(57)【要約】【課題】  燃料電池に燃料と空気とを供給する燃料電池システムにおいて、空気を無加湿で供給し、もしくは、従来よりも低加湿で供給しても、燃料電池を良好に運転させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池１と、制御部２と、水素経路３と、空気経路４と、空気経路４のうちの空気排出経路４ｂに設けられた空気調圧弁１０とを備える燃料電池システムにおいて、制御部２に、電解質膜が乾燥傾向であるかを判定させる。そして、制御部２が、電解質膜が乾燥傾向であると判定した場合、制御部２に、空気調圧弁１０に対して、空気排出経路４ｂ内における空気圧力を、通常運転時よりも高くする制御を実行させる。【選択図】        図１
2006210004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された燃料極および空気極と、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、前記空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）に接続され、前記空気通路（２４）に供給される空気が流れる空気供給経路（４ａ）と、
前記燃料電池（１）に接続され、前記空気通路（２４）から排出される空気が流れる空気排出経路（４ｂ）と、
前記燃料電池（１）に接続され、前記燃料ガス通路（２３）に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路（３ａ）とを備える燃料電池システムにおいて、
前記空気排出経路（４ｂ）に流れる空気量を調整する空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）と、
前記電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定する第１の判定手段（３２）と、  
前記第１の判定手段（３２）が、前記電解質が乾燥傾向にあると判定した場合に、前記空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）を作動させることで、前記セル（２０）の前記空気通路（２４）内における空気圧力を、前記燃料電池（１）の通常運転時よりも高くさせる制御を実行する第１の制御手段（３３）とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気量調整手段は、前記空気排出経路（４ｂ）における空気圧力を調整する調圧弁（１０）であ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】
前記セル（２０）のうち、前記空気通路（２４）の入口近傍の領域（２６）における発電電流を測定する電流センサ（１１）を有し、
前記第１の判定手段（３２）は、前記電流センサ（１１）の測定結果に基づいて、前記電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定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】
前記セル（２０）の発電電圧を測定するセル電圧測定手段（１２）と、セル電圧しきい値が記憶されている記憶手段とを有し、
前記第１の判定手段（３２）は、前記セル電圧測定手段（１２）の測定結果を、あらかじめ前記記憶手段に記憶されている前記セル電圧しきい値と比較することで、前記電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定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５】
前記複数のセル（２０）の総発電電圧を測定する総電圧測定手段（１３）と、総電圧しきい値が記憶されている記憶手段とを有し、
前記第１の判定手段（３２）は、前記総電圧測定手段（１３）の測定結果を、あらかじめ前記記憶手段に記憶されている前記総電圧しきい値と比較することで、前記電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定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６】
前記セルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、インピーダンスしきい値が記憶されている記憶手段とを有し、
前記第１の判定手段（３２）は、前記インピーダンス測定手段の測定結果を、あらかじめ前記記憶手段に記憶されている前記インピーダンスしきい値と比較することで、前記電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定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７】
前記空気通路（２４）内の空気の圧力と、前記燃料ガス通路（２３）内の燃料ガスの圧力との差を調整する差圧調整手段（１０、１４、１５、１６）と、
前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定する第２の判定手段（５２、５４）と、
前記第２の判定手段（５２、５４）が、前記空気通路（２４）に生成水が存在すると判定した場合に、前記差圧調整手段（１０、１４、１５、１６）を作動させることで、前記空気通路（２４）内の圧力を、前記燃料ガス通路（２３）内の圧力よりも高くさせる制御を実行する第２の制御手段（５５）とを有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された燃料極および空気極と、前記空気極に対して供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）に接続され、前記空気通路（２４）に供給される空気が流れる空気供給経路（４ａ）と、
前記燃料電池（１）に接続され、前記空気通路（２４）から排出される空気が流れる空気排出経路（４ｂ）と
前記燃料電池（１）に接続され、前記燃料ガス通路（２３）に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路（３ａ）とを備える燃料電池システムにおいて、
前記空気通路（２４）内の空気の圧力と、前記燃料ガス通路（２３）内の燃料ガスの圧力との差を調整する差圧調整手段（１０、１４、１５、１６）と、
前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定する第２の判定手段（５２、５４）と、
前記第２の判定手段（５２、５４）が、前記空気通路（２４）に生成水が存在すると判定した場合に、前記差圧調整手段（１０、１４、１５、１６）を作動させることで、前記空気通路（２４）内の圧力を、前記燃料ガス通路（２３）内の圧力よりも高くさせる制御を実行する第２の制御手段（５５）とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記差圧調整手段は、前記空気排出経路（４ｂ）内に設けられ、前記空気排出経路（４ｂ）を流れる空気量を調整する空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）であり、
前記第２の制御手段（５５）は、前記空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）を作動させ、前記空気通路（２４）内の圧力を増加させることで、前記空気通路（２４）内の圧力を、前記燃料ガス通路（２４）内の圧力よりも高くさせることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記空気供給経路（４ａ）内に配置され、前記空気供給経路（４ａ）内の圧力を測定する第１の圧力測定手段（４２）と、
前記空気排出経路（４ｂ）内に配置され、前記空気排出経路（４ｂ）内の圧力を測定する第２の圧力測定手段（９）とを備え、
前記第１の圧力測定手段（４２）の測定結果と、前記第２の圧力測定手段（９）の測定結果との差が、前記第２の制御手段（５５）の作動前における前記差と比較して、減少した場合に、前記第２の制御手段（５５）の作動を停止させる第１の停止手段（５７）を有することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を、前記空気通路（２４）内での水分蒸発量よりも多くする水分蒸発量変更手段（６２、６３）と、
前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定する第２の判定手段（７２、７４）と、
前記第２の判定手段（７２、７４）が、前記空気通路（２４）に生成水が存在すると判定した場合に、前記水分蒸発量変更手段（６２、６３）に対して、燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を、空気通路（２４）内での水分蒸発量よりも多くさせる制御を実行する第３の制御手段（７７、８０）とを有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置された燃料極および空気極と、前記空気極に対して供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を、前記空気通路（２４）内での水分蒸発量よりも多くする水分蒸発量変更手段（６２、６３）と、
前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定する第２の判定手段（７２、７４）と、
前記第２の判定手段（７２、７４）が、前記空気通路（２４）に生成水が存在すると判定した場合に、前記水分蒸発量変更手段（６２、６３）に対して、燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を、空気通路（２４）内での水分蒸発量よりも多くさせる制御を実行する第３の制御手段（７７、８０）とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
前記水分蒸発量変更手段は、前記燃料ガス供給経路（３ａ）中を流れる前記燃料ガスを加熱する加熱手段（６２）であり、
前記第３の制御手段（７７）は、前記加熱手段（６２）に対して、前記燃料ガス通路（２３）内の温度が前記空気通路（２４）内の温度よりも高くなるように、前記燃料ガス供給経路（２３）中の前記燃料ガスを加熱する旨の作動指示信号を出力するようになっていることを特徴とする請求項１１または１２に記載燃料電池システム。
【請求項１４】
前記セル（２０）の電流を測定するセル電流測定手段（１１）を有しており、
前記第３の制御手段（７７）は、前記セル電流測定手段（１１）の測定結果より、生成水量を算出する第１の算出手段（８２）と、
前記第１の算出手段（８２）が算出した生成水量と、電解質の水分保持に必要な量とに基づいて、必要となる前記燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を算出するとともに、前記水分蒸発量を得るための前記燃料ガス通路（２３）内の温度を算出する第２の算出手段（８３）と、
前記燃料ガス通路（２３）内の温度が、前記第２の算出手段（８３）によって算出された温度となるように、前記加熱手段（６２）に対して、前記燃料ガス供給経路（３ａ）中の前記燃料ガスを加熱する旨の作動指示信号を出力する出力手段（８４）とを備えることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記水分蒸発量変更手段は、前記燃料ガス供給経路（３ａ）中を流れる前記燃料ガスの量を調整する燃料ガス供給量調整手段（６３）であり、
前記第３の制御手段（８０）は、前記燃料ガス供給量調整手段（６３）に対して、前記第３の制御手段（８０）が実行される前と比較して、前記燃料ガスの供給量を増加させる指示信号を出力するようになっていることを特徴とする請求項請求項１１または１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記空気供給経路（４ａ）内に配置され、前記空気供給経路（４ａ）内の圧力を測定する第１の圧力測定手段（４２）と、
前記空気排出経路（４ｂ）内に配置され、前記空気排出経路（４ｂ）内の圧力を測定する第２の圧力測定手段（９）とを備え、
