(57)【要約】【課題】  燃料電池へ反応ガスを供給するガス流路の乾燥と、燃料電池における発電部の乾燥とをそれぞれ独立して最適化し、低温環境下での起動性を改善することを課題とする。【解決手段】  燃料電池スタック１００に供給された水素ガスをセル２００に導く入口側水素マニホールドと出口側水素マニホールド２０５との間に水素バイパス流路２０９とバイパス調整弁２１１を設け、空気をセル２００に導く入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６との間に空気バイパス流路２１０とバイパス調整弁２１２を設け、マニホールド間を流通してセル２００に導入される空気と、セル２００をバイパスしてバイパス流路を流通する空気の流量を制御して、セル２００、ならびに配管、マニホールドを最適に乾燥して構成される。【選択図】  図２
2006172935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを発電部で反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックに供給された反応ガスを前記発電部に導く入口側ガス流路と、前記発電部から排出された反応ガスを前記燃料電池スタックから導出する出口側ガス流路とを前記発電部をバイパスして選択的に連結するバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御する制御弁と、
前記燃料電池スタックに導入された酸化剤ガスで前記発電部、前記入口側ガス流路、前記出口側を乾燥させる際に、前記制御弁を制御して前記バイパス流路を流通する酸化剤ガスの流量を制御し、前記発電部に導入される酸化剤ガスと、前記入口側ガス流路ならびに前記出口側ガス流路に導入される酸化剤ガスの流量を制御する制御手段と
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】
前記バイパス流路ならびに前記制御弁は、前記燃料電池スタックに反応ガスを導入する入口側配管と、前記燃料電池スタックから排出された反応ガスを前記燃料電池スタックの外に導出する出口側配管との間に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記入口側ガス流路は、前記燃料電池スタックを構成する各セルの前記発電部に反応ガスを分配する入口側マニホールドで構成され、
前記出口側ガス流路は、前記燃料電池スタックを構成する各セルの前記発電部から排出された反応ガスを収集する出口側マニホールドで構成され、
前記バイパス流路ならびに前記制御弁は、前記入口側マニホールドと前記出口マニホールドとの間に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックに反応ガスを導入する入口側配管と、前記燃料電池スタックから排出された反応ガスを前記燃料電池スタックの外に導出する出口側配管とが、前記燃料電池スタックの一方の端部又はその近傍に設けられ、
前記バイパス流路ならびに前記制御弁は、前記燃料電池スタックの他方の端部又はその近傍に設けられている
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記入口側ガス流路は、前記燃料電池スタックを構成する各セルの前記発電部に反応ガスを分配する入口側マニホールドで構成され、
前記出口側ガス流路は、前記燃料電池スタックを構成する各セルの前記発電部から排出された反応ガスを収集する出口側マニホールドで構成され、
前記バイパス流路は、前記燃料電池スタックに反応ガスを導入し、導入した反応ガスを前記入口側マニホールドに導く入口側配管と前記出口側マニホールドとの間、ならびに前記出口側マニホールドで収集された反応ガスを前記燃料電池スタックの外に導出する出口側配管と前記入口側マニホールドとの間に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを発電部で反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの運転を制御する燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池スタックに供給された反応ガスを前記発電部に導く入口側ガス流路と、前記発電部から排出された反応ガスを前記燃料電池スタックから導出する出口側ガス流路とを前記発電部をバイパスして連結するバイパス流路と、
前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御する制御弁とを備え、
前記制御弁を制御して前記バイパス流路を流通する酸化剤ガスの流量を制御し、前記発電部に導入される酸化剤ガスと、前記入口側ガス流路ならびに前記出口側ガス流路に導入される酸化剤ガスの流量を制御し、前記燃料電池スタックに導入された酸化剤ガスで前記発電部、前記入口側ガス流路、前記出口側ガス流路を乾燥させる
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
前記燃料電池スタックに導入される入口側の反応ガスの圧力と、燃料電池スタックから導出される出口側の反応ガスの圧力との差圧を計測する差圧計測手段を備え、
前記差圧計測手段で計測された差圧に基づいて、前記制御弁を制御して前記バイパス流路を流通する酸化剤ガスの流量を制御し、前記入口側ガス流路ならびに前記出口側ガス流路に導入される酸化剤ガスの流量を制御する
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記燃料電池スタックに導入される反応ガスの総流量を計測する総流量計測手段を備え、
前記総流量計測手段で計測された総流量に基づいて、前記制御弁を制御して前記バイパス流路を流通する酸化剤ガスの流量を制御し、前記入口側ガス流路ならびに前記出口側ガス流路に導入される酸化剤ガスの流量を制御する
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記燃料電池システムの運転を停止する際に、前記バイパス流路を流れる流量を制御する
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記燃料電池システムの運転を停止する際に、前記制御弁の制御を開始し、開始後所定時間前記燃料電池スタックに導入された酸化剤ガスを前記発電部に流し、所定時間経過後に、前記燃料電池スタックに導入されたほぼ全量の酸化剤ガスを前記バイパス流路のみに流す
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記燃料電池システムの運転中に、前記燃料電池スタックに導入される酸化剤ガスの流量を増やし、前記制御弁を制御して前記入口側ガス流路と前記出口側ガス流路を流通する酸化剤ガスの流量を増大させる
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記燃料電池システムの運転開始後所定時間経過後、あるいは前回前記発電部、前記入口側ガス流路、前記出口側ガス流路を乾燥させた後所定時間経過後に、酸化剤ガスの流量を増大させる
