(57)【要約】【課題】燃料電池システムの過度な湿潤状態を効率的に回復させる。【解決手段】燃料電池システム１０は、少なくとも酸化剤および熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタック２０と、熱媒体流路に供給される熱媒体の温度および供給量を変化させる熱媒体調節手段と、酸化剤の温度と湿度と流量を変化させる酸化剤温湿度調節手段と、熱媒体調節手段および酸化剤温湿度調節手段を調節する制御部１００と、を備える。制御部１００は、燃料電池スタック２０の発電性能が許容される状態から外れた場合には、熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節することによって、熱媒体流路の入口付近における熱媒体の温度を酸化剤流路の入口付近における酸化剤の露点と同等にした上で、酸化剤流路の出口付近における酸化剤の相対湿度を１００％未満にする回復運転を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にアノードが接合されて前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、および隣接する一方の膜電極接合体に設けられた燃料流路プレートと他方の膜電極接合体に設けられた酸化剤流路プレートとの間に熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた積層体を含み、少なくとも前記酸化剤および前記熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、
前記熱媒体流路に供給される前記熱媒体の温度および供給量を変化させる熱媒体調節手段と、
前記酸化剤の温度と湿度と流量を変化させる酸化剤温湿度調節手段と、
前記熱媒体調節手段および前記酸化剤温湿度調節手段を調節する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックが通常運転をしている場合には、前記熱媒体調節手段と前記酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節することによって、前記酸化剤流路の出口付近における前記酸化剤の相対湿度を１００％とし、
前記燃料電池スタックの発電性能が許容される状態から外れた場合には、前記熱媒体調節手段と前記酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節することによって、前記熱媒体流路の入口付近における前記熱媒体の温度を前記酸化剤流路の入口付近における前記酸化剤の露点と同等にした上で、前記酸化剤流路の出口付近における前記酸化剤の相対湿度を１００％未満にする回復運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記回復運転において、前記熱媒体調節手段を調節して前記熱媒体流路を流通する前記熱媒体の流量を減少させることによって、前記熱媒体流路の出口付近の温度（Ｔ２）と入口付近の温度（Ｔ１）との差（ΔＴ２−１＝Ｔ２−Ｔ１）を第１の所定値以上にすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の一部を熱交換させる第１の熱交換手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の残りおよび前記第１の熱交換手段を経由した熱媒体をさらに熱交換させる第２の熱交換手段と、
前記第１の熱交換手段と前記第２の熱交換手段に供給する前記熱媒体の割合を変える分配手段と、をさらに備え、
前記第１の熱交換手段と前記第２の熱交換手段は、それぞれ前記燃料加湿手段と前記酸化剤温湿度調節手段のいずれか一方であって、
前記制御部は、前記通常運転および前記回復運転において、前記分配手段を調節することによって、前記熱媒体流路の入口付近における熱媒体の温度を前記酸化剤流路の入口付近における酸化剤の露点および前記燃料流路の入口付近における燃料の露点と同等にすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料の流れは、前記酸化剤および前記熱媒体の流れと並行流であって、
前記燃料流路の入口付近における前記燃料の露点は、前記酸化剤流路の入口付近における前記酸化剤の露点および前記熱媒体流路の入口付近における前記熱媒体の温度と同等であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの発電性能が許容される状態から外れた場合とは、電流または出力（電流×電圧）が一定の場合における前記燃料電池スタックの電圧が、第２の所定値未満となることであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、電流または出力（電流×電圧）が一定の場合における前記燃料電池スタックの電圧が第３の所定値以上まで回復した後、前記燃料電池スタックの電圧が第４の所定値未満まで低下した場合に、前記回復運転を終了することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤温湿度調節手段は、燃料電池スタックから排出された酸化剤と酸化剤加湿手段に供給する酸化剤とで湿熱交換する全熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池に使用される電解質は、乾燥した条件下で劣化が早まることが知られている。そこで、加湿した燃料および空気を供給して電解質を湿潤した状態に保つことによって、劣化を抑制して電解質の長寿命化が図られている。一方で、燃料流路および酸化剤流路で結露が生じるような高加湿条件下で燃料電池を長期間運転すると、電極が濡れてガス拡散性が低下する、すなわち燃料電池の電流−電圧特性などの発電性能が低下する場合がある。また、燃料流路および空気流路を流れるガスの露点は、発電反応に伴い燃料電池中で流路の上流から下流に向かうに従って上昇する。そのため、燃料電池の内部では、電極の下流側がより濡れやすい条件となっている。
【０００３】
電極の濡れを解消するために、燃料または空気の露点を一時的に下げることによって、燃料流路および酸化剤流路で結露が生じない低加湿条件下で性能を回復する運転を行う等の方法が提案されている(特許文献１、特許文献２)。また、燃料または空気流路の結露水を除去するために、結露が生じない条件下で燃料電池を運転する方法が提案されている(特許文献３)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６３９４６号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２６６４号公報
