(57)【要約】【課題】過酸化水素が生成されることによる高分子電解質膜の劣化を抑制することができる、燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１０１と、熱媒体供給器１０４と、燃料ガス加湿器１１８と、酸化剤ガス加湿器１０５と、制御器１１０と、を備え、制御器１１０は、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、燃料ガス加湿器１１８、酸化剤ガス加湿器１０５、及び熱媒体供給器１０４を制御する、燃料電池システム。【選択図】図１
2011238479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス経路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路と、内部温度を調節するための熱媒体が通流する熱媒体経路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路の入口に燃料ガス供給経路を介して供給する燃料ガス供給器と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の入口に酸化剤ガス供給経路を介して供給する酸化剤ガス供給器と、
温度を調節した前記熱媒体を前記燃料電池の前記熱媒体経路の入口に前記熱媒体供給経路を介して供給する熱媒体供給器と、
前記燃料ガスを加湿するように構成された燃料ガス加湿器と、
前記酸化剤ガスを加湿するように構成された酸化剤ガス加湿器と、
前記燃料電池の前記燃料ガス経路の出口に接続された燃料ガス排出経路と、
前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の出口に接続された酸化剤ガス排出経路と、
制御器と、を備え、
前記燃料ガス経路、前記酸化剤ガス経路、及び前記熱媒体経路は、それぞれが互いに並行流となるように設けられており、
前記制御器は、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、複数の直列に接続された燃料電池スタックを有している、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの露点が、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体の温度よりも低くなるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス経路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路と、内部温度を調節するための熱媒体が通流する熱媒体経路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路の入口に燃料ガス供給経路を介して供給する燃料ガス供給器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の入口に酸化剤ガス供給経路を介して供給する酸化剤ガス供給器と、温度を調節した前記熱媒体を前記燃料電池の前記熱媒体経路の入口に前記熱媒体供給経路を介して供給する熱媒体供給器と、前記燃料ガスを加湿するように構成された燃料ガス加湿器と、前記酸化剤ガスを加湿するように構成された酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の前記燃料ガス経路の出口に接続された燃料ガス排出経路と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の出口に接続された酸化剤ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料ガス経路、前記酸化剤ガス経路、及び前記熱媒体経路は、それぞれが互いに並行流となるように設けられており、
前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器が動作する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器が作動する、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記燃料電池は、複数の直列に接続された燃料電池スタックを有している、請求項５又は６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの露点が、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体の温度よりも低くなるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器が作動する、請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関し、特に、電解質層を有する燃料電池システムの運転制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有する燃料ガスと空気等の酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱を同時に発生させるものである。
【０００３】
ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極積層体）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。セパレータには、ガス拡散電極と当接する主面に燃料ガス又は酸化剤ガス（これらを反応ガスという）を流すための溝状の反応ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）が設けられている。そして、周縁部にガスケットが配置されたＭＥＡが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。また、このように構成されたセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、ＰＥＦＣが形成される。
【０００４】
このようなＰＥＦＣにおいて、燃料電池システムのコンパクト化を図ることを意図して、酸化ガスの加湿装置を設けない固体高分子型燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜の厚さを２０から８０ミクロンと規定して、酸化ガスの加湿をせずに、燃料電池の温度を５０〜８０℃となるように運転を行っている。
【０００５】
また、水の凝集・滞留を適切に制御することを意図した固体高分子型燃料電池の運転方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池の運転方法では、高分子膜の膜厚を３０μｍ以上１００μｍ未満とし、燃料ガスのセル温度に対する相対湿度と、空気のセル温度に対する相対湿度を所定の範囲内になるように運転を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３１５２０号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池では、燃料電池の温度を高温にしたような場合には、高分子電解質膜に充分な水分を確保することができずに、高分子電解質膜の劣化を充分に抑制できないという課題があった。また、特許文献２に開示されている固体高分子型燃料電池の運転方法においても、いわゆる高温低加湿の運転条件下での反応ガスの相対湿度について検討が必要であり、高分子電解質膜の劣化を抑制する観点から更なる改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、特に、高温低加湿の運転条件下での高分子電解質膜の劣化を抑制することができる、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法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】