前記第１の圧力測定手段（４２）の測定結果と、前記第２の圧力測定手段（９）の測定結果との差が、前記第３の制御手段（７７、８０）の作動前における前記差と比較して、減少した場合に、前記第３の制御手段（７７、８０）の作動を停止させる第２の停止手段（７９）を有することを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記セル（２０）のうち、前記空気通路（２４）の出口近傍の領域（２６）における発電電流を測定する電流センサ（１１）と、
前記空気通路（２４）の出口における温度を測定する温度センサ（１１）とを有し、
前記第２の判定手段（５２、５４、７２、７４）は、前記電流センサ（１１）の測定結果と、前記温度センサ（１１）の測定結果とに基づいて、前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定することを特徴とする請求項７ないし１６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記セル（２０）の発電電圧を測定するセル電圧測定手段（１２）と、セル電圧しきい値が記憶されている記憶手段とを有し、
前記第２の判定手段は、前記セル電圧測定手段（１２）の測定結果を、あらかじめ前記記憶手段に記憶されている前記セル電圧しきい値と比較することで、前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定することを特徴とする請求項７ないし１６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記複数のセル（２０）の総発電電流を測定する総電流測定手段（４４）を有し、
前記第２の判定手段は、前記総電流測定手段（４４）の測定結果に基づいて、前記空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定することを特徴とする請求項７ないし１６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記燃料ガス供給経路（３ａ）に設けられた加湿手段（６）を有し、
前記燃料電池（１）に供給される燃料ガスと空気のうち、前記燃料ガスのみが、前記加湿手段（６）によって、加湿されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれか１つ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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池では、通常、酸化剤ガスとして空気が供給され、燃料ガスとして水素ガスが供給される。また、燃料電池の出力は、燃料電池に供給される空気中の酸素濃度によって決まる。したがって、燃料電池の出力を向上させるためには、供給される空気中の酸素濃度を向上させれば良い。
【０００３】
そして、従来では、燃料電池に供給される空気中の酸素濃度を向上させる方法として、何らかの手段を用いて純酸素を生成し、この生成した純酸素を空気に加える方法（例えば、特許文献１、２参照）や、空気供給量を増加させる方法（例えば、特許文献３参照）がある。
【特許文献１】特開２００３−２２９１６５号公報
【特許文献２】特開平１０−３２１２４９号公報
【特許文献３】特開２００３−２１７６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記した前者の方法では、純酸素を生成するための手段が複雑であったり、この手段の搭載スペースを確保する必要が生じたりするという問題が生じる。一方、上記した後者の方法では、空気供給量を増加させるためにコンプレッサ等の消費電力を増加させる必要が生じ、燃料電池システム全体の効率が低下するという問題が生じる。  
【０００５】
そこで、本発明者は、これらの問題を回避するため、酸素濃度を向上させる他の方法として、空気を無加湿の状態で燃料電池に供給する方法を検討した。
【０００６】
この方法は、空気中に水蒸気が含まれると、その水蒸気によって、空気全体における見掛けの酸素濃度が低下するので、空気の水蒸気量を減らすことで、空気全体における見掛けの酸素濃度を向上させる方法である。
【０００７】
なお、燃料電池として高分子電解質型燃料電池を用いる場合では、一般的に、電解質膜の乾燥を防止するため、空気を加湿した状態で、燃料電池に供給している。これに対して、この方法は、空気を積極的に加湿しないで燃料電池に供給しようとする方法である。
【０００８】
しかし、空気を無加湿の状態で燃料電池に供給する場合、以下の２つの問題が考えられる。
【０００９】
１つは、空気を無加湿の状態で供給するため、電解質膜が乾燥しやすいという問題である。燃料電池は、通常、単セルが集合化されたものであり、各セルに空気および燃料ガスが供給されるようになっており、電解質膜の乾燥が特に顕著となるのは、各セルの空気入口近傍である。各セル中の他の部位は、発電に伴う生成水が、各セルに設けられた空気通路を流れ、生成水が積算されるため、空気入口ほど乾燥していない。
【００１０】
また、この問題が特に顕著となる時期としては、燃料電池の運転始動時（起動時）である。燃料電池の発電時において、電気化学反応により水が生成するが、燃料電池の発電前は生成水が存在しないからである。
【００１１】
もう１つは、燃料電池の発電時に生成した水が蒸発し、水蒸気となって空気中に含まれると、セルに供給された空気全体の見掛けの酸素濃度が低下するという問題である。
【００１２】
すなわち、燃料電池の単セルは、電解質膜の両側に空気極と燃料極とが配置され、さらに、これらが、空気や燃料ガスの供給路を兼ねたセパレータによって狭持された構成となっている。空気極側に空気が供給され、燃料極側に燃料ガスが供給されると、空気極側で水が生成する。この生成水が蒸発して、セル内の空気経路内を流れる空気中に含まれると、空気全体の見掛けの酸素濃度が低下してしまう。このため、無加湿の状態の空気を供給する意義が失われてしまう
この問題は、特に、セル内の空気通路における空気出口側において、顕著となる。これは、空気通路に存在する水が、空気出口側に向かって空気通路を流れることで、生成水が積算されるため、空気出口において、生成水の蒸発量が多くなるからである。
【００１３】
なお、酸素濃度を向上させる方法としては、空気を無加湿で供給する方法だけでなく、供給する空気への加湿の際の加湿量を従来の一般的な加湿量よりも低くする（低加湿）方法も採用できる。加湿量を従来よりも低くすることで、空気中の見掛けの酸素濃度を、従来よりも向上させることができるからである。そして、この方法を採用した場合においても、上記した問題が同様に生じる。
【００１４】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池に燃料と空気とを供給する燃料電池システムにおいて、空気を無加湿で供給し、もしくは、従来よりも低加湿で供給しても、燃料電池を良好に運転させることができる燃料電池システム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】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、空気排出経路（４ｂ）に流れる空気量を調整する空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）と、電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定する第１の判定手段（３２）と、第１の制御手段（３３）とを有することを特徴としている。
【００１６】
ここで、第１の制御手段（３３）は、第１の判定手段（３２）が、電解質が乾燥傾向にあると判定した場合に、空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）を作動させることで、セル（２０）の空気通路（２４）内における空気圧力を、燃料電池（１）の通常運転時よりも高くさせる制御を実行するものである。
【００１７】
このように、電解質が乾燥傾向の場合に、空気排出量調整手段を用いて、燃料電池の空気排出量を減少させ、セルの空気経路内における空気圧力を、燃料電池の通常運転時よりも高くすることで、セルの空気経路での空気の流れを遅くすることができる。
【００１８】
これにより、このような加圧制御手段を有していない燃料電池システムと比較して、セルの空気通路の入口側において、空気極の表面上に空気中の酸素が存在する時間を長くすることができる。すなわち、このような加圧制御手段を有していない燃料電池システムと比較して、セルの空気通路の入口近傍において、空気通路を流れる空気の酸素濃度を高めることができる。
【００１９】
このため、セルのうちの空気入口近傍において、電気化学反応を促進させることができ、生成水の発生を促進させることができる。この生成水を電解質に拡散させることで、電解質の乾燥を抑制することができる。
【００２０】
この結果、本発明の燃料電池システムによれば、請求項２０に示すように、空気を無加湿で供給し、もしくは、従来よりも低加湿で供給する場合であっても、燃料電池を良好に運転させることができる。なお、請求項１に記載中の「通常運転時」とは、定常運転時や、燃料電池から所定の出力が得られている時を意味する。
【００２１】
空気量調整手段としては、請求項２に示すように、空気排出経路（４ｂ）における空気圧力を調整する調圧弁（１０）を用いることができる。また、空気量調整手段として、絞り手段を用いることもできる。この場合、空気排出経路に、切替弁を介して、絞り手段を有する経路を接続させる。そして、切替弁で、絞り手段を有する経路に空気を流すように、切り替えることで、燃料電池の空気排出量を減少させることもできる。  
【００２２】
また、第１の判定手段の判定方法に関して、請求項３に示すように、セル（２０）のうち、空気通路（２４）の入口近傍の領域（２６）における発電電流を測定する電流センサ（１１）を有する場合、第１の判定手段（３２）に、電流センサ（１１）の測定結果に基づいて、電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定させることができる。
【００２３】
例えば、第１の判定手段に、電流センサの測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されている電流しきい値と比較させることができる。
【００２４】
また、請求項４に示すように、セル（２０）の発電電圧を測定するセル電圧測定手段（１２）と、セル電圧しきい値が記憶されている記憶手段とを有する場合、第１の判定手段（３２）に、セル電圧測定手段（１２）の測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されているセル電圧しきい値と比較することで、電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定させることができる。
【００２５】
また、請求項５に示すように、記複数のセル（２０）の総発電電圧を測定する総電圧測定手段（１３）と、総電圧しきい値が記憶されている記憶手段とを有する場合、第１の判定手段（３２）に、総電圧測定手段（１３）の測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されている総電圧しきい値と比較することで、電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定させることができる。
【００２６】
また、請求項６に示すように、セルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、インピーダンスしきい値が記憶されている記憶手段とを有する場合、第１の判定手段（３２）に、インピーダンス測定手段の測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されているインピーダンスしきい値と比較することで、電解質が乾燥傾向にあるか否かを判定させることができる。
【００２７】
また、請求項１に記載の発明に、請求項７に示す発明を加えることもできる。また、請求項１に記載の発明とは別に、請求項８に記載の発明を採用することもできる。
【００２８】
請求項７、８に記載の発明では、空気通路（２４）内の空気の圧力と、燃料ガス通路（２３）内の燃料ガスの圧力との差を調整する差圧調整手段（１０、１４、１５、１６）と、空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定する第２の判定手段（５２、５４）と、第２の制御手段（５５）とを有することを特徴としている。
