燃料電池システム及び燃料電池の運転方法
【課題】単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】無加湿条件か高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、燃料電池は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【解決手段】無加湿条件か高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、燃料電池は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セル内の面内水分量分布の発生を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード（燃料極）では式（１）の反応が進行する。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１）
前記式（１）で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、前記式（１）で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは式（２）の反応が進行する。
２Ｈ＋ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池は、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
排出物である水分が過剰である場合には、燃料電池内部において凝縮した水が、触媒層やガス拡散層の空隙、及びはなはだしい場合にはガス流路を塞いでガスの供給を阻害し、発電のためのガスが触媒層に充分行き渡らずに燃料電池の出力が低下する問題が生じる。また、燃料電池内の水分が不足した場合には、内部抵抗が増大して燃料電池の出力および発電効率が低下するという問題が生じる。
この問題を解決するために、これまでにも様々な技術が開示されている。
【０００６】
特許文献１は、燃料電池内部の水分量の過不足を判定する水分量判定手段と、当該水分量判定手段による燃料電池の内部水分量の過不足の判定結果に基づいて、燃料電池に供給される酸素あるいは水素の少なくとも一方のガス供給量を制御するガス供給量制御手段とを備える燃料電池システムに関する技術を開示している。
【０００７】
特許文献２は、燃料電池が、酸化剤ガス流路に流れる空気量を調整する空気量調整手段と、電解質膜が乾燥傾向にあるか否かを判定する判定手段と、電解質膜が乾燥傾向であると判定した場合に、酸化剤ガス流路に流れる空気圧力を通常運転時よりも高くする制御を実行する制御手段を備える燃料電池システムに関する技術を開示している。
【０００８】
特許文献３は、燃料ガス中の水蒸気分圧を調整して、カソードからアノードへ電解質膜を通して水又は水蒸気を移動させることで、カソード中の水分を除去する技術を開示している。
【０００９】
特許文献４は、燃料電池内に燃料ガスと酸化剤ガスが互いに対向した流れとなるように燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が設けられ、酸化剤ガス流路出口部分を冷却する冷却水路がさらに設けられていることにより、酸化剤ガス中に含まれる水分を凝集して回収し、電解質膜を介して燃料ガス流路入口部分へ水分の供給を促進する技術を開示している。
【００１０】
特許文献５は、燃料電池の運転時に、酸化剤ガス流路入口の温度が、酸化剤ガス流路出口の温度よりも低くなるようにし、かつ、酸化剤ガス流路入口の拡散層のガス拡散性は、酸化剤ガス流路出口のガス拡散性よりも低くすることにより、酸化剤ガス流路における乾燥速度を低下させ、酸化剤ガス中への水蒸気の蒸発量を抑制する技術を開示している。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３５２８２７号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０００４号公報
【特許文献３】特表平６−５０４４０３号公報
【特許文献４】特許３７３６４７５号公報
【特許文献５】特開２００１−６６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
無加湿の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料電池の運転、いわゆる無加湿運転の場合には、燃料電池が有する単セルの面内で水分量分布が生じやすい。すなわち、酸化剤ガス流路入口近傍は乾燥しやすく、酸化剤ガス流路出口近傍は湿潤状態になりやすい。したがって、単セルの面内で水分量の均質化を図る必要がある。これは、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件においても同様である。
特許文献１又は２に開示された技術は、いずれも燃料電池全体での水分量の過不足を判定し、その判定結果に対してガスを調節するという課題解決手段を有しているが、そもそも単セルの面内において水分量分布が生じるという考察はなされておらず、したがって、水分量不足及び水分量過剰の状態が同一の単セル面内で生じた場合には有効な技術ではないと考えられる。特に、特許文献２に開示された制御手段においては、空気圧力を増加させる解決手段が、エアーコンプレッサー出力増加による燃費悪化という排反を有すると考えられる。
特許文献３乃至５に開示された技術は、いずれも酸化剤ガス流路内の主に出口近傍に蓄積した水分を、電解質膜を通過させて燃料ガス流路へと透過させるという解決手段を有しており、特に、特許文献４又は５に開示された技術は、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が対向しているため、水分が酸化剤ガス流路出口近傍→燃料ガス流路入口近傍→燃料ガス流路出口近傍→酸化剤ガス流路入口近傍と循環するという解決手段を有している。しかし、特許文献３乃至５に開示された技術はいずれも、水分量の過不足が生じているか否かを判定する判定手段、及びその判定手段が下した結論に基いてガスを調節するガス制御手段についての考察がなされていない。また、特許文献３に開示された技術は、酸化剤ガス流路におけるフラッディングを防止するための技術であり、酸化剤ガス流路入口近傍の乾燥を防止するための技術ではない。
本発明は、単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、前記判定手段を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に把握することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる燃料ガス制御手段、並びに、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる酸化剤ガス制御手段、の少なくともいずれか一方を備えることが好ましい。
【００１６】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件及び高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、当該燃料電池システム外へ排出される、酸化剤ガスが持ち去る水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄えることができる。さらに本発明の燃料電池システムは、前記判定手段を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量不足及び水分量過剰を的確に把握することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ａであるという構成をとることができる。
【００１８】
このような構成の燃料電池システムは、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｂであるという構成をとることができる。
【００２０】
このような構成の燃料電池システムは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｃであるという構成をとることができる。
【００２２】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｄであるという構成をとることができる。
【００２４】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス流路出口近傍に、さらに燃料ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス圧力調整弁の調節によって燃料ガス圧力を減少させる燃料ガス圧力制御手段であるという構成をとることができる。
【００２６】
このような構成の燃料電池システムは、前記燃料ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を減少させることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス圧力制御手段が、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるため、前記燃料ガス圧力調整弁を調節するものであるという構成をとることができる。
【００２８】
このような構成の燃料電池システムは、燃料ガス圧力を適切な範囲内に保つことで、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つ結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を増加させることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、さらに酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減少させる酸化剤ガス流量制御手段であるという構成をとることができる。
【００３０】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減少させることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記酸化剤ガス流量制御手段が、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるため、前記酸化剤ガス供給装置を調節するものであるという構成をとることができる。
【００３２】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガスのストイキ比を適切な範囲にまで減少させることにより、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を減少させることができる。
【００３３】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、さらに燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増加させる燃料ガス流量制御手段であるという構成をとることができる。
【００３４】
このような構成の燃料電池システムは、前記燃料ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、燃料ガス流量を増加させることができる。
【００３５】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス流量制御手段が、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるため、前記燃料ガス供給装置を調節するものであるという構成をとることができる。
【００３６】
このような構成の燃料電池システムは、燃料ガスのストイキ比を適切な範囲にまで増加させることにより、前記高分子電解質膜を乾燥させてしまうことなく、また、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つ結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を増加させることができる。
【００３７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記酸化剤ガス流路出口近傍に、さらに酸化剤ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス圧力調整弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増加させる酸化剤ガス圧力制御手段であるという構成をとることができる。
【００３８】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス圧力を増加させることができる。
【００３９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記酸化剤ガス圧力制御手段が、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるため、前記酸化剤ガス圧力調整弁を調節するものであるという構成をとることができる。
【００４０】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガス圧力を適切な範囲内に保つことで、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を減少させることができる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ａと、前記水分輸送促進制御作動手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分輸送促進制御停止手段Ａと、前記水分輸送促進制御停止手段Ａの後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ａと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ａと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ａを備えるという構成をとることができる。
【００４２】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送促進制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００４３】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｂの後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ｂと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｂと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｂの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ｂを備えるという構成をとることができる。
【００４４】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、前記水分輸送促進制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送促進制御作動手段と、前記水分小過剰輸送促進制御作動手段の後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送促進制御停止手段と、前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｃと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｃと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｃの後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｃと、前記水分輸送促進制御作動手段Ｃの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に前記燃料ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止手段Ｃを備えるという構成をとることができる。
【００４６】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送促進制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、さらに前記水分輸送促進制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持できなくなるような触媒層（例えば、意図的に触媒を腐食させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を有する燃料電池を有する場合において、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【００４７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送抑制制御作動手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段の後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送抑制制御停止手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｄと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｄと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｄの後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｄと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に前記酸化剤ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止手段Ｄを備えるという構成をとることができる。
【００４８】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記水分輸送促進制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、さらに前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持できなくなるような電解質膜（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を有する燃料電池を有する場合において、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【００４９】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることを特徴とする。
【００５０】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池の運転を実現することができる。
【００５１】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させ、且つ、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることが好ましい。
【００５２】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池の運転を実現することができる。また本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池外へ排出される、酸化剤ガスが持ち去る水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄えることができる。
【００５３】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００５４】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００５５】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００５６】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００５７】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００５８】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００５９】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００６０】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００６１】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるという構成をとることができる。
【００６２】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料ガス圧力を適切な範囲にまで減少させることで、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つ結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させることができる。
【００６３】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるという構成をとることができる。
【００６４】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガスのストイキ比を適切な範囲にまで減少させることで、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることができる。
【００６５】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるという構成をとることができる。
【００６６】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料ガスのストイキ比を適切な範囲にまで増加させることで、前記高分子電解質膜を乾燥させてしまうことなく、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させることができる。
【００６７】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるという構成をとることができる。
【００６８】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス圧力を適切な範囲にまで増加させることで、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることができる。
【００６９】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７０】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した際に、前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを最終的に判定し、前記水分量が不足している場合には再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００７１】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７２】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した際に、前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを最終的に判定し、前記水分量が不足している場合には再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００７３】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７４】
