JP4820947B2 - 燃料セル・メンブレンを監視するための一体型センサおよび監視方法 - Google Patents

燃料セル・メンブレンを監視するための一体型センサおよび監視方法 Download PDF

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Description

（産業上の利用分野）
本発明は、一般に、燃料セル(fuel cell)に関し、さらに詳しくは、固体電解質(solid electrolyte)と一体化した測定手段を有する燃料セルに関する。
【０００１】
（従来の技術）
燃料セルでは、触媒の存在下で燃料(fuel)を酸化剤(oxidant)と反応させることにより、電気エネルギが生成される。典型的な燃料セルは、イオン伝導電極(ion-conducting electrode)によって分離された燃料電極（アノード）と酸化剤電極（カソード）とによって構成される。これらの電極は、外部回路導体(external circuit conductor)によって負荷（電子回路など）に接続される。回路導体では、電流は電子の流れによって運ばれ、一方、電解質では、電流は酸性電解質における水素イオン（Ｈ+）またアルカリ性電解質におけるヒドロキシル・イオン（ＯＨ-）などのイオンの流れによって運ばれる。アノードでは、流入水素ガスはイオン化して、水素イオンおよび電子となる。電解質は電子導体ではないので、電子は外部回路を介してアノードから逃げる。カソードでは、酸素ガスは、電解質を介して移動する水素イオンと、外部回路からの流入電子と反応して、副産物として水を生成し、次にこの水は一般に蒸気(vapor)として抽出される。燃料セルの一つの周知の種類に、「メンブレン電極アセンブリ(membrane-electrode-assembly)」（ＭＥＡ）があり、これはその一方の面にアノードを有し、対置する面にカソードを有する一般に薄くて、プロトン透過型の固体ポリマ・メンブレン電解質である。ＭＥＡは、アノードおよびカソードの電流コレクタとして機能する一対の導電性素子の間にはさまれ、各アノードおよびカソード触媒の表面上で燃料セルのガス状反応体(gaseous reactants)を分散するための適切なチャネルおよび／または開口部を含む。このような一つのＭＥＡおよび燃料セルについては、米国特許第５，２７２，０１７号にて説明されている。実際には、多数のこれらユニット燃料セルは通常積層(stack)あるいは「連結(gang)」されて、燃料セル・スタックまたはアセンブリを形成する。個別のセルは、一方のセルのアノード電流コレクタをスタック内の最寄りのセルのカソード電流コレクタと接触させることにより、直列に電気接続される。スタック内のたった一つのユニット・セルの劣化または不良は、燃料セル・アセンブリの全体的な性能を低下させ、完全に動作不能にすることもある。燃料セルは、触媒の一酸化炭素による毒作用(poisoning)，セルの浸水およびプロトン交換メンブレンの周りあるいはこれを介したガス状水素の漏れなど、多数の理由によって不良になる。メンブレンのカソード側へのガス状水素の移動により、無用な水素消費，セル／スタック効率の損失およびセル電圧の低下が生じることがある。一酸化炭素毒作用および／または浸水により、ユニット・セルおよび／またはスタック電圧の低下が生じる。これらの状況のいずれかでも現れると、不可逆性のセル／スタック劣化を阻止するために、是正措置が必要になる。スタック内のメンブレンの一つが劣化あるいは誤動作すると、セルを修復するために、スタック全体を取り外して、分解しなければならない。アセンブリのために溶接および／または接着剤が用いられるスタック設計の場合、スタック全体を破棄する必要があることもある。さらに、外部層と内部層との間の温度および湿度の相違により、スタックの内部セルはスタックの外部セルと同じ効率で動作しない。
【０００２】
