JP6291369B2 - 燃料電池用含水量制御方法及び装置 - Google Patents

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含水量を制御する燃料電池用含水量制御方法及び装置に関する。

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を採用している。燃料電池は、電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。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燃料電池電気自動車に搭載されている。

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が乾燥されて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。

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１９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。

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。

特開２００８−８４６０１号公報

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。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、インピーダンスを確実に計測することができ、電解質膜の任意の部分の含水量を、正確且つ容易に制御することが可能な燃料電池用含水量制御方法及び装置を提供することを目的とする。

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含水量を制御する燃料電池用含水量制御方法に関するものである。

この含水量制御方法は、少なくとも一対の電極部間にイオン交換樹脂が配置されたセンサを用意し、少なくとも１つの前記センサを電解質膜・電極構造体に配置する工程を有している。そして、含水量制御方法は、センサに交流電圧を印加し、インピーダンスを測定する工程と、測定された前記インピーダンスに基づいて、燃料電池の含水量を調整する工程と、を有している。

また、この含水量制御方法では、センサは、少なくとも電解質膜・電極構造体の水分量が最も多い領域又は最も少ない領域のいずれかに配置される。

さらに、この含水量制御方法では、測定されたインピーダンスから湿度又は抵抗値を検出し、前記湿度又は前記抵抗値に基づいて、電解質膜の含水量を推定することが好ましい。

さらにまた、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含水量を制御する燃料電池用含水量制御装置に関するものである。

この含水量制御装置では、少なくとも一対の電極部間にイオン交換樹脂が配置されたセンサと、インピーダンスを測定するために、前記センサに交流電圧を印加する交流電圧印加部と、を備えている。センサは、少なくとも電解質膜・電極構造体の水分量が最も多い領域又は最も少ない領域のいずれかに配置される。

本発明によれば、少なくとも一対の電極部間にイオン交換樹脂が配置されたセンサが用いられ、前記センサに交流電圧が印加されている。このため、例えば、単一のセンサを電解質膜・電極構造体の所望の部位に配置するだけで、前記所望の部位のインピーダンスを確実に検出することができる。

従って、簡単な構成で、電解質膜の任意の部位のインピーダンスを確実に計測することができる。これにより、電解質膜の任意の部分の含水量を、正確且つ容易に制御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用含水量制御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。 前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。 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。 前記電解質膜・電極構造体に組み込まれるインピーダンス計測装置を構成する計測用センサ部の正面図である。 前記計測用センサ部の断面側面図である。 前記インピーダンス計測装置の一部斜視説明図である。 含水量と湿度及び抵抗値との関係説明図である。 燃料電池の発電条件を示すマップである。 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。 運転条件の調整として、冷媒の流量を減少させる際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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。 他のインピーダンス計測装置を構成する計測用センサ部の正面図である。 前記計測用センサ部の断面側面図である。 別のインピーダンス計測装置を構成する計測用センサ部の断面側面図である。 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。

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用含水量制御方法が実施される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の電動車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２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とを備える。燃料電池システム１０は、さらに燃料電池スタック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１０全体の制御を行う制御装置（ＥＣＵ）２２とを備える。

図２に示すように、燃料電池１２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、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

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。

図３に示すように、カソード電極３４の外周端部３４_endは、アノード電極３２の外周端部３２_end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３４_end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３４_endと同一位置に配置してもよい。また、カソード電極３４とアノード電極３２の大小関係は、上記と逆に設定されてもよい。

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カーボンペーパ等からなるガス拡散層とを設ける。電極触媒層は、例えば、白金や白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜３０の両面に一様に塗布して形成される。

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。なお、樹脂製枠部材３６は、必要に応じて設けられていればよく、不要にすることもできる。

図２に示すように、燃料電池１２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１２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、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔４０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池１２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。

燃料電池１２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。燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、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。

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。

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。

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。

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。

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。

図２〜図６に示すように、燃料電池スタック１４は、少なくとも１つの燃料電池１２を計測用燃料電池として構成し、前記計測用燃料電池には、インピーダンス計測装置６０が設けられる。インピーダンス計測装置６０は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４を構成する固体高分子電解質膜３０上に、アノード電極３２側且つ前記アノード電極３２の外周端部よりも外方に配置される計測用センサ部６２を備える。図４及び図５に示すように、計測用センサ部６２の先端には、箔状の第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂが設けられる。第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂは、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）で構成され、あるいは、金属薄板に白金触媒をコーティングして構成される。

