel gas inlet communication hole 40 a through the supply hole portion 56. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 48 and is supplied to the anode electrode 32 of the electrolyte membrane / electrode structure 24.

従って、各電解質膜・電極構造体24では、カソード電極34に供給される酸化剤ガスと、アノード電極32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。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 24, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 34 and the fuel gas supplied to the anode electrode 32 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Done.

次いで、カソード電極34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38bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極32に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部58を通り燃料ガス出口連通孔40bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 34 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 38b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 32 passes through the discharge hole 58 and is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 40b.

また、冷却媒体入口連通孔42aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ26と第2セパレータ28との間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印C方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体24を冷却した後、冷却媒体出口連通孔42bから排出される。   In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 42 a is introduced into the cooling medium flow path 50 between the first separator 26 and the second separator 28, and then flows in the direction of arrow C. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 42b after the electrolyte membrane / electrode structure 24 is cooled.

図1に示すように、酸化剤ガス出口連通孔38bに排出された酸化剤ガスは、空気排出流路80を流通して希釈器84に導入される。一方、燃料ガス出口連通孔40bに排出されたオフガス(一部が消費された燃料ガス)は、オフガス流路94から気液分離器96に導入される。オフガスは、液状水分が除去された後、気体流路100から循環路102を介してエゼクタ92に吸引される。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas discharged to the oxidant gas outlet communication hole 38 b flows through the air discharge passage 80 and is introduced into the diluter 84. On the other hand, off-gas (fuel gas that has been partially consumed) discharged to the fuel gas outlet communication hole 40 b is introduced into the gas-liquid separator 96 from the off-gas flow path 94. The off-gas is sucked into the ejector 92 from the gas flow path 100 through the circulation path 102 after the liquid moisture is removed.

また、冷却媒体出口連通孔42bに排出された冷却媒体は、冷却媒体循環路108を通ってラジエータ112により冷却される。さらに、冷却媒体は、冷却ポンプ110の作用下に、燃料電池スタック14に循環供給される。   The cooling medium discharged to the cooling medium outlet communication hole 42 b is cooled by the radiator 112 through the cooling medium circulation path 108. Further, the cooling medium is circulated and supplied to the fuel cell stack 14 under the action of the cooling pump 110.

次いで、本発明の第1の実施形態に係る運転方法について、以下に説明する。   Next, an operation method according to the first embodiment of the present invention will be described below.

先ず、電解質膜・電極構造体24の含水量と電位センサ60の出力(電位)との相関性を予め取得した。具体的には、アノード電極32側の含水量と電位との関係を実験的に検出したところ、図6に示す電位−含水量曲線が得られ、含水量の有効範囲に対応する電位の範囲が設定された。   First, the correlation between the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 24 and the output (potential) of the potential sensor 60 was acquired in advance. Specifically, when the relationship between the water content on the anode electrode 32 side and the potential was experimentally detected, the potential-water content curve shown in FIG. 6 was obtained, and the potential range corresponding to the effective range of the water content was obtained. Was set.

その際、種々の発電条件による電位域と含水量との関係が取得された。この得られた燃料電池10の運転条件(I、II、III、IV、i、ii、iii、iv)は、図7に示すように、含水量(Z、Y、X、W)に対応した電位域(a、b、c、d)のマップとして制御装置22のメモリに記憶される。   At that time, the relationship between the potential range and the water content according to various power generation conditions was acquired. The operating conditions (I, II, III, IV, i, ii, iii, iv) of the obtained fuel cell 10 corresponded to the water content (Z, Y, X, W) as shown in FIG. It is stored in the memory of the control device 22 as a map of potential ranges (a, b, c, d).

ここで、運転条件(例えば、1、2)としては、燃料電池スタック14に供給される酸化剤ガスの流量、露点及び圧力、前記燃料電池スタック14から排出される酸化剤ガスの露点及び圧力、前記燃料電池スタック14に供給される燃料ガスの流量、露点及び圧力、前記燃料電池スタック14から排出されるオフガス(燃料ガス)の露点及び圧力、前記燃料電池スタック14に供給される冷却媒体の温度、流量並びに該燃料電池スタック14から排出される冷却媒体の温度等が含まれる。   Here, as operating conditions (for example, 1 and 2), the flow rate, dew point and pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 14, the dew point and pressure of the oxidant gas discharged from the fuel cell stack 14, Flow rate, dew point and pressure of fuel gas supplied to the fuel cell stack 14, dew point and pressure of off-gas (fuel gas) discharged from the fuel cell stack 14, temperature of cooling medium supplied to the fuel cell stack 14 , The flow rate, the temperature of the cooling medium discharged from the fuel cell stack 14, and the like.

