(57)【要約】【課題】  ガス透過層内に溜まった水の排出量を調整することができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】  電解質層と、電解質層を挟むように配置された２つの電極と、２つの電極のうちの少なくとも一方に設けられたガス透過層と、所定の同一のガスが流れガス透過層を介して連通する第１ガス流路と第２ガス流路と、を有する燃料電池と、第１ガス流路の上流側に接続されたガス流路に設けられた第１バルブと、第２ガス流路の下流側に接続されたガス流路に設けられた第２バルブと、を備える燃料電池システムを用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質層と、前記電解質層を挟むように配置された２つの電極と、前記２つの電極のうちの少なくとも一方に設けられたガス透過層と、所定の同一のガスが流れ前記ガス透過層を介して連通する第１ガス流路と第２ガス流路と、を有する燃料電池と、
前記第１ガス流路の上流側に接続されたガス流路に設けられた第１バルブと、
前記第２ガス流路の下流側に接続されたガス流路に設けられた第２バルブと、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１バルブと前記第２バルブとの開度を設定する開度制御部を備え、
前記開度制御部は、前記第１バルブと前記第２バルブとの開度を設定することによって、前記所定のガスを、前記第２ガス流路から前記第１ガス流路へ前記ガス透過層を介して流すことを特徴とする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１ガス流路は複数の第１分岐流路を有し、
前記第２ガス流路は複数の第２分岐流路を有し、
前記複数の第１分岐流路のそれぞれに前記第１バルブが接続され、
前記複数の第２分岐流路のそれぞれに前記第２バルブが接続されている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、さらに、前記ガス透過層に接するとともに前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを形成する流路形成層を有し、
前記第１ガス流路は複数の第１分岐流路を有し、
前記第２ガス流路は複数の第２分岐流路を有し、
前記流路形成層は、
前記第１分岐流路と前記第２分岐流路とが交互に形成されるとともに前記ガス透過層に接する内層と、
前記複数の第１分岐流路と前記複数の第２分岐流路との一方が合流する外層と、を有し、
前記複数の第１分岐流路と前記複数の第２分岐流路との他方は、前記内層で合流している、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１バルブと前記第２バルブのうちの少なくとも一方は、
前記所定のガスが流れる流路である対象流路の途中に設けられた開口に接続されるとともに所定の作動流体が流れる作動流路と、
前記開口を塞ぐ弾性体膜と、
前記作動流路内の圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
前記圧力調整部は、前記作動流路内の圧力を上昇させることによって、前記弾性体膜を前記対象流路内に膨らませて前記対象流路の断面積を小さくする、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記ガス透過層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサを備え、
前記開度制御部は、前記各バルブの開度を比較的大きな値に設定する第１制御モードと、前記各バルブの開度を比較的小さな値に設定する第２制御モードと、を有し、さらに、前記動作温度が０℃に近い所定の値である低温しきい値以下であるか否かを判定し、低温しきい値以下であると判定したときに前記第２制御モードを実行し、低温しきい値以下でないと判定したときに前記第１制御モードを実行する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記低温しきい値は、前記ガス透過層において水が凍結し始める温度に設定されている、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記開度制御部は、前記第２制御モードにおいて、所定の移行条件が成立したときに前記第１制御モードに移行する、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記開度制御部は、所定の不具合条件が成立したか否かを判定し、前記所定の不具合条件が成立したときには、前記各バルブの開度を前記所定の不具合条件が成立しない場合よりも大きな値に設定する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に接続された負荷の大きさを取得する負荷取得部を備え、
前記開度制御部は、前記各バルブの開度を、前記負荷が大きいほど小さくなるように設定する負荷対応モードを有する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記ガス透過層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサを備え、
前記開度制御部は、前記負荷対応モードにおいて、さらに、前記各バルブの開度を、前記動作温度が低いほど小さくなるように設定する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とに供給される前記所定のガスの相対湿度を測定する湿度計を備え、
前記開度制御部は、前記負荷対応モードにおいて、さらに、前記各バルブの開度を、前記相対湿度が高いほど小さくなるように設定する、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記開度制御部は、さらに、前記各バルブの開度を前記負荷対応モードにおける開度よりも小さな値に設定する低温モードを有し、
前記開閉制御部は、前記ガス透過層の温度を反映する温度である動作温度が、０℃に近い所定の値である低温しきい値以下であると判定した場合には前記低温モードを実行し、前記動作温度が前記低温しきい値よりも高いと判定した場合には前記負荷対応モードを実行する、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１０ないし請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記開度制御部は、前記負荷対応モードにおいて所定の不具合条件が成立したときに、前記各バルブの開度を前記負荷対応モードにおける開度よりも大きくする、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力電圧と、前記燃料電池における前記所定のガスの圧力損失と、の少なくとも一方を測定する運転状態測定部を備え、
前記開度制御部は、前記運転状態測定部の測定結果に基づいて前記不具合条件が成立しているか否かを判定する、
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１に記載の燃料電池システムを制御する方法であって、
前記第１バルブと前記第２バルブとの開度を設定することによって、前記所定のガスを、前記第２ガス流路から前記第１ガス流路へ前記ガス透過層を介して流す工程を備える、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の燃料電池システムを制御する処理をコンピュータに実現させるためのコンピュータプログラムであって、
前記第１バルブと前記第２バルブとの開度を設定することによって、前記所定のガスを、前記第２ガス流路から前記第１ガス流路へ前記ガス透過層を介して流す機能を、
コンピュータに実現させるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電解質を用いて水素と酸素とを反応させ、その化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池では、電気化学反応によって水が生じる。このような生成水は、排ガスとともに燃料電池の外に排出される。ここで、生成水が電極内に過剰に蓄積されると、充分な量の反応ガスが電極に供給されなくなるので、発電効率が低下する可能性がある。そこで、このような生成水の排出量を調整するために、ガスの流速を調整する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１００３１９号公報
【特許文献２】特開平１１−１６５９１号公報
【特許文献３】特開平１０−１７２５８６号公報
【特許文献４】特開平７−１８３０３６号公報
【０００４】
ところで、燃料電池の電極には、反応ガスを電極の全体に拡散させるために、ガス透過性を有するガス透過層（ガス拡散層とも呼ばれる）が設けられている。ガス透過層にはガス流路が接して設けられており、ガス流路を流れる反応ガスは、ガス透過層を介して拡散し、電極の全体に供給される。ここで、ガス透過層内とガス流路内とでは、ガスの流れ方が異なっている。従って、ガス透過層内に溜まった水の排出量を調整することは、必ずしも容易ではなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ガス透過層内に溜まった水の排出量を調整することができる技術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】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明による燃料電池システムは、電解質層と、前記電解質層を挟むように配置された２つの電極と、前記２つの電極のうちの少なくとも一方に設けられたガス透過層と、所定の同一のガスが流れ前記ガス透過層を介して連通する第１ガス流路と第２ガス流路と、を有する燃料電池と、前記第１ガス流路の上流側に接続されたガス流路に設けられた第１バルブと、前記第２ガス流路の下流側に接続されたガス流路に設けられた第２バルブと、を備える。
【０００７】
