(57)【要約】      （修正有）【課題】簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定する。【解決手段】第１燃料電池セル１８と第２燃料電池セル２８とが、第１カソード電極層１６と第２アノード電極層２４とが対向して隣接するように配置され、第１燃料電池セルの電圧と第２燃料電池セルの電圧との差を検出する電圧検出器３０と、第１カソード電極層と第２アノード電極層との間に配置されて第１燃料電池セルおよび第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構と、が設けられ、第１アノード電極層の外側には、冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、第２カソード電極層２６の外側には、冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、電圧検出器が検出した電圧差に基づいてスタック１０の湿潤状態を判定する制御器３４を備える、燃料電池システム１００。【選択図】図１
2014099375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、スタックを備え、
前記スタックは、第１高分子電解質膜ならびに前記第１高分子電解質膜の両面に設けられた第１アノード電極層および第１カソード電極層を含む第１燃料電池セルと、第２高分子電解質膜ならびに前記第２高分子電解質膜の両面に設けられた第２アノード電極層および第２カソード電極層を含む第２燃料電池セルと、を備え、
前記スタックは、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとが、前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層とが対向して隣接するように構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記第１燃料電池セルの電圧と前記第２燃料電池セルの電圧との差を検出する電圧検出器と、
前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層との間に配置されて前記第１燃料電池セルおよび前記第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構と、を備え、
前記第１アノード電極層の外側には、前記第１燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、
前記第２カソード電極層の外側には、前記第２燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、
前記燃料電池システムは、さらに、前記電圧検出器が検出した前記第１燃料電池セルの電圧と前記第２燃料電池セルの電圧との差に基づいて前記スタックの湿潤状態を判定する制御器を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１アノード電極層の外側には冷却機構を備えず、
前記第２カソード電極層の外側には冷却機構を備えず、
前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとがセルブロックを形成すると共に前記セルブロックが順に積層されることで前記スタックを形成し、
前記第１カソード第２アノード冷却機構は熱媒体が流れる熱媒体流路を備え、
さらに、前記燃料電池システムは、前記セルブロックの積層方向に延びると共に前記熱媒体が流れるマニホールドを備え、
それぞれのセルブロックの前記第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路は、前記マニホールドからそれぞれ分岐するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記判定の結果に基づいて、前記スタックの湿潤状態を調整する湿潤状態調整運転を実行するように構成されている、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記湿潤状態調整運転は、前記熱媒体の流量を変化させることで実行されるものである、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１カソード電極層および前記第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備え、
前記湿潤状態調整運転は、前記酸化剤ガスの加湿量を変化させることで実行されるものである、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１カソード電極層および前記第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備え、
前記湿潤状態調整運転は、前記酸化剤ガスの流量を変化させることで実行されるものである、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記湿潤状態調整運転は、前記スタックの出力を変化させることで実行されるものである、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記判定の結果に基づいて、起動時に前記スタックの湿潤状態を調整する湿潤状態調整起動シーケンスを実行するように構成されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に前記熱媒体の流量を変化させることで実行されるものである、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１カソード電極層および前記第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備え、
前記湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に前記酸化剤ガスの加湿量を変化させることで実行されるものである、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１カソード電極層および前記第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備え、
前記湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に前記酸化剤ガスの流量を変化させることで実行されるものである、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に前記スタックの出力を変化させることで実行されるものである、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
第１高分子電解質膜ならびに前記第１高分子電解質膜の両面に設けられた第１アノード電極層および第１カソード電極層を含む第１燃料電池セルと、第２高分子電解質膜ならびに前記第２高分子電解質膜の両面に設けられた第２アノード電極層および第２カソード電極層を含む第２燃料電池セルとを、前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層とが対向して隣接するように配置してスタックを構成し、
前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層との間に前記第１燃料電池セルおよび前記第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構を設け、
前記第１アノード電極層の外側には、前記第１燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、
前記第２カソード電極層の外側には、前記第２燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、
前記第１燃料電池セルの電圧と前記第２燃料電池セルの電圧との差を検出し、該差に基づいて前記スタックの湿潤状態を判定する、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記第１アノード電極層の外側には冷却機構を設けず、
前記第２カソード電極層の外側には冷却機構を設けず、
前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとでセルブロックを形成すると共に前記セルブロックを順に積層することで前記スタックを形成し、
前記第１カソード第２アノード冷却機構を熱媒体が流れる熱媒体流路とし、
前記セルブロックの積層方向に延びると共に前記熱媒体が流れるマニホールドを設け、
それぞれのセルブロックの前記第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路を、前記マニホールドからそれぞれ分岐するように形成する、請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、および燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、一方の電極に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路および他方の電極に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路を形成する金属製セパレータとを備える燃料電池スタックであって、前記金属製セパレータは、一方の面に冷却媒体流路が形成され、他方の面に前記第１反応ガス流路が形成される第１金属製セパレータと、一方の面に前記第２反応ガス流路が形成され、他方の面に前記第１反応ガス流路が形成される第２金属製セパレータと、一方の面に前記第２反応ガス流路が形成され、他方の面に前記冷却媒体流路が形成される第３金属製セパレータと、を備え、前記第１乃至第３金属製セパレータは、前記第１反応ガス流路に連通する第１反応ガス連通孔、前記第２反応ガス流路に連通する第２反応ガス連通孔および前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔を、積層方向に貫通しかつ面内中心部に対して点対称形状に設けるとともに、前記第１および第３金属製セパレータは、前記面内中心部に対して相対的に１８０゜反転させて重ね合わせた際、該第１金属製セパレータの一方の面と該第３金属製セパレータの他方の面との間に、前記冷却媒体流路が一体的に構成されており、前記第１金属製セパレータ、第１電解質・電極接合体、前記第２金属製セパレータ、第２電解質・電極接合体および前記第３金属製セパレータの順に積層した積層体を複数組み構成し、第１の積層体を第２の積層体に対して前記面内中心部回りに相対的に１８０゜反転させて前記第１の積層体と前記第２の積層体との間に前記冷却媒体流路を一体的に構成した状態で、前記第１および第２の積層体を互いに積層させることを特徴とする燃料電池スタックを開示する。
【０００３】
