JP2005183040A - 積層型燃料電池の電流分布の測定方法、積層型燃料電池および積層型燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 最適な状態で燃料電池を運転するために電池内の発電状況を観測する方法を提供すること。
【解決手段】 本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材２を配設した燃料電池セル積層体１を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法であって、燃料電池セル積層体の厚さ方向の端部に磁気センサ３を配設し、集電部材２に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサ３により測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体１の電流分布を測定することを特徴とする。本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、燃料電池セルにおいて発電能力の低下した部分から発電能力の低下の原因を判断でき、発電能力の低下を解消させる操作を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池セルが積層した積層型燃料電池に関する。

燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、車両用あるいは固定用の発電システムとして開発が進められている。

燃料電池では、以下に示した水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。

（燃料極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（空気極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
（全体） Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
燃料電池は、通常は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを形成し、空気極に酸素を有する空気を燃料極に水素を供給して発電を行っている。そして、一つの燃料電池セルでは実用に供するだけの電力がえられないため、多数の燃料電池セルを積層させた積層型燃料電池とすることで高い発電量を得ている。なお、積層型燃料電池において、多数の燃料電池セルは、電気的に直列に接続されている。

燃料電池においては、燃料電池セルへの燃料ガス（水素）および空気（酸素）の供給量をできるだけ少なくして最大の発電量を得ることが運転の目的の一つとされている。また、固体高分子型燃料電池においては水をプロトンの媒体として使用するため、燃料電池セルに供給される燃料ガス（水素）は加湿されている。

しかしながら、燃料電池はその反応が示すように発電によって水が発生する。燃料電池内において水分が過剰となると、余分な量の水分が発電を阻害して発電力が低下するようになるという問題があった。このため、燃料電池の中では適正な範囲の水分を保つことが要求されている。

そして、この燃料電池の中を適正な範囲の水分で保つという要求は、積層型燃料電池のそれぞれの燃料電池セルにおいても要求されている。詳しくは、燃料電池に供給されるガスの温度、圧力あるいは湿度を調節して燃料電池を適正な状態に保ったとしても、燃料電池を構成するそれぞれの燃料電池セルにおいては、部分的に適正な条件から外れるようになることがある。適正な条件から外れると、その部分は十分な発電を行うことができなくなり、燃料電池セルにおいて発電を行う部分が偏るようになる。発電を行う部分が偏ると、その部分の劣化の進行がはやくなり、燃料電池全体の寿命が短くなっていた。また、取り出せる電圧が低くなってしまう。このため、燃料電池セルにおいても、適正な範囲の水分で保つことが要求されている。

一方、積層型燃料電池においては、端部のセルの温度は中央部よりも低くなりがちであるので、一般に水分がたまりやすく、その結果として、発電電力が低くなるという傾向があった。

燃料電池の状態を監視する手段としては、それぞれの燃料電池セルの発電電圧を測定する方法が用いられている。詳しくは、燃料電池セルのセル電圧の低下から異常状態を診断する方法である。また、燃料電池内の電流分布から反応ガスの過不足を診断し、反応ガス流量もしくは負荷電流を制御して燃料電池の破壊を防止するようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、それぞれの燃料電池セルの発電能力は監視できるが、燃料電池セルに部分的に発電できない部分が生じることまで判別は不能であった。
特開平９−２５９９１３号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、最適な状態で燃料電池を運転するために電池内の発電状況を観測する方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは検討を重ねた結果、本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法、電流分布の測定方法を有する積層型燃料電池ならびに積層型燃料電池の運転方法を見出した。

本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法であって、燃料電池セル積層体の厚さ方向の端部に磁気センサを配設し、集電部材に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサにより測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体の電流分布を測定することを特徴とする。

本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セルの端部に流れる電流により生じる磁界を磁気センサで測定することで燃料電池セル積層体の電流分布を測定する。

本発明の積層型燃料電池は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサと、を有することを特徴とする。

本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサが燃料電池セル積層体において発電により生じた電流の電流分布を測定できる。そして、測定された電流分布から、最適な発電状態となるように運転条件を調節することが可能となる。