【特許文献３】特開２００１−１４８２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
引用文献１の技術では、冷却水流量や空気流量を調節して、燃料電池スタック内で結露を回復することができるとされている。引用文献２の技術では、循環水流量や酸化剤ガスの流量を調節して、燃料電池スタック内で結露を回復することができるとされている。引用文献３の技術では、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の圧力損失の変化で結露を検出した場合、冷却能力を下げて電池温度を高める、燃料ガスの加湿量を下げる、酸化剤ガスの加湿量を下げる、燃料ガスの供給量を上げる、酸化剤ガスの供給量を上げるという制御のうちの少なくとも一つを行うことによって、結露を解消することができるとされている。しかし、これらの技術では、以下の課題がある。
（１）燃料電池スタック内が結露する状態から結露しない状態に運転条件が移行する際に、一時的に反応ガス流路毎の結露状態が不均一になってガス分配が偏り、結露水が多いセルの電圧が低下するなど不安定になりやすい。
（２）回復運転を一定時間あるいは所定時間行うとされているのみで、性能回復の基準が記載されておらず回復運転をどの程度すればよいのか不明である。
（３）燃料流路および空気流路を流れるガスの露点は、発電反応に伴い流路の上流から下流にいくに従い上昇する。よって、流路の下流部を乾燥させるために、単純に供給反応ガスの露点を下げるだけでは、上流部が過度な低加湿条件となり電解質の劣化を招く恐れがある。
（４）燃料電池スタックの冷却水流量、冷却水温度、燃料加湿温度、空気加湿温度、空気流量をそれぞれ制御する必要があるため、制御が複雑である。
（５）特殊な内部加湿方式の燃料電池スタックを使用している。
本発明者らはこれらの点において改善の余地を見出した。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックが過度に湿潤した状態を、効率的且つ安定に回復させることができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、電解質膜の一方の面にアノードが接合されて電解質膜の他方の面にカソードが接合された複数の膜電極接合体、アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、および隣接する一方の膜電極接合体に設けられた燃料流路プレートと他方の膜電極接合体に設けられた酸化剤流路プレートとの間に熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた積層体を含み、少なくとも酸化剤および熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、熱媒体流路に供給される熱媒体の温度および供給量を変化させる熱媒体調節手段と、酸化剤の温度と湿度と流量を変化させる酸化剤温湿度調節手段と、熱媒体調節手段および酸化剤温湿度調節手段を調節する制御部と、を備える。制御部は、燃料電池スタックが通常運転をしている場合には、熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節することによって、酸化剤流路の出口付近における酸化剤の相対湿度を１００％とし、燃料電池スタックの発電性能が許容される状態から外れた場合には、熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節することによって、熱媒体流路の入口付近における熱媒体の温度を酸化剤流路の入口付近における酸化剤の露点と同等にした上で、酸化剤流路の出口付近における酸化剤の相対湿度を１００％未満にする回復運転を行うことを特徴とする。
【０００８】
これによれば、燃料電池スタックが結露によって過度に湿潤した状態を、効率的に回復させることができる。その結果、低下した電流−電圧特性などの発電性能を、容易に回復させることができる。
【０００９】
上記態様において、制御部は、回復運転において、熱媒体調節手段を調節して熱媒体流路を流通する熱媒体の流量を減少させることによって、熱媒体流路の出口付近の温度（Ｔ２）と入口付近の温度（Ｔ１）との差（ΔＴ２−１＝Ｔ２−Ｔ１）を第１の所定値以上にすることが好ましい。
【００１０】
また、燃料を加湿する燃料加湿手段と、燃料電池スタックから排出された熱媒体の一部を熱交換させる第１の熱交換手段と、燃料電池スタックから排出された熱媒体の残りおよび第１の熱交換手段を経由した熱媒体をさらに熱交換させる第２の熱交換手段と、第１の熱交換手段と第２の熱交換手段に供給する熱媒体の割合を変える分配手段と、をさらに備えてもよい。この場合、第１の熱交換手段と第２の熱交換手段は、それぞれ燃料加湿手段と酸化剤温湿度調節手段のいずれか一方である。また、制御部は、通常運転時および回復運転において、分配手段を調節することによって、熱媒体流路の入口付近における熱媒体の温度を酸化剤流路の入口付近における酸化剤の露点および燃料流路の入口付近における燃料の露点と同等にすることが好ましい。
【００１１】
また、燃料の流れは、酸化剤および熱媒体の流れと並行流であって、燃料流路の入口付近における燃料の露点は、酸化剤流路の入口付近における酸化剤の露点および熱媒体流路の入口付近における熱媒体の温度と同等であることが好ましい。
【００１２】
また、燃料電池スタックの発電性能が許容される状態から外れた場合とは、燃料電池スタックの電流−電圧特性などの発電性能が低下した状態、たとえば電流または出力（電流×電圧）が一定の場合における燃料電池スタックの電圧が第２の所定値未満に低下(電流は上昇)した状態であることが好ましい。
【００１３】
また、制御部は、燃料電池スタックの電流−電圧特性などの発電性能、たとえば電流または出力（電流×電圧）が一定の場合における燃料電池スタックの電圧が、定められた第３の所定値以上まで回復した後、燃料電池スタックの電流−電圧特性などの発電性能、たとえば電流または出力（電流×電圧）が一定の場合における燃料電池スタックの電圧が第４の所定値未満まで低下した場合に、回復運転を終了することが好ましい。
【００１４】
また、酸化剤温湿度調節手段は、燃料電池スタックから排出された酸化剤と酸化剤加湿手段に供給する酸化剤とで湿熱交換する全熱交換器をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、効率的に燃料電池スタックの性能を回復することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】回復運転の制御を示すフロー図である。