特許文献２は、高分子電解質膜の一方の面に酸化剤極が、他方の面に燃料極が設けられた燃料電池セルにより構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池において、前記燃料電池セルが、複数の発電セルと一対の湿潤状態検出用セルからなり、前記一対の湿潤状態検出用セルにおける一方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも過加湿状態に敏感な過加湿状態検出用セルで構成されると共に、他方の湿潤状態検出用セルが、前記発電セルよりも乾燥状態に敏感な乾燥状態検出用セルで構成されていることを特徴とする燃料電池を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０８７３１１号公報
【特許文献２】特開２００８−１８１８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による燃料電池システムの一態様は、スタックを備え、前記スタックは、第１高分子電解質膜ならびに前記第１高分子電解質膜の両面に設けられた第１アノード電極層および第１カソード電極層を含む第１燃料電池セルと、第２高分子電解質膜ならびに前記第２高分子電解質膜の両面に設けられた第２アノード電極層および第２カソード電極層を含む第２燃料電池セルと、を備え、前記スタックは、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとが、前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層とが対向して隣接するように構成されており、前記燃料電池システムは、さらに、前記第１燃料電池セルの電圧と前記第２燃料電池セルの電圧との差を検出する電圧検出器と、前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層との間に配置されて前記第１燃料電池セルおよび前記第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構と、を備え、前記第１アノード電極層の外側には、前記第１燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、前記第２カソード電極層の外側には、前記第２燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、前記燃料電池システムは、さらに、前記電圧検出器が検出した前記第１燃料電池セルの電圧と前記第２燃料電池セルの電圧との差に基づいて前記スタックの湿潤状態を判定する制御器を備える。
【０００７】
本発明による燃料電池システムの運転方法の一態様は、第１高分子電解質膜ならびに前記第１高分子電解質膜の両面に設けられた第１アノード電極層および第１カソード電極層を含む第１燃料電池セルと、第２高分子電解質膜ならびに前記第２高分子電解質膜の両面に設けられた第２アノード電極層および第２カソード電極層を含む第２燃料電池セルとを、前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層とが対向して隣接するように配置してスタックを構成し、前記第１カソード電極層と前記第２アノード電極層との間に前記第１燃料電池セルおよび前記第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構を設け、前記第１アノード電極層の外側には、前記第１燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、前記第２カソード電極層の外側には、前記第２燃料電池セルを冷却すると共に前記第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、前記第１燃料電池セルの電圧と前記第２燃料電池セルの電圧との差を検出し、該差に基づいて前記スタックの湿潤状態を判定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、第１実施形態の実施例にかかる第１カソード第２アノード冷却機構の構成例を示す平面図である。
【図３】図３は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、第２実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【図９】図９は、第２実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、高分子電解質形燃料電池の概略構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
燃料電池システムにおいて、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定すべく、鋭意検討が加えられた。その結果、以下の知見が得られた。
【００１１】
図１１は、高分子電解質形燃料電池の概略構成の一例を示す断面図である。図１１に示すように、高分子電解質形燃料電池の燃料電池単セル（燃料電池セル）１は、膜電極接合体１１０（ＭＥＡ：Membrane-Electrode-Assembly）を含んでいる。そして、ＭＥＡ１１０の両面には一対の板状の導電性のセパレータ１２０が配置されている。
【００１２】
ＭＥＡ１１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（イオン交換樹脂膜）１１１と、この高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２とを備えてなる構成である。
【００１３】
電極層１１２は、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、導電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１１４（ＧＤＬ）とを備える。触媒層１１３は、対になって高分子電解質膜１１１を挟むように配置されており、高分子電解質膜１１１が配される側とは反対側の面にガス拡散層１１４（ＧＤＬ）が形成されている。
【００１４】
ガス拡散層１１４は、炭素繊維からなる基材１１５と、カーボンと撥水材とからなるコーティング層（撥水カーボン層）１１６とで構成されており、高分子電解質膜１１１の側からコーティング層（撥水カーボン層）１１６、基材１１５の順に配置される。
【００１５】
高分子電解質膜１１１を挟む一対のガス拡散層１１４のうち、一方のガス拡散層１１４と当接するセパレータ１２０の主面に燃料ガスを流すための燃料ガス流路溝１２１が設けられている。また、他方のガス拡散層１１４と当接するセパレータ１２０の主面に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路溝１２２が設けられている。また、セパレータ１２０それぞれにおいて、燃料ガス流路溝１２１または酸化剤ガス流路溝１２２が設けられている主面とは反対側の面には、冷却水などが通る冷却水流路溝１２３が形成されている。
【００１６】
そして、上記した構成を有する燃料電池単セル１では、燃料ガス流路溝１２１および酸化剤ガス流路溝１２２を通じて、高分子電解質膜１１１を挟む一対の電極層１１２それぞれに燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、電気化学反応が起こり、電力と熱とを発生させる。
【００１７】
また燃料電池単セル１は、図１１に示すように複数個、電気的に直列に接続されて、積層体（以下、スタックと称する）として使用されるのが一般的である。なお、このときスタックは、燃料ガスおよび酸化剤ガスがリークしないように、且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材１３０により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、ＭＥＡ１１０とセパレータ１２０とは所定の圧力で面接触することになる。
【００１８】
また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、セパレータ１２０、１２０の間には、触媒層１１３とガス拡散層１１４の側面を覆うようにシール材（ガスケット）１１７が配置されている。
【００１９】
このように構成されるスタックは、内部の湿潤状態によって、性能が大きく左右される。すなわち、スタック内部が乾燥状態になりすぎると、高分子電解質膜のイオン伝導性が著しく低下し、内部抵抗が増大するため、スタックの性能が低下する。一方、スタック内部の水分が過剰になりすぎると、水分が凝縮して多量の液水が生成し、燃料電池の反応に必要な燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流れを妨げるため、スタックの性能が低下する。燃料電池を安定的に動作させるためには、スタック内部の湿潤状態を適切に制御することが必要となる。
【００２０】
ここで、アノード電極側のみから冷却されるセルと、カソード電極側のみから冷却されるセルとが交互に積層されたスタックを備える固体高分子形の燃料電池システムとすると、冷却機構（図１１の例では冷却水流路溝１２３）を２個のセルにつき１個設けるだけで足り、構成が簡潔化される。
【００２１】
かかる構成について検討を加えた結果、カソード電極側のみから冷却されるセルの方が、アノード電極側のみから冷却されるセルよりも温度が低くなり、セル内部の相対湿度が上昇しやすいことが判明した。かかる現象が生じるメカニズムとして、以下のようなものが考えられた。
【００２２】
すなわち、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池を発電させると、アノード側よりカソード側の過電圧が大きいため、発熱量はアノード側よりカソード側の方が多くなる。そのため、同じセルをアノード側のみから冷却する場合と、カソード側のみから冷却する場合を考えたとき、発熱量の大きいカソード側のみから冷却したほうがセルの保有する熱を効果的に取り去ることができる。また、高分子電解質形燃料電池においては、カソード側で水分が生成する。そのため、アノード側とカソード側とで温度勾配が存在する場合、カソード側の温度が低い方が、全体として、セル内部の相対湿度が高くなる。したがって、カソード電極側のみから冷却されるセルはフラッディングに対して敏感になり、アノード電極側のみから冷却されるセルは乾燥に対して敏感になる。
【００２３】
かかる現象を利用すると、カソード電極側のみから冷却されるセルの電圧と、アノード電極側のみから冷却されるセルの電圧とを比較することで、スタックの湿潤状態を判定することができる。
【００２４】
すなわち、スタックの水分状態が湿潤側に移行すると、カソード電極側のみから冷却されるセルは、フラッディングが発生しやすい状態となり、高分子電解質膜の全面での円滑な反応が阻害されやすくなって、電圧が低下する。アノード電極側のみから冷却されるセルは、比較的フラッディングの影響を受けにくいため、電圧はそれほど低下しない。
【００２５】
このとき例えば、アノード電極側のみから冷却されるセルの電圧Ｖａとカソード電極側のみから冷却されるセルの電圧Ｖｃとの差（Ｖａ−Ｖｃ）は大きくなる。このことを利用して、カソード電極側のみから冷却されるセルの電圧と、アノード電極側のみから冷却されるセルの電圧との差が大きくなれば、スタックの水分状態が湿潤側に移行したと判定できる。