第1の実施形態において、具体的な運転条件の調整(運転制御)としては、アノード電極32側のパージ処理(パージ弁104を短時間だけ開く処理)、前記カソード電極34に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有する。また、アノード電極32側では、パージ処理の他、前記アノード電極32に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整又は温度調整を行ってもよい。   In the first embodiment, specific adjustment of operating conditions (operation control) includes purge processing on the anode electrode 32 side (processing for opening the purge valve 104 for a short time), and oxidant supplied to the cathode electrode 34. It has gas flow rate adjustment, pressure adjustment, temperature adjustment, or humidity adjustment. On the anode electrode 32 side, flow rate adjustment, pressure adjustment, humidity adjustment, or temperature adjustment of the fuel gas supplied to the anode electrode 32 may be performed in addition to the purge process.

なお、アノード電極32側には、供給される燃料ガスに含まれる水分及びカソード電極34側から固体高分子電解質膜30を逆拡散する生成水が存在している。従って、アノード電極32側のパージ処理を行うことにより、カソード電極34側から前記アノード電極32側への拡散が促進され、前記カソード電極34側の含水量を低下させることができる。   On the anode electrode 32 side, there are water contained in the supplied fuel gas and generated water that reversely diffuses the solid polymer electrolyte membrane 30 from the cathode electrode 34 side. Therefore, by performing the purge process on the anode electrode 32 side, diffusion from the cathode electrode 34 side to the anode electrode 32 side is promoted, and the water content on the cathode electrode 34 side can be reduced.

次に、燃料電池システム12が発電運転している際、制御装置22では、各電位センサ60により検出された電位が、電位測定装置70を介して入力されるとともに、電位補正部120には、各温度、各圧力及び各湿度が入力される。このため、電位補正部120では、検出された電位が温度補正、圧力補正及び湿度補正された補正電位が得られ、この補正電位が含水量推定部122に送られる。なお、電位補正部120では、複数の電位センサ60の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記電位センサ60の電位勾配を用いてもよい。   Next, when the fuel cell system 12 is in a power generation operation, the control device 22 receives the potential detected by each potential sensor 60 via the potential measurement device 70, and the potential correction unit 120 includes Each temperature, each pressure, and each humidity are input. Therefore, the potential correcting unit 120 obtains a corrected potential obtained by correcting the detected potential by temperature correction, pressure correction, and humidity correction, and sends the corrected potential to the water content estimation unit 122. The potential correction unit 120 may use an average value, a maximum value or a minimum value of the values of the plurality of potential sensors 60, or a potential gradient of the plurality of potential sensors 60.

含水量推定部122では、図6に示すように、予め設定された電位と固体高分子電解質膜30の含水量との相関性から、入力された補正電位を用いて演算処理することにより、含水量が推定される。さらに、デバイス制御部124では、推定含水量が、所定の含水量範囲内(図6中、有効範囲参照)に維持されるように、燃料電池スタック14の運転条件を調整する。   As shown in FIG. 6, the water content estimation unit 122 performs calculation processing using the input correction potential based on the correlation between the preset potential and the water content of the solid polymer electrolyte membrane 30. The amount of water is estimated. Furthermore, the device control unit 124 adjusts the operating conditions of the fuel cell stack 14 so that the estimated water content is maintained within a predetermined water content range (see the effective range in FIG. 6).

そこで、デバイス制御部124は、例えば、燃料ガス供給装置18を構成するパージ弁104の開放作用下に、気体流路100を希釈器84に連通させる。従って、各燃料電池10の燃料ガス流路48を通って加湿された燃料ガスは、オフガスとしてオフガス流路94に排出された後、希釈器84に導入される。   Therefore, for example, the device control unit 124 causes the gas flow path 100 to communicate with the diluter 84 under the action of opening the purge valve 104 constituting the fuel gas supply device 18. Therefore, the fuel gas humidified through the fuel gas channel 48 of each fuel cell 10 is discharged as an offgas to the offgas channel 94 and then introduced into the diluter 84.

オフガスは、気液分離器96を通過する際に、液状水が除去されるものの、水蒸気を含んでいる。このため、パージ弁104の開放作用下に、オフガスがパージ処理されることにより、水蒸気を含有するオフガスが希釈器84に排出される。これにより、各燃料電池10の燃料ガス流路48には、高圧水素タンク86からドライな燃料ガスが供給されるため、前記燃料ガス流路48に滞留する水分は、前記燃料ガス中に含有されて確実に除去される。   The off-gas contains water vapor although liquid water is removed when passing through the gas-liquid separator 96. For this reason, the off gas is purged while the purge valve 104 is opened, so that the off gas containing water vapor is discharged to the diluter 84. As a result, dry fuel gas is supplied from the high-pressure hydrogen tank 86 to the fuel gas passages 48 of each fuel cell 10, so that moisture remaining in the fuel gas passages 48 is contained in the fuel gas. Is surely removed.