【０００９】
本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガスの相対湿度を減算した値を所定の範囲に制御することにより、酸素が溶解した生成水をアノードに逆拡散することを抑制できることを見出し、本発明を想到した。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス経路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路と、内部温度を調節するための熱媒体が通流する熱媒体経路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路の入口に燃料ガス供給経路を介して供給する燃料ガス供給器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の入口に酸化剤ガス供給経路を介して供給する酸化剤ガス供給器と、温度を調節した前記熱媒体を前記燃料電池の前記熱媒体経路の入口に前記熱媒体供給経路を介して供給する熱媒体供給器と、前記燃料ガスを加湿するように構成された燃料ガス加湿器と、前記酸化剤ガスを加湿するように構成された酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の前記燃料ガス経路の出口に接続された燃料ガス排出経路と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の出口に接続された酸化剤ガス排出経路と、制御器と、を備え、前記燃料ガス経路、前記酸化剤ガス経路、及び前記熱媒体経路は、それぞれが互いに並行流となるように設けられており、前記制御器は、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器を制御する。
【００１１】
これにより、高温低加湿の運転条件下での過酸化水素が生成されることによる高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器を制御してもよい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池は、複数の直列に接続された燃料電池スタックを有していてもよい。
【００１４】
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの露点が、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体の温度よりも低くなるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器を制御してもよい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス経路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路と、内部温度を調節するための熱媒体が通流する熱媒体経路と、を有し、前記アノードに供給される前記燃料ガスと、前記カソードに供給される前記酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路の入口に燃料ガス供給経路を介して供給する燃料ガス供給器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の入口に酸化剤ガス供給経路を介して供給する酸化剤ガス供給器と、温度を調節した前記熱媒体を前記燃料電池の前記熱媒体経路の入口に前記熱媒体供給経路を介して供給する熱媒体供給器と、前記燃料ガス供給路に設けられ、前記燃料ガスに供給する水分量を調節して、前記燃料ガスを加湿するように構成された燃料ガス加湿器と、前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガスに供給する水分量を調節して、前記酸化剤ガスを加湿するように構成された酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の前記燃料ガス経路の出口に接続された燃料ガス排出経路と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路の出口に接続された酸化剤ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス経路、前記酸化剤ガス経路、及び前記熱媒体経路は、それぞれが互いに並行流となるように設けられており、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度と前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、前記燃料ガス経路の出口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の出口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器が動作する。
【００１６】
これにより、高温低加湿の運転条件下での過酸化水素が生成することによる高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガスの相対湿度から前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器が作動してもよい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池は、複数の直列に接続された燃料電池スタックを有していてもよい。
【００１９】
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料ガス経路の入口の前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガス経路の入口の前記酸化剤ガスの露点が、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体の温度よりも低くなるように、前記燃料ガス加湿器、前記酸化剤ガス加湿器、及び前記熱媒体供給器が作動してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、高温低加湿の運転条件下での過酸化水素が生成されることによる高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池システムの燃料電池の概略構成を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示す燃料電池におけるセル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、変形例１の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本実験例で行った燃料電池システムの運転条件を示す表である。
【図８】図８は、図７に示す運転条件で燃料電池システムを運転し、排出水に含まれるフッ化物イオンの量を計測した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００２３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、燃料ガス供給器が水素生成器で構成され、燃料ガス加湿器が、水素生成器の蒸発器と該蒸発器に水を供給する水供給器で構成されている態様を例示するものである。
【００２４】