【００２６】
これに対し、スタックの水分状態が乾燥側に移行すると、アノード電極側のみから冷却されるセルは、乾燥しやすい状態となり、高分子電解質膜の水素イオン伝導性が低下して、電圧が低下する。カソード電極側のみから冷却されるセルは、比較的乾燥の影響を受けにくいため、電圧はそれほど低下しない。
【００２７】
このとき例えば、アノード電極側のみから冷却されるセルの電圧Ｖａとカソード電極側のみから冷却されるセルの電圧Ｖｃとの差（Ｖａ−Ｖｃ）は小さくなる。このことを利用して、カソード電極側のみから冷却されるセルの電圧と、アノード電極側のみから冷却されるセルの電圧との差が小さくなれば、スタックの水分状態が乾燥側に移行したと判定できる。
【００２８】
以上の方法は、冷却機構を２個のセルにつき１個設ける構成のみならず、例えば、冷却機構を３個以上のセルにつき１個設ける構成、および、冷却能力の大きな第１冷却機構と冷却能力の小さな第２冷却機構とを交互に各セルの間に設ける構成等にも適用可能である。
【００２９】
以上の構成によれば、特別な湿潤状態判定装置を設ける必要はなく、通常の発電に用いられる２種類のセル電圧を比較するだけでよい。よって、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定することができる。
【００３０】
以下、実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。なお、各図に示されている、各構成物の形状、大きさ、および、位置関係は、あくまで例であって、それらは図示された態様に限定されるものではない。
【００３１】
（第１実施形態）
第１実施形態の燃料電池システムは、スタックを備え、スタックは、第１高分子電解質膜ならびに第１高分子電解質膜の両面に設けられた第１アノード電極層および第１カソード電極層を含む第１燃料電池セルと、第２高分子電解質膜ならびに第２高分子電解質膜の両面に設けられた第２アノード電極層および第２カソード電極層を含む第２燃料電池セルと、を備え、スタックは、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルとが、第１カソード電極層と第２アノード電極層とが対向して隣接するように構成されており、燃料電池システムは、さらに、第１燃料電池セルの電圧と第２燃料電池セルの電圧との差を検出する電圧検出器と、第１カソード電極層と第２アノード電極層との間に配置されて第１燃料電池セルおよび第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構と、を備え、第１アノード電極層の外側には、第１燃料電池セルを冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、第２カソード電極層の外側には、第２燃料電池セルを冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方であり、燃料電池システムは、さらに、電圧検出器が検出した第１燃料電池セルの電圧と第２燃料電池セルの電圧との差に基づいてスタックの湿潤状態を判定する制御器を備える。
【００３２】
かかる構成では、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定することができる。
【００３３】
第１実施形態の燃料電池システムの運転方法は、第１高分子電解質膜ならびに第１高分子電解質膜の両面に設けられた第１アノード電極層および第１カソード電極層を含む第１燃料電池セルと、第２高分子電解質膜ならびに第２高分子電解質膜の両面に設けられた第２アノード電極層および第２カソード電極層を含む第２燃料電池セルとを、第１カソード電極層と第２アノード電極層とが対向して隣接するように配置してスタックを構成し、第１カソード電極層と第２アノード電極層との間に第１燃料電池セルおよび第２燃料電池セルを冷却する第１カソード第２アノード冷却機構を設け、第１アノード電極層の外側には、第１燃料電池セルを冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、第２カソード電極層の外側には、第２燃料電池セルを冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、第１燃料電池セルの電圧と第２燃料電池セルの電圧との差を検出し、該差に基づいてスタックの湿潤状態を判定する。
【００３４】
かかる構成では、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定することができる。
【００３５】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【００３６】
図１に示す例では、第１実施形態の燃料電池システム１００は、スタック１０と、電圧検出器３０と、第１カソード第２アノード冷却機構３２と、制御器３４とを備える。
【００３７】
スタック１０は、第１高分子電解質膜１２ならびに第１高分子電解質膜１２の両面に設けられた第１アノード電極層１４および第１カソード電極層１６を含む第１燃料電池セル１８と、第２高分子電解質膜２２ならびに第２高分子電解質膜２２の両面に設けられた第２アノード電極層２４および第２カソード電極層２６を含む第２燃料電池セル２８と、を備える。
【００３８】
スタック１０は、第１燃料電池セル１８と第２燃料電池セル２８とが、第１カソード電極層１６と第２アノード電極層２４とが対向して隣接するように構成されている。
【００３９】
「対向して隣接する」とは、２つの部材の間に、他の電極層が介在しないことをいう。２つの部材の間に、電極層以外の部材（冷却機構およびセパレータ等）が介在していてもよい。
【００４０】
第１高分子電解質膜１２および第２高分子電解質膜２２は、水素イオン伝導性を有する高分子膜であってもよい。高分子電解質膜の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形状とすることができる。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであってもよい。
【００４１】
高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（登録商標）、旭化成（株）製のAciplex（登録商標）、旭硝子（株）製のFlemion（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用できる。
【００４２】
第１アノード電極層１４と、第１カソード電極層１６と、第２アノード電極層２４と、第２カソード電極層２６とは、それぞれ、高分子電解質膜の上に形成される触媒層と、触媒層の上に形成されるガス拡散層とを備えていてもよい。
【００４３】
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層であってもよい。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであってもよい。
【００４４】
また、触媒層は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成されうる。触媒層に用いるプロトン導電性高分子材料は、高分子電解質膜と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。
【００４５】
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質の部材であってもよい。ガス拡散層は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであってもよい。
【００４６】
例えば、ガス拡散層は、炭素繊維を基材として用いたタイプであってもよいし、カーボンの微粉末をバインダーとともに混練してシート化したタイプのものや、金属の微粉末を焼結したタイプのものであってもよい。
【００４７】
炭素繊維を基材として用いたタイプのものとしては、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等が挙げられる。
【００４８】
炭素微粉末としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維粉末などが挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられる。また、前記炭素繊維微粉末としては、気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、ミルドファイバー、カットファイバー、チョップファイバーなどが挙げられる。これらのうち、いずれか一種類を用いても良いし、複数混合したものを用いても良い。カーボンブラックと炭素繊維を混合することが、コスト、電気伝導性、強度の観点から好ましい。さらに、カーボンブラックとしては、アセチレンブラックを用いることが、不純物含有量が少なく、電気伝導性が高いという観点から好ましい。
【００４９】
バインダーとしては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などが挙げられる。これらの中でもバインダーとしてＰＴＦＥが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。ＰＴＦＥの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でもＰＴＦＥの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。
【００５０】
金属微粉末としては、遷移金属微粉末、および、遷移金属合金微粉末が挙げられる。中でも、電気伝導性および耐酸性を有し、比較的安価である、チタン、ニッケル、ステンレス等を用いることが好ましい。
【００５１】
第１燃料電池セル１８および第２燃料電池セル２８の製造方法については、公知の方法を採用することができるので、詳細な説明を省略する。
【００５２】
電圧検出器３０は、第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧との差を検出する。具体的には例えば、電圧検出器３０は、第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧とをそれぞれ検出してその差分を求めてもよいし、第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧との差を直接検出してもよい。第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧とは、それぞれ１個のセルの電圧であってもよいし、スタック１０に含まれる全てのセルの電圧の合計であってもよいし、スタック１０に含まれる複数のセルの電圧の平均であってもよい。電圧検出器３０は、具体的には例えば、電圧計で構成されうる。
【００５３】