本発明の積層型燃料電池の電流分布の運転方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサと、を有する積層型燃料電池を運転する積層型燃料電池の運転方法であって、磁気センサにより測定される集電部材に流れる電流により発生する磁界から燃料電池セルにおける電流分布を算出し、燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことを特徴とする。

本発明の運転方法は、燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサが燃料電池セル積層体において発電により生じた電流の電流分布を測定し、測定された電流分布から、最適な発電状態となるように燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことで最適な運転状況で積層型燃料電池を運転できる。

本発明の積層型燃料電池の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体の端部に配設された集電部材に流れる電流が発生させる磁界を測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体の電流分布を得る。そして、燃料電池セル積層体の電流分布から、燃料電池セルにおいて発電能力の低下した部分が判断でき、発電能力の低下の原因を判断できるようになる。

本発明の積層型燃料電池は、上記電流分布の測定方法を実施できる燃料電池であり、発電能力の低下の原因を判断できることで、発電能力の低下の原因に対処することができ、全体としての発電能力の低下を抑えることが可能な燃料電池である。

本発明の積層型燃料電池の運転方法は、上記燃料電池の運転方法であり、磁気センサにより燃料電池セル積層体に流れる電流分布を求め、電流分布にかたよりを生じたときに燃料電池セル積層体に供給されるガスを調節することで燃料電池セル内を最適な条件に保ち、発電能力の低下を抑える運転方法である。

（積層型燃料電池の電流分布の測定方法）
本発明の電流分布の測定方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法である。

本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体の厚さ方向の端部に磁気センサを配設し、集電部材に電気が流れるときに発生する磁界を磁気センサにより測定し、測定された磁界から燃料電池セル積層体の電流分布を測定する。

一般に、無限長の長さの導線に電流ｉ（Ａ）が流れると、導線からの距離がｒ（ｍ）の地点においては、数１式で示された大きさの磁束密度Ｂ（Ｗｂ／ｍ²）が発生することが知られている（右ねじの法則）。

本発明の電流分布の測定方法は、燃料電池セル積層体の端部に配設した集電部材をこの導線に見立てて、燃料電池セル積層体の磁界を測定するものである。燃料電池セル積層体は、それぞれの燃料電池セルにおいて発電された電力を集電部材を介して電池の外部に取り出す。燃料電池セルの発電領域において発電された電力は、燃料電池セル積層体においては厚さ方向に流れる。そして、集電部材により電気が集められ、集電部材の延びる方向（燃料電池セル積層体の厚さ方向に垂直な方向）に電流が流れる。燃料電池セルの発電領域に対応した位置にある集電部材に流れる電流は、電流の流れる方向の下流部に進むにつれて大きくなる。集電部材において集められた電流が流れる方向を導線の長さ方向として考えたときには、集電部材の延びる方向に垂直な断面における周方向に磁界が発生している。このとき、本発明の電流分布の測定方法は、この磁界の変化から、燃料電池セル積層体の電流分布を求めるものである。

積層型燃料電池（および燃料電池セル）ならびに積層型燃料電池の周囲の物体の透磁率が空気と同じであるとし、本発明の電流分布の測定方法を図１〜５を用いて具体的に説明する。

燃料電池セルおよびその発電可能領域が長方形に形成されているものとする。ここで、発電可能領域とは、燃料電池セルにおいて電気化学反応が進行する領域を示すものであり、実際の燃料電池セルにおいては空気極、電解質、燃料極が積層した状態でガスが供給される領域である。

このような燃料電池セルを積層させた燃料電池セル積層体１の集電板２は、燃料電池セルの外周形状と略一致する集電本体部２０と、集電本体部２０に一体にもうけられ燃料電池セル積層体１の短辺の外周から突出する端子部２１と、を有している。

燃料電池セル積層体１において発電が行われると、燃料電池セル積層体１の厚さ方向に電流が流れる（図１）。厚さ方向に流れた電流は、集電板２の集電本体部２０に到達する。そして、集電板２の集電本体部２０においては、端子部２１に向かって電流が流れる。集電本体部２０に流れる電流は、端子部２１に近づくにつれて大きくなる（図２）。なお、図２（〜５）においては、集電板２に流れる電流の大きさを矢印の太さで示している。集電本体部２０の端子部２１から最も離れた領域においては、燃料電池セルのその位置に対応した部分において発電された電流が流れ込み、この電流が流れる（図２中の右端に並んだ矢印で示された電流）。