燃料セル・アセンブリの動作中に個別セルの性能を監視し、それからさまざまな環境状態に応答して最適化するか、あるいは劣化したユニット・セルを補償するために、燃料セル・スタックの動作を調整するの手段があれば、非常に望ましい。従来技術におけるいくつかは、数ミリ秒の間セルを動作から電気的に中断して、ある固定ポイントにてセルの電流および電圧を測定することによって、この問題を解決することを試みていた。この方法は、複雑な切り換え方式が必要になるという欠点がある。セルはテスト負荷に切り換え、測定を行い、それから元に切り換える必要がある。さらに、情報は電流電圧（ＩＶ）曲線上の一つのポイント、もしくはせいぜい数ポイントに制限され、これでは実際のセルの状態に関してほとんどわからない。
【０００３】
（好適な実施例の説明）
従来技術の欠点から、我々は性能の悪いセルを識別するために、燃料セル・スタックの動作中に個別の燃料セルの状態を監視することが有利であるという結論に至った。この情報は、セルを遮断したり、あるいはメンブレンを再調整するか、あるいは燃料を再配分するために、セルへの燃料および酸化剤の入力を調整して、最も効率的な利用を達成し、そして燃料セル・システムの最適性能を実現するために利用できる。誘電率，抵抗，ＡＣインピーダンスまたはキャパシタンスを含む（がそれらに制限されない）要因の変化を検出する、燃料セル・スタックの個別ＭＥＡセル上またはその付近に配置されたセンサは、この個別セルの温度，含水量，流量などを推測するために利用できる。このデータを利用してフィードバックループを設定でき、セルに対するパラメータ（燃料または酸化剤流量など）もしくはシステム全体に対するパラメータ（電気負荷バランス）を調節して、最適性能を実現できる。本発明では、燃料セル・スタック内の個別燃料セルの性能を監視して、また任意で、性能が許容できないレベルまで劣化すると、是正措置（例えば、オペレータに報知する，予防措置あるいは是正措置を開始する）を自動的に発動するための方法および装置を想定する。さらに具体的には、本発明では、ＭＥＡ上に一体的に配置されたセンサを介して、各個別燃料セル内のＭＥＡの物理状態，熱状態，電気状態または化学状態を測定し；被測定状態を所定の基準と比較することにより、個別燃料セルのいずれかが許容できないかどうかを判定し；個別燃料セルの一つまたはそれ以上が許容できないことを被測定状態が示す場合に、燃料セル・スタックの動作を変更することを想定する。個別燃料セル内の各ＭＥＡは、ＭＥＡの物理状態，熱状態，化学状態または電気状態を監視するために、固体ポリマ電解質上に一体型センサ(integral sensor)を有する。
【０００４】
一般に、スタックは複数の個別燃料セルからなる。各個別燃料セルは、（１）メンブレンの対置する第１面および第２面に固定されたアノードおよびカソードを有するプロトン交換メンブレン(proton exchange membrane)と、（２）燃料（一般に、水素）をアノードと接触させるための、アノードに隣接した第１フロー・チャネルと、（３）酸素担体ガス(oxygen-bearing gas)（好ましくは、空気）をカソードと接触させるための、カソードに隣接した第２フロー・チャネルとによって構成される。各ＭＥＡ上のセンサは、セル電圧だけでなく、個別セル電圧も監視する。スタックの状態を判定するために、多数の測定，計算および所定の基準値との比較が行われ、それに基づいて、切迫したあるいは予想される望ましくない状態をスタックのオペレータに報知したり、および／あるいはこのような状態を緩和するために予防措置を自動的に開始するなど、是正措置が講じられる。ＭＥＡの不可欠な一部であるセンサを形成するために、材料を固体電解質上に直接被着できる。例えば、キャパシタまたは熱電対(thermocouple)を形成するために導電性材料を被着でき、温度センサ用の抵抗器を形成するために抵抗性材料を被着でき、また音響センサ(acoustical sensor)を作るために圧電材料を被着できる。他の材料およびセンサには、形状記憶合金，磁気抵抗体(magnetoresistive)，磁気収縮体(magnetoconstrictive)，磁気体(magnetic)および強誘電体(ferroelectric)が含まれるが、それらに限定されない。
【０００５】