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックでフラッディングを検知した際に、酸化剤ガスの流量を増大させる
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記発電部を構成する電解質膜の含水率が予め設定された所定の範囲に収まるように、前記発電部、前記入口側ガス流路、前記出口側ガス流路を乾燥させる
ことを特徴とする請求項６，７，８，９，１０，１１，１２及び１３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックの温度を計測する温度計測手段と、
前記電解質膜の膜抵抗値を求める膜抵抗取得手段とを備え、
前記電解質の含水率は、前記温度計測手段で計測された前記燃料電池スタックの温度と、前記膜抵抗取得手段で求められた前記電解質膜の膜抵抗値とに基づいて判断する
ことを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
前記燃料電池スタックの発電電流、発電電圧、温度、反応ガス供給流量、反応ガスのガス湿度の運転履歴を記憶する記憶手段を備え、
前記含水率は、前記記憶手段に記憶された運転履歴のうち少なくとも１つの運転履歴に基づいて判断する
ことを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
予め設定された所定流量の酸化剤ガスを予め設定された所定時間前記燃料電池スタックに導入し、前記発電部、前記入口側ガス流路、前記出口側ガス流路を乾燥させる
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルならびに燃料電池セルに反応ガスを供給する経路の水分を適切に除去し、低温始動時の起動性を改善した燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、低温環境下では、燃料電池に反応ガスを導く供給経路に残存する水分等の凍結により経路が閉塞して燃料電池への反応ガスの供給が阻害されたり、燃料電池における水分の凍結により化学反応の進行が阻害される等により、起動が著しく困難になっていた。これらの不具合を解消して低温環境下でのシステムの起動性を改善した従来の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
文献１には、燃料電池に乾燥空気および乾燥水素を供給して、仮の運転を行うことで、水素極側に残留する水分は、電解質膜中を水素イオンとともに酸素極側に随伴移動し、燃料電池の水素極側の残留水分を除去することができる技術が記載されている。また、燃料電池内の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段を備え、湿潤状態検出手段により検出した燃料電池内の湿潤状態に基づいて、少なくとも乾燥水素の供給を停止することで、必要以上に水素極側の水分除去制御を行うことがないようにした技術が記載されている。
【０００４】
さらに、乾燥水素の供給停止後、空気経路に燃料電池内部の温度より高温に加熱された乾燥ガスを供給することで、酸素極側の水分を除去することができ、燃料電池内部を完全に乾燥させることができる技術が記載されている。
【０００５】
また、文献２には、燃料電池の通常運転停止後、空気経路あるいは水素経路の少なくとも一方に乾燥ガスが供給されるとともに、乾燥ガスは燃料電池内の水分を含有して湿潤ガスとなり、燃料電池から排出されることで、燃料電池の運転停止後、燃料電池内の水分を乾燥除去することができる技術が記載されている。
【０００６】
また、文献３には、燃料電池セルに複数の排気分岐管を設け、発電時に冷媒の温度に基づいて、排気分岐管に設けられた開閉弁を制御して排気量を調整することで、フラッディングのおそれがある低温域では、セル内の水滴は酸化ガスにより容易に持ち出されて排出される一方、ドライアップのおそれがある高温域では、水滴は容易に排出されず乾燥しにくくした技術が記載されている。 
一方、文献４には、燃料電池スタックから未使用分の空気を排出する空気排出流路と燃料電池スタックに空気を供給する空気供給流路とを直接結ぶバイパス流路と、バイパス流路の開度を変えてバイパス流路を流れる空気流量を制御する制御弁を設け、制御弁を調整することで、余分な空気流量をバイパス流路に流し、空気供給流路を通り燃料電池スタックへ全負荷の数％程度の微小な空気流量を精度よく供給する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２０８４２１
【特許文献２】特開２００２−２０８４２２
【特許文献３】特開２００３−２７２６７６
【特許文献４】特開２００３−２０８９１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池システムでは、氷点下での発電に備えて、氷点下になる前、主にシステムの停止時に燃料電池スタックを乾燥させる必要がある。このときに、燃料電池スタックに反応ガスを導くガス配管や燃料電池スタックの各セルに反応ガスを与えるマニホールドは、十分に乾燥させて水分を取り除き凍結を防ぐ必要がある。これに対して、セルの発電部である膜電極接合体（ＭＥＡ：  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、ある程度湿らせておく必要がある。すなわち、ＭＥＡを乾燥させすぎると、氷点下で反応ガスを供給し電流の取り出しを試みたときに膜やアイオノマーの抵抗が大きすぎるために電圧が低下し、電力を取り出せない状態になりやすい。
【０００８】
一方、マニホールドやガス配管の乾燥が十分でない場合には、マニホールドやガス配管に残留した水分が凍結してガス流路が塞がるおそれがある。これにより、燃料電池の電極に反応ガスが供給できず、反応ガスを送り出しても電圧が生じなかったり、燃料電池における反応ガスの入口圧が警報圧力を超えて起動できなくなる。
【０００９】
しかし、ガス配管等は十分に乾燥させる一方、燃料電池は適度に乾燥させることは、極めて困難であり、上述した従来の技術にあっても双方を満足させることはできなかった。
【００１０】
