(57)【要約】【課題】正味出力を低下させることなく、且つ、低加湿・高温運転時や高電流密度運転時においても膜電極接合体の含水率を安定作動に必要な水準に維持できるようにして、高い出力を安定して得られるようにする。【解決手段】コントロールユニット１１が、セル温度検出手段１１からの信号に基づいて発電セル２の乾燥状態を判定し、当該発電セル２の反応ガス入口部が乾燥状態にあれば、断続スイッチ９を開放状態とすることで、反応ガス入口部の負荷電圧が他の部位の負荷電圧よりも高くなるようにし、当該反応ガス入口部の発電電流を抑制させることによって、発電セル２の膜電極接合体の乾燥を抑制する。【選択図】図１
2008117699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する複数の発電セルと、前記各発電セルからの発電電力を集電する一対の集電電極とを有する燃料電池スタックと、
前記発電セルにおける前記反応ガス入口部の乾燥状態を判定する乾燥状態判定手段と、
前記発電セルにおける前記反応ガス入口部が乾燥状態にあると判定されたときに、当該反応ガス入口部の負荷電圧が他の部位の負荷電圧よりも高くなるように制御して、当該反応ガス入口部の発電電流を抑制する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記一対の集電電極のうちの正極側の集電電極は、前記反応ガスの流れ方向に沿って並ぶ複数のパーツが各パーツの面方向の抵抗値よりも大きい抵抗値を持つ抵抗体を介して接合された構造とされているとともに、前記正極側集電電極の複数のパーツのうち少なくとも前記反応ガスの流れ方向の最上流部に位置するパーツは断続スイッチを介して外部負荷に電気的に接続され、他のパーツは前記断続スイッチを介さずに前記外部負荷に電気的に接続されてい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】
前記制御手段は、通常の運転時においては前記断続スイッチの全てを接続状態とし、前記発電セルにおける前記反応ガス入口部が乾燥状態にあると判定された場合には、前記断続スイッチのうち少なくとも１つを開放状態とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記一対の集電電極のうちの正極側の集電電極は、前記反応ガスの流れ方向に沿って並ぶ複数のパーツが電気的に絶縁された状態で接合された構造とされているとともに、前記正極側集電電極の複数のパーツのうち少なくとも前記反応ガスの流れ方向の最上流部に位置するパーツは、当該パーツの面方向の抵抗値と同等である十分に小さい抵抗値から当該パーツの面方向の抵抗値よりも大きい抵抗値まで抵抗値を変化させることが可能な可変抵抗体を介して外部負荷に電気的に接続され、他のパーツは前記可変抵抗体を介さずに前記外部負荷に電気的に接続されてい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５】
前記制御手段は、通常の運転時においては前記可変抵抗体の全ての抵抗値を低位に設定し、前記発電セルにおける前記反応ガス入口部が乾燥状態にあると判定された場合には、前記可変抵抗体のうち少なくとも１つの抵抗値を高位に設定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電セルの温度を検出又は推定するセル温度検出手段を更に備え、
前記乾燥状態判定手段は、前記セル温度検出手段の温度検出値又は温度推定値が所定値を超えた場合に、前記発電セルにおける前記反応ガス入口部が乾燥状態にあると判定す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の発電セルを積層した構造の燃料電池スタックに対して水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとをそれぞれ供給し、燃料電池スタック内部で水素と酸素との電気化学反応を生じさせて発電を行う燃料電池システムが知られている。
【０００３】
燃料電池スタックの発電単位となる発電セルは、例えば、適度な含水によりプロトン伝導性を発現する固体高分子電解質膜の両側に電極触媒層を形成した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrolyte Assembly）を、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流路が形成された一対のセパレータで挟持した構造となっている。燃料電池スタックは、このような構造の発電セルを多段に積層し、その積層体を、各発電セルからの発電電力を集電する一対の集電電極で挟み込んだ構成とされている。
【０００４】
