JPH07282832A - 燃料電池の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各ガス拡散電極表面及び固体高分子電解質膜
の濡れ状態に応じて各ガス拡散電極に供給するガスの加
湿状態を制御する燃料電池の駆動装置を提供する。 【構成】 燃料電池のアノード２側には、白金線７の一
方端が燃料電池のアノード２に接触しない位置で、固体
高分子電解質膜１に接触するように保持されている。こ
の接触部分１０が基準電極のアノード２２となり、同時
に白金線７は燃料ガスである水素ガスにも触れている。
また、白金線７の他端は、燃料電池のアノード２側及び
カソード３側のセパレータ４にそれぞれ接続され、各セ
パレータ４はカソード１４ａ、１４ｂとなる。更に、ア
ノード側とカソード側との間の電圧Ｖ₃ を計測し、高分
子電解質膜１とアノード２及びカソード３のインピーダ
ンスも計測している。従って、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ の
値とインピーダンスの値とを組み合わせることによっ
て、固体高分子電解質膜１等の濡れ状態を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池の駆動装置、特
に固体高分子電解質膜の含水量を最適状態に保持する燃
料電池の駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気化学反応により発電方式を用いた燃
料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから、
小出力電池として近年脚光を浴びている。燃料電池の原
理は、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素が結
びついて水を生成する際の電気エネルギーを利用してい
る。実際の燃料電池発電システムは、発電を行う燃料電
池本体を中心とし、燃料電池本体へ水素リッチガスを供
給するための改質器と、該水素リッチガスに水分を添加
する加湿装置等の周辺装置で構成されている。

【０００３】燃料電池としては、無機酸であるリン酸を
電解質とするリン酸型燃料電池と、炭酸リチウムと炭酸
カリウムとの混合炭酸塩を含浸させた電解質板を用いる
溶融炭酸塩型燃料電池と、リン酸水溶液や溶融炭酸塩の
ような液体状材料の代わりにイオン導電性を有する固体
の安定化ジルコニアを電解質とし作動温度１０００℃の
固体電解質型燃料電池と、水酸化カリウム水溶液を電解
質とするアルカリ型燃料電池と、水素イオン導電性のフ
ッ素樹脂系のイオン交換膜（例えばナフィオン（Nafion
デュポン社の登録商標））を電解質とし作動温度８０
〜９０℃である固体高分子型燃料電池がある。

【０００４】近年、特に電解質の逸散・保持等の問題が
なく、常温で起動しかつ起動時間が極めて早い等の利点
を有する固体高分子型燃料電池が注目されている。この
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ:Polymer Electrolyte
Fuel Cells ）の構造は、固体高分子電解質膜を２枚の
ガス拡散電極ではさみ、これらを一体として接合したセ
ルが少なくとも１つ以上が積層されスタックを形成して
なる。このガス拡散電極の一方をアノード（水素極）と
して、その表面に反応ガスの１つである燃料ガス（水素
又は水素リッチの改質ガス）を供給することにより、次
式の反応が起こる。

【０００５】Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- また他方のガス拡散電極をカソード（酸素極）として、
その表面に反応ガスのもう１つの酸化ガス（酸素または
空気）を供給することにより、次式の反応が起こる。

【０００６】１／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂ Ｏ これらの電気化学的反応により、固体高分子型燃料電池
は起電力を呈することとなる。

【０００７】上述のように、固体高分子型燃料電池のカ
ソード側は、電気化学反応により水が生成する。この水
が水滴となってカソード極付近に滞留すると、カソード
側の電極基材の細孔を閉塞してしまい、カソード側への
酸化ガスの拡散を阻害する。これにより、固体高分子型
燃料電池の出力は低下し、場合によっては発電が停止し
てしまう。

【０００８】一方、アノード側は、固体高分子電解質膜
（例えばデュポン社のナフィオン膜［商品名］）中をプ
ロトン（Ｈ⁺ ）がアノード側からカソード側に向かって
移動する際に、水を随伴させて、すなわち水和状態で移
動する。このため、アノード近傍の電解質膜中の含水量
は低下し、乾きすぎてしまう。アノードが乾きすぎる
と、電池反応にともない、固体高分子電解質膜中をプロ
トンがアノード側からカソード側に向かって移動する
際、随伴する水分子が不足し、固体高分子電解質膜の抵
抗が高くなり、固体高分子型燃料電池の出力は低下し、
場合によっては発電が停止してしまう。従って、連続的
にアノードに対し水（実際には飽和水蒸気）を供給しな
ければならない。しかしながら、このアノードにおいて
も、供給した水が過剰の場合は水滴となって電極基材の
細孔を閉塞させる。このため、アノードへの燃料ガスの
拡散を阻害し、固体高分子型燃料電池の出力は低下し、
場合によっては発電が停止してしまう。