また、システム運転時には、発電によりガス配管やマニホールドに徐々に水分が溜まっていき、フラッディングを引き起こしていた。このときにも、同様にガス配管やマニホールドの水分は十分に除去する一方、セルの上記ＭＥＡはある程度の湿潤を保ち、発電再開時に性能を確保する必要があった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池へ反応ガスを供給する供給路の乾燥と、燃料電池における発電部の乾燥とをそれぞれ独立して最適化し、低温環境下での起動性を改善した燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを発電部で反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックに供給された反応ガスを前記発電部に導く入口側ガス流路と、前記発電部から排出された反応ガスを前記燃料電池スタックから導出する出口側ガス流路とを前記発電部をバイパスして選択的に連結するバイパス流路と、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御する制御弁と、前記燃料電池スタックに導入された酸化剤ガスで前記発電部、前記入口側ガス流路、前記出口側を乾燥させる際に、前記制御弁を制御して前記バイパス流路を流通する酸化剤ガスの流量を制御し、前記発電部に導入される酸化剤ガスと、前記入口側ガス流路ならびに前記出口側ガス流路に導入される酸化剤ガスの流量を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、乾燥させすぎることなく適度な湿潤を保って発電部を乾燥させることができる一方、発電部に反応ガスを導入するガス流路を十分に乾燥させることが可能となる。これにより、発電部における過乾燥を抑制し、かつ発電部に反応ガスを導入するガス流路に溜まった水分を確実に除去することが可能となり、低温環境下でもシステムを円滑に始動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池スタック１００のアノード極には、水素ボンベ１０１から圧力調整弁１０２を介して燃料ガスの水素が供給され、カソード極にはコンプレッサ１０３から圧力調整弁１０４を介して酸化剤ガスの空気が供給される。燃料電池スタック１００は、供給された水素と空気との化学反応により発電を行い、発電により燃料電池スタック１００から取り出された電力は、インバータ１０５を介して交流に変換された後負荷１０６である例えばモータに供給されてモータを駆動する。インバータ１０５ならびに負荷１０６は、その動作が制御回路１０７で制御される。
【００１６】
燃料電池スタック１００では、発電時の化学反応で生成された水は水蒸気として、燃料電池スタック１００で消費されなかった水素とともに大気中へ排気される。燃料電池スタック１００で消費されなかったアノード極側の水素は、水素燃焼器（図示せず）で水蒸気に反応させた後大気中に排気される。
【００１７】
燃料電池スタック１００のアノード極には、システム停止後燃料電池スタック１００の乾燥のために、図示していないが水素に代えて空気が供給可能に構成されている。
【００１８】
このようなシステムの運転状態をモニタするために、このシステムには、外気温度を計測する温度計１０８、燃料電池スタック１００のセルの温度を計測する例えば熱電対で構成された温度計１０９が設けられている。また、このシステムには、同様に燃料電池スタック１００の水素入口側の水素圧力を計測する圧力計１１０、燃料電池スタック１００の空気入口側の空気圧力を計測する圧力計１１１が設けられている。さらに、このシステムには、同様に燃料電池スタック１００のセルの高周波（１ｋＨｚ）インピーダンスを計測する高周波インピーダンス計１１２が設けられている。
【００１９】
また、この燃料電池システムは、図示していないがコントロールユニットを備えている。コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける計測器等の各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、必要に応じて弁等の本システムの各構成要素に指令を送り、燃料電池スタック１００ならびにマニホールド、配管の乾燥処理を含む以下に説明する本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２０】
燃料電池スタック１００は、図２に示すように構成されている。図２において、燃料電池スタック１００は、反応ガスの流路が形成されたセパレータならびにＭＥＡを含む複数のセル２００が積層されて、両端に配置されたエンドプレート２０１で締め付け固定されている。この実施例１では、燃料電池スタック１００は、例えばその電極面積が３００
ｃｍ２  、２００個のセルが積層されて構成されている。
【００２１】
燃料電池スタック１００の水素入口配管２０２から供給された水素は、入口側水素マニホールド（図示せず）に導入され、この入口側水素マニホールドを介して燃料電池スタック１００を構成する各セル２００のアノード極に分配される。また、燃料電池スタック１００の空気入口配管２０３から供給された空気は、入口側空気マニホールド２０４に導入され、この入口側空気マニホールド２０４を介して燃料電池スタック１００を構成する各セル２００のカソード極に分配される。各セル２００に分配された水素と空気は、各セルの２００の発電部で化学反応して発電が行われ消費される。発電で消費されなかった未反応ガスや、発電の際に生成された水は、それぞれ対応した出口側水素マニホールド２０５、出口側空気マニホールド２０６に集められ、出口側水素マニホールド２０５に連結された水素出口配管２０７ならびに出口側空気マニホールド２０６に連結された空気出口配管２０８を介して燃料電池スタック１００の外に排気される。
【００２２】
また、水素ガスならびに空気の入口側、出口側から見て燃料電池スタック１００の反対側（図２の奥側）に、入口側水素マニホールドと出口側水素マニホールド２０５とを連結してセル２００のＭＥＡをバイパスする水素バイパス流路２０９が設けられている。また、水素ガスならびに空気の入口側、出口側から見て燃料電池スタック１００の反対側（図２の奥側）に、入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６とを連結してセル２００をバイパスする空気バイパス流路２１０とが設けられている。
【００２３】
これらのバイパス流路は、システムの停止後の乾燥時にマニホールド全体に乾燥のための空気が流れ、入口側及び出口側水素マニホールド２０５、ならびに入口側空気マニホールド２０４及び出口側空気マニホールド２０６のマニホールド全体を乾燥させて水分を取り除く目的で設けられている。
【００２４】
水素バイパス流路２０９には、その途中に流路を流通するガスの流量を弁の開度により調整するバイパス調整弁２１１が設けられている。バイパス調整弁２１１は、コントロールユニットから与えられる指令に基づいて、その開度が調整されることで水素バイパス流路２０９を流れるガスの流量と、入口側水素マニホールドならびに出口側水素マニホールド２０５を流通するガスの流量を制御する。
【００２５】
また、空気バイパス流路２１０には、その途中に流路を流通するガスの流量を弁の開度により調整するバイパス調整弁２１２が設けられている。バイパス調整弁２１２は、コントロールユニットから与えられる指令に基づいて、その開度が調整されることで空気バイパス流路２１０を流れるガスの流量と、入口側空気マニホールド２０４ならびに出口側空気マニホールド２０６を流通するガスの流量を制御する。
【００２６】
なお、水素バイパス流路２０９は、バイパス調整弁２１１と共に、図３に示すように、構成を簡易化するために、燃料電池スタック１００の外部に位置する水素入口配管２０２と水素出口配管２０７との間に設け、空気バイパス流路２１０は、バイパス調整弁２１２と共に、燃料電池スタック１００の外部に位置する空気入口配管２０３と空気出口配管２０８との間に設けるようにしてもよい。