この燃料電池システムは、ガス透過層を介して連通する第１ガス流路と第２ガス流路とを有し、さらに、第１ガス流路の上流側には第１バルブが接続され、第２ガス流路の下流側には第２バルブが接続されているので、これらのバルブの開度を設定することによって、ガス透過層を流れるガスの量を調整し、ガス透過層内に溜まった水の排出量を調整することができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、前記第１バルブと前記第２バルブとの開度を設定する開度制御部を備え、前記開度制御部は、前記第１バルブと前記第２バルブとの開度を設定することによって、前記所定のガスを、前記第２ガス流路から前記第１ガス流路へ前記ガス透過層を介して流すことが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、開度制御部によって、ガス透過層内に溜まった水の排出量を調整することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記第１ガス流路は複数の第１分岐流路を有し、前記第２ガス流路は複数の第２分岐流路を有し、前記複数の第１分岐流路のそれぞれに前記第１バルブが接続され、前記複数の第２分岐流路のそれぞれに前記第２バルブが接続されていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、複数の第１ガス流路のそれぞれと、複数の第２ガス流路のそれぞれと、にバルブが接続されているので、第１ガス流路と第２ガス流路との配置の自由度を高めることが可能となる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、さらに、前記ガス透過層に接するとともに前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを形成する流路形成層を有し、前記第１ガス流路は複数の第１分岐流路を有し、前記第２ガス流路は複数の第２分岐流路を有し、前記流路形成層は、前記第１分岐流路と前記第２分岐流路とが交互に形成されるとともに前記ガス透過層に接する内層と、前記複数の第１分岐流路と前記複数の第２分岐流路との一方が合流する外層と、を有し、前記複数の第１分岐流路と前記複数の第２分岐流路との他方は、前記内層で合流していることとしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、複数の第１分岐流路と複数の第２分岐流路とのうちの、一方が内層で合流し、他方が外層で合流するので、内層において第１分岐流路と第２分岐流路とを交互に複数ずつ配置することが容易となる。
【００１４】
上記各燃料電池システムにおいて、前記第１バルブと前記第２バルブのうちの少なくとも一方は、前記所定のガスが流れる流路である対象流路の途中に設けられた開口に接続されるとともに所定の作動流体が流れる作動流路と、前記開口を塞ぐ弾性体膜と、前記作動流路内の圧力を調整する圧力調整部と、を備え、前記圧力調整部は、前記作動流路内の圧力を上昇させることによって、前記弾性体膜を前記対象流路内に膨らませて前記対象流路の断面積を小さくすることとしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、弾性体膜が弁体として用いられるので、バルブの小型化を図ることが可能となる。
【００１６】
上記各燃料電池システムにおいて、さらに、前記ガス透過層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサを備え、前記開度制御部は、前記各バルブの開度を比較的大きな値に設定する第１制御モードと、前記各バルブの開度を比較的小さな値に設定する第２制御モードと、を有し、さらに、前記動作温度が０℃に近い所定の値である低温しきい値以下であるか否かを判定し、低温しきい値以下であると判定したときに前記第２制御モードを実行し、低温しきい値以下でないと判定したときに前記第１制御モードを実行することとしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、動作温度が低温しきい値以下である場合には、各バルブの開度が、動作温度が低温しきい値よりも高い場合よりも小さな値に設定されるので、ガス透過層に過剰な水が蓄積することを防止し、ガス透過層内で水が凍結することを抑制することができる。
【００１８】
上記燃料電池システムにおいて、前記低温しきい値は、前記ガス透過層において水が凍結し始める温度に設定されていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、ガス透過層における水の凍結を適切に抑制することが可能となる。
【００２０】
上記各燃料電池システムにおいて、前記開度制御部は、前記第２制御モードにおいて、所定の移行条件が成立したときに前記第１制御モードに移行することが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、開度制御部が第２制御モードから第１制御モードへ移行することによって、圧損が高い状態が過剰に長い時間続くことを防止することができる。
【００２２】
上記各燃料電池システムにおいて、前記開度制御部は、所定の不具合条件が成立したか否かを判定し、前記所定の不具合条件が成立したときには、前記各バルブの開度を前記所定の不具合条件が成立しない場合よりも大きな値に設定することとしてもよい。
【００２３】
この構成によれば、不具合条件が成立したときに、各バルブの開度が、不具合条件が成立しない場合よりも大きな値に設定されるので、圧損が過剰に高くなることを防止することができる。
【００２４】
上記各燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池に接続された負荷の大きさを取得する負荷取得部を備え、前記開度制御部は、前記各バルブの開度を、前記負荷が大きいほど小さくなるように設定する負荷対応モードを有することが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、負荷対応モードでは、第１バルブと第２バルブとの開度が、負荷が大きいほど小さくなるように設定されるので、発電効率の低下を緩和可能な負荷の範囲を拡張することが可能となる。
【００２６】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、前記ガス透過層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサを備え、前記開度制御部は、前記負荷対応モードにおいて、さらに、前記各バルブの開度を、前記動作温度が低いほど小さくなるように設定することが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、第１バルブと第２バルブとの開度が、ガス透過層の温度を反映する動作温度が低いほど小さくなるように設定されるので、発電効率の低下を緩和可能な温度の範囲を拡張することが可能となる。
【００２８】
上記各燃料電池システムにおいて、さらに、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とに供給される前記所定のガスの相対湿度を測定する湿度計を備え、前記開度制御部は、前記負荷対応モードにおいて、さらに、前記各バルブの開度を、前記相対湿度が高いほど小さくなるように設定することが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、第１バルブと第２バルブとの開度が、相対湿度が高いほど小さくなるように設定されるので、発電効率の低下を緩和可能な相対湿度の範囲を拡張することが可能となる。
【００３０】
上記各燃料電池システムにおいて、前記開度制御部は、さらに、前記各バルブの開度を前記負荷対応モードにおける開度よりも小さな値に設定する低温モードを有し、前記開閉制御部は、前記ガス透過層の温度を反映する温度である動作温度が、０℃に近い所定の値である低温しきい値以下であると判定した場合には前記低温モードを実行し、前記動作温度が前記低温しきい値よりも高いと判定した場合には前記負荷対応モードを実行することとしてもよい。
【００３１】
この構成によれば、動作温度が低温しきい値以下である場合には、各バルブの開度が負荷対応モードでの開度よりも小さな値に設定されるので、ガス透過層に過剰な水が蓄積することを防止し、ガス透過層内で水が凍結することを抑制することができる。
【００３２】
上記各燃料電池システムにおいて、前記開度制御部は、前記負荷対応モードにおいて所定の不具合条件が成立したときに、前記各バルブの開度を前記負荷対応モードにおける開度よりも大きくすることとしてもよい。
【００３３】
この構成によれば、不具合条件が成立したときに、各バルブの開度が負荷対応モードでの開度よりも大きな値に設定されるので、圧損が過剰に高くなることを防止することができる。
【００３４】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の出力電圧と、前記燃料電池における前記所定のガスの圧力損失と、の少なくとも一方を測定する運転状態測定部を備え、前記開度制御部は、前記運転状態測定部の測定結果に基づいて前記不具合条件が成立しているか否かを判定することが好ましい。
【００３５】
この構成によれば、運転状態測定部の測定結果に基づいて、適切に、不具合の可能性の有無を判定することが可能となる。
【００３６】
なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法または装置、これらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、燃料電池システムを駆動用電源として搭載する車両、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．第７実施例：
Ｈ．第８実施例：
Ｉ．変形例：
【００３８】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム７００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム７００は、燃料電池スタック１００と、酸化ガス供給路２００と、第１供給分岐路２１０と、上流酸化ガスバルブ１３０と、第２供給分岐路２２０と、第１排出分岐路３１０と、第２排出分岐路３２０と、下流酸化ガスバルブ１４０と、酸化ガス排出路３００と、制御部６００と、負荷センサ５１０と、を有している。なお、図１では、水素極（「アノード」とも呼ばれる）側のガスの流路は省略されている。
【００３９】