上記のように、アノード電極32側から水分が除去されるため、前記アノード電極32側の含水量が減少する。一方、カソード電極34側の滞留水は、固体高分子電解質膜30を通ってアノード電極32側への拡散が促進される。従って、カソード電極34側の含水量を低下させることができる。   As described above, since moisture is removed from the anode electrode 32 side, the water content on the anode electrode 32 side is reduced. On the other hand, the stagnant water on the cathode electrode 34 side is promoted to diffuse to the anode electrode 32 side through the solid polymer electrolyte membrane 30. Therefore, the water content on the cathode electrode 34 side can be reduced.

アノード電極32側の含水量が低下すると、図6に示すように、検出される電位が低下する。制御装置22では、各電位センサ60により検出されて電位測定装置70から入力される電位を監視することにより、含水量を推定し、前記含水量が有効範囲内に入った際に、アノード電極32側のパージ処理を停止させる。   When the water content on the anode electrode 32 side decreases, as shown in FIG. 6, the detected potential decreases. In the control device 22, the water content is estimated by monitoring the potential detected by each potential sensor 60 and input from the potential measuring device 70, and when the water content falls within the effective range, the anode electrode 32 is detected. The side purge process is stopped.

この場合、第1の実施形態では、電解質膜・電極構造体24の外周端部に設けられている電位センサ60からの出力(電位)を検出するだけで、前記電解質膜・電極構造体24の含水量を容易且つ確実に検出することができる。   In this case, in the first embodiment, only by detecting the output (potential) from the potential sensor 60 provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure 24, the electrolyte membrane / electrode structure 24 The water content can be detected easily and reliably.

これにより、推定された含水量に基づいて、燃料電池10の運転条件を調整するだけでよく、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体24の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる。このため、燃料電池10を良好な状態で確実に運転制御することができるという効果が得られる。   Accordingly, it is only necessary to adjust the operating condition of the fuel cell 10 based on the estimated water content, and the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 24 is maintained within a predetermined water content range simply and economically. It becomes possible to do. For this reason, the effect that driving | operation control of the fuel cell 10 can be carried out reliably in a favorable state is acquired.

しかも、第1の実施形態では、電位センサ60は、電解質膜・電極構造体24の水分量が最も多い領域及び最も少ない領域に配置されている。具体的には、図2に示すように、電位センサ60は、水分量が最も多い領域である重力方向下方で且つ燃料ガス出口連通孔40bの近傍、及び、酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍に配置されている。一方、電位センサ60は、水分量が最も少ない領域である重力方向上方で且つ燃料ガス入口連通孔40aの近傍、及び、酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍に配置されている。   Moreover, in the first embodiment, the potential sensor 60 is disposed in the region where the amount of moisture of the electrolyte membrane / electrode structure 24 is the largest and the region where the moisture amount is the smallest. Specifically, as shown in FIG. 2, the potential sensor 60 is located below the gravitational direction, which is the region with the largest amount of moisture, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 40 b and in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 38 b. Is arranged. On the other hand, the potential sensor 60 is disposed above the fuel gas inlet communication hole 40a and in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 38a in the gravity direction, which is the region where the amount of moisture is the smallest.

従って、電解質膜・電極構造体24が部分的に多量の含水量となってフラッディングを惹起することを確実に阻止するとともに、前記電解質膜・電極構造体24が部分的に含水量不足となって乾燥することを可及的に抑制することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜30は、良好の湿潤状態を確実に維持することができ、所望の発電反応を確実且つ連続的に遂行することが可能になる。   Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 24 is partially prevented from being flooded due to partial water content, and the electrolyte membrane / electrode structure 24 is partially short of water content. It becomes possible to suppress drying as much as possible. Thereby, the solid polymer electrolyte membrane 30 can reliably maintain a good wet state, and can perform a desired power generation reaction reliably and continuously.

ところで、燃料電池システム12では、上記のアノード電極32側のパージ処理に代えて、又は、前記パージ処理に併用して、他の運転条件の調整を行うことができる。例えば、カソード電極34側では、各燃料電池10の酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる処理が行われる。   By the way, in the fuel cell system 12, other operating conditions can be adjusted in place of the above-described purge process on the anode electrode 32 side or in combination with the purge process. For example, on the cathode electrode 34 side, a process of increasing the flow rate of the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path 46 of each fuel cell 10 is performed.

具体的には、図8に示すように、含水量の増加に伴って検出電位が高くなり、前記電位が既定値(閾値)を超えると判断された際、酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量(Air流量)が増加される。このため、酸化剤ガス流路46からの排水性が向上し、含水量が減少するとともに、電位が低下する。従って、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体24の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる。   Specifically, as shown in FIG. 8, the detected potential increases as the water content increases, and when it is determined that the potential exceeds a predetermined value (threshold value), it is supplied to the oxidant gas flow path 46. The flow rate of the oxidant gas (Air flow rate) is increased. For this reason, drainage from the oxidant gas flow path 46 is improved, the water content is reduced, and the potential is lowered. Therefore, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 24 can be easily and economically maintained within a predetermined water content range.

なお、第1の実施形態では、電位センサ60を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、図9に示す電位センサ60aを使用することができる。   In the first embodiment, the potential sensor 60 is used. However, the present invention is not limited to this. For example, the potential sensor 60a shown in FIG. 9 can be used.