【図３】空気利用率、空気入口露点（Ｔ６）および空気出口露点（Ｔ８）の関係を示すグラフである。
【図４】空気流路位置（ｘ）と空気露点（Ｔ６，Ｔ８）との関係を示すグラフである。
【図５】図４のデータの条件で空気出口露点（Ｔ８）が７５℃であるとした場合の空気流路位置（ｘ）とその位置における相対湿度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図７】燃料電池システムの第１の変形例を示す図である。
【図８】燃料電池システムの第２の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１９】
[第１の実施の形態]
以下、本発明の第１の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、燃料供給手段３０、燃料加湿器４０、空気供給手段５０、空気加湿器６０、熱媒体用熱交換器７０、熱媒体配管８０、循環ポンプ９０および制御部１００を備える。
【００２０】
燃料電池スタック２０は、高分子電解質膜である電解質膜１８の一方の面にアノード１２が接合され電解質膜１８の他方の面にカソード１４が接合された複数の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）１９、アノード１２に燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート１３、カソード１４に酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート１５、および隣接する一方の膜電極接合体１９ａに設けられた燃料流路プレート１３ａと他方の膜電極接合体１９ｂに設けられた酸化剤流路プレート１５ｂとの間に熱媒体が流通する熱媒体流路１６が設けられた積層体を含む。また、本実施の形態の燃料電池スタック２０では、少なくとも酸化剤の流れと熱媒体の流れとが並行流である。さらに、これらと燃料の流れも並行流であることが望ましい。その理由は後述する。また、これらの流れの方向は、燃料電池スタック２０においては重力方向の並行流であることが望ましい。
【００２１】
図１では、スタック中に２つのセルが設けられている場合を示す。この場合、熱媒体流路１６は、一方のセルのアノード１２ａと、他方のセルのカソード１４ｂとの間に設けられている。また、各セルの燃料流路プレート１３ａ，１３ｂと、酸化剤流路プレート１５ａ，１５ｂには、それぞれ燃料流路と酸化剤流路が図示しないマニホールドにより分配されている。燃料流路プレート１３ａ，１３ｂからアノード１２ａ，１２ｂには燃料が、酸化剤流路プレート１５ａ，１５ｂからカソード１４ａ，１４ｂには酸化剤が、それぞれ供給される。なお、各セル間に熱媒体流路１６が設けられるため、セルがｎ個の場合には後述する熱媒体配管８０がセルの入口付近において分岐して、ｎ−１個の熱媒体流路１６が形成される。また、セルの出口付近においてこれらの熱媒体流路１６が１つの熱媒体配管８０に合流する。
【００２２】
本実施の形態では、熱媒体として水が用いられる。ただし、熱の受け渡しが可能な媒体であれば、他の液体や気体を用いることもできる。以下、熱媒体として用いられる水を冷却水とよぶ。本実施の形態では、少なくとも各流路の積層方向からみて電極と重なる箇所が直線状の並行流である場合を示すが、各流路はサーペンタイン流路などの蛇行または屈折した流路であってもよい。また、並行流は流路同士が厳密に平行である必要はなく、実質的に並行していればよい。
【００２３】
燃料供給手段３０は、燃料となる水素を供給する手段である。たとえば、燃料供給手段３０は、天然ガスやメタンガス等の炭化水素系ガスを貯留する燃料タンク、燃料タンクから供給される炭化水素系ガスから硫黄成分を除去する脱硫器、および脱硫後の炭化水素系ガスを改質して水素を取り出す改質装置から主に構成される。
【００２４】
燃料加湿器４０は、燃料供給手段３０から供給された燃料を加湿する。具体的には、燃料加湿器４０は、燃料加湿タンク４２および燃料用熱交換器４４を含む。燃料加湿器４０は、燃料加湿タンク４２に収容され燃料用熱交換器４４によって昇温された水を用いて、バブリング方式により燃料を加湿して、燃料の相対湿度を１００％ＲＨに近づける。
【００２５】
空気供給手段５０は、酸化剤となる酸素を含む空気を供給する手段である。空気供給手段５０は、たとえば外気を取り込むブロア、および必要に応じて設けられるエアフィルタで構成される。
【００２６】
空気加湿器６０は、空気供給手段５０から供給される空気を加湿する。具体的には、空気加湿器６０は、空気加湿タンク６２を含み、空気加湿タンク６２に収容された水を用いて、バブリング方式により空気を加湿および昇温して、空気の相対湿度を１００％ＲＨに近づける。以下、空気供給手段５０と空気加湿器６０とを合わせて、酸化剤温湿度調節手段と呼ぶ。酸化剤温湿度調節手段は、酸化剤の温度と湿度と流量を変化させる。
【００２７】
熱媒体用熱交換器７０は、外気などとの熱交換により、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を低下させる。熱媒体用熱交換器７０により、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を効率的に下げることができる。
【００２８】
熱媒体配管８０は、燃料電池スタック２０に設けられた熱媒体流路１６を流通して排出された冷却水が、再び熱媒体流路１６に供給されるような冷却水の循環が可能な経路を備える。具体的には、燃料電池スタック２０から排出された冷却水は、熱媒体用熱交換器７０にまず導かれる。熱媒体用熱交換器７０を通過した冷却水は、燃料加湿器４０が有する燃料用熱交換器４４を流通し、空気加湿器６０の空気加湿タンク６２を流通した後、空気加湿器６０から排出される。
【００２９】
循環ポンプ９０は、空気加湿器６０から冷却水を吸引し、所定の水量にて燃料電池スタック２０に送り込む。以下、熱媒体用熱交換器７０と循環ポンプ９０とを合わせて、熱媒体調節手段と呼ぶ。この場合、熱媒体調節手段は、燃料電池スタック２０の熱媒体流路１６に供給される熱媒体の温度および供給量を変化させる。
【００３０】
制御部１００は、燃料電池スタック２０による発電量を制御する。また、制御部１００は、熱媒体調節手段（熱媒体用熱交換器７０と循環ポンプ９０）および酸化剤温湿度調節手段（空気供給手段５０と空気加湿器６０）を制御する。また、制御部１００は、必要に応じて、燃料供給手段３０からの燃料供給量を制御する。