【０００９】更に、カソードが乾きすぎると、電池反応
にともない、固体高分子電解質膜の中をプロトンがアノ
ード側からカソード側に向かって移動する際に、バック
ディフュージョン（逆拡散）勾配で必要となる水分子が
カソード側で不足する。このため、固体高分子電解質膜
の抵抗が高くなり、やはり固体高分子型燃料電池の出力
は低下し、場合によっては発電が停止してしまう。ここ
で、バックディフュージョン（逆拡散）勾配とは、固体
高分子電解質膜のアノード側とカソード側の表面の含水
濃度を一定比率に保ために、図８に示すように、プロト
ンが水を随伴してアノード側からカソード側に向かって
移動する際に、カソード側からアノード側に水が移動す
る現象をいう。

【００１０】そこで、固体高分子型燃料電池を安定した
高い出力で連続的に運転するためには、カソード側で生
成した水をスムーズに当該固体高分子型燃料電池の外へ
排出させ、また、アノード側へ水を飽和水蒸気の状態で
スムーズに供給する必要がある。つまり、固体高分子電
解質膜のアノード側とカソード側の各々を最適な濡れ具
合いにしておく必要がある。

【００１１】例えば、特開平５−４７３９４号公報の
「固体高分子電解質型燃料電池及びその運転方法」に
は、アノードとカソードとの間の電流電圧特性と電導度
を検出し、固体高分子電解質膜及びガス拡散電極表面の
加湿・乾燥状態を判定して、カソード側に送る酸化ガス
の加湿度合いを調整することによって、固体高分子電解
質膜の水分量を調整する燃料電池及びその運転方法が記
載されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平５−４７３９４号公報の構成では、まず固体高分子
電解質膜の濡れすぎ／渇きすぎを、アノードとカソード
をひとまとめにして観察している。すなわち、見掛けの
電流−電圧の変化によって固体高分子電解質膜中の濡れ
すぎ／渇きすぎを把握している。従って、カソード側の
濡れが低下し、一方アノード側が過剰加湿されていても
見掛け電流−電圧の推移が正常であれば、何等対策が講
じられない。このため、固体高分子型燃料電池の出力は
低下してしまう。

【００１３】また、固体高分子電解質膜の濡れすぎ／渇
きすぎ及び電極表面の濡れすぎ又は渇きすぎは、カソー
ド側の酸化ガス中の加湿量の制御のみで行なっている。

【００１４】一方、電極表面の濡れすぎ又は渇きすぎ
は、本来アノード側でもカソード側でも発生し、またそ
れらは必ずしもアノードとカソードとで同時に発生する
のでもない。

【００１５】従って、特開平５−４７３９４号公報の構
成では、電極全系として電極表面の濡れすぎ又は渇きす
ぎは判定できるが、アノード側又はカソード側のどちら
側のの電極の表面が濡れすぎ又は渇きすぎなのかは判定
できないという問題があった。例えばカソード側の電極
表面が正常な加湿状態で、アノード側の電極表面が渇き
すぎの状態になった場合、特開平５−４７３９４号公報
の構成では、固体高分子型燃料電池全体の電流電圧特性
と導電度（インピーダンス）とを検出して、アノードと
カソードとを含む電極全体が渇きすぎの状態と判定する
ため、カソード側の酸化ガスの加湿量を増加させてしま
う。

【００１６】その結果、実際には正常なカソード側の電
極は濡れすぎ状態となり、カソード側の電極基材の細孔
を閉塞してしまい、カソード側への酸化ガスの拡散を阻
害する。

【００１７】一方、アノード側は渇きすぎの状態にも関
わらず、何等対策が講じられないこととなり、乾きすぎ
の状態がいっそう進行する。

【００１８】従って、カソード側は正常な状態であった
のが、誤った認識によって、濡れすぎの状態になってい
き、固体高分子型燃料電池の出力はさらに低下して、つ
いには固体高分子型燃料電池の運転がもはや継続できな
い状態に達するという問題があった。

【００１９】本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、アノード側とカソード側と
のガス拡散電極表面及び固体高分子電解質膜の濡れ状態
に応じて水素ガス拡散電極または酸素ガス拡散電極に供
給するガスの加湿状態を制御する燃料電池の駆動装置を
提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る燃料電池の駆動装置は、固体高分子電
解質膜を２枚のガス拡散電極で挟んでなるセルを少なく
とも１つ以上有する固体高分子型燃料電池において、前
記電解質膜に当接するように基準電極を配設し、前記基
準電極と水素ガス拡散電極とのエネルギーポテンシャル
を測定する第１測定手段と、前記基準電極と酸素ガス拡
散電極とのエネルギーポテンシャルを測定する第２測定
手段と、前記水素ガス拡散電極と前記酸素ガス拡散電極
とのエネルギーポテンシャルを測定する第３測定手段
と、前記水素ガス拡散電極と前記酸素ガス拡散電極との
導電度を測定する導電度測定手段と、前記第１測定手段
と第２測定手段と第３測定手段によって測定された各エ
ネルギーポテンシャルの測定値を基に各ガス拡散電極及
び各ガス拡散電極に接する固体高分子電解質膜の濡れ状
態を検出する検出手段と、を有し、検出された濡れ状態
に応じて少なくとも前記水素ガス拡散電極または酸素ガ
ス拡散電極に供給するガスの加湿状態を制御することを
特徴とする。