電位センサ60aでは、導電性端子62を基材64と絶縁部材66aとを介して固定する。絶縁部材66aは、基材64と同一の長さを有しており、一端縁部には、導電性端子62の計測部62aを外部に露呈させる開口部66bが形成される。   In the potential sensor 60a, the conductive terminal 62 is fixed via the base material 64 and the insulating member 66a. The insulating member 66a has the same length as the base material 64, and an opening 66b that exposes the measuring portion 62a of the conductive terminal 62 to the outside is formed at one end edge portion.

このように、構成される電位センサ60aは、上記の電位センサ60と同様の作用効果を有する。   Thus, the configured potential sensor 60 a has the same operational effects as the potential sensor 60 described above.

図10は、本発明の第2の実施形態に係る運転方法における運転条件の調整として、冷却媒体の流量を調整する際の説明図である。   FIG. 10 is an explanatory diagram when adjusting the flow rate of the cooling medium as the adjustment of the operation condition in the operation method according to the second embodiment of the present invention.

第2の実施形態では、燃料電池スタック14に供給される冷却媒体の流量を低下させることにより、含水量を低下させている。従って、冷却媒体の流量を低下させるだけで、電位を低下させることができ、簡単且つ経済的に、電解質膜・電極構造体24の含水量を所定の含水量範囲内に維持することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment, the water content is reduced by reducing the flow rate of the cooling medium supplied to the fuel cell stack 14. Therefore, the potential can be lowered simply by reducing the flow rate of the cooling medium, and the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 24 can be maintained within a predetermined water content range in a simple and economical manner. For example, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

なお、冷却媒体の流量を下げる方法の他、前記冷却媒体の温度を上げることにより、含水量を低下させて電位の低下を図ることも可能である。   In addition to the method of decreasing the flow rate of the cooling medium, it is also possible to decrease the water content and decrease the potential by increasing the temperature of the cooling medium.

図11は、本発明の第3の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池130を構成する電解質膜・電極構造体132の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10を構成する電解質膜・電極構造体24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4以降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。   FIG. 11 is a cross-sectional explanatory view of a main part of an electrolyte membrane / electrode structure 132 constituting a fuel cell 130 in which the operation method according to the third embodiment of the present invention is implemented. The same components as those of the electrolyte membrane / electrode structure 24 constituting the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the fourth and subsequent embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

電解質膜・電極構造体132は、固体高分子電解質膜30をアノード電極32a及びカソード電極34aで挟持する。アノード電極32aの外周端部は、カソード電極34aの外周端部よりも外方に突出する。すなわち、アノード電極32a及びカソード電極34aの寸法は、第1の実施形態のアノード電極32及びカソード電極34の寸法とは逆に設定される(図3参照)。固体高分子電解質膜30上には、アノード電極32a側の面及びカソード電極34a側の面に電位センサ60が設置される。   The electrolyte membrane / electrode structure 132 holds the solid polymer electrolyte membrane 30 between the anode electrode 32a and the cathode electrode 34a. The outer peripheral end of the anode electrode 32a protrudes outward from the outer peripheral end of the cathode electrode 34a. That is, the dimensions of the anode electrode 32a and the cathode electrode 34a are set opposite to the dimensions of the anode electrode 32 and the cathode electrode 34 of the first embodiment (see FIG. 3). On the solid polymer electrolyte membrane 30, a potential sensor 60 is installed on the surface on the anode electrode 32a side and on the surface on the cathode electrode 34a side.

これにより、第3の実施形態では、電位センサ60を介して、電解質膜・電極構造体132の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   Accordingly, in the third embodiment, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 132 can be easily and reliably detected via the potential sensor 60, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained. can get.

図12は、本発明の第4の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池140を構成する電解質膜・電極構造体142の正面説明図である。   FIG. 12 is an explanatory front view of the electrolyte membrane / electrode structure 142 constituting the fuel cell 140 in which the operation method according to the fourth embodiment of the present invention is performed.

図12及び図13に示すように、電解質膜・電極構造体142は、固体高分子電解質膜30をアノード電極144及びカソード電極146で挟持する。アノード電極144は、固体高分子電解質膜30と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜30よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極144は、カソード電極146よりも大きな平面寸法に設定される(図12参照)。   As shown in FIGS. 12 and 13, the electrolyte membrane / electrode structure 142 sandwiches the solid polymer electrolyte membrane 30 between an anode electrode 144 and a cathode electrode 146. The anode electrode 144 is set to have the same planar dimension as the solid polymer electrolyte membrane 30 or a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 30, and the anode electrode 144 is larger than the cathode electrode 146. The dimensions are set (see FIG. 12).

