(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法、及び、当該運転方法を適用可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜、電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を有する膜電極構造体と、アノード触媒層側に備えられる第１セパレータ、及び、カソード触媒層側に備えられる第２セパレータと、を有する燃料電池を運転する方法であって、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、複数系統のガス流路が備えられ、複数系統のガス流路に含まれる、互いに隣接するガス流路を第１ガス流路及び第２ガス流路とし、第１ガス流路内を流れるガスを第１ガス、第２ガス流路内を流れるガスを第２ガスとするとき、膜電極構造体に必要とされる水分量に応じて、第１ガス及び／又は第２ガスの露点が調整され、第１ガスの露点を第２ガスの露点よりも高くする工程が備えられる、燃料電池の運転方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、前記電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を有する膜電極構造体と、前記アノード触媒層側に備えられる第１セパレータ、及び、前記カソード触媒層側に備えられる第２セパレータと、を有する燃料電池を運転する方法であって、
前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータに、複数系統のガス流路が備えられ、
複数系統の前記ガス流路に含まれる、互いに隣接する前記ガス流路を第１ガス流路及び第２ガス流路とし、前記第１ガス流路内を流れるガスを第１ガス、前記第２ガス流路内を流れるガスを第２ガスとするとき、
前記膜電極構造体に必要とされる水分量に応じて、前記第１ガス及び／又は前記第２ガスの露点が調整され、
前記第１ガスの露点を前記第２ガスの露点よりも高くする工程が備えられることを特徴とする、燃料電池の運転方法。
【請求項２】
さらに、露点が調整された前記第１ガス及び／又は前記第２ガスの、流量及び／又は圧力が調整されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記第１ガスの流れの方向と、前記第２ガスの流れの方向とが、異なることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項４】
少なくとも前記燃料電池の運転終了直前に、複数系統の前記ガス流路内を流れる露点の低いガスの流量及び／又は圧力が増大されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項５】
複数系統の前記ガス流路のうち、露点の低いガスを流通させ得る前記ガス流路に、吸水性材料が備えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
電解質膜、前記電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、前記電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を有する膜電極構造体と、前記アノード触媒層側に備えられる第１セパレータ、及び、前記カソード触媒層側に備えられる第２セパレータと、を有し、
前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータに、複数系統のガス流路が備えられ、
複数系統の前記ガス流路へ、露点の異なる２以上のガスを同時に流通させることが可能であり、
前記ガスの露点を調整可能な露点調整手段が備えられることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項７】
複数系統の前記ガス流路のうち、露点の低い前記ガスを流通させ得る前記ガス流路に、吸水性材料が備えられることを特徴とする、請求項６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、燃料電池の運転方法及び燃料電池システムに関し、特に、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法、及び、当該運転方法を適用可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」ということがある。）は、電解質膜と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」ということがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用されるＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下、「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下、「酸素」という。）が、それぞれ供給されることにより、電力が発生する。また、カソードにおいて水が生成される。そして、ＰＥＦＣから電気エネルギーを取り出すには、ＭＥＡのプロトン伝導性物質を含水状態に保つことが重要である。