【００２１】また上記構成において、前記基準電極又は
標準水素電極は、外周が絶縁体で形成された栓体に挿入
され、前記栓体は、前記ガス拡散電極の外郭に配置され
た部材に設けられた挿通孔に嵌合し、前記基準電極又は
標準水素電極の先端が前記ガス拡散電極に接触すること
なく前記固体高分子電解質膜に当接することを特徴とす
る。

【００２２】

【作用】上記燃料電池の駆動装置の構成によれば、第３
測定手段によって両ガス拡散電極表面及び固体高分子電
解質膜全体の濡れ状態を観察すると共に、アノード側と
カソード側の各々のガス拡散電極表面及び固体高分子電
解質膜の濡れ状態を第１測定手段と第２測定手段とで別
個独立に観察しているので、アノード側及びカソード側
の濡れ過ぎ又は乾き過ぎを容易に検出することができ
る。このため、濡れ状態に応じて各ガス拡散電極に供給
するガスは加湿状態を制御することができる。

【００２３】また、上記他の燃料電池の駆動装置の構成
によれば、第３電位手段によって両ガス拡散電極表面及
び固体高分子電解質膜全体の濡れ状態を観察すると共
に、第１電位測定手段及び第２電位測定手段によって別
個に測定されたアノード側電位及びカソード側電位と導
電度測定手段によって測定された電導度とを組み合わせ
ることにより、アノード側とカソード側の各々のガス拡
散電極表面及び固体高分子電解質膜の濡れ状態、すなわ
ち濡れ過ぎ又は乾き過ぎを別個独立に検出することがで
きる。このため、濡れ状態に応じて各ガス拡散電極に供
給するガスは加湿状態を制御することができる。

【００２４】更に、前記基準電極を外周が絶縁体で形成
された栓体に挿入し、この栓体を、前記ガス拡散電極の
外郭に配置された部材に設けられた挿通孔に嵌合して、
基準電極の先端がガス拡散電極に接触することなく固体
高分子電解質膜に当接するようにしたので、基準電極の
取り付けを確実かつ簡便に行える。

【００２５】

【実施例】以下図面に基づいて、本発明の好適な実施例
を説明する。

【００２６】図１は、本発明に係る燃料電池の駆動装置
の電極付近の構成を示す断面図である。図２は、本発明
に係る燃料電池の駆動装置の基準電極が収納されている
栓体の構造を示す斜視図である。図３は、本発明に係る
燃料電池の駆動装置における電極付近の好ましくない構
成を示す断面図である。図４は、本発明に係る燃料電池
の駆動装置の構成を示すブロック図である。図５は、本
発明に係る燃料電池の駆動装置の電極付近の他の構成を
示す断面図である。図６は、本発明に係る燃料電池の駆
動装置におけるアノードとカソードの濡れ状態の検出を
説明する棒グラフ図である。図７は、本発明に係る燃料
電池の駆動装置の基準電極の一例を示す外観図である。
図９は、本発明に係る他の燃料電池の駆動装置の電極付
近の構成を示す断面図である。

【００２７】燃料電池の駆動装置の構造 まず、本発明の燃料電池の駆動装置の構成を説明する。
図１又は図４に示すように、電圧計１２は、固体高分子
型燃料電池１１のアノードと基準電極間の電圧Ｖ₁ と、
カソードと基準電極間の電圧Ｖ₂ と、アノードとカソー
ド間の電圧Ｖ₃をそれぞれ検知している。またインピー
ダンス計１３は、固体高分子型燃料電池１１のアノード
とカソード間のインピーダンスを検知している。なお、
インピーダンス計１３については、後述する。コントロ
ーラ１４は、電圧計１２とインピーダンス計１３の両方
からの信号を基に、固体高分子型燃料電池１１のアノー
ドとカソードのいずれかの状態を監視し、アノードまた
はカソードあるいは、アノードとカソードの両方が、そ
れぞれ、濡れすぎあるいは乾きすぎと判断した場合に加
湿器１５、１６の加湿量を制御する。

【００２８】ここで、加湿器１５は、開閉バルブ２１及
びマスフローコントローラ１７（マスフローコントロー
ラを「ＭＦＣ」と略記する）を介して固体高分子型燃料
電池１１のアノード側入口に供給される燃料ガス（例え
ば水素ガス）を加湿する。また、加湿器１６は、開閉バ
ルブ２２及びマスフローコントローラ１８を介して固体
高分子型燃料電池１１のカソード側入口に供給される酸
化ガス（酸素ガス又は空気）を加湿する。また、燃料ガ
スは、固体高分子型燃料電池１１で消費されると、アノ
ード側出口、開閉バルブ１９を経て外部に排出される。
一方、酸化ガスは、固体高分子型燃料電池１１で消費さ
れると、カソード側出口、開閉バルブ２０を経て外部に
排出される。