【００２９】
ここで、第２の制御手段（５５）は、第２の判定手段（５２、５４）が、空気通路（２４）に生成水が存在すると判定した場合に、差圧調整手段（１０、１４、１５、１６）を作動させることで、空気通路（２４）内の圧力を、燃料ガス通路（２３）内の圧力よりも高くさせる制御を実行するものである。
【００３０】
このように、空気通路内の圧力を燃料ガス通路内の圧力よりも高くすることで、空気極の周辺および空気通路内に存在する水を、電解質を介して、水素通路に移動させることができる。
【００３１】
これにより、空気極側で生成した水が、蒸発して空気通路を流れる空気に含まれるのを抑制できる。このため、空気通路を流れる空気中に水蒸気が含まれることにより、空気全体の見掛けの酸素濃度が低下することを抑制することができる。
【００３２】
この結果、本発明の燃料電池システムによれば、請求項１９に示すように、空気を無加湿で供給し、もしくは、従来よりも低加湿で供給する場合であっても、燃料電池を良好に運転させることができる。
【００３３】
差圧調整手段としては、例えば、請求項９に示すように、空気排出経路（４ｂ）内に設けられ、空気排出経路（４ｂ）を流れる空気量を調整する空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）を用いることができる。
【００３４】
そして、空気量調整手段（１０、１４、１５、１６）を第２の制御手段（５５）が作動させ、空気通路（２４）内の圧力を増加させることで、空気通路（２４）内の圧力を、燃料ガス通路（２４）内の圧力よりも高くさせることができる。
【００３５】
また、差圧調整手段としては、調圧弁等の燃料ガス供給量調整手段を用いることもできる。また、差圧調整手段として、空気量調整手段と燃料ガス供給量調整手段の両方を用いることもできる。
【００３６】
また、請求項１０に示すように、燃料電池システムに対して、空気供給経路（４ａ）内に配置され、空気供給経路（４ａ）内の圧力を測定する第１の圧力測定手段（４２）と、空気排出経路（４ｂ）内に配置され、空気排出経路（４ｂ）内の圧力を測定する第２の圧力測定手段（９）と、第１の停止手段（５７）とを設けることもできる。
【００３７】
ここで、第１の停止手段（５７）は、第１の圧力測定手段（４２）の測定結果と、第２の圧力測定手段（９）の測定結果との差が、第２の制御手段（５５の作動前における差と比較して、減少した場合に、第２の制御手段（５５）の作動を停止させるものである。
【００３８】
また、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の発明に対して、請求項１１に記載の発明を追加することもできる。また、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の発明とは、別に、請求項１２に記載の発明を採用することもできる。
【００３９】
請求項１１、１２に記載の発明では、燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を、空気通路（２４）内での水分蒸発量よりも多くする水分蒸発量変更手段（６２、６３）と、空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定する第２の判定手段（７２、７４）と、第３の制御手段（７７、８０）とを有することを特徴としている。
【００４０】
ここで、第３の制御手段（７７、８０）は、第２の判定手段（７２、７４）が、空気通路（２４）に生成水が存在すると判定した場合に、水分蒸発量変更手段（６２、６３）に対して、燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を、空気通路（２４）内での水分蒸発量よりも多くさせる制御を実行するものである。
【００４１】
このように、燃料ガス通路内での水の蒸発量を、空気通路内での水の蒸発量よりも多くすることで、電解質の燃料ガス通路側の表面上に存在する水の量を、電解質の空気通路側の表面上に存在する水の量よりも、減少させることができる。このため、電解質の空気通路側の表面上に存在する水を、電解質中を拡散させ、電解質の燃料ガス通路側の表面上に移動させることができる。
【００４２】
これにより、本発明によれば、空気極の周辺および空気通路内に水が存在する場合に、この水を、電解質を介して、水素通路に移動させることができる。このことから、空気極側で生成した水が、蒸発して空気通路を流れる空気に含まれるのを抑制でき、空気全体の見掛けの酸素濃度が低下することを抑制することができる。
【００４３】
この結果、本発明の燃料電池システムによれば、請求項１９に示すように、空気を無加湿で供給し、もしくは、従来よりも低加湿で供給する場合であっても、燃料電池を良好に運転させることができる。
【００４４】
水分蒸発量変更手段としては、例えば、請求項１３に示すように、燃料ガス供給経路（３ａ）中を流れる燃料ガスを加熱する加熱手段（６２）を用いることができる。この場合、第３の制御手段（７７）は、加熱手段（６２）に対して、燃料ガス通路（２３）内の温度が空気通路（２４）内の温度よりも高くなるように、燃料ガス供給経路（２３）中の燃料ガスを加熱する旨の作動指示信号を出力する。
【００４５】
このように、燃料ガス通路内の温度を、空気通路内の温度よりも高くすることで、燃料ガス通路内における飽和水蒸気圧を、空気通路内における飽和水蒸気圧よりも高くすることできる。これにより、燃料ガス通路内での水分蒸発量を、空気通路内での水分蒸発量よりも多くさせることができる。
【００４６】
また、この場合、請求項１４に示すように、第３の制御手段（７７）を、第１の算出手段（８２）と、第２の算出手段（８３）と、出力手段（８４）とを備える構成とすることができる。
【００４７】
ここで、第１の算出手段（８２）は、セル電流測定手段（１１）の測定結果より、生成水量を算出するものである。
【００４８】
第２の算出手段（８３）は、第１の算出手段（８２）が算出した生成水量と、電解質の水分保持に必要な量とに基づいて、必要となる燃料ガス通路（２３）内での水分蒸発量を算出するとともに、水分蒸発量を得るための燃料ガス通路（２３）内の温度を算出するものである。
【００４９】
出力手段（８４）は、燃料ガス通路（２３）内の温度が、第２の算出手段（８３）によって算出された温度となるように、加熱手段（６２）に対して、燃料ガス供給経路（３ａ）中の燃料ガスを加熱する旨の作動指示信号を出力するものである。
【００５０】
また、水分蒸発量変更手段としては、例えば、請求項１５に示すように、燃料ガス供給経路（３ａ）中を流れる燃料ガスの量を調整する燃料ガス供給量調整手段（６３）を用いることができる。
【００５１】
この場合、第３の制御手段（８０）は、燃料ガス供給量調整手段（６３）に対して、第３の制御手段（８０）が実行される前と比較して、燃料ガスの供給量を増加させる指示信号を出力するようになっている。
【００５２】
このように、燃料ガス通路内の流量を増大させ、燃料ガス流速を高くすることで、燃料ガス通路内での水分蒸発量を、空気通路内での水分蒸発量よりも多くさせることができる。
【００５３】
また、請求項１６に示すように、燃料電池システムに対して、空気供給経路（４ａ）内に配置され、空気供給経路（４ａ）内の圧力を測定する第１の圧力測定手段（４２）と、空気排出経路（４ｂ）内に配置され、空気排出経路（４ｂ）内の圧力を測定する第２の圧力測定手段（９）と、第２の停止手段（７９）とを設けることもできる。
【００５４】
ここで、第２の停止手段（７９）は、第１の圧力測定手段（４２）の測定結果と、第２の圧力測定手段（９）の測定結果との差が、第３の制御手段（７７、８０）の作動前における差と比較して、減少した場合に、第３の制御手段（７７、８０）の作動を停止させるものである。
【００５５】
また、第２の判定手段の判定方法に関して、請求項１７に示すように、セル（２０）のうち、空気通路（２４）の出口近傍の領域（２６）における発電電流を測定する電流センサ（１１）と、空気通路（２４）の出口における温度を測定する温度センサ（１１）とを有する場合、第２の判定手段（５２、５４、７２、７４）に、電流センサ（１１）の測定結果と、温度センサ（１１）の測定結果とに基づいて、空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定させることができる。
【００５６】
例えば、第２の判定手段（５２、５４、７２、７４）に、電流センサ（１１）の測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されている第２の電流しきい値と比較し、かつ、温度センサ（１１）の測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されている温度しきい値と比較させることができる。
【００５７】
このように、空気通路（２４）の出口近傍の領域（２６）における発電電流を測定するのは、空気通路に生成水が存在する場合、生成水は、空気通路に沿って流れるため、特に、空気通路の出口側に多く存在し、空気通路の出口側では、その水によって、空気極に向かっての空気の拡散が阻害されるため、発電量が少なくなるからである。
【００５８】
また、空気通路（２４）の出口温度を測定するのは、温度によって、飽和水蒸気量が異なり、温度が低いほど、生成水が存在しやすいからである。したがって、発電電流と温度から、空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定することができる。
【００５９】
また、第２の判定手段の判定方法に関して、請求項１８に示すように、セル（２０）の発電電圧を測定するセル電圧測定手段（１２）と、セル電圧しきい値が記憶されている記憶手段とを有する場合、第２の判定手段に、セル電圧測定手段（１２）の測定結果を、あらかじめ記憶手段に記憶されているセル電圧しきい値と比較することで、空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定させることができる。
【００６０】
また、第２の判定手段の判定方法に関して、請求項１９に示すように、複数のセル（２０）の総発電電流を測定する総電流測定手段（４４）を有する場合、第２の判定手段に、総電流測定手段（４４）の測定結果に基づいて、空気通路（２４）に生成水が存在するか否かを判定させることができる。
【００６１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
（第１実施形態）
本実施形態では、電解質が乾燥傾向にある場合に、セルの空気通路内における空気圧力を、燃料電池の通常運転時よりも高くする発明の一実施形態について説明する。
【００６３】
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成の概略図を示す。また、図２（ａ）に、図１中の燃料電池スタックの斜視図を示し、図２（ｂ）に、燃料電池スタックを構成する単セルの分解斜視図を示す。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１に対して空気を無加湿の状態で供給する点と、制御部２が電解質の乾燥防止処理を実行する点とが、従来の燃料電池システムと主に異なっている。
【００６４】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１と、制御部（ＥＣＵ）２と、水素経路３と、空気経路４と、冷却水経路５とを有している。本実施形態では、燃料電池１として、例えば、固体高分子電解質膜型の燃料電池を用いている。
【００６５】
水素経路３は、水素ガスが流れる経路であり、燃料電池１に供給される水素ガスが流れる水素供給経路３ａと、燃料電池１から排出された水素ガスが流れる水素排出経路３ｂとからなる。水素供給経路３ａが本発明の燃料ガス供給経路に相当する。
【００６６】
水素供給経路３ａを介して、図示しない水素供給装置から燃料電池１内に水素が供給される。また、水素供給経路３ａ内には、加湿器６と、水素調圧弁７とが配置されている。加湿器６は、水素供給経路３ａ内を流れる水素ガスに対して加湿するものである。加湿器６が本発明の加湿手段に相当する。水素調圧弁７は、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧を調整する弁である。加湿器６および水素調圧弁７は、制御部２から入力された作動指示信号によって、作動するようになっている。
【００６７】