【０００４】
一方、ＭＥＡに過剰の水が存在すると、ＭＥＡへの水素及び／又は酸素の供給が妨げられ、上記電気化学反応が低下する。ＰＥＦＣの発電性能を向上させるには、アノード触媒層及び／又はカソード触媒層の水浸し状態を回避することが重要である。
【０００５】
すなわち、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるには、ＭＥＡが最適な湿度環境となるように湿度を制御することが重要であり、ＭＥＡに含まれる水分量（以下、「含水量」という。）を調整する方法の開発が望まれている。
【０００６】
ＰＥＦＣの発電性能を向上させることを目的とする技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、燃料電池の酸素極（上記「カソード」に相当）近傍に水を吸着および脱離可能な吸着材を配置した燃料電池システムが開示され、燃料供給を停止した作動停止時等に相対的に乾燥した空気が燃料電池のカソードに供給されることによって、吸着材に吸着された水の所定量が脱離される形態が例示されている。当該形態の燃料電池システムによれば、氷点下において燃料電池が始動される場合であっても、発電により生成される水を吸着材によって確実に吸着させることができ、例えば生成される水の凍結によって反応ガスのガス流路や拡散層が閉塞されてしまうことを防止して、燃料電池の発電を適切に継続させることができる、としている。
【特許文献１】特開２００４−１９２８５２号公報
【特許文献２】特開２００１−４３８７２号公報
【特許文献３】特開２００４−２４７２８９号公報
【特許文献４】特開２００４−１０３２７７号公報
【特許文献５】特開平１０−１７２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１では、燃料供給が停止された作動停止時等に乾燥した空気が供給される。そのため、この乾燥空気を供給するための動力源が別途必要になり、燃料電池システムの単位体積あたりの出力密度（発電性能）が低下しやすいという問題があった。さらに、特許文献１にかかる技術によれば、作動停止後に乾燥空気を供給するための十分な時間が確保できない場合には、吸着材の乾燥が不十分になる。吸着材の乾燥が不十分になると、特許文献１に記載された上記効果が得られ難くなり、ＰＥＦＣの発電性能を向上させ難いという問題もあった。
【０００８】
そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法、及び、当該運転方法を適用可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の本発明は、電解質膜、電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を有する膜電極構造体と、アノード触媒層側に備えられる第１セパレータ、及び、カソード触媒層側に備えられる第２セパレータと、を有する燃料電池を運転する方法であって、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、複数系統のガス流路が備えられ、複数系統のガス流路に含まれる、互いに隣接するガス流路を第１ガス流路及び第２ガス流路とし、第１ガス流路内を流れるガスを第１ガス、第２ガス流路内を流れるガスを第２ガスとするとき、膜電極構造体に必要とされる水分量に応じて、第１ガス及び／又は第２ガスの露点が調整され、第１ガスの露点を第２ガスの露点よりも高くする工程が備えられることを特徴とする、燃料電池の運転方法である。
【００１０】
ここで、「第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、複数系統のガス流路が備えられ」とは、第１セパレータのアノード側の面にのみ複数系統のガス流路が備えられる形態や、第２セパレータのカソード側の面にのみ複数系統のガス流路が備えられる形態のほか、第１セパレータのアノード側の面に複数系統のガス流路が備えられるとともに第２セパレータのカソード側の面に複数系統のガス流路が備えられる形態をも含む概念である。さらに、「複数系統」とは、２以上の系統であればその数は特に限定されない。加えて、「膜電極構造体に必要とされる水分量に応じて、第１ガス及び／又は第２ガスの露点が調整され」の具体例としては、膜電極構造体に備えられるプロトン伝導性物質の含水量が低下している場合には露点の高い第１ガス及び第２ガスを供給するように調整し、膜電極構造体に備えられるプロトン伝導性物質の含水量が過剰な場合には露点の低い第１ガス及び第２ガスを供給するように調整する形態のほか、膜電極構造体の含水状態に応じて、第１ガスの露点が第２ガスの露点よりも高くなるように調整する形態を挙げることができる。さらに、「第１ガスの露点を第２ガスの露点よりも高くする工程」の具体例としては、第１ガスの温度を低下させる工程や、第１ガスを加湿器等の露点調整手段に通す工程（加湿器等の露点調整手段によって第１ガスを加湿する工程）等を挙げることができる。以下、露点の高いガスを「加湿ガス」、露点の低いガスを「乾燥ガス」と表記することがある。