酸化ガス供給路２００は、図示しないブロワに接続され、酸素を含有する酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック１００に供給する。この酸化ガス供給路２００は、第１供給分岐路２１０と第２供給分岐路２２０とに分岐している。第１供給分岐路２１０は、燃料電池スタック１００内の第１酸化ガス流路１１０に接続され、第２供給分岐路２２０は、燃料電池スタック１００内の第２酸化ガス流路１２０に接続されている。これらの酸化ガス流路１１０、１２０は、燃料電池スタック１００の酸素極（「カソード」とも呼ばれる）側に設けられたガスの流路である。また、第１供給分岐路２１０の途中には上流酸化ガスバルブ１３０が設けられている。
【００４０】
第１酸化ガス流路１１０の下流側は第１排出分岐路３１０に接続され、第２酸化ガス流路１２０の下流側は第２排出分岐路３２０に接続されている。カソードからの排ガス（以下「カソード排ガス」とも呼ぶ）は、第１排出分岐路３１０と第２排出分岐路３２０とを通じて、燃料電池スタック１００から排出される。第１排出分岐路３１０と第２排出分岐路３２０とは、合流して酸化ガス排出路３００に接続されている。また、第２排出分岐路３２０の途中には下流酸化ガスバルブ１４０が設けられている。
【００４１】
燃料電池スタック１００には、負荷の大きさを測定する負荷センサ５１０が接続されている。負荷センサ５１０は、燃料電池スタック１００が供給する電力の電圧と電流とを測定することによって、負荷の大きさ（この例では「電圧×電流」）を測定する。負荷センサ５１０の測定値は制御部６００に供給され、上流酸化ガスバルブ１３０と下流酸化ガスバルブ１４０との開度の調整に用いられる（詳細は後述）。なお、負荷の大きさを取得する方法としては、電圧と電流とを測定する方法に限らず、種々の方法を採用することができる。例えば、燃料電池システム７００の発電量を負荷要求に関する情報に基づいて制御する場合には、要求された負荷を用いることとしてもよい。
【００４２】
制御部６００は、負荷要求に関する情報等を取得して、燃料電池システム７００を構成する各部（上述した各バルブを含む）に駆動信号を出力し、燃料電池システム７００全体の運転状態を制御する。また、制御部６００はＣＰＵとメモリとを有しており、コンピュータプログラムを実行することによって種々の機能を実現する。
【００４３】
制御部６００が実行するコンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で供給され得る。このような記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置等の、コンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。なお、制御部６００の機能の一部、または、全部をハードウェアによって実現してもよい。
【００４４】
図２は、燃料電池スタック１００の構成単位である単セル１０の構造を示す斜視図である。燃料電池スタック１００は、単セル１０を複数積層したスタック構造を有している。この単セル１０は、電解質膜３０と、電解質膜３０の両側に接した状態で設けられるアノード電極４０およびカソード電極５０と、単セル１０を積層する際にアノード電極４０とカソード電極５０との間に介挿されるセパレータ６０とを有している。電解質膜３０は、例えば固体高分子電解質で構成されている。
【００４５】
カソード電極５０は、電解質膜３０に接して設けられたカソード触媒層５２と、カソード触媒層５２に接して設けられたカソード拡散層５４とを有している。アノード電極４０も同様に、電解質膜３０に接して設けられたアノード触媒層４２と、アノード触媒層４２に接して設けられたアノード拡散層４４とを有している。カソード触媒層５２とアノード触媒層４２とは、触媒を含み導電性の良好な材料で形成されており、例えば、触媒としての白金を担持したカーボン粉と、電解質膜３０に用いられる電解質とを混ぜた樹脂を、膜状に成形したものが用いられる。カソード拡散層５４とアノード拡散層４４とは、ガス透過性（拡散性）と導電性とが良好な材料で形成されており、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ、カーボンフェルトが用いられる。
【００４６】
セパレータ６０は、カソード電極５０と接する面に複数の溝を有している（図示省略）。セパレータ６０とカソード電極５０とが接合されると、溝によって、図１に示す第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０とが形成される（詳細は後述）。また、セパレータ６０のアノード電極４０と接する面にも複数の溝が設けられている（図示省略）。セパレータ６０とアノード電極４０とが接合されると、溝によって、水素を含有する燃料ガス（例えば、水素ガス）が流れる燃料ガス流路が形成される。セパレータ６０は、水素透過性が低く導電性の良好な材料で形成されており、例えば樹脂に導電材料を混入して成形したものが用いられる。
【００４７】
図３（Ａ）は、単セル１０（図２）を側面から（Ｓ方向に沿って）見た断面図を示している。ここでは、単セル１０のカソード電極５０側の半分が示されている。セパレータ６０は、仕切層６９２を挟む内層６９１と外層６９３とを有している。カソード拡散層５４と接する内層６９１には、凹部（溝）と凸部（壁）とが設けられている。凹部は第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０とを形成している。
【００４８】
図３（Ｂ）は、内層６９１の断面（図３（Ａ）：Ｂ−Ｂ断面）を示している。図中、壁（凸部）がハッチングを付して示されている。Ｂ−Ｂ断面では、セパレータ６０の外周が壁で囲まれており、左上に開口６１が設けられ、右下に開口６２が設けられている。左上の開口６１は第２供給分岐路２２０（図１）に接続され、右下の開口６２は第２排出分岐路３２０に接続されている。なお、燃料電池スタック１００は多数の単セル１０を有しているので、第２供給分岐路２２０は分岐して各単セル１０の開口６１に接続され、第２排出分岐路３２０は分岐して各単セル１０の開口６２に接続される。また、セパレータ６０の内部には、閉じた長方形状の閉四角壁６３が複数設けられている。これらの閉四角壁６３で囲まれた空隙（溝）が、第１酸化ガス流路１１０を形成する。一方、閉四角壁６３の外の空隙（溝）は、第２酸化ガス流路１２０を形成する。複数の閉四角壁６３は、互いに平行に間を空けて配置されている。その結果、複数の第１酸化ガス流路１１０と、複数の第２酸化ガス流路１２０とは、交互に平行に並ぶこととなる。なお、複数の第２酸化ガス流路１２０の上流側は合流して開口６１へ至り、さらに、下流側は合流して開口６２へ至る。
【００４９】
図３（Ｃ）は、仕切層６９２の断面（図３（Ａ）：Ｃ−Ｃ断面）を示している。仕切層６９２は板形状を有しており、この仕切層６９２上に、カソード拡散層５４と接する凸部（図３（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面）が固定されている。また、この仕切層６９２には複数の連通穴６４ａ、６４ｂが設けられている。上流連通穴６４ａは、閉四角壁６３で囲まれた第１酸化ガス流路１１０（図３（Ｂ））の上流側と連通している。下流連通穴６４ｂは、第１酸化ガス流路１１０の下流側と連通している。これらの連通穴６４ａ、６４ｂは、複数の第１酸化ガス流路１１０のそれぞれに対して設けられている。
【００５０】
図３（Ｄ）は、外層６９３の断面（図３（Ａ）：Ｄ−Ｄ断面）を示している。Ｄ−Ｄ断面では、複数の上流連通穴６４ａを囲む上流壁６５ａと、複数の下流連通穴６４ｂを囲む下流壁６５ｂとが設けられている。上流壁６５ａと下流壁６５ｂとは間を空けて配置されており、これらの壁６５ａ、６５ｂの間の空隙は、冷却水が流れる冷却水路を形成する。また、上流壁６５ａで囲まれた空隙は、上流迂回流路１１２ａを形成する。複数の第１酸化ガス流路１１０の上流側は、この上流迂回流路１１２ａで合流する。また、上流壁６５ａには開口６６が設けられ、この開口６６は第１供給分岐路２１０（図１）に接続されている。一方、下流壁６５ｂで囲まれた空隙は、下流迂回流路１１２ｂを形成する。複数の第１酸化ガス流路１１０の下流側は、この下流迂回流路１１２ｂで合流する。また、下流壁６５ｂには開口６７が設けられ、この開口６７は第１排出分岐路３１０に接続されている。その結果、第１供給分岐路２１０から供給された酸化ガスは、上流迂回流路１１２ａと上流連通穴６４ａとを経て第１酸化ガス流路１１０へ至る。また、第１酸化ガス流路１１０を流れるカソード排ガスは、下流連通穴６４ｂと下流迂回流路１１２ｂとを経て第１排出分岐路３１０へ至る。
【００５１】
なお、Ｄ−Ｄ断面の上部（Ｃ−Ｃ断面側の反対側）は、全面が、板形状を有する壁で覆われている。また、燃料電池スタック１００は多数の単セル１０を有しているので、第１供給分岐路２１０は分岐して各単セル１０の開口６６に接続され、さらに、第１排出分岐路３１０は分岐して各単セル１０の開口６７に接続される。
【００５２】
このように、セパレータ６０は、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０とが設けられている内層６９１（図３（Ａ））と、上流迂回流路１１２ａと下流迂回流路１１２ｂとが設けられている外層６９３とを有している。ここで、複数の第２酸化ガス流路１２０は、内層６９１で合流する。さらに、複数の第１酸化ガス流路１１０は、内層６９１のカソード拡散層５４と接する側とは反対側に配置された外層６９３で合流する。従って、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０とを交互に配置することを、容易なものとすることができる。その結果、カソード電極５０（カソード触媒層５２）における酸化ガスの供給量分布が偏ることを容易に抑制することができる。
【００５３】
図４、図５は、単セル１０内におけるガスの流れを示す説明図である。図４は、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度が比較的小さい場合を示し、図５は、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度が比較的大きい場合を示している。図４（Ａ）と図５（Ａ）とには、図１と同様の燃料電池システム７００が示されている。ただし、ガスの流路のうち、比較的流量の多い流路が太線で示され、比較的流量の少ない流路が破線で示されている。また、図４（Ｂ）と図５（Ｂ）とには、単セル１０をＳ方向（図２）に沿って見た断面図が示されている。白抜きの矢印は、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０との間のガスの流れを示しており、その太さは流量の大きさ（流速）を示している。なお、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０とを流れる酸化ガスは、カソード拡散層５４を通ってカソード触媒層５２に至り、電気化学反応に供された後、カソード排ガスとして排出される。ただし、このガスの流れについては、図示を省略している。