本発明は、特定の形状に制限されるものではない。実際、セルが個別に制御される限り、スタック内の個別セル上あるいは管状セル上で利用できる。検出動作を実施するための一つの方法は、燃料セル・メンブレンの複素誘電率(complex dielectric constant)を測定する。被検出応答を利用して、セル性能は最適化される（温度，給湿(humidification)，酸化剤フロー，酸化剤圧力，燃料フロー，燃料圧力，燃料化学量(fuel stoichiometry)，電気負荷を制御する）。複素誘電測定値を利用することには、多数の利点がある：
１．複雑なハイパワー切り換えなしに、セルが動作している際中に、性能を測定・最適化できる。
【０００６】
２．最適化は、セル性能の高速および低速な変化の両方に対して応答できる。
【０００７】
３．最適化ルーチンは、ＭＥＡのカソードおよびアノード側の給湿の程度を判定して、給湿の良好な制御，長期のメンブレン寿命および良好な燃料セル性能を可能にする。
【０００８】
４．複素誘電テストの結果は、性能を最適化できるかどうか、あるいは材料不良が存在するかどうかを示す。
【０００９】
５．不良セルはシステムによって特定され、交換できる。
【００１０】
ここで図１を参照して、ＭＥＡ１００は、メンブレンと密接に接触した櫛形キャパシタ(interdigital capacitor)１１０を有する。これは、スクリーン印刷，薄膜被着，無電解メッキなど、多数の方法で実現できる。これを実現する最も迅速な方法は、電極材料を作製するために採用した同じプロセスを利用してキャパシタを形成することである。例えば、ＭＥＡの電極がスクリーン印刷される場合、櫛形キャパシタ１１０もスクリーン印刷して、それにより製造工程数を節減すべきである。例えば、導電性インクはポリマ電解質メンブレン（ＰＥＭ）のメンブレン基板上に被着できる。これは、櫛形トレース１１５を有する回路として、あるいは固体形状としてパターン化してもよい。被着は、用途に応じて、基板の片面または両面に施すことができる。例えば、メンブレンのいずれかの面に２つの固体パターンを被着して、ＡＣ信号を印加できる容量性デバイスの並列プレートを形成する場合には、ＭＥＡの厚さにおけるＡＣインピーダンスを測定できる。センサをパターン化する際に、センサは電極から絶縁すべきであり、これを実現する簡単な方法は、センサの周りにブランク枠(blank border)を形成することである。図１には具体的に示されていないが、当業者であれば、ＭＥＡ１００の残りの面には一般に電極があることが理解されよう。センサが開口部内のＭＥＡに密接かつ直接に装着，接合あるいは被着できるように、電極内の開口部を形成すべきである。ポリマ・メンブレンの一部を露出するブランク領域は、センサおよび関連インタコネクトを取り囲んで、これを電極から絶縁する。センサ部分はＰＥＭのエッジ付近に配置でき、また回路ランナ(circuit runner)１２０は、（エッジ・カード・コネクタまたは圧縮弾性コネクタ(compressive elastomeric connector)と同様に）電気接続ができるように、基板のエッジまで延在するようにパターン化できる。別の構成では、メンブレンの電気特性を一括して測定するように、ＭＥＡの各側にプレート状のセンサを利用する。小さな「キープアウト」領域は両方のセンサの周りにパターン化され、センサを電極から絶縁する。これにより、残りの面をＭＥＡの活性領域として利用できる。さらに、メンブレンの異なる部分を監視できるように、複数のセンサを表面上に分散できる。キャパシタ構造は、利用可能な表面積のほんのわずかしか占有してはならない。櫛形キャパシタを図１に示しているが、キャパシタの他の構成も利用でき、請求特許の範囲内であるとみなされるものとする。
【００１１】
