JP2012199082A - 制御装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電効率で燃料電池を稼動させることができる燃料電池の制御装置およびこれを用いた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池の状態を検出する検出部と、該燃料電池の膜電極複合体に流れる電流値を変更する電流値変更部と、検出部および電流値変更部に接続され、検出部による検出結果に応じて、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電流値変更部を制御するための制御部とを備える制御装置およびこれを用いた燃料電池システムである。燃料電池は、好ましくはアニオン伝導性電解質膜を電解質膜とする膜電極複合体を備えるアルカリ形燃料電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い発電効率で燃料電池を稼動させることができる燃料電池の制御装置およびこれを用いた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、発電主要部として、電解質膜をアノード極およびカソード極で挟持した構成の膜電極複合体（ＭＥＡ）を備えており、電解質膜の種類によって、固体高分子形燃料電池（直接形燃料電池を含む）、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池などに分類される。

上記のうち、アルカリ形燃料電池は、電解質膜としてアニオン伝導性電解質膜（アニオン交換膜）を用いた、電荷キャリアが水酸化物イオン（ＯＨ^-）である燃料電池である。アルカリ形燃料電池においては、アノード極とカソード極とを電気的に接続すると、次のような電気化学反応によりアノード極とカソード極との間に電流が流れ、電気エネルギーを得ることができる。すなわち、カソード極に酸化剤（たとえば酸素または空気など）および水（この水は、アノード極で生じ、電解質膜を透過した水であり得る）を供給すると、下記式（１）：
カソード極：１／２Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^‐ → ２ＯＨ^- （１）
で表される触媒反応によりＯＨ^-が生成される。このＯＨ^-は、水分子との水和状態で電解質膜を介してアノード極側に伝達される。一方、アノード極では、供給された還元剤（燃料）、たとえばＨ₂ガスとカソード極から伝達されたＯＨ^-とが、下記式（２）：
アノード極：Ｈ₂＋２ＯＨ^- → ２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^‐ （２）
で表される触媒反応を起こし、水および電子を生成する。

アルカリ形燃料電池は、触媒などの構成材料の制限が少なく、より安価に製造できるなどの利点を有している一方、他の燃料電池と異なり、電解質膜および触媒層の電解質にアニオン伝導性電解質を用いるために、電解質膜および触媒層が環境中の二酸化炭素（ＣＯ₂）を吸収し、電解質膜および触媒層中のＯＨ^-が、下記式（３）および（４）：
ＣＯ₂＋２ＯＨ^- → ＣＯ₃ ^2-＋Ｈ₂Ｏ （３）
ＣＯ₂＋ＯＨ^- → ＨＣＯ₃ ^- （４）
のような反応によってＣＯ₃ ^2-および／またはＨＣＯ₃ ^-（以下、「ＣＯ₂由来アニオン」ということがある。）に置換されやすいという本来的な課題を有している。このようなＣＯ₂由来アニオンの濃度上昇（ＯＨ^-イオン濃度の低下）は、電解質のアニオン伝導度を低下させ、結果、セル抵抗を大きく増大させるため、発電効率の低下を招く。

上記セル抵抗増大の問題は、アルカリ形燃料電池の稼動により生じる「セルフパージ」と呼ばれる現象により改善できることが知られている（たとえば非特許文献１）。「セルフパージ」とは、アルカリ形燃料電池の稼動により、アニオン伝導度の低下の要因である、電解質膜および触媒層に含まれるＣＯ₂由来アニオンがアノード極に移動し、還元剤によって還元され、ＣＯ₂ガスとしてアノード極から排出される現象をいい、具体的には下記式（５）および（６）：
Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2- → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （５）
Ｈ₂＋２ＨＣＯ₃ ^- → ２ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- （６）
で表すことができる。

ところで、アルカリ形燃料電池に限らず、燃料電池の発電電力を有効に利用するためには、当該燃料電池を電力源とする電子機器の電力消費量に応じて、燃料電池の発電量を調整する必要がある。たとえば、電子機器の電力消費が無い場合には、燃料電池の稼動（発電）を停止したり、電子機器の電力消費が小さい場合には、燃料電池の発電量（すなわち、動作電流値）を小さくしたり、電力消費が大きい場合には、燃料電池の発電量を大きくしたりする必要がある。

しかしながら、アルカリ形燃料電池においては、電子機器の電力消費量に応じて稼動停止したり、動作電流値を小さくしたりすると、セルフパージによるアノード極からのＣＯ₂ガスの排出が十分に進行せず、セル抵抗増大による発電効率の低下を十分に抑制することができない。また、アノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積が進行することにより、アノード極における反応過電圧が高くなるという問題もある。反応過電圧の増大も発電効率を増大させる要因となる（非特許文献２参照）。

Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｙａｎａｇｉ，ａｎｄ Ｋｅｎｊｉ Ｆｕｋｕｔａ，ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１６（２），２５７−２６２（２００８） Ｙｕ Ｍａｔｓｕｉ，Ｍｏｒｉｈｉｒｏ Ｓａｉｔｏ，Ａｋｉｍａｓａ Ｔａｓａｋａ，ａｎｄ Ｍｉｎｏｒｕ Ｉｎａｂａ，ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２５（１３），１０５−１１０（２０１０）

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い発電効率で燃料電池を稼動させることができる燃料電池の制御装置およびこれを用いた燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、燃料電池の状態を検出する検出部と、該燃料電池の膜電極複合体に流れる電流値を変更する電流値変更部と、検出部および電流値変更部に接続され、検出部による検出結果に応じて、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電流値変更部を制御するための制御部とを備える制御装置を提供する。燃料電池は、好ましくはアニオン伝導性電解質膜を電解質膜とする膜電極複合体を備えるアルカリ形燃料電池である。また、所定電流値Ａは、たとえば６００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲内である。

検出部は、好ましくは単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものである。

電流値変更部は、アルカリ形燃料電池に接続される電子負荷装置または可変抵抗器を少なくとも備えるものであることができる。また、電流値変更部は、アルカリ形燃料電池に接続される電子負荷装置または可変抵抗器と、アルカリ形燃料電池に対して直列に接続される電源装置とを含むものであってもよい。

本発明の１つの好ましい実施形態において、膜電極複合体は、アニオン伝導性電解質膜と、アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層される第１電極と、アニオン伝導性電解質膜の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極とからなり、検出部は、単位時間Ｔ₀内における、第１電極と第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものであり、電流値変更部は、第１電極と第２電極との間に流れる電流値を変更するものであり、制御部は、検出部による検出結果に応じて、第１電極と第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電流値変更部を制御するものである。第１電極は発電時におけるアノード極であり、第２電極は発電時におけるカソード極であることができる。

本発明の他の好ましい実施形態において、膜電極複合体は、アニオン伝導性電解質膜と、アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層される第１電極と、アニオン伝導性電解質膜の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極と、第１電極と離間して第１表面に積層される第３電極とからなり、検出部は、単位時間Ｔ₀内における、第１電極と第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものであり、電流値変更部は、第３電極と第２電極との間に流れる電流値を変更するものであり、制御部は、検出部による検出結果に応じて、第３電極と第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電流値変更部を制御するものである。本実施形態においても、第１電極は発電時におけるアノード極であり、第２電極は発電時におけるカソード極であることができる。

本発明のさらに他の好ましい実施形態において、膜電極複合体は、アニオン伝導性電解質膜と、アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層される第１電極と、アニオン伝導性電解質膜の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極と、第１電極と離間して第１表面に積層される第３電極と、第２電極と離間して第２表面に積層される第４電極とからなり、検出部は、単位時間Ｔ₀内における、第１電極と第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものであり、電流値変更部は、第３電極と第４電極との間に流れる電流値を変更するものであり、制御部は、検出部による検出結果に応じて、第３電極と第４電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電流値変更部を制御するものである。本実施形態においても、第１電極は発電時におけるアノード極であり、第２電極は発電時におけるカソード極であることができる。

本発明においては、アノード極としての第１電極が有する触媒層の体積を、カソード極としての第２電極が有する触媒層の体積より大きくすることも好ましい。

また、本発明は上記燃料電池を含む燃料電池部と、本発明に係る制御装置とを備える燃料電池システムを提供する。

本発明の制御装置および燃料電池システムによれば、高い発電効率で燃料電池を稼動させることができる。

本発明に係る制御装置およびこれを適用した燃料電池システムの構成を示す概略図である。 燃料電池の膜電極複合体に、ある単位時間内における一定時間、所定電流値Ａ以上の電流が流れるサイクルが繰り返されている状態およびこのときのＣＯ₂由来アニオン濃度の変化の様子を示す概念図である。 燃料電池の膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が１回のみ流れるときのＣＯ₂由来アニオン濃度の変化の様子を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第１の実施形態において燃料電池部が備え得るアルカリ形燃料電池の一例を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施形態において燃料電池部が備え得るアルカリ形燃料電池の他の一例を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第３の実施形態において燃料電池部が備え得るアルカリ形燃料電池の一例を示す概略断面図である。 図９に示されるＸ−Ｘ線における概略断面図である。 図９に示されるＸＩ−ＸＩ線における概略断面図である。 本発明の第３の実施形態において燃料電池部が備え得るアルカリ形燃料電池の他の一例を示す概略断面図である。 図１２に示されるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における概略断面図である。 図１２に示されるＸＩＶ−ＸＩＶ線における概略断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第５の実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第５の実施形態において燃料電池部が備え得るアルカリ形燃料電池の一例を示す概略断面図である。 図１７に示されるＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線における概略断面図である。 図１７に示されるＸＩＸ−ＸＩＸ線における概略断面図である。 図１７に示されるＸＸ−ＸＸ線における概略断面図である。 図１７に示されるＸＸＩ−ＸＸＩ線における概略断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図である。