アノード電極144の四隅には、切り欠き部144aが形成される。各切り欠き部144aでは、積層方向に対して、カソード電極146の外周端部位置が、アノード電極144の外周端部位置よりも外方に突出する。なお、切り欠き部144aの形状は、特に限定されるものではない。   Cutouts 144 a are formed at the four corners of the anode electrode 144. In each notch portion 144a, the outer peripheral end position of the cathode electrode 146 protrudes outward from the outer peripheral end position of the anode electrode 144 in the stacking direction. In addition, the shape of the notch part 144a is not specifically limited.

各切り欠き部144aに対応してカソード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体142の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに、電位センサ148が設置される。   Corresponding to each notch 144a, on the cathode side, that is, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 40b and in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 38b, which are regions where the amount of water in the electrolyte membrane / electrode structure 142 is the largest. In addition, the potential sensor 148 is installed in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 40a and the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 38a, which are regions where the moisture amount is the smallest.

電位センサ148は、図13及び図14に示すように、参照電極との電位差を検出するとともに、一方の側部側に屈曲又は突出する計測部150a、152a、154a及び156aを有する複数のシート状又は線状の導電性端子(電位測定電極)150、152、154及び156を備える。導電性端子150、152、154及び156は、シート状の第1絶縁部材158とシート状の第2絶縁部材160との間に介装される。なお、導電性端子は、1個又は複数個設けてあればよく、個数は種々変更可能である。   As shown in FIGS. 13 and 14, the potential sensor 148 detects a potential difference from the reference electrode, and has a plurality of sheet-like shapes having measuring portions 150a, 152a, 154a, and 156a that bend or protrude on one side. Alternatively, linear conductive terminals (potential measurement electrodes) 150, 152, 154, and 156 are provided. The conductive terminals 150, 152, 154, and 156 are interposed between the sheet-like first insulating member 158 and the sheet-like second insulating member 160. Note that one or a plurality of conductive terminals may be provided, and the number can be variously changed.

導電性端子150、152、154及び156は、例えば、薄膜状又は線状の金(Au)により形成されるとともに、前記導電性端子150から前記導電性端子156に向かって、順次、短尺に構成される。各計測部150a、152a、154a及び156aは、第1絶縁部材158に形成された開口部158a、158b、158c及び158dから外部に長さL(数μm〜数十μm)だけ突出する。計測部150a、152a、154a及び156aは、他の部位150b、152b、154b及び156b上にめっき処理によって厚く構成し、又は、先端を折り曲げて厚くしてもよい。   The conductive terminals 150, 152, 154, and 156 are formed of, for example, a thin film or linear gold (Au), and are configured to be sequentially short from the conductive terminal 150 toward the conductive terminal 156. Is done. Each measurement unit 150a, 152a, 154a and 156a protrudes from the openings 158a, 158b, 158c and 158d formed in the first insulating member 158 to the outside by a length L (several μm to several tens μm). The measuring parts 150a, 152a, 154a and 156a may be formed thick by plating on the other parts 150b, 152b, 154b and 156b, or the tips may be bent and thickened.

各計測部150a、152a、154a及び156aは、順次、段差状に高さ方向(矢印C方向)に低くなるように配置され、図13に示すように、固体高分子電解質膜30のカソード電極146側に、それぞれ所定の位置に配置される。図14に示すように、導電性端子150、152、154及び156には、他の部位150b、152b、154b及び156bの下端部に導電ライン162a、162b、162c及び162dが接続される。導電ライン162a、162b、162c及び162dは、図示しない電位測定装置に接続される。   The measuring units 150a, 152a, 154a, and 156a are sequentially arranged in steps so as to be lowered in the height direction (arrow C direction), and as shown in FIG. 13, the cathode electrode 146 of the solid polymer electrolyte membrane 30 is disposed. Are arranged at predetermined positions on the sides. As shown in FIG. 14, conductive lines 162a, 162b, 162c and 162d are connected to the lower ends of the other portions 150b, 152b, 154b and 156b to the conductive terminals 150, 152, 154 and 156, respectively. The conductive lines 162a, 162b, 162c and 162d are connected to a potential measuring device (not shown).

これにより、第4の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体142の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、複数の計測部150a、152a、154a及び156aにより、平面領域における含水率の分布を検出することができる。   As a result, in the fourth embodiment, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 142 can be easily and reliably detected via the potential sensor 148, and is the same as in the first to third embodiments. The effect is obtained. Furthermore, the moisture content distribution in the planar area can be detected by the plurality of measuring units 150a, 152a, 154a, and 156a.

なお、第4の実施形態では、電位センサ148を用いているが、これに代えて電位センサ60を採用してもよい。また、アノード電極144側にも、電位センサ148又は電位センサ60を設けてもよい。その際、カソード電極146の四隅には、切り欠き部が形成される。この切り欠き部は、固体高分子電解質膜30を挟んで、カソード電極146とアノード電極144との位置関係を、電位測定に最適な形状にすることが好ましい。以下に説明する第5以降の実施形態でも、同様である。   Although the potential sensor 148 is used in the fourth embodiment, the potential sensor 60 may be employed instead. Further, the potential sensor 148 or the potential sensor 60 may be provided also on the anode electrode 144 side. At that time, notches are formed at the four corners of the cathode electrode 146. It is preferable that the notched portion has a shape in which the positional relationship between the cathode electrode 146 and the anode electrode 144 is optimal for potential measurement with the solid polymer electrolyte membrane 30 interposed therebetween. The same applies to the fifth and subsequent embodiments described below.