このような構成の燃料電池の運転方法は、初めに前記燃料ガスの制御を行うことによってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、さらに前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持できなくなるような触媒層（例えば、意図的に触媒を腐食させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を有する燃料電池を運転する場合において、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【００７５】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が過剰ではないと判定した場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７６】
このような構成の燃料電池の運転方法は、初めに前記酸化剤ガスの制御を行うことによってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、さらに前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持できなくなるような電解質膜（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を有する燃料電池を運転する場合において、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【発明の効果】
【００７７】
本発明によれば、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、前記判定手段を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることを特徴とする。
【００７９】
上述した燃料電池の運転方法を具体化するための好適な本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする。
【００８０】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させ、且つ、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることが好ましい。
【００８１】
上述した好ましい燃料電池の運転方法を具体化するための好適な本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる燃料ガス制御手段、並びに、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる酸化剤ガス制御手段、の少なくともいずれか一方を備えるものである。
【００８２】
ここで、固体高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜であり、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。
【００８３】
電極は、触媒層とガス拡散層を有する。
触媒層は、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。
【００８４】
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
【００８５】
触媒インクは上記のような触媒と高分子電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。
高分子電解質とは、燃料電池において使用される高分子電解質であり、具体的には、上述した固体高分子電解質膜に用いられるようなフッ素系高分子電解質及び炭化水素系高分子電解質等が挙げられる。
触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。
【００８６】
触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、０．０１〜２．０ｍｇ／ｃｍ２程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすればよい。
【００８７】
触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよい。
【００８８】
ガス拡散層を形成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００８９】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
【００９０】
作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
セパレータには、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流路が形成されている。
【００９１】
本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムに用いることができる燃料ガスとしては、一般に燃料電池のアノード電極に用いられる気体、具体的には、水素ガスを用いることができる。
本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムに用いることができる酸化剤ガスとしては、一般に燃料電池のカソード電極に用いられる気体、具体的には、空気、酸素ガスを用いることができる。
【００９２】
図１は、上述した単セルの一例を積層方向に切断した断面模式図である。図に示すように、本発明の燃料電池システム中の燃料電池の単セル１００は、高分子電解質膜１をカソード電極６及びアノード電極７で挟持した膜・電極接合体８を有しており、さらに当該接合体８を電極の外側から挟んだ一対のセパレータ９及び１０とでなる。セパレータと電極の境界には、カソード電極６側に酸化剤ガス流路１１が、アノード電極７側に燃料ガス流路１２が確保されている。カソード電極６はカソード触媒層２とガス拡散層４とを積層したものからなり、アノード電極７はアノード触媒層３とガス拡散層５とを積層したものからなる。
さらに、前記酸化剤ガス流路１１と前記燃料ガス流路１２が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置されている。ここで、図１中の前記流路１１及び１２中の「丸に点」の記号は、ガスの流れ方向が、紙面に垂直に紙面の向こう側からこちら側の方向であることを意味し、「丸にバツ印」の記号は、ガスの流れ方向が、紙面に垂直に紙面のこちら側から向こう側の方向であることを意味している。さらに、図に具体的に示されてはいないが、酸化剤ガス流路１１の入口近傍が、燃料ガス流路１２の出口近傍の電解質膜１を挟んで反対側に、且つ、酸化剤ガス流路１１の出口近傍が、燃料ガス流路１２の入口近傍の電解質膜１を挟んで反対側に配置されている。
なお、図１中ではガス流路が蛇行型流路であるものとして描かれているが、特にガス流路は特定の形態に限られず、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するように配置されるのであれば、どのような形態もとることができる。
【００９３】
酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値以上であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定するものが挙げられる。
水分量の判定場所を酸化剤ガス流路入口近傍としたのは、例えば、車載用燃料電池においては、一般的に酸化剤ガスとして空気、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、同一ストイキ比におけるガス流量は空気の方が大きくなるため、酸化剤ガス流路入口から乾燥が始まることが想定されるからである。
水分量の判定場所を酸化剤ガス流路出口近傍としたのは、例えば、後述するような燃料ガス制御手段を実行した後に、酸化剤ガス流路出口近傍に一時的な水不足状態が生じると考えられるからである。
【００９４】
前記判定手段が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ａとする）。これは、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができるからである。なお、燃料電池全体の抵抗値が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１１０％を超える値であった時に水分量不足と判定するのがより好ましく、１２０％を超える値であった時に水分量不足と判定するのが最も好ましい。
【００９５】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以下であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定するものが挙げられる。
【００９６】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ｃとする）。これは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができるからである。なお、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１００％未満であった時に水分量不足と判定するのがより好ましく、９５％未満であった時に水分量不足と判定するのが最も好ましい。
【００９７】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最低値以下であった時に、単セル内又はスタック内が水分過剰であると判定するものが挙げられる。
【００９８】
前記判定手段が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ｂとする）。これは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができるからである。なお、燃料電池全体の電圧が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９０％未満であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、８５％未満であった時に水分量過剰と判定するのが最も好ましい。
【００９９】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以上であった時に、単セル内又はスタック内が水分量過剰であると判定するものが挙げられる。
【０１００】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ｄとする）。これは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができるからである。なお、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１１０％を超える値であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、１２０％を超える値であった時に水分量過剰と判定するのが最も好ましい。
【０１０１】
上述した判定手段、又はその他の方法において酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判断された場合に、本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムは、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる。
また、上述した判定手段、又はその他の方法において酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判断された場合に、本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムは、酸化剤ガス流量を減少させるか、又は酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる。
【０１０２】
ところで、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に共通して、ガス流路を流れるガス中に含まれる水蒸気量、無加湿ガス流量、水蒸気の分圧及び水蒸気を含んだガスの全圧との間には、以下の式（３）に示すような関係が成り立つ。
【０１０３】
【数１】
（ただし、ＱＨ２Ｏはガス中に含まれる水蒸気量を、Ｑｄｒｙは無加湿ガスの流量を、ＰＨ２Ｏは水蒸気の分圧を、Ｐｔｏｔａｌは水蒸気を含んだガスの全圧を示す。）
【０１０４】
式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例することから、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定以上に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定以上に保つ必要があることが分かる。しかし後述する燃料ガス供給量変化に伴う発電性能及びカソード出口露天湿度測定によって示されるように、燃料ガスの流量を増加させ過ぎてしまうと、燃料ガス流路入口近傍において高分子電解質膜を乾燥させてしまうため、発電効率の減少を招いてしまうことが分かっている。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲にまで増加させる必要がある。
また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが分かる。したがって、無加湿ガスの分圧を抑える程、ＱＨ２Ｏを増加させることができる。しかし、無加湿ガスの分圧を抑え過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍からの水の持ち去りが多過ぎ、酸化剤ガス流路入口近傍の高分子電解質膜を乾燥させ過ぎてしまう。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲にまで減少させる必要がある。
したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには上限値が、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には下限値が存在するため、「流量Ｑｄｒｙを上げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を下げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際にＱＨ２Ｏを一定以上に保つことができない。これら２つの値の調節を一定範囲以内でそれぞれ行うことによって、発電効率を良好に保つことができる。
【０１０５】
上記水蒸気量の操作は、酸化剤ガス制御にも応用することができる。
式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例することから、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定以下に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定以下に保つ必要があることが分かる。しかし、酸化剤ガスの流量を減少させ過ぎてしまうと、酸化剤ガスが燃料電池外へ持ち去る水分が抑えられ、酸化剤ガス流路出口近傍において、いわゆるフラッディングが生じるため、発電効率の減少を招いてしまうことが分かっている。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲にまで減少させる必要がある。
また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが分かる。したがって、無加湿ガスの分圧を増加させる程、ＱＨ２Ｏを抑制することができる。しかし、無加湿ガスの分圧を増加させ過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍からの水の持ち去りが少な過ぎ、上記同様に酸化剤ガス流路出口近傍においてフラッディングが生じてしまう。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲にまで増加させる必要がある。
したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには下限値が、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には上限値が存在するため、「流量Ｑｄｒｙを下げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を上げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際に発電効率を良好に保つことができない。これら２つの値の調節を一定範囲以内でそれぞれ行うことによって、発電効率を良好に保つことができる。
【０１０６】
図２は、本発明の燃料電池システムにおける単セルの水の循環について示した断面模式図である。単純化のため、カソード及びアノード電極は、ガス拡散層と触媒層の区別なしに図示した。なお、「丸に点」及び「丸にバツ印」の記号は、図１同様に流路を流れるガスの流れ方向を示すものとする。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路入口１１ａから導入され、酸化剤ガス流路出口１１ｂに到達するものとし、燃料ガスは、燃料ガス流路入口１２ａから導入され、燃料ガス流路出口１２ｂに到達するものとする。
いま、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍は、前記式（２）で示される反応により生成した水によって湿潤状態になっている。この水分は、矢印２１に示されるように、高分子電解質膜１を透過して燃料ガス流路入口１２ａ近傍へ輸送される。このとき、上述したような無加湿の燃料ガスの流量Ｑｄｒｙ及び無加湿の燃料ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）の少なくともいずれか一方の調節を行うことによって、燃料ガス流路入口１２ａ近傍に輸送された水分を、より多く燃料ガス流路の出口１２ｂ近傍へと輸送することができる。この水分は、矢印２２に示されるように、高分子電解質膜１を透過して酸化剤ガス流路入口１１ａ近傍へ輸送されることから、その結果として、乾燥し易い酸化剤ガス流路の入口１１ａ近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路の出口１１ｂ近傍の水分量を調整し、無加湿でありながら、面内水分量分布が発生しない単セルを実現することができる。
【０１０７】
また、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍が、乾燥状態である時には、上述したような無加湿の酸化剤ガスの流量Ｑｄｒｙ及び無加湿の酸化剤ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）の少なくともいずれか一方の調節を行うことによって、酸化剤ガスが燃料電池外へ持ち去る水分をより少なくすることができ、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍に水分を蓄えることができる。
【０１０８】
発電効率を良好に保つために、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させることが好ましい。これは、前記ストイキ比が１０を超えると、燃料ガス流路入口において高分子電解質膜が乾燥してしまうため、発電効率の減少を招き、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つことができず、したがって酸化剤ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからである。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増加させることが好ましい（このような制御手段を、以下、燃料ガス流量制御手段とする）。これは、燃料ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、燃料ガス流量を増加できるからである。ここでいう燃料ガス供給装置とは、例えば、燃料ガスボンベ、燃料ガスポンプ等が挙げられる。
なお、前記ストイキ比を１．０〜５．０の範囲にまで増加させることがより好ましく、前記ストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで増加させることが最も好ましい。
【０１０９】
発電効率を良好に保つために、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させることが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つことができず、したがって酸化剤ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからである。また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、発電に必要な燃料供給を十分に行うことができない。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、前記燃料ガス流路出口近傍に備えられた燃料ガス圧力調整弁の調節によって燃料ガス圧力を減少させることが好ましい（このような制御手段を、以下、燃料ガス圧力制御手段とする）。これは、燃料ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を減少できるからである。
前記燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．２ＭＰａ以下の範囲にまで減少させることがより好ましく、前記圧力を、大気圧以上、０．１ＭＰａ以下の範囲にまで減少させることが最も好ましい。
【０１１０】
なお、上述したような燃料ガス供給装置を調節することによっても、燃料ガス圧力は調節できる。しかし、燃料ガス供給装置のみによって、燃料ガス流量の増加と燃料ガス圧力の減少とを同時に達成することは困難である。したがって、燃料ガス流路入口の燃料ガス供給装置の調節と、燃料ガス流路出口近傍の燃料ガス圧力調整弁の調節とを組み合わせることによって、燃料ガス流量の増加と、燃料ガス圧力の減少とを両立することができる。
【０１１１】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させることが好ましい。これは、前記ストイキ比が３．０を超えると、酸化剤ガス流路中の水分量を十分に保つことができず、したがって燃料ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからであり、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、酸化剤ガス流路中のフラッディングが回避できないからである。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減少させることが好ましい（このような制御手段を、以下、酸化剤ガス流量制御手段とする）。これは、酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減少できるからである。ここでいう酸化剤ガス供給装置とは、例えば、酸化剤ガスボンベ、酸化剤ガスポンプ等が挙げられる。
なお、前記ストイキ比を１．２〜２．０の範囲にまで減少させることがより好ましく、前記ストイキ比を１．４〜１．７の範囲にまで減少させることが最も好ましい。
【０１１２】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａの範囲にまで増加させることが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると酸化剤ガス流路中のフラッディングが回避できないからであり、また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、酸化剤ガス流路中の水分量を十分に保つことができず、したがって燃料ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからである。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、前記酸化剤ガス流路出口近傍に備えられた酸化剤ガス圧力調整弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増加させることが好ましい（このような制御手段を、以下、酸化剤ガス圧力制御手段とする）。これは、燃料ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を増加できるからである。