【００１１】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の運転方法において、さらに、露点が調整された第１ガス及び／又は第２ガスの、流量及び／又は圧力が調整されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の運転方法において、第１ガスの流れの方向と、第２ガスの流れの方向とが、異なることを特徴とする。
【００１３】
ここで、「第１ガスの流れの方向と、第２ガスの流れの方向とが、異なる」の具体例としては、第１ガス流路と第２ガス流路が略平行な形態で備えられる場合に、第１ガスの流れの方向と第２ガスの流れの方向とが対向するように、第１ガス及び第２ガスが供給される形態を挙げることができる。
【００１４】
請求項４に記載の本発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、少なくとも燃料電池の運転終了直前に、複数系統のガス流路内を流れる露点の低いガスの流量及び／又は圧力が増大されることを特徴とする。
【００１５】
ここで、「少なくとも燃料電池の運転終了直前に、複数系統のガス流路内を流れる露点の低いガスの流量及び／又は圧力が増大される」とは、燃料電池の運転状態を、運転開始、運転開始直後、定常運転時、運転終了直前、及び、運転停止へ分類した場合に、運転終了直前に、定常運転時よりも露点の低いガスの流量及び／又は圧力を増大させることを意味する。より簡潔に言えば、運転終了直前に、複数系統のガス流路へ多量の乾燥ガスを流すことを意味する。
【００１６】
請求項５に記載の本発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、複数系統のガス流路のうち、露点の低いガスを流通させ得るガス流路に、吸水性材料が備えられることを特徴とする。
【００１７】
ここで、「吸水性材料」とは、水を吸着及び脱離可能な物質を意味する。また、「露点の低いガスを流通させ得るガス流路」とは、加湿ガスと乾燥ガスを同時に流通させた状態で燃料電池が運転される際に、乾燥ガスが供給されるガス流路、を意味する。
【００１８】
請求項６に記載の本発明は、電解質膜、電解質膜の一方の側に備えられるアノード触媒層、及び、電解質膜の他方の側に備えられるカソード触媒層、を有する膜電極構造体と、アノード触媒層側に備えられる第１セパレータ、及び、カソード触媒層側に備えられる第２セパレータと、を有し、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、複数系統のガス流路が備えられ、複数系統のガス流路へ、露点の異なる２以上のガスを同時に流通させることが可能であり、ガスの露点を調整可能な露点調整手段が備えられることを特徴とする、燃料電池システムである。
【００１９】
ここで、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、第１セパレータ、及び、第２セパレータの具体的な形態としては、上記請求項１の発明と同様のものを例示できる。さらに、「複数系統のガス流路へ、露点の異なる２以上のガスを同時に流通させることが可能」とは、例えば、第１セパレータに２系統のガス流路（「ガス流路Ａ」及び「ガス流路Ｂ」とする。）が備えられ、第２セパレータに１系統のガス流路が備えられる場合に、ガス流路Ａに乾燥ガスを、ガス流路Ｂに加湿ガスを、同時に流通させ得ることを意味する。一方で、例えば、第１セパレータに１系統のガス流路が備えられ、第２セパレータにのみ２系統のガス流路（「ガス流路Ｘ」及び「ガス流路Ｙ」とする。）が備えられる場合には、ガス流路Ｘに乾燥ガスを、ガス流路Ｙに加湿ガスを、同時に流通させ得ることを意味する。さらに、例えば、第１セパレータ及び第２セパレータに、２系統のガス流路（上記ガス流路Ａ及びガス流路Ｂ、並びに、上記ガス流路Ｘ及びガス流路Ｙ）がそれぞれ備えられる場合には、ガス流路Ａ及びガス流路Ｘに乾燥ガスを、ガス流路Ｂ及びガス流路Ｙに加湿ガスを、同時に流通させ得ることを意味する。加えて、「露点調整手段」の具体例としては、加湿器等を挙げることができる。
【００２０】
請求項７に記載の本発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、複数系統のガス流路のうち、露点の低いガスを流通させ得るガス流路に、吸水性材料が備えられることを特徴とする。
【００２１】
ここで、「複数系統のガス流路のうち、露点の低いガスを流通させ得るガス流路」とは、加湿ガスと乾燥ガスを同時に流通させた状態で燃料電池が運転される際に、乾燥ガスが流通するガス流路、を意味する。例えば、露点調整手段が加湿器であり、加湿器を経た加湿ガスと加湿器を経由させない乾燥ガスを同時に流通させる場合に、乾燥ガスが流通するガス流路を意味する。さらに、「吸水性材料」とは、水を吸着及び脱離可能な物質を意味する。燃料電池運転時の温度に耐え得る耐熱性、及び、燃料電池運転時の環境に耐え得る耐酸性・耐食性を有する吸水性材料であれば、特に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に記載の本発明によれば、セパレータに備えられる複数系統のガス流路内を流れるガスの露点が調整され、さらに、露点の異なる２以上のガスを流通させることができる。そのため、膜電極構造体へと供給されるガスの露点の調整を通じて、膜電極構造体の含水状態を調整することが可能になり、燃料電池の発電性能を向上させることが可能になる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法を提供できる。