図15は、本発明の第5の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池163を構成する電解質膜・電極構造体165の正面説明図である。   FIG. 15 is an explanatory front view of the electrolyte membrane / electrode structure 165 constituting the fuel cell 163 in which the operation method according to the fifth embodiment of the present invention is implemented.

図15及び図16に示すように、電解質膜・電極構造体165は、固体高分子電解質膜30をアノード電極164及びカソード電極166で挟持する。アノード電極164は、固体高分子電解質膜30と、同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記アノード電極164は、カソード電極166よりも大きな平面寸法に設定される(図15参照)。   As shown in FIGS. 15 and 16, the electrolyte membrane / electrode structure 165 sandwiches the solid polymer electrolyte membrane 30 between the anode electrode 164 and the cathode electrode 166. The anode electrode 164 is set to have the same plane size as the solid polymer electrolyte membrane 30 or a plane size smaller than the solid polymer electrolyte membrane, and the anode electrode 164 is a plane larger than the cathode electrode 166. The dimensions are set (see FIG. 15).

アノード電極164と固体高分子電解質膜30とが同一寸法である場合、このアノード電極164の端部の電位計測を行う際には、前記アノード電極164の四隅には、切り欠き部164aが形成される。なお、アノード電極164の平面寸法が、固体高分子電解質膜30の平面寸法よりも小さい場合には、切り欠き部164aを設ける必要がない。   When the anode electrode 164 and the solid polymer electrolyte membrane 30 have the same dimensions, when measuring the potential at the end of the anode electrode 164, notches 164a are formed at the four corners of the anode electrode 164. The In addition, when the planar dimension of the anode electrode 164 is smaller than the planar dimension of the solid polymer electrolyte membrane 30, it is not necessary to provide the notch part 164a.

一方、アノード電極164と同様に、カソード電極166の端部の電位計測も行う際には、前記カソード電極166の四隅の少なくとも1カ所(四隅全てでもよい)には、切り欠き部166aが形成される。切り欠き部166aの寸法は、アノード電極164とカソード電極166との大きさの差である寸法と同じに設定される。又は、アノード電極164とカソード電極166と大きさの差は、電位計測に最適な形状により設定される。カソード電極166のみの電位計測を行う際には、前記カソード電極166に切り欠き部を設けなくてもよい。   On the other hand, as with the anode electrode 164, when measuring the potential at the end of the cathode electrode 166, notches 166a are formed in at least one of the four corners of the cathode electrode 166 (or all four corners are acceptable). The The dimension of the notch 166a is set to be the same as the dimension that is the difference in size between the anode electrode 164 and the cathode electrode 166. Alternatively, the difference in size between the anode electrode 164 and the cathode electrode 166 is set by an optimum shape for potential measurement. When measuring the potential of only the cathode electrode 166, the cathode electrode 166 may not be provided with a notch.

各切り欠き部164aに対応して、すなわち、電解質膜・電極構造体165の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに対応して、アノード側に電位センサ148が設置される。また、アノード電極164又はカソード電極166のいずれか一方にのみ、あるいは両方に電位センサ148を設置してもよい。   Corresponding to each notch 164a, that is, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 40b and the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 38b, which are regions where the amount of water in the electrolyte membrane / electrode structure 165 is the largest, The potential sensor 148 is installed on the anode side corresponding to the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 40a and the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 38a, which are the regions with the least amount of gas. Further, the potential sensor 148 may be provided only on either the anode electrode 164 or the cathode electrode 166, or on both.

これにより、第5の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体165の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。   Thereby, in the fifth embodiment, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 165 can be easily and reliably detected via the potential sensor 148, and is the same as in the first to fourth embodiments. The effect is obtained.

図17は、本発明の第6の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池170を構成する電解質膜・電極構造体172の正面説明図である。   FIG. 17 is an explanatory front view of an electrolyte membrane / electrode structure 172 constituting a fuel cell 170 in which the operating method according to the sixth embodiment of the present invention is implemented.

図17及び図18に示すように、電解質膜・電極構造体172は、固体高分子電解質膜30をアノード電極174及びカソード電極176で挟持する。カソード電極176は、固体高分子電解質膜30と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜30よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極176は、アノード電極174よりも大きな平面寸法に設定される(図17参照)。   As shown in FIGS. 17 and 18, the electrolyte membrane / electrode structure 172 sandwiches the solid polymer electrolyte membrane 30 between the anode electrode 174 and the cathode electrode 176. The cathode electrode 176 is set to have the same planar dimension as the solid polymer electrolyte membrane 30 or a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 30, and the cathode electrode 176 is larger than the anode electrode 174. The dimensions are set (see FIG. 17).