空気経路４は、空気が流れる経路であり、燃料電池１に供給される空気が流れる空気供給経路４ａと、燃料電池１から排出された空気が流れる空気排出経路４ｂとからなる。
【００６８】
空気供給経路４ａには、空気ポンプ８が接続されており、空気ポンプ８によって、空気供給経路４ａを介して、燃料電池１内に空気が供給される。なお、本実施形態では、空気供給経路４ａに、加湿器は配置されていない。
【００６９】
一方、空気排出経路４ｂ内には空気圧力センサ９と、空気調圧弁１０とが配置されている。空気用圧力センサ９は、空気排出経路４ｂを流れる空気の圧力を測定するものであり、空気調圧弁１０は、空気排出経路４ｂを流れる空気量を調整することで、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を調整する弁である。空気調圧弁１０が本発明の空気量調整手段に相当する。
【００７０】
そして、上記した空気ポンプ８、空気調圧弁１０は、制御部２から入力された作動指示信号によって、作動するようになっている。また、空気圧力センサ９は、測定結果を制御部２に出力するようになっている。
【００７１】
冷却水経路５は、燃料電池１の内部を冷却する冷却媒体としての冷却水が流れる経路である。冷却水経路５を介して、図示しない冷却システムから燃料電池１に冷却水が供給される。
【００７２】
燃料電池１は、図２（ａ）に示すように、基本単位となる単セル２０が複数積層されたスタック構造となっている。積層されたセル２０は、電気的に直列接続されている。
【００７３】
そして、燃料電池１の一方の側面には、燃料電池１の内部に水素、空気、冷却水をそれぞれ導入するための水素入口１ａ、空気入口１ｂ、冷却水入口１ｃと、燃料電池１の内部から外部に水素、空気、冷却水をそれぞれ排出するための水素出口１ｄ、空気出口１ｅ、冷却水出口１ｆとが設けられている。
【００７４】
水素入口１ａ、空気入口１ｂ、水素出口１ｄ、空気出口１ｅのそれぞれに、水素供給経路３ａ、空気供給経路４ａ、水素排出経路３ｂ、空気排出経路４ｂが接続されている。また、冷却水入口１ｃおよび冷却水出口１ｆに冷却水経路５が接続されている。
【００７５】
セル２０は、図２（ｂ）に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode assembly）２１とこれを両側から挟み込むセパレータ２２とから構成されている。
【００７６】
セパレータ２２は、ガスが透過しない導電性部材、例えば、カーボン材で形成されている。また、セパレータ２２は、セル２０の内部に、水素、空気、冷却水をそれぞれ導入するための水素入口２２ａ、空気入口２２ｂ、冷却水入口２２ｃと、セル２０の内部から外部に水素、空気、冷却水をそれぞれ排出するための水素出口２２ｄ、空気出口２２ｅ、冷却水出口２２ｆとが設けられている。
【００７７】
セパレータ２２の水素入口２２ａ、空気入口２２ｂ、水素出口２２ｄ、空気出口２２ｅの位置関係について、水素出口２２ｄより水素入口２２ａの方が、空気出口２２ｅに対して近い位置に配置されている。すなわち、水素入口２２ａと空気出口２２ｅとが対応する位置関係となっている。そして、水素出口２２ｄと空気入口２２ｂとが対応する位置関係となっている。
【００７８】
また、セパレータ２２には、燃料電池１に供給された水素、空気、冷却水がそれぞれ流れる水素通路、空気通路、冷却水通路が設けられている。ここで、図３（ａ）に、セパレータ２２に設けられている水素通路を示し、図３（ｂ）に、セパレータ２２に設けられている空気通路を示す。
【００７９】
水素通路は、セパレータ２２の燃料極と接する側の面に設けられた溝により、構成されている。そして、図３（ａ）に示すように、水素通路２３は、水素入口２２ａから水素出口２２ｄに向かって、水素ガスが流れるように、レイアウトされている。この水素通路２３が本発明の燃料ガス通路に相当する。
【００８０】
一方、空気通路は、セパレータ２２の空気極と接する側の面に設けられた溝により、構成されている。そして、図３（ｂ）に示すように、空気通路２４は、空気入口２２ｂから空気出口２２ｅに向かって、空気が流れるように、レイアウトされている。
【００８１】
また、冷却水通路は、図示しないが、セパレータ２２の内部に形成されている。
【００８２】
したがって、水素供給経路３ａを流れる水素ガスは、燃料電池１の水素入口１ａから燃料電池１内に流入し、各セル２０の水素入口２２ａを積層方向に貫通するとともに、各セル２０の水素入口２２ａから水素通路２３を流れ、各セル２０の水素出口２２ｄを介して、燃料電池１の水素出口１ｄから水素排出経路３ｂに流出するようになっている。
【００８３】
同様に、空気供給経路４ａを流れる空気は、燃料電池１の空気入口１ｂから燃料電池１内に流入し、各セル２０の空気入口２２ｂを積層方向に貫通するとともに、各セル２０の空気入口２２ｂから空気通路２４を流れ、各セル２０の空気出口２２ｅを介して、燃料電池１の空気出口１ｅから空気排出経路４ｂに流出するようになっている。
【００８４】
同様に、冷却水経路５を流れる冷却水は、燃料電池１の冷却水入口１ｂから燃料電池１内に流入し、各セル２０の冷却水入口２２ｃを積層方向に貫通するとともに、各セル２０の冷却水入口２２ｃから冷却水通路を流れ、各セル２０の冷却水出口２２ｆを介して、燃料電池１の冷却水出口１ｆから冷却水経路５に流出するようになっている。
【００８５】
セル２０のＭＥＡ２１は、図示しないが、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極（正極）として構成され、他方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極（負極）として構成されている。
【００８６】
空気極に酸素を含む空気が供給され、燃料極に水素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。また、このとき、空気極側では、水が生成する。
（燃料極）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２  ＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
また、図１、２（ａ）に示すように、燃料電池１の各セル２０間に、電流センサ板１１が配置されている。この電流センサ板１１が本発明の電流センサに相当する。電流センサ板１１は、セル２０の面の各領域における発電電流、すなわち、局所電流を測定するものである。本実施形態では、電流センサ板１１は、図３（ｂ）に示すように、空気入口２２ｂの近傍の領域２６におけるセル２０の発電電流を測定するようになっている。
【００８７】
電流センサ板１１は、例えば、導電体により構成され、セルとセルとの間に、セル間を電気的に接続するように配置される導電部と、導電部を流れる電流を測定する電流センサにより構成される。そして、電流センサは、測定結果を制御部２に出力するようになっている。
【００８８】
制御部２は、上記した加湿器６、水素調圧弁７、空気ポンプ８、空気調圧弁１０を制御するものであり、図１に示すように、これらに対して、作動指示信号を出力する。また、制御部２は、図１に示すように、空気圧力センサ９、電流センサ板１１から測定結果が入力されるようになっている。
【００８９】
また、制御部２は、後述する電解質の乾燥防止処理を実行するところである。制御部２は、図示しないが、記憶手段としてのメモリ部を備えている。このメモリ部には、後述の電流しきい値が記憶されている。なお、制御部２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路により構成されている。
【００９０】
次に、制御部２が実行する電解質膜の乾燥防止処理を説明する。図４に、この乾燥防止処理のフローチャートを示す。この乾燥防止処理は、燃料電池１の運転が開始されたときに、処理が開始され、所定の周期で実行される。なお、本実施形態と本発明の対応関係について、ステップ３２とステップ３３とが、それぞれ、本発明の第１の判定手段と、第１の制御手段とに相当する。
【００９１】
まず、水素供給装置および空気ポンプ８が始動することで、燃料電池１への水素ガスおよび空気の供給が開始される。これにより、燃料電池１での発電が開始される。このとき、制御部２が、加湿器６に対して作動指示信号を出力することで、加湿器６により、水素供給経路３ａを流れる水素ガスが加湿される。一方、空気供給経路４ａを流れる空気は、加湿されない。
【００９２】
そして、電流センサ板１１がセル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域２６における発電電流を測定する。ステップ３１では、その測定結果が、電流センサ板１１から制御部２に入力される。
【００９３】
続いて、ステップ３２では、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、小さいか否かが判定される。電解質膜が乾燥傾向にある場合、セル２０の出力が低下する。そこで、このステップでは、セル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域２６における発電電流値の大きさから、セル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域２６が乾燥傾向であるか否かを判断している。
【００９４】
なお、この電流しきい値は、あらかじめ、調査しておいた正常運転時や、乾燥時のＩＶ特性のマップから決定される。電流しきい値を、例えば、０．５Ａ／ｃｍ２とすることができる。  
【００９５】
そして、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、小さい（ＹＥＳ）と判断された場合、ステップ３３に進み、小さくない（ＮＯ）と判断された場合、本処理が終了される。
【００９６】
ステップ３３では、空気調圧弁１０に対して、空気排出経路４ｂにおける空気圧力を、設定値まで上昇させる旨の作動指示信号を出力する。このとき、空気用圧力センサ９から入力された測定値が考慮される。これにより、空気調圧弁１０を作動させ、空気排出経路４ｂにおける空気圧力を設定値まで急上昇させる。
【００９７】
この空気圧力の設定値は、燃料電池の通常運転時の空気圧力よりも高く、燃料電池の耐圧よりも小さい値である。ここで、燃料電池の通常運転時とは、燃料電池の定常運転時、すなわち、所定の出力が得られている時を意味する。また、燃料電池の耐圧とは、燃料電池内のパッキング等におけるガス漏れに対する耐圧である。
【００９８】
なお、空気排出経路４ｂ内の圧力は、通常運転時では、例えば、５０ｋＰａであり、上記した設定値を、例えば、１５０ｋＰａとすることができる。
【００９９】
そして、再び、電流センサ板１１がセル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域２６における発電電流を測定する。ステップ３４では、その測定結果が、電流センサ板１１から制御部２に入力される。
【０１００】
続いて、ステップ３５では、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を上昇させた後における電流センサ板１１の測定結果が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、大きいか否かが判定される。セル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域において、電解質膜が湿潤状態になったかを否かを判断するためである。
【０１０１】
これは、電解質膜が乾燥した状態の場合、電解質膜の電気抵抗が大きくなるため、発電量が低下するが、電解質膜が乾燥したから湿潤状態に戻ると、発電量が増大するからである。
【０１０２】
なお、この電流しきい値として、ステップ３２で用いた電流しきい値と同じものを用いたり、それとは異なるものを用いたりすることができる。例えば、このステップでの電流しきい値を、１．０Ａ／ｃｍ２とすることができる。
【０１０３】
そして、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、大きい（ＹＥＳ）と判断された場合、ステップ３６に進む。一方、大きくない（ＮＯ）と判断された場合、所定時間待機した後、ステップ３４に戻る。セル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域において、発電量が増加していない場合であっても、時間が経過すれば、発電量が増加するからである。  