【００５４】
図４に示すように、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度が比較的小さい場合には、カソード拡散層５４を流れるガスの量が比較的多くなる（白抜き矢印）。これは、以下のように説明できる。下流酸化ガスバルブ１４０の開度が小さいと、第２酸化ガス流路１２０から第２排出分岐路３２０を経たカソード排ガスの排出がされにくくなる。一方、上流酸化ガスバルブ１３０の開度が小さいと、第１供給分岐路２１０から第１酸化ガス流路１１０への酸化ガスの供給がされにくくなる。その結果、酸化ガスは、主に、第２供給分岐路２２０から第２酸化ガス流路１２０へ供給され、カソード排ガスは、主に、第１酸化ガス流路１１０から第１排出分岐路３１０を経て排出される。従って、第２酸化ガス流路１２０から第１酸化ガス流路１１０へ流れるガス量、すなわち、カソード拡散層５４を流れるガス量が多くなる。
【００５５】
このように、上流酸化ガスバルブ１３０と下流酸化ガスバルブ１４０との開度を小さくすると、カソード拡散層５４を流れるガス量（流速）が大きくなる。従って、カソード電極５０で生成された水は、カソード拡散層５４を介して第１酸化ガス流路１１０に容易に排出される。その結果、カソード拡散層５４に過剰な生成水が蓄積されることを防止することができる。
【００５６】
一方、図５に示すように、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度が比較的大きい場合には、カソード拡散層５４を流れるガスの量が比較的少なくなる（白抜き矢印）。これは、以下のように説明できる。上流酸化ガスバルブ１３０の開度が大きいと、酸化ガスは、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０との両方に供給される。一方、下流酸化ガスバルブ１４０の開度が大きいと、カソード排ガスは、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０との両方から排出される。従って、第２酸化ガス流路１２０から第１酸化ガス流路１１０へカソード拡散層５４を介して流れるガス量が少なくなり、通常は無視できる程度になる。
【００５７】
このように、上流酸化ガスバルブ１３０と下流酸化ガスバルブ１４０との開度を大きくすると、カソード拡散層５４を流れるガス量（流速）が小さくなる。その結果、カソード拡散層５４から過剰な生成水が排出されることを防止することができる。
【００５８】
図６は、２つの酸化ガスバルブ１３０、１４０（図１）の開度と燃料電池スタック１００の負荷との関係を示すグラフである。これらのバルブ１３０、１４０の開度は、制御部６００によって調整される。制御部６００は、負荷が大きいほど小さくなるように、これらのバルブ１３０、１４０の開度を調整する。以下、バルブの開度を、負荷が大きいほど小さくなるように設定する制御を「負荷対応制御」とも呼ぶ。
【００５９】
負荷が大きい場合には、カソード電極５０で生じる生成水の量が多くなる傾向がある。従って、負荷が大きい場合に開度を小さくすれば、カソード拡散層５４を流れるガスの量を多くすることによって、カソード拡散層５４に過剰な水が蓄積されることを防止することができる。その結果、発電効率が低下することを緩和することができる。一方、負荷が小さく生成水の量が少ない場合には、カソード拡散層５４を流れるガスの量を少なくすることによって、カソード拡散層５４から水分を過剰に排出することを防止することができる。その結果、電解質膜３０が乾燥してしまうことを抑制し、発電効率が低下することを緩和することができる。以上により、発電効率の低下を緩和可能な負荷の範囲を拡張することが可能となる。
【００６０】
図７は、単セル１０の電流密度／電圧特性を示すグラフである。横軸は電流密度を示し、縦軸は電圧を示している。このグラフには、バルブの開度が異なる３つのグラフが示されている。「０％」は、２つの酸化ガスバルブ１３０、１４０（図１）の開度を０％にした場合のグラフを示し、「５０％」は、これらのバルブ１３０、１４０の開度を５０％にした場合のグラフを示し、「１００％」は、これらのバルブ１３０、１４０の開度を１００％にした場合のグラフを示している。
【００６１】
図７に示すように、負荷の高い範囲においては、バルブの開度が小さいほど、セル電圧（単セル１０の出力電圧）が高くなっている。このように、負荷の高い範囲においては、バルブの開度を小さくすることによって、発電効率を向上させることができる。また、負荷の小さい範囲では、バルブの開度によらず、セル電圧がほぼ同じとなっている。ただし、バルブの開度を小さくして長時間運転を行うと、カソード拡散層５４から水分が過剰に排出され、電解質膜３０が乾燥してしまい、発電効率が低下する可能性がある。従って、負荷の大きさが小さい範囲では、バルブの開度を大きくすることが好ましい。
【００６２】
以上、説明したように、第１実施例では、第１酸化ガス流路１１０の上流側に接続された上流酸化ガスバルブ１３０と、第２酸化ガス流路１２０の下流側に接続された下流酸化ガスバルブ１４０とを調整することによって、カソード拡散層５４から排出される水の量を容易に調整することが可能となる。
【００６３】
特に、第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０とは、連続したカソード拡散層５４に接して設けられているが、直接には互いに接続されていない。上流側は上流酸化ガスバルブ１３０で区切られ、下流側は下流酸化ガスバルブ１４０で区切られている。仮にこれらのバルブ１３０、１４０を全閉状態とすれば、これらの酸化ガス流路１１０、１２０間でガスは直接には移動できず、カソード拡散層５４を介してのみ移動する。従って、これらのバルブ１３０、１４０の開度を小さくすれば、酸化ガスの供給量を増やすことなく、カソード拡散層５４を流れるガスの量（流速）を増やすことが可能となる。従って、カソード拡散層５４から生成水を排出するために過剰なガスを流すことを防止し、発電効率が低下することを緩和することができる。
【００６４】
Ｂ．第２実施例：
図８（Ａ）は、第２実施例における燃料電池システム７００ａの構成を示すブロック図である。図１に示す第１実施例との差異は、燃料電池スタック１００の温度を測定する温度センサ５２０が追加されている点だけである。他の構成は、第１実施例と同じである。
【００６５】
温度センサ５２０の測定値は、２つの酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度の調整に用いられる。なお、温度センサ５２０が測定する温度は、カソード拡散層５４の温度を反映する温度であればよい。例えば、燃料電池スタック１００の、電気化学反応が進行している部分に近い部分（例えば、セパレータ６０の中央部分）の温度を測定することとしてもよく、また、カソード排ガスの温度を測定することとしてもよい。また、冷却水の排水の温度を測定することとしてもよい。
【００６６】
図８（Ｂ）は、第２実施例における、各バルブ１３０、１４０の開度と燃料電池スタック１００の負荷との関係を示すグラフである。図６に示す第１実施例との差異は、開度が、燃料電池スタック１００の温度に応じて調整されている点だけである。
【００６７】
第２実施例では、第１実施例（図６）と同様に、バルブの開度は、燃料電池スタック１００の負荷が大きいほど小さくなるように調整される。さらに、バルブの開度は、燃料電池スタック１００の温度が低いほど小さくなるように調整される。制御部６００ａ（図８（Ａ））は、燃料電池スタック１００の温度として、温度センサ５２０の測定結果を用いる。また、制御部６００ａは、開度と負荷との関係を定めるグラフを、温度が低いほど左（負荷の低い方）にシフトさせることによって、開度と負荷と温度との関係を定める。なお、開度と負荷と温度との関係を定める形式としては、他の任意の形式を採用することができる。例えば、開度と負荷と温度との関係を、予め、マップとしてメモリに格納しておいてもよい。
【００６８】
燃料電池スタック１００の温度が低い場合には、燃料電池スタック１００の内部で水蒸気が液体（水）になりやすいので、カソード拡散層５４に蓄積される水量も多くなる傾向がある。そこで、バルブの開度を小さくすれば、過剰な水を排出することが可能となる。
【００６９】
このように、第２実施例では、制御部６００ａは、バルブの開度を、燃料電池スタック１００の温度が低いほど小さくなるように調整する。従って、発電効率の低下を緩和可能な燃料電池スタック１００の温度の範囲を拡張することが可能となる。
【００７０】
Ｃ．第３実施例：
図９（Ａ）は、第３実施例における燃料電池システム７００ｂの構成を示すブロック図である。図８（Ａ）に示す第２実施例との差異は、酸化ガス供給路２００を流れる酸化ガスの相対湿度を測定する湿度センサ５３０が追加されている点だけである。湿度センサ５３０の測定値は、２つの酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度の調整に用いられる。他の構成は、第２実施例と同じである。
【００７１】
図９（Ｂ）は、第３実施例における、各バルブ１３０、１４０の開度と燃料電池スタック１００の負荷との関係を示すグラフである。図８（Ｂ）に示す第２実施例との差異は、開度が、さらに、酸化ガスの相対湿度に応じて調整される点だけである。
【００７２】
第３実施例では、第２実施例（図８（Ｂ））と同様に、バルブの開度は、燃料電池スタック１００の負荷が大きいほど小さく、さらに、燃料電池スタック１００の温度が低いほど小さくなるように調整される。さらに、第３実施例では、バルブの開度は、燃料電池スタック１００に供給される酸化ガスの相対湿度が高いほど小さくなるように調整される。制御部６００ｂ（図９（Ａ））は、酸化ガスの相対湿度として、湿度センサ５３０の測定結果を用いる。また、制御部６００ｂは、開度と負荷との関係を定めるグラフを、相対湿度が高いほど左（負荷の低い方）にシフトさせることによって、開度と負荷と温度と相対湿度との関係を定めている。なお、開度と負荷と温度と相対湿度との関係を定める形式としては、他の任意の形式を採用することができる。例えば、開度と負荷と温度と相対湿度との関係を、予め、マップとしてメモリに格納してもよい。