第１カソード第２アノード冷却機構３２は、第１カソード電極層１６と第２アノード電極層２４との間に配置されて第１燃料電池セル１８および第２燃料電池セル２８を冷却する。図１に示す例では、第１カソード第２アノード冷却機構３２は、熱媒体流路である。熱媒体としては、例えば冷却水、エチレングリコール、シリコーンオイル等を用いることができる。これら熱媒体の熱容量は、熱容量が大きい順に、冷却水、エチレングリコール、シリコーンオイルとなる。熱媒体として冷却水を用いる場合、第１カソード第２アノード冷却機構３２は、冷却水流路となる。第１カソード第２アノード冷却機構３２は、熱媒体流路以外の冷却機構であってもよい。具体的には例えば、ペルチェ素子（Peltier device）、冷却ファン、冷却フィン等を用いてもよい。
【００５４】
第１アノード電極層１４の外側には、第１燃料電池セル１８を冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構３２よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構（図示せず）を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方である。すなわち、第１アノード電極層１４の外側には、第１アノード冷却機構が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。図１に示す例では、第１アノード電極層１４の外側には冷却機構が設けられていない。なお、「外側」とは、第１燃料電池セル１８に着目した場合には、第１高分子電解質膜１２がなす平面を中心として、該平面から遠い側をいう。
【００５５】
第２カソード電極層２６の外側には、第２燃料電池セル２８を冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構３２よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構（図示せず）を備える、および、冷却機構を備えない、のいずれか一方である。すなわち、第２カソード電極層２６の外側には、第２カソード冷却機構が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。図１に示す例では、第２カソード電極層２６の外側には冷却機構が設けられていない。なお、「外側」とは、第２燃料電池セル２８に着目した場合には、第２高分子電解質膜２２がなす平面を中心として、該平面から遠い側をいう。
【００５６】
制御器３４は、電圧検出器３０が検出した第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧との差に基づいてスタックの湿潤状態を判定する。第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧との差の検出は、燃料電池システムが発電運転を行っている通常運転時に行われてもよい。判定は、燃料電池システムが発電運転を行っている通常運転時に行われてもよい。
【００５７】
制御器３４は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器３４と電圧検出器３０とは一体に構成されていてもよい。
【００５８】
以下、図１に示す例についてより具体的に説明するが、本実施形態は以下の態様に限定されるものではない。
【００５９】
図１に示す例では、スタック１０は、第１セパレータ５２と、第１燃料電池セル１８と、第２セパレータ５４と、第３セパレータ５６と、第２燃料電池セル２８とがこの順に積層されて形成されるセルブロック５０が複数積層された構造を有する。
【００６０】
第１セパレータ５２と、第２セパレータ５４と、第３セパレータ５６とを総称して、以下セパレータという。
【００６１】
セパレータは、燃料電池セル間に配置して、酸化剤ガス（空気）および燃料ガスを遮断する役割を果たす板状の部品である。各燃料電池単セルをシールする機能のほかに、酸化剤および燃料ガスが流れる流路を作り込んでそれぞれを送り込む機能を有していてもよい。セパレータは、熱伝導性および導電性を兼ね備えている。
【００６２】
セパレータは、例えば、膜電極ガス拡散層接合体を機械的に固定するとともに、隣接する膜電極ガス拡散層接合体同士を互いに電気的に直列に接続するための部材である。セパレータは、例えば、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。セパレータは、導電性を有する多孔質のプレートであってもよい。
【００６３】
セパレータがカーボンを含む材質で構成される場合、セパレータは、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型に供給し、金型に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成できる。
【００６４】
セパレータが金属を含む材質で構成される場合、セパレータは、金属プレートからなるものであってもよい。セパレータは、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００６５】
セパレータは導電性を有する。燃料電池の発電中は、燃料電池セルの積層方向に沿って、セパレータの内部を電流が流れる。
【００６６】
電極層（ガス拡散層）に反応ガス流路が形成されている場合には、セパレータに燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されていなくてもよい。
【００６７】
第１セパレータ５２には、酸化剤ガス（空気）と燃料ガスとを分離して燃料電池セルに供給できるように、酸化剤ガス流路４８と燃料ガス流路４２とが形成されている。酸化剤ガス流路４８は、第２カソード電極層２６に酸化剤ガスを供給する。燃料ガス流路４２は、第１アノード電極層１４に燃料ガスを供給する。
【００６８】
第２セパレータ５４には、酸化剤ガス流路４４が形成されている。酸化剤ガス流路４４は、第１カソード電極層１６に酸化剤ガスを供給する。
【００６９】
第３セパレータ５６には、第１カソード第２アノード冷却機構３２である熱媒体流路と、燃料ガス流路４６とが形成されている。熱媒体流路には、スタック１０の外部に設けられているポンプから熱媒体が供給される。この熱媒体により、第１燃料電池セル１８は、カソード側からのみ冷却され、第２燃料電池セル２８はアノード側からのみ冷却される。熱媒体としては、例えば冷却水を用いることができる。燃料ガス流路４６は、第２アノード電極層２４に燃料ガスを供給する。
【００７０】
第１カソード第２アノード冷却機構３２である熱媒体流路は、第２セパレータ５４および第３セパレータ５６の両方に形成されていてもよい。
【００７１】
燃料ガス流路４２、４６を通じて第１アノード電極層１４および第２アノード電極層２４に燃料ガスが供給され、かつ、酸化剤ガス流路４４、４８を通じて第１カソード電極層１６および第２カソード電極層２６に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
【００７２】
スタック１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスがリークしないように、且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材（図示せず）により所定の締結圧にて加圧締結されていてもよい。この場合、燃料電池セルとセパレータとは所定の圧力で面接触することになる。また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、異なるセパレータ間で、電極層の側面を覆うようにガスケット（シール材：図示せず）が配置されていてもよい。
【００７３】
ガスケットは、触媒層および高分子電解質膜とセパレータとの間、または、触媒層とセパレータとの間の隙間を埋める部材であってもよい。ガスケットは、適度な機械的強度と柔軟性を有している合成樹脂であってもよい。ガスケットの形状は、特に限定されないが、例えば、環状で略矩形状とすることができる。
【００７４】
図１に示す例では、第１セパレータ５２に冷却機構は設けられていないが、第１セパレータ５２に第２冷却機構（第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構のいずれか一方または両方）が設けられていてもよい。この場合、第２冷却機構の冷却能力は、第１カソード第２アノード冷却機構３２の冷却能力よりも低い。
【００７５】
具体的には例えば、第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路の熱媒体に対する流体抵抗が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構備える熱媒体流路の熱媒体に対する流体抵抗のいずれよりも小さくてもよい。
【００７６】
あるいは例えば、第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路の流路断面積が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積のいずれよりも小さくてもよい。
【００７７】
あるいは例えば、第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路の流路長が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の流路長のいずれよりも短くてもよい。
【００７８】
あるいは例えば、第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路の延伸形状の屈曲数が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の延伸形状の屈曲数のいずれもよりも少なくてもよい。
【００７９】
あるいは例えば、第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路を流れる熱媒体が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体よりも熱容量が大きくてもよい。
【００８０】
第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構は同一の機構であって、第１アノード冷却機構は第２カソード冷却機構であってもよい。
【００８１】
［実施例］
第１実施形態の実施例にかかる燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、第１アノード電極層の外側には冷却機構を備えず、第２カソード電極層の外側には冷却機構を備えず、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルとがセルブロックを形成すると共にセルブロックが順に積層されることでスタックを形成し、第１カソード第２アノード冷却機構は熱媒体が流れる熱媒体流路を備え、さらに、燃料電池システムは、セルブロックの積層方向に延びると共に熱媒体が流れるマニホールドを備え、それぞれのセルブロックの第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路は、マニホールドからそれぞれ分岐するように形成されている。