そして、集電本体部２０の端子部２１から最も離れた位置から端子部２１にわずかに近づいた領域においては、集電本体部２０の端子部２１から最も離れた位置に対応した燃料電池セルにおいて発電され集電本体部２０を端子部２１に向かって流れる電流（図２中の右端の矢印で示された電流）と、この領域に対応した燃料電池セルの部分において発電された（燃料電池セル積層体１から流れ込む電流）電流と、の和の電流が流れることになる（図２中の右から２列目に並んだ矢印で示された電流）。このように、端子部２１に近づくほど集電本体部２０において流れる電流が大きくなる。

ここで、燃料電池セル積層体１のそれぞれの燃料電池セルが、発電可能領域で均一な発電を行ったとすると、集電板２の集電本体部２０に流れる電流の大きさは、図２で示したように、端子部２１からの距離が同じ位置であればほぼ同じとなる。なお、図２で示したように、端子部２１は集電本体部２０よりも幅（図２においての上下方向の幅）が狭いので、集電本体部２０の端子部２１近傍に流れる電流は、端子部２１に向かう方向となっている。

このとき、図２に示された電流が集電板２に流れると、集電板２には図３で示したように、そのまわりに磁界が発生する。具体的には、集電板２の端子部２１の突出した方向に対して垂直な断面において周方向の磁力線を有する磁界が発生する。燃料電池セル１のそれぞれの燃料電池セルが発電可能領域で均一な発電を行ったときには、集電板２のまわりに発生する磁界の磁束密度は端子部２１からの距離に比例して小さくなる。本発明の電流密度の測定方法は、この磁界を磁気センサで測定するものである。

この燃料電池セル積層体１において、燃料電池セルの発電可能領域の一部（図４のＡの領域に対応した位置）で発電が停止したとする。発電が停止すると、集電本体部のＡの領域には電流が流れ込まなくなる。Ａの領域に電流が流れ込まなくなると、Ａの領域に隣接しかつＡの領域より端子部２１に近い領域（図４のＢの領域）においては、Ｂの領域で集電本体部２０に燃料電池セル積層体１から流れ込む電流のみが流れることとなる。燃料電池セルの一部に発電が停止しなかった場合には、Ａの領域で集電本体部に集められる電流とＢの領域で燃料電池セルから集電板本体部に集められる電流との和の電流がＢの領域で流れている。

すなわち、燃料電池セルの一部に発電が停止した領域が生じると、この領域に対応した集電本体部２０に流れる電流が変化する。さらに、発電が停止した領域に対応した集電本体部２０の端子部２１側の領域に流れる電流が変化する。集電本体部２０を流れる電流に変化が生じると、集電板２に生じる磁界も変化する。具体的には、図４に示した集電板２においては、図５に示したようにＡの領域をのぞいた領域に流れる電流により磁界が発生する。また、図５のＢの領域を含む断面における磁界の磁束密度は、図３の同じ断面における磁界の磁束密度より小さくなっている。これは、図５のＢの領域の電流が図３の同じ領域と比べて低いことに起因する。

そして、図３と図５のそれぞれの集電板２に発生した磁界を磁気センサにより測定することで、燃料電池セル積層体１の発電状況を判断できる。また、磁界の測定位置によっては、燃料電池セル積層体１において発電能力の停止した領域が判断できる。すなわち、燃料電池セル積層体１の集電部材に発生した磁界を測定することで、燃料電池セル積層体の電流密度の低下した領域を判断できる。

本発明の電流分布の測定方法は、集電部材に発生した磁界を磁気センサで測定するものであり、この測定により発電が停止したあるいは発電能力が低下した領域を判断することが可能となる。これにより、燃料電池セル積層体の電流分布を得ることができる。