以上のように構成される燃料電池スタック（固体高分子型燃料電池）では、供給される反応ガスによって各発電セルの膜電極接合体に含まれる水分が多く持ち出されると、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下して、出力の低下を招くことが知られている。すなわち、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、高い出力を安定して得るためには、各発電セルの膜電極接合体の含水率を一定に保つ必要がある。
【０００５】
このような観点から、特許文献１では、飽和水蒸気圧力が上昇して反応ガスによって持ち出される水分が増大する条件（例えば、高温度運転時）において、酸化剤ガスの供給圧力を上昇させて同極からの水分の持ち出しを抑制し、以って膜電極接合体の含水率を安定作動に必要な水準に維持するという手法が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１７５８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１にて提案される手法では、酸化剤ガスの供給圧力を増大させた場合、酸化剤ガスの加圧仕事の増大に伴って加圧装置の消費電力が増大するため、燃料電池システムとして出力可能な発電電力（正味出力）が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
また、低加湿・高温運転時においては、低湿度ガスにさらされる反応ガス入口部において膜電極接合体が乾燥する傾向にあり、同部位の電解質膜は水の拡散性が低下して、濃度拡散による酸化剤極から燃料極への逆拡散水量が大幅に低下することになる。さらに、高電流密度での運転を行った場合には、電気浸透による燃料極から酸化剤極への水の移動流束の増大にともない、膜電極接合体の燃料極側が著しく乾燥し、セル電圧の大幅な低下が発生するとともに耐久性への影響も懸念される。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、正味出力を低下させることなく、且つ、低加湿・高温運転時や高電流密度運転時においても膜電極接合体の含水率を安定作動に必要な水準に維持できるようにして、高い出力を安定して得られるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電セルにおける反応ガス入口部の乾燥状態を判定し、当該反応ガス入口部が乾燥状態にあれば、当該反応ガス入口部の負荷電圧が他の部位の負荷電圧よりも高くなるように制御して、当該反応ガス入口部の発電電流を抑制することによって、発電セルの膜電極接合体の乾燥を抑制する。これにより、発電セルの膜電極接合体の燃料極側が乾燥する運転条件においても、燃料電池スタックを安定的に作動させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、発電セルの膜電極接合体の燃料極側が乾燥する運転条件において、反応ガス入口部の負荷電圧を他の部位の同電圧に対して相対的に高め、同部位の負荷電流を相対的に抑制することで発電セルの膜電極接合体の乾燥を抑制するので、加圧装置の消費電力増大などによる正味出力の低下を招くことなく、低加湿・高温運転時や高電流密度運転時においても膜電極接合体の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができ、高い出力を安定して得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
［燃料電池システムの概要］
まず、燃料電池システムの概略構成について簡単に説明する。燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスを供給する水素供給系と、燃料電池スタックに酸化剤ガス（反応ガス）としての空気を供給する空気供給系とを主要な構成要素として備える。燃料電池スタックには例えば車両の駆動モータなどの外部負荷が電気的に接続されており、燃料電池スタックから取り出された電力は、主にこの外部負荷で消費される。また、燃料電池スタックから取り出された電力の一部は、当該システムを作動させるための補機で消費される。
【００１３】
燃料電池スタックとしては、例えば、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、適度な含水によりプロトン伝導性を発現して電解質として機能する性質を持つ。固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ）を、反応ガス流路が形成された一対のセパレータで挟持してなる発電セルを１単位とし、この発電セルが多段に積層されたスタック構造を有する。そして、各発電セルの燃料極側に水素供給系からの水素ガス、酸化剤極側に空気供給系からの空気がそれぞれ供給されることで、各発電セルの燃料極と酸化剤極間での電極反応により電力が発電される。また、発電セルの積層方向の両端部には一対の集電電極が配置されており、これら一対の集電電極により各発電セルからの発電電力が集電される。なお、各発電セルの電極触媒層には、例えば、白金微粒子などの触媒をカーボンブラックなどの触媒担体で担持したものが用いられる。