図１は、本発明に係る制御装置およびこれを適用した燃料電池システムの構成を示す概略図である。図１に示されるように、本発明の制御装置は、燃料電池を含む燃料電池部１０（燃料電池）に接続され、該燃料電池の状態を検出するための検出部２０；燃料電池部１０（燃料電池）に接続され、該燃料電池の膜電極複合体に流れる電流の電流値を変更するための電流値変更部３０；および、検出部２０と電流値変更部３０とに接続される制御部４０を基本的に備える。制御部４０は、検出部２０から燃料電池の状態に関する検出結果（情報信号）を受信し、受信した検出結果に応じて、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電流値変更部３０を制御する。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を含む燃料電池部１０；燃料電池部１０（燃料電池）に接続され、該燃料電池の状態を検出するための検出部２０；燃料電池部１０（燃料電池）に接続され、該燃料電池の膜電極複合体に流れる電流の電流値を変更するための電流値変更部３０；および、検出部２０と電流値変更部３０とに接続される制御部４０を基本的に備えている。燃料電池部１０を構成する燃料電池は、好ましくはアニオン伝導性電解質膜を有する膜電極複合体を備えるアルカリ形燃料電池である。

本発明の制御装置は、燃料電池の膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が「一定時間」流れるように燃料電池を制御するものである。図２は燃料電池の膜電極複合体に、ある単位時間内における一定時間、所定電流値Ａ以上の電流が流れるサイクルが繰り返されている状態を示した概念図である。図２を参照して説明すると、本発明において「膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れる」とは、燃料電池がこれを電力源とする電子機器への電力供給を行なっているか（すなわち、発電しているか）否かに関わらず、単位時間Ｔ₀内におけるある一定時間、所定電流値Ａ以上の電流が流れていることを意味している。そして好ましくは、図２に示されるように、このような所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返される。上記の「燃料電池がこれを電力源とする電子機器への電力供給を行なっているか（すなわち、発電しているか）否かに関わらず」とは、所定電流値Ａ以上の電流が、電子機器からの要求に従った発電によるものか、制御装置が強制的に流したものであるかを問わないことを意味している。

所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが２回以上繰り返される場合において、上記一定時間はすべて同じ時間長さであってもよいし、２種以上の異なる時間長さを含んでいてもよい。また、膜電極複合体に流される電流は所定電流値Ａ以上である限り特に制限されず、すべて同じ電流値であってもよいし、２種以上の異なる電流値を含んでいてもよい。単位時間Ｔ₀内に所定電流値Ａ以上の電流が複数回流されてもよい。

図２には、アルカリ形燃料電池の膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されている（所定電流値Ａ以上の電流が間欠的に流れている）ときの、ＣＯ₂由来アニオン濃度の変化の様子を併せて示している。図示されるように、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されることにより、セルフパージが繰り返されるため、膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度を実質的に常に低い状態に維持することができ、ＣＯ₂由来アニオンの蓄積を抑制することができる。これにより、セル抵抗増大およびアノード極における反応過電圧の上昇の問題が改善され、アルカリ形燃料電池の発電効率を向上させることができる。

一方、図３は、アルカリ形燃料電池の膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀が１つのみである（所定電流値Ａ以上の電流が１回のみ流れる）ときの、ＣＯ₂由来アニオン濃度の変化の様子を概念的に示したものである。このような場合とは、たとえば、制御装置によって所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流し、それ以降、制御装置および燃料電池の稼動を行なわない場合；制御装置によって所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流し、それ以降、所定電流値Ａ未満の電流で燃料電池が発電を行なう場合；所定電流値Ａ以上の電流で燃料電池が発電を行なった後、それ以降、所定電流値Ａ未満の電流で燃料電池が発電を行なうか、または燃料電池の稼動を停止する場合などである。

本発明における「膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れる」とは、図３に示されるような場合、すなわち、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀が１つのみである場合を含み得るが、好ましくは図２に示されるように、このような単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返される。膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度を実質的に常に低い状態に維持できるためである。所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀が１つのみである場合には、当該単位時間Ｔ₀後に燃料電池の発電を行なう際、十分に高い発電効率が得られないおそれがある。ただし、発電効率を顕著に低下させる程度にまでＣＯ₂由来アニオンが電解質膜および触媒層中に蓄積された後に燃料電池の発電を行なわないような場合には、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀が１つのみであってもよい。

すなわち、付随効果も含めて、本発明の制御装置およびこれを適用した燃料電池システム（とりわけ、アルカリ形燃料電池システム）は次のような作用効果を奏し得る。
〔ｉ〕上記のとおり、燃料電池が発電しているか否か（換言すれば、燃料電池を電力源とする電子機器の電力消費量）に関わらず、膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度を実質的に常に低くした状態に維持することができるため、セル抵抗増大およびアノード極における反応過電圧の上昇を抑制した状態で燃料電池（アルカリ形燃料電池）を発電させることができ、もって発電効率を向上させることができる。
〔ｉｉ〕膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度を低くした状態で燃料電池（アルカリ形燃料電池）の稼動を停止することができ、また、停止中においても、ＣＯ₂由来アニオン濃度を低くした状態に維持できるため、燃料電池（アルカリ形燃料電池）を起動する際の立ち上げ（立ち上げ時間）を早くすることができる（すなわち、要求される発電量に達するまでの時間を短くすることができる）。
〔ｉｉｉ〕単位時間Ｔ₀内におけるある一定時間、動作電流値を大きくするよう制御するため、連続的に動作電流値を大きくする場合と比べて、余剰電力（電子機器が要求する量を超える電力）の発生を抑制することができる。このことも発電効率の向上に寄与する。なお、当該余剰電力に起因する発電効率の低下を抑制するために、余剰電力をたとえば図示しない蓄電池などに蓄電してもよい。
〔ｉｖ〕単位時間Ｔ₀内におけるある一定時間、動作電流値を大きくするよう制御するため、このような制御を一切行なわない場合と比べて、燃料電池からの発熱量を増加させることができる。これにより、補助熱源を利用しなくても燃料電池の動作温度を適温に維持することができるようになる。このこともまた、発電効率の向上および立ち上げ時間の短縮化に寄与する。
〔ｖ〕単位時間Ｔ₀内におけるある一定時間、動作電流値を大きくするよう制御するため、このような制御を一切行なわない場合と比べて、アルカリ形燃料電池のアノード極における生成水量を増加させることができる〔上記式（２）参照〕。これにより、アニオン伝導性電解質膜の含水量を高く維持してそのアニオン伝導抵抗を低く維持することができるようになる。このこともまた、発電効率の向上および立ち上げ時間の短縮化に寄与する。

また本発明において、検出部２０によって検出される「燃料電池の状態」とは、膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度を評価することができる指標（パラメータ）を指しており、アルカリ形燃料電池に関し、具体的には次のものを挙げることができる。
〔ａ〕ある単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀、
〔ｂ〕アニオン伝導性電解質膜中のＣＯ₂由来アニオン濃度（またはこのうちのＣＯ₃ ^2-濃度）、
〔ｃ〕アニオン伝導性電解質膜のｐＨ、
〔ｄ〕アニオン伝導性電解質膜の抵抗値、
〔ｅ〕アルカリ形燃料電池の出力電圧値。

上記のなかでも、膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度に影響を与える指標であるとともに、検出手法が比較的容易であることから、検出部２０は上記〔ａ〕を検出するものであることが好ましい。

以下、実施の形態を示して本発明の制御装置および燃料電池システムについてより詳細に説明する。後述する実施形態はいずれもアルカリ形燃料電池を制御する制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムに係り、アルカリ形燃料電池の状態として上記〔ａ〕を検出するものである。

＜第１の実施形態＞
図４は、本実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図であり、電力が供給される電子機器（電子機器５０）と接続された状態で制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの構成を示したものである。本実施形態の制御装置は、アニオン伝導性電解質膜を有する膜電極複合体を備えるアルカリ形燃料電池を含む燃料電池部１０としての燃料電池部１０ａに接続される、検出部２０としての、上記〔ａ〕（ある単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀）を検出する検出部２０ａ；燃料電池部１０ａに接続されるとともに、電子機器５０に対して並列に接続される、電流値変更部３０としての、アルカリ形燃料電池の膜電極複合体に流れる電流の電流値を変更するための電子負荷装置３０ａ；および、検出部２０ａと電子負荷装置３０ａとに接続され、検出部２０ａによる検出結果に応じて、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電子負荷装置３０ａを制御するための制御部４０ａを備えている。