【０１０４】
続いて、ステップ３６では、空気調圧弁１０に対して、作動指示信号を出力する。これにより、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を加圧前の状態に戻す。このようにして、電解質の乾燥防止処理が実行される。
【０１０５】
次に、本実施形態の主な特徴について説明する。
【０１０６】
上記したように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、制御部２と、水素経路３と、空気経路４と、空気経路４のうちの空気排出経路４ｂに設けられた空気調圧弁１０とを備えている。
【０１０７】
そして、制御部２は、ステップ３２で、セル２０の空気入口２２ｂの領域２６において、発電電流が、電流しきい値よりも小さいか、すなわち、電解質膜が乾燥傾向であるかを判定する。制御部２は、発電電流が電流しきい値よりも小さいと判定した場合、ステップ３３で、空気調圧弁１０に対して、空気排出経路４ｂ内における空気圧力を、通常運転時よりも高くするように、作動指示信号を出力するようになっている。
【０１０８】
このように、電解質膜が乾燥傾向である場合では、制御部２が、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を通常運転時よりも高くし、セル２０の空気通路２４内の空気圧力を通常運転時よりも高くする制御を行うようになっている。  
【０１０９】
これにより、セル２０の空気通路２４内における空気の流れを遅くでき、空気通路２４内において、空気入口２２ｂ側での酸素濃度を高くすることができる。このため、セル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域２６において、電気化学反応を集中させることができ、生成水を多く発生させることができる。この生成水が電解質膜に拡散するので、電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【０１１０】
この結果、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気を無加湿で燃料電池１に供給する場合であって、特に、燃料電池の起動時のように、電解質膜の乾燥が特に生じやすい場合において、電解質膜の乾燥を抑制することができ、燃料電池を良好に運転させることができる。
【０１１１】
ここで、参考として、本実施形態の燃料電池システムにおける発電効率の向上率を説明する。本実施形態の燃料電池システムの発電効率は、燃料電池へ加湿した状態の空気を供給する燃料電池システムと比較して、４％向上し、単に燃料電池へ無加湿の状態の空気を供給する燃料電池システムと比較して、２．７％向上することがわかった。
【０１１２】
なお、燃料電池へ加湿した状態の空気を供給する燃料電池システムの発電効率は、本実施形態の燃料電池システムに対して、加湿器を加えたときの測定結果である。また、単に燃料電池へ無加湿の状態の空気を供給する燃料電池システムの発電効率は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部２の乾燥防止処理を実行しないときの測定結果である。
【０１１３】
また、本実施形態では、加湿を水素側のみ行い、空気に対しては行っていないため、燃料電池１に供給する空気の加湿に必要な機器を省略できる。これにより、燃料電池１に供給する空気に対して加湿を行う燃料電池システムと比較して、燃料電池システムを小型化することができる。
【０１１４】
なお、本実施形態では、ステップ３５で、電流センサ板１１の測定値と電流しきい値とを比較することで、発電電流の増加を判定する場合を例として説明したが、電流センサ板１１の測定結果から算出した一定期間での電流増加率から発電電流の増加を判定することもできる。
【０１１５】
（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図５では、図１に示す燃料電池システムと同様の構成部については、図１と同一の符号を付している。本実施形態では、第１実施形態と異なる点について、説明する。
【０１１６】
第１実施形態では、セル２０の空気入口２２ｂ近傍の領域２６での発電電流の測定結果に基づいて、制御部２が空気調圧弁１０により空気圧力を上げる制御を行う場合を例として説明した。これに対して、以下に説明するように、セル電圧、スタック電圧もしくはセルのインピーダンスの測定結果に基づいて、制御部２が空気調圧弁１０により空気圧力を上げる制御を行うようにすることもできる。
【０１１７】
具体的には、図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、セルモニタ１２を備えており、セルモニタ１２で各セル２０のセル電圧をモニタしている。セルモニタ１２は、その測定結果を制御部２に出力するようになっている。セルモニタ１２が本発明のセル電圧測定手段に相当する。
【０１１８】
制御部２は、電解質膜の乾燥防止処理において、図４に示すステップ３１では、セルの発電電流を測定する代わりに、セルモニタ１２からセル電圧値が入力される。続いて、ステップ３２では、制御部２は、その入力されたセル電圧値が、メモリ部にあらかじめ記憶されているセル電圧しきい値よりも小さいか否かを判定する。そして、ＹＥＳの場合、ステップ３３に進み、ＮＯの場合、乾燥防止処理が終了する。
【０１１９】
セル２０の空気入口２２ｂの近傍において、電解質膜が乾燥傾向にある場合、セル２０のＩＶ特性が、電解質膜が正常な状態にある場合と異なる。すなわち、セル２０の空気入口２２ｂ側で電解質膜が乾燥すると、電解質膜の抵抗が大きくなり、セル電圧が低下する。そこで、このように、セル電圧値の大きさから、セル２０の空気入口２２ｂの近傍において、電解質膜が乾燥傾向にあるかを判定することもできる。
【０１２０】
なお、このときのセル電圧しきい値も、あらかじめ調査しておいた電解質膜が正常な状態の時と乾燥時におけるＩＶ特性のマップから決定される。
【０１２１】
また、図５に示すように、燃料電池システムが、スタック電圧を測定する電圧センサ１３を備え、電圧センサ１３から制御部２にその測定結果が入力される場合では、制御部２が実行する、ステップ３１、３２を以下のように変更することもできる。なお、スタック電圧とは、燃料電池１を構成する全てのセルの総発電電圧を意味する。
【０１２２】
ステップ３１では、電圧センサ１３からスタック電圧が入力され、ステップ３２では、入力されたスタック電圧がスタック電圧しきい値よりも小さいか否かが判定される。
【０１２３】
セル２０の空気入口２２ｂの近傍において、電解質膜が乾燥する場合では、通常、全てのセル２０で同時に、電解質膜が乾燥するため、スタック電圧が低下する。そこで、このように、スタック電圧の大きさから、セル２０の空気入口２２ｂの近傍において、電解質膜が乾燥傾向にあるかを判定することもできる。
【０１２４】
なお、本実施形態の電圧センサ１３が本発明の総電圧測定手段に相当し、スタック電圧が本発明の総電圧、スタック電圧しきい値が本発明の総電圧しきい値に相当する。
【０１２５】
また、図示しないが、セル、特に、電解質膜のインピーダンスを計測する計測器を、燃料電池システムに配置し、このインピーダンス計測器により、セル２０の空気入口２２ｂの近傍領域２６でのインピーダンスを計測する。このインピーダンス計測器が本発明のインピーダンス計測手段に相当する。
【０１２６】
そして、このインピーダンス計測器による計測結果と、インピーダンスしきい値を比較して、制御部２は、電解質膜が乾燥傾向にあるかを判定することもできる。電解質膜が乾燥した場合、インピーダンス値が高くなるからである。電解質膜が正常の場合、例えば、１０ｍΩであり、電解質膜が乾燥した場合、例えば、１００ｍΩとなる。
【０１２７】
（第３実施形態）
図６に、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図６では、図１に示す燃料電池システムと同様の構成部については、図１と同一の符号を付している。本実施形態では、第１実施形態と異なる点について、説明する。
【０１２８】
本実施形態の燃料電池システムは、図６に示すように、図１中の空気調圧弁１０の代わりに、絞り部１４およびこれを有する経路１５が、空気排出経路４ｂに設けられている。
【０１２９】
この絞り部１４は、空気排出経路４ｂよりも空気の流量を減らす機能を有するものであり、例えば、オリフィス機構部が用いられる。絞り部を有する経路１５は、切替弁１６を介して、空気排出経路４ｂと接続されている。切替弁１６は、制御部２から入力された作動指示信号に基づいて作動するようになっている。
【０１３０】
これらの絞り部１４、絞り部を有する経路１５および切替弁１６が、本発明の空気量調整手段に相当する。
【０１３１】
この切替弁１６が作動し、燃料電池１から排出された空気が、空気排出経路４ｂからこの絞り部１４を有する経路１５に導入されると、空気排出経路４ｂを流れる空気量が減少される。これにより、空気排出経路４ｂ内の空気圧力が上昇し、セル２０の空気通路２４における空気圧力が上昇する。
【０１３２】
なお、図１中の空気調圧弁１０は、空気調圧弁１０を通過する空気量を任意に調整できるものであるのに対して、絞り部１４は、絞り部１４を通過する空気量が一定のものである。
【０１３３】
第１実施形態では、空気調圧弁１０により、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を上昇させ、セル２０の空気通路２４における空気圧力を上昇させていた。これに対して、本実施形態のように、絞り部１４を有する経路１５に、燃料電池１から排出された空気を導入させることで、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を上昇させ、セル２０の空気通路２４における空気圧力を上昇させることもできる。
【０１３４】
（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なり、セルの空気通路に生成水が存在する場合に、空気通路内の圧力を、セルの燃料ガス通路内の圧力よりも高くする発明の一実施形態について説明する。  
【０１３５】
図７に、本発明の第４実施形態における燃料電池システムの全体構成の概略図を示す。図７では、図１に示す燃料電池システムと同様の構成部には、図１と同一の符号を付している。以下では、主に、第１実施形態と異なる点について説明する。
【０１３６】
図７に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給経路３ａ内に、水素ガス用圧力センサ４１が配置されている。水素ガス用圧力センサ４１は、水素供給経路３ａ内を流れる水素ガスの圧力を測定し、その結果を制御部２に出力するようになっている。
【０１３７】
また、この燃料電池システムでは、空気供給経路４ａ内に、空気用圧力センサ４２が配置され、空気排出経路４ｂ内に温度センサ４３が配置されている。この空気用圧力センサ４２が本発明の第１の圧力測定手段に相当する。
【０１３８】
この空気用圧力センサ４２は、空気供給経路４ａを流れる空気の圧力を測定し、その測定結果を制御部２に出力するようになっている。また、温度センサ４３は、空気排出経路４ｂ内の温度を測定し、その測定結果を制御部２に出力するようになっている。
【０１３９】
なお、本実施形態においても、空気排出経路４ｂ内に空気用圧力センサ９、空気調圧弁１０が配置されている。この空気用圧力センサ９、空気調圧弁１０が、それぞれ、本発明の第２の圧力測定手段、差圧調整手段に相当する。
【０１４０】
次に、電流センサ板１１の測定箇所について説明する。図８に、セル２０のセパレータ２２に設けられている空気通路２４を示す。図８では、図３（ｂ）に示すセパレータ２２と同様の構成部には、図３（ｂ）と同一の符号を付している。本実施形態では、電流センサ板１１は、図８に示すように、セル２０のうち、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍領域２７における発電電流を測定するようになっている。
【０１４１】
また、制御部２は、本実施形態では、空気通路２４内に生成水が存在する場合に、この生成水を除去する生成水除去処理を実行するようになっている。なお、制御部２のメモリ部には、生成水除去処理で用いる電流しきい値が記憶されている。
【０１４２】