カソード電極176の四隅には、切り欠き部176aが形成される。各切り欠き部176aでは、積層方向に対して、アノード電極174の外周端部位置が、カソード電極176の外周端部位置よりも外方に突出する。   At the four corners of the cathode electrode 176, notches 176a are formed. In each notch 176a, the outer peripheral end position of the anode electrode 174 protrudes outward from the outer peripheral end position of the cathode electrode 176 in the stacking direction.

各切り欠き部176aに対応してアノード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体172の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに、電位センサ148が設置される。また、カソード電極176側にも、電位センサ148又は電位センサ60を設けてもよい。   Corresponding to each notch 176a, on the anode side, that is, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 40b and in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 38b, which are regions where the amount of water in the electrolyte membrane / electrode structure 172 is the largest. In addition, the potential sensor 148 is installed in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 40a and the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 38a, which are regions where the moisture amount is the smallest. Further, the potential sensor 148 or the potential sensor 60 may be provided also on the cathode electrode 176 side.

これにより、第6の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体172の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第5の実施形態と同様の効果が得られる。   Accordingly, in the sixth embodiment, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 172 can be easily and reliably detected via the potential sensor 148, and is the same as in the first to fifth embodiments. The effect is obtained.

図19は、本発明の第7の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池180を構成する電解質膜・電極構造体182の正面説明図である。   FIG. 19 is an explanatory front view of an electrolyte membrane / electrode structure 182 constituting a fuel cell 180 in which the operating method according to the seventh embodiment of the present invention is implemented.

図19及び図20に示すように、電解質膜・電極構造体182は、固体高分子電解質膜30をアノード電極184及びカソード電極186で挟持する。カソード電極186は、固体高分子電解質膜30と同一の平面寸法に、又は前記固体高分子電解質膜30よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、前記カソード電極186は、アノード電極184よりも大きな平面寸法に設定される(図19参照)。   As shown in FIGS. 19 and 20, the electrolyte membrane / electrode structure 182 sandwiches the solid polymer electrolyte membrane 30 between an anode electrode 184 and a cathode electrode 186. The cathode electrode 186 is set to have the same planar dimension as the solid polymer electrolyte membrane 30 or a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 30, and the cathode electrode 186 is larger than the anode electrode 184. The dimensions are set (see FIG. 19).

アノード電極184の端部の電位計測及びカソード電極186の端部の電位計測を行う際には、前記アノード電極184の四隅には、切り欠き部184aが形成される一方、前記カソード電極186の四隅には、切り欠き部186aが形成される。なお、切り欠き部184a、186aの形状は、必要に応じて設定され、電位計測に最適な形状に変更可能である。アノード電極184のみの電位計測を行う際には、アノード電極184に切り欠き部184aを設けなくてもよい。   When measuring the potential at the end of the anode electrode 184 and measuring the potential at the end of the cathode electrode 186, notches 184a are formed at the four corners of the anode electrode 184, while the four corners of the cathode electrode 186 are formed. Is formed with a notch 186a. Note that the shape of the notches 184a and 186a is set as necessary, and can be changed to an optimum shape for potential measurement. When measuring the potential of only the anode electrode 184, the notch 184a is not necessarily provided in the anode electrode 184.

各切り欠き部184a、186aに対応してアノード側及びカソード側には、すなわち、電解質膜・電極構造体182の水分量が最も多い領域である燃料ガス出口連通孔40bの近傍及び酸化剤ガス出口連通孔38bの近傍と、水分量が最も少ない領域である燃料ガス入口連通孔40aの近傍及び酸化剤ガス入口連通孔38aの近傍とに、電位センサ148が設置される。また、アノード電極164又はカソード電極166のいずれか一方にのみ、電位センサ148を設置してもよい。   Corresponding to the notches 184a and 186a, on the anode side and the cathode side, that is, in the vicinity of the fuel gas outlet communication hole 40b, which is the region where the amount of water of the electrolyte membrane / electrode structure 182 is the largest, and the oxidant gas outlet A potential sensor 148 is installed in the vicinity of the communication hole 38b, in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 40a and in the vicinity of the oxidant gas inlet communication hole 38a, which are regions where the amount of moisture is the smallest. Further, the potential sensor 148 may be provided only on one of the anode electrode 164 and the cathode electrode 166.

これにより、第7の実施形態では、電位センサ148を介して、電解質膜・電極構造体182の含水量を容易且つ確実に検出することができ、上記の第1〜第6の実施形態と同様の効果が得られる。   Accordingly, in the seventh embodiment, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 182 can be easily and reliably detected via the potential sensor 148, and is the same as in the first to sixth embodiments. The effect is obtained.