本発明の電流分布の測定方法は、集電部材において電流が流れる方向に垂直な断面の周方向に発生する磁界を測定するものであるため、磁気センサが燃料電池セル積層体の厚さ方向の端部に配設される。

集電部材が集電板により形成され、磁気センサは、集電板の磁界を測定することが好ましい。集電部材が板状の集電板よりなることで、燃料電池セルと同様に積層させることができ、燃料電池セル積層体の形成が容易となる。また、集電板は、（燃料電池セル積層体の厚さ方向の）厚さが均一であり、電流の流れる方向に垂直な断面において集電板に流れる電流が均一となる。

複数個の磁気センサが配設されることが好ましい。通常、地磁気により±０．３Ｇ程度の誤差が生じるが、複数個の磁気センサが配設されることで地磁気の補正を行うことができ、より精度の高い測定を行うことができる。すなわち、複数の磁気センサが配設されることで、それぞれの磁気センサにより得られたデータからより正確な電流分布を得ることができる。

（積層型燃料電池）
本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セル積層体と、磁気センサと、を有する。

燃料電池セル積層体は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設してなる。また、磁気センサは、燃料電池セル積層体の端部に配設される。本発明の積層型燃料電池は、上記電流分布の測定方法を適用できる燃料電池である。

集電部材が集電板により形成され、磁気センサは、集電板の磁界を測定することが好ましい。集電部材が板状の集電板よりなることで、燃料電池セルと同様に積層させることができ、燃料電池セル積層体の形成が容易となる。また、集電板は、（燃料電池セル積層体の厚さ方向の）厚さが均一であり、電流の流れる方向に垂直な断面において集電板に流れる電流が均一となる。

磁気センサの配設される場所は、集電部材に発生した磁界を測定できる位置であれば特に限定されるものではない。たとえば、集電部材の燃料電池セルに背向した表面に当接した状態や、集電部材に一体に配設してもよい。磁気センサは、集電部材に当接して配設されることがより好ましい。

複数個の磁気センサが配設されることが好ましい。通常、地磁気により±０．３×１０^-4Ｔ（０．３Ｇ）程度の誤差が生じるが、複数個の磁気センサが配設されることで地磁気の補正を行うことができ、より精度の高い測定を行うことができる。すなわち、複数の磁気センサが配設されることで、それぞれの磁気センサにより得られたデータからより正確な電流分布を得ることができる。

磁気センサの数は、多くなるほど発電能力の低下した領域の特定に効果を発揮するため、多いほど好ましい。

磁気センサは、配設された場所における磁界を測定できるセンサであれば特に限定されるものではない。ここで、一般的な固体高分子型の燃料電池であり、発電領域の面積が４００ｃｍ²、１Ａ／ｃｍ²の電流密度の燃料電池においては、磁束密度の最大値は±６×１０^-4Ｔ（６Ｇ）程度であることから、ホール素子、磁気抵抗素子、フラックスゲートセンサ等の磁気センサを用いることができる。また、これらの素子のうち、厚さ方向に垂直な面における磁束密度を測定できる素子が磁気センサとしてより好ましい。

本発明の積層型燃料電池は、磁気センサの測定値から電流分布を算出する演算手段を有することが好ましい。演算手段を有することで、磁気センサの測定値から電流分布を算出することが可能となる。また、この演算手段は、燃料電池セル積層体の電流分布から積層型燃料電池の最適な運転条件を決定することが好ましい。

本発明の積層型燃料電池は、空気極および／または燃料極に供給されるガスのガス流量および／または湿度を制御するガス制御手段を有することが好ましい。ガス制御手段を有することで、空気極および／または燃料極に供給されるガスが調節され、燃料電池セル内における発電性能の低下を抑えることができる。

さらに、ガス制御手段は、演算手段と接続されたことが好ましい。ガス制御手段と演算手段とが接続されることで、電流分布から積層型燃料電池の運転条件を決定することができ、この運転条件にそった発電を行うことができる。

本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セル積層体の端部に磁気センサを配設した以外は、従来公知の積層型燃料電池と同様の構成とすることができる。また、本発明の積層型燃料電池は、燃料電池セルが積層したものであればその種類が限定されるものではないが、固体高分子型の燃料電池であることが好ましい。