ここで、図９に、制御部２が実行する生成水除去処理のフローチャートを示す。この生成水除去処理は、燃料電池１の運転が開始されたときに、処理が開始され、所定の周期で実行される。なお、本実施形態と本発明の対応関係について、ステップ５２、５４が本発明の第２の判定手段に相当し、ステップ５５が本発明の第２の制御手段に相当し、ステップ５７が本発明の第１の停止手段に相当する。
【０１４３】
まず、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、水素供給装置および空気ポンプ８が始動することで、燃料電池１への水素ガスおよび空気の供給が開始される。これにより、燃料電池１での発電が開始される。このとき、加湿器６に対して作動指示信号を出力することで、加湿器６により、水素供給経路３ａを流れる水素ガスに対して加湿する。なお、空気供給経路４ａを流れる空気に対しては、加湿しない。
【０１４４】
そして、電流センサ板１１がセル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流を測定する。ステップ５１では、その測定結果が、電流センサ板１１から制御部２に入力される。
【０１４５】
続いて、ステップ５２では、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、小さいか否かが判定される。制御部２が、このような判定を行うのは、空気通路２４内に生成水が存在するかどうかを推定するためである。
【０１４６】
すなわち、空気通路２４内の出口側に生成水が多く存在している場合、生成水が空気の拡散を阻害するため、セル２０の発電量が少なくなる。また、空気通路２４内に生成水が存在する場合、空気出口２２ｅに向かって、生成水が流れるため、空気通路２４の出口２２ｅ側に生成水が最も多く存在する。
【０１４７】
そこで、このように、セル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流を測定し、その測定結果から、空気通路２４の出口２２ｅ側における生成水の存在の有無を推定するようにしている。
【０１４８】
そして、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、小さい（ＹＥＳ）と判断された場合、ステップ５３に進む。一方、小さくない（ＮＯ）と判断された場合、空気通路２４内に生成水が存在していないと推定されることから、本処理が終了される。
【０１４９】
ステップ５３では、空気排出経路４ｂに設けられた温度センサ４３から測定結果が入力される。
【０１５０】
続いて、ステップ５４では、入力された測定温度が、あらかじめメモリ部に記憶されている温度しきい値よりも、小さいか否かが判定される。制御部２がこのような判定を行うのは、空気通路２４内に生成水が存在するかどうかを推定するためである。
【０１５１】
すなわち、セル２０内の空気通路２４の出口付近での温度が低い場合、凝縮（液化）が生じやすく、空気通路２４内に水が存在しやすくなる。そこで、空気排出経路４ｂ内の温度から、セル２０内の空気通路２４の出口付近での温度が、凝縮が生じやすい温度か否かを推定し、凝縮が生じやすい温度のときであれば、セル２０内の空気通路２４の出口付近に、生成水が存在していると推定するようにしている。
【０１５２】
そして、入力された測定温度が、あらかじめメモリ部に記憶されている温度しきい値よりも、小さい（ＹＥＳ）と判断された場合、ステップ５５に進む。一方、小さくない（ＮＯ）と判断された場合、空気通路２４内に生成水が存在していないと推定されることから、本処理が終了される。
【０１５３】
ステップ５５では、空気調圧弁１０に対して、空気排出経路４ｂにおける空気圧力を、所定値まで上昇させる旨の作動指示信号を出力する。
【０１５４】
具体的には、空気排出経路４ｂに配置された空気用圧力センサ９と、水素供給経路３ａに配置された水素ガス用圧力センサ４１とから入力された測定結果に基づいて、空気排出経路４ｂ内の空気圧力と水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力との差圧が、一定の範囲の大きさで保持されるように、制御部２が作動指示信号を出力する。
【０１５５】
この一定の範囲の大きさとは、セル２０の空気極側に存在する水が、電解質膜を介して、燃料極側へ移動できる圧力差である。この一定の範囲の大きさを、例えば、５ｋＰａとすることが好ましい。このように、一定の範囲の大きさとするのは、上記差圧が小さい場合、空気極側の水が燃料極側に移動しないおそれが生じるので、これを防ぎ、確実に水を移動させるためである。
【０１５６】
これにより、制御部２からの作動指示信号を受けて、空気調圧弁１０が作動し、空気排出経路４ｂ内の空気圧力が上昇する。
【０１５７】
続いて、ステップ５６では、空気供給経路４ａの空気用圧力センサ４２の測定結果と、空気排出経路４ｂの空気用圧力センサ９の測定結果とが、制御部２に入力される。
【０１５８】
続いて、ステップ５７では、それらの測定結果から、空気供給経路４ａと空気排出経路４ｂとの空気圧力差、すなわち、空気通路２４の入口２２ｂ側と出口２２ｅ側との差圧が、ステップ５５を実施する前の差圧と比較して、小さくなったかが判定される。
【０１５９】
空気通路２４の出口２２ｅ側に水が存在する場合、その水によって、空気通路２４を流れる空気の圧力が減少する。そこで、このように、空気通路２４の入口２２ｂ側と出口２２ｅ側との差圧から、空気通路２４側に存在していた水が、電解質膜を介して、水素通路２３側に移動したかを推定するようにしている。
【０１６０】
なお、ステップ５５を実施する前に、空気供給経路４ａの空気用圧力センサ４２と、空気排出経路４ｂの空気用圧力センサ９とによる測定結果が、制御部２に入力され、制御部２のメモリ部に記憶される。このステップ５６では、このメモリ部に記憶されている空気通路２４の入口２２ｂ側と出口２２ｅ側との差圧が、比較対象として読み出される。
【０１６１】
そして、上記差圧が小さくなっていない（ＮＯ）と判定された場合、ステップ５８に進む。
【０１６２】
ステップ５８では、一定時間待機する。
【０１６３】
続いて、ステップ５９では、空気排出経路４ｂに配置された空気用圧力センサ９と、水素供給経路３ａに配置された水素ガス用圧力センサ４１とから測定結果が入力される。
【０１６４】
続いて、ステップ６０では、空気排出経路４ｂ内の空気圧力が、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも大きいか否かが判定される。具体的には、空気排出経路４ｂ内の空気圧力と水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力との差圧が、一定の範囲の大きさで保持されているか否かが判定される。
【０１６５】
そして、空気排出経路４ｂ内の空気圧力が、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも大きい（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ５６に戻る。一方、空気排出経路４ｂ内の空気圧力が、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも大きくない（ＮＯ）と判定された場合、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を上昇させるため、ステップ５５に戻る。
【０１６６】
ステップ５７において、上記差圧が小さくなった（ＹＥＳ）と判定された場合、空気通路２４内の水が除去されたと推定して、生成水除去処理が終了される。
【０１６７】
次に、本実施形態の主な特徴について説明する。
【０１６８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、制御部２と、水素経路３と、空気経路４と、空気経路４のうちの空気排出経路４ｂに設けられた空気調圧弁１０とを備えている。
【０１６９】
そして、制御部２は、ステップ５２で、セル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流が、電流しきい値よりも、小さいか否かを判定し、かつ、ステップ５４で、空気排出経路４ｂ内を流れる空気の温度が、温度しきい値よりも、小さいか否かを判定するようになっている。
【０１７０】
このようにして、制御部２は、セル２０内の空気通路２４の出口付近に、生成水が存在しているか否かを推定している。
【０１７１】
さらに、制御部２は、ステップ５２、５４で、ともにＹＥＳと判定した場合、ステップ５５で、空気排出経路４ｂ内の空気圧力が、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも、大きくなるように、空気調圧弁１０に対して、作動指示信号を出力するようになっている。
【０１７２】
これにより、セル２０の内部において、空気通路２４内の圧力が、水素通路２３内の圧力よりも高くなる。
【０１７３】
ここで、空気極側で水が多く生成された場合、水は空気通路２４内を流れ、空気通路２４の出口２２ｅ側に積算される。このため、水は、空気通路２４の出口２２ｅ側に最も多く存在する。
【０１７４】
そこで、本実施形態では、空気通路２４の出口付近における水の存在の有無から、空気通路２４内に水が存在しているかを推定している。そして、空気通路２４内に水が存在している場合では、空気通路２４内の圧力を水素通路２３内の圧力よりも高くしている。
【０１７５】
これにより、本実施形態によれば、燃料電池１が起動した後、燃料電池１の発電によって生じた水を、空気通路２４側から電解質膜を介して、水素通路２３側に移動させることができる。
【０１７６】
このため、空気通路２４の出口付近に存在する水が蒸発して、空気通路２４を流れる空気に含まれるのを抑制できる。したがって、空気通路を流れる空気中に水蒸気が含まれることにより、空気全体の見掛けの酸素濃度が低下することを抑制することができる。
【０１７７】
この結果、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気を無加湿で供給する場合であっても、燃料電池を良好に運転させることができる。
【０１７８】
なお、本実施形態を、以下に説明する（１）〜（６）のように変更することもできる。
【０１７９】
（１）本実施形態では、空気排出経路４ｂに配置されている空気調圧弁１０のみを作動させることで、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも大きくする場合を例として説明した。
【０１８０】
これに対して、水素供給経路３ａに配置されている水素調圧弁７のみを作動させ、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力を下げることで、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも大きくすることもできる。また、空気調圧弁１０と水素調圧弁７の両方を作動させて、空気排出経路４ｂ内の空気圧力を、水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも大きくすることもできる。
【０１８１】
（２）本実施形態では、セル２０において、水素入口２２ａと空気出口２２ｅとが対応して配置されているため、空気出口２２ｅに接続されている空気排出経路４ｂ内の空気圧力を、水素入口２２ａに接続されている水素供給経路３ａ内の水素ガス圧力よりも高くさせる場合を例として説明した。
【０１８２】
これに対して、水素出口２２ｄと空気出口２２ｅとが対応して配置されている場合では、空気出口２２ｅに接続されている空気排出経路４ｂ内の空気圧力を、水素出口２２ｄに接続されている水素排出経路３ｂ内の水素ガス圧力よりも高くさせる。これにより、セル２０の空気通路２４内の圧力を、水素通路２３内の圧力よりも高くすることもできる。  
【０１８３】
この場合、本実施形態と同様に、空気調圧弁１０を用いたり、図示しないが、水素排出経路３ｂ内の水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁を、水素排出経路３ｂに配置して、この水素調圧弁を用いたりして、空気排出経路４ｂの空気圧力を、水素排出経路３ｂ内の水素ガス圧力よりも高くさせることができる。
【０１８４】
（３）本実施形態では、制御部２が、ステップ５２で、セル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における電流測定値が電流しきい値よりも小さいか判定し、ステップ５４で、空気排出経路４ｂ内の測定温度が温度しきい値よりも小さいか判定する場合を例として説明した。