【００１４】
水素供給系は、例えば、高圧の水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクを備え、この高圧水素タンクから取り出した水素ガスを減圧弁や水素調圧弁で所望の圧力に調整した上で、燃料電池スタックの燃料極側に供給する構成となっている。なお、水素供給系の構成は以上の例に限定されるものではなく、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。
【００１５】
また、空気供給系は、例えば、外気を吸入し、圧縮して吐出するエアコンプレッサを備え、このエアコンプレッサで圧縮した空気を、加湿装置などにより十分に加湿した上で、燃料電池スタックの酸化剤極側に供給する構成となっている。なお、この空気供給系の構成についても以上の例に限定されるものではなく、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。また、燃料電池システムには、以上の水素供給系や空気供給系のほか、燃料電池スタックを適正な動作温度に保つための冷却系なども適宜設けられるが、これら冷却系などの構成も、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。
【００１６】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、システム内の各部の動作はコントロールユニットによって統括的に制御される。すなわち、コントロールユニットは、システム内に設けられた各種センサ（圧力センサや流量センサ、温度センサ、電圧センサなど）の検出値をモニタリングしてシステムの動作状況を把握するとともに、外部負荷の電力消費量などに応じて燃料電池システムに要求される発電量を把握し、燃料電池スタックから要求発電量に見合う出力が得られるように、水素供給系の動作や空気供給系の動作などを統括的に制御する。また、特に本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電セルにおける反応ガス入口部の乾燥状態を判定し、当該反応ガス入口部が乾燥状態にあれば、当該反応ガス入口部の負荷電圧が他の部位の負荷電圧よりも高くなるように制御して当該反応ガス入口部の発電電流を抑制するといった制御が行われるが、このような制御も、コントロールユニットにより実行される。
【００１７】
次に、本発明を適用した燃料電池システムにおいて特徴的な部分の詳細について、３つの具体例（第１実施例〜第３実施例）を例示して説明する。
【００１８】
［第１実施例］
図１は本発明の第１実施例を説明する図であり、本発明に関わる要部を分かり易く示した模式図である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、発電単位となる発電セル２が多段に積層された構造であり、発電セル２の積層方向の両端部には、各発電セル２からの発電電力を集電する一対の集電電極（正極側集電電極３及び負極側集電電極４）が配置されている。なお、この燃料電池スタック１は、各発電セル２の電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であり、各発電セル２において反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとが同方向に流れる、いわゆる並行流タイプのものである。
【００２０】
一対の集電電極３，４のうちの正極側集電電極３は、反応ガスの流れ方向に沿って並ぶ２つのパーツから構成され、反応ガス入口側に配置された入口側電極部３ａと反応ガス出口側に配置された出口側電極部３ｂとが、抵抗体５を介して接合一体化された構造となっている。抵抗体５は、入口側電極部３ａや出口側電極部３ｂの面方向の抵抗値よりも大きな抵抗値を持つ抵抗体であり、入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとの間に配置され、これら入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとを電気的に接続している。なお、ここでは分割されたパーツである入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとを別部材の抵抗体５を介して接合一体化して正極側集電電極３とした例を例示するが、正極側集電電極３は、１つの部材の一部分に面方向の抵抗値を高める何らかの加工を行ってその部分を抵抗体５とし、他の部分の反応ガス入口側を入口側電極部３、反応ガス出口側を出口側電極部４とした構成であってもよい。