【００２９】燃料電池付近の構造 次に、図１に示す単セル構造の固体高分子型燃料電池を
例にとって、本発明に係る燃料電池の駆動装置の電極付
近の構成を説明する。

【００３０】図１に示すように、固体高分子電解質膜１
を挟むようにアノード２とカソード３が接合され、その
外側にそれぞれ燃料ガス流路５と酸化ガス流路６が予め
形成されたセパレータ４がこれらを両端から挟むように
して配置されている。ここでセパレータ４としては、電
気伝導性、熱伝導性、耐腐食性に優れると共に、燃料電
池の組み付ける時の締め付け圧力に耐える強度を有する
緻密なカーボンやチタン（チタニウム）が用いられる。
一方、固体高分子型燃料電池のアノード２側には、白金
線７の一方端が燃料電池のアノード２に接触しない位置
で、固体高分子電解質膜１に接触するように保持されて
いる。この接触部分１０が基準電極のアノード２２とな
る。また、図１に示すように白金線７を配置すると、白
金線７は固体高分子電解質膜１に触れると同時に燃料ガ
スである水素ガスにも触れるようになっている。すなわ
ち、この白金線７は、基準電極の１つである標準水素電
極のアノードとして機能する。

【００３１】また、標準水素電極の他端は、固体高分子
型燃料電池のアノード２側のセパレータ４とカソード側
のセパレータ４にそれぞれ接続され、各セパレータ４は
カソード１４ａ、１４ｂとなる。また、固体高分子型燃
料電池のアノード２側とカソード側との間の電圧Ｖ₃ を
計測するために、固体高分子型燃料電池の各電極のセパ
レータ４はそれぞれ電圧計を介して導線で接続されてい
る。更に、標準水素電極のカソード１４ｂとなる固体高
分子型燃料電池のカソード３側には、固体高分子型燃料
電池のカソード３と同じ酸化ガスが流れるように、カソ
ード３側のセパレータ４にガス溝９が形成されている。

【００３２】上記構成により、固体高分子型燃料電池の
アノード２側が正常な（電気化学的にみて理想的挙動）
状態における運転の場合、図６に示すように、固体高分
子型燃料電池のアノード２の電位と白金線７の電位は一
致し、固体高分子型燃料電池のアノード２と白金線７と
の間の電圧Ｖ₁ はゼロとなり、電圧Ｖ₂ が電圧Ｖ₃ と等
しくなる。

【００３３】更に、固体高分子型燃料電池のセル（高分
子電解質膜と電極接合体）のインピーダンスを計測して
いる。

【００３４】ここで、図１に示すように、ガス溝９の凹
部が、白金線７と固体高分子電解質膜１との接触部分１
０の真下にこないように配慮しなければならない。すな
わち図３に示すように、ガス溝９の凹部が、白金線７と
固体高分子電解質膜１との接触部分１０の真下になる
と、固体高分子型燃料電池を一体として組み付けたとき
に固体高分子電解質膜１が白金線７の押し付け力によ
り、ガス溝９の方向に変形してしまい、結果として固体
高分子電解質膜１と白金線７の先端が良好な状態で接触
することができず、標準水素電極のアノード２２として
不完全な状態でしか機能できなくなるからである。

【００３５】また、図１では、固体高分子型燃料電池の
電極の端部に基準電極である白金線７を形成したが、図
５に示すように、白金線７を燃料電池の電極の中心部に
配置していてもよい。図５では、白金線７は、固体高分
子型燃料電池の電極に取り囲まれるように配置されてい
る。このような位置に基準電極を設置できるのは、本実
施例における基準電極が標準水素電極であり、この標準
水素電極のアノード側の雰囲気ガスは水素であって、燃
料電池のアノード側燃料ガスと共有することができるか
らである。

【００３６】基準電極について 図２に示すように、白金線７は、セパレータ４と電気的
に短絡しないように絶縁体（例えばテフロン）からなる
栓体８に挿入され絶縁されている。また、白金線７が挿
入された栓体８には、ネジが切ってあり、アノード側の
セパレータ４に設けられた挿入孔に挿入される際に、こ
のネジ部分でアノード側の燃料ガスが漏れないようにガ
スシールを行っている。更に、栓体８を締め付けること
により、白金線７が固体高分子電解質膜１に向かって押
し出される。また、栓体８の上面には、溝４０が設けら
れる。従って、アノード側及びカソード側にそれぞれ燃
料ガスと酸化ガスを流した状態で、Ｖ₁ とＶ₂ を電圧計
でモニタしながらドライバ３０によって溝４０を介して
栓体８を締め付けて行くことにより、白金線７が固体高
分子電解質膜１に触れて、最適な接触状態になったこと
を確認することができる。