【００３１】
以下の説明では、燃料電池スタック２０に設けられた熱媒体流路１６の入口付近における冷却水の温度を、冷却水入口温度（Ｔ１）と呼び、燃料電池スタック２０に設けられた熱媒体流路１６の出口付近における冷却水の温度を、冷却水出口温度（Ｔ２）と呼ぶ。また、燃料加湿器４０で加湿された燃料の温度を加湿燃料温度（Ｔ３）と呼び、空気加湿器６０で加湿された空気の温度を加湿空気温度（Ｔ４）と呼ぶ。さらに、燃料電池スタック２０に設けられた燃料流路の入口付近における燃料の露点を燃料入口露点（Ｔ５）と呼び、燃料電池スタック２０に設けられた酸化剤流路の入口付近における空気の露点を空気入口露点（Ｔ６）と呼ぶ。また、酸化剤流路の出口付近における空気の温度を、空気出口温度（Ｔ７）と呼ぶ。また、酸化剤流路の出口付近における空気の露点を、空気出口露点（Ｔ８）と呼ぶ。また、燃料電池スタック２０の表面温度を燃料電池表面温度（Ｔ９）と呼ぶ。なお、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８およびＴ９は、必要に応じて図示しない温度センサにより計測され、計測された値は制御部１００に送信される。また、燃料流路と酸化剤流路における温度（Ｔ５〜Ｔ９）は、各経路が各セルに分配される前および各セルを出て合流した後の温度の計測値に基づくことが好ましいが、１つのセルの温度の計測値に基づいてもよい。
【００３２】
本実施の形態の燃料電池システム１０は、加湿後の燃料および空気が燃料電池スタック２０に到達するまでに放熱しない理想的な系、または放熱がほとんど無視できるような系を備える。そのため、加湿燃料温度（Ｔ３）と燃料入口露点（Ｔ５）がほぼ等しく、加湿空気温度（Ｔ４）と空気入口露点（Ｔ６）とがほぼ等しい。さらに、本実施の形態では、冷却水入口温度（Ｔ１）、加湿燃料温度（Ｔ３）、および加湿空気温度（Ｔ４）がほぼ同じ温度になるように、制御部１００は冷却水、空気および燃料の供給量と温度を調節する。
【００３３】
（運転方法）
次に、燃料電池システム１０の運転方法の概要を説明する。
【００３４】
（通常運転）
燃料電池システム１０は、以下の順に従って、制御部１００の制御のもと通常運転される。
（１）燃料供給手段３０を制御することにより、改質ガスを生成させる。
（２）燃料加湿器４０を制御することにより、燃料電池スタック２０のアノード１２に加湿された改質ガスを供給する。
（３）燃料電池スタック２０のアノード１２が改質ガスに十分に置換されたのち、空気供給手段５０および空気加湿器６０を制御することにより、カソード１４に加湿された空気を供給する。
（４）燃料電池スタック２０のカソード１４に十分に空気が供給されたのち、燃料電池スタック２０の出力を定格出力に向けて上昇させる。加えて、冷却水入口温度（Ｔ１）が所定温度（たとえば６９℃）となるように、制御部１００は熱媒体用熱交換器７０と循環ポンプ９０による冷却水の循環量とを調節することによって昇温させる。通常運転では、冷却水入口温度（Ｔ１）と冷却水出口温度（Ｔ２）との冷却水出入口温度差ΔＴ２−１（＝Ｔ２−Ｔ１）が所定温度（たとえば４℃）以下となるようにする。
【００３５】
次に、循環ポンプ９０による冷却水の水量調節に好適な形態について説明する。
【００３６】
燃料電池スタック２０が通常運転されている場合には、熱媒体調節手段（熱媒体用熱交換器７０および循環ポンプ９０）と酸化剤温湿度調節手段（空気供給手段５０および空気加湿器６０）とのうち少なくとも一方を調節することによって、酸化剤流路の出口付近における酸化剤の相対湿度が１００％とされる。このように、電解質膜１８の湿潤状態を保つために燃料流路および酸化剤流路で結露が生じるような高加湿条件で燃料電池スタック２０が長期間運転されると、カソード１４に結露が生じてカソード１４のガス拡散性が低下して燃料電池スタック２０の性能が低下する場合がある。この場合に、以下に示す回復運転を行う。
【００３７】
（回復運転）
次に、燃料電池システム１０の回復運転を説明する。本明細書中で回復運転とは、燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態を解消するために実行する運転をいう。より具体的には、燃料電池スタック２０の発電性能が許容される状態から外れた場合（後述する開始条件が満たされた場合）に、熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節することによって、熱媒体流路１６の入口付近における熱媒体の温度を酸化剤流路の入口付近における酸化剤の露点と同等にした上で、酸化剤流路の出口付近における酸化剤の相対湿度を１００％未満にする運転をいう。
【００３８】
図２は、回復運転の制御を示すフロー図である。まず、制御部１００は、通常運転中に後述する所定の開始条件が成立しているかどうかを判断する（Ｓ１０）。所定の開始条件が成立している場合には（Ｓ１０のＹ）、制御部１００は熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を用いて回復運転を行う（Ｓ２０）。一方、所定の開始条件が成立していない場合には（Ｓ１０のＮ）、制御部１００は回復運転を行わない。
【００３９】
次に、制御部１００は、後述する所定の終了条件が成立しているかどうかを判断する（Ｓ３０）。所定の終了条件が成立していない場合には（Ｓ３０のＮ）、制御部１００は、回復運転を継続する。一方、所定の終了条件が成立している場合には（Ｓ３０のＹ）、制御部１００は、回復運転を終了する。回復運転が終了した後は、上述した燃料電池システム１０の通常運転が再開される。
【００４０】
ここで、上述した回復運転（図２のＳ２０）の一例を具体的に説明する。燃料電池システム１０では、以下の順に従って、制御部１００の制御のもと回復運転が行われる。
（１）空気供給手段５０を制御することにより、空気流量を通常運転における最大出力時の規定流量（たとえば定格出力時の空気利用率５５％相当流量）以上とする（たとえば定格出力時の空気利用率５０％相当流量）。ここで、空気利用率とは、燃料電池スタック２０に供給される前の空気に含まれていた酸素のうち、燃料電池スタック２０で使用された酸素の割合をいう。つまり、空気利用率を下げることは、供給する空気量を増やすことを意味する。一方、空気利用率を上げることは、供給する空気量を減らすことを意味する。
（２）熱媒体用熱交換器７０および循環ポンプ９０を制御することにより、冷却水入口温度（Ｔ１）を所定温度（たとえば６２℃）に設定する。
（３）循環ポンプ９０を用いて、冷却水出入口温度差ΔＴ２−１が所定値（第１の所定値。たとえば１６℃）となるように冷却水流量を調整する。