【００２１】
一対の集電電極３，４は、接続ハーネス６，７によって外部負荷８に各々電気的に接続されており、これにより外部負荷８への電源供給回路が構成されている。一対の集電電極３，４のうちの正極側集電電極３と外部負荷８とを電気的に接続する接続ハーネス６は、正極側集電電極３側が２つの枝線に分岐されており、その一方が入口側電極部３ａ、他方が出口側電極部３ｂにそれぞれ接続されている。そして、入口側電極部３ａ側に分岐された接続ハーネス６の枝線には、電気的な導通／遮断を切り替え可能な断続スイッチ９が設けられている。つまり、正極側集電電極３の入口側電極部３ａは、断続スイッチ９及び接続ハーネス６を介して外部負荷８に電気的に接続されており、正極側集電電極３の出口側電極部３ｂは、接続ハーネス６のみを介して外部負荷８に電気的に接続されている。
【００２２】
なお、本実施例では、正極側集電電極３が入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとの２つのパーツからなることを前提としているが、反応ガスの流れ方向に沿って並ぶ３つ以上のパーツで正極側集電電極３を構成してもよい。この場合、反応ガスの流れ方向に沿って並ぶ３つ以上のパーツのうち、少なくとも反応ガスの流れ方向の最上流部に位置するパーツを断続スイッチ９及び接続ハーネス６を介して外部負荷８に電気的に接続し、他のパーツは接続ハーネス６のみを介して外部負荷８に電気的に接続すればよい。
【００２３】
また、燃料電池スタック１には、各発電セル２の温度を検出又は推定するセル温度検出手段１０が接続されている。このセル温度検出手段１０の検出信号は、信号線を介してコントロールユニット１１に送信される。コントロールユニット１１は、セル温度検出手段１０からの検出信号に基づいて、燃料電池スタック１の各発電セル２における反応ガス入口部の乾燥状態を判定し（乾燥状態判定手段）、その判定結果に応じて断続スイッチ９の状態を切り替えて、反応ガス入口部が乾燥状態にあるときには、当該反応ガス入口部の負荷電圧が他の部位の負荷電圧よりも高くなるように制御して当該反応ガス入口部の発電電流を抑制するといった制御を行う（制御手段）。
【００２４】
次に、図２及び図３を参照して、第１実施例におけるシステム作動を説明する。
【００２５】
セル温度検出手段１０が検出又は推定した燃料電池スタック１の各発電セル２の温度検出値又は温度推定値が所定値以下である場合、コントロールユニット１１は、各発電セル２の膜電極接合体（ＭＥＡ）が乾燥状態にないと判定する。そして、コントロールユニット１１は、図２に示すように、断続スイッチ９が閉状態（電気的導通状態）となるように当該断続スイッチ９に対して制御信号を送信する。
【００２６】
この場合、正極側集電電極３の入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとの間に介在する抵抗体５にはほとんど電流が流れず、入口側電極部３ａと負極側集電電極４との間の電位差と、出口側電極部３ｂと負極側集電電極４との間の電位差はほぼ等しくなる。したがって、この場合は抵抗体５でのエネルギ損失（抵抗損）はほとんど発生しない。なお、図２中の矢印は、電流の流れる方向を表している。
【００２７】
一方、セル温度検出手段１０が検出又は推定した燃料電池スタック１の各発電セル２の温度検出値又は温度推定値が所定値を超えた場合、コントロールユニット１１は、各発電セル２の膜電極接合体の特に反応ガス入口側の部位が乾燥状態にあると判定する。そして、コントロールユニット１１は、図３に示すように、断続スイッチ１０が開放状態（電気的遮断状態）となるように当該断続スイッチ９に対して制御信号を送信する。
【００２８】
この場合、正極側集電電極３の入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとの間に介在する抵抗体５には、入口側電極部３ａから出口側電極部３ｂの方向に負荷電流が流れ、その結果として、入口側電極部３ａの電位は出口側電極部３ｂの電位よりも高くなり、よって、反応ガス入口側の電池電圧が反応ガス出口側の電池電圧よりも高い状態となる。この操作により、反応ガス入口側の負荷電流が相対的に抑制されることになり、各発電セル２の膜電極接合体の乾燥を抑制して、安定的な発電を可能とすることができる。なお、図３中の矢印は電流の流れる方向を表し、矢印の太さが電流の大きさを表している。
【００２９】