【００２３】
請求項２に記載の本発明によれば、第１ガス及び第２ガスの露点のみならず、流量及び／又は圧力も調整されるので、膜電極構造体の含水状態を容易に調整することが可能になる。
【００２４】
請求項３に記載の本発明によれば、第１ガスの流れの方向と第２ガスの流れの方向とが異なるので、膜電極構造体の面内における含水状態を均一にすることが可能になる。
【００２５】
請求項４に記載の本発明によれば、少なくとも燃料電池の運転終了直前に、露点の低いガスの流量及び／又は圧力が増大されるので、運転終了直前に、単セルに残存し得る水分を低減することが可能になる。したがって、上記効果に加えて、単セルに残存した水分に起因する低温始動性の低下を抑制することが可能な、燃料電池の運転方法を提供できる。
【００２６】
請求項５に記載の本発明によれば、露点の低いガスを流通させ得る前記ガス流路に、吸水性材料が備えられるので、吸水性材料の吸水性能を維持することが可能になる。したがって、例えば、運転終了直前に、単セルに残存している水分を当該吸水性材料に吸着させることができるので、低温始動性を向上させることが可能になる。
【００２７】
請求項６に記載の本発明によれば、ガス流路内を流通するガスの露点を調整する露点調整手段が備えられるので、膜電極構造体の含水状態を調整して発電性能を向上させることが可能になる。したがって、請求項６に記載の発明によれば、上記請求項１〜５に記載の運転方法を適用可能であって、発電性能を向上させることが可能な燃料電池システムを提供できる。
【００２８】
請求項７に記載の本発明によれば、露点の低いガスを流通させ得る前記ガス流路に、吸水性材料が備えられるので、吸水性材料の吸水性能の低下を抑制できる。したがって、例えば、運転終了直前に、単セルに残存している水分を当該吸水性材料に吸着させることができるので、上記効果に加えて、低温始動性を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、本発明の燃料電池の運転方法に関する以下の説明では、第１セパレータに２系統のガス流路（ガス流路Ａ及びガス流路Ｂ）が備えられるとともに、第２セパレータに２系統のガス流路（ガス流路Ｘ及びガス流路Ｙ）が備えられる形態を例示するが、本発明は、当該形態に限定されるものではない。以下、ガス流路Ａを流れるガスを「ガスα」、ガス流路Ｂを流れるガスを「ガスβ」、ガス流路Ｘを流れるガスを「ガスγ」、及び、ガス流路Ｙを流れるガスを「ガスδ」と表記する。また、ＭＥＡの単位体積あたりの水分量（以下、「含水量」という。）が、閾値Ｐ以上閾値Ｑ以下である場合に、ＰＥＦＣの発電性能が良好と判断可能であると仮定し、ＭＥＡの含水量が閾値Ｐ未満の場合に、ＭＥＡは乾燥状態と判断でき、含水量が閾値Ｑを越えると、ＭＥＡに過剰の水が備えられる状態と判断できるものとする。
【００３０】
１．燃料電池の運転方法
図１は、本発明の燃料電池の運転方法（以下、「本発明の運転方法」という。）を概略的に示すフローチャートであり、運転を開始された燃料電池が、始動直後の状態を経て、定常運転状態へと移行し、その後、運転停止直前の状態を経て運転が停止される、簡略化した運転形態を示している。本発明の燃料電池の運転方法が適用される燃料電池は、単セル内に残存する水分が凍結することに起因する燃料電池の低温始動性低下を抑制する等の観点から、運転終了前に乾燥ガスが供給され、単セル内の水分の少なくとも一部が単セル外へと排出される。そのため、始動直後のＭＥＡは乾燥している。
【００３１】
図１に示すように、本発明の運転方法では、燃料電池の運転が開始されると、運転が開始されてからの経過時間や燃料電池の負荷等に基づいて、始動直後であるか否かが判断される（ステップＳ１）。ステップＳ１で肯定判断された場合には、燃料電池は始動直後の状態であるため、引き続き、ＭＥＡの含水量が閾値Ｐ未満であるか否かが判断される（ステップＳ２）。ステップＳ２で肯定判断されると、ＭＥＡの含水量が閾値Ｐ未満であり、ＭＥＡは乾燥状態であると判断される。そのため、ＭＥＡを湿潤状態にしてプロトン伝導性能を向上させる等の観点から、例えば、第１セパレータのガス流路Ａ及びガス流路Ｂ、並びに、第２セパレータのガス流路Ｘ及びガス流路Ｙへ、露点の高いガス（加湿ガス）α、β、γ、及びδが供給される（ステップＳ３）。その後、処理が上記ステップＳ１へと戻され、ステップＳ１で否定判断されるまで、例えば、加湿ガスα、β、γ、及びδがＭＥＡへと供給され、ＭＥＡの含水量が増加される。ここで、加湿ガスα、β、γ、及びδをガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給する方法の具体例としては、加湿器によって加湿されたガスα、β、γ、及びδをガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給する形態等を挙げることができる。