なお、図４では燃料電池部１０ａを、アルカリ形燃料電池が有する膜電極複合体の第１電極（たとえばアノード極）および第２電極（たとえばカソード極）のみを示す形で図示しているが、これは単に模式的に図示したに過ぎず、燃料電池部が有するアルカリ形燃料電池が採り得るより具体的な構造については後述の記載および後述の図面が参照される。図４と同様の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの概略図を示した他の図面についても同様である。

本実施形態において検出部２０ａは、膜電極複合体に流れる電流値（より具体的には膜電極複合体の第１電極−第２電極間を流れる電流値）を測定するための、燃料電池部１０ａ（アルカリ形燃料電池）に接続された電流計を少なくとも備えており、この電流計とともに、単位時間Ｔ₀および膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁を測定するための時間測定手段（タイマーなど）ならびに、電流値および時間Ｔ₀、Ｔ₁を記憶する記憶手段（メモリなど）を具備することができる。ただし、時間測定手段および記憶手段は制御部４０ａに包含することもできる。

電子負荷装置３０ａとしては従来公知のものを使用することができ、可変抵抗器を使用することもできる。制御部４０ａとしては、検出部２０ａによる検出結果に応じて、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように電子負荷装置３０ａを制御できるものであれば特に制限されず、たとえばパーソナルコンピュータなどであることができる。

本実施形態において、検出部２０ａは上記時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を好ましくは常時検出し、この時間割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると制御部４０ａによって判断された場合、制御部４０ａは、燃料電池部１０ａが発電（電子機器５０への電力供給）を行なっているかに関わらず、膜電極複合体に（第１電極−第２電極間に）所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう（たとえば図２に示されるような電流波形パターンが得られるよう）電子負荷装置３０ａを制御する。

より具体的に説明すると、時間割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると制御部４０ａによって判断された場合、第１電極に還元剤、第２電極に酸化剤を供給しつつ、制御部４０ａによって電子負荷装置３０ａに流れる負荷電流を大きくすることにより、Ｔ₂／Ｔ₀≧Ｗ_Tとなるようなある一定時間Ｔ₂の間、第１電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流す。そして好ましくは時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を常時検出して、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されるようにする。

なお上述のように、本発明においては、実質的に常に低いＣＯ₂由来アニオン濃度を実現するために、燃料電池部１０ａが発電（電子機器５０への電力供給）を行なっているかに関わらず、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れている状態が維持されればよく、流れた電流の少なくとも一部は、電子機器５０の要求に従って行なわれた発電によるものであってもよい。すなわち、電子機器５０の要求に従って発電を行なわれ、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れている場合、上記制御フローに従えば、制御部４０ａは強制的に所定電流値Ａ以上の電流が流れるような制御を行なわないが、この場合でも、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れている状態が維持されるため、実質的に常に低いＣＯ₂由来アニオン濃度が実現される。

上記単位時間Ｔ₀は特に制限されず、たとえば１０〜３０分程度の範囲内とすることができる。上記所定の時間割合Ｗ_Tは、所望する発電効率向上の程度や立ち上げ時間向上の程度などを考慮して決定され、たとえば５〜２０％の範囲（たとえば１０％）から選択することができる。所定電流値Ａも、所望する発電効率向上の程度や立ち上げ時間向上の程度などを考慮して決定され、４００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲、好ましくは６００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲から選択することができる。なお本発明でいう電流値（検出部によって検出する電流値および一定時間（Ｔ₂）流される電流の電流値の双方）とは、膜電極複合体（本実施形態では第１電極−第２電極間）に流れる電流量を、カソード極（後述の例示された各種アルカリ形燃料電池における第２電極）の電解質膜への投影面積で割った値である。

検出部２０ａによる検出結果に応じて、膜電極複合体に一定時間（時間長さＴ₂）流される「所定電流値Ａ以上の電流」の値は、検出部２０ａによって検出する「単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀」において設定される「所定電流値Ａ」と同じであってもよいし、これより大きくてもよい。Ｔ₂は通常、Ｔ₁より長くなるように設定される。

〔アルカリ形燃料電池〕
次に、本実施形態の燃料電池部１０ａが備えるアルカリ形燃料電池について詳細に説明する。図５は、本実施形態において燃料電池部１０ａが備え得るアルカリ形燃料電池の一例を示す概略断面図である。図５に示されるアルカリ形燃料電池は、アニオン伝導性電解質膜１０１、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に積層される第１電極（アノード極）１０３およびアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極（カソード極）１０２からなる膜電極複合体（ＭＥＡ）１を備えるものである。第１電極１０３と第２電極１０２とは、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して対向するように設けられている。電極の周縁には、電極端面からの空気等の浸入を防止するために、ガスケット１０６（たとえば、シリコーンゴム等の弾性樹脂からなる層や、エポキシ系樹脂等の硬化性樹脂の硬化物層）が設けられている。

また、図５に示されるアルカリ形燃料電池は、第１電極１０３上に積層される第１集電層１０５および第２電極１０２上に積層される第２集電層１０４を備えている。これらの集電層は、これに接する電極との間で電子の授受を行なうとともに、電気的配線を行なうための部材である。第１集電層１０５には、第１電極１０３に還元剤を供給するための第１流路１０５ａが設けられている。同様に、第２集電層１０４には、第２電極１０２に酸化剤を供給するための第２流路１０４ａが設けられている。このように、図５に示されるアルカリ形燃料電池において各集電層は、還元剤や酸化剤を供給するための部材でもある。

（１）アニオン伝導性電解質膜
アニオン伝導性電解質膜１０１としては、ＯＨ^-イオンを伝導でき、かつ、第１電極１０３と第２電極１０２との間の短絡を防止するために電気的絶縁性を有する限り特に制限されないが、アニオン伝導性固体高分子電解質膜を好適に用いることができる。アニオン伝導性固体高分子電解質膜の好ましい例は、たとえば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系、スチレンビニルベンゼン系、第４級アンモニウム系の固体高分子電解質膜（アニオン交換膜）が挙げられる。また、ポリアクリル酸に濃厚水酸化カリウム溶液を含浸させた膜やアニオン伝導性固体酸化物電解質膜をアニオン伝導性電解質膜１０１として用いることもできる。

アニオン伝導性電解質膜１０１は、アニオン伝導率が１０^-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜などのアニオン伝導率が１０^-3Ｓ／ｃｍ以上の電解質膜を用いることがより好ましい。アニオン伝導性電解質膜１０１の厚みは、通常５〜３００μｍであり、好ましくは１０〜２００μｍである。

（２）第１電極および第２電極
アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に積層され、発電時にアノード極として機能する第１電極１０３、および、第１表面に対向する第２表面に積層され、発電時にカソード極として機能する第２電極１０２には、触媒と電解質とを含有する多孔質層からなる触媒層が少なくとも設けられる。これらの触媒層は、アニオン伝導性電解質膜１０１の表面に接して積層される。第１電極１０３の触媒（アノード触媒）は、第１電極１０３に供給された還元剤とＯＨ^-とから、水および電子を生成する反応を触媒する。第１電極１０３の電解質は、アニオン伝導性電解質膜１０１から伝導してきたＯＨ^-を触媒反応サイトへ伝導する機能を有する。一方、第２電極１０２の触媒（カソード触媒）は、第２電極１０２に供給された酸化剤および水と、第１電極１０３から伝達された電子とから、ＯＨ^-を生成する反応を触媒する。第２電極１０２の電解質は、生成したＯＨ^-をアニオン伝導性電解質膜２０１へ伝導する機能を有する。

アノード触媒およびカソード触媒としては、従来公知のものを使用することができ、たとえば、白金、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、銀、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、マンガン、これらの金属化合物、およびこれらの金属の２種以上を含む合金からなる微粒子が挙げられる。合金は、白金、鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも２種以上を含有する合金が好ましく、たとえば、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、鉄−コバルト合金、コバルト−ニッケル合金、鉄−ニッケル合金等、鉄−コバルト−ニッケル合金が挙げられる。アノード触媒とカソード触媒とは同種であってもよいし、異種であってもよい。

アノード触媒およびカソード触媒は、担体、好ましくは導電性の担体に担持されたものを用いることが好ましい。導電性担体としては、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭等の導電性カーボン粒子が挙げられる。また、気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の炭素繊維を用いることもできる。

第１電極１０３および第２電極１０２の電解質としては、アニオン伝導性固体高分子電解質膜を構成する電解質と同様のものを用いることができる。各触媒層における触媒と電解質との含有比は、重量基準で、通常５／１〜１／４であり、好ましくは３／１〜１／３である。

第１電極１０３および第２電極１０２はそれぞれ、触媒層上に積層されるガス拡散層を備えていてもよい。ガス拡散層は、供給される還元剤または酸化剤を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層との間で電子の授受を行なう機能を有する。

ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層であることができ、具体的には、たとえば、カーボンペーパー；カーボンクロス；カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜；金属または合金の発泡体、焼結体または繊維不織布などであることができる。ガス拡散層の厚みは、厚み方向に対して垂直な方向（面内方向）への還元剤または酸化剤の拡散抵抗を低減させるために、１０μｍ以上であることが好ましく、厚み方向への拡散抵抗を低減させるために、１ｍｍ以下であることが好ましい。ガス拡散層の厚みは、より好ましくは１００〜５００μｍである。

（３）集電層
第１集電層１０５、第２集電層１０４はそれぞれ、第１電極１０３、第２電極１０２上に接して設けられる、接する電極との間で電子の授受を行なうとともに、電気的配線を行なうための部材である。また、図５に示されるアルカリ形燃料電池において、これらの集電層は、還元剤や酸化剤を供給する機能も兼ね備えており、第１集電層１０５には、還元剤を第１電極１０３に供給するための第１流路１０５ａが、第２集電層１０４には、酸化剤を第２電極１０２に供給するための第２流路１０４ａが設けられている。

集電層の材質は特に制限されず、たとえば、カーボン材料、導電性高分子、各種金属、ステンレスに代表される合金などの導電性材料を用いることができる。各集電層の材質は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第１流路１０５ａおよび第２流路１０４ａは、集電層の電極側表面に設けられた１または２以上の溝から構成することができ、その形状は特に制限されず、ライン状、サーペンタイン状等であることができる。

集電層に還元剤や酸化剤を供給する機能を付与するのではなく、還元剤や酸化剤の供給を担う別途の部材（流路板）を集電層上に積層してもよい。流路板は、たとえば、各種プラスチック材料などの非導電性材料からなる板状体の表面に１または２以上の溝を設けたものであることができる。

還元剤としては、たとえばＨ₂ガス、炭化水素ガス、アルコール、アンモニアガスなどを用いることができ、なかでもＨ₂ガスを用いることが好ましい。酸化剤としては、たとえばＯ₂ガスや、空気等のＯ₂を含むガスなどを用いることができ、なかでも空気が好ましく用いられる。本明細書中で例示される他のアルカリ形燃料電池においても同様である。

また、本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムにおいては、図６に示されるようなアルカリ形燃料電池を使用してもよい。図６に示されるアルカリ形燃料電池は、膜電極複合体２を備えることを特徴としており、膜電極複合体２は、第１電極１０３が有する触媒層（アノード触媒層）の体積を第２電極１０２が有する触媒層（カソード触媒層）の体積より大きくして、アノード触媒層に含有されるアノード触媒の重量をカソード触媒層に含有されるカソード触媒の重量より多くしたことを特徴としている。これにより、上記（５）および（６）で示されるようなセルフパージによるＣＯ₂ガス排出の速度がより大きくなるため、電解質膜および触媒層中のＣＯ₂由来アニオン濃度をより迅速に低下させることができるようになる。このことは、所定電流値Ａ以上の電流が流される時間長さ（すなわち、一定時間Ｔ₂）を短くできることを意味しており、さらなる余剰電力の低減および発電効率の向上に寄与する。

第１電極１０３が有する触媒層（アノード触媒層）の体積を第２電極１０２が有する触媒層（カソード触媒層）の体積より大きくする手段としては、アノード触媒層の面積をより大きくする、すなわち、アノード触媒層におけるアニオン伝導性固体高分子電解質膜側の面の面積をカソード触媒層におけるアニオン伝導性固体高分子電解質膜側の面の面積より大きくする；アノード触媒層の厚さをカソード触媒層の厚さより大きくする；および、これらの組み合わせが挙げられる。このようなアノード触媒層の面積や厚みをより大きくすることは、アノード触媒層の耐久性向上の観点からも有利である。図６は、アノード触媒層の面積をカソード触媒層より大きくした例である。

本実施形態において燃料電池部１０ａと電子機器５０とは、コンバータ（昇圧回路）を介して接続してもよい。後述する他の実施形態においても同様である。

＜第２の実施形態＞
図７は、本実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図であり、電力が供給される電子機器（電子機器５０）と接続された状態で制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの構成を示したものである。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムは、電流値変更部３０が電子負荷装置３０ａに加えて、電源装置３０ｃをさらに含むこと以外は上記第１の実施形態と同様である。この電源装置３０ｃは、スイッチ３０ｂを介して燃料電池部１０ａのアルカリ形燃料電池に対して直列に接続される。スイッチ３０ｂは、電子負荷装置３０ａと燃料電池部１０ａを接続する回路内への電源装置３０ｃの介在／非介在を切り替える役割を果たす。

本実施形態では、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流す際の駆動力として、上記第１の実施形態のようにアルカリ形燃料電池の化学反応を利用するのではなく、電源装置を利用するものである。具体的には、制御部４０ａによってスイッチ３０ｂを操作して電源装置３０ｃと燃料電池部１０ａとを直列接続し、さらに場合によっては電源装置３０ｃの起電力を大きくするとともに、電子負荷装置３０ａに流れる負荷電流を大きくすることにより、Ｔ₂／Ｔ₀≧Ｗ_Tとなるようなある一定時間Ｔ₂の間、第１電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流す。そして好ましくは時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を常時検出して、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されるようにする。電源装置を利用する本実施形態では、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流す際、電極に還元剤、酸化剤を供給する必要はない。

電源装置３０ｃとしては、アルカリ電池、マンガン電池などの一次電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などの二次電池、さらに、直流安定化電源などを用いることができる。特に直流安定化電源を用いる場合は、電源装置の起電力を調整することができるため、膜電極複合体に流れる電流の制御性が向上する。

＜第３の実施形態＞
図８は、本実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図であり、電力が供給される電子機器（電子機器５０）と接続された状態で制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの構成を示したものである。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムは、アノード極としての第１電極およびカソード極としての第２電極に加えて、第１電極側にさらに第３電極を備える膜電極複合体を有するアルカリ形燃料電池を燃料電池部１０ａに用いること以外は上記第１の実施形態と同様である。この第３電極は、第１電極および第２電極とは独立して設けられる、いわばセルフパージ用の電極であり、発電時においてアノード極として機能する第１電極と同じ側のアニオン伝導性電解質膜表面に積層されるが、第１電極と離間して（接触しないように）配置される。

本実施形態においては、単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体（第１電極−第２電極間）に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると制御部４０ａによって判断された場合、制御部４０ａは、燃料電池部１０ａが発電（電子機器５０への電力供給）を行なっているかに関わらず、膜電極複合体の第３電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう電子負荷装置３０ａを制御する。

より具体的に説明すると、時間割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると制御部４０ａによって判断された場合、第３電極に還元剤、第２電極に酸化剤を供給しつつ、制御部４０ａによって電子負荷装置３０ａに流れる負荷電流を大きくすることにより、Ｔ₂／Ｔ₀≧Ｗ_Tとなるようなある一定時間Ｔ₂の間、第３電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流す。そして好ましくは時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を常時検出して、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されるようにする。なおここでいう一定時間（Ｔ₂）流される電流の電流値は、第３電極−第２電極間に流れる電流量を、カソード極（第２電極）の電解質膜への投影面積で割った値として算出され、４００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲、好ましくは６００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲から選択することができる。

このように本実施形態は、第３電極（セルフパージ用）と第２電極（カソード極）との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるようにする点において上記第１の実施形態と相違する。

第３電極を備えたアルカリ形燃料電池を使用する本実施形態は、上記〔ｉ〕〜〔ｖ〕に加えて、次のような作用効果〔ｖｉ〕を奏し得る。セルフパージを行なうと、膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオンは、アノード極からＣＯ₂ガスとして排出されるが、ＣＯ₂由来アニオンの一部がアノード極に蓄積される傾向にあることが知られている（上記非特許文献２）。このようなアノード極へのＣＯ₂由来アニオンの蓄積は、アノード極における反応過電圧の上昇を招来し、発電効率を低下させる要因となる。すなわち、アノード極としての第１電極およびカソード極としての第２電極のみを備えるアルカリ形燃料電池を用いる場合（たとえば上記第１の実施形態）、第１電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流を一定時間（好ましくは繰り返し）流すと、膜電極複合体中のＣＯ₂由来アニオン濃度を実質的に常に低い状態に維持することができるため、上述のように、セル抵抗増大およびアノード極における反応過電圧の上昇の問題が改善されるが、第１電極にＣＯ₂由来アニオンが蓄積される分、反応過電圧の低下が十分でない場合が生じ得る。

第１電極とは独立してセルフパージ用の第３電極を設け、第１電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると判断された場合に、膜電極複合体の第３電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるようにすると、ＣＯ₂由来アニオンの蓄積は第３電極において生じることになるため、発電時においてアノード極として機能する第１電極における反応過電圧の上昇を防止することができ、この分、発電効率をより向上させることが可能になる。