【００２７】
燃料電池スタック１００を構成する各セル２００は、図４に示すように構成されている。図４において、セル２００は、導電性のカーボングラファイトのプレートで構成され、その一方面に空気ガス流路４００となる溝と、他方面に水素ガス流路４０１となる溝が形成されたセパレータ４０２と、このセパレータ４０２の間に挟まれるように配置されて発電部として機能するＭＥＡ４０３を含んで構成されている。
【００２８】
ＭＥＡ４０３は、電解質膜（パーフルオロスルホン酸ポリマー、ナフィオン１１１）４０４を挟んだ両側の触媒層（白金担持カーボンブラック）４０５、さらにその外側にカーボン層（撥水処理したカーボンブラック）（図示せず）、ならびにガス拡散層（ＧＤＬ、カーボンペーパ）４０６が配置されて構成される。
【００２９】
このような構成のセル２００は、入口側水素マニホールドから分配された水素がセパレータ４０２の水素ガス流路４０１を通ってアノード極４０７に供給され、アノード極４０７のガス拡散層４０６において触媒層４０５へ拡散して到達し、触媒層４０５の白金上で触媒反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  ）が生じる。この反応により生じたプロトン（Ｈ＋  ）は、電解質膜４０４をアノード極４０７からカソード極４０８に向かって移動する。また、電子は燃料電池スタック１００の外部の外部回路へ供給されて電流が流れる。
【００３０】
一方、入口側空気マニホールド２０４から分配された空気がセパレータ４０２の空気ガス流路４００を通ってカソード極４０８に供給され、ガス拡散層４０６において触媒層４０５へ拡散して到達し、触媒層４０５の白金上で触媒反応（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →Ｈ２Ｏ ）が生じる。このように電解質膜４０４を移動したプロトンと、外部回路を通過した電子と、空気中の酸素とが反応することにより水が生じる。生じた水は水蒸気として排気される。
【００３１】
このような構成において、ＭＥＡ４０３に流れるガス流量Ｑ１と、水素バイパス流路２０９ならびに空気バイパス流路２１０のバイパス調整弁２１１，２１２を開弁して水素側と空気側の各マニホールドの入口と出口を短絡させたときに、水素バイパス流路２０９、空気バイパス流路２１０を流れるガス流量Ｑ２との比は、同じ流量を流したときのセル２００に流れる反応ガスの入口と出口の差圧Δｐ１と、マニホールドの入口と出口を短絡させたときの差圧Δｐ２との大まかには逆比となることに基づいて、ＭＥＡ４０３に流れるガス流量が調整される。
【００３２】
この実施例１では、カソード極における入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６間の空気バイパス流路２１０のバイパス調整弁２１２を閉じて、空気を例えば１２．５Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で流したときに、上記差圧Δｐ１は３０ｋＰａ程度であった。そこで、Δｐ２＝３ｋＰａ程度となるようにシステムを設計し、燃料電池スタック１００に供給された空気の１／１０が燃料電池スタック１００のＭＥＡ４０３に流れるように設定した。そして、空気バイパス流路２１０と燃料電池スタック１００とに流れるガスの流量を、空気バイパス流路２１０のバイパス調整弁２１２で微調整ができるようにした。アノード極側もカソード極側と同様に設計した。
【００３３】
水素入口配管２０２ならびに空気入口配管２０３を介して燃料電池スタック１００へ導入されるガス流量と、水素バイパス流路２０９、空気バイパス流路２１０へ流す流量と、燃料電池スタック１００のＭＥＡ４０３に流す流量の比は、外気温度、燃料電池スタック１００の温度、ならびに電解質膜４０４の含水率、燃料電池スタック１００の入口と出口の差圧によって変えることが好ましい。燃料電池スタック１００の入口側の反応ガスの圧力は圧力計１１０，１１１で計測され、出口側は大気に開放されているので、圧力計１１０，１１１で計測された圧力に基づいてコントロールユニットで差圧が求められる。
【００３４】
なお、電解質膜４０４の含水率は、高周波インピーダンス計１１２で計測された高周波（周波数１ｋＨｚ）インピーダンスと、温度計１０９で計測された燃料電池スタック１００の温度によって求められる。すなわち、燃料電池スタック１００の温度が高く、かつ高周波インピーダンスが高い場合には、ＭＥＡ４０３の含水率は低く乾燥しやすくなるので、ＭＥＡ４０３に流すガス流量を抑える必要がある。一方、燃料電池スタック１００の入口側の圧力が高い場合には、マニホールドやセル２００内のガス流路、ガス拡散層４０６に水分が溜まっているので、特にマニホールドに流す流量を増やして水分を除去する必要がある。
【００３５】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、システム停止後の乾燥処理の手順を説明する。
【００３６】
図５において、先ず発電を停止した後（ステップＳ５０）、水素、空気の供給を停止して（ステップＳ５１）、負荷１０６への電力供給路をバイパスすることで、それぞれのセル２００のアノード極とカソード極の間を短絡させる（ステップＳ５２）。両極が短絡すると燃料電池スタック１００内の水素、酸素が消費されるので、徐々に電圧が低下する。このとき本実施例においては  水素、空気の供給を停止したが、アノード側の水素を完全に消費させる為に水素のみの供給を停止し、カソード側には微量の空気を供給しつづけることも考えられる。
【００３７】
次に、燃料電池スタック１００の電圧が予め設定された所定電圧以下に低下したか否かを判別する（ステップＳ５３）。判別の結果、所定電圧以下に低下した場合には、水素バイパス流路２０９のバイパス調整弁２１１を開き、水素バイパス流路２０９を介して入口側水素マニホールドと出口側水素マニホールド２０５とを連結して短絡する。また、空気バイパス流路２１０のバイパス調整弁２１２を開き、空気バイパス流路２１０を介して入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６とを連結して短絡する（ステップＳ５４）。
【００３８】
続いて、このような状態において、水素入口配管２０２ならびに空気入口配管２０３を介してアノード、カソード両極に空気の供給を開始する（ステップＳ５５）。なお、この時点では、燃料電池スタック１００内の水素濃度は十分に低下しているので、水素と酸素の混合による爆発の心配はない。その後、燃料電池スタック１００の入口の圧力計１１０，１１１で計測された圧力を参照し、計測された圧力が所望の圧力となるように、両バイパス調整弁２１１，２１２の圧損を微調整し、燃料電池スタック１００のＭＥＡ４０３ならびにマニホールド全体に所望の流量が流れるように設定する（ステップＳ５６）。。
【００３９】