本発明の積層型燃料電池の実施のひとつの形態を図１および図６〜１０に示した。なお、以下に示す積層型燃料電池は、本発明の燃料電池のひとつの形態を示すものであり、本発明を限定するものではない。

図６は燃料電池セル６の断面図である。燃料電池セル６は、電解質膜６０の両側面に電極６１，６２が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータ６３および燃料側セパレータ６４とで構成されている。ここで、空気側セパレータ６３および燃料側セパレータ６４は、導電性の材質よりなり、それぞれの極の集電板を兼ねている。この燃料電池セルにおいては、燃料側セパレータ６４が−極の集電板を、空気側セパレータ６３は＋極の集電板を兼ねている。なお、図６は、燃料電池セル６の構成を模式的に示した図であり、実際には空気側セパレータ６３および燃料側セパレータ６４は電解質膜６０よりはるかに厚くなっている。具体的には、セパレータ６３，６４はおおむね１〜２ｍｍの厚さであり、ＭＥＡは電解質膜と拡散層と触媒の合計がおよそ０．５ｍｍである。なお、電極６１，６２は、拡散層をも示している。この拡散層は、通常、０．２ｍｍ程度の厚さを有している。

図７は空気側セパレータ６３を示した図であり、空気側セパレータ６３は、積層したときに発電領域に空気を導入する空気導入流路を形成する空気流通孔６３０と、空気流通孔６３０に接続される空気入口部６３１と、積層したときに発電領域から空気を排出する空気排出流路を形成する空気排出孔６３４と、空気排出孔６３４と接続される空気出口部６３３と、空気出口部６３３に接続され空気入口部６３１から空気出口部６３３に向かって空気を流すための空気流路溝６３２とを備えている。また、空気側セパレータ６３は、積層したときに水素導入流路を形成する水素流通孔６３５と、水素排出流路を形成する水素排出孔６３６とが形成されている。

図８は燃料側セパレータ６４を示した図であり、燃料側セパレータ６４は、積層したときに発電領域に水素を導入する水素導入流路を形成する水素流通孔６４０と、水素流通孔６４０に接続される水素入口部６４１と、積層したときに発電領域から水素を排出する水素排出流路を形成する水素排出孔６４４と、水素排出孔６４４と接続される水素出口部６４３と、水素出口部６４３に接続され水素入口部６４１から水素出口部６４３に向かって水素を流すための水素流路溝６４２とを備えている。また、燃料側セパレータ６４は、積層したときに空気導入流路を形成する空気流通孔６４５と、空気排出流路を形成する空気排出孔６４６とが形成されている。

また、空気側セパレータ６３および燃料側セパレータ６４には、積層したときに冷却剤が流通する冷却剤流路を区画する冷却流路孔６３７，６４７がもうけられている。

そして、この燃料電池セル６を空気側セパレータ６３と燃料側セパレータ６４とが背向した状態で５０層程度を積層させて燃料電池セル積層体１が形成される。このとき、燃料電池セル積層体１の厚さ方向には、空気導入流路、空気排出流路、水素導入流路、水素排出流路、ならびに冷却剤流路がもうけられている。なお、空気側セパレータ６３と燃料側セパレータ６４とが一体をなすことが好ましい。

燃料電池セル積層体１の両端部には、金属板を所定形状に切り出してなる集電板２が配設されている。この集電板２は、燃料電池セル６の外周形状と略一致する外周形状の集電本体部２０と、集電本体部２０に一体にもうけられ燃料電池セル積層体１の外周から突出する端子部２１と、を有している。

また、燃料電池セル積層体１は、気密性を確保するとともに燃料電池セル３の密着性を高めるために厚さ方向に加圧されている。この加圧は、絶縁板４を介した状態で加圧板５により燃料電池セル積層体１の厚さ方向に押圧することでなされた。

絶縁板４は、集電本体部２０と同じ形状を有するガラスエポキシ樹脂よりなり、複数の磁気センサ３が埋め込まれている。また、絶縁板４が配設されたときに、磁気センサ３は、集電板２と当接した。