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００２５】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料ガス経路１０１Ａ、酸化剤ガス経路１０１Ｂ、及び熱媒体経路１０１Ｃを有する燃料電池１０１と、蒸発器１０２Ａを有し、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１に燃料ガスを供給する水素生成器（燃料ガス供給器）１０２と、酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器１０３と、ポンプ（熱媒体供給器）１０４と、酸化剤ガス加湿器１０５と、制御器１１０と、を備える。
【００２６】
そして、制御器１１０は、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、燃料ガス加湿器、酸化剤ガス加湿器１０５、及びポンプ１０４を制御する。
【００２７】
水素生成器１０２は、蒸発器１０２Ａと改質器１０２Ｂを有している。蒸発器１０２Ａには、水供給経路８１を介して水供給器１０６が接続されている。水供給器１０６は、蒸発器１０２Ａに水の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、水の流量を調整する流量調整器であってもよい。流量調整器としては、流量調整弁単体やポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。蒸発器１０２Ａは、水供給器１０６から供給された水を気化して、改質器１０２Ｂに水蒸気を供給するように構成されている。なお、本実施の形態１では、水供給器１０６から供給された水を蒸発器１０２Ａで気化された水（水蒸気）のうち、改質反応に用いられなかった余剰の水蒸気が、燃料ガスを加湿する。すなわち、本実施の形態１においては、蒸発器１０２Ａと蒸発器１０２Ａに水を供給する水供給器１０６が燃料ガス加湿器を構成する。
【００２８】
改質器１０２Ｂは、原料と水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質触媒を有している。改質器１０２Ｂには、原料ガス供給経路８２を介して原料ガス供給器１０７が接続されている。原料ガス供給器１０７は、改質器１０２Ｂに原料の流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよく、例えば、流量調整弁単体やブースターポンプ単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。そして、改質器１０２Ｂでは、原料ガス供給器１０７から供給された原料と、蒸発器１０２Ａから供給された水蒸気とが改質反応され、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路８３に供給される。
【００２９】
なお、原料ガスとしては、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができ、また、メタノール等のアルコール系原料といった液体原料を用いる場合、水素生成器１０２内は高温であるため、液体原料が改質器１０２Ｂ内に供給されると、液体原料は、気化してガスとして供給される。また、原料ガス供給器１０７には、メタンを主成分とする都市ガスを原料ガスと使用した場合に、都市ガスに含まれる臭気成分（例えば、メルカプタン等）を除去する脱臭器を有するように構成されていてもよい。この場合、脱臭器は、活性炭やフィルターを有する構成としてもよく、臭気成分を吸着により除去するゼオライト系吸着剤を用いる構成としてもよく、或いは、水添脱硫触媒を用いる構成としてもよい。
【００３０】
また、水素生成器１０２は、燃焼器１０２Ｃを有しており、燃焼器１０２Ｃには、燃料ガス排出経路８４の下流端が接続されている。また、燃焼器１０２Ｃには、燃焼空気供給経路を介して燃焼空気供給器（いずれも図示せず）が接続されている。そして、燃焼器１０２Ｃでは、燃焼用燃料と燃焼用空気が供給され、これらが燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器１０２Ｂや蒸発器１０２Ａを加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム１００外に排出される。なお、燃焼用燃料としては、例えば、原料ガスや改質器１０２Ｂで生成された水素含有ガスが挙げられる。
【００３１】
燃料ガス供給経路８３は、水素生成器１０２と燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａの入口１１とを接続しており、水素生成器１０２で生成された燃料ガスが通流するように構成されている。また、燃料ガス供給経路８３の下流端近傍には、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１に供給される燃料ガスの露点を検出し、該検出した燃料ガスの露点を燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの露点として、制御器１１０に出力する第１露点計１１１が設けられている。燃料ガス排出経路８４は、セル５０のアノード４Ａ（図３参照）で未利用の燃料ガス（以下、オフ燃料ガス）が通流するように構成されていて、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３と燃焼器１０２Ｃを接続する。また、燃料ガス排出経路８４の上流端近傍には、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３から排出されたオフ燃料ガスの露点を検出し、該検出した燃料ガスの露点を燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの露点として、制御器１１０に出力する第２露点計１１２が設けられている。なお、第１露点計１１１は、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの露点を正確に検出する観点から、燃料ガス供給経路８３の下流端に近い部分に設けられていることが好ましく、第１露点計１１１のセンサ部を入口１１に配置することが好ましい。同様に、第２露点計１１２は、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの露点を正確に検出する観点から、燃料ガス排出経路８４の上流端に近い部分に設けられていることが好ましく、第２露点計１１２のセンサ部を出口１３に配置することが好ましい。
【００３２】
酸化剤ガス供給器１０３は、酸化剤ガス供給経路８５を介して燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２に接続されている。酸化剤ガス供給経路８５の途中には、後述する酸化剤ガス排出経路８６と跨ぐように酸化剤ガス加湿器１０５が設けられている。酸化剤ガス供給器１０３は、燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂに酸化剤ガス（空気）の流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよく、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。また、酸化剤ガス加湿器１０５は、酸化剤ガス供給経路８５を通流する酸化剤ガスを加湿することができればどの様な態様であってもよく、本実施の形態１においては、水蒸気透過膜を有し、該水蒸気透過膜を挟んで通流する２つの流体間で、一方の流体から他方の流体に水蒸気が供給されることで一方の流体が加湿されるように構成されている。なお、酸化剤ガス加湿器１０５は、例えば、水を加熱して水蒸気を生成し、生成した水蒸気を供給することで酸化剤ガスを加湿するように構成されていてもよい。
【００３３】
燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４には、酸化剤ガス排出経路８６が接続されている。酸化剤ガス排出経路８６は、燃料電池１０１のカソード４Ｂ（図３参照）で未利用の酸化剤ガス（以下、オフ酸化剤ガス）が通流するように構成されていて、酸化剤ガス排出経路８６を通流するオフ酸化剤ガスは、酸化剤ガス加湿器１０５で燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿した後、燃料電池システム１００外に排出される。
【００３４】
また、酸化剤ガス供給経路８５の下流端近傍には、酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２に供給される酸化剤ガスの露点を検出し、該検出した酸化剤ガスの露点を酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの露点として、制御器１１０に出力する第３露点計１１３が設けられている。また、酸化剤ガス排出経路８６の上流端近傍には、酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４から排出されたオフ酸化剤ガスの露点を検出し、該検出した酸化剤ガスの露点を酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの露点として、制御器１１０に出力する第４露点計１１４が設けられている。なお、第３露点計１１３は、酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの露点を正確に検出する観点から、酸化剤ガス供給経路８５の下流端に近い部分に設けられていることが好ましく、第３露点計１１３のセンサ部を入口１２に配置することが好ましい。同様に、第４露点計１１４は酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの露点を正確に検出する観点から、酸化剤ガス排出経路８６の上流端に近い部分に設けられていることが好ましく、第４露点計１１４のセンサ部を出口１４に配置することが好ましい。
【００３５】
燃料電池１０１では、燃料ガス経路１０１Ａを通流する燃料ガスは、アノード４Ａに供給され、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する酸化剤ガスは、カソード４Ｂに供給される。そして、アノード４Ａに供給された燃料ガスと、カソードＢに供給された酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、電気と熱が発生する。また、燃料電池１０１には、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の熱媒体が熱媒体経路１０１Ｃを通流することにより、発生した熱の回収が行われる。なお、熱媒体が回収した熱は、更に水と熱交換して、お湯としてタンクに貯えられるように構成してもよい。
【００３６】
燃料電池１０１の熱媒体経路１０１Ｃの入口１５には、熱媒体経路８７の一端が接続されていて、熱媒体経路１０１Ｃの出口１６には、熱媒体経路８７の他端が接続されている。熱媒体経路８７の一端近傍には、熱媒体経路１０１Ｃの入口１５に供給される熱媒体の温度を検出して、該検出した温度を熱媒体経路１０１Ｃの入口１５の熱媒体の温度として制御器１１０に出力する第１温度検出器１１５が設けられている。また、熱媒体経路８７の他端近傍には、熱媒体経路１０１Ｃの出口１６から排出された熱媒体の温度を検出して、該検出した温度を熱媒体経路１０１Ｃの出口１６の熱媒体の温度として制御器１１０に出力する第２温度検出器１１６が設けられている。なお、第１温度検出器１１５は、熱媒体経路１０１Ｃの入口１５の熱媒体の温度を正確に検出する観点から、熱媒体経路８７のう一端に近い部分に設けられていることが好ましく、第１温度検出器１１５のセンサ部を入口１５に配置することが好ましい。同様に、第２温度検出器１１６は熱媒体経路１０１Ｃの出口１６の熱媒体の温度を正確に検出する観点から、熱媒体経路８７の他端に近い部分に設けられていることが好ましく、第２温度検出器１１６センサ部を出口１６に配置することが好ましい。
【００３７】
また、熱媒体経路８７の途中には、熱媒体経路８７内の熱媒体を送出するための流量調整可能なポンプ１０４と、熱媒体経路１０１Ｃに供給される熱媒体の温度を調整するための温度調整器１１７が設けられている。温度調整器１１７は、熱媒体経路１０１Ｃに供給される熱媒体の温度を調整することができれば、どの様な態様であってもよく、例えば、熱媒体を貯えるタンクで構成されていてもよく、熱媒体を加熱するヒータ等の加熱器で構成されていてもよく、また、他の流体（例えば、オフ燃料ガス、オフ酸化剤ガス、又はお湯として貯える水）と熱交換する熱交換器で構成されていてもよく、また、これらの機器を組合せて構成されていてもよい。また、本実施の形態１においては、熱媒体供給器として、流量調整可能なポンプを用いたが、これに限定されず、ポンプと流量調整弁で構成されてもよい。
【００３８】
制御器１１０は、水供給器１０６等の燃料電池システム１００を構成する各機器を制御する機器であればどのような形態であってもよく、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等で構成することができる。なお、制御器１１０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器１１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部だけでなく、メモリ等からなる記憶部及び計時部を有していてもよい。
【００３９】
［燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の燃料電池１０１の構成について、図２を参照しながら説明する。
【００４０】
図２は、図１に示す燃料電池システム１００の燃料電池１０１の概略構成を示す模式図である。
【００４１】
図２に示すように、燃料電池１０１は、本実施の形態１においては、１つのセルスタックで構成されていて、複数のセル５０がその厚み方向に積層されたセル積層体７０と、該セル積層体７０の両端に配置された端板６１、６２と、セル積層体７０と端板６１、６２をセル５０の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板６１とセル積層体７０の間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されていて、端板６２とセル積層体７０との間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されている。
【００４２】
セル積層体７０には、セル５０の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド１３１、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、熱媒体供給マニホールド１３５、燃料ガス排出マニホールド１３２、酸化剤ガス排出マニホールド１３４、及び熱媒体排出マニホールド１３６が設けられている。なお、燃料ガス供給マニホールド１３１には、燃料ガス供給経路８３が接続されていて、燃料ガス排出マニホールド１３２には、燃料ガス排出経路８４が接続されている（図１参照）。また、酸化剤ガス供給マニホールド１３３には、酸化剤ガス供給経路８５が接続されていて、酸化剤ガス排出マニホールド１３４には、酸化剤ガス排出経路８６が接続されている（図１参照）。さらに、熱媒体供給マニホールド１３５には、熱媒体経路８７の一端が接続されていて、熱媒体排出マニホールド１３６には、熱媒体経路８７の他端が接続されている（図１参照）。
【００４３】
［高分子電解質形燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１のセル５０について、図３を参照しながら説明する。
【００４４】