【００３７】なお、図１では基準電極である白金線７を
電池の外から一体となった白金線として示したが、これ
に限るものではない。例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示
すように固体高分子電解質膜１との接触部分、すなわち
基準電極のアノードを白金として、それ以外の電池の外
との電気的な接続部分はタングステン線や銅線としたも
のでもよい。具体的には、タングステン又は銅表面に白
金がクラッド処理されている場合でもよいし、銅線の先
端部分に短い白金線が接合されたものでもよい。また、
基準電極には大きな電流が流れないので、白金線は、固
体高分子電解質膜と白金線とが確実に接触し、基準電極
のアノードが形成されている限りにおいて、細い白金線
を用いることができる。

【００３８】更に、図２に示す栓体８を手で回し締めし
てもよい。この場合は、栓体８の上部に滑り止め用縦溝
が切られたノブを設ければよい。これによれば、白金線
７が固体高分子電解質膜１に触れて、最適な接触状態に
なったことを確認しながら手締めで容易に装着すること
ができる。

【００３９】また、栓体８のネジ部にシール剤又は接着
剤を塗布した状態で位置決めしてもよい。これにより、
基準電極をセパレータ４に強固に固定することができ
る。

【００４０】コントローラにおける各電極等の濡れ状態
の判定 図６に示すように、固体高分子型燃料電池のアノードが
電気化学的にみて理想的挙動をしている状態では、固体
高分子型燃料電池のアノードの電位と基準電極の電位は
同一になるから、固体高分子型燃料電池のアノード側と
基準電極間の電圧Ｖ₁ はゼロである。しかし、固体高分
子型燃料電池のアノードが濡れすぎ又は渇きすぎ、すな
わち固体高分子型燃料電池のアノードでの電気化学反応
が理想的挙動から逸脱すると、固体高分子型燃料電池の
アノード側の電位は理想の値に対してプラス側にシフト
する。一方、基準電極の白金線は固体高分子電解質理想
的な状態で接触し保持されているので、その電位はゼロ
のままである。従って、固体高分子型燃料電池のアノー
ド側と基準電極間の電圧Ｖ₁ は理想の値に対してプラス
側にシフトする。

【００４１】また、固体高分子型燃料電池のカソードが
理想的挙動を示しているときには一定の電位を示す。し
かし、固体高分子型燃料電池のカソードが濡れすぎ又は
渇きすぎ、すなわちカソードでの電気化学反応が理想的
挙動から逸脱すると、固体高分子型燃料電池のカソード
側の電位は理想の値に対してマイナス側にシフトする。
尚、基準電極の白金線は上記同様に理想的な状態で接触
保持されているので、その電位はゼロのままである。従
って、固体高分子型燃料電池のカソード側と基準電極間
の電圧Ｖ₂ は理想の値に対してマイナス側にシフトす
る。

【００４２】更に、固体高分子型燃料電池の各電極が理
想的挙動を示している場合には、固体高分子型燃料電池
のアノード側とカソード側との間の電圧Ｖ₃ は、一定の
電圧を示している。しかし、固体高分子型燃料電池のア
ノード側とカソード側のいずれかで濡れすぎ又は渇きす
ぎとなると、固体高分子型燃料電池のアノード側とカソ
ード側との間の電圧Ｖ₃ は理想の値に対してマイナス側
にシフトする。

【００４３】以上のように、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ の値
と大小関係を見ることにより、固体高分子型燃料電池の
アノード側又はカソード側のいずれが、電気化学的挙動
の理想状態から逸脱したかを特定することができる。一
方、電圧Ｖ₃ に電気的並列にインピーダンス計１３（図
４に示す）を接続して固体高分子型燃料電池セル（高分
子電解質膜と電極接合体）のインピーダンス変化を測定
する。そして、インピーダンス計１３は、インピーダン
スの変化に応じて、インピーダンスの低下から濡れすぎ
を、またインピーダンスの上昇から乾きすぎをそれぞれ
検知する。

【００４４】従って、図４に示すコントローラ１４にお
いて上記電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ の値とインピーダンスの
値とを組み合わせることによって、図６に示すような７
種類の状態を判別することができる。

【００４５】なお、図６では、わかりやすく説明するた
め、固体高分子型燃料電池の電気化学反応が理想的挙動
に近い、負荷電流密度が０. ０１A/cm² での電圧を例に
して示したが、これよりも負荷電流密度を高くした場合
でも、電圧Ｖ₂ 、Ｖ₃ が小さくなり、電圧Ｖ₁ が大きく
なるものの、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ の相互間の大小関係
は変わらないので、図６の関係はそのまま準用すること
ができる。