キャパシタの櫛歯(interdigitated fingers)は、材料の表面における誘電率に対して極めて敏感な形状を与える。図２の断面図からわかるように、電気フィールド線２１０はキャパシタの櫛歯２１５の間に集中している。フィールド２１０は、材料の本体内ではドロップオフしている。上部櫛型フィルタ２１８は、メンブレン２００の上部（アノード側）の誘電率を主に測定し、一方、底部キャパシタ２１９はカソード側の誘電率を測定する。これは、動作中のメンブレンの給湿の程度は両側で同じでないので、極めて重要である。一般に、アノード側は最初に乾燥する傾向があり、これはイオン伝導率(ionic conductivity)を低減する。同時に、カソードは過剰水和(over hydrated)して、その間隙率(porosity)を低減し、カソードへの酸化剤フローを阻止する。動作時に、セルはカソード側で過剰水和し、アノード側で水和不足(under hydrated)になることがある。メンブレンの両側に櫛型キャパシタを配置することにより、アノードおよびカソード・メンブレン界面は独立して監視できる。
【００１２】
ここで図３を参照して、ＭＥＡの複素誘電率は、キャパシタとともに信号発生器を利用して判定できる。信号発生器３５０は交流（ＡＣ）電圧を生成し、この交流電圧はキャパシタ３２６のプレート３２５，３３０に印加される。なお、図面ではプレート３２５，３３０を櫛型キャパシタの櫛歯として示されていることを留意されたい。キャパシタ両端の電流および電圧は、（相対位相とともに）測定され、信号発生器３５０内のＩＶ測定ユニットは、電圧および電流測定値を格納済み値と比較することにより、誘電率（ｅr）および損失タンジェント（ｔａｎ ｄ）を計算する。さらに、これらの測定値は差動比較器(differential comparator)３６０において比較され、被測定値の差に比例する信号を取得できる。損失タンジェントから、ＭＥＡの水和(hydration)の程度を判定できる。（メンブレン内の水分が多いほど、損失タンジェントは大きくなる。）差分信号は、カソードとアノードとの間の水和の差の程度に比例する。異なる周波数における誘電率の値は、メンブレンの状態および水和の量を判定するために利用できる。これは、誘電応答は周波数の関数であるためである。異なる誘電メカニズムが異なる時間スケールで生じる。例えば、イオン伝導率はダイポール応答よりも応答が遅い。イオン移動(ion transport)からの信号は、水のダイポール応答よりも長いＲ−Ｃ時定数でモデル化できる。このことは、メンブレンの水和を判定できることを意味する。同様に、アノードにおけるより高速な化学反応は、カソードにおける遅い酸化反応から区別できる。従って、電極の状態を判定できる。
【００１３】
メンブレンの表面における誘電率を測定するだけでなく、「バルク」誘電率も測定できる。図４は、そのような構成を示す。メンブレン４００は、並列プレート・キャパシタ４２６の２つのプレート４２５の間にはさまれる。信号発生器４５０はＡＣ信号をプレート４２５に印加し、電流および電圧は（２つの信号の位相とともに）測定される。バルク材料の損失タンジェントおよび誘電率は、電流，電圧および相対位相角から判定される。この場合、ＡＣ信号は、表面ではなく、メンブレンの両端に印加される。バルク損失タンジェントおよび誘電率は、バルク材料の平均的な状態を示すという点を除いて、上記の場合と同じ情報を与える。
【００１４】
図５は、最適化ルーチンの高レベルな制御図である。誘電測定５７５からの信号５７０（損失タンジェントおよび誘電率）は、信号プロセッサ５８０に送られる。信号プロセッサ５８０は応答をルックアップ・テーブルまたはモデルと比較して、上記で説明した概念に基づいてセル性能を判定する。次に、信号プロセッサ５８０は、燃料セル５９５の動作パラメータを変更するために、適切なコマンドをコントローラ５９０に送る。例えば、信号プロセッサがシステムの複素応答をモデルと比較したときに、アノードにおいてダイポール応答が低下したことが判明すると、メンブレンがアノードにおいて脱水(dehydrate)しつつあることを意味する。セルの温度は、所望の範囲内であることを示し、カソード誘電応答は、カソードが適切に水和していることを示す。このとき、コントローラは、アノードに向かう燃料を給湿しようとする。他の状態も、同様にして処理される。
【００１５】
一体型センサを介して燃料セル性能を最適化する別の方法は、印加されるパルスまたは方形波に対するセルの過渡的な応答(transient response)に基づく。図６