第１電極部６４ａには、第１交流印加用基材６６ａ及び第１測定用基材６６ｂが接続される。第１交流印加用基材６６ａ及び第１測定用基材６６ｂは、第１電極部６４ａと同一の材料で線状に構成される。第２電極部６４ｂには、第２交流印加用基材６８ａ及び第２測定用基材６８ｂが接続される。第２交流印加用基材６８ａ及び第２測定用基材６８ｂは、第２電極部６４ｂと同一の材料で線状に構成される。

第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂを囲繞（埋設）して、少なくとも前記第１電極部６４ａと前記第２電極部６４ｂとの間に位置して、イオン交換樹脂層７０が形成される。イオン交換樹脂層７０は、例えば、３枚のシート体を有し、各シート体間に第１電極部６４ａと第２電極部６４ｂとが介装（配置）され、一体化してもよい。イオン交換樹脂層７０は、固体高分子電解質膜３０と同一材料で構成してもよい。

イオン交換樹脂層７０には、絶縁部材７２が一体化され、前記絶縁部材７２は、第１交流印加用基材６６ａ、第１測定用基材６６ｂ、第２交流印加用基材６８ａ及び第２測定用基材６８ｂを埋設する。絶縁部材７２は、複数枚、例えば、３枚のシート体を重ね合わせて構成してもよい。

絶縁部材７２は、電気的絶縁性を有し、例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜等で形成される。

第１交流印加用基材６６ａには、第１交流印加用配線７４ａが接続され、第１測定用基材６６ｂには、第１測定用配線７４ｂが接続される。第２交流印加用基材６８ａには、第２交流印加用配線７６ａが接続され、第２測定用基材６８ｂには、第２測定用配線７６ｂが接続される。図６に示すように、第１交流印加用配線７４ａ、第１測定用配線７４ｂ、第２交流印加用配線７６ａ及び第２測定用配線７６ｂは、インピーダンス測定部７８に接続される。通常のインピーダンス計測は、周波数を走査して計測するが、測定周波数固定の低抵抗計測計で計測してもよい。

インピーダンス測定部７８は、交流電圧印加部８０、電圧測定部８２及び電流測定部８４を有する。第１交流印加用配線７４ａ及び第２交流印加用配線７６ａは、交流電圧印加部８０に接続される。第１測定用配線７４ｂ及び第２測定用配線７６ｂは、電圧測定部８２及び電流測定部８４に接続される。インピーダンス測定部７８は、測定されたインピーダンスに基づいて、後述するように、湿度又は抵抗値を推定する。

図２に示すように、計測用センサ部６２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。計測用センサ部６２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、計測用センサ部６２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、計測用センサ部６２の配置位置は、特に限定されるものではない。

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）８６を備え、前記エアコンプレッサ８６が空気供給流路８８に配設される。空気供給流路８８には、加湿器９０と、バルブ９２を介して前記加湿器９０をバイパスするバイパス流路９４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９６が連通する。空気排出流路９６は、背圧制御弁９８を介装して希釈器１００に接続される。

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１０２を備え、この高圧水素タンク１０２は、水素供給流路１０４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１０４には、バルブ１０６及びエゼクタ１０８が設けられる。

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１１０が連通する。このオフガス流路１１０は、気液分離器１１２に接続されるとともに、前記気液分離器１１２には、液体成分を排出するドレン流路１１４と、気体成分を排出する気体流路１１６とが設けられる。気体流路１１６は、循環路１１８を介してエゼクタ１０８に接続される一方、パージ弁１２０の開放作用下に、希釈器１００に連通する。ドレン流路１１４は、バルブ１２２を介して希釈器１００に連通する。希釈器１００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）とを混在させる。すなわち、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。

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１２４を備える。冷却媒体循環路１２４には、冷却媒体入口連通孔４２ａ側に近接して冷却ポンプ１２６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１２８が配置される。