【０１８５】
これに対して、制御部２に、ステップ５２、５４で、燃料電池１の運転条件が、水が多く生成する条件であるか否かを判定させることもできる。この水が多く生成する条件は、セル２０の電流密度と、燃料電池１内の温度とから事前に決められる。
【０１８６】
例えば、制御部２に、ステップ５２で、電流測定値が０．７Ａ／ｃｍ２であるか判定させ、ステップ５４で、温度測定値が６０℃であるか判定させることができる。なお、セル２０の電流密度は、電流センサ板１１により測定され、燃料電池１内の温度は、図示しない温度センサにより測定される。
【０１８７】
（４）本実施形態では、制御部２が、ステップ５２で、電流測定値を電流しきい値と比較する場合を例として説明したが、電流測定値を電流しきい値と比較する代わりに、一定期間内における電流測定結果において、電流値が時間とともに振動しているか否かを、制御部２に判定させることもできる。
【０１８８】
これは、空気極の周辺に生成水が存在する場合では、発電電流量が時間とともに変動するからである。したがって、制御部２が、このように判定しても、セル２０内の空気通路２４の出口付近に、生成水が存在しているか否かを推定することができる。
【０１８９】
（５）本実施形態では、図８に示すように、電流センサ板１１の電流測定箇所を、セル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７とする場合を例として説明したが、空気出口２２ｅの近傍領域２７の代わりに、第１実施形態と同様、図３に示すように、空気入口２２ｂの近傍領域２６とすることもできる。
【０１９０】
この場合、図９に示す生成水除去処理を以下のように変更する。
【０１９１】
ステップ５１では、セル２０の空気入口２２ｂの近傍領域２６における発電電流の測定値が、電流センサ板１１から制御部２に入力される。そして、ステップ５２で、その測定値が、メモリ部にあらかじめ記憶されている電流しきい値よりも大きいか否かを、制御部２が判定する。この電流しきい値は、上記したステップ５２における電流しきい値とは異なるものである。
【０１９２】
セル２０の空気入口２２ｂの近傍領域２６における発電電流が多い場合、それに伴い生成される水の量も多い。そして、空気通路２４内を流れる空気の温度が低い場合、飽和蒸気圧が低く、空気通路２４内は、水が存在しやすい状態となる。
【０１９３】
そこで、ステップ５１、５２をこのように変更しても、ステップ５２、５４により、空気通路２４の出口２２ｅ側に水が存在するか否かを判定することができる。
【０１９４】
（６）本実施形態では、差圧調整手段として、空気調圧弁１０を用いる場合を例として説明したが、第３実施形態と同様に、空気調圧弁１０の代わりに、絞り部１４を用いることもできる。
【０１９５】
（第５実施形態）
図１０に、本発明の第５実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図１０では、図７に示す燃料電池システムと同様の構成部に、図７と同一の符号を付している。本実施形態では、第４実施形態と異なる点について、説明する。
【０１９６】
第４実施形態では、セル２０の発電電流の測定結果に基づいて、制御部２が、セル２０における空気通路２４の空気圧力を、水素通路２３の水素圧力よりも高くする制御を行う場合を例として説明した。これに対して、以下に説明するように、セル電圧、スタック電流の測定結果に基づいて、制御部２が、空気通路２４の空気圧力を水素通路２３の水素圧力よりも高くする制御を行うようにすることもできる。
【０１９７】
具体的には、図１０に示すように、燃料電池システムに、燃料電池１を構成する全てのセル２０の総電流を測定する電流センサ４４を配置する。この電流センサ４４は、その測定結果を、制御部２に向けて出力するようになっている。この電流センサ４４が、本発明の総電流測定手段に相当する。  
【０１９８】
そして、制御部２は、生成水除去処理において、ステップ５１で、電流センサ４４から測定結果が入力され、ステップ５２で、その測定結果を、メモリ部にあらかじめ記憶されている総電流しきい値と比較する。
【０１９９】
セルの空気通路２４内に生成水が存在する場合、生成水が空気の拡散を阻害するため、セルでの発電量が低下する。そして、空気通路２４に生成水が存在している場合では、通常、全てのセル２０においても、同様に生成水が存在している。このため、このような場合、燃料電池１の総電流が低下する。
【０２００】
したがって、本実施形態においても、空気通路２４に生成水が存在しているか否かを推定することができる。  
【０２０１】
なお、ステップ５２において、総電流の測定値を総電流しきい値と比較する代わりに、所定時間内において、総電流の測定値が振動しているか否かを、制御部２に判定させることもできる。これによっても、空気通路２４内に生成水が存在するかを推定することができる。既に説明したように、生成水が空気極の周辺に存在している場合、電流量が変動するからである。
【０２０２】
また、図１０に示すように、燃料電池システムに、セルモニタ１２を配置する。セルモニタ１２が本発明のセル電圧測定手段に相当する。そして、制御部２は、生成水除去処理において、ステップ５１で、セルモニタ１２から測定結果が入力され、ステップ５２で、その測定結果を、メモリ部にあらかじめ記憶されているセル電圧しきい値と比較する。
【０２０３】
セルの空気通路２４内に生成水が存在する場合、生成水が空気の拡散を阻害するため、セルでの発電量が低下する。そこで、セル電圧をしきい値と比較することによっても、空気通路２４に生成水が存在しているか否かを推定することができる。
【０２０４】
（第６実施形態）
本実施形態では、第１〜第５実施形態と異なり、セルの空気通路に生成水が存在する場合に、セルの燃料ガス通路内での水分蒸発量を、セルの空気通路内での水分蒸発量よりも多くする発明の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、制御部２が実行する生成水除去処理の一部が第４、５実施形態と異なっている。
【０２０５】
図１１に、本発明の第６実施形態における燃料電池システムの全体構成の概略図を示す。図１１では、図７に示す燃料電池システムと同様の構成部には、図７と同一の符号を付している。以下では、主に、第４実施形態と異なる点について説明する。
【０２０６】
本実施形態の燃料電池システムでは、図１１に示すように、水素供給経路３ａ内に、図７中の水素調圧弁７、水素ガス用圧力センサ４１の代わりに、温度センサ６１と、水素ガス加熱手段６２と、水素ガス流量コントローラ６３とが配置されている。なお、水素供給経路３ａでは、燃料電池１に近い側から、温度センサ６１、水素ガス加熱手段６２、加湿器６、水素ガス流量コントローラ６３が配置されている。
【０２０７】
温度センサ６１は、水素供給経路３ａ内の温度を測定し、その測定結果を制御部２に出力するようになっている。
【０２０８】
水素ガス加熱手段６２は、切替弁６４、６５を介して、水素供給経路３ａに接続されている水素ガス加熱用経路６６内に配置されている。水素ガス加熱手段６２は、制御部２からの作動指示信号を受けて、水素ガス加熱用経路６６を流れる水素ガスを加熱するものである。この水素ガス加熱手段６２が、本発明の加熱手段、水分蒸発量変更手段に相当する。また、切替弁６４、６５は、制御部２からの作動指示信号を受けて、水素供給経路３ａを流れる水素ガスを、水素ガス加熱用経路６６に導くように、水素ガスが流れる経路を切り替えるものである。
【０２０９】
水素ガス流量コントローラ６３は、制御部２からの作動指示信号を受けて、水素供給経路３ａを流れる水素ガスの流量を調整するものである。この水素ガス流量コントローラ６３が、本発明の燃料ガス供給量調整手段、水分蒸発量変更手段に相当する。
【０２１０】
また、制御部２は、本実施形態においても、空気通路２４内に生成水が存在する場合に、この生成水を除去する生成水除去処理を実行するようになっている。なお、制御部２のメモリ部には、生成水除去処理で用いる電流しきい値が記憶されている。
【０２１１】
ここで、図１２に、制御部２が実行する生成水除去処理のフローチャートを示す。この生成水除去処理は、燃料電池１の運転が開始されたときに、処理が開始され、所定の周期で実行される。なお、本実施形態と本発明の対応関係について、ステップ７２、７４が本発明の第２の判定手段に相当し、ステップ７７、８０が本発明の第３の制御手段に相当し、ステップ７９が本発明の第２の停止手段に相当する。
【０２１２】
ステップ７１、７２、７３、７４は、それぞれ、図９中のステップ５１、５２、５３、５４と同様であるため、説明を省略する。これらのステップ７１〜７４により、空気通路２４内に生成水が存在するかどうかが判定される。そして、ステップ７４で、ＹＥＳと判断された場合、ステップ７５に進む。一方、ＮＯと判断された場合、空気通路２４内に生成水が存在していないと推定されることから、本処理が終了される。
【０２１３】
続いて、ステップ７５では、水素供給経路３ａ内に配置された温度センサ６１と、空気排出経路４ｂに配置された温度センサ４３とから測定結果が入力される。なお、水素供給経路３ａ内の温度は、セル２０の水素通路２３における水素入口２２ａでの温度と同等である。また、空気排出経路４ｂ内の温度は、セル２０の空気通路２４における空気出口２２ｅでの温度と同等である。
【０２１４】
続いて、ステップ７６では、水素入口２２ａでの温度が、空気出口２２ｅでの温度よりも高いか否かが判定される。
【０２１５】
本実施形態では、セル２０において、水素入口２２ａと空気出口２２ｅとが互いに対応する位置に配置されているため、水素入口２２ａでの温度と、空気出口２２ｅでの温度とを比較することで、電解質膜の表面のうち、水素通路２３側の面の温度が、空気通路２４側の面の温度よりも高いかを判定するようにしている。
【０２１６】
そして、水素入口２２ａでの温度の方が高い（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ７８に進み、一方、空気出口２２ｅでの温度の方が高い（ＮＯ）と判定された場合、ステップ７７に進む。
【０２１７】
ステップ７７では、水素供給経路３ａ内を流れる水素ガスの加熱処理が実行される。これにより、水素供給経路３ａ内を流れる水素ガスが加熱され、水素通路２３の水素入口２２ａでの温度が、空気通路２４の空気出口２２ｅの温度よりも高くなる。
【０２１８】
ここで、図１３に、この水素ガスの加熱処理内容を示す。水素ガスの加熱処理は、具体的には、図１３に示すように、まず、ステップ８１で、電流センサ板１１からセル２０全体の発電電流の測定値が入力される。
【０２１９】
そして、ステップ８２で、電流センサ板１１から入力された測定値から、セル２０での発電により生成した水の量が算出される。
【０２２０】
続いて、ステップ８３では、算出した生成水の量に基づいて、水素通路２３内の温度Ｔが算出される。
【０２２１】
具体的には、蒸発量＝生成水量−保水量となる温度Ｔ１が算出される。ここで、蒸発量は、水素通路２３と空気通路２４の両方における蒸発量である。また、保水量とは、電解質膜中に保持されるべき水分量である。そして、蒸発量と蒸気圧とは以下に示す関係があるので、必要な蒸発量を満たす蒸気圧が決定され、さらに、その蒸気圧となる温度が決定される。
【０２２２】
ここで、水素通路２３における水分の蒸発量と蒸気圧の関係について説明する。水素通路２３における水分蒸発量ｍと水素通路２３での飽和蒸気圧とは下記の数式１に示す関係がある。数式１において、水分の物質伝達率がｈ、水分の密度がρ、水素通路２３におけるセル面上（ＭＥＡ２１上）での蒸気圧がｗ1、水素通路２３の飽和蒸気圧がｗ∞である。
（数１）
ｍ＝ｈρ（ｗ1−ｗ∞）
なお、数式１から、物質伝達率ｈを向上させることで、水素通路２３を流れる水素ガス中への単位時間あたりの水の蒸発量が増加することがわかる。
【０２２３】
また、物質伝達率ｈに関係するシャーウッド数Ｓｈは、乱流の場合は下記数式２で求めることができ、層流の場合は下記の数式３で求めることができる。ただし、レイノルズ数をＲｅ、シュミット数をＳｃ、物質拡散係数をＤとする。
（数２）
Ｓｈ＝０．０２２Ｒｅ0.8Ｓｃ0.5＝ｈ／Ｄ
（数３）
Ｓｈ＝ｈ／Ｄ＝４．３６
また、レイノルズ数Ｒｅとシュミット数Ｓｃは、下記数式４、数式５で求めることができる。ただし、動粘性係数をν、水素ガス流れの流速をｕ、水素通路２３の相当直径をｄとする。
（数４）
Ｓｃ＝ν／Ｄ
（数５）
Ｒｅ＝ｕｄ／ν