次に、ＭＥＡ４０３が適度に乾燥すると考えられる所定含水率に達するまで乾燥を行ったか否かを判別する（ステップＳ５７）。判別の結果、所定の含水率に達した場合には、乾燥処理が適切に行われたとして、燃料電池システムの運転を停止する（ステップＳ５８）。なお、上記ステップＳ５７の含水率は、外気温度や燃料電池スタック１００の温度ならびに高周波インピーダンスに基づいて設定される。
【００４０】
ここで、この実施例１の入口側水素マニホールドと出口側水素マニホールド２０５との間をバイパスし、入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６との間をバイパスした場合と、従来どおりマニホールドをバイパスさせない場合とで、システム運転停止後に、ＭＥＡ、ならびにマニホールド、マニホールドとの間でガスが流通する配管の乾燥処理を行った後、システムを氷点下２０℃程度の環境下に放置し、その状態から発電が成功する確率を調べた。なお、発電が成功するとは、反応ガスを流して燃料電池スタック１００から電流の取り出しを開始し、発電を継続できる状態になることをいう。
【００４１】
一方、発電が失敗する理由は２つあり、その一つはマニホールドやガス配管に残留した水分が凍結して流路が塞がり、各セルの両電極に反応ガスが供給できないために、反応ガスを供給しても電圧が生じなかったり、ガスの入口圧が警報圧力を超えてしまう状態になったりすることをいう。またもう一つは、反応ガスを供給して電流の取り出しを試みた際に、ＭＥＡ４０３を乾燥させすぎて電解質膜４０４の抵抗が大きくなりすぎたため電圧が低下し、電力を取り出せない状態になることをいう。
【００４２】
このような基準で発電の成否を判断すると、上記したこの実施例１のようにマニホールドをバイパスさせて乾燥させた場合は、発電を１０回試みて９回成功したのに対して、従来どおりバイパスさせない場合では、発電を１０回試みて６回成功したにとどまった。このような発電の成否の結果から、この実施例１における乾燥処理では、従来に比べてマニホールドやガス配管は十分に乾燥が行われて溜まった水分が確実に除去された一方、燃料電池スタック１００のＭＥＡ４０３は乾燥させすぎることはなく適度に湿潤した状態て乾燥が行われたことが分かる。
【００４３】
なお、この実施例１では、バイパス調整弁２１１，２１２の開度により水素バイパス流路２０９ならびに空気バイパス流路２１０に流れる流量と、ＭＥＡ４０３に流れる流量を調整するようにしているが、バイパス調整弁２１１，２１２を開度の調節機能を備えていない単なる開閉弁として構成するようにしてもよい。このような場合には、システムを停止して乾燥を開始する際に、先ず開閉弁を閉じた状態で所定時間の間ＭＥＡ４０３に空気を流し、その後開閉弁を開けて供給された空気のほぼ全量の流量が水素バイパス流路２０９ならびに空気バイパス流路２１０に流れるようにして、マニホールド、ガス配管を乾燥させるようにすればよい。このような乾燥処理の手順は、図６のフローチャートに示すようになる。
【００４４】
図６において、先ず図５に示すステップＳ５０〜ステップＳ５３と同じ処理を実行した後、システムにおけるそれまでの運転履歴を確認する（ステップＳ６１）。この運転履歴は、例えば発電時間、発電時の電流ならびに電圧、燃料電池スタック１００の温度、燃料電池スタック１００に供給された反応ガスの流量や湿度等がコントロールユニットにより収集され、収集された運転履歴がメモリ等に記憶される。続いて、メモリ等に記憶された運転履歴に基づいて、ＭＥＡ４０３ならびにマニホールド、ガス配管に供給する空気の流量ならびに流す時間（乾燥時間）を決定する（ステップＳ６２）。
【００４５】
引き続いて、開閉弁を閉じた状態で比較的少量の空気をアノード極とカソード極の両極に供給し（ステップＳ６３）、主にＭＥＡ４０３を乾燥させる（ステップＳ６４）。その後、予め設定された所定時間が経過したか否かを判別し（ステップＳ６５）、所定時間が経過すると、開閉弁を開き（ステップＳ６６）、水素バイパス流路２０９を介して入口側水素マニホールドと出口側水素マニホールド２０５をバイパスし、空気バイパス流路２１０を介して入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６をバイパスし、比較的多くの流量の空気をアノード極とカソード極の両極に供給し（ステップＳ６７）、マニホールドならびにガス配管を乾燥させる。その後、予め設定された所定時間が経過したか否かを判別し（ステップＳ６８）、所定時間が経過すると、システムの運転を停止して、乾燥処理を終了する（ステップＳ６９）。
【００４６】
このように、上記実施例１においては、以下に示すような効果を得ることができる。
【００４７】
入口側水素マニホールドと出口側水素マニホールド２０５との間、ならびに入口側空気マニホールド２０４と出口側空気マニホールド２０６との間にバイパス流路を設け、乾燥時に空気がＭＥＡ４０３に接する流路を通過しないようにすることで、燃料電池システムの運転停止時に配管やマニホールドの乾燥度合いとＭＥＡ４０３の乾燥度合いを独立に調整することが可能になる。
【００４８】
例えば、配管、マニホールドに流す流量を大きくしたままで、ＭＥＡ４０３に接する流路に流れる反応ガスの流量を抑えることにより、配管、マニホールドは十分に乾燥する一方、ＭＥＡ４０３は適度な湿潤状態を維持して乾燥し、システムの運転を停止することが容易になる。また、システムの運転停止時に、バイパス流路を閉じて小流量の空気でＭＥＡ４０３を乾燥させ、その後バイパス流路を開けて大流量で配管、マニホールドを乾燥させることにより、配管、マニホールドは十分に乾燥し、ＭＥＡ４０３は適度な湿潤状態を維持して乾燥し、システムの運転を停止することが容易になる。したがって、これらにより燃料電池システムを氷点下で円滑に発電を行うことが可能となる。
【００４９】
ＭＥＡ４０３に接する流路に流れるガス流量Ｑ１と、水素バイパス流路２０９、又は空気バイパス流路２１０を流れるガス流量Ｑ２は、流れが層流であると仮定すると、燃料電池スタック１００へ導入される空気の入口と出口の差圧Δｐ（出口が大気開放とすると入口圧ｐ）の変化に基づいて求めることができる。すなわち、水素バイパス流路２０９、空気バイパス流路２１０のバイパス調整弁２１１，２１２が閉じているとき反応ガスはそれぞれのセル２００に分配させてセル２００内のＭＥＡ４０３へ流れる。
【００５０】
このときの燃料電池スタック１００の入口圧力ｐ１から、バイパス流路のバイパス調整弁２１１、２１２を開いて入口圧力がｐ１からｐ３に変化したとき、ＭＥＡ４０３に流れる流量Ｑ１’は、次式により表される。
【００５１】
（数１）
Ｑ１’＝（ｐ３／ｐ１）×Ｑ１  
上式により、バイパス流路を流れる反応ガスの流量Ｑ２’は、次式となる。
【００５２】
（数２）
Ｑ２’＝Ｑ１−Ｑ１’
実際は流れに渦が生じたり、水蒸気の影響で反応ガスの粘度が変化したりして差圧にずれが生じるため、バイパス流路の圧損を微調整できる弁の機構を設けたり、差圧のずれを考慮して差圧を設定、調整することが好ましい。したがって、このような原理に基づいて水素バイパス流路２０９ならびに空気バイパス流路２１０に流れる流量を調整することができる。
【００５３】