【００３２】
燃料電池の運転が開始されてから、例えば、所定時間が経過するか、又は、負荷が増すと、運転状態が始動直後から定常運転へと移行する。そのため、上記ステップＳ１で否定判断されると、引き続き、運転が開始されてからの経過時間や燃料電池の負荷等に基づいて、定常運転状態であるか否かが判断される（ステップＳ４）。ステップＳ４で肯定判断された場合には、燃料電池は定常運転状態であるため、必要とされる負荷等により、ＭＥＡはさまざまな含水状態になり得る。そこで、本発明では、さまざまな含水状態になり得るＭＥＡの含水量を所定の範囲内に維持することによって、ＰＥＦＣの発電性能を向上させる等の観点から、ガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給されるガスα、β、γ、及びδの露点を調整する。
【００３３】
ステップＳ４で肯定判断されると、引き続き、ＭＥＡの含水量が閾値Ｐ未満であるか否かが判断される（ステップＳ５）。ステップＳ５で肯定判断されると、ＭＥＡは乾燥状態であると判断できるので、ＭＥＡの乾燥状態を解消すべく、例えば、露点の高いガス（加湿ガス）α、β、γ、及びδがガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給される（ステップＳ６）。これに対し、上記ステップＳ４で否定判断されると、引き続き、ＭＥＡの含水量が閾値Ｑを超えるか否かが判断される（ステップＳ７）。ステップＳ７で肯定判断されると、ＭＥＡに過剰の水が含まれる状態であると判断でき、かかる状態が維持されると、水素及び／又は酸素の拡散が阻害され、ＰＥＦＣの発電性能が低下する虞がある。そこで、ステップＳ７で肯定判断された場合には、ＭＥＡの含水量を閾値Ｑ未満として、水素及び／又は酸素の拡散を確保する等の観点から、ＭＥＡを乾燥させるため、例えば、露点の低いガス（乾燥ガス）α、β、γ、及びδがガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給される（ステップＳ８）。
【００３４】
一方、上記ステップＳ７で否定判断された場合には、ＭＥＡの含水量は閾値Ｐ以上閾値Ｑ以下であると考えられるため、ＭＥＡの含水量は適切な範囲であると判断される。ところが、ＭＥＡの含水量が適切な範囲内であっても、例えば、ＭＥＡの面内における含水量分布が不均一になると、部分的に乾燥している部位ではプロトン伝導性能が低下することによりＰＥＦＣの発電性能が低下し、部分的に過剰の水が存在している部位では水素及び／又は酸素の拡散が阻害されることにより電気化学反応が起こり難くなってＰＥＦＣの発電性能が低下する虞がある。そこで、ステップＳ７で否定判断された場合には、ＭＥＡの面内における含水量を均一にすべく、第１セパレータ及び第２セパレータに備えられる２系統のガス流路のうち、片方のガス流路（例えば、第１セパレータのガス流路Ａ、及び、第２セパレータのガス流路Ｘ）に露点の高いガス（加湿ガス）が、他方のガス流路（例えば、第１セパレータのガス流路Ｂ、及び、第２セパレータのガス流路Ｙ）に露点の低いガス（乾燥ガス）が、それぞれ供給される（ステップＳ９）。このようにすれば、加湿ガス及び乾燥ガスを、ガス流路を介してＭＥＡへ供給することが可能になるので、ＭＥＡの含水状態調整の精度を向上させることができる。本発明の運転方法では、定常運転時に、ガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給されるガスα、β、γ、及びδの露点がステップＳ６、ステップＳ８、又は、ステップＳ９によって調整され、ステップＳ６、ステップＳ８、又は、ステップＳ９を経た処理は、その後、ステップＳ１へと戻される。そして、燃料電池の定常運転時には、上記ステップＳ４〜ステップＳ９により、ＭＥＡの含水状態が調整される。
【００３５】
他方、ステップＳ４で否定判断されると、燃料電池は、始動直後の状態でも、定常運転の状態でもないため、運転終了直前の状態であると判断できる。上述のように、本発明の燃料電池は、低温始動性を向上させる等の観点から、運転終了直前に、ガス流路へ乾燥ガスを供給することにより、単セル内に残存し得る水を単セル外へと排出する。そのため、ステップＳ４で否定判断された場合には、例えば、ガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへ乾燥ガスを供給すべく、露点の低いガス（乾燥ガス）α、β、γ、及びδがガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給される（ステップＳ１０）。そして、ステップＳ１０の後に、燃料電池の運転が終了されるか否かが判断され（ステップＳ１１）、ステップＳ１１で否定判断された場合には、運転が継続されるため、処理がステップＳ１へと戻される。そして、運転が終了されるまで、乾燥ガスα、β、γ、及びδがガス流路Ａ、Ｂ、Ｘ、及びＹへと供給される。これに対し、ステップＳ１１で肯定判断された場合には、燃料電池の運転を終了すべく、処理が完了する。