図３は、図２に示す燃料電池１０１におけるセル積層体７０の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、一部を省略している。
【００４５】
図３に示すように、セル５０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）５と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
【００４６】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード４Ａと、カソード４Ｂと、を有している。高分子電解質膜１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード４Ａとカソード４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、高分子電解質膜１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４７】
アノード４Ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層と、を有している。アノード触媒層は、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、アノード触媒層の他方の主面には、アノードガス拡散層が配置されている。同様に、カソード４Ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層と、を有している。カソード触媒層は、一方の主面が高分子電解質膜１と接触するように配置されていて、カソード触媒層の他方の主面には、カソードガス拡散層が配置されている。
【００４８】
また、ＭＥＡ５のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル５０内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が設けられている。
【００４９】
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数のセル５０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６Ａ、６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５０】
アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路１０が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面（以下、外面という）には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路１０が設けられている。燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び熱媒体流路１０は、それぞれが互いに並行流となるように形成されている。ここで、並行流とは、セル５０の厚み方向から見て、巨視的に（全体として）酸化剤ガス、燃料ガス、及び熱媒体の上流から下流への全体的な流れの方向が互いに一致するように構成されていることをいう。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのそれぞれの周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路９、及び熱媒体流路１０の形状は任意であり、例えば、セル５０の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート形状に形成されていてもよい。
【００５１】
これにより、アノード４Ａ及びカソード４Ｂには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、水や不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等の熱媒体を熱媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
【００５２】
そして、このように形成されたセル５０がその厚み方向に積層されることにより、セル積層体７０が形成される。このとき、高分子電解質膜１等に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔がつながって、燃料ガス供給マニホールド１３１等の各マニホールドが形成される（図２参照）。なお、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド１３２から燃料ガス経路１０１Ａが構成され、燃料ガス供給マニホールド１３１の入口が燃料ガス経路１０１Ａの入口１１を構成し、燃料ガス排出マニホールド１３２の出口が燃料ガス経路１０１Ａの出口１３を構成する。また、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス流路９、酸化剤ガス排出マニホールド１３４から酸化剤ガス経路１０１Ｂが構成され、酸化剤ガス供給マニホールド１３３の入口が酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２が構成され、酸化剤ガス排出マニホールド１３４の出口が酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４を構成する。さらに、熱媒体供給マニホールド１３５、熱媒体流路１０、及び熱媒体排出マニホールド１３６から熱媒体経路１０１Ｃが構成され、熱媒体供給マニホールド１３５の入口が熱媒体経路１０１Ｃの入口１５を構成し、熱媒体排出マニホールド１３６の出口が熱媒体経路１０１Ｃの出口１６を構成する。
【００５３】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図１乃至図３を参照しながら説明する。なお、以下に示す各動作は、制御器１１０によって制御される。
【００５４】
まず、例えば、予め燃料電池システム１００の起動時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の起動処理を指示したような場合に、水供給器１０６、原料ガス供給器１０７が作動して、水素生成器１０２に水と原料ガスが供給される。水素生成器１０２では、燃焼器１０２Ｃで燃焼ガスが燃焼されて、蒸発器１０２Ａや改質器１０２Ｂが加熱される。また、水素生成器１０２に供給された水は、蒸発器１０２Ａで水蒸気が生成され、生成された水蒸気が改質器１０２Ｂに供給される。改質器１０２Ｂでは、原料ガスと水蒸気とが反応して水素ガス（燃料ガス）が生成され、生成された燃料ガスが、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに供給される。また、酸化剤ガス供給器１０３が作動して、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路８５を通流して酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給される。さらに、ポンプ１０４が作動して、熱媒体が熱媒体経路８７を通流して熱媒体経路１０１Ｃに供給される。
【００５５】
燃料ガス経路１０１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間にアノード４Ａに供給され、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する間にカソード４Ｂに供給される。アノード４Ａに供給された燃料ガス（水素）はイオン化（Ｈ＋）され、アノード４Ａのガス拡散層及び触媒層を通過し、高分子電解質膜１中を水の介在によって通過して、カソード４Ｂに移動する。カソード４Ｂに到達した水素イオンは、カソード４Ｂの触媒層において以下の発電反応により、水を生成する。