空気供給流路８８、空気排出流路９６、水素供給流路１０４及びオフガス流路１１０には、それぞれ圧力計１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ及び１３０ｄが配置される。空気供給流路８８及び水素供給流路１０４には、湿度計１３２ａ及び１３２ｂが配置される。空気排出流路９６、気体流路１１６及び冷却媒体循環路１２４には、温度計１３４ａ、１３４ｂ及び１３４ｃが配置される。

制御装置２２には、インピーダンス測定部７８から推定された湿度（又は抵抗値）が入力される。制御装置２２は、入力された湿度（又は抵抗値）を温度補正又は圧力補正するための補正部１３５を有する。制御装置２２は、補正された湿度又は抵抗値に基づいて、含水量を推定する含水量推定部１３６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１２の運転条件を調整するデバイス制御部１３８とを有する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

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８６を介して空気供給流路８８に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器９０を通って加湿された後、又は、バイパス流路９４を通って前記加湿器９０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。

一方、燃料ガス供給装置１８では、バルブ１０６の開放作用下に、高圧水素タンク１０２から水素供給流路１０４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１０８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。

また、冷却媒体供給装置２０では、冷却ポンプ１２６の作用下に、冷却媒体循環路１２４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。

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。

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。

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。

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。

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９６を流通して希釈器１００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１１０から気液分離器１１２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１１６から循環路１１８を介してエゼクタ１０８に吸引される。

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１２４を通ってラジエータ１２８により冷却される。さらに、冷却媒体は、冷却ポンプ１２６の作用下に、燃料電池スタック１４に循環供給される。

次いで、本発明の第１の実施形態に係る含水量制御方法について、以下に説明する。

先ず、電解質膜・電極構造体２４の含水量と、インピーダンス測定により推定された湿度及び抵抗値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、湿度及び抵抗値との関係を実験的に検出したところ、図７に示す変化曲線が得られ、含水量の有効範囲に対応する湿度の範囲及び抵抗値の範囲が設定された。なお、抵抗値は、検出される交流インピーダンスの直流抵抗成分であり、湿度は、前記直流抵抗成分の対数である。

その際、種々の発電条件による湿度域及び抵抗値域と含水量との関係が取得された。図８に示すように、この得られた燃料電池１２の運転条件（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ、ｉｖ）は、含水量（Ｚ、Ｙ、Ｘ、Ｗ）に対応した湿度域及び抵抗値域（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。

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が含まれる。さらに、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）の露点及び圧力が含まれる。その他、燃料電池スタック１４に供給される冷却媒体の温度、流量並びに前記燃料電池スタック１４から排出される冷却媒体の温度等が含まれる。

第１の実施形態において、具体的な運転条件の調整（含水量制御）としては、アノード電極３２側のパージ処理、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。アノード電極３２側のパージ処理とは、パージ弁１２０を短時間だけ開く処理である。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。

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。

次に、燃料電池システム１０が発電運転している際、インピーダンス測定部７８では、燃料電池スタック１４から外部負荷（図示せず）により直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させている。

このため、図６に示すように、電圧測定部８２は、交流電流に対する交流応答電圧を測定する一方、電流測定部８４により交流電流が測定されている。従って、測定された交流応答電圧及び交流電流から、第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂ間の交流インピーダンスが算出される。

検出された交流インピーダンスに基づいて、該交流インピーダンスの直流抵抗成分、すなわち、抵抗値が算出される。さらに、必要に応じて、算出された抵抗値の対数である湿度が算出される。

図１に示すように、制御装置２２には、インピーダンス測定部７８から推定された湿度（又は抵抗値）が入力される。補正部１３５には、各温度、各圧力及び各湿度が入力されており、入力された湿度（又は抵抗値）が温度補正又は圧力補正された後、含水量推定部１３６に送られる。なお、補正部１３５では、複数の計測用センサ部６２の値の平均値、最大値又は最小値、あるいは、複数個の前記計測用センサ部６２の電位勾配を用いてもよい。

含水量推定部１３６では、図７に示すように、予め設定された湿度（又は抵抗値）と固体高分子電解質膜３０の含水量との相関性から、入力された補正湿度（又は補正抵抗値）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１３８では、推定含水量が、所定の含水量範囲内（図７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。

そこで、デバイス制御部１３８は、例えば、燃料ガス供給装置１８を構成するパージ弁１２０の開放作用下に、気体流路１１６を希釈器１００に連通させる。従って、各燃料電池１２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１１０に排出された後、希釈器１００に導入される。