【００８２】
本実施例の燃料電池システムは、第１カソード第２アノード冷却機構３２である熱媒体流路以外の構成については、第１実施形態について図１を参照しつつ説明したものと同様とすることができる。よって、共通する構成要素については同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００８３】
図２は、第１実施形態の実施例にかかる第１カソード第２アノード冷却機構の構成例を示す平面図である。第３セパレータ５６を貫通するように、入口マニホールド孔３１と、出口マニホールド孔３３とが形成されている。第３セパレータ５６の一方の主面には、入口マニホールド孔３１および出口マニホールド孔３３を連通するように、第１カソード第２アノード冷却機構３２である熱媒体流路が形成されている。入口マニホールド孔３１と、出口マニホールド孔３３とは、積層されることで、セルブロックの積層方向に延びて熱媒体を通流させるマニホールド（入口マニホールドおよび出口マニホールド）を形成する。
【００８４】
かかる構成により、それぞれのセルブロック５０の第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路は、入口マニホールド孔３１および出口マニホールド孔３３からそれぞれ分岐するように形成されることになる。
【００８５】
本実施例において、スタック１０の外部から供給される熱媒体は、入口マニホールドへと供給され、入口マニホールドからそれぞれのセルブロック５０の第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路へと並列的に供給される。それぞれのセルブロック５０の第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路から排出される熱媒体は、並列的に出口マニホールドへと排出され、出口マニホールドからスタック１０の外部へと排出される。
【００８６】
本実施例では、セパレータに熱媒体のマニホールドを設け、積層した際に熱媒体のマニホールドが形成されるように構成した内部マニホールド方式のものを例示して説明したが、スタック１０の側面に熱媒体のマニホールドを設けた、所謂、外部マニホールド方式のものにも、同様に適用でき、同様の効果を得ることができる。
【００８７】
本実施例では、装置構成をさらに簡潔化できると共に、熱媒体流路の経路長を短くすることができる。このため、熱媒体を送出するポンプの負荷を低減でき、燃料電池システムの効率をさらに向上できる。
【００８８】
［判定方法］
第１燃料電池セル１８（カソード電極側のみから冷却されるセル）の電圧をＶｃとし、第２燃料電池セル２８（アノード電極側のみから冷却されるセル）の電圧をＶａとする。（Ｖａ−Ｖｃ）が大きくなれば、スタックの水分状態が湿潤側に移行したと判定できる。（Ｖａ−Ｖｃ）が小さくなれば、スタックの水分状態が乾燥側に移行したと判定できる。
【００８９】
水分が過剰となっているか否かの判定に用いる閾値をＶｆ、水分が不足となっているか否かの判定に用いる閾値をＶｄとする。（Ｖａ−Ｖｃ）≧Ｖｆとなっていれば、スタック内の水分が過剰であると判定する。（Ｖａ−Ｖｃ）≦Ｖｄとなっていれば、スタック内の水分が不足していると判定する。なお、Ｖｆ、Ｖｄはそれぞれ、正の値であってもよいし、負の値であってもよい。
【００９０】
Ｖｃは、スタック１０に含まれる全ての第１燃料電池セル１８を直列ないし並列に接続した経路の両端電圧であってもよいし、スタック１０に含まれる一部の第１燃料電池セル１８の電圧であってもよいし、スタック１０に含まれる全ての第１燃料電池セル１８の電圧の平均値であってもよい。
【００９１】
Ｖａは、スタック１０に含まれる全ての第２燃料電池セル２８を直列ないし並列に接続した経路の両端電圧であってもよいし、スタック１０に含まれる一部の第２燃料電池セル２８の電圧であってもよいし、スタック１０に含まれるすべての第２燃料電池セル２８の電圧の平均値であってもよい。
【００９２】
ＶｃおよびＶａの検出は、スタック１０の温度が安定した後、あるいは、起動から一定時間経過した後に行われてもよい。
【００９３】
上述の説明では、（Ｖａ−Ｖｃ）の値に基づいて判定を行うこととしたが、（Ｖｃ−Ｖａ）の値に基づいて判定を行ってもよい。ＶａとＶｃとの大小関係に基づいて判定を行ってもよい。
【００９４】
スタックの水分状態が湿潤側に移行すると、カソード電極側のみから冷却されるセルは、フラッディングが発生しやすい状態となり、高分子電解質膜の全面での円滑な反応が阻害されやすくなって、電圧が低下する。アノード電極側のみから冷却されるセルは、比較的フラッディングの影響を受けにくいため、電圧はそれほど低下しない。
【００９５】
スタックの水分状態が乾燥側に移行すると、アノード電極側のみから冷却されるセルは、乾燥しやすい状態となり、高分子電解質膜の水素イオン伝導性が低下して、電圧が低下する。カソード電極側のみから冷却されるセルは、比較的乾燥の影響を受けにくいため、電圧はそれほど低下しない。
【００９６】
「第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧との差に基づいて」とは、上記メカニズムに基づいて第１燃料電池セル１８の電圧および第２燃料電池セル２８の電圧の検出結果を利用するあらゆる判定の態様を含みうる。
【００９７】
本実施形態において、上記判定は、制御器３４により実行されうる。
【００９８】
［運転方法］
図３は、第１実施形態にかかる燃料電池システム１００の運転方法（スタックの湿潤状態を判定する方法）の一例を示すフローチャートである。
【００９９】
まず、第１高分子電解質膜１２ならびに第１高分子電解質膜１２の両面に設けられた第１アノード電極層１４および第１カソード電極層１６を含む第１燃料電池セル１８と、第２高分子電解質膜２２ならびに第２高分子電解質膜２２の両面に設けられた第２アノード電極層２４および第２カソード電極層２６を含む第２燃料電池セル２８とを、第１カソード電極層１６と第２アノード電極層２４とが対向して隣接するように配置してスタック１０を構成する（ステップＳ１０１）。
【０１００】
次に、第１カソード電極層１６と第２アノード電極層２４との間に第１燃料電池セル１８および第２燃料電池セル２８を冷却する第１カソード第２アノード冷却機構３２を設ける（ステップＳ１０２）。第１アノード電極層１４の外側には、第１燃料電池セル１８を冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構３２よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とし、第２カソード電極層２６の外側には、第２燃料電池セル２８を冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構３２よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を設ける、および、冷却機構を設けない、のいずれか一方とする。
【０１０１】
次に、第１燃料電池セル１８の電圧と第２燃料電池セル２８の電圧との差を検出する（ステップＳ１０３）。
【０１０２】
次に、該差に基づいてスタック１０の湿潤状態を判定する（ステップＳ１０４）。湿潤状態の判定方法については、上述したものと同様とすることができるので、詳細な説明を省略する。
【０１０３】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、制御器は、判定の結果に基づいて、スタックの湿潤状態を調整する湿潤状態調整運転を実行するように構成されている。
【０１０４】
上記燃料電池システムにおいて、湿潤状態調整運転は、熱媒体の流量を変化させることで実行されるものであってもよい。
【０１０５】
図４は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。図４に例示するように、第２実施形態の燃料電池システム２００は、スタック１０と、電圧検出器３０と、制御器３４と、冷却水供給器６２とを備えている。
【０１０６】
冷却水供給器６２は、冷却水流路６３を介して、第１カソード第２アノード冷却機構３２が備える熱媒体流路へと熱媒体である冷却水を供給する。冷却水供給器６２は、例えば、ポンプ等により構成されうる。
【０１０７】
制御器３４は、判定の結果に基づいて、スタックの湿潤状態を調整する湿潤状態調整運転を実行するように構成されている。湿潤状態調整運転は、熱媒体の流量を変化させることで実行されるものである。
【０１０８】
以上の点を除き、燃料電池システム２００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同一の構成とすることができる。よって、図１と図４とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０９】
図５は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。図５に示す運転方法は、制御器３４の制御により実行されうる。
【０１１０】
まず、制御器３４は、電圧検出器３０を介して、第１燃料電池セル１８（カソード電極側のみから冷却されるセル）の電圧Ｖｃと、第２燃料電池セル２８（アノード電極側のみから冷却されるセル）の電圧Ｖａとを測定する（ステップＳ２０１）。
【０１１１】
次に、（Ｖａ−Ｖｃ）がＶｆ以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ２０２）。
【０１１２】
ステップＳ２０２の判定結果がＹＥＳである場合には、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定し（ステップＳ２０３）、冷却水供給器６２を制御して、冷却水の流量を減らす（ステップＳ２０４）。かかる制御により、スタック１０の温度は上昇し、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が軽減される。
【０１１３】
ステップＳ２０２の判定結果がＮＯである場合には、（Ｖａ−Ｖｃ）がＶｄ以下であるか否かの判定を行う（ステップＳ２０５）。
【０１１４】
ステップＳ２０５の判定結果がＹＥＳである場合には、スタック１０が水分不足の状態にあると判定し（ステップＳ２０６）、冷却水供給器６２を制御して、冷却水の流量を増やす（ステップＳ２０７）。かかる制御により、スタック１０の温度は低下し、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が軽減される。
【０１１５】
ステップＳ２０５の判定結果がＮＯである場合には、再びセル電圧の測定（Ｓ２０１）に戻る。ステップＳ２０４およびＳ２０７の後も、再びセル電圧の測定（Ｓ２０１）に戻る。
【０１１６】
本実施形態の燃料電池システム２００およびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように冷却水流量が制御されるため、スタック１０の水分量を常に適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１１７】
［第１変形例］