冷却水流量がポンプの許容流量範囲を下回る場合（たとえば通常運転時の１５％程度）は、ポンプを間欠運転する。この場合、冷却水出口温度（Ｔ２）は燃料電池スタック２０の温度を反映しなくなる。そのため、冷却水出口温度（Ｔ２）を空気出口温度（Ｔ７）もしくは燃料電池表面温度（Ｔ９）で代用する。空気出口温度（Ｔ７）または燃料電池スタック２０の表面温度と、冷却水出口温度（Ｔ２）との相関をあらかじめ測定したデータに基づいて、冷却水出入口温度差ΔＴ２−１を補正してもよい。
（４）定格出力を目標とし、燃料電池スタック２０の電圧値の回復に応じて出力上昇を継続する。
（５）燃料電池スタック２０の出力値が定格出力に到達したら、この状態を維持する。
（６）燃料電池スタック２０の電圧が降下に転じ、電圧の低下が所定時間（たとえば１０分間）継続したことを確認後、冷却水出入口温度差ΔＴ２−１を通常運転時の規定値（たとえば４℃）となるように、循環ポンプ９０を制御することにより冷却水流量を調整する。
（７）熱媒体用熱交換器７０での交換熱量を制御することにより、冷却水入口温度（Ｔ１）を通常運転時の規定値（たとえば６９℃）に設定する。
（８）空気供給手段５０を制御することにより、空気流量を通常運転時の流量（たとえば空気利用率５５％）に設定する。
（９）通常運転を再開する。
【００４１】
回復運転時には、以下の式１を満たすように、制御部１００が熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を制御する。
供給燃料中水分量＋供給空気中水分量＋生成水量＜排出燃料飽和水蒸気量＋排出空気飽和水蒸気量・・・（式１）
ここで、排出燃料飽和水蒸気量は燃料流路の出口温度における排出燃料中に飽和する水蒸気量、排出空気飽和水蒸気量は酸化剤流路の出口温度における排出空気中に飽和する水蒸気量であり、いずれも温度の関数である。
この状態を維持することによって、燃料電池スタック２０中に供給される水よりも、燃料電池スタック２０から排出される水の方が多い状態が継続されるため、燃料電池スタック２０内で主にカソード１４に結露した水が減少する。
【００４２】
燃料電池スタック２０から排出される酸化剤の露点（Ｔ８）は、燃料電池スタック２０に供給される酸化剤の露点（Ｔ６）と、酸化剤の利用率と、アノード１２−カソード１４間における水の移動量とによって決定される。
【００４３】
（回復運転における気体の供給量の制御）
次に、回復運転における気体の供給量の制御を説明する。通常運転から回復運転に移行する期間および回復運転から通常運転に移行する期間（以下、まとめて移行期と呼ぶ）は、燃料流路および空気流路の結露水量が大きく変化する、すなわち圧力損失が大きく変化するため、燃料および空気の流れが偏りやすく燃料電池スタック２０の状態が不安定になりやすい。よって、燃料利用率あるいは空気利用率を通常運転時より低くして燃料あるいは空気が各流路に十分量流れるようにすることが、安定性を高めるために有効である。たとえば、酸化剤流路プレート１５の出口付近における酸化剤の相対湿度が１００％である通常運転から、１００％未満である回復運転に移行する際には、まず通常運転時より空気利用率を下げる。次に、冷却水出入口温度差ΔＴ２−１を大きくする。所定の終了条件成立後、回復運転から通常運転に復帰する際には、冷却水出入口温度差ΔＴ２−１を小さくし、次いで空気利用率を上げて通常運転時の条件に戻す。また、通常運転から回復運転への移行期に空気と同様に冷却水出入口温度を大きくする前に燃料利用率を下げ、回復運転から通常運転への移行期には冷却水出入口温度を小さくした後に燃料利用率を上げて通常運転時の条件に戻す。特に純水素を燃料とし燃料電池スタック２０から排出された水素を循環して燃料電池スタック２０に供給する燃料電池システム１０は、炭化水素を燃料とする燃料電池システム１０よりも燃料利用率の調整範囲が広いため、安定性を高める効果が大きい。空気利用率と燃料利用率の制御の順はどちらが先行してもよく、同時でもよい。
【００４４】
ここで、燃料電池スタック２０のカソード１４に供給される空気の流量は、アノード１２に供給される燃料の流量よりもはるかに多いため、水収支はカソード１４側の条件が支配的となる。そして、膜電極接合体１９は水の透過性が高いため、たとえばアノード１２が結露条件下、カソード１４が乾燥条件下にある場合には、水はアノード１２からカソード１４へ透過し蒸発する。したがって、通常運転から回復運転への移行期の安定性には、空気利用率の寄与が大きいため、燃料利用率の変更は必ずしも必要というわけではではない。
【００４５】
（回復運転の開始条件）
次に、回復運転の開始条件を説明する。回復運転は、燃料電池スタック２０の発電性能が許容される状態から外れたことが図示しないセンサにより検出された場合に、制御部１００により開始される。具体的には、次に示す性能低下判断基準（開始条件ａ〜ｃ）の少なくとも１つが満たされた場合に開始される。特に、電流または出力（電流×電圧）が一定の場合における燃料電池スタック２０の電圧が、所定値（第２の所定値）未満となったことを開始条件とすることが望ましい。
ａ：出力上昇中に燃料電池スタック２０のスタック電圧またはセル電圧が所定値未満となった場合
ｂ：出力上昇中に燃料電池スタック２０の電流が所定値以上となった場合
ｃ：ａまたはｂの少なくとも一方に伴って出力（電流×電圧）の上昇が停止し、その時の燃料電池スタック２０の出力または燃料電池システム１０の出力が所定値未満となった場合
【００４６】
（回復運転の終了条件）
次に、回復運転の終了条件を説明する。回復運転初期は燃料電池スタック２０の電流が一定もしくは出力（電流×電圧）が一定とみなせる条件で、水分の蒸発による電極の濡れの解消に伴い燃料電池スタック２０の電圧が上昇する。その後さらに水分が蒸発すると、電解質のイオン伝導性が低下し発電性能が低下するため、燃料電池スタック２０の電圧は上昇から低下に転じる。よって、回復運転は燃料電池スタック２０の電流が一定もしくは出力が一定とみなせる条件で、燃料電池スタック２０の電圧が上昇して所定値（第３の所定値）まで回復し、上昇から転じて時間の経過とともに所定値（第４の所定値）未満まで低下する状態となるまで継続する。望ましくは、端部セルの電圧（以下、端部セル電圧）が時間経過とともに低下する状態となるまで継続する。または、回復運転終了の指標として、スタック電圧または端部セル電圧の少なくとも一方が低下するまでの時間をあらかじめ実験的に測定した上で、このデータに基づいて所定の回復運転時間を定めてもよい。または、原則的にはスタック電圧または端部セル電圧の低下を回復運転の終了条件とするが、その前に所定の回復運転時間に達した場合は回復運転を終了してもよい。
【００４７】