図４は、燃料電池スタック１における各発電セル２の膜電極接合体が乾燥状態となった場合における、反応ガス入口側と反応ガス出口側の発電特性と、それぞれの作動点を示す特性図である。
【００３０】
作動点Ａ−１及び作動点Ｂ−１は、断続スイッチ９を閉状態とした場合における、反応ガス入口側及び反応ガス出口側の作動点である。図４に示す例では、反応ガス入口側は各発電セル２の膜電極接合体の乾燥により、作動点Ａ−１以上に電流密度を上げて運転することはできない。一方、反応ガス出口側は生成水により膜電極接合体の湿潤が確保できるため、作動点Ｂ−１以上の電流密度でも運転が可能であるが、断続スイッチ９が閉状態とされていることで反応ガス入口側と反応ガス出口側の電圧がほぼ一定となるため、反応ガス入口側の乾燥にともなう電圧低下のため電流密度を上げることができない。
【００３１】
作動点Ａ−２（作動点Ａ−１と同一）及び作動点Ｂ−２は、断続スイッチ９を開放状態とした場合における、反応ガス入口側及び反応ガス出口側の作動点である。断続スイッチ９を開放状態とした場合には、反応ガス出口側の電池電圧が反応ガス入口側の電池電圧よりも低くなるため、生成水により膜電極接合体の湿潤が確保される反応ガス出口側の電流密度を上げて運転することができ、電池全体としての出力向上が可能となる。
【００３２】
［第２実施例］
図５は本発明の第２実施例を説明する図であり、本発明に関わる要部を分かり易く示した模式図である。
【００３３】
本実施例では、図５に示すように、第１実施例で用いた断続スイッチ９の代替として、可変抵抗２１を用いている。この可変抵抗２１は、正極側集電電極３の入口側電極部３ａや出口側電極部３ｂの面方向の抵抗値と同等である十分に小さい抵抗値から、これら入口側電極部３ａや出口側電極部３ｂの面方向の抵抗値よりも大きい抵抗値まで、その抵抗値を変化させることが可能な抵抗体である。また、本実施例では、正極側集電電極３の入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとの間に、抵抗体５に代えて、電気的絶縁部材からなる絶縁体２２を介在させている。つまり、本実施例における正極側集電電極３は、入口側電極部３ａと出口側電極部３ｂとが、絶縁体２２によって電気的に絶縁された状態で接合一体化されている。なお、本実施例のその他の構成は、上述した第１実施例と同様である。
【００３４】
次に、図６及び図７を参照して、第２実施例におけるシステム作動を説明する。
【００３５】
セル温度検出手段１０が検出又は推定した燃料電池スタック１の各発電セル２の温度検出値又は温度推定値が所定値以下である場合、コントロールユニット１１は、各発電セル２の膜電極接合体が乾燥状態にないと判定する。そして、コントロールユニット１１は、図６に示すように、可変抵抗２１の抵抗値が低位の設定となるように当該可変抵抗２１に対して制御信号を送信する。
【００３６】
この場合、正極側集電電極３の入口側電極部３ａと負極側集電電極４との間の電位差と、出口側電極部３ｂと負極側集電電極４との間の電位差はほぼ等しくなる。また、この場合には、可変抵抗２１でのエネルギ損失（抵抗損）はほとんど発生しない。なお、図６中の矢印は、電流の流れる方向を表している。
【００３７】
一方、セル温度検出手段１０が検出又は推定した燃料電池スタック１の各発電セル２の温度検出値又は温度推定値が所定値を超えた場合、コントロールユニット１１は、各発電セル２の膜電極接合体の特に反応ガス入口側の部位が乾燥状態にあると判定する。そして、コントロールユニット１１は、図７に示すように、可変抵抗２１の抵抗値が高位の設定となるように、当該可変抵抗２１に対して制御信号を送信する。
【００３８】
この場合、正極側集電電極３の入口側電極部３ａの電位は出口側電極部３ｂの電位よりも高くなり、よって、反応ガス入口側の電池電圧が反応ガス出口側の電池電圧よりも高い状態となる。この操作により、反応ガス入口側の負荷電流が相対的に抑制されることになり、各発電セル２の膜電極接合体の乾燥を抑制して、安定的な発電を可能とすることができる。なお、図７中の矢印は電流の流れる方向を表し、矢印の太さが電流の大きさを表している。
【００３９】
図８は、燃料電池スタック１における各発電セル２の膜電極接合体が乾燥状態となった場合における、反応ガス入口側と反応ガス出口側の発電特性と、それぞれの作動点を示す特性図である。
【００４０】
作動点Ｃ−１及び作動点Ｄ−１は、可変抵抗２１の抵抗値を低位の設定とした場合における、反応ガス入口側及び反応ガス出口側の作動点である。図８に示す例では、反応ガス入口側は各発電セル２の膜電極接合体の乾燥により、作動点Ｃ−１以上に電流密度を上げて運転することはできない。一方、反応ガス出口側は生成水により膜電極接合体の湿潤が確保できるため、作動点Ｄ−１以上の電流密度でも運転が可能であるが、可変抵抗２１の抵抗値が低位の設定とされていることで反応ガス入口側と反応ガス出口側の電圧がほぼ一定となるため、反応ガス入口側の乾燥にともなう電圧低下のため電流密度を上げることができない。