続いて、ステップ８４では、切替弁６４、６５および水素ガス加熱手段６２に対して、作動指示信号が出力される。これにより、水素供給経路３ａ中の水素ガスが、水素ガス加熱用経路６６に流れ、水素ガス加熱手段６２により、加熱される。このとき、水素ガス加熱手段６２は、セル２０の水素通路２３内を流れる水素ガスが、ステップ８３で算出された温度Ｔ１となるように、水素ガスを加熱する。
【０２２４】
続いて、図１２に示すように、ステップ７８では、図９中のステップ５６と同様に、空気供給経路４ａに配置された空気用圧力センサ４２と、空気排出経路４ｂに配置された空気用圧力センサ９とから測定結果が入力される。
【０２２５】
これにより、セル２０の空気通路２４の空気入口２２ｂでの圧力値と、空気出口２２ｅでの圧力値とが入力される。空気供給経路４ａ内の空気圧力は、セル２０の空気通路２４の空気入口２２ｂでの圧力と同等であり、空気排出経路４ｂ内の空気圧力は、セル２０の空気通路２４の空気出口２２ｅでの圧力と同等だからである。
【０２２６】
続いて、ステップ７９では、図９中のステップ５７と同様に、それらの測定結果から、空気供給経路４ａと空気排出経路４ｂとの空気圧力差、すなわち、空気通路２４の入口２２ｂ側と出口２２ｅ側との差圧が、ステップ７７を実施する前の差圧と比較して、小さくなったかが判定される。ステップ７９を行う理由は、空気通路２４内に存在する水が除去されたかを確認するためである。
【０２２７】
そして、上記差圧が小さくなっていない（ＮＯ）と判定された場合、ステップ８０に進む。ステップ８０では、水素ガス流量コントローラ６３に対して、ステップ８０を実行する前と比較して、水素ガスの供給量を増加させる旨の作動指示信号が出力される。これにより、水素ガス流量コントローラ６３が作動し、水素供給経路３ａを流れる水素ガス量が増加する。
【０２２８】
このとき、水素ガスの供給量を、
水素経路２３内での蒸発量（物質拡散量）＞空気経路２４に存在する水の量
となる量に設定するのが好ましい。例えば、蒸発量（物質拡散量）が、水素ガス量を増加させる前での蒸発量の２倍となるように、水素ガスの供給量を設定することができる。
【０２２９】
一方、ステップ７９で、上記差圧が小さくなっている（ＹＥＳ）と判定された場合、この生成水除去処理は終了する。
【０２３０】
次に本実施形態の特徴を説明する。
【０２３１】
（１）本実施形態では、水素供給経路３ａに、切替弁６４、６５を介して、水素ガス加熱用経路６６が接続されている。また、水素ガス加熱用経路６６内に水素ガス加熱手段６２が配置されている。
【０２３２】
そして、制御部２は、生成水除去処理において、ステップ７２で、電流測定値が電流しきい値よりも小さいか否かを判定し、ステップ７４で、温度測定値が温度しきい値よりも小さいか否かを判定するようになっている。
【０２３３】
これにより、制御部２は、空気通路２４に生成水が存在するか否かを推定するようにしている。その結果、ステップ７４で、ＹＥＳと判定した場合に、ステップ７６に進む。
【０２３４】
また、制御部２は、ステップ７６で、水素入口２２ａでの温度が空気出口２２ｅでの温度よりも低いか否かを判定し、水素入口２２ａでの温度が空気出口２２ｅでの温度よりも低いと判定した場合、ステップ７７で、供給水素ガスの加熱処理を実行するようになっている。このステップ７７では、具体的には、ステップ８１〜８４が実行される。
【０２３５】
また、制御部２は、ステップ８４で、切替弁６４、６５に対して作動指示信号を出力するとともに、水素ガス加熱手段６２に対して、水素通路２３内の温度が空気通路２４内の温度よりも高くなるように、水素ガス加熱用経路６６を流れる水素ガスを加熱する旨の作動指示信号を出力するようになっている。
【０２３６】
このため、セル２０の２水素経路２３内の温度が、空気通路２４内の温度よりも高くなる。
【０２３７】
このように、水素通路２３内の温度を空気通路２４内の温度よりも高くすることで、水素通路２３内における飽和水蒸気圧を、空気通路２４内における飽和水蒸気圧よりも高くすることができる。すなわち、水素通路２３内での水分蒸発量を、空気通路２４内での水分蒸発量よりも多くさせることができる。
【０２３８】
これにより、電解質膜の水素通路２３側の表面上に存在する水の量を、電解質膜の空気通路２４側の表面上に存在する水の量よりも、減少させることができる。この場合、電解質膜の表面上のうち、水素通路２３側の表面の方が、空気通路２４側の表面よりも水分濃度が低くなる。このため、電解質膜の空気通路２４側の表面上に存在する水を、電解質膜中を拡散させて、電解質膜の水素通路２３側の表面上に移動させることができる。
【０２３９】
（２）本実施形態では、水素供給経路３ａ内に水素ガス流量コントローラ６３が配置されている。また、制御部２は、生成水除去処理において、ステップ７９で、空気出入口の差圧がしきい値よりも小さくなっていないと判定した場合に、ステップ８０で、水素ガス流量コントローラ６３に対して、水素流量を増加させる旨の作動指示信号を出力するようになっている。
【０２４０】
これにより、空気出入口の差圧がしきい値よりも大きい場合、すなわち、空気通路２４内に生成水が存在している場合に、水素供給経路３ａを流れる水素ガス流量が増加される。
【０２４１】
このように、水素供給経路３ａを流れる水素ガス流量を増加させることで、セル２０の水素通路２３内における水素ガス流量を増大させ、水素ガス流速を高くすることができる。これにより、水素通路２３内での水分蒸発量を、空気通路２４内での水分蒸発量よりも多くさせることができる。
【０２４２】
このため、電解質膜の水素通路２３側の表面上に存在する水の量を、電解質膜の空気通路２４側の表面上に存在する水の量よりも、減少させることができる。このため、電解質膜の空気通路２４側の表面上に存在する水を、電解質膜中を拡散させて、電解質膜の水素通路２３側の表面上に移動させることができる。
【０２４３】
したがって、上記（１）、（２）より、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気通路２４内に水が存在する場合、この水を、電解質膜を介して、水素通路２３に移動させることができる。これにより、空気極側で生成した水が、蒸発して空気通路２４を流れる空気に含まれるのを抑制でき、空気全体における見掛けの酸素濃度が低下することを抑制することができる。
【０２４４】
この結果、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気を無加湿で供給し、もしくは、従来よりも低加湿で供給する場合であっても、燃料電池を良好に運転させることができる。
【０２４５】
なお、本実施形態を以下に説明する（１）、（２）のように変更することもできる。
（１）本実施形態では、制御部２が、生成水除去処理において、ステップ７７での供給水素加熱と、ステップ８０での水素流量増加の両方を実行する場合を例として説明したが、供給水素加熱と水素流量増加のうち、どちらか一方のみを、制御部２に実行させることもできる。
【０２４６】
例えば、供給水素加熱のみを制御部２に実行させる場合では、図１２に示すフローチャートにおいて、ステップ８０を省略し、ステップ７９で、ＮＯと判定された場合では、ステップ７１に戻るように変更する。
【０２４７】
また、水素流量増加のみを制御部２に実行させる場合では、図１２に示すフローチャートにおいて、ステップ７７で、供給水素加熱の代わりに、水素流量増加を、制御部２に実行させる。なお、この場合も、図１２中のステップ８０を省略し、ステップ７９で、ＮＯと判定された場合では、ステップ７１に戻るように変更する。  
【０２４８】
（２）また、本実施形態では、図１２に示すように、制御部２が、ステップ７９で、空気出入口の差圧がしきい値よりも大きい場合に、ステップ８０で、水素流量を増加させる場合を例として説明した。これに対して、ステップ７９で、空気出入口の差圧がしきい値よりも小さいか判定する代わりに、セル２０の発電量がしきい値よりも小さいか否かを、制御部２に判定させることもできる。
【０２４９】
そして、制御部２が、セル２０の発電量がしきい値よりも小さいと判定した場合に、ステップ８０で、水素供給量を増加させることもできる。例えば、しきい値を０．５Ａ／ｍ２とすることができる。
（他の実施形態）
（１）上記した各実施形態では、電解質として高分子電解質膜を用いる場合を例として説明したが、高分子電解質膜に限らず、水分管理が必要な他の電解質を用いる場合においても、本発明を適用することができる。
【０２５０】
（２）上記した各実施形態では、酸素濃度を向上させる方法としては、空気を無加湿で供給する方法を採用した場合を例として説明した。これに対して、酸素濃度を向上させる方法として、空気を無加湿で供給する方法だけでなく、供給する空気の加湿量を従来の一般的な加湿量よりも低くする（低加湿）方法も採用できる。
【０２５１】
加湿量を従来よりも低くすれば、それだけで、空気中の酸素濃度を、従来よりも向上させることができるからである。そして、この方法を採用した場合においても、本発明を適用することができる。
【０２５２】
（３）第１〜第３実施形態のうちのいずれか１つと、第４、５実施形態のうちのいずれか１つとを組み合わせることもできる。また、第１〜第３実施形態のうちのいずれか１つと第６実施形態とを組み合わせることもできる。
【０２５３】
（４）上記した各実施形態では、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合を例として説明したが、水素ガスに限らず、水素化合物等の他のガスを燃料ガスとして用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０２５４】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成の概略図である。
【図２】（ａ）は図１中の燃料電池スタックの斜視図であり、（ｂ）は燃料電池スタックを構成する単セルの分解斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図２（ｂ）中のセパレータ２２におけるＭＥＡ２１側の面に設けられている水素通路２３、空気通路２４を示す図である。
【図４】制御部２が実行する電解質膜の乾燥防止処理のフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す
【図８】図７中の燃料電池のセパレータ２２に設けられている空気通路２４を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態における制御部２が実行する生成水除去処理のフローチャートである。
【図１０】本発明の第５実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図１１】本発明の第６実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す
【図１２】本発明の第６実施形態における制御部２が実行する生成水除去処理のフローチャートである。
【図１３】図１２中のステップ７７中の内容を示す図である。
【符号の説明】
【０２５５】
１…燃料電池、２…制御部、３…水素経路、
３ａ…水素供給経路、３ｂ…水素排出経路、
４…空気経路、４ａ…空気供給経路、４ｂ…空気排出経路、
５…冷却水経路、６…加湿器、７…水素調圧弁、
８…空気ポンプ、９…空気用圧力センサ、１０…空気調圧弁、
１１…電流センサ板、１２…セルモニタ、１３…電圧センサ、
２０…セル、２１…ＭＥＡ、２２…セパレータ、
２３…水素通路、２４…空気通路、
２６、２７…セルの局所電流測定領域、
４１…水素ガス用圧力センサ、４２…空気用圧力センサ、
４３…温度センサ、４４…電流センサ、
６１…温度センサ、６２…水素ガス加熱手段、
６３…水素ガス流量コントローラ、６４、６５…切替弁、
６６…水素ガス加熱用経路。
【図１】
2006210004.tif 000003
【図２】
2006210004.tif 000004
【図３】
2006210004.tif 000005
【図４】
2006210004.tif 000006
【図５】
2006210004.tif 000007
【図６】
2006210004.tif 000008
【図７】
2006210004.tif 000009
【図８】
2006210004.tif 000010
【図９】
2006210004.tif 000011
【図１０】
2006210004.tif 000012
【図１１】
2006210004.tif 000013
【図１２】
2006210004.tif 000014
【図１３】
2006210004.tif 000015