また、図３に示すように、燃料電池スタック１００の入口と出口の手前の配管をバイパスさせることにより、システム構成が複雑になることなく、ガス配管、マニホールドを十分に乾燥させ、かつＭＥＡ４０３を適度な湿潤状態を維持して乾燥させることが容易になる。このような構成の場合には、マニホールドはＭＥＡ４０３と接する流路と同じ流量で乾燥することになるが、燃料電池スタック１００の構成を変更する必要がない利点がある。
【００５４】
水素流通側と空気流通側の双方の入口側のマニホールドと出口側のマニホールドとの間にバイパス流路を設けることにより、システムの運転停止後の乾燥時にＭＥＡ４０３を乾燥させすぎることなく、配管だけでなく燃料電池スタック１００内のマニホールドも確実に乾燥させることができると共に、特に出口側空気マニホールド２０６には水分が溜まりやすいので、この部位の水分を除去する効果が著しい。
【００５５】
燃料電池スタック１００の反応ガスの入口、出口に近い側から入口、出口の反対側の奥にわたって空気の流れが形成されるので、マニホールドの全域にわたって乾燥させることが可能になる。
【００５６】
燃料電池スタック１００における反応ガスの入口と出口の差圧に基づいて、バイパス調整弁２１１，２１２を調整することで、ＭＥＡ４０３、水素バイパス流路２０９、空気バイパス流路２１０に流す空気の流量をそれぞれの乾燥度合いに応じて設定することが可能となり、最小限の流量、時間で乾燥することができる。また、燃料電池スタック１００の入口、出口間の差圧が高いときには、配管、マニホールドやセル２００内の流路、ガス拡散層に水分が溜まっているので、特にマニホールドに流す流量を増やすことで、水分を確実に除去することができる。
【００５７】
ＭＥＡ４０３を適度に乾燥するために流す流量、時間だけでは、配管、マニホールドを十分に乾燥させるためには不十分な場合があるので、配管、マニホールドの乾燥を開始した後、開始後の所定時間ＭＥＡ４０３に接するガス流路に空気を流し、その後バイパス調整弁２１１，２１２を開けて空気のほぼ全量の流量がバイパス流路に流れるように制御することで、配管、マニホールドを十分に乾燥することができる。
【００５８】
ＭＥＡ４０３の電解質膜４０４の含水率を所定の範囲に収まるようにすることにより、システムの運転停止後の運転再開時に発電を円滑に行うことができる。
【００５９】
電解質膜４０４の抵抗は、電解質膜４０４の含水率と温度に依存するので、電解質膜４０４の膜抵抗と温度を測定することで、電解質膜４０４の含水率を求めことができる。
【実施例２】
【００６０】
図７は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例２のシステムの特徴とするところは、燃料電池システムの運転時に、燃料電池スタック７００から電流の取り出しがないときに、運転開始後の経過時間、前回行った乾燥時からの経過時間に基づいて、マニホールド、ガス配管ならびにセル７０１を乾燥するようにしたことにある。
【００６１】
これを実現するために、この実施例２では、燃料電池スタック７００に空気を供給する空気供給主流路７０３と燃料電池スタック７００の出口側空気マニホールド７０４との間に三方弁７０２を介して分岐流路７０５が設けられている。さらに、燃料電池スタック７００の出口側空気マニホールド７０４には、出口側空気マニホールド７０４から排出された空気を排気する空気排気主流路７０７が設けられ、この空気排気主流路７０７と燃料電池スタック７００の入口側空気マニホールド７０８との間に分岐流路７０９が設けられている。空気排気主流路７０７には、流路の開閉を制御する開閉弁７１１が設けられ、分岐流路７０９には流路の開閉を制御する開閉弁７０９が設けられている。
【００６２】
また、空気供給主流路７０３における三方弁７０２の上流側には、空気供給主流路７０３に導入される空気の流量を調整する流量調整器７１０が設けられている。システム運転開始後の経過時間、ならびに前回行った乾燥時からの経過時間は、実施例１と同様のコントロールユニット（図示せず）で計測される。  
分岐流路７０５、７０９は、燃料電池スタック７００のカソード極側のみで、アノード極側には設けられていない。その他は、水素、空気の供給、セル７０１の構成、負荷への電気系統、コントロールユニットによるシステムの運転管理は先の実施例１と同様に構成されている。
【００６３】
このような構成の実施例２では、図８のフローチャートに示す手順にしたがって、入口側空気マニホールド７０８、出口側空気マニホールド７０４、ガス配管、ならびにセル７０１の乾燥を行っている。図８において、先ず燃料電池システムの運転時に、燃料電池スタック７００から電流の取り出しがないことを確認した後（ステップＳ８０）、コントロールユニットにより計測されたシステムの運転開始後からの経過時間、もしくは前回乾燥時からの経過時間が、予め設定された所定時間例えば１時間に達しているか否かを判別し（ステップＳ８１）、経過している場合には乾燥を開始する一方、経過していない場合には、再発電に備える（ステップＳ８８）。
【００６４】
乾燥を開始する場合には、先ずコントロールユニットからの指令に基づいて三方弁７０２を切り替えて、燃料電池スタック７００への空気流路を空気供給主流路７０３から分岐流路７０５に切り替え、かつ開閉弁７１１が開き、開閉弁７０６が閉じた状態から開閉弁７１１、７０６の両方を開き、燃料電池スタック７００からの空気排出路を空気排気主流路７０７と分岐流路７０９の両方にガスを流す（ステップＳ８２）。その後、燃料電池スタック７００のカソード極に供給される空気の供給量を上げて、分岐流路を流通する空気流量を上げる（ステップＳ８３）。分岐流路を流通する空気の流量は、流量調整器７１０で調整される。また、ガス配管、マニホールドとセル７０１における実施例１と同様のＭＥＡに接する流路の流量比は、先の実施例１と同様に１０：１に設計されている。
【００６５】
これにより、ガス配管、マニホールドに多くの空気が流通して十分な乾燥がなされる一方、セル７０１側はガス配管やマニホールドに比べて１／１０程度の空気しか流通されないので、乾燥し過ぎることなく適度に乾燥が行われる（ステップＳ８４）。
【００６６】
分岐流路に空気が流通して乾燥が開始された後、予め設定された所定時間が経過したか否かを判別し（ステップＳ８５）、所定時間が経過した場合には、乾燥のために燃料電池スタック７００のカソード極側に供給されていた空気を乾燥前の元の流量に戻す（ステップＳ８６）。続いて、三方弁７０２，７０６を切り替えて、空気の流路を空気供給主流路７０３ならびに空気排気主流路７０７に切り替え（ステップＳ８７）、燃料電池スタック７００の再発電に備える（ステップＳ８８）。
【００６７】
なお、上記乾燥手順では、空気供給主流路７０３を分岐流路に切り替えて排出流路を空気排気主流路７０７、分岐流路７０９の両方としたが、供給、排出を空気供給主流路７０３、分岐流路７０９の組み合わせ、あるいは分岐流路７０５、空気排気主流路７０７の組み合わせで排出流路を一方の流路に切り替えるようにしてよい。空気供給主流路７０３だけを分岐流路７０５に切り替え、排気流路は開閉弁７０６を閉じ、開閉弁７１１を開き、空気排気主流路７０７とした場合には、乾燥時に燃料電池スタック７００に供給される空気は出口側空気マニホールド７０４に供給されてセル７０１側には供給されないので、出口側空気マニホールド７０４だけを乾燥させることができる。一方、空気排気主流路７０７を開閉弁７１１を閉じ開閉弁７０６を開くことにより分岐流路に切り替え、供給流路は空気供給主流路７０３とした場合には、乾燥時に燃料電池スタック７００に供給される空気は入口側空気マニホールド７０８に供給されてセル７０１側には供給されないので、入口側空気マニホールド７０８だけを乾燥させることができる。