を参照して、パルス発生器は方形波パルスまたは波列(wave train)６５１を燃料セル６９５の電極のうちの一つに印加し、出力パルス６５２は検出器６６０によって受信される。出力波形は複素信号であり、そのフーリエ成分はシステムの応答を表す。この波形は、フーリエ変換され、基準信号６５３のフーリエ成分と比較される。複素応答は、セルの直列および並列ＲＣ網モデルと比較できる。この解析は、デジタル信号解析で実行される過渡解析と同一である。この種の解析は当技術分野で周知であり、ここではさらに詳しく説明しない。電極／イオノマー界面(electrode/ionomer interface)は、メンブレンにおけるイオン移動とは異なる特徴的な応答を与えるので、イオン移動は直列抵抗としてモデル化でき、一方、界面はメンブレンと直列の並列ＲＣ合成としてモデル化できる。イオン移動からの信号は、水のダイポール応答よりも長いＲＣ時定数でモデル化でき、メンブレンの水和をこのモデルから判定できるようにする。同様に、アノードにおけるより高速な化学反応は、カソードにおける遅い酸化反応から区別できる。従って、電極の状態を判定できる。
【００１６】
検出器６６０からの信号は信号プロセッサ６７０に進み、ここで信号は、セル性能を測定するためルックアップ・テーブルまたはモデルと比較される。次に、信号プロセッサ６７０は、システムの動作パラメータを変更するために、コマンドをインテリジェント・コントローラ６９０に送る。例えば、信号プロセッサはシステムの複素応答をモデルと比較して、ダイポール応答が低下したことが判明するかもしれない。これは、メンブレンが脱水しつつあることを意味する。また、セルの温度を測定して、温度が所望の範囲内であることが判明する。次に、信号はコントローラに送信され、コントローラは、水和が増加するように、カソードへの空気フローを低減する。空気フローを低減することにより、燃料セルの出力パワーが低減しすぎると、コントローラは、空気がセルに入る前に、空気を給湿する。他の状態も、同様にして処理される。
【００１７】
過渡応答手法は、他の手法について列挙した利点のほかに、多数の利点を提供する：
１．テストは、セル電気性能のほかに、材料の状態を判定できる。
【００１８】
２．過渡応答テストの結果は、多くの入力パラメータのうちどれが性能を最適化するために最良に変更されるのかを示す。
【００１９】
３．テストは、材料のどの不良モードかを判定でき、そのため根本原因(root cause)を判定できる。例えば、触媒不良かイオノマー不良かを識別できる。
【００２０】
ここで図７を参照して、印加されるＡＣ信号に対するセルのＡＣ応答に基づいて燃料セル性能を最適化する別の方法を示す。ＡＣ信号７５１は、ＡＣ源７５０によって燃料セル７９５の電極のうちの一方に印加され、応答７５２は他方の電極上の位相検出器(phase sensitive detector)７６０によって検出される。上記のように、検出器またはセンサは固体電解質メンブレン上で一体的に配置される。位相検出器７６０は、応答信号７５２を基準信号７５３と比較する。２つの信号７６１，７６２は、一方は入力信号７５１と同相して、また一方は位相ずれして、出力される。これらの信号は、セルの複素応答を表す。複素応答は、前述の過渡検出解析とほぼ同じように、セルの直列および並列ＲＣ網モデルと比較できる。位相検出器７６０からの信号は信号プロセッサ７７０に進み、この信号プロセッサ７７０はコマンドをインテリジェント・コントローラ７９０に送る。
【００２１】
センサおよびその動作を説明したところで、今度はセンサを利用して燃料セルを動作する方法について説明する。メンブレン電極アセンブリの物理状態，熱状態，化学状態または電気状態は、適切なセンサおよび方法を利用して監視される。燃料セル内の状態が、異常信号がコントローラによって検出されるような状態である場合、コントローラは、被監視信号に基づいて不良メンブレン電極アセンブリを特定する。コントローラは、センサの動作，センサ信号の獲得，燃料セルの監視，データ処理および通信アルゴリズムのための必要な命令を収容している。センサは、適切な通信プロトコルの手段を介してコントローラと通信し、これら通信プロトコルの多くは当技術分野で周知である。コントローラの機能を実行する特定のプログラムは、従来の情報処理言語を利用して当業者によって実現できる。電子コントローラは、システムに課せられたパワー要求に対して燃料セル・スタック・システムの動作パラメータを制御し、スタックの状態を診断するようにプログラムされた従来の汎用デジタル・コンピュータに基づくコントローラの形式である。多数の好適なコントローラはMotorola Inc.によって製造されており、当業者に周知である。