【００７３】
酸化ガスの湿度が高い場合には、燃料電池スタック１００の内部で水が生じやすいので、カソード拡散層５４に蓄積される水量も多くなる傾向がある。そこで、バルブの開度を小さくすれば、過剰な水を排出することが可能となる。
【００７４】
このように、第３実施例では、制御部６００ｂは、バルブの開度を、酸化ガスの相対湿度が高いほど小さくなるように調整する。従って、発電効率の低下を緩和可能な相対湿度の範囲を拡張することが可能となる。また、燃料電池に供給する酸化ガスとして、加湿器を用いて加湿したガスを用いる場合がある。このような場合も、図９（Ｂ）に示すグラフに従ってバルブの開度を調整すれば、加湿器による加湿量が変動した場合でも適切なバルブ開度を維持することが可能となる。なお、バルブの開度の調整に用いるパラメータとして、燃料電池スタック１００の温度を用いずに、負荷と相対湿度とのみを用いることとしてもよい。
【００７５】
Ｄ．第４実施例：
図１０は、第４実施例における燃料電池システム７００ｃの構成を示すブロック図である。図１に示す第１実施例との差異は、複数の第１酸化ガス流路１１０ｃのそれぞれに上流酸化ガスバルブ１３０ｃが接続され、さらに、複数の第２酸化ガス流路１２０ｃのそれぞれに下流酸化ガスバルブ１４０ｃが接続されている点である。また、第４実施例では、制御部６００ｃは、燃料電池スタック１００ｃの冷却水流路８２０ｃの下流側に接続された水圧調整バルブ８１０ｃの開度を調整することによって、上流酸化ガスバルブ１３０ｃと下流酸化ガスバルブ１４０ｃとの開度を調整する。
【００７６】
図１１は、燃料電池スタック１００ｃの構成単位である単セル１０ｃの断面図を示している。図３に示す第１実施例との差異は、セパレータ６０ｃの各層６９１ｃ、６９２ｃ、６９３ｃの構造が異なっている点だけである。
【００７７】
図１１（Ａ）は、図３（Ａ）と同様の、単セル１０ｃを側面から見た断面図を示している。セパレータ６０ｃの内層６９１ｃに設けられた凹部は、第１酸化ガス流路１１０ｃと第２酸化ガス流路１２０ｃとを形成している。
【００７８】
図１１（Ｂ１）は、内層６９１ｃのＢ１−Ｂ１断面（図１１（Ａ））を示している。Ｂ１−Ｂ１断面では、セパレータ６０ｃの外周が壁で囲まれており、左下と右下とのそれぞれに開口６１ｃ、６２ｃが設けられている。左下の開口６１ｃは、酸化ガス供給路２００ｃ（図１０）に接続され、右下の開口６２ｃは、酸化ガス排出路３００ｃに接続されている。また、セパレータ６０ｃの内部には、直線形状の線壁６３ｃが複数設けられている。これらの線壁６３ｃは、互いに平行に間を空けて配置されている。これらの壁で区切られた空隙（溝）は、第１酸化ガス流路１１０ｃと第２酸化ガス流路１２０ｃとを形成する。本実施例では、第１酸化ガス流路１１０ｃと第２酸化ガス流路１２０ｃとは、交互に平行に配置されている。また、これらの酸化ガス流路１１０ｃ、１２０ｃの上流側は合流して開口６１ｃへ至り、さらに、下流側は合流して開口６２ｃへ至る。
【００７９】
図１１（Ｂ２）は、内層６９１ｃのＢ２−Ｂ２断面（図１１（Ａ））を示している。このＢ２−Ｂ２断面は、仕切層６９２ｃの近傍の断面を示している。第１酸化ガス流路１１０ｃの上流側では、仕切層６９２ｃにゴム膜１３０ｃｆが固定されている。また、第２酸化ガス流路１２０ｃの下流側では、仕切層６９２ｃにゴム膜１４０ｃｆが固定されている。ゴム膜１３０ｃｆは上流酸化ガスバルブ１３０ｃとして機能し、ゴム膜１４０ｃｆは下流酸化ガスバルブ１４０ｃとして機能する（詳細は後述）。
【００８０】
図１１（Ｃ）は、仕切層６９２ｃのＣ−Ｃ断面（図１１（Ａ））を示している。仕切層６９２ｃは板形状を有している。また、この仕切層６９２ｃには複数の連通穴６４ｃ、６４ｄが設けられている。上流連通穴６４ｃは、第１酸化ガス流路１１０ｃの上流側に連通している。また、ゴム膜１３０ｃｆ（図１１（Ａ）（Ｂ２））は、この上流連通穴６４ｃを塞ぐように仕切層６９２ｃに固定されている。一方、下流連通穴６４ｄは、第２酸化ガス流路１２０ｃの下流側に連通している。ゴム膜１４０ｃｆ（図１１（Ａ）（Ｂ２））は、この下流連通穴６４ｄを塞ぐように仕切層６９２ｃに固定されている。
【００８１】
図１１（Ｄ）は、外層６９３ｃのＤ−Ｄ断面（図１１（Ａ））を示している。Ｄ−Ｄ断面では、セパレータ６０の外周が壁で囲まれており、上に開口６６ｃが設けられ、下に開口６７ｃが設けられている。壁で囲まれた空隙は、冷却水流路８２０ｃを形成する。上の開口６６ｃは冷却水ポンプ８００ｃ（図１０）に接続され、下の開口６７ｃは水圧調整バルブ８１０ｃに接続されている。また、この冷却水流路８２０ｃには、連通穴６４ｃ、６４ｄが連通している。
【００８２】
図１２は、ゴム膜１３０ｃｆの動作を示す説明図である。図１２には、単セル１０ｃの、ゴム膜１３０ｃｆ付近の断面図が示されている。この断面図では、ゴム膜１３０ｃｆと冷却水流路８２０ｃと第１酸化ガス流路１１０ｃとの断面が示されている。また、図１２（Ａ）には、冷却水流路８２０ｃ内の圧力が比較的高い場合が示され、図１２（Ｂ）には、冷却水流路８２０ｃ内の圧力が比較的低い場合が示されている。
【００８３】
冷却水流路８２０ｃ内の圧力が比較的高い場合は（図１２（Ａ））、ゴム膜１３０ｃｆは、冷却水の圧力によって第１酸化ガス流路１１０ｃ内で比較的大きく膨らむ。その結果、第１酸化ガス流路１１０ｃにおけるガスの流路の断面積が比較的小さくなる。また、冷却水流路８２０ｃ内の圧力がさらに高くなれば、ゴム膜１３０ｃｆがさらに膨らんで、第１酸化ガス流路１１０ｃは全閉状態となり得る。
【００８４】
一方、冷却水流路８２０ｃ内の圧力が比較的低い場合は（図１２（Ｂ））、ゴム膜１３０ｃｆの第１酸化ガス流路１１０ｃ内での膨らみの大きさが比較的小さくなる。従って、第１酸化ガス流路１１０ｃにおけるガスの流路の断面積は比較的大きくなる。
【００８５】
ゴム膜１３０ｃｆは、冷却水流路８２０ｃ内の圧力と、第１酸化ガス流路１１０ｃ内の圧力と、ゴム膜１３０ｃｆの弾性力と、が釣り合うように変形する。この際、第１酸化ガス流路１１０ｃ側に膨らむことによって、第１酸化ガス流路１１０ｃを狭めることができる。このようにして、ゴム膜１３０ｃｆは、第１酸化ガス流路１１０ｃに接続された上流酸化ガスバルブ１３０ｃとして機能する。
【００８６】
以上、ゴム膜１３０ｃｆについて説明したが、ゴム膜１４０ｃｆも、同様に、下流酸化ガスバルブ１４０ｃとして機能する。
【００８７】
なお、上流連通穴６４ｃは、複数の細かい穴を有するメッシュ構造を有している。従って、冷却水流路８２０ｃの圧力が過剰に低い場合であっても、ゴム膜１３０ｃｆが冷却水流路８２０ｃ側へ膨らむことが防止される。これは、下流連通穴６４ｄについても同様である。
【００８８】
制御部６００ｃ（図１０）は水圧調整バルブ８１０ｃの開度を調整することによって、冷却水流路８２０ｃ内の圧力、すなわち、２種類の酸化ガスバルブ１３０ｃ、１４０ｃの開度を調整することができる。具体的には、水圧調整バルブ８１０ｃの開度を小さくすれば、冷却水流路８２０ｃ内の圧力を高め、バルブ１３０ｃ、１４０ｃの開度を小さくすることができる。このように、本実施例では、冷却水が本発明における「作動流体」に相当し、水圧調整バルブ８１０ｃが「圧力調整部」に相当し、冷却水流路８２０ｃが「作動流路」に相当する。
【００８９】
ここで、制御部６００ｃは、図６に示す第１実施例と同様に、これらのバルブ１３０ｃ、１４０ｃの開度を、負荷が大きいほど小さくなるように調整する。さらに、図８に示す第２実施例と同様に、温度が低いほど小さくなるように調整してもよい。さらに、図９に示す第３実施例と同様に、酸化ガスの相対湿度が高いほど小さくなるように調整してもよい。
【００９０】
このように、第４実施例では、複数の第１酸化ガス流路１１０ｃのそれぞれに上流酸化ガスバルブ１３０ｃが接続され、さらに、複数の第２酸化ガス流路１２０ｃのそれぞれに下流酸化ガスバルブ１４０ｃが接続されている。従って、セパレータ６０ｃにおける各酸化ガス流路１１０ｃ、１２０ｃの配置の自由度を高めることができる。その結果、第１酸化ガス流路１１０ｃと第２酸化ガス流路１２０ｃとを交互に並べる場合でも、セパレータ６０ｃの構造が過剰に複雑化することを防止することができる。
【００９１】
また、各バルブ１３０ｃ、１４０ｃでは、ゴム膜１３０ｃｆ、１４０ｃｆ自身がそのまま弁体として機能するので、各バルブ１３０ｃ、１４０ｃの小型化を図ることができる。その結果、各バルブ１３０ｃ、１４０ｃを単セル１０ｃ内に設けることが可能となる。さらに、各バルブ１３０ｃ、１４０ｃが、単セル１０ｃ内に設けられているので、単セル１０ｃの外におけるガスの流路が複雑化することを抑制することができる。ただし、各バルブ１３０ｃ、１４０ｃを単セル１０ｃの外に設けることとしてもよい。
【００９２】
また、第４実施例では、流体（冷却水）の圧力を用いて酸化ガスバルブ１３０ｃ、１４０ｃの開度を調整している。従って、複数の第１酸化ガス流路１１０ｃと複数の第２酸化ガス流路１２０ｃとのそれぞれにバルブを接続する場合でも、各バルブを、共通の流体の流路（冷却水流路８２０ｃ）に接続することによって、各バルブをまとめて制御することが可能となる。その結果、燃料電池システム７００ｃの構成が過剰に複雑化することを防止できる。
【００９３】
また、第４実施例では、冷却水の圧力を用いて酸化ガスバルブ１３０ｃ、１４０ｃの開度を調整することができる。すなわち、冷却水の供給と排出とを行うための構成要素（冷却水ポンプ８００ｃ、冷却水流路８２０ｃ、水圧調整バルブ８１０ｃ）を、バルブの開度を調整する開度調整装置の構成要素として共用している。その結果、燃料電池システム７００の構成の簡素化を図ることができる。ただし、冷却水とは別に、バルブ駆動用の流体（例えば、オイルや空気）を用いて、ゴム膜１３０ｃｆ、１４０ｃｆを変形させることとしてもよい。なお、弾性体膜としては、ゴム膜１３０ｃｆ、１４０ｃｆに限らず、圧力の変化に応じて変形可能な膜であればよく、弾性部材（例えば、シリコン）を用いて形成した任意の膜を採用することができる。
【００９４】
なお、冷却水流路８２０ｃ内の圧力を調整する方法としては、水圧調整バルブ８１０ｃの開度を調整する方法に限らず、冷却水ポンプ８００ｃの出力圧力を調整する方法や、冷却水ポンプ８００ｃの出力圧力と、水圧調整バルブ８１０ｃの開度と、の両方を調整する方法を採用してもよい。いずれの場合も、冷却水の供給量を、燃料電池スタック１００ｃの適切な温度を実現可能な範囲に維持することが好ましい。