そして、この磁気センサ３が配設された燃料電池セル積層体１の空気導入流路、空気排出流路、水素導入流路、水素排出流路、ならびに冷却剤流路のそれぞれを空気導入手段７Ａ、空気排出手段７Ｂ、水素導入手段８Ａ、水素排出手段８Ｂ、冷却剤導入手段（図示せず）、冷却剤排出手段（図示せず）のそれぞれに接続した。なお、これらの手段は、いずれも流量を調節する流量調節手段と、ガス中の水分量を調節する水分量調節手段と、を有するものである。

そして、磁気センサ３を演算手段９に接続した。また、演算手段９は、各手段７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂのそれぞれの流量調節手段および水分量調節手段に接続され、流量調節手段における流量および水分量調節手段におけるガスの水分量の調節を指示する。すなわち、演算手段９は、磁気センサ２において測定された磁界から燃料電池セル積層体１の電流分布を求め、発電能力の低下等により電流分布にかたよりが生じたときにその原因を判断し、電流分布のかたよりを解消できるように、燃料電池セル積層体へのガスの調節を行う。

この積層型燃料電池の構成を図９に示した。

なお、本発明の積層型燃料電池は、磁気センサにより燃料電池セル積層体の磁界を測定することから、燃料電池全体を構成するための構造材料には、磁界（磁束密度分布）を乱さない低透磁率の材料を用いることが好ましい。このような材料として、オーステナイト系ステンレスを用いることが好ましい。オーステナイト系ステンレスを用いるときに、冷間加工による透磁率の上昇を磁気焼鈍等の処理により抑えることが好ましい。

（積層型燃料電池の運転方法）
本発明の積層型燃料電池の電流分布の運転方法は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサと、を有する積層型燃料電池を運転する積層型燃料電池の運転方法であって、磁気センサにより測定される集電部材に流れる電流により発生する磁界から燃料電池セルにおける電流分布を算出し、燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行う。

本発明の運転方法は、上記積層型燃料電池において、燃料電池セルに部分的な発電能力の低下を生じさせることなく発電を行うことができる運転方法である。

燃料電池は、電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルの空気極に酸素を含有する空気を、燃料極に水素を供給し、水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギを発生させる。このため、燃料電池セルに供給される空気と水素の供給状況を調節することで、その発電能力を調節できる。

本発明の運転方法は、燃料電池セル積層体の集電部材の電流分布から燃料電池セルの発電能力が低下した部分を求め、その発電能力の低下の原因を判断し、燃料電池セル積層体に供給されるガスを制御するものである。このガスの制御を行うことで、発電能力の低下を解消できる。

燃料電池は、空気極に空気を、燃料極に水素を供給し、酸素と水素の電気化学的な反応から電力を取り出すものであり、固体高分子型燃料電池においては水をプロトンの媒体として使用するため、燃料電池セルに供給されるガス（水素）は加湿されている。しかしながら、燃料電池において水分が過剰となると、余分な量の水分が発電を阻害して発電力が低下するようになる。

すなわち、燃料電池セルにおいて部分的な発電能力の低下は、水分により生じると考えられる。さらに、この部分的な発電能力の低下は、燃料極側においては加湿された水素が導入される水素入り口部と、空気極側においては発電反応により発生した水が集まる空気出口部と、において起こりやすくなっている。

このため、燃料電池セル積層体の電流分布から、一部の発電能力が低下したときにその低下した位置がわかることとなる。すなわち、その発電能力の低下の原因を判断できる。そして、この発電能力の低下を解消するように燃料電池セル積層体に供給されるガスを調節することで、発電能力の低下を解消できる。

本発明の積層型燃料電池の運転方法において、磁気センサは、燃料電池セル積層体の厚さ方向の略中央部に配設されることが好ましい。

本発明の積層型燃料電池の運転方法において、複数個の磁気センサが配設されることが好ましい。

本発明の積層型燃料電池の運転方法のひとつの形態を以下に説明する。なお、本説明は、上記図１および図６〜９において示された積層型燃料電池を用いて説明する。

まず、積層型燃料電池においては、燃料電池セル６の空気極６１に空気が、燃料極６２に加湿された水素が導入され、発電が行われている。発電領域の全面で適切な発電が行われているときには、燃料電池セル積層体１の厚さ方向に流れる電流の電流分布にはかたよりが生じていない。