前記酸化剤ガス圧力を、０．１２〜０．２５ＭＰａの範囲にまで増加させることがより好ましく、前記圧力を、０．１４〜０．２ＭＰａの範囲にまで増加させることが最も好ましい。
【０１１３】
なお、上述したような酸化剤ガス供給装置を調節することによっても、酸化剤ガス圧力は調節できる。しかし、酸化剤ガス供給装置のみによって、酸化剤ガス流量の減少と酸化剤ガス圧力の増加とを同時に達成することは困難である。したがって、酸化剤ガス流路入口の酸化剤ガス供給装置の調節と、酸化剤ガス流路出口近傍の酸化剤ガス圧力調整弁の調節とを組み合わせることによって、酸化剤ガス流量の減少と、酸化剤ガス圧力の増加とを両立することができる。
【０１１４】
図３は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。なお、ここでは燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる燃料電池について記載している。
図示するように、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガスである水素ガスと、酸化剤ガスである空気との流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置されている。
また、燃料ガス供給装置の一種である水素ガスボンベと、水素ガスポンプとによって燃料ガス流量の調節をする（燃料ガス流量の制御）。なお、この図における水素ガスポンプとは、燃料電池スタック内で消費されなかった水素ガスを再利用するためのものである。さらに、水素ガス圧力調整弁によって、水素ガス圧力の調節を行う（燃料ガス圧力の制御）。具体的にはこのようなシステムの構成により、燃料ガス流量の増加と燃料ガス圧力の減少とを両立することができる。
さらに、酸化剤ガス供給装置の一種であるエアーコンプレッサー（ＡＣＰ）によって酸化剤ガス流量の調節をする。また、空気圧力調整弁によって、空気圧力の調節を行う。具体的にはこのようなシステムの構成により、酸化剤ガス流量の減少と酸化剤ガス圧力の増加とを両立することができる。
【０１１５】
また、図３に示しているように、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路には、それぞれガス流量計測手段（水素側：水素ガスボンベに付属したレギュレーター、空気側：フローメーター）、ガス圧力計測手段（水素側及び空気側：圧力計）が備えられている。
【０１１６】
さらに、図３には示されていないが、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路には、スタック圧損計測手段が備えられている。スタック圧損計測手段としては、具体的には、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路の入口及び出口の両方にそれぞれ圧力センサを設ける。圧損の算出方法は、ΔＰ（圧損）＝Ｐ（入口圧力）−Ｐ（出口圧力）とする。
【０１１７】
また、図３に示しているように、ラジエタを有する冷却系統には、水温計測手段が備えられている。これは、燃料電池の状態、特に乾燥状態又は湿潤状態か否かを、予め水温の推移によって把握するためである。なお、７０〜１２０℃の範囲のある温度を予め設定値とし、当該設定値を超える値において燃料電池に異常（水分量分布など）が生じているとみなすのが好ましい。
【０１１８】
さらに、図３に示しているように、電圧計、電流計を有する電気系統には、負荷制御用、及び予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧・抵抗制御用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）が備えられている。
【０１１９】
また、図３に示しているように、燃料ガス流路は水素ポンプ及び水素ガス圧力調整弁による循環機能を備えるものを前提とするが、デッドエンド・少量連続排気など、循環レスシステムであってもよい。
【０１２０】
図４は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである燃料電池全体の抵抗値測定を行う。
ここで、抵抗値Ｒが、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％の値（以下、設定値Ｒ１という。）を超える値であるか否か（判定手段Ａ）で次に行う処理が異なる。抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１以下である場合、高負荷連続運転が続行され、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える値である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量不足であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足への対策として燃料ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量不足への対策として酸化剤ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、燃料電池全体の抵抗値測定を行い、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える値である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１以下である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２１】
図５は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第二の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである燃料電池全体の電圧測定を行う。
ここで、電圧Ｅが、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％の値（以下、設定値Ｅ１という。）未満であるか否か（判定手段Ｂ）で次に行う処理が異なる。電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上である場合、高負荷連続運転が続行され、電圧Ｅが、設定値Ｅ１未満である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量過剰であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量過剰への対策として酸化剤ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量過剰への対策として燃料ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、燃料電池全体の電圧測定を行い、電圧Ｅが、設定値未満Ｅ１である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２２】
図６は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第三の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行う。
ここで、圧損ΔＰが、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ１という。）未満であるか否か（判定手段Ｃ）で次に行う処理が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１以上である場合、高負荷連続運転が続行され、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１未満である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量不足であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足への対策として燃料ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量不足への対策として酸化剤ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行い、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１未満である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１以上である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２３】
図７は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第四の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行う。
ここで、圧損ΔＰが、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ２という。なお、ΔＰ２は、上述したΔＰ１とは独立な値である。）を超える値であるか否か（判定手段Ｄ）で次に行う処理が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合、高負荷連続運転が続行され、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える値である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量過剰であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量過剰への対策として酸化剤ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量過剰への対策として燃料ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行い、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える値である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２４】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ａと、前記水分輸送促進制御作動手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分輸送促進制御停止手段Ａと、前記水分輸送促進制御停止手段Ａの後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ａと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ａと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ａを備えるという構成をとることができる。
【０１２５】
図８は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第五の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した水温計測手段によって冷却水温Ｔの計測を行う。この際、測定された水温Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転を続行し、水温Ｔが設定値Ｔ１を超える値であれば、判定手段Ａ（抵抗測定）をさらに行う。この際、測定された抵抗値Ｒが設定値Ｒ１以下であれば、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が適切に保たれていると判定し、高負荷運転を続行する。
なお、ここまでの操作手順は図４に示した典型例の前半部分と本質的に変わりがない。抵抗Ｒが設定値Ｒ１を超える値である場合、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を以下のように増加させる点が、典型例と異なる。
【０１２６】
前記判定手段Ａにより、抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える値であれば、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ａ）。当該作動手段Ａは、判定手段Ｃ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送促進制御停止手段Ａ）。
次に、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ａ）。当該作動手段Ａは、判定手段Ｄ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送抑制制御停止手段Ａ）。
最後に、判定手段Ａ（抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１２７】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送促進制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【０１２８】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１２９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｂの後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ｂと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｂと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｂの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ｂを備えるという構成をとることができる。
【０１３０】
図９は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第六の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。この状態から、冷却水温Ｔ測定及び判定手段Ａの実行までは、上述した第五の典型例（図８）と同様である。
【０１３１】
前記判定手段Ａにより、抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える値であれば、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ｂ）。当該作動手段Ｂは、判定手段Ｄ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送抑制制御停止手段Ａ）。
次に、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ｂ）。当該作動手段Ｂは、判定手段Ｃ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送促進制御停止手段Ｂ）。
最後に、判定手段Ａ（抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１３２】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、前記水分輸送促進制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【０１３３】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１３４】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送促進制御作動手段と、前記水分小過剰輸送促進制御作動手段の後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送促進制御停止手段と、前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｃと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｃと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｃの後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｃと、前記水分輸送促進制御作動手段Ｃの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に前記燃料ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止手段Ｃを備えるという構成をとることができる。
【０１３５】
図１０は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第七の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した水温計測手段によって冷却水温Ｔの計測を行う。この際、測定された水温Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転を続行し、水温Ｔが設定値Ｔ１を超える値であれば、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分小過剰輸送促進制御作動手段）。当該作動手段は、判定手段Ａ（抵抗測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分小過剰輸送促進制御停止手段）。
すなわち、ここまでの作動工程は、前半の水温計測手段によって燃料電池内における何らかの異常を検知した後、その異常が酸化剤ガス流路のどの部位の異常かを判断すること無く、酸化剤ガス流路出口近傍から燃料ガス流路を経由した酸化剤ガス流路入口近傍への水分の輸送を小過剰分だけ促進することにより、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を一時的に不足状態としている。
【０１３６】
前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ｃ）。当該作動手段Ｃは、判定手段Ｂ（電圧測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送抑制制御停止手段Ｃ）。
次に、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ｃ）。最後に、判定手段Ａ（抵抗測定）により酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１３７】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送促進制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、さらに前記水分輸送促進制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持できなくなるような触媒層（例えば、意図的に触媒を腐食させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を有する燃料電池を有する場合において、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【０１３８】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１３９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送抑制制御作動手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段の後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送抑制制御停止手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｄと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｄと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｄの後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｄと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に前記酸化剤ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止手段Ｄを備えるという構成をとることができる。
【０１４０】
図１１は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第八の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した水温計測手段によって冷却水温Ｔの計測を行う。この際、測定された水温Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転を続行し、水温Ｔが設定値Ｔ１を超える値であれば、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分小過剰輸送抑制制御作動手段）。当該作動手段は、判定手段Ｂ（電圧測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分小過剰輸送抑制制御停止手段）。
すなわち、ここまでの作動工程は、前半の水温計測手段によって燃料電池内における何らかの異常を検知した後、その異常が酸化剤ガス流路のどの部位の異常かを判断すること無く、酸化剤ガス流路出口近傍から燃料ガス流路を経由した酸化剤ガス流路入口近傍への水分の輸送を小過剰分だけ抑制することにより、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を一時的に過剰状態としている。
【０１４１】
前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ｄ）。当該作動手段Ｄは、判定手段Ａ（抵抗測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送促進制御停止手段Ｄ）。
次に、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ｄ）。最後に、判定手段Ｂ（電圧測定）により酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１４２】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記水分輸送促進制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、さらに前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持できなくなるような電解質膜（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を有する燃料電池を有する場合において、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【０１４３】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が過剰ではないと判定した場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１４４】
本発明の燃料電池の運転方法、及び当該運転方法を具体化するための好適な燃料電池システムは、酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、判定手段を有することにより、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に把握することができる。
【０１４５】
本発明の好ましい燃料電池の運転方法、及び当該運転方法を具体化するための好適な燃料電池システムによれば、酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件及び高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明によれば、本発明の燃料電池システム外へ排出される、酸化剤ガスが持ち去る水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄えることができる。さらに本発明の燃料電池システムによれば、判定手段を有することにより、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量不足及び水分量過剰を的確に把握することができる。