本実施形態において電子負荷装置３０ａは、膜電極複合体の第３電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流を一定時間流すことができるよう、第３電極および第２電極に接続され、実質的な発電に寄与する第１電極および第２電極が、第３電極および第２電極と電子負荷装置３０ａとを接続する配線とは異なる配線を用いて電子機器５０に接続される（図８参照）。膜電極複合体と電子負荷装置３０ａとの間に、所定電流値Ａ以上の電流が流れているかどうかを確認するための電流計を配してもよい。

〔アルカリ形燃料電池〕
次に、本実施形態の燃料電池部１０ａが備えるアルカリ形燃料電池についてより詳細に説明する。図９は、本実施形態において燃料電池部１０ａが備え得るアルカリ形燃料電池の一例を示す概略断面図であり、図１０および図１１はそれぞれ、図９に示されるＸ−Ｘ線、ＸＩ−ＸＩ線における概略断面図である。図９に示されるアルカリ形燃料電池は、膜電極複合体（ＭＥＡ）３を備えることを特徴としている。膜電極複合体３は、アニオン伝導性電解質膜１０１；アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に積層される第１電極（アノード極）１０３；アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極（カソード極）１０２；および、第１電極１０３と離間して第１表面に積層される、セルフパージ用の第３電極１１０から主に構成される。電極の周縁には、電極端面からの空気等の浸入を防止するために、ガスケット１０６（たとえば、シリコーンゴム等の弾性樹脂からなる層や、エポキシ系樹脂等の硬化性樹脂の硬化物層）が設けられている。

第１電極１０３と第２電極１０２とは、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して対向するように設けられている。このような対向配置は、第１電極１０３と第２電極１０２との間の距離を最も短くさせ、これにより、これらの電極間に電流が流れる際の抵抗が低減されるため、発電効率の低下抑制に有利である。また、図９に示される例において、第１電極１０３は２つに分割されて積層されており、これら２つの第１電極１０３の間に、第１電極１０３と離間するように第３電極１１０が配置されている。

また、図９に示されるアルカリ形燃料電池は、第１電極１０３上に積層される第１集電層１０５；第２電極１０２上に積層される第２集電層１０４；および、第３電極１１０上に積層される第３集電層１２０を備えている。これらの集電層は、これに接する電極との間で電子の授受を行なうとともに、電気的配線を行なうための部材である。第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。また、第１集電層１０５および第３集電層１２０には、第１電極１０３または第３電極１１０に還元剤を供給するための第１流路１０５ａが設けられている。同様に、第２集電層１０４には、第２電極１０２に酸化剤を供給するための第２流路１０４ａが設けられている。このように、図９に示されるアルカリ形燃料電池において各集電層は、還元剤や酸化剤を供給するための部材でもある。

本実施形態で用いられるアルカリ形燃料電池が有するアニオン伝導性電解質膜１０１、第１電極１０３および第２電極１０２の構成材料等は上記第１の実施形態で用いられるアルカリ形燃料電池と同様であることができる。

第１電極１０３および第２電極１０２は、燃料電池単位面積あたりの出力を向上させる観点から、アニオン伝導性電解質膜１０１上にできるだけ大きい面積を有して形成されることが好ましく、たとえば図１０に示されるように、アニオン伝導性電解質膜１０１と同じ長さまたは同程度の長さを有して形成されることが好ましい。

第３電極１１０はセルフパージ用の電極であり、第３電極１１０への還元剤の供給および第２電極１０２への酸化剤の供給により、ＣＯ₂由来アニオンをＣＯ₂ガスとして排出する電極である。第３電極１１０の構成および組成に関しては、上記第１の実施形態における第１電極１０３について既述した内容が引用される。

第３電極１１０は、セルフパージ用として独立に機能させるために、第１電極１０３と離間してアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面上に配置される。ここで、図示される膜電極複合体３においては、第１電極１０３を２つに分割し、それらの間であって、アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面の中央領域に第３電極１１０を配置しているが、このような配置に限定されるものではない。たとえば、第１電極１０３を分割することなく、第３の電極１１０を第１電極１０３の側方に配置するなど、第１電極１０３の数（分割の有無）や第３の電極１１０の位置は特に制限されない。ただし、セルフパージの効率を考慮すると、第２電極１０２に対向するような位置に第３電極１１０を設けることが好ましい。

第１電極１０３の面積（幅×長さ）と、第３電極１１０の面積との比は、燃料電池の発電能力とセルフパージの効率性の双方を勘案して決定される。当該比（第１電極１０３の面積／第３電極１１０の面積）があまりに大きいと、第３電極１１０が小さすぎてセルフパージの効率が低下する。一方、当該比があまり小さいと、発電に寄与するアノード極としての第１電極１０３が小さすぎて十分な出力を得ることができない。セルフパージの効率を考慮すると、第３電極１１０の長さは、アニオン伝導性電解質膜１０１のできるだけ広い範囲からＣＯ₂由来アニオンを取り込むことができるよう長いことが好ましく、たとえば、アニオン伝導性電解質膜１０１と同じか、または略同じ長さとすることができる（図１０参照）。第１電極１０３の厚みと第３電極１１０の厚みは同じであることが好ましい。

第１集電層１０５、第２集電層１０４、第３集電層１２０はそれぞれ、第１電極１０３、第２電極１０２、第３電極１１０上に接して設けられる、接する電極との間で電子の授受を行なうとともに、電気的配線を行なうための部材である。また、図９に示されるアルカリ形燃料電池において、これらの集電層は、還元剤や酸化剤を供給する機能も兼ね備えており、第１集電層１０５および第３集電層１２０には、還元剤を第１電極１０３および第３電極１１０に供給するための第１流路１０５ａが、第２集電層１０４には、酸化剤を第２電極１０２に供給するための第２流路１０４ａが設けられている。

上述のように、第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。絶縁層１３０は、電気的絶縁性を示すものであれば特に制限されず、たとえば、各種非導電性高分子（絶縁性接着剤などを含む）からなることができる。集電層の材質は特に制限されず、たとえば、カーボン材料、導電性高分子、各種金属、ステンレスに代表される合金などの導電性材料を用いることができる。各集電層の材質は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第１流路１０５ａおよび第２流路１０４ａは、集電層の電極側表面に設けられた１または２以上の溝から構成することができ、その形状は特に制限されず、ライン状、サーペンタイン状等であることができる。なお、第１電極１０３に還元剤を供給するための流路と第３電極１１０に還元剤を供給するための流路とは連結されていてもよいし、連結されていなくてもよい。

集電層に還元剤や酸化剤を供給する機能を付与するのではなく、還元剤や酸化剤の供給を担う別途の部材（流路板）を集電層上に積層してもよい。流路板は、たとえば、各種プラスチック材料などの非導電性材料からなる板状体の表面に１または２以上の溝を設けたものであることができる。

また本実施形態では、図１２に示されるようなアルカリ形燃料電池を用いることもできる。図１２は、本実施形態において燃料電池部１０ａが備え得るアルカリ形燃料電池の他の一例を示す概略断面図であり、図１３および図１４はそれぞれ、図１２に示されるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線、ＸＩＶ−ＸＩＶ線における概略断面図である。図１２に示されるアルカリ形燃料電池は、セルフパージ用の第３電極１１０を複数（図１２の例では３つ）有する膜電極複合体４を備えることを特徴としており（図１２および図１３参照）、これ以外の構成については、図９に示されるアルカリ形燃料電池と同様とすることができる（可能な変形についても図９に示されるアルカリ形燃料電池と同様である）。

膜電極複合体４は、アニオン伝導性電解質膜１０１；アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に積層される第１電極１０３；アニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面に積層される第２電極１０２；および、第１電極１０３と離間して第１表面に積層される、３つの第３電極１１０から主に構成される。第１電極１０３と第２電極１０２とは、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して対向するように設けられている。第１電極１０３は２つに分割されて積層されており、これら２つの第１電極１０３の間、および２つの第１電極１０３それぞれの外側側方に、第１電極１０３と離間するように合計３つの第３電極１１０が配置されている。

図１２に示されるアルカリ形燃料電池は、第１電極１０３上に積層される第１集電層１０５（計２つ）；第２電極１０２上に積層される第２集電層１０４；および、第３電極１１０上に積層される第３集電層１２０（計３つ）を備えている。第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。また、第１集電層１０５および第３集電層１２０には、第１電極１０３または第３電極１１０に還元剤を供給するための第１流路１０５ａが設けられており、第２集電層１０４には、第２電極１０２に酸化剤を供給するための第２流路１０４ａが設けられている。