【００５６】
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
生成された水（生成水）は、蒸気又は液体のまま、カソードセパレータ６Ｂに形成された酸化剤ガス流路９に流れ込んで、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する酸化剤ガスを加湿する。また、カソード４Ｂで生成された水の一部は、アノード４Ａに移動する（いわゆる、逆拡散）。なお、発生した熱は、熱媒体経路１０１Ｃを通流する熱媒体が回収し、発生した電力は、図示されない出力制御器によって、昇圧されて直流電流から交流電流に変換されて、外部負荷に出力される。
【００５７】
アノード４Ａで未利用の燃料ガスは、オフ燃料ガスとして燃料ガス排出経路８４を介して燃焼器１０２Ｃに供給され、燃焼用燃料として使用される。また、カソード４Ｂで未利用の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして酸化剤ガス排出経路８６を通流して、酸化剤ガス加湿器１０５で燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給される酸化剤ガスを加湿した後、燃料電池システム１００外に排出される。
【００５８】
そして、制御器１１０は、第１露点計１１１乃至第４露点計１１４が検出した反応ガスの露点と、第１温度検出器１１５及び第２温度検出器１１６が検出した熱媒体の温度から、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１における燃料ガスの相対湿度等を算出し、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、水供給器１０６、水素生成器１０２、酸化剤ガス加湿器１０５、及びポンプ１０４を制御する。
【００５９】
具体的には、制御器１１０は、水供給器１０６を制御して、蒸発器１０２Ａに供給される水の流量を調整し、酸化剤ガス供給器１０３を制御して、酸化剤ガス供給経路８５を通流する酸化剤ガスの流量や流速を調整し、ポンプ１０４及び温度調整器１１７を制御して、熱媒体経路１０１Ｃに供給される熱媒体の流量、流速、及び温度を調整することで、上記運転条件を満たすようにする。より詳細には、例えば、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値以下であるような場合、水の供給量が多くなるように水供給器１０６を制御し、酸化剤ガス供給経路８５を通流する酸化剤ガスの流速が遅くなるように酸化剤ガス供給器１０３を制御する。
【００６０】
なお、制御器１１０は、高温低加湿の運転条件（燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガス及び／又は酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの露点が、熱媒体経路１０１Ｃを通流する熱媒体の温度よりも低い条件）となるように、水供給器１０６、水素生成器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、酸化剤ガス加湿器１０５、ポンプ１０４、及び温度調整器１１７を制御することが好ましい。また、制御器１１０は、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、水供給器１０６、水素生成器１０２、酸化剤ガス加湿器１０５、及びポンプ１０４を制御してもよい。
【００６１】
このような制御を行うことにより、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料ガス経路１０１Ａ内の燃料ガスの露点が、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内の酸化剤ガスの露点よりも大きくすることができ、カソード４Ｂで生成された水のアノード４Ａへの移動（逆拡散）を抑制することができる。このため、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、生成水に溶解した酸素が、アノード４Ａへ移動することを抑制することができ、逆拡散でアノード４Ａに移動した酸素と水素が反応して過酸化水素が生成されることを抑制することができる。したがって、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、アノード４Ａで生成された過酸化水素が、フリーラジカル化して高分子電解質膜１を劣化させることを抑制することができる。
【００６２】
［変形例１］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の変形例について、図４を参照しながら説明する。
【００６３】
本変形例１の燃料電池システムは、燃料電池が複数の燃料電池スタックを有する態様を例示するものである。
【００６４】
図４は、変形例１の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図４においては、燃料電池システムを構成する機器の一部を示している。
【００６５】
図４に示すように、本変形例１の燃料電池システム１００では、燃料電池１０１が複数（ここでは２つ）の燃料電池スタック（第１燃料電池スタック９１と第２燃料電池スタック９２）を有している、なお、第１燃料電池スタック９１と第２燃料電池スタック９２は、それぞれ、図２に示した燃料電池１０１と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
第１燃料電池スタック９１と第２燃料電池スタック９２は、電気配線３１により電気的に直列に接続されている。第１燃料電池スタック９１は、燃料ガス内部経路２１Ａ、酸化剤ガス内部経路２１Ｂ、及び熱媒体内部経路２１Ｃを有していて、第２燃料電池スタック９２は、燃料ガス内部経路２２Ａ、酸化剤ガス内部経路２２Ｂ、及び熱媒体内部経路２２Ｃを有している。燃料ガス内部経路２１Ａは、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド１３２で構成され、酸化剤ガス内部経路２１Ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス流路９、及び酸化剤ガス排出マニホールド１３４で構成され、熱媒体内部経路２１Ｃは、熱媒体供給マニホールド１３５、熱媒体流路１０、及び熱媒体排出マニホールド１３６で構成されている（図２及び図３参照）。同様に、燃料ガス内部経路２２Ａは、燃料ガス供給マニホールド１３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド１３２で構成され、酸化剤ガス内部経路２２Ｂは、酸化剤ガス供給マニホールド１３３、酸化剤ガス流路９、及び酸化剤ガス排出マニホールド１３４で構成され、熱媒体内部経路２２Ｃは、熱媒体供給マニホールド１３５、熱媒体流路１０、及び熱媒体排出マニホールド１３６で構成されている（図２及び図３参照）。
【００６７】
また、燃料電池１０１は、燃料ガス接続経路２３Ａ、酸化剤ガス接続経路２３Ｂ、及び熱媒体接続経路２３Ｃを有している。燃料ガス接続経路２３Ａは、燃料ガス内部経路２１Ａの出口と燃料ガス内部経路２２Ａの入口を接続し、酸化剤ガス接続経路２３Ｂは、酸化剤ガス内部経路２１Ｂの出口と酸化剤ガス内部経路２２Ｂの出口を接続し、熱媒体接続経路２３Ｃは、熱媒体内部経路２１Ｃの出口と熱媒体内部経路２２Ｃの入口を接続する。すなわち、本変形例１の燃料電池システム１００では、燃料ガス接続経路２３Ａ及び酸化剤ガス接続経路２３Ｂが複数（ここでは、２つ）の燃料電池スタックを、反応ガスの通流方向において直列に接続している。
【００６８】