【実施例】
【０１４６】
１．燃料ガス供給量変化に伴う発電性能、露天湿度及び圧損測定
上述した膜・電極接合体を有し、且つ、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）の流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルに関して、燃料ガスとして用いた水素ガスのストイキ比の変化に対する、セル電圧Ｅ（Ｖ）、セル抵抗Ｒ（ｍΩ・ｃｍ２）、アノード出口露天湿度（％）、カソード出口露天湿度（％）、水素ガス圧損（ｋＰａ）、空気圧損（ｋＰａ）の変化について、それぞれ測定した。詳細な実験条件は以下の通りである。
【０１４７】
電流密度：１．０Ａ／ｃｍ２
冷却水出口温度：８０℃
水素ガス流量：ストイキ比１．２〜６．０まで徐々に増加させて計測
空気流量：ストイキ比１．３、１．５、１．６のそれぞれについて計測
ガス圧力：水素ガス、空気共に２００ｋＰａ・Ａｂｓ
ガス流路入口加湿：水素ガス流路、空気流路共に無加湿
【０１４８】
図１２は水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル電圧変化を、図１３はセル抵抗変化を、それぞれ示したグラフである。グラフ上の白丸が空気ストイキ比１．３の時の、白四角が空気ストイキ比１．５の時の、白三角が空気ストイキ比１．６の時のデータをそれぞれ示している。
図１２に示されるように、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、セル電圧が極大値を有する。また、図１３に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、セル抵抗が極小値を有する。
【０１４９】
図１４は水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口露天湿度変化を、図１５はカソード出口露天湿度変化を、それぞれ示したグラフである。グラフ上の白丸、白四角及び白三角は図１２及び図１３と同様のものを示す。燃料ガス流路出口から排出されるアノード排水は、その一部が電解質膜を透過することによって、電解質膜を挟んで反対側の酸化剤ガス流路の入口に輸送されるため、アノード出口露天湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路入口の水分量を知ることができる。また、カソード出口露天湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路出口の水分量を知ることができる。
図１４に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、アノード出口露天湿度が極大値を有する。なお、空気ストイキ比が１．３の時（白丸）は、水素ガスストイキ比を増加させても、アノード出口露天湿度は飽和したまま、高加湿を維持し続けている。また、図１５に示されるように、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、ほぼ単調減少であるカソード出口露天湿度のグラフの変曲点が存在する。
【０１５０】
図１６は水素ガスのストイキ比の変化に伴う水素ガス圧損変化を示したグラフである。なお、この時の空気ストイキ比は１．５である。この図から、水素ガス圧損は、水素ガスのストイキ比に比例して増加していることが分かる。
【０１５１】
図１７は水素ガスのストイキ比の変化に伴う空気圧損変化を示したグラフである。なお、この時の空気ストイキ比は１．６である。この図から、空気圧損は、上述した様な電圧、抵抗が最大値を有する水素ガスストイキ比２．５付近で急激に減少することが分かる。
【０１５２】
２．燃料ガス供給量が発電性能及び単セルの面内水分量分布にもたらす影響の考察
上述した発電性能測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近でセル電圧が極大値を示し、前記比が２．５付近でセル抵抗が極小値を示していることから、前記比が１．５〜３．０の範囲において、発電性能が最も高くなることが分かる。
また上述した露天湿度測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近でアノード出口露天湿度のグラフの極大値が存在し、前記比が２．５付近でカソード出口露天湿度のグラフの変曲点が存在することから、前記比が１．０〜４．０の範囲において、燃料ガス流路から酸化剤ガス流路へ電解質膜を透過する水分量の増加率が最も高くなることが分かる。
さらに、上述した圧損測定より、空気圧損は、上述した様な電圧、抵抗が最大値を有する水素ガスストイキ比２．５付近で急激に減少することが分かる。
したがって、燃料ガス供給量が発電性能、単セルの面内水分量分布及びガス圧損にもたらす影響に関して、以下の考察を導くことができる。
【０１５３】
水素ガスのストイキ比が１．０未満であると、水素ガスが輸送する水分量が減少することによって、図２に示したような水の循環が途切れ、単セルの面内水分量分布が生じ、発電性能低下につながる。さらに、前記水分量分布により、局部的に酸化剤ガス流路の詰まりが発生するため空気ガス圧損が高くなる。
また、水素ガスのストイキ比が４．０を超えると、水素ガスが輸送する水分量が必要以上に増加することによって、燃料ガス流路入口における電解質膜が乾燥し、結果的に酸化剤ガス流路出口から燃料ガス流路入口へ電解質膜を透過する水分量が低下し、発電性能低下につながる。さらに、前記水分量低下により、酸化剤ガス流路中が乾燥するため空気ガス圧損が低くなる。
【０１５４】
３．まとめ
本実施例の燃料ガス供給量変化に伴う発電性能、露天湿度及び圧損測定を行うことによって、燃料ガスの一種である水素ガスのストイキ比が１．０〜４．０の範囲において、電解質膜を乾燥させてしまうことなく、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることができ、発電性能の低下を抑制することができることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】本発明の燃料電池システム中の単セルを積層方向に切断した断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池システムにおける単セルの水の循環について示した断面模式図である。
【図３】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。
【図４】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第二の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第三の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第四の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図８】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第五の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第六の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図１０】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第七の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図１１】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第八の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図１２】水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル電圧変化を示したグラフである。
【図１３】水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル抵抗変化を示したグラフである。
【図１４】水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口露天湿度変化を示したグラフである。
【図１５】水素ガスのストイキ比の変化に伴うカソード出口露天湿度変化を示したグラフである。
【図１６】水素ガスのストイキ比の変化に伴う水素ガス圧損変化を示したグラフである。
【図１７】水素ガスのストイキ比の変化に伴う空気圧損変化を示したグラフである。
【符号の説明】
【０１５６】
１…固体高分子電解質膜
２…カソード触媒層
３…アノード触媒層
４，５…ガス拡散層
６…カソード電極
７…アノード電極
８…膜・電極接合体
９，１０…セパレータ
１１…酸化剤ガス流路
１１ａ…酸化剤ガス流路入口
１１ｂ…酸化剤ガス流路出口
１２…燃料ガス流路
１２ａ…燃料ガス流路入口
１２ｂ…燃料ガス流路出口
２１，２２…水分の移動方向を示す矢印
１００…単セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セル内の面内水分量分布の発生を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード（燃料極）では式（１）の反応が進行する。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− …（１）
前記式（１）で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、前記式（１）で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは式（２）の反応が進行する。
２Ｈ＋ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ …（２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池は、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
排出物である水分が過剰である場合には、燃料電池内部において凝縮した水が、触媒層やガス拡散層の空隙、及びはなはだしい場合にはガス流路を塞いでガスの供給を阻害し、発電のためのガスが触媒層に充分行き渡らずに燃料電池の出力が低下する問題が生じる。また、燃料電池内の水分が不足した場合には、内部抵抗が増大して燃料電池の出力および発電効率が低下するという問題が生じる。
この問題を解決するために、これまでにも様々な技術が開示されている。
【０００６】
特許文献１は、燃料電池内部の水分量の過不足を判定する水分量判定手段と、当該水分量判定手段による燃料電池の内部水分量の過不足の判定結果に基づいて、燃料電池に供給される酸素あるいは水素の少なくとも一方のガス供給量を制御するガス供給量制御手段とを備える燃料電池システムに関する技術を開示している。
【０００７】
特許文献２は、燃料電池が、酸化剤ガス流路に流れる空気量を調整する空気量調整手段と、電解質膜が乾燥傾向にあるか否かを判定する判定手段と、電解質膜が乾燥傾向であると判定した場合に、酸化剤ガス流路に流れる空気圧力を通常運転時よりも高くする制御を実行する制御手段を備える燃料電池システムに関する技術を開示している。
【０００８】
特許文献３は、燃料ガス中の水蒸気分圧を調整して、カソードからアノードへ電解質膜を通して水又は水蒸気を移動させることで、カソード中の水分を除去する技術を開示している。
【０００９】
特許文献４は、燃料電池内に燃料ガスと酸化剤ガスが互いに対向した流れとなるように燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が設けられ、酸化剤ガス流路出口部分を冷却する冷却水路がさらに設けられていることにより、酸化剤ガス中に含まれる水分を凝集して回収し、電解質膜を介して燃料ガス流路入口部分へ水分の供給を促進する技術を開示している。
【００１０】
特許文献５は、燃料電池の運転時に、酸化剤ガス流路入口の温度が、酸化剤ガス流路出口の温度よりも低くなるようにし、かつ、酸化剤ガス流路入口の拡散層のガス拡散性は、酸化剤ガス流路出口のガス拡散性よりも低くすることにより、酸化剤ガス流路における乾燥速度を低下させ、酸化剤ガス中への水蒸気の蒸発量を抑制する技術を開示している。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３５２８２７号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０００４号公報
【特許文献３】特表平６−５０４４０３号公報
【特許文献４】特許３７３６４７５号公報
【特許文献５】特開２００１−６６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
無加湿の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料電池の運転、いわゆる無加湿運転の場合には、燃料電池が有する単セルの面内で水分量分布が生じやすい。すなわち、酸化剤ガス流路入口近傍は乾燥しやすく、酸化剤ガス流路出口近傍は湿潤状態になりやすい。したがって、単セルの面内で水分量の均質化を図る必要がある。これは、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件においても同様である。
特許文献１又は２に開示された技術は、いずれも燃料電池全体での水分量の過不足を判定し、その判定結果に対してガスを調節するという課題解決手段を有しているが、そもそも単セルの面内において水分量分布が生じるという考察はなされておらず、したがって、水分量不足及び水分量過剰の状態が同一の単セル面内で生じた場合には有効な技術ではないと考えられる。特に、特許文献２に開示された制御手段においては、空気圧力を増加させる解決手段が、エアーコンプレッサー出力増加による燃費悪化という排反を有すると考えられる。
特許文献３乃至５に開示された技術は、いずれも酸化剤ガス流路内の主に出口近傍に蓄積した水分を、電解質膜を通過させて燃料ガス流路へと透過させるという解決手段を有しており、特に、特許文献４又は５に開示された技術は、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が対向しているため、水分が酸化剤ガス流路出口近傍→燃料ガス流路入口近傍→燃料ガス流路出口近傍→酸化剤ガス流路入口近傍と循環するという解決手段を有している。しかし、特許文献３乃至５に開示された技術はいずれも、水分量の過不足が生じているか否かを判定する判定手段、及びその判定手段が下した結論に基いてガスを調節するガス制御手段についての考察がなされていない。また、特許文献３に開示された技術は、酸化剤ガス流路におけるフラッディングを防止するための技術であり、酸化剤ガス流路入口近傍の乾燥を防止するための技術ではない。
本発明は、単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、前記判定手段を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に把握することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる燃料ガス制御手段、並びに、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる酸化剤ガス制御手段、の少なくともいずれか一方を備えることが好ましい。
【００１６】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件及び高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、当該燃料電池システム外へ排出される、酸化剤ガスが持ち去る水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄えることができる。さらに本発明の燃料電池システムは、前記判定手段を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量不足及び水分量過剰を的確に把握することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ａであるという構成をとることができる。
【００１８】
このような構成の燃料電池システムは、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｂであるという構成をとることができる。
【００２０】
このような構成の燃料電池システムは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｃであるという構成をとることができる。
【００２２】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｄであるという構成をとることができる。
【００２４】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス流路出口近傍に、さらに燃料ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス圧力調整弁の調節によって燃料ガス圧力を減少させる燃料ガス圧力制御手段であるという構成をとることができる。
【００２６】
このような構成の燃料電池システムは、前記燃料ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を減少させることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス圧力制御手段が、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるため、前記燃料ガス圧力調整弁を調節するものであるという構成をとることができる。
【００２８】
このような構成の燃料電池システムは、燃料ガス圧力を適切な範囲内に保つことで、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つ結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を増加させることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、さらに酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減少させる酸化剤ガス流量制御手段であるという構成をとることができる。
【００３０】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減少させることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記酸化剤ガス流量制御手段が、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるため、前記酸化剤ガス供給装置を調節するものであるという構成をとることができる。
【００３２】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガスのストイキ比を適切な範囲にまで減少させることにより、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を減少させることができる。
【００３３】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、さらに燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増加させる燃料ガス流量制御手段であるという構成をとることができる。
【００３４】
このような構成の燃料電池システムは、前記燃料ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、燃料ガス流量を増加させることができる。
【００３５】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス流量制御手段が、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるため、前記燃料ガス供給装置を調節するものであるという構成をとることができる。
【００３６】
このような構成の燃料電池システムは、燃料ガスのストイキ比を適切な範囲にまで増加させることにより、前記高分子電解質膜を乾燥させてしまうことなく、また、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つ結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を増加させることができる。
【００３７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記酸化剤ガス流路出口近傍に、さらに酸化剤ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス圧力調整弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増加させる酸化剤ガス圧力制御手段であるという構成をとることができる。
【００３８】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス圧力を増加させることができる。
【００３９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記酸化剤ガス圧力制御手段が、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるため、前記酸化剤ガス圧力調整弁を調節するものであるという構成をとることができる。
【００４０】
このような構成の燃料電池システムは、酸化剤ガス圧力を適切な範囲内に保つことで、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を減少させることができる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ａと、前記水分輸送促進制御作動手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分輸送促進制御停止手段Ａと、前記水分輸送促進制御停止手段Ａの後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ａと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ａと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ａを備えるという構成をとることができる。
【００４２】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送促進制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００４３】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｂの後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ｂと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｂと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｂの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ｂを備えるという構成をとることができる。
【００４４】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、前記水分輸送促進制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送促進制御作動手段と、前記水分小過剰輸送促進制御作動手段の後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送促進制御停止手段と、前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｃと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｃと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｃの後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｃと、前記水分輸送促進制御作動手段Ｃの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に前記燃料ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止手段Ｃを備えるという構成をとることができる。