図１２に示されるアルカリ形燃料電池のように、複数の第３電極を設ける場合においては、図１２および図１３に示されるように、これら複数の第３電極をアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面内において略均等に分散して配置することが好ましい。これは次の理由による。アニオン伝導性電解質膜１０１は非常に薄いため、膜厚方向のイオン伝導抵抗は、膜面内方向のイオン伝導抵抗に比べて非常に小さい。したがって、セルフパージを進めた場合、主に、第３電極１１０近傍のアニオン伝導性電解質膜１０１および第２電極１０２と第３電極１１０との間でＣＯ₂由来アニオンの移動が起こり、セルフパージが優先的に進行する。一方、第３電極１１０から遠く離れた領域のアニオン伝導性電解質膜１０１および第２電極１０２と第３電極１１０との間では、イオン伝導抵抗が大きいため、ＣＯ₂由来アニオンの移動が起こりにくく、セルフパージが十分に進まない傾向にある。複数の第３電極１１０を設け、好ましくはこれらを第１表面内において略均等に分散して配置することにより、第３電極１１０近傍の領域を増加させることができ、これによりアニオン伝導性電解質膜１０１および第２電極１０２全体のセルフパージを行なうことができるようになる。なお、セルフパージの効率を考慮すると、複数の第３電極１１０は、第２電極１０２に対向するような位置に設けることが好ましい。

＜第４の実施形態＞
図１５は、本実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図であり、電力が供給される電子機器（電子機器５０）と接続された状態で制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの構成を示したものである。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムは、電流値変更部３０が電子負荷装置３０ａに加えて、電源装置３０ｃをさらに含むこと以外は上記第３の実施形態と同様である。この電源装置３０ｃは、スイッチ３０ｂを介して燃料電池部１０ａのアルカリ形燃料電池に対して直列に接続される。スイッチ３０ｂは、電子負荷装置３０ａと燃料電池部１０ａを接続する回路内への電源装置３０ｃの介在／非介在を切り替える役割を果たす。本実施形態では、上記第３の実施形態と同様、セルフパージ用の第３電極１１０を備えるアルカリ形燃料電池が用いられる。

本実施形態では、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流す際の駆動力として、上記第３の実施形態のようにアルカリ形燃料電池の化学反応を利用するのではなく、電源装置を利用するものである。具体的には、制御部４０ａによってスイッチ３０ｂを操作して電源装置３０ｃと燃料電池部１０ａとを直列接続し、さらに場合によっては電源装置３０ｃの起電力を大きくするとともに、電子負荷装置３０ａに流れる負荷電流を大きくすることにより、Ｔ₂／Ｔ₀≧Ｗ_Tとなるようなある一定時間Ｔ₂の間、第３電極−第２電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流す。そして好ましくは時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を常時検出して、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されるようにする。電源装置を利用する本実施形態では、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流す際、電極に還元剤、酸化剤を供給する必要はない。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムによっても、上述の〔ｉ〕〜〔ｖｉ〕の作用効果を奏することができる。

＜第５の実施形態＞
図１６は、本実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図であり、電力が供給される電子機器（電子機器５０）と接続された状態で制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの構成を示したものである。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムは、アノード極としての第１電極およびカソード極としての第２電極に加えて、第１電極側に第３電極を、第２電極側に第４電極をさらに備える膜電極複合体を有するアルカリ形燃料電池を燃料電池部１０ａに用いること以外は上記第１の実施形態と同様である。これらの第３電極および第４電極は、第１電極および第２電極とは独立して設けられるセルフパージ用の電極である。第３電極は、発電時においてアノード極として機能する第１電極と同じ側のアニオン伝導性電解質膜表面に積層されるが、第１電極と離間して（接触しないように）配置される。第４電極は、発電時においてカソード極として機能する第２電極と同じ側のアニオン伝導性電解質膜表面に積層されるが、第２電極と離間して（接触しないように）配置される。

本実施形態においては、単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体（第１電極−第２電極間）に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると制御部４０ａによって判断された場合、制御部４０ａは、燃料電池部１０ａが発電（電子機器５０への電力供給）を行なっているかに関わらず、膜電極複合体の第３電極−第４電極間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう電子負荷装置３０ａを制御する。

より具体的に説明すると、時間割合Ｔ₁／Ｔ₀が所定の時間割合Ｗ_T未満であると制御部４０ａによって判断された場合、第３電極に還元剤、第４電極に酸化剤を供給しつつ（あるいは第３電極に酸化剤、第４電極に還元剤を供給しつつ）、制御部４０ａによって電子負荷装置３０ａに流れる負荷電流を大きくすることにより、Ｔ₂／Ｔ₀≧Ｗ_Tとなるようなある一定時間Ｔ₂の間、第３電極−第４電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流す。そして好ましくは時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を常時検出して、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されるようにする。なおここでいう一定時間（Ｔ₂）流される電流の電流値は、第３電極−第４電極間に流れる電流量を、カソード極（第２電極）の電解質膜への投影面積で割った値として算出され、４００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲、好ましくは６００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲から選択することができる。

このように本実施形態は、第３電極（セルフパージ用）と第４電極（セルフパージ用）との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるようにする点において上記第１の実施形態と相違する。また、第３電極（セルフパージ用）と第２電極（カソード極）との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるようにする上記第３の実施形態とも相違する。

第３電極および第４電極を備えたアルカリ形燃料電池を使用する本実施形態のアルカリ形燃料電池システムは、上記〔ｉ〕〜〔ｖｉ〕に加えて、次のような作用効果〔ｖｉｉ〕を奏し得る。すなわち、第３電極−第４電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流すようにすれば、第１電極−第２電極間に流れる電流量は変化せず、第１電極−第２電極間の起電力も低下しないため、発電効率を低下させることなく、ＣＯ₂由来アニオン濃度を低下させることができる。

本実施形態において電子負荷装置３０ａは、膜電極複合体の第３電極−第４電極間に所定電流値Ａ以上の電流を一定時間流すことができるよう、第３電極および第４電極に接続され、実質的な発電に寄与する第１電極および第２電極が、第３電極および第４電極と電子負荷装置３０ａとを接続する配線とは異なる配線を用いて電子機器５０に接続される（図１６参照）。膜電極複合体と電子負荷装置３０ａとの間に、所定電流値Ａ以上の電流が流れているかどうかを確認するための電流計を配してもよい。

〔アルカリ形燃料電池〕
次に、本実施形態の燃料電池部１０ａが備えるアルカリ形燃料電池についてより詳細に説明する。図１７は、本実施形態において燃料電池部１０ａが備え得るアルカリ形燃料電池の一例を示す概略断面図であり、図１８〜図２１はそれぞれ、図１７に示されるＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線、ＸＩＸ−ＸＩＸ線、ＸＸ−ＸＸ線、ＸＸＩ−ＸＸＩ線における概略断面図である。図１７に示されるアルカリ形燃料電池は、セルフパージ用の第３電極１１０に加えて、同じくセルフパージ用の第４電極１１５を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）５を備えることを特徴としている。膜電極複合体５は、アニオン伝導性電解質膜１０１；アニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面に積層される第１電極（アノード極）１０３；アニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面に積層される第２電極（カソード極）１０２；第１電極１０３と離間して第１表面に積層される第３電極１１０；および、第２電極１０２と離間して第２表面に積層される第４電極１１５から主に構成される。電極の周縁には、ガスケット１０６が設けられている。第１電極１０３と第２電極１０２とは、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して対向するように設けられている。

また、図１７に示されるアルカリ形燃料電池は、第１電極１０３上に積層される第１集電層１０５；第２電極１０２上に積層される第２集電層１０４；第３電極１１０上に積層される第３集電層１２０；および、第４電極１１５上に積層される第４集電層１２５を備えている。第１集電層１０５と第３集電層１２０とは、これらの集電層の間に絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。同様に、第２集電層１０４と第４集電層１２５とは、絶縁層１３０を介在させることにより互いに電気的に絶縁されている。また、第１集電層１０５および第３集電層１２０には、第１電極１０３または第３電極１１０に還元剤を供給するための第１流路１０５ａが設けられている。同様に、第２集電層１０４および第４集電層１２５には、第２電極１０２または第４電極１１５に酸化剤を供給するための第２流路１０４ａが設けられている。このように、図１７に示されるアルカリ形燃料電池において各集電層は、還元剤や酸化剤を供給するための部材でもある。

本実施形態で用いられるアルカリ形燃料電池が有するアニオン伝導性電解質膜１０１、第１電極１０３および第２電極１０２の構成材料等は上記第１の実施形態で用いられるアルカリ形燃料電池と同様であることができる。

第３電極１１０および第４電極１１５はセルフパージ用の電極であり、第３電極１１０への還元剤の供給および第４電極１１５への酸化剤の供給により、第３電極１１０からＣＯ₂由来アニオンがＣＯ₂ガスとして排出される（第４電極１１５に還元剤を供給し、第３電極に酸化剤と供給した場合には、第４電極１１５からＣＯ₂由来アニオンがＣＯ₂ガスとして排出される）。第３電極１１０および第４電極１１５の構成および組成に関しては、第１電極１０３について既述した内容が引用される。

第３電極１１０は、セルフパージ用として独立に機能させるために、第１電極１０３と離間してアニオン伝導性電解質膜１０１の第１表面上に配置される。同様に、第４電極１１５は、セルフパージ用として独立に機能させるために、第２電極１０２と離間してアニオン伝導性電解質膜１０１の第２表面上に配置される。