【００３６】
本発明の運転方法に関する上記説明では、第１セパレータのガス流路及び第２セパレータのガス流路へ、露点が調整された、露点の異なる２種類のガス（加湿ガス及び乾燥ガス）を供給可能な形態とすることで、ＭＥＡの含水状態を調整し、燃料電池の発電性能を向上させ得る燃料電池の運転方法を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。当該形態のほか、例えば、露点に加えて、さらに、ガスの流量及び／又は圧力が調整される形態とすることも可能である。露点に加えて流量及び／又は圧力が調整されれば、ガス流路を介してＭＥＡへと供給される水分量の変動範囲を拡張することが可能になるため、ＭＥＡの含水状態調整の精度を向上させることが可能になる。さらに、例えば、運転終了直前に、第１ガス流路及び第２ガス流路へ、乾燥ガスを供給するのみならず、当該乾燥ガスが高流量・高圧力で供給されれば、ＭＥＡを効率良く乾燥することが可能になるので好ましい。
【００３７】
さらに、本発明の運転方法では、第１ガス（上記ガスα、γに相当）と第２ガス（上記ガスβ、δに相当）の流れの方向は、特に限定されるものではないが、ＭＥＡの面内における含水量を均一にすることで、ＰＥＦＣの発電性能をより一層向上させる等の観点からは、第１ガスの流れの方向と、第２ガスの流れの方向とが、異なることが好ましく、特に、対向することが好ましい。ここで、第１ガスの流れ方向と第２ガスの流れ方向とが同一方向であると、隣接する第１ガス流路の出口と第２ガス流路の出口の近傍に水が滞留しやすく、ＭＥＡの面内における含水量が不均一になる虞がある。ところが、第１ガス及び第２ガスが対向するように供給されていれば、例えば、第１セパレータにおける第１ガスの入口と第２ガスの出口とを隣接させるとともに、同第１ガスの出口と第２ガスの入口とを隣接させることができるので、ガス流路の出口がセパレータの特定の領域に集中することを防止でき、ＭＥＡの面内における含水量の均一化を図ることが可能になる。
【００３８】
さらに、本発明の運転方法が適用される燃料電池に備えられる、セパレータのガス流路の形態は特に限定されるものではないが、乾燥ガスが供給されるガス流路に、吸水性材料が備えられることが好ましい。このようにすれば、吸水性材料を乾燥ガスに触れさせることにより、吸水性材料に吸着された水を脱離させることができるので、運転終了直前等に、単セル内に残存し得る水分を、吸水性材料に効率良く吸収させることが可能になる。加えて、ガス流路に吸水性材料が備えられる場合、当該吸水性材料が備えられるガス流路の部位は特に限定されるものではないが、ガス流路内で水が滞留しやすい箇所（例えば、重力方向下方）に吸水性材料が備えられると、運転終了直前迄に吸水性材料から水を脱離させることが困難になり、運転終了直前に吸水性材料の吸水性能を発現させることが困難になる虞がある。そのため、ガス流路に吸水性材料が備えられる場合には、ガス流路の重力方向下方以外の部位（重力方向上方側にガス流路の内壁が存在する場合には、重力方向上方側部位、重力方向下方側にガス流路内壁の底部が位置し当該底部に対して立設される形態でガス流路の側壁が備えられる場合には、ガス流路側壁の重力方向上方側部位）に吸水性材料が備えられる形態とすることが好ましい。
【００３９】
２．燃料電池システム
図２は、本発明の燃料電池システムの形態例を示す概略図である。図３は、本発明の燃料電池システムに備えられる単セルの形態例を示す断面図であり、単セルの一部を拡大して概略的に示している。図３の直線矢印は、重力方向を示している。図４は、図３に示す単セルに備えられるセパレータを、概略的に示す上面図である。本発明の燃料電池システムに備えられる第１セパレータ及び第２セパレータの形態は、少なくとも一方のセパレータに２系統以上のガス流路が備えられていれば、略同一形態とすることも可能であり、異なる形態とすることも可能だが、以下の説明では、第１セパレータ及び第２セパレータが略同一形態であると仮定する。そのため、図４では、第１セパレータの符号とともに、第２セパレータの符号を括弧書きにて付記する。以下、図１〜図４を適宜参照しつつ、本発明の燃料電池システムについて具体的に説明する。
【００４０】
図２に示すように、本発明の燃料電池システム１００は、複数の単セル（図２では不図示）を備えるスタック２０と、露点調整手段としての加湿器２１、２１と、水素ガスライン２２と、酸素ガスライン２３とを備えている。燃料電池システム１００において、露点の低い水素は、ガスライン２２ａを介して供給され、露点の高い水素は、加湿器２１によって加湿された水素が流通可能なガスライン２２ｂを介して供給される。ガスライン２２ａ及びガスライン２２ｂを介してスタック２０へと供給された水素のうち、スタック２０における電気化学反応で使用されなかった水素は、ガスライン２２ｄ及びガスライン２２ｃを介してスタック２０の外へと排出される。そして、当該ガスライン２２ｄ及びガスライン２２ｃを流通する水素に含まれる水分は、水素ガスライン２２に備えられる加湿器２１へと回収される。