電解質が湿潤してイオン伝導性が高く、電極の反応活性が高い回復運転初期には、ガス拡散を阻害する水分の蒸発ととともに燃料電池スタック２０の電圧値が回復する。その後、電解質の乾燥が進むと、電解質のイオン伝導性が低下して電解質の抵抗は上昇し、電極の反応活性は低下するため、燃料電池スタック２０の電圧値は低下に転じる。よって、上述のように電圧値が時間とともに低下する状態になるまで、回復運転を継続することが望ましい。ただし、端部セルは、放熱量が大きいため特別に加熱しない限り通常は中央部のセルより温度が低いので、回復運転時の乾燥が最も遅い。よって、セルの中でも特に端部セルの電圧が時間とともに低下する状態まで回復運転を継続することがさらに望ましい。これにより、すべてのセルについて電極の過度な湿潤状態が解消されたと判断することができる。なお、回復運転をすることによって、乾燥のため一時的に燃料電池スタック２０の電圧値が所望の値未満にまで低下した場合でも、通常運転に戻せば電解質は湿潤するため、電圧値は所望の値まで回復する。
【００４８】
（流路の構造）
カソード１４に面する空気流路と燃料電池スタック２０を冷却する冷却水流路とは、概略して並行流である。この場合、燃料電池スタック２０に供給する空気入口露点（Ｔ６）と冷却水入口温度（Ｔ１）とは、少なくとも回復運転時は同等とする。回復運転時に加えて、通常運転時も両者は同等であることが望ましい。
【００４９】
空気と冷却水とを並行流とすることによって、空気出口温度（Ｔ７）と冷却水出口温度（Ｔ２）とは連動し同等とみなせる。また、両者の間で温度差が生じる場合はあらかじめ測定したデータに基づいて温度差ができるだけ小さくなるように補正すればよい。その結果、空気出口温度（Ｔ７）は冷却水出口温度（Ｔ２）で代用できるため、空気出口温度（Ｔ７）を必ずしも測定する必要はない。また、空気と冷却水とが並行流である場合に、空気入口露点（Ｔ６）と冷却水入口温度（Ｔ１）とが同等となるように調節した上で、回復運転時には冷却水の流量を減少させることによって、冷却水出入口温度差ΔＴ２−１（＝Ｔ２−Ｔ１）を所定値（第１の所定値）以上にする。この場合、冷却水出口温度（Ｔ２）とともに空気出口温度（Ｔ７）は上昇する。そして、空気出口露点（Ｔ８）よりも空気出口温度（Ｔ７）の方を高くすることで、入口付近では適度な湿度を維持しつつ、出口付近では湿度を１００％未満にすることができる。その結果、カソード１４の上流側が低加湿条件となることを防止しつつ、カソード１４の下流部まで乾燥させることができる。
【００５０】
また、この場合に、燃料電池スタック２０の熱媒体流路１６から排出された冷却水を、冷却後に空気加湿器６０と熱交換した上で、熱交換後の冷却水を再び燃料電池スタック２０に供給することが望ましい。これにより、通常運転時、回復運転時ともに、簡便な制御によって燃料電池スタック２０に供給する空気入口露点（Ｔ６）と冷却水入口温度（Ｔ１）とを同等とすることができる。
【００５１】
カソード１４に面する空気流路と燃料電池スタック２０を冷却する冷却水流路に加えて、アノード１２に面する燃料流路も概略してこれらと並行流であることが望ましい。この場合に、燃料電池スタック２０から排出された冷却水を冷却後に、冷却水の少なくとも一部と燃料加湿器４０との間で熱交換し、さらに冷却水と空気加湿器６０との間で熱交換し、熱交換後の冷却水を燃料電池スタック２０に供給する。通常運転時はＭＥＡを湿潤状態に保つために、燃料入口露点（Ｔ５）、空気入口露点（Ｔ６）および冷却水入口温度（Ｔ１）を同等とすることが望ましい。ここでは、冷却水の少なくとも一部を、燃料加湿器４０と熱交換する。燃料加湿器４０と熱交換する冷却水の流量を調節することによって、燃料加湿器４０の水温が適切な値になるようにする。
【００５２】
これにより、燃料電池スタック２０のマニホールドから各反応ガス流路に分配する手前で燃料または空気が結露することが抑制され、各反応ガス流路への燃料および空気の分配が均一化される。その結果、電解質膜１８が乾燥することなく、適切な湿潤状態に維持されるため、電解質膜１８の耐久性が向上するとともに、発電の安定性が向上する。
【００５３】
（温度の制御例）
次に、通常運転と回復運転における酸化剤の制御例を示す。ここでは酸化剤として空気を使用し、簡単のため燃料電池スタック２０に供給される空気（供給空気）、燃料電池スタック２０から排出される空気（排出空気）の圧力をいずれも１ａｔａ（≒１．０３３９ａｔｍ）として、アノード１２とカソード１４間で水移動がない場合の物質収支を計算した。
【００５４】
次の計算式や定義を利用して、図３〜５および表１に示す温度を算出した。式中、Ｆはファラデー定数とする。
・供給燃料水蒸気圧および供給空気水蒸気圧：加湿器出口温度（＝露点）での飽和水蒸気圧
・排出燃料飽和水蒸気圧および排出空気飽和水蒸気圧：排出温度（≒冷却水出口温度）での飽和水蒸気圧
・排出燃料飽和水蒸気量および排出空気飽和水蒸気量：排出温度（≒冷却水出口温度）で水蒸気として排出可能な水分量
（燃料系の物質収支）
・供給燃料流量＝電流×セル数×２×Ｆ÷水素濃度÷水素利用率
・排出燃料流量＝供給燃料流量−電流×セル数×２×Ｆ
・供給燃料中水分量＝供給燃料流量÷（供給燃料圧力−供給燃料水蒸気圧）×供給燃料水蒸気圧
・排出燃料中水分量＝供給燃料中水分量
・排出燃料水蒸気圧＝排出燃料中水分量÷（排出燃料流量＋排出燃料中水分量）×排出燃料圧力
・排出燃料飽和水蒸気量＝排出燃料流量÷（排出燃料圧力−排出燃料飽和水蒸気圧）×排出燃料飽和水蒸気圧
（空気系の物質収支）
・供給空気流量＝電流×セル数×４×Ｆ÷酸素濃度÷空気利用率
・排出空気流量＝供給空気流量−電流×セル数×４×Ｆ
・供給空気中水分量＝供給空気流量÷（供給空気圧力−供給空気水蒸気圧）×供給空気水蒸気圧
・排出空気中水分量＝供給空気中水分量＋生成水量
・排出空気水蒸気圧＝排出空気中水分量÷（排出空気流量＋排出空気中水分量）×排出空気圧力
・排出空気飽和水蒸気量＝排出空気流量÷（排出空気圧力−排出空気飽和水蒸気圧）×排出空気飽和水蒸気圧
（電極中の過剰水分を排出するための条件）
供給燃料中水分量＋供給空気中水分量＋生成水量＜排出燃料飽和水蒸気量＋排出空気飽和水蒸気量
【００５５】
図３は、空気利用率と空気入口露点（Ｔ６）と空気出口露点（Ｔ８）との関係を示すグラフである。また、図４は、空気流路位置（ｘ）と空気露点（Ｔ６，Ｔ８）との関係を示すグラフである。このグラフは、図３を用いて算出した値に基づく。通常運転時は空気利用率５５％、空気入口露点（Ｔ６≒Ｔ１）を６９℃とした場合、空気出口露点（Ｔ８）は７７．６℃となる。そのため、空気出口温度（Ｔ７）が７５℃となるように燃料電池スタック２０の温度を制御すれば、空気流路内で結露を生じさせて、電解質の湿潤状態を保つことができる。回復運転時は空気利用率５０％、空気入口露点（Ｔ６）を６２℃とした場合、空気出口露点（Ｔ８）は７３．１℃となる。そのため、空気出口温度（Ｔ７）を通常運転時と同じ７５℃となるようにした場合でも、湿度が１００％未満であるため空気流路内では結露が生じず、カソード電極中の過剰な水分を蒸発させて除去することができる。