燃料極６２には、加湿された水素（水分を含む水素ガス）が水素導入流路を介して導入される。水素に含まれる水分はプロトンの媒体としてはたらくため、水素が燃料側セパレータ６４に区画された水素流路溝６４２を進むにつれて水分はプロトンの媒体として消費される。このため、水素入り口部６４１近傍から水素出口部６４３に向かってすすむにつれて水素流路溝６４２を流れる水素中の水分濃度は低下する。

ここで、燃料極６２に導入される水素中の水分量が多くなったとする。水素流路溝６４２の水素入り口部６４１の近傍における水素中の水分量が多くなる。そして、水素中の水分量が過剰となると、水素流路溝６４２の水素入り口部６４１の近傍における発電のための電気化学反応の進行を水分が阻害し、この部分における発電能力が低下する。この発電能力の低下は、燃料電池セル６の発電領域において発電される電力量にかたよりを生じさせる。そして、集電板２の集電本体部２０のこの発電量が低下した部分に対応した領域には燃料電池セル積層体１から流れ込む電流が小さくなる。集電本体部２０のこの領域およびこの領域と端子部２１との間の領域に流れる電流量も小さくなる。すなわち、集電板２に流れる電流分布にかたよりが生じる。この電流分布のかたよりにより発生した磁界は、磁気センサ３により測定される。そして、磁気センサ２から演算手段９に測定データが送られ、演算手段９において電流分布のかたよりの発生およびその位置が算出される。そして、演算手段９においては、電流分布のかたよりの発生位置から、水素中の水分量が過剰となったことにより発電能力が低下したものと判断し、水素導入手段８Ａおよび水素排出手段８Ｂに燃料電池セル６に導入される水素中の水分量を低下させる（適切な水分量とする）ように指示する。演算手段９からの指示により、それぞれの流量調節手段および水分量調節手段が調節されて、水素中の水分量が（減少された）適切な量とする。これにより、水素流路溝６４２の水素入り口部６４１の近傍における水素中の水分量が減少し、水分が発電のための電気化学反応の進行を阻害しなくなり、燃料電池セル６の発電領域において均一な発電が行われるようになる。

なお、水素中の水分量の不足は、積層型燃料電池の発電力と、水素排出手段８Ｂに排出された水素中の水分量から判断することができる。

また、空気極６１で発電のための電気化学反応により生じた水分は、電解質６０内を逆拡散し、燃料極６３側に到達し、Ｈ⁺イオンをプロトンの状態で空気極６１に引き連れていく。すなわち、空気出口部６３３近傍は、逆拡散した水分による発電能力の低下が発生しやすくなっている。

電解質６０を透過した水分が多くなると、空気流路溝６３２中の水分量が多くなる。そして、空気流路溝６３２中の水分量が過剰となると、逆浸透により燃料極６４側に水分が移動し、空気流路溝６３２の空気出口部６３３の近傍における発電のための電気化学反応の進行を水分が阻害し、この部分における発電能力が低下する。この発電能力の低下は、燃料電池セル積層体１の電流分布にかたよりを生じさせ、さらには集電板２に流れる電流分布にかたよりを生じさせる。この電流分布のかたよりにより発生した磁界は、磁気センサ３により測定される。そして、磁気センサ２から演算手段９に測定データが送られ、演算手段９において電流分布のかたよりおよびその発生位置を算出する。そして、電流分布のかたよりの発生位置から、空気流路溝６３２中の水分量が過剰となったことにより発電能力が低下したものと判断し、空気導入手段７Ａおよび空気排出手段７Ｂに燃料電池セル６に導入される空気中の水分量を低下させて適切な水分量とするように指示し、それぞれの流量調節手段および水分量調節手段が適切な水分量とする。このとき、同時に水素挿入手段８Ａおよび水素排出手段８Ｂに水素中の水分量の調節を指示させてもよい。これにより、空気中の水分量が過剰となることによる発電能力の低下が抑えられ、積層型燃料電池の最適な発電状態が維持できる。