【００４６】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送促進制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、さらに前記水分輸送促進制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持できなくなるような触媒層（例えば、意図的に触媒を腐食させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を有する燃料電池を有する場合において、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【００４７】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送抑制制御作動手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段の後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送抑制制御停止手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｄと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｄと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｄの後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｄと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に前記酸化剤ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止手段Ｄを備えるという構成をとることができる。
【００４８】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記水分輸送促進制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、さらに前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持できなくなるような電解質膜（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を有する燃料電池を有する場合において、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【００４９】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることを特徴とする。
【００５０】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池の運転を実現することができる。
【００５１】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させ、且つ、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることが好ましい。
【００５２】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止する燃料電池の運転を実現することができる。また本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池外へ排出される、酸化剤ガスが持ち去る水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄えることができる。
【００５３】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００５４】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００５５】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００５６】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００５７】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００５８】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができる。
【００５９】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる。
【００６０】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができる。
【００６１】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるという構成をとることができる。
【００６２】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料ガス圧力を適切な範囲にまで減少させることで、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つ結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させることができる。
【００６３】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるという構成をとることができる。
【００６４】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガスのストイキ比を適切な範囲にまで減少させることで、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることができる。
【００６５】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるという構成をとることができる。
【００６６】
このような構成の燃料電池の運転方法は、燃料ガスのストイキ比を適切な範囲にまで増加させることで、前記高分子電解質膜を乾燥させてしまうことなく、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させることができる。
【００６７】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるという構成をとることができる。
【００６８】
このような構成の燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス圧力を適切な範囲にまで増加させることで、酸化剤ガスが前記燃料電池外へ持ち去る水分量を減少させる結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることができる。
【００６９】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７０】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した際に、前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを最終的に判定し、前記水分量が不足している場合には再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００７１】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７２】
このような構成の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した際に、前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを最終的に判定し、前記水分量が不足している場合には再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【００７３】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７４】
このような構成の燃料電池の運転方法は、初めに前記燃料ガスの制御を行うことによってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、さらに前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持できなくなるような触媒層（例えば、意図的に触媒を腐食させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を有する燃料電池を運転する場合において、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【００７５】
本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が過剰ではないと判定した場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【００７６】
このような構成の燃料電池の運転方法は、初めに前記酸化剤ガスの制御を行うことによってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記燃料ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、さらに前記酸化剤ガスの制御を行うことによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持できなくなるような電解質膜（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を有する燃料電池を運転する場合において、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【発明の効果】
【００７７】
本発明によれば、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、前記判定手段を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることを特徴とする。
【００７９】
上述した燃料電池の運転方法を具体化するための好適な本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする。
【００８０】
本発明の燃料電池の運転方法は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させ、且つ、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させることが好ましい。
【００８１】
上述した好ましい燃料電池の運転方法を具体化するための好適な本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方の水分量の判定手段と、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる燃料ガス制御手段、並びに、前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる酸化剤ガス制御手段、の少なくともいずれか一方を備えるものである。
【００８２】
ここで、固体高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜であり、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。
【００８３】
電極は、触媒層とガス拡散層を有する。
触媒層は、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。
【００８４】
触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
【００８５】
触媒インクは上記のような触媒と高分子電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。
高分子電解質とは、燃料電池において使用される高分子電解質であり、具体的には、上述した固体高分子電解質膜に用いられるようなフッ素系高分子電解質及び炭化水素系高分子電解質等が挙げられる。
触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。
【００８６】
触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、０．０１〜２．０ｍｇ／ｃｍ２程度となるようにすればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすればよい。
【００８７】
触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよい。
【００８８】
ガス拡散層を形成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良くガスを供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００８９】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
【００９０】
作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。
セパレータには、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流路が形成されている。
【００９１】
本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムに用いることができる燃料ガスとしては、一般に燃料電池のアノード電極に用いられる気体、具体的には、水素ガスを用いることができる。
本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムに用いることができる酸化剤ガスとしては、一般に燃料電池のカソード電極に用いられる気体、具体的には、空気、酸素ガスを用いることができる。
【００９２】
図１は、上述した単セルの一例を積層方向に切断した断面模式図である。図に示すように、本発明の燃料電池システム中の燃料電池の単セル１００は、高分子電解質膜１をカソード電極６及びアノード電極７で挟持した膜・電極接合体８を有しており、さらに当該接合体８を電極の外側から挟んだ一対のセパレータ９及び１０とでなる。セパレータと電極の境界には、カソード電極６側に酸化剤ガス流路１１が、アノード電極７側に燃料ガス流路１２が確保されている。カソード電極６はカソード触媒層２とガス拡散層４とを積層したものからなり、アノード電極７はアノード触媒層３とガス拡散層５とを積層したものからなる。
さらに、前記酸化剤ガス流路１１と前記燃料ガス流路１２が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置されている。ここで、図１中の前記流路１１及び１２中の「丸に点」の記号は、ガスの流れ方向が、紙面に垂直に紙面の向こう側からこちら側の方向であることを意味し、「丸にバツ印」の記号は、ガスの流れ方向が、紙面に垂直に紙面のこちら側から向こう側の方向であることを意味している。さらに、図に具体的に示されてはいないが、酸化剤ガス流路１１の入口近傍が、燃料ガス流路１２の出口近傍の電解質膜１を挟んで反対側に、且つ、酸化剤ガス流路１１の出口近傍が、燃料ガス流路１２の入口近傍の電解質膜１を挟んで反対側に配置されている。
なお、図１中ではガス流路が蛇行型流路であるものとして描かれているが、特にガス流路は特定の形態に限られず、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するように配置されるのであれば、どのような形態もとることができる。
【００９３】
酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値以上であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定するものが挙げられる。
水分量の判定場所を酸化剤ガス流路入口近傍としたのは、例えば、車載用燃料電池においては、一般的に酸化剤ガスとして空気、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、同一ストイキ比におけるガス流量は空気の方が大きくなるため、酸化剤ガス流路入口から乾燥が始まることが想定されるからである。
水分量の判定場所を酸化剤ガス流路出口近傍としたのは、例えば、後述するような燃料ガス制御手段を実行した後に、酸化剤ガス流路出口近傍に一時的な水不足状態が生じると考えられるからである。
【００９４】
前記判定手段が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ａとする）。これは、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができるからである。なお、燃料電池全体の抵抗値が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１１０％を超える値であった時に水分量不足と判定するのがより好ましく、１２０％を超える値であった時に水分量不足と判定するのが最も好ましい。
【００９５】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以下であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定するものが挙げられる。
【００９６】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ｃとする）。これは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に把握することができるからである。なお、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１００％未満であった時に水分量不足と判定するのがより好ましく、９５％未満であった時に水分量不足と判定するのが最も好ましい。
【００９７】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最低値以下であった時に、単セル内又はスタック内が水分過剰であると判定するものが挙げられる。
【００９８】
前記判定手段が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ｂとする）。これは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができるからである。なお、燃料電池全体の電圧が、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９０％未満であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、８５％未満であった時に水分量過剰と判定するのが最も好ましい。
【００９９】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法としては、例えば、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以上であった時に、単セル内又はスタック内が水分量過剰であると判定するものが挙げられる。
【０１００】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定するという構成をとることができる（このような判定手段を、以下、判定手段Ｄとする）。これは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に把握することができるからである。なお、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１１０％を超える値であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、１２０％を超える値であった時に水分量過剰と判定するのが最も好ましい。
【０１０１】
上述した判定手段、又はその他の方法において酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判断された場合に、本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムは、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる。
また、上述した判定手段、又はその他の方法において酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判断された場合に、本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムは、酸化剤ガス流量を減少させるか、又は酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる。
【０１０２】
ところで、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に共通して、ガス流路を流れるガス中に含まれる水蒸気量、無加湿ガス流量、水蒸気の分圧及び水蒸気を含んだガスの全圧との間には、以下の式（３）に示すような関係が成り立つ。
【０１０３】
【数１】
（ただし、ＱＨ２Ｏはガス中に含まれる水蒸気量を、Ｑｄｒｙは無加湿ガスの流量を、ＰＨ２Ｏは水蒸気の分圧を、Ｐｔｏｔａｌは水蒸気を含んだガスの全圧を示す。）
【０１０４】
式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例することから、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定以上に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定以上に保つ必要があることが分かる。しかし後述する燃料ガス供給量変化に伴う発電性能及びカソード出口露天湿度測定によって示されるように、燃料ガスの流量を増加させ過ぎてしまうと、燃料ガス流路入口近傍において高分子電解質膜を乾燥させてしまうため、発電効率の減少を招いてしまうことが分かっている。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲にまで増加させる必要がある。
また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが分かる。したがって、無加湿ガスの分圧を抑える程、ＱＨ２Ｏを増加させることができる。しかし、無加湿ガスの分圧を抑え過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍からの水の持ち去りが多過ぎ、酸化剤ガス流路入口近傍の高分子電解質膜を乾燥させ過ぎてしまう。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲にまで減少させる必要がある。
したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには上限値が、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には下限値が存在するため、「流量Ｑｄｒｙを上げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を下げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際にＱＨ２Ｏを一定以上に保つことができない。これら２つの値の調節を一定範囲以内でそれぞれ行うことによって、発電効率を良好に保つことができる。
【０１０５】
上記水蒸気量の操作は、酸化剤ガス制御にも応用することができる。
式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例することから、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定以下に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定以下に保つ必要があることが分かる。しかし、酸化剤ガスの流量を減少させ過ぎてしまうと、酸化剤ガスが燃料電池外へ持ち去る水分が抑えられ、酸化剤ガス流路出口近傍において、いわゆるフラッディングが生じるため、発電効率の減少を招いてしまうことが分かっている。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲にまで減少させる必要がある。