オフガスは、気液分離器１１２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１２０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１００に排出される。これにより、各燃料電池１２の燃料ガス流路４８には、高圧水素タンク１０２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。

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。

アノード電極３２側の含水量が低下すると、図７に示すように、検出される湿度が低く、又は検出される抵抗値が高くなる。制御装置２２では、インピーダンス測定部７８から入力される湿度（又は抵抗値）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。

一方、燃料電池システム１０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１２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。

具体的には、図９に示すように、含水量の増加に伴って湿度が高くなり、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、湿度が低下する。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。

なお、抵抗値は、含水量の増加に伴って低くなり、既定値を下回ると判断された際、酸化剤ガスの流量が増加される。これにより、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、抵抗値が上昇する。

この場合、第１の実施形態では、インピーダンス計測装置６０を構成する計測用センサ部６２は、第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂが、互いに離間した状態で、イオン交換樹脂層７０に埋設されている。そして、計測用センサ部６２には、交流電圧印加部８０を介して交流電圧が印加されている。

このため、例えば、単一の計測用センサ部６２を電解質膜・電極構造体２４の所望の部位に配置するだけで、前記所望の部位の交流インピーダンスを確実に検出することができる。従って、簡単な構成で、固体高分子電解質膜３０の任意の部位の交流インピーダンスを確実に計測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の任意の部分の含水量を、正確且つ容易に制御することができるという効果が得られる。

図１０は、運転条件の調整として、酸化剤ガスの流量を調整する処理に代えて、冷却媒体の流量を調整する処理の説明図である。

すなわち、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。このため、冷却媒体の流量を低下させるだけで、含水量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。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、含水量を低下させることも可能である。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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１２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３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。

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３２及びカソード電極３４で挟持する。固体高分子電解質膜３０上には、アノード電極３２側及びカソード電極３４側に、それぞれ計測用センサ部６２が配置される。計測用センサ部６２は、アノード電極３２の外方及びカソード電極３４の外方で、互いに積層方向に同一位置（又はずれた位置）に配置される。

このように構成される第２の実施形態では、計測用センサ部６２は、アノード電極３２及びカソード電極３４の測定に必要とされる部位に任意に配置することができる。このため、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の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用含水量制御方法が実施される燃料電池１５０を構成する電解質膜・電極構造体１５２の要部断面説明図である。

電解質膜・電極構造体１５２は、固体高分子電解質膜３０をアノード電極１５４及びカソード電極１５６で挟持する。アノード電極１５４は、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１５４は、カソード電極１５６よりも大きな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜３０上には、アノード電極１５４側及びカソード電極１５６側に、それぞれ計測用センサ部６２が配置される。

このように構成される第３の実施形態では、電解質膜・電極構造体１５２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及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用含水量制御方法が実施される燃料電池１６０を構成する電解質膜・電極構造体１６２の要部断面説明図である。

電解質膜・電極構造体１６２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。固体高分子電解質膜３０上には、アノード電極１６４の内部及びカソード電極１６６の内部に位置して、前記固体高分子電解質膜３０上にそれぞれ計測用センサ部６２が配置される。

このように構成される第４の実施形態では、電解質膜・電極構造体１６２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。

図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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の要部断面説明図である。

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。アノード電極１７４は、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１７４は、カソード電極１７６よりも大きな平面寸法に設定される。アノード電極１７４の外部及びカソード電極１７６の外部に位置して、それぞれ計測用センサ部６２が配置される。

このように構成される第５の実施形態では、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４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用含水量制御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の要部断面説明図である。

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。アノード電極１８４は、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た第１電極触媒層１８４ａと、前記固体高分子電解質膜３０と同一の平面寸法に設定された第１ガス拡散層１８４ｂとを有する。カソード電極１８６は、第１電極触媒層１８４ａよりも小さな平面寸法に設定された第２電極触媒層１８６ａと、固体高分子電解質膜３０と同一の平面寸法に設定された第２ガス拡散層１８６ｂとを有する。

固体高分子電解質膜３０には、第１電極触媒層１８４ａ及び第２電極触媒層１８６ａの外方に位置して、それぞれ計測用センサ部６２が配置される。各計測用センサ部６２は、第１ガス拡散層１８４ｂ及び第２ガス拡散層１８６ｂの内部に配置される。