【００６８】
このように、乾燥時における空気の流路を適宜変えることで、マニホールド、ガス配管を十分に乾燥させることができる一方、セル７０１はある程度の湿潤を保って適度に乾燥させることが可能となる。したがって、この実施例２においては、セル７０１のフラッディングの頻度を低減することができる。
【００６９】
このように上記実施例２においては、以下に示す効果を得ることができる。
【００７０】
簡易なガス配管で形成された分岐流路のバイパス流路により、配管、マニホールドを十分に乾燥させることができる。例えばガス供給側を分岐流路、ガス排出側を空気排気主流路７０７に切り替えることで、空気が発電部のＭＥＡに接する流路を通過せずに、出口側空気マニホールド７０４を乾燥することができる。すなわち、三方弁７０２、開閉弁７０６、７１１の切り替えにより、入口側空気マニホールド７０８、出口側空気マニホールド７０４をそれぞれ独立に乾燥させることができる。さらに、供給側、排気側の双方とも分岐流路にすることにより、入口側空気マニホールド７０８、出口側空気マニホールド７０４には大流量、発電部に接する流路は小流量の空気で乾燥させることができる。
【００７１】
システムの運転中に、燃料電池スタック７００に供給される空気の総流量を上げて、マニホールドを流れる空気の流量を増大させることで、セル７０１の電解質膜の乾燥を抑えて配管、マニホールドを十分に乾燥させることが可能になる。これにより、配管、マニホールドに溜まった水分を確実に除去することができ、フラッディングを抑制することができる。
【００７２】
システムの発電を続けると徐々に配管、マニホールドに水分が溜まり、ＭＥＡに接する流路やガス拡散層、触媒層にも水分が溜まってくる。このため、運転開始所定時間経過後、あるいは前回乾燥後所定時間経過後に乾燥を開始することで、定期的に配管、マニホールドを十分に乾燥させ、ＭＥＡを適度に乾燥させることができ、溜まった水分を除去することができる。
【００７３】
乾燥時の燃料電池スタックの温度や含水率に基づいて、取り除ける水の量が推測できるので、推測した水分量に応じた空気の流量や乾燥時間を予めタイマ等でセットし、セットされた所定の流量ならびに時間で乾燥を行うことが可能となる。また、このような制御はオープン制御であり、フィードバック制御でないので制御が簡易になる。
【実施例３】
【００７４】
図９は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図９に示す実施例３のシステムの特徴とするところは、燃料電池システムの運転時で、燃料電池スタック９００の発電を中断することなく、運転開始後の経過時間、前回行った乾燥時からの経過時間、もしくはフラッディング傾向を検知した場合に、マニホールド、ガス配管ならびにセル９０１を乾燥するようにしたことにある。
【００７５】
これを実現するために、この実施例３では、燃料電池スタック９００に空気ガスを供給する空気供給主流路９０２と燃料電池スタック９００の出口側空気マニホールド９０３との間に分岐流路を形成する分岐流路９０４を設け、この分岐流路９０４を流通する空気の流量を調整する機能を備えた流量調整弁９０５が設けられている。また、燃料電池スタック９００から空気が排気される空気排気主流路９０６と燃料電池スタック９００の入口側空気マニホールド９０７との間に分岐流路９０８を設け、この分岐流路９０８を流通する空気の流量を調整する機能を備えた流量調整弁９０９が設けられている。
【００７６】
また、先の実施例１と同様に、熱電対で構成された温度計１０９でセル９０１の温度を計測し、高周波インピーダンス計１１２で高周波（１ｋＨｚ）インピーダンスを計測し、セル９０１の温度ならびに高周波インピーダンスに基づいて得られた電解質膜の含水率にしたがって、乾燥の終了を判断している。
【００７７】
システム運転開始後の経過時間、ならびに前回行った乾燥時からの経過時間は、実施例１と同様のコントロールユニット（図示せず）で計測される。流量調整弁９０５，９０９は、コントロールユニットから与えられる指令に基づいて開度が調整されて流通する空気の流量を調整する。
【００７８】
フラッディング傾向の変化は  燃料電池スタック９００を構成するセル９０１でエンドプレート９１０に近いセル９０１の電圧をセル電圧計９１１で測定し、また燃料電池スタック９００に流れる電流をコントロールユニットでモニタして検知し、セル電圧と電流の値が予め設定された所定範囲を下回ったときにフラッディング傾向と判断した。
【００７９】
なお、フラッディング傾向の判断は、セル９０１の温度と高周波（１ｋＨｚ）インピーダンスから得られる電解質膜の含水率が異常に高い場合にフラッディング傾向と判断するようにしてもよい。あるいは、セル９０１の入口側空気マニホールド９０７付近の圧力と出口側空気マニホールド９０３付近の圧力の差圧を求め、この差圧が異常に高い場合にフラッディング傾向と判断するようにしてもよい。もしくは、燃料電池スタック９００の排気ガスから所定以上の排水量が検知された場合としてもよい。
【００８０】
この実施例３では、燃料電池スタック９００に供給される空気の総流量、流量調整弁９０５，９０９で調整された分岐流路における空気の流量に基づいて、ガス配管、マニホールドならびにセル９０１のＭＥＡに流通する空気の流量を設定している。燃料電池スタック９００に供給される空気の総流量は、図１に示すと同様な圧力調整弁１０４により調整され、空気供給主流路９０２に設けられた流量計（図示せず）等で計測される。
【００８１】
なお、この実施例３では、先の実施例２と同様に、分岐流路９０４、９０８は、燃料電池スタック９００のカソード極側のみで、アノード極側には設けられていない。その他は、水素、空気の供給、セル９０１の構成、負荷への電気系統、コントロールユニットによるシステムの運転管理は先の実施例１と同様に構成されている。
【００８２】
このような構成の実施例３では、図１０のフローチャートに示す手順にしたがって、入口側空気マニホールド９０７、出口側空気マニホールド９０３、ガス配管、ならびにセル９０１の乾燥を行っている。図１０において、先ず燃料電池システムの運転時に、燃料電池スタック９００が発電していると（ステップＳ１００）、コントロールユニットにより計測されたシステムの運転開始後からの経過時間、もしくは前回乾燥時からの経過時間が、所定時間例えば１時間経過しているか否かを判別し、あるいはフラッディング傾向が検知されたか否かを判別する（ステップＳ１０１）。判別の結果、経過時間が所定の時間を経過している場合、もしくはフラッディング傾向が検知された場合には、乾燥を開始する一方、そうでない場合には乾燥を行うことなく発電を継続する（ステップＳ１０８）。
【００８３】