上記したように、燃料電池セル積層体１の端部に配設された磁気センサ２により集電板２の電流分布を測定し、その電流分布から燃料電池セル積層体１に供給されるガス（空気あるいは水素）を調節することで、積層型燃料電池は最適な運転状況が維持された。積層型燃料電池が最適な運転状況で運転されることで、高い発電力を保った発電を行うことができた。

燃料電池セル積層体の電流の流れを示した図である。 集電坂内を流れる電流を示した図である。 集電板に磁界が発生した状態を示した図である。 一部に発電停止領域を有する燃料電池セル積層体の集電板に流れる電流を示した図である。 一部に発電停止領域を有する燃料電池セル積層体の集電板に磁界が発生した状態を示した図である。 燃料電池セルの断面図である。 空気側セパレータを示した図である。 燃料側セパレータを示した図である。 積層型燃料電池の構成を示した図である。

符号の説明

１…燃料電池セル積層体
２…集電板
３…磁気センサ
４…絶縁板
５…加圧板
６…燃料電池セル ６０…電解質
６１…空気極 ６２…燃料極
６３…空気側セパレータ ６４…燃料側セパレータ
６３０…空気流通孔 ６３１…空気入口部
６３２…空気流路溝 ６３３…空気出口部
６３４…空気排出孔 ６３５…水素流通孔
６３６…水素排出孔 ６３７…冷却流路孔
６４０…水素流通孔 ６４１…水素入口部
６４２…水素流路溝 ６４３…水素出口部
６４４…水素排出孔 ６４５…空気流通孔
６４６…空気排出孔 ６４７…冷却流路孔
７Ａ…空気導入手段 ７Ｂ…空気排出手段
８Ａ…水素導入手段 ８Ｂ…水素排出手段
９…演算手段

Claims (11)

1. 電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体を有する積層型燃料電池の電流分布の測定方法であって、
   該燃料電池セル積層体の該厚さ方向の端部に磁気センサを配設し、該集電部材に電気が流れるときに発生する磁界を該磁気センサにより測定し、測定された磁界から該燃料電池セル積層体の電流分布を測定することを特徴とする積層型燃料電池の電流分布の測定方法。
2. 前記集電部材が集電板により形成され、
   前記磁気センサは、該集電板の磁界を測定する請求項１記載の積層型燃料電池の電流分布の測定方法。
3. 複数個の前記磁気センサが配設される請求項１記載の積層型燃料電池の電流分布の測定方法。
4. 電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体と、
   該燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサと、
   を有することを特徴とする積層型燃料電池。
5. 前記集電部材が集電板により形成され、
   前記磁気センサは、該集電板の磁界を測定する請求項４記載の積層型燃料電池。
6. 複数個の前記磁気センサが配設される請求項４記載の積層型燃料電池。
7. 前記磁気センサの測定値から電流分布を算出する演算手段を有する請求項４記載の積層型燃料電池。
8. 電解質の一方の面に空気極を他方の面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した燃料電池セルを積層し、その端部に積層した厚さ方向と垂直な方向に電力を取り出す集電部材を配設した燃料電池セル積層体と、該燃料電池セル積層体の端部に配設された磁気センサと、を有する積層型燃料電池を運転する積層型燃料電池の運転方法であって、
   該磁気センサにより測定される該集電部材に流れる電流により発生する磁界から該燃料電池セルにおける電流分布を算出し、該燃料電池セル積層体へ供給されるガスの制御を行うことを特徴とする積層型燃料電池の運転方法。
9. 前記集電部材が集電板により形成され、
   前記磁気センサは、該集電板の磁界を測定する請求項８記載の積層型燃料電池の運転方法。
10. 複数個の前記磁気センサが配設される請求項８記載の積層型燃料電池の運転方法。
11. 前記ガスの制御は、前記空気極および／または前記燃料極に供給される前記ガスのガス流量および／または湿度を制御することでなされる請求項８記載の積層型燃料電池の運転方法。

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