【００４１】
作動点Ｃ−２（作動点Ｃ−１と同一）及び作動点Ｄ−２は、可変抵抗２１の抵抗値を高位の設定とした場合における、反応ガス入口側及び反応ガス出口側の作動点である。可変抵抗２１の抵抗値を高位の設定とした場合には、反応ガス出口側の電池電圧が反応ガス入口側の電池電圧よりも低くなるため、生成水により膜電極接合体の湿潤が確保される反応ガス出口側の電流密度を上げて運転することができ、電池全体としての出力向上が可能となる。また、可変抵抗２１の高位の抵抗値を膜電極接合体の乾燥状態の大小に応じて最適に制御することにより（乾燥が著しい場合には高く、乾燥が軽微な場合には低く）、膜電極接合体の乾燥抑止と可変抵抗２１におけるエネルギ損失低減との両立が可能となる。
【００４２】
［第３実施例］
図９は本発明の第３実施例を説明する図であり、本発明に関わる要部を分かり易く示した模式図である。
【００４３】
本実施例は、燃料電池スタック１として、各発電セル２において反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとが逆方向に流れる、いわゆる対向流タイプのものを用いた場合の例である。本実施例では、図９に示すように、正極側集電電極３１が、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流れ方向に沿って並ぶ３つのパーツから構成され、酸化剤ガスの入口側（燃料ガスの出口側）に配置された酸化剤ガス入口側電極部３１ａと、燃料ガスの入口側（酸化剤ガスの出口側）に配置された燃料ガス入口側電極部３１ｂと、これらの間に配置された中間電極部３１ｃとが、電気的絶縁部材からなる絶縁体２２ａ，２２ｂを介して接合一体化された構造となっている。
【００４４】
また、本実施例では、正極側集電電極３１の酸化剤ガス入口側電極部３１ａ及び燃料ガス入口側電極部３１ｂが、可変抵抗２１ａ，２１ｂ及び接続ハーネス６を介して外部負荷８に電気的に接続されており、正極側集電電極３の中間電極部３１ｃは、接続ハーネス６のみを介して外部負荷８に電気的に接続されている。可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂは、第２実施例の可変抵抗２１と同様、正極側集電電極３１の各電極部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの面方向の抵抗値と同等である十分に小さい抵抗値から、これら各電極部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの面方向の抵抗値よりも大きい抵抗値まで、その抵抗値を変化させることが可能な抵抗体である。なお、本実施例のその他の構成は、上述した第１実施例と同様である。
【００４５】
次に、図１０及び図１１を参照して、第３実施例におけるシステム作動を説明する。
【００４６】
セル温度検出手段１０が検出又は推定した燃料電池スタック１の各発電セル２の温度検出値又は温度推定値が所定値以下である場合、コントロールユニット１１は、各発電セル２の膜電極接合体が乾燥状態にないと判定する。そして、コントロールユニット１１は、図１０に示すように、可変抵抗２１ａの抵抗値及び可変抵抗２１ｂの抵抗値が低位の設定となるように、これら可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂに対して制御信号をそれぞれ送信する。
【００４７】
この場合、正極側集電電極３の酸化剤ガス入口側電極部３１ａと負極側集電電極４との間の電位差と、燃料ガス入口側電極部３１ｂと負極側集電電極４との間の電位差と、中間電極部３１ｃと負極側終電電極４との間の電位差は、三者ともほぼ等しくなる。また、この場合には、可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂでのエネルギ損失（抵抗損）はほとんど発生しない。なお、図１０中の矢印は、電流の流れる方向を表している。
【００４８】
一方、セル温度検出手段１０が検出又は推定した燃料電池スタック１の各発電セル２の温度検出値又は温度推定値が所定値を超えた場合、コントロールユニット１１は、各発電セル２の膜電極接合体の特に酸化剤ガス入口側や燃料ガス入口側の部位が乾燥状態にあると判定する。そして、コントロールユニット１１は、図１１に示すように、可変抵抗２１ａの抵抗値及び可変抵抗２１ｂの抵抗値が高位の設定となるように、これら可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂに対して制御信号をそれぞれ送信する。
【００４９】