第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムであって、第１カソード電極層および第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備え、湿潤状態調整運転は、酸化剤ガスの加湿量を変化させることで実行されるものである。
【０１１８】
図６は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【０１１９】
図６に例示するように、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システム２１０は、スタック１０と、電圧検出器３０と、制御器３４と、酸化剤ガス供給器６６と、加湿器６８とを備えている。
【０１２０】
酸化剤ガス供給器６６は、酸化剤ガス流路７１を介して、スタック１０が備える酸化剤ガス流路４４、４８へと酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとしては、例えば、空気を利用できる。酸化剤ガス供給器６６は、例えば、ブロワおよびファン等により構成されうる。
【０１２１】
加湿器６８は、酸化剤ガスを加湿する。具体的には、酸化剤ガス流路７１を介して酸化剤ガス供給器６６から供給される酸化剤ガスを、酸化剤オフガス流路７５を介してスタック１０（酸化剤ガス流路４４、４８の出口）から供給される酸化剤オフガスで加湿する。
【０１２２】
酸化剤ガス供給器６６から加湿器６８に至る酸化剤ガス流路７１には、第１加湿器バイパス流路７２の一端が接続され、第１加湿器バイパス流路７２の他端は加湿器６８からスタック１０に至る酸化剤ガス流路７１に接続されている。第１加湿器バイパス流路７２が酸化剤ガス供給器６６から加湿器６８に至る酸化剤ガス流路７１から分岐する部位には、第１切替器７４が設けられている。第１切替器７４は、酸化剤ガス供給器６６から供給される酸化剤ガスのうち、加湿器６８を通ってスタック１０に供給される割合と、第１加湿器バイパス流路７２を通ってスタック１０に供給される割合とを調整する。第１切替器７４は、例えば三方弁で構成されうる。
【０１２３】
スタック１０から加湿器６８に至る酸化剤オフガス流路７５には、第２加湿器バイパス流路７６の一端が接続され、第２加湿器バイパス流路７６の他端は加湿器６８よりも下流の酸化剤オフガス流路７５に接続されている。第２加湿器バイパス流路７６がスタック１０から加湿器６８に至る酸化剤オフガス流路７５から分岐する部位には、第２切替器７８が設けられている。第２切替器７８は、スタック１０から供給される酸化剤オフガスのうち、加湿器６８を通って燃料電池システム２１０の外部へと排出される割合と、第２加湿器バイパス流路７６を通って燃料電池システム２１０の外部へと排出される割合とを調整する。第２切替器７８は、例えば三方弁で構成されうる。
【０１２４】
以上の点を除き、本変形例の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システム２００と同様の構成とすることができる。よって、図６と図４とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１２５】
本変形例において、湿潤状態調整運転は、酸化剤ガスの加湿量を変化させることで実行されるものである。
【０１２６】
具体的には、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、第１切替器７４を制御して、酸化剤ガス供給器６６から供給される酸化剤ガスのうち、第１加湿器バイパス流路７２を通ってスタック１０に供給される割合を増やす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が低下し、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１２７】
あるいは、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、第２切替器７８を制御して、スタック１０から供給される酸化剤オフガスのうち、第２加湿器バイパス流路７６を通って燃料電池システム２１０の外部へと排出される割合を増やす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が低下し、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１２８】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、第１切替器７４を制御して、酸化剤ガス供給器６６から供給される酸化剤ガスのうち、第１加湿器バイパス流路７２を通ってスタック１０に供給される割合を減らす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が増加し、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１２９】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、第２切替器７８を制御して、スタック１０から供給される酸化剤オフガスのうち、第２加湿器バイパス流路７６を通って燃料電池システム２１０の外部へと排出される割合を減らす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が増加し、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１３０】
第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、図５においてステップＳ２０４およびステップＳ２０７をそれぞれ上記ステップに置き換える他は、図５と同様とすることができる。よって詳細な説明を省略する。
【０１３１】
第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システム２１０およびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように酸化剤ガスの加湿量が制御されるため、スタック１０の水分量を常に適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１３２】
［第２変形例］
第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムであって、第１カソード電極層および第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備え、湿潤状態調整運転は、酸化剤ガスの流量を変化させることで実行されるものである。
【０１３３】
図７は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【０１３４】
図７に例示するように、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システム２２０は、スタック１０と、電圧検出器３０と、制御器３４と、酸化剤ガス供給器６６とを備えている。
【０１３５】
酸化剤ガス供給器６６は、酸化剤ガス流路７１を介して、スタック１０が備える酸化剤ガス流路４４、４８へと酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとしては、例えば、空気を利用できる。酸化剤ガス供給器６６は、例えば、ブロワおよびファン等により構成されうる。
【０１３６】
以上の点を除き、本変形例の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システム２００と同様の構成とすることができる。よって、図７と図４とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１３７】
本変形例において、湿潤状態調整運転は、酸化剤ガスの流量を変化させることで実行されるものである。
【０１３８】
具体的には、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、酸化剤ガス供給器６６を制御して、酸化剤ガスの流量を増やす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が低下し、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１３９】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、酸化剤ガス供給器６６を制御して、酸化剤ガスの流量を減らす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が増加し、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１４０】
第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、図５においてステップＳ２０４およびステップＳ２０７をそれぞれ上記ステップに置き換える他は、図５と同様とすることができる。よって詳細な説明を省略する。
【０１４１】
第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システム２２０およびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように酸化剤ガスの流量が制御されるため、スタック１０の水分量を常に適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１４２】
［第３変形例］
第２実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムであって、湿潤状態調整運転は、スタックの出力を変化させることで実行されるものである。
【０１４３】
図８は、第２実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【０１４４】
図８に例示するように、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システム２３０は、スタック１０と、電圧検出器３０と、制御器３４と、燃料供給器６４と、出力調整器７０とを備えている。
【０１４５】
燃料供給器６４は、燃料流路６５を介して、燃料ガスをスタック１０（燃料ガス流路４２、４６）へと供給する。燃料供給器６４は、具体的には例えば、天然ガス、灯油、およびガソリン等から改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成装置等を用いることができる。
【０１４６】
出力調整器７０は、スタック１０の出力を変化させる。出力調整器７０は、具体的には例えば、電力調整器（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）で構成されうる。
【０１４７】