【００９５】
Ｅ．第５実施例：
図１３は、第５実施例における単セル１０ｄの断面図である。図１０、図１１、図１２に示す第４実施例との差異は２点ある。１つ目は、ゴム膜１３０ｃｆ、１４０ｃｆの代わりに人工筋肉を弁体として採用している点である。２つ目は、仕切層の上流連通穴６４ｃと下流連通穴６４ｄとが省略されている点である。他の構成は、第４実施例と同じである。
【００９６】
図１３には、図１２と同様の、単セル１０ｄの人工筋肉１３０ｄｆ付近の断面図が示されている。この人工筋肉１３０ｄｆは、ゴム膜１３０ｃｆ（図１２）の代わりに、第１酸化ガス流路１１０ｃの上流側に設けられており、第１酸化ガス流路１１０ｃの幅とほぼ同じ幅の板形状を有している。また、人工筋肉１３０ｄｆは、その一端が、仕切層６９２ｄに固定されている。この人工筋肉１３０ｄｆは、例えば、イオン伝導アクチュエータを用いて形成されており、印加電圧を調整することによって屈曲の度合いを制御することが可能である。また、この人工筋肉１３０ｄｆには、制御用の電圧を印加するためのリード線が接続されている（図示省略）。
【００９７】
人工筋肉１３０ｄｆに電圧を印加して屈曲させると（図１３（Ａ））、人工筋肉１３０ｄｆが、流路の固定位置側（仕切層６９２側）から反対側（カソード拡散層５４側）へ向かって反り、第１酸化ガス流路１１０ｃにおけるガスの流路の断面積が小さくなる。また、人工筋肉１３０ｄｆをさらに屈曲させれば、単セル１０ｄを全閉状態とすることもできる。
【００９８】
一方、人工筋肉１３０ｄｆを伸長させると（図１３（Ｂ））、人工筋肉１３０ｄｆが固定位置側（仕切層６９２側）に近づくので、第１酸化ガス流路１１０ｃにおけるガスの流路の断面積は大きくなる。
【００９９】
このように、上流酸化ガスバルブ１３０ｃ（図１０）としては、屈曲の度合いを制御可能な人工筋肉を弁体として用いたものを採用してもよい。人工筋肉は小型化が容易であるので、複数の第１酸化ガス流路１１０ｃのそれぞれに上流酸化ガスバルブ１３０ｃを接続する場合であっても、装置が大型化することを抑制することができる。これは、下流酸化ガスバルブ１４０ｃに関しても同じである。なお、人工筋肉としては、イオン伝導アクチュエータに限らず、屈曲の度合いを制御可能な種々のものを採用することができる。例えば、導電性高分子アクチュエータを用いてもよい。
【０１００】
Ｆ．第６実施例：
図１４（Ａ）は、第６実施例における燃料電池システム７００ｆの構成を示すブロック図である。図１に示す第１実施例との差異は、供給圧力センサ９１０と排出圧力センサ９２０とを有している点だけである。供給圧力センサ９１０は、燃料電池スタック１００に供給される酸化ガスの圧力を測定するセンサであり、酸化ガス供給路２００に接続されている。排出圧力センサ９２０は、燃料電池スタック１００から排出されるカソード排ガスの圧力を測定するセンサであり、酸化ガス排出路３００に接続されている。各圧力センサ９１０、９２０の測定値は、制御部６００ｆに供給され、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度の制御に用いられる。他の構成は、図１に示す第１実施例と同じである。
【０１０１】
図１４（Ｂ）は、制御部６００ｆが実行する酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度制御処理の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部６００ｆは、酸化ガスの燃料電池スタック１００における圧損（圧力損失とも呼ばれる）がしきい値よりも大きいか否かを判定する。ここで、制御部６００ｆは、供給圧力センサ９１０の測定結果から、排出圧力センサ９２０の測定結果を差し引いた差圧を、酸化ガスの圧損として用いる。すなわち、供給圧力センサ９１０と排出圧力センサ９２０との全体が、圧力損失を測定する「運転状態測定部」に相当することとなる。
【０１０２】
酸化ガスの圧損が大きいことは、酸化ガス流路１１０、１２０や、カソード拡散層５４に水が詰まる等の不具合が生じている可能性があることを意味している。従って、圧損の大きさをしきい値と比較することによって、制御部６００ｆは、酸化ガスの流れの不具合の可能性の有無を判断することができる。なお、しきい値は、予め実験に基づいて定めておけばよい。
【０１０３】
なお、酸化ガスの供給量を、負荷が大きいほど多くする場合がある。この場合には、不具合の無い状態での圧損も、負荷が大きいほど大きくなる傾向がある。このような場合には、しきい値を、負荷が大きいほど大きくなるように変化させることが好ましい。こうすれば、不具合の可能性の有無の判断の精度を向上させることができる。
【０１０４】
圧損がしきい値以下である場合には、制御部６００ｆは、不具合の可能性は無いと判断して、通常の制御を実行する（ステップＳ１１０）。このステップＳ１１０では、制御部６００ｆは、図６に示すグラフに従った開度の制御を実行する。この代わりに、図８（Ｂ）に示すグラフに従った制御や、図９（Ｂ）に示すグラフに従った制御を実行することとしてもよい。以後、制御部６００ｆは、再び、ステップＳ１００に戻り、上述の処理を繰り返し実行する。
【０１０５】
圧損がしきい値よりも大きい場合には、次のステップＳ１２０で、制御部６００ｆは、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度を大きくする。圧損が大きいことは、各単セル１０に大きな圧力がかかっていることを意味する。そこで、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度を大きくすれば、各単セル１０においてガスが流れやすくなるので、圧損を下げることが可能となる。従って、単セル１０が、過剰な圧力によって劣化することを抑制することができる。なお、開度を大きくする処理としては、開度を全開にする処理や、圧損がしきい値よりも小さくなるまで開度を徐々に大きくする処理等の種々の処理を採用することができる。一般には、開度を、ステップＳ１１０での制御、すなわち、負荷対応制御における開度よりも大きな値に設定する処理であればよい。
【０１０６】
また、図１４に示す燃料電池システム７００ｆでは、酸化ガス供給路２００には、複数の単セル１０が並列に接続されている。従って、一部の単セル１０において水が詰まる等してガスが流れにくくなった場合には、ガスは他の単セル１０を流れるので、水が詰まった単セル１０（以下「閉塞単セル」と呼ぶ）を流れるガス量が過小となる。すると、閉塞単セルでの発電量も過小となる。ところが、燃料電池スタック１００では、電気的に接続された他の単セル１０が発電を行っており、負荷に電力を供給しようとする。その結果、閉塞単セルには、発電量が過小であるにも拘わらずに発電量を超える過剰な電流が流れようとするので、閉塞単セルが劣化（例えば、電解質膜３０の破損）する可能性が高くなる。そこで、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度を大きくすれば、閉塞単セルを流れる酸化ガスの量を増やすことが可能となる。その結果、閉塞単セルの発電量が過小となることを抑制し、閉塞単セルが劣化することを抑制することが可能となる。
【０１０７】
各バルブ１３０、１４０の開度を大きくしたら、次のステップＳ１３０で、制御部６００ｆは、不具合対応処理を実行する。不具合対応処理としては、例えば、各バルブ１３０、１４０の開度を徐々に小さくする処理を採用することができる。こうすれば、単セル１０に溜まった水を排出し、不具合を解消することが可能となる。また、不具合の可能性がある旨の警告をユーザに通知する処理を採用してもよい。このような警告通知処理としては、例えば、表示パネル等の表示部（図示省略）に警告を表示させる処理や、スピーカ（図示省略）を介して警告音を発生させる処理を採用することができる。
【０１０８】
このように、第６実施例では、制御部６００ｆが、燃料電池スタック１００での圧損に基づいて、酸化ガスの流れに関する不具合の可能性の有無を判断し、不具合の可能性有りと判断した場合には、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度を大きくする。その結果、燃料電池スタック１００（単セル１０）が劣化することを抑制することができる。
【０１０９】
Ｇ．第７実施例：
図１５（Ａ）は、第７実施例における燃料電池システム７００ｇの構成を示すブロック図である。図１に示す第１実施例との差異は、セル電圧を測定する電圧センサ９３０が、各単セル１０毎に設けられている点だけである。各単セル１０のセル電圧の測定結果は、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度の制御に用いられる。他の構成は、図１に示す第１実施例と同じである。
【０１１０】
図１５（Ｂ）は、制御部６００ｇが実行する酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度制御処理の手順を示すフローチャートである。図１４（Ｂ）に示す第６実施例のフローチャートとの差異は、ステップＳ１０２で、圧損の代わりに各単セル１０のセル電圧に基づいて不具合の可能性の有無を判断している点だけである。他のステップの処理内容は、図１４（Ｂ）のフローチャートと同じである。
【０１１１】
ステップＳ１０２では、制御部６００ｇは、セル電圧がしきい値未満である単セル１０の有無を確認する。電圧のしきい値としては、例えば、セル電圧の平均値から標準偏差の２倍を差し引いた値を採用することができる。セル電圧が低いことは、酸化ガス流路１１０、１２０や、カソード拡散層５４に水が詰まる等の不具合が生じている可能性があることを意味している。従って、セル電圧をしきい値と比較することによって、制御部６００ｇは、酸化ガスの流れの不具合の可能性の有無を判断することができる。なお、電圧のしきい値としては、統計的に算出される他の形式の値を採用してもよく、また、所定の一定値であってもよい。また、負荷の大きさに応じて変化する所定の可変値であってもよい。ただし、複数の単セル１０を用いて発電を行う場合には、各単セル１０のセル電圧から統計的に算出される代表値をしきい値として用いることが好ましい。こうすれば、不具合の可能性の有無の判断の精度を向上させることができる。なお、しきい値算出の形式や値は、予め実験に基づいて定めておけばよい。
【０１１２】