10、130、140、163、170、180…燃料電池
12…燃料電池システム 14…燃料電池スタック
16…酸化剤ガス供給装置 18…燃料ガス供給装置
20…冷却媒体供給装置 22…制御装置
24、132、142、165、172、182…電解質膜・電極構造体
26、28…セパレータ 30…固体高分子電解質膜
32、32a、144、164、174、184…アノード電極
34、34a、146、166、176、186…カソード電極
38a…酸化剤ガス入口連通孔 38b…酸化剤ガス出口連通孔
40a…燃料ガス入口連通孔 40b…燃料ガス出口連通孔
42a…冷却媒体入口連通孔 42b…冷却媒体出口連通孔
46…酸化剤ガス流路 48…燃料ガス流路
50…冷却媒体流路 60、60a、148…電位センサ
62、150、152、154、156…導電性端子
62a、150a、152a、154a、156a…計測部
70…電位測定装置 120…電位補正部
122…含水量推定部 124…デバイス制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 130, 140, 163, 170, 180 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell system 14 ... Fuel cell stack 16 ... Oxidant gas supply device 18 ... Fuel gas supply device 20 ... Cooling medium supply device 22 ... Control devices 24, 132 , 142, 165, 172, 182... Electrolyte membrane / electrode structure 26, 28... Separator 30... Solid polymer electrolyte membranes 32, 32 a, 144, 164, 174, 184. 186 ... Cathode electrode 38a ... Oxidant gas inlet communication hole 38b ... Oxidant gas outlet communication hole 40a ... Fuel gas inlet communication hole 40b ... Fuel gas outlet communication hole 42a ... Cooling medium inlet communication hole 42b ... Cooling medium outlet communication hole 46 ... Oxidant gas flow path 48 ... Fuel gas flow path 50 ... Cooling medium flow path 60, 60a, 148 ... Potential sensor 62 150, 152, 154, 156 ... conductive terminals 62a, 150a, 152a, 154a, 156a ... measurement unit 70 ... potential measuring device 120 ... potential correcting section 122 ... water content estimator 124 ... device control unit

Claims (6)

アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池の運転方法であって、
前記電解質膜・電極構造体の外周端部に設けられた電位センサの出力値に基づいて、予め設定された電位と含水量との関係から、前記電解質膜・電極構造体の含水量を推定する工程と、
推定された前記含水量が、所定の含水量範囲内に維持されるように、前記燃料電池の運転条件を調整する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
An operation method of a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated,
The water content of the electrolyte membrane / electrode structure is estimated from the relationship between the preset potential and the water content based on the output value of the potential sensor provided at the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure. Process,
Adjusting the operating conditions of the fuel cell so that the estimated water content is maintained within a predetermined water content range;
A method of operating a fuel cell, comprising:
請求項1記載の運転方法において、前記電位センサは、面内に単一又は複数個配置されることを特徴とする燃料電池の運転方法。   2. The method of operating a fuel cell according to claim 1, wherein the potential sensor is single or plural in a plane. 請求項1又は2記載の運転方法において、前記運転条件の調整は、少なくとも前記アノード電極側に供給される燃料ガスの流量調整、圧力調整、湿度調整、温度調整又はパージ処理のいずれかを有することを特徴とする燃料電池の運転方法。   3. The operation method according to claim 1, wherein the adjustment of the operation condition includes at least one of a flow rate adjustment, a pressure adjustment, a humidity adjustment, a temperature adjustment, and a purge process of a fuel gas supplied to the anode electrode side. A method of operating a fuel cell characterized by the above. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の運転方法において、前記運転条件の調整は、少なくとも前記カソード電極側に供給される酸化剤ガスの流量調整、圧力調整、温度調整又は湿度調整のいずれかを有することを特徴とする燃料電池の運転方法。   The operation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the adjustment of the operation condition includes at least one of a flow rate adjustment, a pressure adjustment, a temperature adjustment, and a humidity adjustment of an oxidant gas supplied to the cathode electrode side. A method for operating a fuel cell, comprising: 請求項1〜4のいずれか1項に記載の運転方法において、前記運転条件の調整は、少なくとも冷却媒体の温度調整又は流量調整のいずれかを有することを特徴とする燃料電池の運転方法。   5. The operation method of a fuel cell according to claim 1, wherein the adjustment of the operation condition includes at least one of temperature adjustment and flow rate adjustment of a cooling medium. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の運転方法において、前記電解質膜・電極構造体の四隅の少なくとも1カ所に切り欠き部が設けられるとともに、前記切り欠き部に対応して前記電位センサが設置されることを特徴とする燃料電池の運転方法。   6. The operation method according to claim 1, wherein a notch is provided in at least one of the four corners of the electrolyte membrane / electrode structure, and the potential sensor corresponds to the notch. A method of operating a fuel cell, characterized in that is installed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016081594A (en) * 2014-10-10 2016-05-16 本田技研工業株式会社 Water content measuring device for fuel battery
JP2016091977A (en) * 2014-11-11 2016-05-23 本田技研工業株式会社 Moisture detection device for fuel cell

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