一方、燃料電池システム１００において、露点の低い酸素は、ガスライン２３ａを介して供給され、露点の高い酸素は、加湿器２１によって加湿された酸素が流通可能なガスライン２３ｂを介して供給される。ガスライン２３ａ及びガスライン２３ｂを介してスタック２０へと供給された酸素のうち、スタック２０における電気化学反応で使用されなかった酸素は、ガスライン２３ｄ及びガスライン２３ｃを介してスタック２０の外へと排出される。そして、当該ガスライン２３ｄ及びガスライン２３ｃを流通する酸素に含まれる水分は、酸素ガスライン２３に備えられる加湿器２１へと回収される。かかる構成を備える本発明の燃料電池システム１００では、ガスライン２２ａ及びガスライン２２ｂをそれぞれ流通する水素の流量や圧力、並びに、ガスライン２３ａ及びガスライン２３ｂをそれぞれ流通する酸素の流量や圧力は、流量調整弁や圧力調整弁（図２ではともに不図示）等を介して調整される。
【００４１】
図３に示すように、本発明にかかる単セル３０は、電解質膜３１と、該電解質膜３１の一方の側に備えられるアノード３２及び他方の側に備えられるカソード３３と、アノード３２側に備えられる第１セパレータ３５及びカソード３３側に備えられる第２セパレータ３６と、を備えている。アノード３２には、アノード触媒層３２ａ及びアノード拡散層３２ｂが備えられるとともに、カソード３３には、カソード触媒層３３ａ及びカソード拡散層３３ｂが備えられ、ＭＥＡ３４は、電解質膜３１と、アノード触媒層３２ａと、カソード触媒層３３ａと、を備えている。単セル３０の第１セパレータ３５には、２系統のガス流路３５ａ、３５ａ、…、及び、３５ｂ、３５ｂ、…が備えられ、同第２セパレータ３６には、２系統のガス流路３６ａ、３６ａ、…、及び、３６ｂ、３６ｂ、…が備えられている。そして、図示の単セル３０では、ガス流路３５ａ、３５ａ、…、及び、ガス流路３６ａ、３６ａ、…の、重力方向下方以外の箇所（ガス流路３５ａ、３５ａ、…では重力方向上方に位置する流路内壁、ガス流路３６ａ、３６ａ、…では流路側壁の重力方向上方側。）に、吸水性材料（例えば、シリカゲル等）３７、３７、…が備えられている。
【００４２】
上述のように、本発明の燃料電池システム１００は、運転終了直前に、ガスライン２２ａ及びガスライン２２ｂを介して露点の低い水素が、ガスライン２３ａ及びガスライン２３ｂを介して露点の高い酸素が、それぞれ供給され、単セル３０に残存する水分（例えば、ＭＥＡ３４に含まれる水分や、ガス流路３５ａ、３５ｂ、３６ａ、及び、３６ｂに残存する水分等）が単セル３０の外へと排出される。そのため、燃料電池システム１００の始動直後には、ＭＥＡ３４の含水量を増大させてＭＥＡ３４に備えられるプロトン伝導性物質のプロトン伝導性能を発現させる等の観点から、例えば、ガスライン２２ｂ、ガス流路３５ａ、３５ａ、…、及び、ガス流路３５ｂ、３５ｂ、…を介して、露点の高い水素が供給され、ガスライン２３ｂ、ガス流路３６ａ、３６ａ、…、及び、ガス流路３６ｂ、３６ｂ、…を介して、露点の高い酸素が供給される。なお、本発明において、始動直後に、ＭＥＡ３４の含水量を増加させる方法は、上記形態に限定されるものではない。上記形態のほか、例えば、２系統のガス流路の一方（ガス流路３５ａ及びガス流路３６ａ）に露点の高いガス（第１セパレータの場合は水素、第２セパレータの場合は酸素。以下において同じ。）を供給するとともに、他方（ガス流路３５ｂ及びガス流路３６ｂ）に露点の低いガスを供給し、露点の高いガスの流量及び／又は圧力の設定値が、露点の低いガスの流量及び／又は圧力よりも高くなるように調整することで、ＭＥＡ３４の含水量を増加させることも可能である。
【００４３】
その後、燃料電池システム１００が定常運転状態へと移行すると、負荷や温度等に応じてＭＥＡ３４の含水量は変動し得る。それゆえ、高温かつ低負荷運転時に単セル３０の抵抗が増加する等して、ＭＥＡ３４の含水量が少ないと判断された場合（含水量が上記閾値Ｐ未満の場合）には、例えば、ガス流路３５ａ、３５ａ、…、及び、ガス流路３５ｂ、３５ｂ、…を介して露点の高い水素のみを供給するとともに、ガス流路３６ａ、３６ａ、…、及び、ガス流路３６ｂ、３６ｂ、…を介して露点の高い酸素のみを供給する等の方法により、ＭＥＡ３４の含水量が最適範囲内（閾値Ｐ以上閾値Ｑ以下）となるように調整することができる。なお、ＭＥＡ３４の含水量が上記閾値Ｐ未満である場合に、ＭＥＡ３４の含水量を閾値Ｐ以上とする方法は、上記形態に限定されるものではない。上記形態のほか、例えば、２系統のガス流路の一方（ガス流路３５ａ及びガス流路３６ａ）に露点の高いガスを供給するとともに、他方（ガス流路３５ｂ及びガス流路３６ｂ）に露点の低いガスを供給し、露点の高いガスの流量及び／又は圧力の設定値が、露点の低いガスの流量及び／又は圧力よりも高くなるように調整することで、ＭＥＡ３４の含水量を閾値Ｐ以上とすることも可能である。
【００４４】