このように構成される第６の実施形態では、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５の実施形態と同様の効果が得られる。

上記の第１〜第６の実施形態では、計測用センサ部６２を使用しているが、これに限定されるものではない。例えば、図１６及び図１７に示すように、計測用センサ部１９０を用いることができる。

計測用センサ部１９０は、第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂを囲繞（埋設）して、少なくとも前記第１電極部６４ａと前記第２電極部６４ｂとの間に位置して、イオン交換樹脂層１９２を設ける。イオン交換樹脂層１９２は、例えば、３枚のシート体を有し、各シート体間に第１電極部６４ａと第２電極部６４ｂとが介装（配置）され、一体化してもよい。

第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂは、絶縁部材１９４に埋設されるとともに、イオン交換樹脂層１９２は、前記絶縁部材１９４に形成された開口部（窓部）１９６ａ、１９６ｂから外部に露呈する。開口部１９６ａ、１９６ｂは、矩形状（長方形状）を有しているが、丸形状等であってもよい。絶縁部材１９４は、複数枚（２枚以上）のシート体間に第１電極部６４ａ及び第２電極部６４ｂを挟持するとともに、一方のシート体に開口部１９６ａが形成され、他方のシート体に開口部１９６ｂが形成される。開口部１９６ａ、１９６ｂは、イオン交換樹脂層１９２の外形寸法と同一寸法に設定される。なお、開口部１９６ａ又は１９６ｂの一方のみを設けるとともに、該一方のみにイオン交換樹脂層１９２を設けてもよい。

このように構成される計測用センサ部１９０は、上記の計測用センサ部６２と同様に使用することができ、同様の効果を得ることが可能になる。

図１８に示す計測用センサ部２００では、第１電極部６４ａは、第２電極部６４ｂに向かって膨出する膨出部６４ａｔを有する一方、前記第２電極部６４ｂは、前記第１電極部６４ａに向かって膨出する膨出部６４ｂｔを有する。膨出部６４ａｔと膨出部６４ｂｔとは、薄膜状のイオン交換樹脂層１９２を挟んで互いに対向配置される。

このように構成される計測用センサ部２００は、上記の計測用センサ部６２と同様に使用することができ、同様の効果を得ることが可能になる。

１０…燃料電池システム
１２、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０…燃料電池
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、１４２、１５２、１６２、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、１５４、１６４、１７４、１８４…アノード電極
３４、１５６、１６６、１７６、１８６…カソード電極
３６…樹脂製枠部材 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
５２、５４…シール部材 ６０…インピーダンス計測装置
６２、１９０、２００…計測用センサ部 ６４ａ、６４ｂ…電極部
７０、１９２…イオン交換樹脂層 ７２、１９４…絶縁部材
７８…インピーダンス測定部 ８０…交流電圧印加部
８２…電圧測定部 ８４…電流測定部
１３５…補正部 １３６…含水量推定部
１３８…デバイス制御部

Claims (3)

1. 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含水量を制御する燃料電池用含水量制御方法であって、
   少なくとも一対の電極部間にイオン交換樹脂が配置されたセンサを用意し、少なくとも１つの前記センサを前記電解質膜・電極構造体に配置する工程と、
   前記センサに交流電圧を印加し、インピーダンスを測定する工程と、
   測定された前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池の含水量を調整する工程と、
   を有し、
   前記センサは、少なくとも前記電解質膜・電極構造体の水分量が最も多い領域又は最も少ない領域のいずれかに配置されることを特徴とする燃料電池用含水量制御方法。
2. 請求項１記載の含水量制御方法において、測定された前記インピーダンスから湿度又は抵抗値を検出し、前記湿度又は前記抵抗値に基づいて、前記電解質膜の含水量を推定することを特徴とする燃料電池用含水量制御方法。
3. 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含水量を制御する燃料電池用含水量制御装置であって、
   少なくとも一対の電極部間にイオン交換樹脂が配置されたセンサと、
   インピーダンスを測定するために、前記センサに交流電圧を印加する交流電圧印加部と、
   を備え、
   前記センサは、少なくとも前記電解質膜・電極構造体の水分量が最も多い領域又は最も少ない領域のいずれかに配置されることを特徴とする燃料電池用含水量制御装置。

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