【００５６】
図５は、図４のデータの条件で空気出口露点（Ｔ８）が７５℃であるとした場合の空気流路位置（ｘ）とその位置における相対湿度との関係を示したグラフである。ここでは、横軸に空気流路位置（ｘ）、縦軸に空気の相対湿度（％）を示す。空気流路位置（ｘ）は、空気入口を０、空気出口を１としてある。空気の相対湿度は、仮想的に１００％超の部分も示してある。
【００５７】
空気入口露点（Ｔ６）が６９℃で空気出口温度（Ｔ７）が７３℃の場合（ΔＴ７−６＝Ｔ７−Ｔ６＝約４℃）、空気温度の上昇度合いよりも露点の上昇度合いが大きいため、湿度は仮想的には酸化剤流路の入口よりも上昇する（破線）。しかし、酸化剤流路の入口の湿度が１００％の場合、実際には湿度がそれ以上上がることはないため、湿度は１００％を維持しつつ、斜線で示した部分に相当する水蒸気が結露する。一方、空気入口露点（Ｔ６）が６２℃で空気出口温度（Ｔ７）が７８℃の場合（ΔＴ７−６＝Ｔ７−Ｔ６＝約１６℃）、露点の上昇度合いよりも空気温度の上昇度合いの方が大きい。そのため、酸化剤流路の出口における湿度は、酸化剤流路の入口（１００％）よりも低下して、約８０％となる。
【００５８】
つまり、ΔＴ７−６を所定値以上とすることによって、酸化剤流路の入口付近の湿度を約１００％で維持しつつも、酸化剤流路の出口付近の湿度を１００％未満にすることができる。ここで、Ｔ６≒Ｔ１、Ｔ７≒Ｔ２であるため、ΔＴ７−６≒ΔＴ２−１である。よって、ΔＴ２−１に対する所定値は、約１１℃以上である。ただし、燃料電池スタック２０の耐久性の観点からは、空気出口温度（Ｔ７）を約８０℃以下にすることが望ましい。よって、空気入口露点（Ｔ６）が６２℃の場合のΔＴ２−１対する所定値は、１６℃程度が望ましい。
【００５９】
回復運転の時間を短くするためには、空気出口露点（Ｔ８）と空気出口温度（Ｔ７）との空気出口温度差ΔＴ７−８（＝Ｔ７−Ｔ８）を大きくすることが効果的である。しかし、空気出口温度差ΔＴ７−８を過度に大きくすると、電解質の乾燥によるイオン伝導性の低下により電圧が低下して、燃料電池システム１０の運転のバランスが崩れて運転条件を維持できなくなるおそれがある。そのため、排出空気の相対湿度を６０〜９０％程度とすることが望ましく、７０〜８５％程度とすることがさらに望ましい。実際には、供給空気および排出空気の圧力と水の移動量とに応じて、排出空気の相対湿度を補正する必要がある。この場合の補正値は、あらかじめ実験を行いそのデータに基づいて定めておけばよい。
【００６０】
上述した式１において、右辺と左辺が等しくなる場合の冷却水出入口温度差ΔＴ２−１（＝Ｔ２−Ｔ１）は、空気利用率が低いほど小さく、空気利用率が高いほど大きい。つまり、電流が一定の条件では供給する空気量が多いほど小さく、供給する空気量が少ないほど大きい。燃料電池スタック２０の端部セルは、中央部のセルより放熱の影響を受けやすく温度が低くなる。そのため、セル間の温度のばらつきを低減するには、端部セルと中央セルのガス分配および温度差が小さくなる条件、つまり空気利用率が低く冷却水出入口温度差ΔＴ２−１が小さい条件であることが望ましい。しかし、一般には通常運転における最大出力時の必要量をもとに空気の最大流量を算出して、空気供給手段５０を構成している。そのため、高出力時に最大流量を超えて空気を流すことはできない。よって、この点では回復運転時の燃料電池スタック２０の出力は低いことが望ましい。一方で、燃料流量は燃料供給手段３０の熱バランスに依存するため、燃料利用率を通常運転時と比べて大幅に下げることはできない。そのため、出力が低いと燃料流量も減少し、結露する条件と結露しない条件との移行時に燃料ガスの分配に偏りが生じやすい。
【００６１】
したがって、回復運転時の出力、空気利用率、燃料利用率、冷却水入口温度（Ｔ１）、冷却水出口温度（Ｔ２）は、本件記載の条件に限定されることはなく、燃料電池スタック２０および燃料電池システム１０の特性に従って、適宜設定されればよい。
【００６２】
以上、本実施の形態の燃料電池システム１０によれば、結露による燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態を効率的に回復させることができる。その結果、低下した電流−電圧特性などの発電性能を、容易に回復させることができる。
【００６３】
なお、燃料供給手段３０および燃料加湿器４０と、空気供給手段５０および空気加湿器６０との配置は、それぞれ入れ替えられていてもよい。このようなシステム構成においても、冷却水入口温度（Ｔ１）、燃料入口露点（Ｔ５）および空気入口露点（Ｔ６）の温度がほぼ同等になるように、冷却水の温度と流量とを最適化することができる。これによって、燃料電池スタック２０のマニホールドから各反応ガス流路に分配される手前で、燃料または空気が結露することが抑制され、各反応ガス流路への燃料および空気の分配が均一化される。
【００６４】
また、本実施の形態では、加湿後の燃料および空気の放熱が無視できる系を対象としたが、加湿後の燃料および空気が燃料電池スタック２０に到達するまでに放熱する場合には、冷却水入口温度（Ｔ１）、燃料入口露点（Ｔ５）、および空気入口露点（Ｔ６）がほぼ同じ温度になるように、冷却水の供給量および温度が定められる。たとえば、加湿燃料温度（Ｔ３）および加湿空気温度（Ｔ４）は、放熱による温度低下を考慮して、冷却水入口温度（Ｔ１）よりも高めに設定されればよい。
【００６５】
[第２の実施の形態]
図６は、燃料電池システム１０の第２の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、空気供給手段５０と空気加湿器６０との間に全熱交換器１１０がさらに設けられている点が、第１の実施の形態とは異なる。全熱交換器１１０は、制御部１００によって制御される酸化剤温湿度調節手段に含まれる。
【００６６】
本実施の形態では、燃料電池スタック２０から排出された空気と燃料電池スタック２０に供給する空気との間で、全熱交換器１１０を用いて全熱交換する。これにより、通常運転時には、燃料入口露点（Ｔ５）と、空気入口露点（Ｔ６）と、冷却水入口温度（Ｔ１）とを同等とする。一方、回復運転時には、燃料電池スタック２０に供給する空気の露点（Ｔ６）と冷却水入口温度（Ｔ１）とを同等とし、燃料入口露点（Ｔ５）はそれらより低くする。加えて、回復運転時は上述した式１を満たすように、制御部１００は熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を制御する。もしくは、あらかじめ行った実験のデータに基づいて、通常運転時は燃料入口露点（Ｔ５）と空気入口露点（Ｔ６）および冷却水入口温度（Ｔ１）とが同等となるように設定してもよい。