【００４６】インピーダンス計について 上述したように、図４に示すインピーダンス計１３は、
電圧Ｖ₃ に電気的並列に接続されて固体高分子型燃料電
池セル（高分子電解質膜と電極接合体）のインピーダン
ス変化を測定する。

【００４７】図１の固体高分子型燃料電池セル（高分子
電解質膜と電極接合体）はイオン導電性であるため、直
流抵抗が高く、電圧計１２に充分入力インピーダンスの
高いものを用いれば、燃料電池内の電気化学反応に事実
上何ら影響を与えることなく電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ の測
定を行うことができる。つまり、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃
の測定時に電圧計１２を経由して固体高分子型燃料電池
セルに電流が流れることがないからである。

【００４８】しかし、固体高分子型燃料電池セル（高分
子電解質膜と電極接合体）の交流抵抗は低く、一般にイ
ンピーダンス測定に使用される１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの
領域では、固体高分子型燃料電池セル（高分子電解質膜
と電極接合体）の交流抵抗、すなわちインピーダンスは
僅かに１Ω／ｃｍ² 以下である。このように、低い交流
抵抗を有する被測定物にそのままインピーダンス計１３
を接続して測定すると、インピーダンス計１３を経由し
て、固体高分子型燃料電池セル（高分子電解質膜と電極
接合体）に交流が流れ、この電流の流れにより、固体高
分子型燃料電池セル（高分子電解質膜と電極接合体）の
電気化学反応に影響を与える可能性がある。つまり、イ
ンピーダンスと同時に測定している電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ
₃ が影響を受ける恐れがある。

【００４９】そこで、このような問題を防ぐために、固
体高分子型燃料電池セル（高分子電解質膜と電極接合
体）のインピーダンスを測定するために、測定時の印加
電流を一定以下に制御する低電流制御機能を持ったイン
ピーダンス計１３を用いることが望ましい。ただし、こ
のような機能を有するインピーダンス計１３は高価であ
ることから、本発明においては、インピーダンス計１３
を電気的に切り放すことにより、相互に影響を回避する
方法を取ることが好ましい。

【００５０】更に、別の実施態様として、図９に示すよ
うに複数のインピーダンス計を用いてもよい。すなわ
ち、インピーダンス計１３は、電圧Ｖ₃ に電気的並列に
接続されて固体高分子型燃料電池セル（高分子電解質膜
と電極接合体）のインピーダンス変化を測定するインピ
ーダンス計Ｚ₃ と、固体高分子型燃料電池のアノード２
側と基準電極間のインピーダンス変化を測定するインピ
ーダンス計Ｚ₁ と、固体高分子型燃料電池のカソード３
側と基準電極間のインピーダンス変化を測定するインピ
ーダンス計Ｚ₂ と、からなる。

【００５１】すなわち、図１のインピーダンス測定法
は、固体高分子型燃料電池セル（高分子電解質膜と電極
接合体）のアノード２、カソード３間のインピーダンス
を測定しているために、厳密にいえば、アノード濡れす
ぎでカソードが乾きすぎの場合、アノード乾きすぎでカ
ソードが濡れすぎの場合については、正確に検出するこ
とができない。しかし、上記の場合は、定常運転中に生
じることは事実上考えられないが、起動時、停止時に
は、絶対に起こらないという保証はない。

【００５２】そこで、上記の場合で確実に検出するため
に、図９に示すように、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞ
れ測定する電圧計に並列させて、インピーダンス計
Ｚ₁ 、インピーダンス計Ｚ₂ 、インピーダンス計Ｚ₃ を
接続する。

【００５３】これにより、インピーダンス計Ｚ₁ のイン
ピーダンスが高くなると、アノード２が乾きすぎ、イン
ピーダンス計Ｚ₁ のインピーダンスが低くなると、アノ
ード２が濡れすぎと、検知することができる。また、イ
ンピーダンス計Ｚ₂ のインピーダンスが高くなると、カ
ソード３が乾きすぎ、インピーダンス計Ｚ₂ のインピー
ダンスが低くなると、カソード３が濡れすぎと、検知す
ることができる。更に、インピーダンス計Ｚ₃ のインピ
ーダンスが高くなると、固体高分子型燃料電池の電極全
体見て乾きすぎ、インピーダンス計Ｚ₃ ののインピーダ
ンスが低くなると、固体高分子型燃料電池の電極全体見
て濡れすぎと、検知することができる。

【００５４】従って、図６に示すグラフと組み合わせる
と、更に細かく固体高分子型燃料電池セル（高分子電解
質膜と電極接合体）の状態が検知できる。すなわち、よ
り適格な制御が可能となり、固体高分子型燃料電池の出
力を安定して取り出すことができる。