以上の点を除き、本変形例の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システム２００と同様の構成とすることができる。よって、図８と図４とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１４８】
本変形例において、湿潤状態調整運転は、スタック１０の出力を変化させることで実行されるものである。
【０１４９】
具体的には、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、燃料供給器６４および出力調整器７０を制御して、スタック１０の出力を下げる。その結果、生成水の発生量が減少し、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１５０】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、燃料供給器６４および出力調整器７０を制御して、スタック１０の出力を上げる。その結果、生成水の発生量が増加し、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１５１】
第２実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、図５においてステップＳ２０４およびステップＳ２０７をそれぞれ上記ステップに置き換える他は、図５と同様とすることができる。よって詳細な説明を省略する。
【０１５２】
第２実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システム２３０およびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するようにスタック１０の出力が制御させるため、スタック１０の水分量を常に適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１５３】
［第４変形例］
図９は、第２実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【０１５４】
図９に例示するように、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システム２３０は、スタック１０と、電圧検出器３０と、制御器３４と、冷却水供給器６２と、酸化剤ガス供給器６６と、加湿器６８と、出力調整器７０とを備えている。
【０１５５】
冷却水供給器６２と、酸化剤ガス供給器６６と、加湿器６８と、出力調整器７０とは、それぞれ、第１変形例と、第２変形例と、第３変形例とで説明したものと同様の構成とすることができる。よって、図９と図６〜８とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１５６】
本変形例において、湿潤状態調整運転は、第２実施形態および第１〜３変形例の湿潤状態調整運転を任意に組み合わせたものとすることができる。
【０１５７】
第２実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システム２４０およびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように適宜制御が実行されるため、スタック１０の水分量を常に適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１５８】
第２実施形態およびその変形例においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【０１５９】
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態および第２実施形態およびこれらの変形例の燃料電池システムであって、制御器は、判定の結果に基づいて、起動時にスタックの湿潤状態を調整する湿潤状態調整起動シーケンスを実行するように構成されている。
【０１６０】
上記燃料電池システムにおいて、湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に熱媒体の流量を変化させることで実行されるものであってもよい。
【０１６１】
第３実施形態にかかる燃料電池システムの構成は、上記の点を除き、第２実施形態にかかる燃料電池システム２００と同様とすることができる。よって、共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１６２】
図１０は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。図１０に示す運転方法は、制御器３４の制御により実行されうる。
【０１６３】
まず、制御器３４は、燃料電池システムを起動し（ステップＳ３０１）、電圧検出器３０を介して、第１燃料電池セル１８（カソード電極側のみから冷却されるセル）の電圧Ｖｃと、第２燃料電池セル２８（アノード電極側のみから冷却されるセル）の電圧Ｖａとを測定する（ステップＳ３０２）。
【０１６４】
次に、（Ｖａ−Ｖｃ）がＶｆ以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ３０３）。
【０１６５】
ステップＳ３０３の判定結果がＹＥＳである場合には、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定し（ステップＳ３０４）、次回起動時の冷却水の流量を減らすことを制御器３４の記憶部（図示せず）に記憶する（ステップＳ３０５）。かかる制御により、次回の起動時には、冷却水の流量を減らした起動シーケンス（湿潤状態調整起動シーケンス）が実行され、水分過剰の状態が軽減される。
【０１６６】
ステップＳ３０３の判定結果がＮＯである場合には、（Ｖａ−Ｖｃ）がＶｄ以下であるか否かの判定を行う（ステップＳ３０６）。
【０１６７】
ステップＳ３０６の判定結果がＹＥＳである場合には、スタック１０が水分不足の状態にあると判定し（ステップＳ３０７）、次回起動時の冷却水の流量を増やすことを制御器３４の記憶部（図示せず）に記憶する（ステップＳ３０８）。かかる制御により、次回の起動時には、冷却水の流量を増やした起動シーケンス（湿潤状態調整起動シーケンス）が実行され、水分不足の状態が軽減される。
【０１６８】
ステップＳ３０６の判定結果がＮＯである場合には、次回起動時の冷却水の流量は変わらない（ステップＳ３０９）。
【０１６９】
本実施形態の燃料電池システムおよびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように起動時の冷却水流量が制御されるため、起動後のスタック１０の水分量を適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１７０】
［第１変形例］
第３実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムは、第３実施形態の燃料電池システムであって、第１カソード電極層および第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備え、湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に酸化剤ガスの加湿量を変化させることで実行されるものである。
【０１７１】
第３実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの構成は、上記の点を除き、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システム２１０と同様とすることができる。よって、共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１７２】
本変形例において、湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に酸化剤ガスの加湿量を変化させることで実行されるものである。
【０１７３】
具体的には、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、起動時に、第１切替器７４を制御して、酸化剤ガス供給器６６から供給される酸化剤ガスのうち、第１加湿器バイパス流路７２を通ってスタック１０に供給される割合を増やす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が低下し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１７４】
あるいは、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、起動時に、第２切替器７８を制御して、スタック１０から供給される酸化剤オフガスのうち、第２加湿器バイパス流路７６を通って燃料電池システム２１０の外部へと排出される割合を増やす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が低下し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１７５】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、起動時に、第１切替器７４を制御して、酸化剤ガス供給器６６から供給される酸化剤ガスのうち、第１加湿器バイパス流路７２を通ってスタック１０に供給される割合を減らす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が増加し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１７６】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、起動時に、第２切替器７８を制御して、スタック１０から供給される酸化剤オフガスのうち、第２加湿器バイパス流路７６を通って燃料電池システム２１０の外部へと排出される割合を減らす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が増加し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１７７】
第３実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、図１０においてステップＳ３０５およびステップＳ３０８およびステップＳ３０９をそれぞれ次回起動時に上記ステップが行われるように記憶するステップに置き換える他は、図１０と同様とすることができる。よって詳細な説明を省略する。
【０１７８】
本実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムおよびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように起動時の酸化剤ガスの加湿量が制御されるため、起動後のスタック１０の水分量を適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１７９】
［第２変形例］