【００２２】
次に、コントローラは、特定された不良メンブレンに応答して、あるいは燃料セル・アセンブリの動作を最適化するために、燃料セルの動作を変更する。例えば、燃料セル・アセンブリ内の個別ユニットは不良ではないかもしれないが、例えば、局所的な浸水または脱水のために単に最適以下で動作しているかもしれない。この場合、これらのユニット・セルはコントローラによって稼動(in service)または稼動停止(out of service)に電気的に切り換えることができ、また後にこれらのセルが最適状態に戻ると、稼動状態に戻すことができる。あるいは、コントローラは、特定されたメンブレン・アセンブリに対する燃料または酸化剤のフローを変更するために是正措置を開始でき、もしくは燃料セル・アセンブリの電気出力を低減できる。このような措置には、適切な措置を講じるようにスタック・オペレータに視覚報知または可聴報知を発動したり、あるいは閉ループ・フィードバック・シーケンスにおいて予防措置を自動的に開始することを含んでもよい。
【００２３】
本発明の好適な実施例に従って、スタックの予測される状態の特定の表示器(telltales)または事前インジケータ(advance indicators)もセンサによって与えられ、これらは事態が悪化する前に、事態を是正するために余裕の時間内でこのような状態を緩和するための適切な措置を自動的に発動できる。これらの状態のいくつかの例として、一酸化炭素毒作用，ポリマ電解質メンブレンの脱水，水素漏れ，燃料低下およびメンブレンの穿孔(perforation)がある。
【００２４】
要するに、ＭＥＡメンブレン上でセンサを一体化することは、複雑さおよび部品数を低減する。センサをセンサの測定対象のデバイスに内蔵することは、近接性による電気損失の軽減および正確な測定を実現する。センサおよびメンブレンの活性領域の両方として導電性電極材料を利用することは、製造をさらに簡単にする。本発明の好適な実施例について図説してきたが、本発明はそれらに制限されないことは明白である。多数の修正，変更，変形，代替および同等は、特許請求の範囲に定められる本発明の精神および範囲から逸脱せずに、当業者に想起されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による、一体型センサを具備する固体状態電解質の等角図である。
【図２】 キャパシタのフィールド線を示す、断面２−２からみた図１のセンサの断面図である。
【図３】 櫛形キャパシタを用いた、複素誘電率の測定を示す概略的フローチャートである。
【図４】 並列プレート方法を用いた、複素誘電率の測定を示す概略的フローチャートである。
【図５】 図３および図４に示す方法の高レベルな制御図である。
【図６】 本発明による、燃料セルの被測定過渡応答を利用する燃料セル最適化方法のブロック図である。
【図７】 本発明による、ＡＣインピーダンスおよび位相検出を利用する燃料セル最適化方法のブロック図である。

Claims (4)

  1. 一体型センサを有するメンブレン電極アセンブリであって、
    ２つの主面及び２つの主面のそれぞれに電極を有するポリマ電解質メンブレンと、
    前記メンブレン電極アセンブリの一つまたはそれ以上のパラメータを監視するセンサとを備え、