【００６７】
全熱交換器１１０を使用しない場合、回復運転時には通常運転時と比べて冷却水流量を少なくするため、空気加湿器６０と熱交換する冷却水の入口と出口の温度差を大きくする必要がある。そして冷却水はまず燃料加湿器４０と熱交換するため、燃料加湿器４０の温度は空気加湿器６０の温度よりも高くなる。
【００６８】
一方、本実施の形態のように全熱交換器１１０を使用した場合には、回復運転時に冷却水流量が少なくなると空気出口温度（Ｔ７）が高くなるため、全熱交換器１１０での回収熱量が増加し、空気から空気加湿器６０への持ち込み熱量が多くなる。すなわち、空気加湿器６０の入口温度および露点が、空気加湿器６０の出口温度である加湿空気温度（Ｔ４）および露点よりそれぞれ高くなる。そのため、空気加湿器６０では冷却水で空気を冷却する必要があり、空気加湿器６０と熱交換する冷却水の入口温度を出口温度より低くすることとなる。その結果、燃料入口露点（Ｔ５）が低下するため、燃料入口露点（Ｔ５）と燃料の出口温度との温度差を大きくすることができる。
【００６９】
本変形例によっても、燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態を効率的に回復させることができる。その結果、低下した電圧特性を容易に回復させることができる。加えて、燃料入口露点（Ｔ５）と燃料の出口温度との温度差を大きくすることにより、電極に過剰に含まれた水分の排出を促進することができる。
【００７０】
（温度の制御の試算例）
次に、第１の実施の形態と第２の実施の形態において、制御部１００の制御によって、各温度を制御する場合の試算例を表１に示す。ここでは、平均セル電圧を０．７３Ｖ、燃料利用率を７０％、燃料組成をＨ２：７２％／ＣＯ２：２８％としている。また、簡単のため燃料、空気の圧力はすべて１ａｔａとした。さらに、排出燃料の水蒸気圧と排出空気の水蒸気圧とが異なる場合は、両者が等しくなるようにアノーとカソード１４の間を水分が移動するものとして計算した。各温度の算出には、上述した計算式を利用した。
【００７１】
【表１】
2014192036.tif 000003
【００７２】
あらかじめ算出されたこれらの温度を満たすように、熱媒体調節手段と酸化剤温湿度調節手段とのうち少なくとも一方を調節すれば、全熱交換器１１０がある場合にもない場合にも、効率的に回復運転を行うことができる。
【００７３】
[変形例１]
図７は、変形例１の燃料電池システム１０を示す。本変形例の燃料電池システム１０は、熱媒体用熱交換器７０の下流に分岐手段である制御バルブ８６が設けられた点が、実施の形態１の燃料電池システム１０とは異なる。
【００７４】
制御バルブ８６は、分岐点８２の合流点８４との間に設けられた開閉度が可変のバルブである。分岐点８２において、冷却水は燃料加湿器４０に向かうラインと、空気加湿器６０に向かうラインとに所定の分配比で分岐する。燃料電池スタック２０から排出された冷却水の一部は、燃料加湿器４０が有する燃料用熱交換器４４を流通し、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の残りは、空気加湿器６０に直接供給される。燃料用熱交換器４４を流通した後の冷却水は、空気加湿器６０の上流で上述した空気加湿器６０に向かうラインを流れる冷却水と合流点８４で合流する。合流後の冷却水は、空気加湿器６０の空気加湿タンク６２を流通した後、空気加湿器６０から排出される。
【００７５】
制御部１００が制御バルブ８６の開度を調節することにより、冷却水の分配比を補正することができる。または、あらかじめ行った実験のデータに基づいて、通常運転時は燃料入口露点（Ｔ５）と空気入口露点（Ｔ６）および冷却水入口温度（Ｔ１）とが同等となる熱交換／バイパスの分配比を、オリフィス等によって設定してもよい。
【００７６】
本変形例によっても、燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態を効率的に回復させることができる。その結果、低下した電流−電圧特性等の発電性能を容易に回復させることができる。加えて、供給する空気や燃料の温度や湿度をより柔軟に調節することができる。その結果、燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態をさらに効率的に回復させることができる。
【００７７】
[変形例２]
図８は、変形例２の燃料電池システム１０を示す。本変形例の燃料電池システム１０は、制御バルブ８６および全熱交換器１１０が設けられた点が、実施の形態１の燃料電池システム１０とは異なる。つまり、本変形例の燃料電池システム１０は、実施の形態２の燃料電池システム１０と変形例１の燃料電池システム１０とを組み合わせた形態である。
【００７８】
本変形例によっても、燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態を効率的に回復させることができる。その結果、低下した電流−電圧特性等の発電性能を容易に回復させることができる。加えて、供給する空気や燃料の温度や湿度をより柔軟に調節することができる。その結果、燃料電池スタック２０の過度な湿潤状態をさらに効率的に回復させることができる。加えて、燃料入口露点（Ｔ５）が下がるため、電極に過剰に含まれた水分の排出をより効率的に促進することができる。
【００７９】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００８０】
１０  燃料電池システム、１２  アノード、１４  カソード、１６  熱媒体流路、１８  電解質膜、２０  燃料電池スタック、３０  燃料供給手段、４０  燃料加湿器、５０  空気供給手段、６０  空気加湿器、７０  熱媒体用熱交換器、８０  熱媒体配管、８６  制御バルブ、９０  循環ポンプ、１００  制御部、１１０  全熱交換器。
【図１】
2014192036.tif 000004
【図２】
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【図３】
2014192036.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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