乾燥を行う場合には、先ず空気の供給総流量を上げて（ステップＳ１０２）、コントロールユニットからの指令に基づいて流量調整弁９０５，９０９を開いて開度を調整し、分岐流路を流通する空気の流量を調整し（ステップＳ１０３）、ガス配管、マニホールドに多くの空気が流通し、セル９０１のＭＥＡに少量の空気が流通するように調整する（ステップＳ１０４）。ここで、セル９０１のＭＥＡに流通する空気の流量は、最低でも発電が継続できる程度の流量に設定される。
【００８４】
その後、ＭＥＡの含水率が予め設定された含水率以下になったか否かを判別し（ステップＳ１０５）、含水率が所定値以下になった場合には、乾燥を終了すべく流量調整弁９０５，９０９を閉じて（ステップＳ１０６）、空気の供給流量を元に戻し（ステップＳ１０７）、発電を継続する（ステップＳ１０８）。
【００８５】
これにより、ガス配管、マニホールドは多くの空気が流通して十分な乾燥がなされる一方、セル９０１のＭＥＡはガス配管やマニホールドに比べて少量の空気しか流通されないので、乾燥し過ぎることなくある程度の湿潤状態を保ちつつ適度に乾燥が行われる。したがって、この実施例３においても、先の実施例２と同様にセル９０１のフラッディングの頻度を低減することができる。
【００８６】
このように、上記実施例３においては、以下に示す効果を得ることができる。
【００８７】
空気供給主流路９０２と分岐流路、空気排気主流路９０６と分岐流路を適宜切り替えることで、入口側空気マニホールド７０８、出口側空気マニホールド７０４をそれぞれ独立に乾燥させることができる。さらに、供給側、排気側の双方とも分岐流路にすることにより、入口側空気マニホールド７０８、出口側空気マニホールド７０４には大流量、発電部に接する流路は小流量の空気で乾燥させることができる。
【００８８】
分岐流路へ流れる空気の流量と発電部のＭＥＡに接する流路へ流れる空気の流量の比は、それぞれの流路の圧損から予測できるので、燃料電池スタック９００に供給される空気の総流量を調整することで、ＭＥＡに接する流路へ流れる流量を予測して適度にＭＥＡを乾燥させることができる。
【００８９】
例えば、流量調整弁９０５，９０９の開度を調整して、流量調整弁９０５を流通する空気の流量を多くする一方、流量調整弁９０９を流通する空気の流量を少なくすることで、配管、マニホールドは大流量の空気で十分に乾燥することができる一方、ＭＥＡは小流量の空気で適度に湿潤した状態で乾燥させることが可能となる。したがって、システムの運転中に、燃料電池スタック９００に供給される空気の総流量を上げて、マニホールドを流れる空気の流量を増大させることで、電解質膜の乾燥を抑えて配管、マニホールドを十分に乾燥させることが可能になる。これにより、配管、マニホールドに溜まった水分を除去することができ、フラッディングを抑制することができる。
【００９０】
システムの運転時に、電解質膜の乾燥を抑えて配管、マニホールドを乾燥させることが可能となり、配管、マニホールドに溜まった水分を除去することができる。これにより、フラッディングを抑制することができ、電解質膜の抵抗が増大することによよる発電性能の低下を招くことなく発電を再開することができる。
【００９１】
システムの発電を続けると徐々に配管、マニホールドに水分が溜まり、ＭＥＡ４０３に接する流路やガス拡散層、触媒層にも水分が溜まってくる。このため、運転開始所定時間経過後、あるいは前回乾燥後所定時間経過後に乾燥を開始することで、定期的に配管、マニホールドを十分に乾燥させ、ＭＥＡを適度に乾燥させることができ、溜まった水分を除去することができる。
【００９２】
フラッディングを引き起こすと、燃料電池スタック９００を構成するセル９０１の電圧が低下し、電解質膜の抵抗が低下（電解質膜の含水率が増加）し、ＭＥＡに接する流路の入口と出口のセル９０１の差圧が上昇する。また、燃料電池スタック９００からの排水量が増加する場合もある。これらを検知した場合には、フラッディング傾向であると判断することで、フラッディング発生時の早期に、触媒層、ガス拡散層、ＭＥＡに接する流路、ならびに配管、マニホールドをそれぞれ乾燥させることができる。
【００９３】
電解質膜の含水率を所定の範囲に収まるようにすることにより、システムの運転停止後の運転再開時に発電を円滑に行うことができる。電解質膜の抵抗は、電解質膜の含水率と温度に依存するので、電解質膜の膜抵抗と温度を測定することで、電解質膜の含水率を求めことができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおけるバイパス流路とバイパス調整弁の他の配置例を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る燃料電池セルの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る乾燥動作の手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施例１に係る乾燥動作の他の手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る乾燥動作の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る乾燥動作の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
１００、７００，９００…燃料電池スタック
１０１…水素ボンベ
１０２…圧力調整弁
１０３…コンプレッサ
１０４…圧力調整弁
１０５…インバータ
１０６…負荷
１０７…制御回路
１０８…温度計
１０９…温度計
１１０，１１１…圧力計
１１２…高周波インピーダンス計
２００、７０１，９０１…セル
２０１，９１０…エンドプレート
２０２…水素入口配管
２０３…空気入口配管
２０４、７０８、９０７…入口側空気マニホールド
２０５…出口側水素マニホールド
２０６、７０４，９０３…出口側空気マニホールド
２０７…水素出口配管
２０８…空気出口配管
２０９…水素バイパス流路
２１０…空気バイパス流路
２１１，２１２…バイパス調整弁
４００…空気ガス流路
４０１…水素ガス流路
４０２…セパレータ
４０３…ＭＥＡ
４０４…電解質膜
４０５…触媒層
４０６…ガス拡散層
４０７…アノード極
４０８…カソード極
７０２…三方弁
７０３，９０２…空気供給主流路
７０５，７０９、９０４，９０８…分岐流路
７０６，７１１…開閉弁
７０７，９０６…空気排気主流路
７１０…流量調整器
９０５，９０９…流量調整弁
９１１…セル電圧計
【図１】
2006172935.tif 000003
【図２】
2006172935.tif 000004
【図３】
2006172935.tif 000005
【図４】
2006172935.tif 000006
【図５】
2006172935.tif 000007
【図６】
2006172935.tif 000008
【図７】
2006172935.tif 000009
【図８】
2006172935.tif 000010
【図９】
2006172935.tif 000011
【図１０】
2006172935.tif 000012