そして、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａは、燃料ガス内部経路２１Ａ、燃料ガス接続経路２３Ａ、及び燃料ガス内部経路２２Ａから構成され、酸化剤ガス経路１０１Ｂは、酸化剤ガス内部経路２１Ｂ、酸化剤ガス接続経路２３Ｂ、及び酸化剤ガス内部経路２２Ｂから構成され、熱媒体経路１０１Ｃは、熱媒体内部経路２１Ｃ、熱媒体接続経路２３Ｃ、及び熱媒体内部経路２２Ｃから構成される。なお、第１燃料電池スタック９１の燃料ガス供給マニホールド１３１の入口が燃料ガス経路１０１Ａの入口１１を構成し、第１燃料電池スタック９１の酸化剤ガス供給マニホールド１３３の入口が酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２を構成し、第１燃料電池スタック９１の熱媒体供給マニホールド１３５の入口が熱媒体経路１０１Ｃの入口１５を構成する。また、第２燃料電池スタック９２の燃料ガス排出マニホールド１３２の出口が燃料ガス経路１０１Ａの出口１３を構成し、第２燃料電池スタック９２の酸化剤ガス排出マニホールド１３４の出口が酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４を構成し、第２燃料電池スタック９２の熱媒体排出マニホールド１３６の出口が熱媒体経路１０１Ｃの出口１６を構成する。
【００６９】
このように構成された本変形例１の燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例１の燃料電池システム１００では、複数の燃料電池スタックを反応ガスの通流方向において直列に接続するように構成したが、これに限定されず、複数の燃料電池スタックを反応ガスの通流方向において並列に接続する形態を採用してもよい。この場合、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａの入口１１は、各燃料電池スタックの燃料ガス供給マニホールド１３１の入口が構成し、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３は、燃料電池スタックの燃料ガス排出マニホールド１３が構成する。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２は、各燃料電池スタックの酸化剤ガス供給マニホールド１３３の入口が構成し、各燃料電池スタックの酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４は、各燃料電池スタックの酸化剤ガス排出マニホールド１３４の出口が構成する。さらに、熱媒体経路１０１Ｃの入口１５は、各燃料電池スタックの熱媒体供給マニホールド１３５の入口が構成し、熱媒体経路１０１Ｃの出口１６は、各燃料電池スタックの熱媒体排出マニホールド１３６の出口が構成する。
【００７０】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００７１】
図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１〜第４露点計１１１〜１１４、第１温度検出器１１５及び第２温度検出器１１６が設けられていない点が異なる。
【００７２】
本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、制御器１１０は、以下のようにして、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、水供給器１０６、水素生成器１０２、酸化剤ガス加湿器１０５、及びポンプ１０４を制御する。
【００７３】
例えば、予め、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の構成の燃料電池システム１００を構築し、水供給器１０６から供給される水の流量、酸化剤ガス供給器１０３から供給される酸化剤ガスの流量、及びポンプ１０４による熱媒体の流量と第１〜第４露点計１１４で検出される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点と第１温度検出器１１５及び第２温度検出器１１６で検出される熱媒体の温度との相関関係をテーブルにして、制御器１１０の記憶部に記憶させる。そして、該テーブルを基に制御器１１０が、水供給器１０６、水素生成器１０２、酸化剤ガス加湿器１０５、及びポンプ１０４を制御してもよい。
【００７４】
また、例えば、熱媒体経路１０１Ｃの入口１５における熱媒体の温度と、ポンプ１０４が調整する熱媒体の流量及び温度調整器１１７が調整する熱媒体の温度の相関関係をテーブルにして、制御器１１０の記憶部に記憶させる。なお、熱媒体経路１０１Ｃの出口１６における熱媒体の温度は、入口１５における熱媒体の温度と、図示されない出力制御器が制御する燃料電池１０１の電流密度、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率から算出することができる。
【００７５】
制御器１１０は、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１における燃料ガスの相対湿度は、水供給器１０６が供給する水分量（水の流量）と、熱媒体経路１０１Ｃの入口１５における熱媒体の温度により算出する。また、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３における燃料ガスの相対湿度は、入口１１における燃料ガスの相対湿度と、熱媒体経路１０１Ｃの出口１６における熱媒体の温度と、燃料電池１０１の電流密度、燃料ガスの利用率により算出する。同様に、酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２における酸化剤ガスの相対湿度は、酸化剤ガス加湿器１０５の水分透過膜の水蒸気透過係数等と、熱媒体経路１０１Ｃの入口１５における熱媒体の温度と、により算出する。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４における酸化剤ガスの相対湿度は、熱媒体経路１０１Ｃの出口１６における熱媒体の温度と、燃料電池１０１の電流密度、酸化剤ガスの利用率により算出する。
【００７６】
そして、制御器１１０は、上記のようにして算出した燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガスの相対湿度を基に、水供給器１０６、水素生成器１０２、酸化剤ガス加湿器１０５、及びポンプ１０４を制御してもよい。
【００７７】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００７８】
なお、本実施の形態２においては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の燃料電池１０１を用いる形態としたが、これに限定されず、変形例１の燃料電池システム１００における燃料電池１０１を用いる形態を採用してもよい。
【００７９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、燃料ガス供給器が、水素ガスを貯えた水素タンクで構成される態様を例示するものである。
【００８０】
図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００８１】
図６に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給器として、水素ガスを貯えた水素タンク１０２で構成されている点と、燃料ガス供給経路８３に燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿器１１８が設けられている点が異なる。燃料ガス加湿器１１８は、例えば、水蒸気透過膜を有し、該水蒸気透過膜を挟んで通流する２つの流体間で、一方の流体から他方の流体に水蒸気が供給されることで一方の流体が加湿されるように構成されていてもよく、また、水を加熱して水蒸気を生成し、生成した水蒸気を供給することで燃料ガスを加湿するように構成されていてもよい。