なお、図１４、図１５に示す実施例において、燃料電池スタック１００の形式としては種々のものを採用することができる。たとえば、図１０に示す燃料電池スタック１００ｃを用いてもよい。また、圧損と各セル電圧との両方に基づいて不具合の可能性の有無を判定してもよい。例えば、ステップＳ１００（図１４（Ｂ））の条件とステップＳ１０２（図１５（Ｂ））の条件との少なくとも一方が満たされていれば、不具合の可能性有と判定することとしてもよい。また、不具合の可能性の有無を判定する条件（本発明における「不具合条件」に相当する）としては、圧損と各セル電圧とに基づく条件に限らず、一般に、カソード拡散層５４内におけるガスの流れの不具合の可能性の有無を推定するための種々の条件を採用することができる。
【０１１３】
Ｈ．第８実施例：
図１６は、第８実施例における開度制御処理のフローチャートである。第８実施例では、燃料電池システムの構成は、図８（Ａ）に示す第２実施例と同じである。制御部６００ａは、燃料電池システム７００ａの起動時に、このフローチャートに従って、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度を設定する。
【０１１４】
燃料電池システム７００ａが起動されると、燃料ガスと酸化ガスとが燃料電池スタック１００に供給され、燃料電池スタック１００が発電を開始する。ここで、制御部６００ａは、ステップＳ２００で、所定の低温条件が成立しているか否かを判定する。第８実施例では、以下の条件を低温条件として採用している。
【０１１５】
低温条件：燃料電池スタック１００の温度  ≦  低温しきい値：
ここで、燃料電池スタック１００の温度としては、温度センサ５２０の測定値が用いられる。また、低温しきい値は、予め設定された値であり、第８実施例では「０℃」に設定されている。
【０１１６】
制御部６００ａは、低温条件が成立していない場合には、ステップＳ２３０へ移行し、通常の制御を実行する。この通常制御（ステップＳ２３０）では、制御部６００ａは、負荷対応制御を実行する。負荷対応制御としては、例えば、図６のグラフに従った制御や、図８（Ｂ）に示すグラフに従った制御、図９（Ｂ）に示すグラフに従った制御を採用することができる。以後、制御部６００ａは、通常の制御の実行を継続する。
【０１１７】
一方、低温条件が成立している場合には、制御部６００ａは、次のステップＳ２１０で低温制御を実行する。低温条件が成立している場合には、燃料電池スタック１００の内部で水が凍結する可能性が有る。特に、微細な孔を多数有しているカソード拡散層５４では、水が拡散されて、水の体積に対する水の表面積の割合が大きくなりやすいので、水が凍結し易い。また、カソード拡散層５４内で水が凍結すると、その部分にはガスが供給されなくなるので、発電効率が過剰に低下し、単セル１０の劣化を招くおそれが生じる。従って、カソード拡散層５４の内部の水を排出することが重要となる。そこで、制御部６００ａは、ステップＳ２１０で、バルブ１３０、１４０の開度を全閉に設定する。その結果、カソード拡散層５４に過剰な水が蓄積されることを防止し、カソード拡散層５４内で水が凍結することを抑制することができる。また、バルブ１３０、１４０を閉じれば、カソード拡散層５４を流れる酸化ガスの量を多くすることができるので、カソード触媒層５２に供給される酸化ガスの量が過剰に少なくなることを抑制することもできる。その結果、燃料電池システム７００ａの起動を促進することが可能となる。
【０１１８】
次に、制御部６００ａは、ステップＳ２２０で、所定の移行条件が成立しているか否かを判定する。第８実施例では、以下の「移行条件ａ」を移行条件として採用している。
【０１１９】
移行条件ａ：燃料電池スタック１００の温度  ＞  移行温度しきい値：
ここで、燃料電池スタック１００の温度としては、温度センサ５２０の測定値が用いられる。また、移行温度しきい値は、予め設定された値であり、第８実施例では「０℃」に設定されている。
【０１２０】
燃料電池スタック１００の温度は、発電で生じる熱によって徐々に上昇する。ここで、燃料電池スタック１００の温度が、水が凍結しない温度まで上昇したら、バルブ開度を負荷の大きさに応じて制御することが、発電効率の向上の点で好ましい。そこで、第８実施例では、低温制御の実行中に、上述の「移行条件ａ」が成立しているか否かを判定し（ステップＳ２２０）、成立したら、通常制御（負荷対応制御。ステップＳ２３０）に移行する。ここで、制御部６００ａは、「移行条件ａ」が成立するまでの間、低温制御の実行（ステップＳ２１０）を継続することとなる。
【０１２１】
ところで、ステップＳ２００で判定される低温条件は、カソード拡散層５４での水の凍結の可能性の有無を推定するための条件であればよい。従って、判定の対象となる温度（以下「低温評価温度」と呼ぶ）は、カソード拡散層５４の温度を反映した温度であればよい。具体的には、温度センサ５２０を、カソード拡散層５４に設けてもよく、また、セパレータ６０に設けてもよい。また、カソード排ガスの流路に設けてもよく、冷却水の排水の流路に設けてもよい。
【０１２２】
また、低温評価温度の高さを判定するための低温しきい値としては、「０℃」以外の０℃に近い種々の値を採用することができる。水の凍結を抑制する点からは、この低温しきい値が比較的高いことが好ましい。逆に、発電効率を向上させる点からは、低温しきい値が比較的低いことが好ましい。例えば、０℃〜＋１０℃の範囲内の値を用いることができる。ただし、凍結が生じると燃料電池スタック１００が破損するおそれがあるので、低温しきい値を、カソード拡散層５４において氷が融解（溶融とも呼ばれる）するような値に設定することが好ましい。また、低温しきい値を、カソード拡散層５４において水が凍結し始める温度（凝固点とも呼ばれる）に設定すれば、発電効率の向上と凍結の抑制との両立が容易となる。また、低温制御が選択される温度範囲（低温しきい値以下の温度範囲）が過剰に広くなることが防止されるので、圧損が高くなることによる燃料電池スタック１００の劣化を抑制することも可能となる。いずれの場合も、このような低温しきい値は、予め実験的に設定しておけばよい。
【０１２３】
なお、低温評価温度としてカソード拡散層５４とは異なる部位（例えば、冷却水の排水）の温度を用いる場合には、カソード拡散層５４の温度が低温評価温度よりも高くなる場合がある。すなわち、低温評価温度が０℃以下であっても、カソード拡散層５４内で水が凍結しない場合がある。従って、低温評価温度を、負値を含む０℃に近い範囲（例えば、−５℃〜＋１０℃）内の値に設定することもできる。ただし、凍結防止の観点からは、低温しきい値を０℃以上の温度に設定することが好ましい。
【０１２４】
なお、この低温評価温度と、負荷対応制御で用いられる温度（例えば、図８（Ｂ）のグラフの調整に用いられる温度）とを、別々の温度センサで測定することとしてもよい。
【０１２５】
ところで、ステップＳ２２０での判定の条件（移行条件ａ）も、カソード拡散層５４内での水の凍結の可能性の有無を推定するための条件であればよい。従って、低温条件と同様に、判定の対象となる温度を定め、さらに、移行温度しきい値を設定することが可能である。また、移行条件としては、移行条件ａ以外の種々の条件を採用することが可能である。例えば、以下に示す移行条件ｂを採用してもよい。
移行条件ｂ：発電を開始してからの運転時間  ＞  移行時間しきい値：
【０１２６】
燃料電池スタック（例えば、図８の燃料電池スタック１００）の温度は発電によって上昇する。従って、発電を開始してからの運転時間が長いほど、カソード拡散層５４での水の凍結の可能性は小さいと推定することができる。ここで、移行時間しきい値については、予め実験的に決定すればよい。例えば、カソード拡散層５４の温度が氷の融解する温度（融点とも呼ばれる）まで上昇する時間を採用することができる。また、移行時間しきい値を、燃料電池スタックの大きさが大きいほど長い時間に設定してもよい（例えば、３０秒〜２０分）。さらに、移行時間しきい値を、起動時の燃料電池スタックの温度が低いほど長くなるように設定してもよい。
【０１２７】
また、以下に示す移行条件ｃを採用してもよい。
移行条件ｃ：出力電流  ＞  移行電流しきい値：
【０１２８】
通常の燃料電池では、温度が高いほど発電効率が向上し、大きな電流を出力することが可能となる。従って、燃料電池スタック（例えば、図８の燃料電池スタック１００）の出力電流が大きいほど、カソード拡散層５４での水の凍結の可能性は小さいと推定することができる。ここで、移行電流しきい値については、予め実験的に決定すればよい。例えば、カソード拡散層５４において氷が融解する状態での電流値を採用することができる。また、出力電流は出力電圧が低いほど高くなる傾向がある。従って、移行電流しきい値を、出力電圧が低いほど大きくなるように設定してもよい。
【０１２９】
ところで、ステップＳ２３０（通常制御）の代わりに、図１４、図１５に示す第６、第７実施例の制御を実行することとしてもよい。こうすれば、仮に、移行条件が成立していると判定された（ステップＳ２２０：Ｙｅｓ）にも拘わらず、カソード拡散層５４内で水が凍結している場合であっても、ガスの流れの不具合の可能性が有ると判定されれば（例えば、図１４（Ｂ）ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０で、酸化ガスバルブ１３０、１４０の開度が負荷対応制御での開度よりも大きな値に設定される。その結果、燃料電池スタック１００の劣化を抑制することができる。
【０１３０】
また、制御部６００ａが、通常制御（例えば、図１６のステップＳ２３０）の実行中に、低温条件が成立するか否かを判定し、成立した場合には、負荷の大きさに拘わらずに、低温制御に移行することとしてもよい。こうすれば、燃料電池システム７００ａの運転中に環境温度が低くなり、カソード拡散層５４内での水の凍結の可能性が生じた場合でも、水の凍結を抑制することが可能となる。なお、この場合も、ステップＳ２２０と同様に、移行条件が成立するまで低温制御を継続すればよい。
【０１３１】
また、第８実施例では、バルブの低温制御として、開度を全閉に設定することとしたが、バルブの開度を、全閉と異なる値に設定することとしてもよい。一般には、低温制御は、バルブ１３０、１４０の開度を、負荷対応制御（通常制御Ｓ２３０）における開度よりも小さな値に設定する処理であればよい。
【０１３２】
Ｉ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１３３】
変形例１：