この場合、正極側集電電極３１の酸化剤ガス入口側電極部３１ａ及び燃料ガス入口側電極部３１ｂの電位は中間電極部３１ｃの電位よりも高くなり、よって、酸化剤ガス入口側及び燃料ガス入口側の電池電圧がそれ以外の部位（酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部）の電池電圧よりも高い状態となる。この操作により、酸化剤ガス入口側及び燃料ガス入口側の負荷電流が相対的に抑制されることになり、各発電セル２の膜電極接合体の乾燥を抑制して、安定的な発電を可能とすることができる。なお、図１１中の矢印は電流の流れる方向を表し、矢印の太さが電流の大きさを表している。
【００５０】
図１２は、燃料電池スタック１における各発電セル２の膜電極接合体が乾燥状態となった場合における、酸化剤ガス入口側（燃料ガス出口側）、燃料ガス入口側（酸化剤ガス出口側）、酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部それぞれの発電特性と、それぞれの作動点を示す特性図である。
【００５１】
作動点Ｅ−１及び作動点Ｆ−１及び作動点Ｇ−１は、それぞれ可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂの抵抗値を低位の設定とした場合における、酸化剤ガス入口側、酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部、燃料ガス入口側の作動点である。図１２に示す例では、酸化剤ガス入口側及び燃料ガス入口側は各発電セル２の膜電極接合体の乾燥により、作動点Ｅ−１及び作動点Ｇ−１以上に電流密度を上げて運転することはできない。一方、酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部は生成水により膜電極接合体の湿潤が確保できるため、作動点Ｆ−１以上の電流密度でも運転が可能であるが、可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂの抵抗値が低位の設定とされていることで酸化剤ガス入口側及び燃料ガス入口側と中流部との電圧がほぼ一定となるため、酸化剤ガス入口側や燃料ガス入口側の乾燥にともなう電圧低下のため電流密度を上げることができない。
【００５２】
作動点Ｅ−２（作動点Ｅ−１と同一）及び作動点Ｇ−２（作動点Ｇ−１と同一）及び作動点Ｆ−２は、それぞれ可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂの抵抗値を高位の設定とした場合における、酸化剤ガス入口側、酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部、燃料ガス入口側の作動点である。可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂの抵抗値を高位の設定とした場合には、酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部の電池電圧が酸化剤ガス入口側や燃料ガス入口側の電池電圧よりも低くなるため、生成水により膜電極接合体の湿潤が確保される中流部の電流密度を上げて運転することができ、電池全体としての出力向上が可能となる。また、可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂの高位の抵抗値を膜電極接合体の乾燥状態の大小に応じて最適に制御することにより（乾燥が著しい場合には高く、乾燥が軽微な場合には低く）、膜電極接合体の乾燥抑止と可変抵抗２１ａ及び可変抵抗２１ｂにおけるエネルギ損失低減との両立が可能となる。
【００５３】
［実施形態の効果］
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１における発電セル２の膜電極接合体の燃料極側が乾燥する運転条件において、反応ガス入口部の負荷電圧を他の部位の同電圧に対して相対的に高め、同部位の負荷電流を相対的に抑制することで発電セル２の膜電極接合体の乾燥を抑制するので、例えば酸化剤ガスの圧力増加で乾燥抑制を図った場合に懸念される正味出力の低下などの問題を招くことなく、低加湿・高温運転時や高電流密度運転時においても膜電極接合体の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができ、高い出力を安定して得ることが可能となる。
【００５４】
また、特に上述した第１実施例の構成を採用した場合には、反応ガス入口側の膜電極接合体が乾燥状態となった場合においてはその乾燥を抑止でき、かつ、通常運転時においては抵抗体５での損失が少ない効率的な運転が可能となる。
【００５５】