【００８２】
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、第１〜第４露点計１１１〜１１４、第１温度検出器１１５、及び第２温度検出器１１６を設けない形態としたが、これに限定されず、これらの機器を設ける形態を採用してもよい。また、燃料電池１０１を１つの燃料電池スタックを有する形態としたが、これに限定されず、複数の燃料電池スタックを有する形態を採用してもよい。
【００８３】
［実験例］
次に、本発明に至った実験例について説明する。
【００８４】
まず、１つのセル５０を端板６１、６２で挟んで、締結した燃料電池１０１を作成した。そして、作成した燃料電池１０１を用いて、実施の形態１で説明した燃料電池システム１００を構築し、図７に示す運転条件で燃料電池システム１００の発電運転を５００時間以上行い、その間に、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａ及び酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口から排出される水に含まれるフッ化物イオンの量を計測した。その結果を示したのが、図８である。なお、本実験例では、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１と出口１３における燃料ガスの相対湿度、酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２と出口１４における酸化剤ガスの相対湿度、及び熱媒体経路１０１Ｃの入口１５と出口１６における熱媒体の温度が、それぞれ同じになるように、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率と、燃料ガス、酸化剤ガス、及び熱媒体の流量と、燃料電池１０１の電流密度を調整した。
【００８５】
図７は、本実験例で行った燃料電池システム１００の運転条件を示す表である。図８は、図７に示す運転条件で燃料電池システム１００を運転し、排出水に含まれるフッ化物イオンの量を計測した結果を示すグラフである。
【００８６】
図８では、種々の運転条件下での燃料電池システム１００運転中におけるフッ化物イオンの平均溶出速度を、燃料ガス経路１０１Ａの１１における燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２における酸化剤ガスの相対湿度を減算した値に対してプロットしている。図８において、近似直線を引き、その相関係数Ｒ２をもとめたところ、Ｒ２＝０．８４３３となり、９５％以上の確率で相関関係があることが示された。これにより、高分子電解質膜１の劣化が、燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガスの相対湿度を減算した値に対して直線的に影響を受けることが示唆された。
【００８７】
ところで、高分子電解質膜１劣化によるフッ化物イオンの溶出量は、高分子電解質膜１に穴が開くまでは、ある一定の速度で溶出し、高分子電解質膜１に穴が空いてからは、加速度的に溶出量が増加していく。穴が空くまでのフッ化物イオンの量は高分子電解質膜１の種類や厚みの条件が同一であれば一定の値となるため、溶出速度から高分子電解質膜１に最初の穴が空くまでの時間を予測することが可能となる。発明者らのこれまでの検討により、燃料電池システム１００の運転時間が０〜５００時間の間では、フッ化物イオン平均溶出速度を０．０１μｇ／ｈｒ／ｃｍ２以下に抑えれば、高分子電解質膜１の劣化を充分に抑制し、燃料電池システム１００が充分な耐久性を得られるということがわかっていた。
【００８８】
このため、図８に示す近似曲線において、フッ化物イオン平均溶出速度が０．０１μｇ／ｈｒ／ｃｍ２以下になるのは、燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上である。そして、燃料電池１０１の面方向における燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上にする観点から、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きいことが望まれる。
【００８９】
これらにより、本発明者等は、燃料ガス経路１０１Ａの入口１１の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口１２の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値が、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度と酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度とを加算した値より大きく、かつ、燃料ガス経路１０１Ａの出口１３の燃料ガスの相対湿度から酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口１４の酸化剤ガスの相対湿度を減算した値が−５．５％以上となるように、燃料電池システム１００を構成する各機器が動作すればよいことを見出し、本発明を想到した。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、高温低加湿の運転条件下での過酸化水素が生成されることによる高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【００９１】
１  高分子電解質膜（電解質層）
４Ａ  アノード
４Ｂ  カソード
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス流路
９  酸化剤ガス流路
１０  熱媒体流路
１１  入口
１２  入口
１３  出口
１４  出口
１５  入口
１６  出口
２１Ａ  燃料ガス内部経路
２１Ｂ  酸化剤ガス内部経路
２１Ｃ  熱媒体内部経路
２２Ａ  燃料ガス内部経路
２２Ｂ  酸化剤ガス内部経路
２２Ｃ  熱媒体内部経路
２３Ａ  燃料ガス接続経路
２３Ｂ  酸化剤ガス接続経路
２３Ｃ  熱媒体接続経路
３１  電気配線
５０  セル
６１  端板
６２  端板
７０  セル積層体
８１  水供給経路
８２  原料ガス供給経路
８３  燃料ガス供給経路
８４  燃料ガス排出経路
８５  酸化剤ガス供給経路
８６  酸化剤ガス排出経路
８７  熱媒体経路
９１  第１燃料電池スタック
９２  第２燃料電池スタック
１００  燃料電池システム
１０１Ａ  燃料ガス経路
１０１Ｂ  酸化剤ガス経路
１０１Ｃ  熱媒体経路
１０１  燃料電池
１０２Ａ  蒸発器
１０２  燃料ガス供給器（水素生成器、水素タンク）
１０２Ｂ  改質器
１０２Ｃ  燃焼器
１０３  酸化剤ガス供給器
１０４  熱媒体供給器（ポンプ）
１０５  酸化剤ガス加湿器
１０６  水供給器
１０７  原料ガス供給器
１１０  制御器
１１１  第１露点計
１１２  第２露点計
１１３  第３露点計
１１４  第４露点計
１１５  第１温度検出器
１１６  第２温度検出器
１１７  温度調整器
１１８  燃料ガス加湿器
１３１  燃料ガス供給マニホールド
１３２  燃料ガス排出マニホールド
１３３  酸化剤ガス供給マニホールド
１３４  酸化剤ガス排出マニホールド
１３５  熱媒体供給マニホールド
１３６  熱媒体排出マニホールド
【図１】
2011238479.tif 000003
【図２】
2011238479.tif 000004
【図３】
2011238479.tif 000005
【図４】
2011238479.tif 000006
【図５】
2011238479.tif 000007
【図６】
2011238479.tif 000008
【図７】
2011238479.tif 000009
【図８】
2011238479.tif 000010