上述の各実施例では、２種類の酸化ガス流路が交互に並んでいるが（例えば、図３の第１酸化ガス流路１１０と第２酸化ガス流路１２０）、同じ種類の酸化ガス流路が隣り合っていても良い。但し、交互に配置することとすれば、カソード電極５０内における酸化ガスの供給量の分布が不均一となることを抑制することができる。
【０１３４】
変形例２：
上述の各実施例では、バルブの開度が負荷の変化に応じて連続的に変化することとしているが（図６）、この代わりに、負荷の変化に応じて不連続的に変化してもよい。また、開度が、負荷の一部の範囲において一定値であってもよい。例えば、負荷の変化に応じて開度をステップ状に変化させてもよい。また、負荷の全範囲において開度がゼロよりも大きくてもよい。また、開度を任意に設定可能な調整バルブの代わりに、全閉と全開とのみに設定可能なバルブを用いてもよい。この場合には、負荷がしきい値以上の場合に全閉に設定し、負荷がしきい値未満の場合に全開に設定すればよい。いずれの場合も、開度は負荷が大きいほど小さいことが好ましい。換言すれば、負荷の増大に伴って開度が増大しないことが好ましい。同様に、開度は、カソード拡散層５４の温度を反映した温度（例えば、燃料電池スタック１００の温度）が低いほど小さいことが好ましく、また、酸化ガスの相対湿度が高いほど小さいことが好ましい。
【０１３５】
また、複数のバルブ（例えば、図１の上流酸化ガスバルブ１３０と下流酸化ガスバルブ１４０）の開度は、バルブ毎に異なっていても良い。ただし、各バルブの開度は、負荷が大きいほど小さいことが好ましく、さらに、燃料電池の温度が低いほど小さいことが好ましく、さらに、供給される酸化ガスの湿度が高いほど小さいことが好ましい。
【０１３６】
なお、バルブの開度を、負荷の大きさに拘わらずに設定することとしてもよい。例えば、バルブの開度を所定の一定値に設定することとしてもよい。ここで、さらに、所定の一定時間だけバルブの開度を小さくする排出処理を、発電中に繰り返し実行することとしてもよい。こうすれば、カソード拡散層５４に過剰な量の生成水が蓄積することを防止することができる。なお、繰り返しの周期としては、例えば、所定の一定の周期を採用してもよい。また、積算発電量が所定の基準発電量だけ増加する度に排出処理を実行することとしてもよい。
【０１３７】
また、バルブ開度の設定に負荷を反映させるか否かに拘わらず、図１４、図１５に示す第６、第７実施例と同様に、制御部（例えば、図１４の制御部６００ｆ）が、ガスの流れの不具合の可能性の有無を判定し、可能性有と判定した場合には、不具合に対応した制御（以下「不具合対応制御」と呼ぶ）を実行することが好ましい。ここで、不具合対応制御としては、バルブの開度を、不具合の可能性無と判定した場合の開度よりも大きな開度に設定する制御を採用することができる。こうすれば、圧損が過剰に高くなることを防止することができる。ここで、制御部の設定可能範囲内の最大値に設定する制御を採用すれば、圧損の過剰上昇を防止する効果が顕著となる。また、バルブを全開に設定する制御を採用すれば、圧損の過剰上昇を防止する効果が特に顕著となる。なお、不具合対応制御での開度については、予め実験的に定めておいてもよく、制御部が燃料電池システムの運転状況に応じて設定することとしてもよい。
【０１３８】
また、バルブ開度の設定に負荷を反映させるか否かに拘わらず、図１６に示す第８実施例と同様に、制御部（例えば、図８（Ａ）に示す制御部６００ａ）が、カソード拡散層５４での水の凍結の可能性の有無を判定し、可能性有と判定した場合には、低温に対応した制御（以下「低温対応制御」と呼ぶ）を実行することが好ましい。ここで、低温対応制御としては、バルブ開度を、凍結の可能性無と判定した場合の開度よりも小さな開度に設定する制御を採用することができる。こうすれば、カソード拡散層５４において、過剰な水が蓄積して凍結することを抑制することが可能となる。ここで、制御部の設定可能範囲の最小値に設定する制御を採用すれば、凍結を抑制する効果が顕著となる。また、バルブを全閉に設定する制御を採用すれば、凍結を抑制する効果が特に顕著となる。なお、低温対応制御での開度については、予め実験的に定めておいてもよく、制御部が燃料電池システムの運転状況に応じて設定することとしてもよい。さらに、移行条件が成立したときに、低温対応制御から、凍結の可能性無と判定した場合の制御に移行することとすれば、圧損が高い状態が続くことを抑制することが可能となる。
【０１３９】
変形例３：
上述の各実施例では、カソード拡散層５４からの水の排出量、すなわち、カソード拡散層５４を流れるガスの量（流速）を調整することとしたが、さらに、アノード拡散層４４からの水の排出量を調整することとしてもよい。カソード電極５０（図２）で生成された水の一部は、電解質膜３０を介してアノード電極４０に移動する。従って、カソード拡散層５４に蓄積される水の量が多い状態では、アノード拡散層４４に蓄積される水の量も多くなる傾向がある。そこで、アノード拡散層４４からの水の排出量を調整すれば、発電効率が低下することを緩和することができる。この際、燃料ガスの流路の構成としては、上述した酸化ガスの流路の構成と同じものを採用することができる。また、燃料ガスの流路のバルブの開度は、図６、図８、図９に示す実施例と同様に調整することが好ましい。また、図１４、図１５に示す実施例と同様に、燃料ガスの流れの不具合の可能性が生じた場合には、開度を大きくすることが好ましい。さらに、図１６に示す第８実施例と同様に、アノード拡散層４４での水の凍結の可能性が生じた場合には、開度を小さくすることが好ましい。また、アノード拡散層４４からの水の排出量のみを調整することとしてもよい。ただし、通常の燃料電池ではアノード拡散層４４と比べてカソード拡散層５４に蓄積される水の量が多い傾向があるので、少なくとも、カソード拡散層５４からの水の排出量を調整することが好ましい。
【０１４０】
なお、単セルの構成としては、上述した各実施例の単セル１０、１０ｃ、１０ｄ（図３、図１１、図１３）の構成に限らず、他の種々の構成を採用することができる。一般に、燃料電池の構成としては、電極に設けられたガス透過性を有するガス透過層と、ガス透過層に接する２種類のガス流路とを有し、一方のガス流路の上流側と、他方のガス流路の下流側と、にバルブが接続されていればよい。ここで、開度を制御可能なバルブを用いて開度を設定すれば、ガス透過層からの水の排出量を調整することができる。なお、バルブの形式としては、上述した各実施例のバルブに限らず、周知の種々のバルブの形式を採用することができる。
【０１４１】
変形例４：
上述の各実施例では、電解質として固体高分子電解質を用いたが、この他にも、固体酸化物電解質や、リン酸電解質や、アルカリ水溶液電解質や、溶融炭酸塩電解質等、種々のタイプの電解質を用いることができる。
【０１４２】
変形例５：
燃料電池スタックでは、外側の単セルほど冷えやすく、暖まりにくい傾向がある。従って、図１６に示す第８実施例において、一部の単セル（例えば、図３のカソード拡散層５４やセパレータ６０）にのみ温度センサを設ける場合には、温度センサを設ける単セルを、外側から順番に選択することが好ましい。こうすれば、ステップＳ２００やステップＳ２２０で、水の凍結の可能性無という判定結果が得られたにも拘わらず、水が凍結することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム７００の構成を示すブロック図。
【図２】単セル１０の構造を示す斜視図。
【図３】単セル１０の断面図。
【図４】バルブ１３０、１４０の開度が比較的小さい場合の、単セル１０内におけるガスの流れを示す説明図。
【図５】バルブ１３０、１４０の開度が比較的大きい場合の、単セル１０内におけるガスの流れを示す説明図。
【図６】２つの酸化ガスバルブ１３０、１４０との開度と燃料電池スタック１００の負荷との関係を示すグラフ。
【図７】単セル１０の電流密度／電圧特性を示すグラフ。
【図８】第２実施例における燃料電池システム７００ａの概要を示す説明図。
【図９】第３実施例における燃料電池システム７００ｂの概要を示す説明図。
【図１０】第４実施例における燃料電池システム７００ｃの構成を示すブロック図。
【図１１】単セル１０ｃの断面図。
【図１２】ゴム膜１３０ｃｆの動作を示す説明図。
【図１３】第５実施例における単セル１０ｄを示す説明図。
【図１４】第６実施例における燃料電池システム７００ｆの概要を示す説明図。
【図１５】第７実施例における燃料電池システム７００ｇの概要を示す説明図。
【図１６】第８実施例における開度制御処理のフローチャート。
【符号の説明】
【０１４４】
１０、１０ｃ、１０ｄ...単セル
３０...電解質膜
４０...アノード電極
４２...アノード触媒層
４４...アノード拡散層
５０...カソード電極
５２...カソード触媒層
５４...カソード拡散層
６０、６０ｃ...セパレータ
６１、６１ｃ、６２、６２ｃ、６６、６６ｃ、６７、６７ｃ...開口
６３...閉四角壁
６３ｃ...線壁
６４ａ、６４ｃ...上流連通穴
６４ｂ、６４ｄ...下流連通穴
６５ａ...上流壁
６５ｂ...下流壁
１００、１００ｃ...燃料電池スタック
１１０、１１０ｃ...第１酸化ガス流路
１１２ａ...上流迂回流路
１１２ｂ...下流迂回流路
１２０、１２０ｃ...第２酸化ガス流路
１３０ｃｆ、１４０ｃｆ...ゴム膜
１３０ｄｆ...人工筋肉
１３０、１３０ｃ...上流酸化ガスバルブ
１４０、１４０ｃ...下流酸化ガスバルブ
２００、２００ｃ...酸化ガス供給路
２１０...第１供給分岐路
２２０...第２供給分岐路
３００、３００ｃ...酸化ガス排出路
３１０...第１排出分岐路
３２０...第２排出分岐路
５１０...負荷センサ
５２０...温度センサ
５３０...湿度センサ
６００、６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｆ、６００ｇ...制御部
６９１、６９１ｃ...内層
６９２、６９２ｃ、６９２ｄ...仕切層
６９３、６９３ｃ...外層
７００、７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、７００ｆ、７００ｇ...燃料電池システム
８００ｃ...冷却水ポンプ
８１０ｃ...水圧調整バルブ
８２０ｃ...冷却水流路
９１０...供給圧力センサ
９２０...排出圧力センサ
９３０...電圧センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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