また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが分かる。したがって、無加湿ガスの分圧を増加させる程、ＱＨ２Ｏを抑制することができる。しかし、無加湿ガスの分圧を増加させ過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍からの水の持ち去りが少な過ぎ、上記同様に酸化剤ガス流路出口近傍においてフラッディングが生じてしまう。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲にまで増加させる必要がある。
したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには下限値が、無加湿ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には上限値が存在するため、「流量Ｑｄｒｙを下げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を上げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際に発電効率を良好に保つことができない。これら２つの値の調節を一定範囲以内でそれぞれ行うことによって、発電効率を良好に保つことができる。
【０１０６】
図２は、本発明の燃料電池システムにおける単セルの水の循環について示した断面模式図である。単純化のため、カソード及びアノード電極は、ガス拡散層と触媒層の区別なしに図示した。なお、「丸に点」及び「丸にバツ印」の記号は、図１同様に流路を流れるガスの流れ方向を示すものとする。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路入口１１ａから導入され、酸化剤ガス流路出口１１ｂに到達するものとし、燃料ガスは、燃料ガス流路入口１２ａから導入され、燃料ガス流路出口１２ｂに到達するものとする。
いま、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍は、前記式（２）で示される反応により生成した水によって湿潤状態になっている。この水分は、矢印２１に示されるように、高分子電解質膜１を透過して燃料ガス流路入口１２ａ近傍へ輸送される。このとき、上述したような無加湿の燃料ガスの流量Ｑｄｒｙ及び無加湿の燃料ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）の少なくともいずれか一方の調節を行うことによって、燃料ガス流路入口１２ａ近傍に輸送された水分を、より多く燃料ガス流路の出口１２ｂ近傍へと輸送することができる。この水分は、矢印２２に示されるように、高分子電解質膜１を透過して酸化剤ガス流路入口１１ａ近傍へ輸送されることから、その結果として、乾燥し易い酸化剤ガス流路の入口１１ａ近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路の出口１１ｂ近傍の水分量を調整し、無加湿でありながら、面内水分量分布が発生しない単セルを実現することができる。
【０１０７】
また、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍が、乾燥状態である時には、上述したような無加湿の酸化剤ガスの流量Ｑｄｒｙ及び無加湿の酸化剤ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）の少なくともいずれか一方の調節を行うことによって、酸化剤ガスが燃料電池外へ持ち去る水分をより少なくすることができ、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍に水分を蓄えることができる。
【０１０８】
発電効率を良好に保つために、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させることが好ましい。これは、前記ストイキ比が１０を超えると、燃料ガス流路入口において高分子電解質膜が乾燥してしまうため、発電効率の減少を招き、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つことができず、したがって酸化剤ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからである。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増加させることが好ましい（このような制御手段を、以下、燃料ガス流量制御手段とする）。これは、燃料ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、燃料ガス流量を増加できるからである。ここでいう燃料ガス供給装置とは、例えば、燃料ガスボンベ、燃料ガスポンプ等が挙げられる。
なお、前記ストイキ比を１．０〜５．０の範囲にまで増加させることがより好ましく、前記ストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで増加させることが最も好ましい。
【０１０９】
発電効率を良好に保つために、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させることが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると燃料ガス中に含まれる水分量を十分に保つことができず、したがって酸化剤ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからである。また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、発電に必要な燃料供給を十分に行うことができない。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、前記燃料ガス流路出口近傍に備えられた燃料ガス圧力調整弁の調節によって燃料ガス圧力を減少させることが好ましい（このような制御手段を、以下、燃料ガス圧力制御手段とする）。これは、燃料ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を減少できるからである。
前記燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．２ＭＰａ以下の範囲にまで減少させることがより好ましく、前記圧力を、大気圧以上、０．１ＭＰａ以下の範囲にまで減少させることが最も好ましい。
【０１１０】
なお、上述したような燃料ガス供給装置を調節することによっても、燃料ガス圧力は調節できる。しかし、燃料ガス供給装置のみによって、燃料ガス流量の増加と燃料ガス圧力の減少とを同時に達成することは困難である。したがって、燃料ガス流路入口の燃料ガス供給装置の調節と、燃料ガス流路出口近傍の燃料ガス圧力調整弁の調節とを組み合わせることによって、燃料ガス流量の増加と、燃料ガス圧力の減少とを両立することができる。
【０１１１】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させることが好ましい。これは、前記ストイキ比が３．０を超えると、酸化剤ガス流路中の水分量を十分に保つことができず、したがって燃料ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからであり、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、酸化剤ガス流路中のフラッディングが回避できないからである。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減少させることが好ましい（このような制御手段を、以下、酸化剤ガス流量制御手段とする）。これは、酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減少できるからである。ここでいう酸化剤ガス供給装置とは、例えば、酸化剤ガスボンベ、酸化剤ガスポンプ等が挙げられる。
なお、前記ストイキ比を１．２〜２．０の範囲にまで減少させることがより好ましく、前記ストイキ比を１．４〜１．７の範囲にまで減少させることが最も好ましい。
【０１１２】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａの範囲にまで増加させることが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると酸化剤ガス流路中のフラッディングが回避できないからであり、また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、酸化剤ガス流路中の水分量を十分に保つことができず、したがって燃料ガス流路へ電解質膜を通じて輸送できる水分量も限られるからである。
特に、本発明の燃料電池システムの場合は、前記酸化剤ガス流路出口近傍に備えられた酸化剤ガス圧力調整弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増加させることが好ましい（このような制御手段を、以下、酸化剤ガス圧力制御手段とする）。これは、燃料ガス圧力調整弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を増加できるからである。
前記酸化剤ガス圧力を、０．１２〜０．２５ＭＰａの範囲にまで増加させることがより好ましく、前記圧力を、０．１４〜０．２ＭＰａの範囲にまで増加させることが最も好ましい。
【０１１３】
なお、上述したような酸化剤ガス供給装置を調節することによっても、酸化剤ガス圧力は調節できる。しかし、酸化剤ガス供給装置のみによって、酸化剤ガス流量の減少と酸化剤ガス圧力の増加とを同時に達成することは困難である。したがって、酸化剤ガス流路入口の酸化剤ガス供給装置の調節と、酸化剤ガス流路出口近傍の酸化剤ガス圧力調整弁の調節とを組み合わせることによって、酸化剤ガス流量の減少と、酸化剤ガス圧力の増加とを両立することができる。
【０１１４】
図３は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。なお、ここでは燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる燃料電池について記載している。
図示するように、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガスである水素ガスと、酸化剤ガスである空気との流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置されている。
また、燃料ガス供給装置の一種である水素ガスボンベと、水素ガスポンプとによって燃料ガス流量の調節をする（燃料ガス流量の制御）。なお、この図における水素ガスポンプとは、燃料電池スタック内で消費されなかった水素ガスを再利用するためのものである。さらに、水素ガス圧力調整弁によって、水素ガス圧力の調節を行う（燃料ガス圧力の制御）。具体的にはこのようなシステムの構成により、燃料ガス流量の増加と燃料ガス圧力の減少とを両立することができる。
さらに、酸化剤ガス供給装置の一種であるエアーコンプレッサー（ＡＣＰ）によって酸化剤ガス流量の調節をする。また、空気圧力調整弁によって、空気圧力の調節を行う。具体的にはこのようなシステムの構成により、酸化剤ガス流量の減少と酸化剤ガス圧力の増加とを両立することができる。
【０１１５】
また、図３に示しているように、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路には、それぞれガス流量計測手段（水素側：水素ガスボンベに付属したレギュレーター、空気側：フローメーター）、ガス圧力計測手段（水素側及び空気側：圧力計）が備えられている。
【０１１６】
さらに、図３には示されていないが、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路には、スタック圧損計測手段が備えられている。スタック圧損計測手段としては、具体的には、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路の入口及び出口の両方にそれぞれ圧力センサを設ける。圧損の算出方法は、ΔＰ（圧損）＝Ｐ（入口圧力）−Ｐ（出口圧力）とする。
【０１１７】
また、図３に示しているように、ラジエタを有する冷却系統には、水温計測手段が備えられている。これは、燃料電池の状態、特に乾燥状態又は湿潤状態か否かを、予め水温の推移によって把握するためである。なお、７０〜１２０℃の範囲のある温度を予め設定値とし、当該設定値を超える値において燃料電池に異常（水分量分布など）が生じているとみなすのが好ましい。
【０１１８】
さらに、図３に示しているように、電圧計、電流計を有する電気系統には、負荷制御用、及び予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧・抵抗制御用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）が備えられている。
【０１１９】
また、図３に示しているように、燃料ガス流路は水素ポンプ及び水素ガス圧力調整弁による循環機能を備えるものを前提とするが、デッドエンド・少量連続排気など、循環レスシステムであってもよい。
【０１２０】
図４は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである燃料電池全体の抵抗値測定を行う。
ここで、抵抗値Ｒが、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％の値（以下、設定値Ｒ１という。）を超える値であるか否か（判定手段Ａ）で次に行う処理が異なる。抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１以下である場合、高負荷連続運転が続行され、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える値である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量不足であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足への対策として燃料ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量不足への対策として酸化剤ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、燃料電池全体の抵抗値測定を行い、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える値である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１以下である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２１】
図５は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第二の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである燃料電池全体の電圧測定を行う。
ここで、電圧Ｅが、予め計測した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％の値（以下、設定値Ｅ１という。）未満であるか否か（判定手段Ｂ）で次に行う処理が異なる。電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上である場合、高負荷連続運転が続行され、電圧Ｅが、設定値Ｅ１未満である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量過剰であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量過剰への対策として酸化剤ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量過剰への対策として燃料ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、燃料電池全体の電圧測定を行い、電圧Ｅが、設定値未満Ｅ１である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２２】
図６は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第三の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行う。
ここで、圧損ΔＰが、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ１という。）未満であるか否か（判定手段Ｃ）で次に行う処理が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１以上である場合、高負荷連続運転が続行され、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１未満である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量不足であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足への対策として燃料ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量不足への対策として酸化剤ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行い、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１未満である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１以上である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２３】
図７は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第四の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行う。
ここで、圧損ΔＰが、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ２という。なお、ΔＰ２は、上述したΔＰ１とは独立な値である。）を超える値であるか否か（判定手段Ｄ）で次に行う処理が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合、高負荷連続運転が続行され、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える値である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方が水分量過剰であると判断し、燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行する。なお、通常は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量過剰への対策として酸化剤ガス制御手段を、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量過剰への対策として燃料ガス制御手段を、それぞれ実行するが、これら２つの制御手段を同時に行ってもよい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段は、上述したストイキ比調整及び圧力調整の少なくともいずれか一方のみを行ってもよいが、当該ストイキ比調整及び圧力調整を同時に行うのが最も好ましい。
燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を行った後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定を行い、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える値である場合は、再度燃料ガス制御手段及び酸化剤ガス制御手段の少なくともいずれか一方を実行し、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合には、高負荷連続運転が継続される。
【０１２４】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ａと、前記水分輸送促進制御作動手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分輸送促進制御停止手段Ａと、前記水分輸送促進制御停止手段Ａの後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ａと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ａと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ａを備えるという構成をとることができる。
【０１２５】
図８は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第五の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した水温計測手段によって冷却水温Ｔの計測を行う。この際、測定された水温Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転を続行し、水温Ｔが設定値Ｔ１を超える値であれば、判定手段Ａ（抵抗測定）をさらに行う。この際、測定された抵抗値Ｒが設定値Ｒ１以下であれば、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が適切に保たれていると判定し、高負荷運転を続行する。
なお、ここまでの操作手順は図４に示した典型例の前半部分と本質的に変わりがない。抵抗Ｒが設定値Ｒ１を超える値である場合、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を以下のように増加させる点が、典型例と異なる。
【０１２６】
前記判定手段Ａにより、抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える値であれば、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ａ）。当該作動手段Ａは、判定手段Ｃ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送促進制御停止手段Ａ）。
次に、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ａ）。当該作動手段Ａは、判定手段Ｄ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送抑制制御停止手段Ａ）。
最後に、判定手段Ａ（抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１２７】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送促進制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ａによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【０１２８】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１２９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｂと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｂの後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ｂと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｂと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｂの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ｂを備えるという構成をとることができる。
【０１３０】