    前記パラメータは、前記メンブレン電極アセンブリの水和、イオン伝導率、前記メンブレン電極アセンブリの厚さにおけるＡＣインピーダンス、前記メンブレン電極アセンブリのキャパシタンス、応答、前記ポリマ電解質メンブレンのアノード側及びカソード側の誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンの複素誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンのバルク誘電率からなるグループより選択され、
    前記センサは、前記２つの主面のうちの一方にあり、
    前記センサは、前記メンブレン電極アセンブリ上に一体化されているメンブレン電極アセンブリ。
  2. 一体型センサを有し、電極を有するポリマ電解質メンブレンと、メンブレン電極アセンブリの一つまたはそれ以上のパラメータを監視するため前記ポリマ電解質メンブレンの一方の主面上に設けられたセンサとによって構成されるメンブレン電極アセンブリであって、
    前記パラメータは、前記メンブレン電極アセンブリの水和、イオン伝導率、前記メンブレン電極アセンブリの厚さにおけるＡＣインピーダンス、前記メンブレン電極アセンブリのキャパシタンス、応答、前記ポリマ電解質メンブレンのアノード側及びカソード側の誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンの複素誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンのバルク誘電率からなるグループより選択され、
    前記センサは、前記メンブレン電極アセンブリ上に一体化されているメンブレン電極アセンブリ。
  3. センサを具備する複数のメンブレン電極アセンブリを備えた燃料セル・アセンブリを動作するための方法であって、前記各メンブレン電極アセンブリがポリマ電解質メンブレンによって構成される方法において、
    前記メンブレン電極アセンブリ内の前記ポリマ電解質メンブレン上に一体化されている一つまたはそれ以上のセンサを介して、一つまたはそれ以上の前記メンブレン電極アセンブリの一つまたはそれ以上のパラメータを監視する段階であって、前記パラメータは、前記メンブレン電極アセンブリの水和、イオン伝導率、前記メンブレン電極アセンブリの厚さにおけるＡＣインピーダンス、前記メンブレン電極アセンブリのキャパシタンス、応答、前記ポリマ電解質メンブレンのアノード側及びカソード側の誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンの複素誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンのバルク誘電率からなるグループより選択される段階と、
    監視された前記パラメータを利用して、最適以下で動作しているメンブレン電極アセンブリを特定する段階と、
    最適以下であると特定された前記メンブレン電極アセンブリに基づいて、前記燃料セル・アセンブリの動作を変更する段階と
    によって構成される方法。
  4. 燃料セル・スタック内の個別燃料セルを監視し、その監視に応答してスタックの動作を変更する方法であって、
    ａ．メンブレン電極アセンブリ上に一体化されているセンサを介して、前記個別燃料セルのそれぞれにおいてメンブレン電極アセンブリの一つまたはそれ以上のパラメータを測定する段階であって、前記パラメータは、前記メンブレン電極アセンブリの水和、イオン伝導率、前記メンブレン電極アセンブリの厚さにおけるＡＣインピーダンス、前記メンブレン電極アセンブリのキャパシタンス、応答、前記ポリマ電解質メンブレンのアノード側及びカソード側の誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンの複素誘電率、前記ポリマ電解質メンブレンのバルク誘電率からなるグループより選択される段階と、
    ｂ．測定された前記パラメータを所定の基準と比較する段階と、
    ｃ．段階（ｂ）で実行された比較が、測定された前記パラメータが前記所定の基準を満たさないことを示す場合に、前記燃料セル・スタックの動作を変更する段階と
    によって構成される方法。
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