【００５５】なお、上記ように、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃
をそれぞれ測定する電圧計に並列してインピーダンス計
Ｚ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ₃ を接続する場合でも、インピーダンス
計Ｚ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ₃ で測定中は電圧計の測定を中断し、
一方電圧計が電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂、Ｖ₃ を測定しているとき
は、インピーダンス計Ｚ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ₃ を電気的に切り
放すことにより、相互の影響を回避する方法を取ること
が望ましい。

【００５６】燃料電池の駆動装置の動作 次に、制御の一例を示す。固体高分子型燃料電池のアノ
ード又はアノード側の固体高分子電解質膜が濡れすぎと
判断した場合は、図４に示すアノード側の加湿器１５の
加熱量を減らし、すなわちアノード側の加湿器１５の温
度を下げ、アノード側の燃料ガス中の水蒸気含有量を減
らす。これにより、アノード又はアノード側の固体高分
子電解質膜の濡れすぎの状態を正常な状態に回復させる
ことができる。一方、アノードが乾きすぎと判断した場
合は、アノード側の加湿器１５の加熱量を増やし、すな
わちアノード側の加湿器１５の温度を上げて、アノード
側の燃料ガス中の水蒸気含有量を増やす。これにより、
アノード又はアノード側の固体高分子電解質膜を渇きす
ぎの状態から正常な状態に回復させることができる。

【００５７】また、固体高分子型燃料電池のカソード側
についても同様に行えばよく、カソード又はカソード側
の固体高分子電解質膜が乾きすぎと判断した場合は、カ
ソード側の加湿器１６の加熱量を増やし、カソード側の
酸化ガス中の水蒸気含有量を増やす。これにより、カソ
ードが渇きすぎの状態から正常な状態に回復する。一
方、固体高分子型燃料電池のカソード又はカソード側の
固体高分子電解質膜が濡れすぎと判断した場合は、カソ
ード側の加湿器１６の加熱量を減らし、カソード側の燃
料ガス中の水蒸気含有量を減らす。これにより、カソー
ド又はカソード側の固体高分子電解質膜の濡れすぎの状
態を正常な状態に回復させることができる。

【００５８】尚、上記以外にも、ガスの温度やマスフロ
ーコントローラ１７、１８を用いてガスの流量やガスの
圧力やガスの流速（及びそれらの組合せ）を変えること
により、アノード、カソードの濡れすぎ渇きすぎを制御
することもできる。

【００５９】以上、本実施例では、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ
₃ とインピーダンスとを組み合わせて各電極等の濡れ状
態を判定したが、インピーダンスの替わりに導電度、抵
抗であってもよい。

【００６０】以上、本発明について述べきたが、図４に
おいて実線はガスの流路、矢印はガスの流れ方向、点線
は電気信号の流れを示している。

【００６１】図４では、材料ガスを加熱する手段を明示
しなかったが、固体高分子型燃料電池は、８０℃〜１０
０℃で運転されるので、材料ガスも固体高分子型燃料電
池と同じか、あるいは少し高い温度まで加熱することが
望ましい。なお、ガス配管中には必要に応じて逆流防止
弁を設置すべきことはいうまでもない。

【００６２】また、上述の実施例では、その内容を平易
に説明するため、固体高分子型燃料電池のアノード側の
材料ガス供給源の詳細を図示しなかったが、高圧水素ガ
スボンベによる供給、メタノール改質法による水素発生
器からの供給、水素吸蔵合金からの供給、液体水素タン
クからの供給など、固体高分子型燃料電池のアノード側
材料ガスの供給方法として用いられているいずれの方式
にも適用することができる。

【００６３】同様に、カソード側の材料ガスの供給源に
おいても、高圧酸素（または空気）ガスボンベによる供
給、コンプレッサにより大気加圧供給、液体酸素（また
は空気）タンクからの供給など、固体高分子型燃料電池
のカソード側材料ガスの供給方法として用いているいず
れの方式にも適用することができる。

【００６４】本発明では、内容を平易に説明するため、
固体高分子型燃料電池の材料委ガスの加湿方法の詳細に
ついて述べなかった。ここでは、一般的に示したバブリ
ング方法による加湿器ではなく、水を直接ガス気流中で
霧化する方式や、気体状の水は通すが、液体状の水は通
さない多孔質膜により、気化される方式など、いずれの
加湿方法にも適用することが可能である。無論、アノー
ド側についても同様に適用することができる。

【００６５】また、上述の実施例では、その内容を平易
に説明するため、３台の電圧計を用意して電圧Ｖ₁ 、Ｖ
₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ同時に測定する場合についてのべた
が、これらの測定は、１台の電圧計を用意して一定時間
間隔、例えばそれぞれの測定項目毎に必要且つ十分な時
間間隔を設定して、電圧Ｖ₁ →電圧Ｖ₂ →電圧Ｖ₃ の順
序で走査しながら測定してもよい。