図９は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第六の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。この状態から、冷却水温Ｔ測定及び判定手段Ａの実行までは、上述した第五の典型例（図８）と同様である。
【０１３１】
前記判定手段Ａにより、抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える値であれば、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ｂ）。当該作動手段Ｂは、判定手段Ｄ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送抑制制御停止手段Ａ）。
次に、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ｂ）。当該作動手段Ｂは、判定手段Ｃ（圧損測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送促進制御停止手段Ｂ）。
最後に、判定手段Ａ（抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１３２】
このような構成の燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、前記水分輸送促進制御作動手段Ｂによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記水分量不足最終判定手段Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体の水分量分布の発生を防止することができる。
【０１３３】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１３４】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送促進制御作動手段と、前記水分小過剰輸送促進制御作動手段の後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送促進制御停止手段と、前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｃと、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｃと、前記水分輸送抑制制御停止手段Ｃの後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｃと、前記水分輸送促進制御作動手段Ｃの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に前記燃料ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止手段Ｃを備えるという構成をとることができる。
【０１３５】
図１０は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第七の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した水温計測手段によって冷却水温Ｔの計測を行う。この際、測定された水温Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転を続行し、水温Ｔが設定値Ｔ１を超える値であれば、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分小過剰輸送促進制御作動手段）。当該作動手段は、判定手段Ａ（抵抗測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分小過剰輸送促進制御停止手段）。
すなわち、ここまでの作動工程は、前半の水温計測手段によって燃料電池内における何らかの異常を検知した後、その異常が酸化剤ガス流路のどの部位の異常かを判断すること無く、酸化剤ガス流路出口近傍から燃料ガス流路を経由した酸化剤ガス流路入口近傍への水分の輸送を小過剰分だけ促進することにより、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を一時的に不足状態としている。
【０１３６】
前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ｃ）。当該作動手段Ｃは、判定手段Ｂ（電圧測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送抑制制御停止手段Ｃ）。
次に、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ｃ）。最後に、判定手段Ａ（抵抗測定）により酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１３７】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送促進制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を十分蓄えた後に、さらに前記水分輸送促進制御作動手段Ｃによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持できなくなるような触媒層（例えば、意図的に触媒を腐食させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を有する燃料電池を有する場合において、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【０１３８】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１３９】
本発明の燃料電池システムの一形態としては、前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、上述した判定手段Ａ及び判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、上述した判定手段Ｂ及び判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送抑制制御作動手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段の後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送抑制制御停止手段と、前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｄと、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｄと、前記水分輸送促進制御停止手段Ｄの後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｄと、前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に前記酸化剤ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止手段Ｄを備えるという構成をとることができる。
【０１４０】
図１１は、本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第八の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
いま、燃料電池システムが高負荷連続運転中であるとする。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した水温計測手段によって冷却水温Ｔの計測を行う。この際、測定された水温Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転を続行し、水温Ｔが設定値Ｔ１を超える値であれば、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分小過剰輸送抑制制御作動手段）。当該作動手段は、判定手段Ｂ（電圧測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分小過剰輸送抑制制御停止手段）。
すなわち、ここまでの作動工程は、前半の水温計測手段によって燃料電池内における何らかの異常を検知した後、その異常が酸化剤ガス流路のどの部位の異常かを判断すること無く、酸化剤ガス流路出口近傍から燃料ガス流路を経由した酸化剤ガス流路入口近傍への水分の輸送を小過剰分だけ抑制することにより、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を一時的に過剰状態としている。
【０１４１】
前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、燃料ガス流量制御手段、及び燃料ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送促進制御作動手段Ｄ）。当該作動手段Ｄは、判定手段Ａ（抵抗測定）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで１回以上行い、当該判定によって停止する（水分輸送促進制御停止手段Ｄ）。
次に、酸化剤ガス流量制御手段、及び酸化剤ガス圧力制御手段の少なくともいずれか一方を行う（水分輸送抑制制御作動手段Ｄ）。最後に、判定手段Ｂ（電圧測定）により酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に燃料電池の運転を継続する。
【０１４２】
このような構成の燃料電池システムは、初めに前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段によってあえて前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記水分輸送促進制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、さらに前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増加させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍のいずれの水分量も過不足ない、適度な量に保つことができる。また、本発明の燃料電池システムは、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持できなくなるような電解質膜（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を有する燃料電池を有する場合において、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【０１４３】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一形態としては、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を行い、さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が過剰ではないと判定した場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続するという構成をとることができる。
【０１４４】
本発明の燃料電池の運転方法、及び当該運転方法を具体化するための好適な燃料電池システムは、酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明の燃料電池システムは、判定手段を有することにより、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に把握することができる。
【０１４５】
本発明の好ましい燃料電池の運転方法、及び当該運転方法を具体化するための好適な燃料電池システムによれば、酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガスに含まれた水分をより多く燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの水分を、高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができ、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調整し、無加湿条件及び高温条件の、少なくともいずれか一方の条件の下にありながら、単セルの面内水分量分布の発生を防止することができる。また本発明によれば、本発明の燃料電池システム外へ排出される、酸化剤ガスが持ち去る水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄えることができる。さらに本発明の燃料電池システムによれば、判定手段を有することにより、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量不足及び水分量過剰を的確に把握することができる。
【実施例】
【０１４６】
１．燃料ガス供給量変化に伴う発電性能、露天湿度及び圧損測定
上述した膜・電極接合体を有し、且つ、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）の流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルに関して、燃料ガスとして用いた水素ガスのストイキ比の変化に対する、セル電圧Ｅ（Ｖ）、セル抵抗Ｒ（ｍΩ・ｃｍ２）、アノード出口露天湿度（％）、カソード出口露天湿度（％）、水素ガス圧損（ｋＰａ）、空気圧損（ｋＰａ）の変化について、それぞれ測定した。詳細な実験条件は以下の通りである。
【０１４７】
電流密度：１．０Ａ／ｃｍ２
冷却水出口温度：８０℃
水素ガス流量：ストイキ比１．２〜６．０まで徐々に増加させて計測
空気流量：ストイキ比１．３、１．５、１．６のそれぞれについて計測
ガス圧力：水素ガス、空気共に２００ｋＰａ・Ａｂｓ
ガス流路入口加湿：水素ガス流路、空気流路共に無加湿
【０１４８】
図１２は水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル電圧変化を、図１３はセル抵抗変化を、それぞれ示したグラフである。グラフ上の白丸が空気ストイキ比１．３の時の、白四角が空気ストイキ比１．５の時の、白三角が空気ストイキ比１．６の時のデータをそれぞれ示している。
図１２に示されるように、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、セル電圧が極大値を有する。また、図１３に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、セル抵抗が極小値を有する。
【０１４９】
図１４は水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口露天湿度変化を、図１５はカソード出口露天湿度変化を、それぞれ示したグラフである。グラフ上の白丸、白四角及び白三角は図１２及び図１３と同様のものを示す。燃料ガス流路出口から排出されるアノード排水は、その一部が電解質膜を透過することによって、電解質膜を挟んで反対側の酸化剤ガス流路の入口に輸送されるため、アノード出口露天湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路入口の水分量を知ることができる。また、カソード出口露天湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路出口の水分量を知ることができる。
図１４に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、アノード出口露天湿度が極大値を有する。なお、空気ストイキ比が１．３の時（白丸）は、水素ガスストイキ比を増加させても、アノード出口露天湿度は飽和したまま、高加湿を維持し続けている。また、図１５に示されるように、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６の時のいずれも、水素ガスのストイキ比が２．５付近で、ほぼ単調減少であるカソード出口露天湿度のグラフの変曲点が存在する。
【０１５０】
図１６は水素ガスのストイキ比の変化に伴う水素ガス圧損変化を示したグラフである。なお、この時の空気ストイキ比は１．５である。この図から、水素ガス圧損は、水素ガスのストイキ比に比例して増加していることが分かる。
【０１５１】
図１７は水素ガスのストイキ比の変化に伴う空気圧損変化を示したグラフである。なお、この時の空気ストイキ比は１．６である。この図から、空気圧損は、上述した様な電圧、抵抗が最大値を有する水素ガスストイキ比２．５付近で急激に減少することが分かる。
【０１５２】
２．燃料ガス供給量が発電性能及び単セルの面内水分量分布にもたらす影響の考察
上述した発電性能測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近でセル電圧が極大値を示し、前記比が２．５付近でセル抵抗が極小値を示していることから、前記比が１．５〜３．０の範囲において、発電性能が最も高くなることが分かる。
また上述した露天湿度測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近でアノード出口露天湿度のグラフの極大値が存在し、前記比が２．５付近でカソード出口露天湿度のグラフの変曲点が存在することから、前記比が１．０〜４．０の範囲において、燃料ガス流路から酸化剤ガス流路へ電解質膜を透過する水分量の増加率が最も高くなることが分かる。
さらに、上述した圧損測定より、空気圧損は、上述した様な電圧、抵抗が最大値を有する水素ガスストイキ比２．５付近で急激に減少することが分かる。
したがって、燃料ガス供給量が発電性能、単セルの面内水分量分布及びガス圧損にもたらす影響に関して、以下の考察を導くことができる。
【０１５３】
水素ガスのストイキ比が１．０未満であると、水素ガスが輸送する水分量が減少することによって、図２に示したような水の循環が途切れ、単セルの面内水分量分布が生じ、発電性能低下につながる。さらに、前記水分量分布により、局部的に酸化剤ガス流路の詰まりが発生するため空気ガス圧損が高くなる。
また、水素ガスのストイキ比が４．０を超えると、水素ガスが輸送する水分量が必要以上に増加することによって、燃料ガス流路入口における電解質膜が乾燥し、結果的に酸化剤ガス流路出口から燃料ガス流路入口へ電解質膜を透過する水分量が低下し、発電性能低下につながる。さらに、前記水分量低下により、酸化剤ガス流路中が乾燥するため空気ガス圧損が低くなる。
【０１５４】
３．まとめ
本実施例の燃料ガス供給量変化に伴う発電性能、露天湿度及び圧損測定を行うことによって、燃料ガスの一種である水素ガスのストイキ比が１．０〜４．０の範囲において、電解質膜を乾燥させてしまうことなく、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることができ、発電性能の低下を抑制することができることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】本発明の燃料電池システム中の単セルを積層方向に切断した断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池システムにおける単セルの水の循環について示した断面模式図である。
【図３】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。
【図４】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第二の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第三の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第四の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図８】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第五の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第六の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図１０】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第七の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図１１】本発明の燃料電池の運転方法を具体化するための、好適な燃料電池システムの第八の典型例の作動工程を示したフローチャートである。
【図１２】水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル電圧変化を示したグラフである。
【図１３】水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル抵抗変化を示したグラフである。
【図１４】水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口露天湿度変化を示したグラフである。
【図１５】水素ガスのストイキ比の変化に伴うカソード出口露天湿度変化を示したグラフである。
【図１６】水素ガスのストイキ比の変化に伴う水素ガス圧損変化を示したグラフである。
【図１７】水素ガスのストイキ比の変化に伴う空気圧損変化を示したグラフである。
【符号の説明】
【０１５６】
１…固体高分子電解質膜
２…カソード触媒層
３…アノード触媒層
４，５…ガス拡散層
６…カソード電極
７…アノード電極
８…膜・電極接合体
９，１０…セパレータ
１１…酸化剤ガス流路
１１ａ…酸化剤ガス流路入口
１１ｂ…酸化剤ガス流路出口
１２…燃料ガス流路
１２ａ…燃料ガス流路入口
１２ｂ…燃料ガス流路出口
２１，２２…水分の移動方向を示す矢印
１００…単セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、
前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、
前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方の水分量の判定手段と、
前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる燃料ガス制御手段、並びに、
前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる酸化剤ガス制御手段、の少なくともいずれか一方を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記判定手段が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ａである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定手段が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｂである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｃである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｄである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス流路出口近傍に、さらに燃料ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス圧力調整弁の調節によって燃料ガス圧力を減少させる燃料ガス圧力制御手段である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス圧力制御手段が、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるため、前記燃料ガス圧力調整弁を調節するものである、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
さらに酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減少させる酸化剤ガス流量制御手段である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガス流量制御手段が、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるため、前記酸化剤ガス供給装置を調節するものである、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