図１７に示されるように、第３電極１１０と第４電極１１５とは、アニオン伝導性電解質膜１０１を介して対向するように設けるのではなく、第１電極１０３の一方の外側側方に配置される第３電極１１０に対して、第４電極１１５は、第２電極１０２における第３電極１１０に対向する側とは反対側の外側側方に配置することが好ましい。これにより、第３電極１１０と第４電極１１５との間に所定電流値Ａ以上の電流を流してセルフパージを行なう際、電流が必然的に第１電極１０３と第２電極１０２との間に介在するアニオン伝導性電解質膜１０１内を通ることとなるため、アニオン伝導性電解質膜１０１のかなり広い領域（第３電極および第４電極を膜電極複合体のほぼ端部に配置した場合にはアニオン伝導性電解質膜１０１のほとんどの領域）についてセルフパージを行なうことができるようになる。

なお、第３電極１１０と第４電極１１５との配置構成およびこれら電極の形状は図示されるものに限定されず、第３電極１１０から第４電極１１５に至る最短経路が、第１電極１０３と第２電極１０２との間に介在するアニオン伝導性電解質膜１０１内を通るように配置されるように第３電極１１０および第４電極１１５を設けることで、上述の有利な効果を得ることができる。

＜第６の実施形態＞
図２２は、本実施形態に係る制御装置およびこれを適用したアルカリ形燃料電池システムを示す概略図であり、電力が供給される電子機器（電子機器５０）と接続された状態で制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの構成を示したものである。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムは、電流値変更部３０が電子負荷装置３０ａに加えて、電源装置３０ｃをさらに含むこと以外は上記第５の実施形態と同様である。この電源装置３０ｃは、スイッチ３０ｂを介して燃料電池部１０ａのアルカリ形燃料電池に対して直列に接続される。スイッチ３０ｂは、電子負荷装置３０ａと燃料電池部１０ａを接続する回路内への電源装置３０ｃの介在／非介在を切り替える役割を果たす。本実施形態では、上記第５の実施形態と同様、セルフパージ用の第３電極１１０および第４電極１１５を備えるアルカリ形燃料電池が用いられる。

本実施形態では、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流す際の駆動力として、上記第５の実施形態のようにアルカリ形燃料電池の化学反応を利用するのではなく、電源装置を利用するものである。具体的には、制御部４０ａによってスイッチ３０ｂを操作して電源装置３０ｃと燃料電池部１０ａとを直列接続し、さらに場合によっては電源装置３０ｃの起電力を大きくするとともに、電子負荷装置３０ａに流れる負荷電流を大きくすることにより、Ｔ₂／Ｔ₀≧Ｗ_Tとなるようなある一定時間Ｔ₂の間、第３電極−第４電極間に所定電流値Ａ以上の電流を流す。そして好ましくは時間割合Ｔ₁／Ｔ₀を常時検出して、所定電流値Ａ以上の電流が流れている一定時間を含む単位時間Ｔ₀のサイクルが繰り返されるようにする。電源装置を利用する本実施形態では、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流を強制的に流す際、電極に還元剤、酸化剤を供給する必要はない。本実施形態の制御装置およびアルカリ形燃料電池システムによっても、上述の〔ｉ〕〜〔ｖｉｉ〕の作用効果を奏することができる。

以上、検出部２０が「アルカリ形燃料電池の状態」として〔ａ〕ある単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出する場合を例に挙げて本発明を詳細に説明したが、検出部２０は、「アルカリ形燃料電池の状態」として、上述の〔ｂ〕〜〔ｅ〕のいずれかを検出するものであってもよく、このような場合においても同様の効果を奏し得る。

「アルカリ形燃料電池の状態」として、〔ｂ〕アニオン伝導性電解質膜中のＣＯ₂由来アニオン濃度（またはこのうちのＣＯ₃ ^2-濃度）を検出する場合においては、当該濃度を検出部２０により常時または一定時間おきに検出し、当該濃度が所定の濃度を超えていると判断された場合、制御部４０は、燃料電池部１０が発電を行なっているかに関わらず、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう電流値変更部３０を制御する。

「アルカリ形燃料電池の状態」として、〔ｃ〕アニオン伝導性電解質膜のｐＨを検出する場合においては、当該ｐＨを検出部２０（アニオン伝導性電解質膜に接触させたｐＨメータ）により常時または一定時間おきに検出し、当該ｐＨが所定のｐＨを下回っていると判断された場合、制御部４０は、燃料電池部１０が発電を行なっているかに関わらず、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう電流値変更部３０を制御する。

「アルカリ形燃料電池の状態」として、〔ｄ〕アニオン伝導性電解質膜の抵抗値を検出する場合においては、当該抵抗値を検出部２０により、カレントインタラプト測定またはインピーダンス測定などの方法で常時または一定時間おきに検出し、当該抵抗値が所定の抵抗値を超えていると判断された場合、制御部４０は、燃料電池部１０が発電を行なっているかに関わらず、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう電流値変更部３０を制御する。

「アルカリ形燃料電池の状態」として、〔ｅ〕アルカリ形燃料電池の出力電圧値を検出する場合においては、当該電圧値を検出部２０（ＭＥＡに接続した電圧計）により常時または一定時間おきに検出し、得られる電圧／電流特性が所定の電圧／電流特性を下回っている（所定の電圧／電流特性より劣っている）と判断された場合、制御部４０は、燃料電池部１０が発電を行なっているかに関わらず、膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるよう電流値変更部３０を制御する。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの作製〕
＜実施例１＞
以下の手順で図４と同様の構成を有する制御装置およびアルカリ形燃料電池システムを作製した。

（１）膜電極複合体の作製
芳香族ポリエーテルスルホン酸と芳香族ポリチオエーテルスルホン酸との共重合体をクロロメチル化した後、アミノ化することにより、触媒層用のアニオン伝導性固体高分子電解質を得た。これをテトラヒドロフランに添加することにより、５重量％アニオン伝導性固体高分子電解質溶液を得た。

Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、上記で得られた電解質溶液とを、重量比で２／０．２となるように混合し、さらにイオン交換水およびエタノールを添加することにより、アノード触媒層用の触媒ペーストを調製した。

同様に、Ｐｔ担持量が５０重量％のＰｔ／Ｃである触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、上記で得られた電解質溶液とを、重量比で２／０．２となるように混合し、さらにイオン交換水およびエタノールを添加することにより、カソード触媒層用の触媒ペーストを調製した。

次に、アノードガス拡散層としてカーボンペーパー（東レ社製「ＴＧＰ−Ｈ−０６０」、厚み約１９０μｍ）を縦２３ｍｍ×横２３ｍｍのサイズに切り出し、そのアノードガス拡散層の一方の面に、上記のアノード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるように、縦２３ｍｍ×横２３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、アノードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にアノード触媒層が形成されたアノード極（第１電極）を作製した。得られたアノード極の厚みは約２００μｍであった。

同様に、カソードガス拡散層としてカーボンペーパー（東レ社製「ＴＧＰ−Ｈ−０６０」、厚み約１９０μｍ）を縦２３ｍｍ×横２３ｍｍのサイズに切り出し、そのカソードガス拡散層の一方の面に、上記のカソード触媒層用の触媒ペーストを触媒量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるように、縦２３ｍｍ×横２３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、室温にて乾燥させることにより、カソードガス拡散層であるカーボンペーパーの片面の全面にカソード触媒層が形成されたカソード極（第２電極）を作製した。得られたカソード極の厚みは約２００μｍであった。

次に、５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに切り出したフッ素樹脂系高分子電解質（旭化成社製「アシプレックス」）をアニオン伝導性固体高分子電解質膜として用い、上記アノード極と電解質膜と上記カソード極をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、１０ｋＮで２分間の熱圧着を行なうことにより、アノード極およびカソード極を電解質膜に接合し、膜電極複合体を得た。上記重ね合わせは、アノード極とカソード極の電解質膜の面内における位置が一致するように、かつアノード極と電解質膜とカソード極の中心が一致するように行なった。

（２）アルカリ形燃料電池の作製
上記膜電極複合体を、市販の燃料電池セル（エレクトロケム社製）を分解して取り出した部品と組み合わせて燃料電池を作製した。具体的には、まず、アノード極側集電体（エンドプレート）／カーボン製アノード極セパレータ（還元剤供給用の流路（第１流路）を備えている）／ポリテトラフルオロエチレン製ガスケット／膜電極複合体／ポリテトラフルオロエチレン製ガスケット／カーボン製カソード極セパレータ（酸化剤供給用の流路（第２流路）を備えている）／カソード極側集電体（エンドプレート）の順に積層した。なお、両ガスケットの中心部には貫通孔が形成されているため、得られた積層体において、各極セパレータと膜電極複合体とは接触している。最後に、Ｍ３のボルトおよびナットを用いて５Ｎ・ｍで締め付けることによって、図５と同様の構成を有するアルカリ形燃料電池を得た。