第３実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムは、第３実施形態の燃料電池システムであって、第１カソード電極層および第２カソード電極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備え、湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に酸化剤ガスの流量を変化させることで実行されるものである。
【０１８０】
第３実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの構成は、上記の点を除き、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システム２２０と同様とすることができる。よって、共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１８１】
本変形例において、湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時に酸化剤ガスの流量を変化させることで実行されるものである。
【０１８２】
具体的には、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、起動時に、酸化剤ガス供給器６６を制御して、酸化剤ガスの流量を増やす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が低下し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１８３】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、起動時に、酸化剤ガス供給器６６を制御して、酸化剤ガスの流量を減らす。その結果、酸化剤ガスの加湿量が増加し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１８４】
第３実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、図１０においてステップＳ３０５およびステップＳ３０８およびステップＳ３０９をそれぞれ次回起動時に上記ステップが行われるように記憶するステップに置き換える他は、図１０と同様とすることができる。よって詳細な説明を省略する。
【０１８５】
本実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムおよびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように起動時の酸化剤ガスの流量が制御されるため、起動後のスタック１０の水分量を適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１８６】
［第３変形例］
第３実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムは、第３実施形態の燃料電池システムであって、起動時にスタックの出力を変化させることで実行されるものである。
【０１８７】
第３実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの構成は、上記の点を除き、第２実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システム２３０と同様とすることができる。よって、共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１８８】
本変形例において、湿潤状態調整起動シーケンスは、起動時にスタックの出力を変化させることで実行されるものである。
【０１８９】
具体的には、例えば、スタック１０が水分過剰の状態にあると判定された場合には、起動時に、出力調整器７０を制御して、スタック１０の出力を下げる。その結果、生成水の発生量が減少し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が低下して水分過剰の状態が低減される。
【０１９０】
あるいは、例えば、スタック１０が水分不足の状態にあると判定された場合には、起動時に、出力調整器７０を制御して、スタック１０の出力を上げる。その結果、生成水の発生量が増加し、起動時に、スタック１０内部の相対湿度が上昇して水分不足の状態が低減される。
【０１９１】
第３実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、図１０においてステップＳ３０５およびステップＳ３０８およびステップＳ３０９をそれぞれ次回起動時に上記ステップが行われるように記憶するステップに置き換える他は、図１０と同様とすることができる。よって詳細な説明を省略する。
【０１９２】
本実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムおよびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように起動時の酸化剤ガスの流量が制御されるため、起動後のスタック１０の水分量を適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１９３】
［第４変形例］
第３実施形態においても、第２実施形態の第４変形例と同様な変形が可能である。すなわち、本変形例において、湿潤状態調整起動シーケンスは、第３実施形態および第３実施形態の第１〜３変形例の湿潤状態調整起動シーケンスを任意に組み合わせたものとすることができる。本変形例にかかる燃料電池システムの装置構成は、上記の点を除き、第２実施形態の第４変形例と同様とすることができる。よって、共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１９４】
本実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムおよびその運転方法によれば、（Ｖａ−Ｖｃ）をＶｄとＶｆとの間に維持するように起動時に適宜制御が実行されるため、起動後のスタック１０の水分量を適正な値に維持することができる。よって、発電効率を向上することができる。
【０１９５】
第３実施形態およびその変形例においても、第１実施形態および第２実施形態と同様の変形が可能である。
【０１９６】
［その他の態様］
第１〜３実施形態およびその変形例のいずれかの燃料電池システムにおいて、第１アノード電極層の外側には、第１燃料電池セルを冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第１アノード冷却機構を備え、第２カソード電極層の外側には、第２燃料電池セルを冷却すると共に第１カソード第２アノード冷却機構よりも冷却能力の小さい第２カソード冷却機構を備え、第１カソード第２アノード冷却機構および第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構は、熱媒体が流れる熱媒体流路をそれぞれ備えており、第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路の熱媒体に対する流体抵抗が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の熱媒体に対する流体抵抗のいずれよりも小さくてもよい。
【０１９７】
上記燃料電池システムにおいて、第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の流路断面積のいずれよりも小さくてもよい。
【０１９８】
上記燃料電池システムにおいて、第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路の流路長が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の流路長のいずれよりも短くてもよい。
【０１９９】
上記燃料電池システムにおいて、第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路の延伸形状の屈曲数が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路の延伸形状の屈曲数よりも少なくてもよい。
【０２００】
上記燃料電池システムにおいて、第１カソード第２アノード冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体が、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構が備える熱媒体流路を流れる熱媒体よりも熱容量が大きくてもよい。
【０２０１】
上記燃料電池システムにおいて、第１アノード冷却機構および第２カソード冷却機構は同一の機構であって、第１アノード冷却機構は第２カソード冷却機構であってもよい。
【０２０２】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２０３】
本発明の一態様は、従来よりも簡潔な構成でスタックの湿潤状態を判定することができる燃料電池システムおよびその運転方法として有用である。
【符号の説明】
【０２０４】
１  セル
１０  スタック
１２  第１高分子電解質膜
１４  第１アノード電極層
１６  第１カソード電極層
１８  第１燃料電池セル
２２  第２高分子電解質膜
２４  第２アノード電極層
２６  第２カソード電極層
２８  第２燃料電池セル
３０  電圧検出器
３１  入口マニホールド孔
３２  第１カソード第２アノード冷却機構
３３  出口マニホールド孔
３４  制御器
４２  燃料ガス流路
４４  酸化剤ガス流路
４６  燃料ガス流路
４８  酸化剤ガス流路
５０  セルブロック
５２  第１セパレータ
５４  第２セパレータ
５６  第３セパレータ
６２  冷却水供給器
６３  冷却水流路
６４  燃料供給器
６５  燃料流路
６６  酸化剤ガス供給器
６８  加湿器
７０  出力調整器
７１  酸化剤ガス流路
７２  第１加湿器バイパス流路
７４  第１切替器
７５  酸化剤オフガス流路
７６  第２加湿器バイパス流路
７８  第２切替器
１００、２００、２１０、２２０、２３０、２４０  燃料電池システム
１１０  ＭＥＡ
１１１  高分子電解質膜
１１２  電極層
１１３  触媒層
１１４  ガス拡散層
１１５  基材
１１６  コーティング層
１１７  ガスケット
１２０  セパレータ
１２１  燃料ガス流路溝
１２２  酸化剤ガス流路溝
１２３  冷却水流路溝
１３０  締結部材
【図１】
2014099375.tif 000003
【図２】
2014099375.tif 000004
【図３】
2014099375.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014099375.tif 000009
【図８】
2014099375.tif 000010
【図９】
2014099375.tif 000011
【図１０】
2014099375.tif 000012
【図１１】
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