【００６６】更に、上述の実施例では、その内容を平易
に説明するため、異常発生を検知した後、コントローラ
が制御すべき対象物（機器）の全てを図示しなかった。
これらの対象物としては、通常固体高分子型燃料電池を
運転するに際して、制御する対象物を考えればよく、具
体的には、固体高分子型燃料電池本体及びその周辺シス
テムを構成する機器であって、例えば、ガス系統であれ
ば加湿器ヒータなど、案全系統であれば緊急遮断弁、緊
急パージ弁、負荷電流系統であれば負荷接続スイッチな
どが挙げられる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
電池の駆動装置によれば、第３測定手段によって両ガス
拡散電極表面及び固体高分子電解質膜全体の濡れ状態を
観察すると共に、アノード側とカソード側の各々のガス
拡散電極表面及び固体高分子電解質膜の濡れ状態を第１
測定手段と第２測定手段とで別個独立に観察しているの
で、アノード側及びカソード側の濡れ過ぎ又は乾き過ぎ
を容易に検出することができる。このため、濡れ状態に
応じて各ガス拡散電極に供給するガスは加湿状態を制御
することができる。

【００６８】また、上記他の燃料電池の駆動装置の構成
によれば、第３電位手段によって両ガス拡散電極表面及
び固体高分子電解質膜全体の濡れ状態を観察すると共
に、第１電位測定手段及び第２電位測定手段によって別
個に測定されたアノード側電位及びカソード側電位と導
電度測定手段によって測定された電導度とを組み合わせ
ることにより、アノード側とカソード側の各々のガス拡
散電極表面及び固体高分子電解質膜の濡れ状態、すなわ
ち濡れ過ぎ又は乾き過ぎを別個独立に検出することがで
きる。このため、濡れ状態に応じて各ガス拡散電極に供
給するガスは加湿状態を制御することができる。

【００６９】更に、前記基準電極を外周が絶縁体で形成
された栓体に挿入し、この栓体を、前記ガス拡散電極の
外郭に配置された部材に設けられた挿通孔に嵌合して、
基準電極の先端がガス拡散電極に接触することなく固体
高分子電解質膜に当接するようにしたので、基準電極の
取り付けを確実かつ簡便に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池の駆動装置の電極付近の
構成を示す断面図である。

【図２】本発明に係る燃料電池の駆動装置の基準電極が
収納されている栓体の構造を示す斜視図である。

【図３】本発明に係る燃料電池の駆動装置における電極
付近の好ましくない構成を示す断面図である。

【図４】本発明に係る燃料電池の駆動装置の構成を示す
ブロック図である。

【図５】本発明に係る燃料電池の駆動装置の電極付近の
他の構成を示す断面図である。

【図６】本発明に係る燃料電池の駆動装置におけるアノ
ードとカソードの濡れ状態の検出を説明する棒グラフ図
である。

【図７】本発明に係る燃料電池の駆動装置の基準電極の
一例を示す外観図である。

【図８】固体高分子型燃料電池における固体高分子電解
質膜の水の移動についてを説明する図である。

【図９】本発明に係る他の燃料電池の駆動装置の電極付
近の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 固体高分子電解質膜 ２ アノード ３ カソード ４ セパレータ ５ 燃料ガス流路 ６ 酸化ガス流路 ７ 白金線 ８ 栓体 ９ ガス溝 １０ 接触部分 １４ａ、１４ｂ 標準水素電極のカソード ２２ 標準水素電極のアノード Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ 電圧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電
   極で挟んでなるセルを少なくとも１つ以上有する固体高
   分子型燃料電池において、 前記電解質膜に当接するように基準電極を配設し、 前記基準電極と水素ガス拡散電極とのエネルギーポテン
   シャルを測定する第１測定手段と、 前記基準電極と酸素ガス拡散電極とのエネルギーポテン
   シャルを測定する第２測定手段と、 前記水素ガス拡散電極と前記酸素ガス拡散電極とのエネ
   ルギーポテンシャルを測定する第３測定手段と、 前記水素ガス拡散電極と前記酸素ガス拡散電極との導電
   度を測定する導電度測定手段と、 前記第１測定手段と第２測定手段と第３測定手段によっ
   て測定された各エネルギーポテンシャルの測定値を基に
   各ガス拡散電極及び各ガス拡散電極に接する固体高分子
   電解質膜の濡れ状態を検出する検出手段と、を有し、 検出された濡れ状態に応じて少なくとも前記水素ガス拡
   散電極または酸素ガス拡散電極に供給するガスの加湿状
   態を制御することを特徴とする燃料電池の駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池の駆動装置にお
   いて、 前記基準電極又は標準水素電極は、外周が絶縁体で形成
   された栓体に挿入され、 前記栓体は、前記ガス拡散電極の外郭に配置された部材
   に設けられた挿通孔に嵌合し、前記基準電極又は標準水
   素電極の先端が前記ガス拡散電極に接触することなく前
   記固体高分子電解質膜に当接することを特徴とする燃料
   電池の駆動装置。