（３）制御装置およびアルカリ形燃料電池システムの作製
図４と同様の構成を有する制御装置を作製し、上記で作製したアルカリ形燃料電池を燃料電池部１０ａとして用いて、アルカリ形燃料電池システムを作製した。具体的には次のとおりである。

還元剤供給用配管を燃料電池部１０ａのアノード極セパレータに還元剤を供給できるように接続するとともに、酸化剤供給用配管を燃料電池部１０ａのカソード極セパレータに酸化剤を供給できるように接続した。また、検出部２０ａおよび電子負荷装置３０ａとしての充放電バッテリシステム（菊水電気工業株式会社製「ＰＦＸ２０１１」、電流計、電圧計および電子負荷装置を一体として備えている）を燃料電池部１０ａのアノード極側集電体およびカソード極側集電体に接続した。この検出部２０ａは、単位時間Ｔ₀内における、膜電極複合体の第１電極−第２電極間）に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものである。また、制御部４０ａとしてのパーソナルコンピュータ〔時間測定手段（タイマー）および電流値および時間Ｔ₀、Ｔ₁を記憶する記憶手段（メモリ）を備えている。〕を充放電バッテリシステムに接続して検出結果を受信可能にするとともに、該検出結果に基づき充放電バッテリシステムに制御情報を送信可能とした。

＜比較例１＞
制御部４０ａを有していないこと以外は実施例１と同様にしてアルカリ形燃料電池システムを作製した。

〔アルカリ形燃料電池の発電効率の評価〕
（１）実施例１の場合
単位時間Ｔ₀＝９分、時間割合Ｗ_T（＝Ｔ₁／Ｔ₀）＝１０％、所定電流値Ａ＝６００ｍＡ／ｃｍ²、所定電流値Ａの電流を流す時間Ｔ₂を１分に設定した実施例１の制御装置（アルカリ形燃料電池システム）において、燃料電池部１０ａ（アルカリ形燃料電池）の稼動を停止（電流値０ｍＡ／ｃｍ²）しておくことにより、電流値０ｍＡ／ｃｍ²（９分間）→電流値６００ｍＡ／ｃｍ²（１分間）→電流値０ｍＡ／ｃｍ²（９分間）→・・・というパターンで膜電極複合体に間欠的に６００ｍＡ／ｃｍ²の電流を強制的に流した。このようなパターンでの電流取り出しは、制御部４０ａによる時間割合Ｗ_T＝０との判断に基づくものである。上記のようなパターンでの電流取り出しを２時間行なった後、２００ｍＡ／ｃｍ²の電流を取り出したところ、５０％の発電効率が得られるまでの時間は５分であった。なお、電流値はいずれも第１電極−第２電極間に流れる電流量を、第２電極の電解質膜への投影面積で割った値である。

単位時間Ｔ₀＝９分、時間割合Ｗ_T（＝Ｔ₁／Ｔ₀）＝１０％、所定電流値Ａ＝６００ｍＡ／ｃｍ²、所定電流値Ａの電流を流す時間Ｔ₂を１分に設定した実施例１の制御装置（アルカリ形燃料電池システム）において、燃料電池部１０ａ（アルカリ形燃料電池）を電流値１００ｍＡ／ｃｍ²で稼動しておくことにより、電流値１００ｍＡ／ｃｍ²（９分間）→電流値６００ｍＡ／ｃｍ²（１分間）→電流値１００ｍＡ／ｃｍ²（９分間）→・・・というパターンで膜電極複合体に間欠的に６００ｍＡ／ｃｍ²の電流を強制的に流した。このようなパターンでの電流取り出しは、制御部４０ａによる時間割合Ｗ_T＝０との判断に基づくものである。上記のようなパターンでの電流取り出しを２時間行なった後、２００ｍＡ／ｃｍ²の電流を取り出したところ、５０％の発電効率が得られるまでの時間は５分であった。

（２）比較例１の場合
比較例１のアルカリ形燃料電池システムを、膜電極複合体に間欠的に電流を強制的に流す操作を行なうことなく、２時間稼動停止状態（電流値０ｍＡ／ｃｍ²）にした後、２００ｍＡ／ｃｍ²の電流を取り出したところ、５分後の発電効率は３０％であり、５０％の発電効率が得られるのに３０分を要した。

また、比較例１のアルカリ形燃料電池システムを、膜電極複合体に間欠的に電流を強制的に流す操作を行なうことなく、電流値１００ｍＡ／ｃｍ²で２時間稼動させた後、２００ｍＡ／ｃｍ²の電流を取り出したところ、５分後の発電効率は３５％であり、５０％の発電効率が得られるのに１５分を要した。

なお、上記発電効率の評価において、発電効率は、充放電バッテリシステムが備える電圧計によって計測された実電圧値（出力電圧値）に基づき、下記式：
発電効率＝実電圧値／１．２３
により算出した。

１，２，３，４，５ 膜電極複合体、１０，１０ａ 燃料電池部、２０，２０ａ 検出部、３０ 電流値変更部、３０ａ 電子負荷装置、３０ｂ スイッチ、３０ｃ 電源装置、４０，４０ａ 制御部、５０ 電子機器、１０１ アニオン伝導性電解質膜、１０２ 第２電極、１０３ 第１電極、１０４ 第２集電層、１０４ａ 第２流路、１０５ 第１集電層、１０５ａ 第１流路、１０６ ガスケット、１１０ 第３電極、１１５ 第４電極、１２０ 第３集電層、１２５ 第４集電層、１３０ 絶縁層。

Claims (12)

1. 燃料電池の状態を検出する検出部と、
   前記燃料電池の膜電極複合体に流れる電流値を変更する電流値変更部と、
   前記検出部および前記電流値変更部に接続され、前記検出部による検出結果に応じて、前記膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように前記電流値変更部を制御するための制御部と、
   を備える制御装置。
2. 前記燃料電池は、アニオン伝導性電解質膜を電解質膜とする膜電極複合体を備えるアルカリ形燃料電池である請求項１に記載の制御装置。
3. 前記検出部は、単位時間Ｔ₀内における、前記膜電極複合体に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものである請求項２に記載の制御装置。
4. 前記電流値変更部は、前記アルカリ形燃料電池に接続される電子負荷装置または可変抵抗器を少なくとも備える請求項２または３に記載の制御装置。
5. 前記電流値変更部は、前記アルカリ形燃料電池に接続される電子負荷装置または可変抵抗器と、前記アルカリ形燃料電池に対して直列に接続される電源装置とを含む請求項２または３に記載の制御装置。
6. 前記膜電極複合体は、前記アニオン伝導性電解質膜と、前記アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層される第１電極と、前記アニオン伝導性電解質膜の前記第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極とからなり、
   前記検出部は、単位時間Ｔ₀内における、前記第１電極と前記第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものであり、
   前記電流値変更部は、前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流値を変更するものであり、
   前記制御部は、前記検出部による検出結果に応じて、前記第１電極と前記第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように前記電流値変更部を制御する請求項３〜５のいずれかに記載の制御装置。
7. 前記膜電極複合体は、前記アニオン伝導性電解質膜と、前記アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層される第１電極と、前記アニオン伝導性電解質膜の前記第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極と、前記第１電極と離間して前記第１表面に積層される第３電極とからなり、
   前記検出部は、単位時間Ｔ₀内における、前記第１電極と前記第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものであり、
   前記電流値変更部は、前記第３電極と前記第２電極との間に流れる電流値を変更するものであり、
   前記制御部は、前記検出部による検出結果に応じて、前記第３電極と前記第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように前記電流値変更部を制御する請求項３〜５のいずれかに記載の制御装置。
8. 前記膜電極複合体は、前記アニオン伝導性電解質膜と、前記アニオン伝導性電解質膜の第１表面に積層される第１電極と、前記アニオン伝導性電解質膜の前記第１表面に対向する第２表面に積層される第２電極と、前記第１電極と離間して前記第１表面に積層される第３電極と、前記第２電極と離間して前記第２表面に積層される第４電極とからなり、
   前記検出部は、単位時間Ｔ₀内における、前記第１電極と前記第２電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が流れた時間Ｔ₁の割合Ｔ₁／Ｔ₀を検出するものであり、
   前記電流値変更部は、前記第３電極と前記第４電極との間に流れる電流値を変更するものであり、
   前記制御部は、前記検出部による検出結果に応じて、前記第３電極と前記第４電極との間に所定電流値Ａ以上の電流が一定時間流れるように前記電流値変更部を制御する請求項３〜５のいずれかに記載の制御装置。
9. 前記第１電極は発電時におけるアノード極であり、前記第２電極は発電時におけるカソード極である請求項６〜８のいずれかに記載の制御装置。
10. 前記第１電極が有する触媒層の体積は、前記第２電極が有する触媒層の体積より大きい請求項９に記載の制御装置。
11. 前記所定電流値Ａは、６００〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の範囲内である請求項１〜１０のいずれかに記載の制御装置。
12. 前記燃料電池を含む燃料電池部と、請求項１〜１１のいずれかに記載の制御装置とを備える燃料電池システム。

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