さらに燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増加させる燃料ガス流量制御手段である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料ガス流量制御手段が、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるため、前記燃料ガス供給装置を調節するものである、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記酸化剤ガス流路出口近傍に、さらに酸化剤ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス圧力調整弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増加させる酸化剤ガス圧力制御手段である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記酸化剤ガス圧力制御手段が、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるため、前記酸化剤ガス圧力調整弁を調節するものである、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ａと、
前記水分輸送促進制御作動手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分輸送促進制御停止手段Ａと、
前記水分輸送促進制御停止手段Ａの後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ａと、
前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ａと、
前記水分輸送抑制制御停止手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ａを備える、請求項１乃至１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ｂと、
前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｂと、
前記水分輸送抑制制御停止手段Ｂの後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ｂと、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｂと、
前記水分輸送促進制御停止手段Ｂの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ｂを備える、請求項１乃至１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送促進制御作動手段と、
前記水分小過剰輸送促進制御作動手段の後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送促進制御停止手段と、
前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｃと、
前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｃと、
前記水分輸送抑制制御停止手段Ｃの後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｃと、
前記水分輸送促進制御作動手段Ｃの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に前記燃料ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止手段Ｃを備える、請求項１乃至１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送抑制制御作動手段と、
前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段の後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送抑制制御停止手段と、
前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｄと、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｄと、
前記水分輸送促進制御停止手段Ｄの後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｄと、
前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に前記酸化剤ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止手段Ｄを備える、請求項１乃至１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、
無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることを特徴とする、燃料電池の運転方法。
【請求項２０】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、
無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させ、且つ、
無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる、請求項１９に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２１】
燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２２】
燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２３】
酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２４】
酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２５】
燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させる、請求項１９乃至２４のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２６】
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させる、請求項１９乃至２５のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２７】
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させる、請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２８】
酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させる、請求項１９乃至２７のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２９】
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至２８のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３０】
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３１】
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を行い、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至３０のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３２】
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を行い、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が過剰ではないと判定した場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至３１のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、
前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を有する単セルを有するスタックを有する燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を有し、さらに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、
前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の少なくともいずれか一方の水分量の判定手段と、
前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させる燃料ガス制御手段、並びに、
前記判定手段において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定された場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる酸化剤ガス制御手段、の少なくともいずれか一方を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記判定手段が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ａである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定手段が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル及び前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｂである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｃである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判定手段が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する判定手段Ｄである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス流路出口近傍に、さらに燃料ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス圧力調整弁の調節によって燃料ガス圧力を減少させる燃料ガス圧力制御手段である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス圧力制御手段が、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるため、前記燃料ガス圧力調整弁を調節するものである、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
さらに酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減少させる酸化剤ガス流量制御手段である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガス流量制御手段が、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるため、前記酸化剤ガス供給装置を調節するものである、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
さらに燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス制御手段が、前記燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増加させる燃料ガス流量制御手段である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料ガス流量制御手段が、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるため、前記燃料ガス供給装置を調節するものである、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記酸化剤ガス流路出口近傍に、さらに酸化剤ガス圧力調整弁を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス制御手段が、前記酸化剤ガス圧力調整弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増加させる酸化剤ガス圧力制御手段である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記酸化剤ガス圧力制御手段が、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるため、前記酸化剤ガス圧力調整弁を調節するものである、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ａと、
前記水分輸送促進制御作動手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分輸送促進制御停止手段Ａと、
前記水分輸送促進制御停止手段Ａの後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ａと、
前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ａと、
前記水分輸送抑制制御停止手段Ａの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ａから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ａを備える、請求項１乃至１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分輸送抑制制御作動手段Ｂと、
前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｂと、
前記水分輸送抑制制御停止手段Ｂの後に、前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分輸送促進制御作動手段Ｂと、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｂと、
前記水分輸送促進制御停止手段Ｂの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｂから行い、水分量不足でない場合に前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定手段Ｂを備える、請求項１乃至１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記燃料ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送促進制御作動手段と、
前記水分小過剰輸送促進制御作動手段の後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送促進制御停止手段と、
前記水分小過剰輸送促進制御停止手段の後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｃと、
前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送抑制制御停止手段Ｃと、
前記水分輸送抑制制御停止手段Ｃの後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｃと、
前記水分輸送促進制御作動手段Ｃの後に、前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足であるか否かを判定し、水分量不足の場合に再度前記水分輸送抑制制御作動手段Ｃから行い、水分量不足でない場合に前記燃料ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止手段Ｃを備える、請求項１乃至１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料ガス制御手段及び前記酸化剤ガス制御手段をいずれも備え、
請求項３に記載の判定手段Ａ及び請求項５に記載の判定手段Ｃの少なくともいずれか一方、並びに、請求項４に記載の判定手段Ｂ及び請求項６に記載の判定手段Ｄの少なくともいずれか一方を備え、
前記酸化剤ガス制御手段を一回以上行う水分小過剰輸送抑制制御作動手段と、
前記水分小過剰輸送抑制制御作動手段の後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御手段を停止する水分小過剰輸送抑制制御停止手段と、
前記水分小過剰輸送抑制制御停止手段の後に、前記燃料ガス制御手段を行う水分輸送促進制御作動手段Ｄと、
前記判定手段Ａ及びＣの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御手段をいずれも停止する水分輸送促進制御停止手段Ｄと、
前記水分輸送促進制御停止手段Ｄの後に、前記酸化剤ガス制御手段を行う水分輸送抑制制御作動手段Ｄと、
前記水分輸送抑制制御作動手段Ｄの後に、前記判定手段Ｂ及びＤの少なくともいずれか一方によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し、水分量過剰の場合に再度前記水分輸送促進制御作動手段Ｄから行い、水分量過剰でない場合に前記酸化剤ガス制御手段を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止手段Ｄを備える、請求項１乃至１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、
無加湿条件か、又は、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させることを特徴とする、燃料電池の運転方法。
【請求項２０】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置された単セルを有するスタックを有する燃料電池の運転方法であって、
無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、燃料ガス流量を増加させるか、燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減少させ、且つ、
無加湿条件及び膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定した場合に、酸化剤ガス流量を減少させるか、酸化剤ガス圧力を増加させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減少させ、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増加させる、請求項１９に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２１】
燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２２】
燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め計測した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２３】
酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２４】
酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め計測した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかの少なくともいずれか一方と判定する、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２５】
燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させる、請求項１９乃至２４のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２６】
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させる、請求項１９乃至２５のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２７】
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させる、請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２８】
酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させる、請求項１９乃至２７のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２９】
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至２８のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３０】
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３１】
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、及び、燃料ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を行い、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した場合に、再度前記酸化剤ガスの制御から行い、水分量が不足していないと判定した場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至３０のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３２】
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し、その後に、
燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲にまで増加させるか、燃料ガス圧力を大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで減少させるかの少なくともいずれか一方を一回以上行い、その後に、
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定した後に、前記燃料ガスの制御を停止し、その後に、
酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲にまで減少させるか、及び、酸化剤ガス圧力を、大気圧以上、０．３ＭＰａ以下の範囲にまで増加させるかの少なくともいずれか一方を行い、
さらにその後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定した場合に、再度前記燃料ガスの制御から行い、水分量が過剰ではないと判定した場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続する、請求項１９乃至３１のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００９−２５９７５８（Ｐ２００９−２５９７５８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７１３６５（Ｐ２００８−１７１３６５）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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