また、上述した第２実施例の構成、或いは第３実施例の構成を採用した場合には、反応ガス入口側の膜電極接合体が乾燥状態となった場合においてはその乾燥を抑止でき、かつ通常運転時においては可変抵抗２１または可変抵抗２１ａ，２１ｂでのエネルギ損失が少ない効率的な運転が可能となる。さらに、可変抵抗２１または可変抵抗２１ａ，２１ｂの高位の抵抗値を膜電極接合体の乾燥状態の大小に応じて最適に制御することにより、膜電極接合体の乾燥抑止と可変抵抗２１または可変抵抗２１ａ,２１ｂにおけるエネルギ損失低減との両立が可能となる。
【００５６】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、各発電セル２の温度を検出又は推定するセル温度検出手段１０からの信号に基づいてコントロールユニット１１が燃料電池スタック１の各発電セル２における反応ガス入口部の乾燥状態を判定するようにしているので、燃料電池スタック１内部の飽和水蒸気圧力が高まり、相対湿度が低下することによって膜電極接合体の含水率が低下した状況を、簡易かつ適確な推定に基づき判定することが可能となる。
【００５７】
なお、以上の実施形態は本発明の一適用例を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。例えば、上述した第１乃至第３の実施例では、正極側集電電極３を２つ或いは３つに分割した例を例示したが、その分割数や分割位置等は特に限定されるものではなく、任意に決定することができる。また、正極側集電電極３のみでなく燃料電池スタック１の各発電セル２を構成するセパレータを電気的に分割してもよい。また、発電セル２の膜電極接合体の乾燥を判定する手段についても、実施例に示した判定方法はその一例であり、その方法以外にも実施可能な様々な判定方法が採用可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施例を説明する図であり、本発明に関わる要部を分かり易く示した模式図である。
【図２】第１実施例におけるシステム作動を説明する図であり、発電セルの膜電極接合体が乾燥状態にないと判定されて断続スイッチが閉状態とされた場合の運転状況を示す模式図である。
【図３】第１実施例におけるシステム作動を説明する図であり、発電セルの膜電極接合体が乾燥状態にあると判定されて断続スイッチが開放状態とされた場合の運転状況を示す模式図である。
【図４】発電セルの膜電極接合体が乾燥状態となった場合における、反応ガス入口側と反応ガス出口側の発電特性と、それぞれの作動点を示す特性図である。
【図５】本発明の第２実施例を説明する図であり、本発明に関わる要部を分かり易く示した模式図である。
【図６】第２実施例におけるシステム作動を説明する図であり、発電セルの膜電極接合体が乾燥状態にないと判定されて可変抵抗の抵抗値が低位に設定された場合の運転状況を示す模式図である。
【図７】第２実施例におけるシステム作動を説明する図であり、発電セルの膜電極接合体が乾燥状態にあると判定されて可変抵抗の抵抗値が高位に設定された場合の運転状況を示す模式図である。
【図８】発電セルの膜電極接合体が乾燥状態となった場合における、反応ガス入口側と反応ガス出口側の発電特性と、それぞれの作動点を示す特性図である。
【図９】本発明の第３実施例を説明する図であり、本発明に関わる要部を分かり易く示した模式図である。
【図１０】第３実施例におけるシステム作動を説明する図であり、発電セルの膜電極接合体が乾燥状態にないと判定されて可変抵抗の抵抗値が低位に設定された場合の運転状況を示す模式図である。
【図１１】第３実施例におけるシステム作動を説明する図であり、発電セルの膜電極接合体が乾燥状態にあると判定されて可変抵抗の抵抗値が高位に設定された場合の運転状況を示す模式図である。
【図１２】発電セルの膜電極接合体が乾燥状態となった場合における、酸化剤ガス入口側（燃料ガス出口側）、燃料ガス入口側（酸化剤ガス出口側）、酸化剤ガス及び燃料ガスの中流部それぞれの発電特性と、それぞれの作動点を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  燃料電池スタック
２  発電セル
３  正極側集電電極
３ａ  入口側電極部
３ｂ  出口側電極部
５  抵抗体
８  外部負荷
９  断続スイッチ
１０  セル温度検出手段
１１  コントロールユニット
２１  可変抵抗
２１ａ，２１ｂ  可変抵抗
２２  絶縁体
２２ａ，２２ｂ  絶縁体
３１  正極側集電電極
３１ａ  酸化剤ガス入口側電極部
３１ｂ  燃料ガス入口側電極部
３１ｃ  中間電極部
【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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