一方、定常運転状態において、低温かつ高負荷運転時に単セル３０の発電性能が低下する等して、ＭＥＡ３４の含水量が多いと判断された場合（含水量が上記閾値Ｑを超える場合）には、例えば、ガス流路３５ａ、３５ａ、…、及び、ガス流路３５ｂ、３５ｂ、…を介して露点の低い水素のみを供給するとともに、ガス流路３６ａ、３６ａ、…、及び、ガス流路３６ｂ、３６ｂ、…を介して露点の低い酸素のみを供給する等の方法により、ＭＥＡ３４の含水量が最適範囲内（閾値Ｐ以上閾値Ｑ以下）となるように調整することができる。なお、ＭＥＡ３４の含水量が上記閾値Ｑを超える場合に、ＭＥＡ３４の含水量を閾値Ｑ以下へ低減させる方法は、上記形態に限定されるものではない。上記形態のほか、例えば、２系統のガス流路の一方（ガス流路３５ａ及びガス流路３６ａ）に露点の高いガスを供給するとともに、他方（ガス流路３５ｂ及びガス流路３６ｂ）に露点の低いガスを供給し、露点の低いガスの流量及び／又は圧力の設定値が、露点の高いガスの流量及び／又は圧力よりも高くなるように制御することで、ＭＥＡ３４の含水量を閾値Ｑ以下とすることも可能である。
【００４５】
これに対し、定常運転状態において、ＭＥＡ３４の含水量が最適範囲内（閾値Ｐ以上閾値Ｑ以下）である場合には、例えば、２系統のガス流路へそれぞれ供給される水素又は酸素の露点に加え、流量及び／又は圧力を調整することで、ＭＥＡ３４の全領域に亘って水分量が均一となるように調整される。このように、本発明の燃料電池システム１００によれば、露点の異なる水素及び酸素を供給することで、ＭＥＡ３４の含水量を調整することができるので、単セル３０の発電性能を向上させることが可能になる。
【００４６】
定常運転状態で燃料電池システム１００が運転されている時に、燃料電池システム１００の制御装置（不図示）が運転終了に関する信号を受信する等した場合には、それ以降、燃料電池システム１００の運転を停止させるため、燃料電池システム１００の作動状態が、運転停止直前状態へと移行する。上述のように、運転停止後に再び運転が開始される際の低温始動性を向上させる等の観点から、運転停止直前には、単セル３０内に残存する水分を単セル３０の外へと排出させるべく、単セル３０へ多量の乾燥ガスが供給される。ここで、多量の乾燥ガスが供給される形態の具体例としては、ガス流路３５ａ、３５ａ、…、及び、ガス流路３５ｂ、３５ｂ、…を介して露点の低い水素のみを供給するとともに、ガス流路３６ａ、３６ａ、…、及び、ガス流路３６ｂ、３６ｂ、…を介して露点の低い酸素のみを供給する形態を挙げることができる。このほか、２系統のガス流路の一方（ガス流路３５ａ及びガス流路３６ａ）に露点の高いガスを供給するとともに、他方（ガス流路３５ｂ及びガス流路３６ｂ）に露点の低いガスを供給し、露点の低いガスの流量及び／又は圧力の設定値が、露点の高いガスの流量及び／又は圧力よりも高くなるように調整することも可能である。
【００４７】
他方、上述のように、本発明の燃料電池システム１００では、乾燥ガスが供給されるガス流路３５ｂ、３５ｂ、…、及び、ガス流路３６ｂ、３６ｂ、…の、重力方向下方以外の箇所に、吸水性材料３７、３７、…が備えられている。かかる箇所に吸水性材料３７、３７、…が備えられているので、本発明にかかる燃料電池システム１００では、運転終了直前に、吸水性材料３７、３７、…の吸水性能を発現させることが可能になる。運転終了直前に、吸水性材料３７、３７、…の吸水性能が発現すれば、運転終了後に単セル３０に残存する水分を低減することができる。それゆえ、吸水性材料３７、３７、…を備える燃料電池システム１００によれば、ＭＥＡの含水量調整による発電性能向上効果に加え、低温始動性向上による発電性能向上効果を得ることが可能になる。
【００４８】
図４に示すように、本発明にかかる単セル３０に備えられる第１セパレータ３５には、ガス流路３５ａ及びガス流路３５ｂが備えられ、同第２セパレータ３６には、ガス流路３６ａ及びガス流路３６ｂが備えられている。図４に示すように、ガス流路３５ａ及びガス流路３５ｂは、少なくとも一部が略平行となる形態で備えられ、ガス流路３５ａの入口及びガス流路３５ｂの出口と、ガス流路３５ａの出口及びガス流路３５ｂの入口が、第１セパレータ３５の中央部から見て同一側に位置するように配置されている。また、ガス流路３６ａ及びガス流路３６ｂも、少なくとも一部が略平行となる形態で備えられ、ガス流路３６ａの入口及びガス流路３６ｂの出口と、ガス流路３６ａの出口及びガス流路３６ｂの入口が、第２セパレータ３６の中央部から見て同一側に位置するように配置されている。２系統のガス流路が当該形態で備えられていれば、セパレータの同一面に備えられる一のガス流路におけるガスの流通方向と、他のガス流路におけるガスの流通方向とを対向させることができる。そのため、ガス流路の入口が特定の箇所に集中することに起因するガス流路入口近傍におけるＭＥＡの乾燥、及び、ガス流路の出口が特定の箇所に集中することに起因するガス流路出口近傍におけるフラッディングの発生、を防止することが可能になり、ＭＥＡの含水量の均一化を図ることが容易になる。
【００４９】
本発明の運転方法、及び、本発明の燃料電池システムに関する上記説明では、第１セパレータ及び第２セパレータに２系統のガス流路が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明では、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに、２系統以上のガス流路が備えられていれば良く、例えば、第１セパレータに３系統のガス流路が備えられるとともに第２セパレータに４系統のガス流路が備えられる形態のほか、第１セパレータにのみ２系統以上のガス流路が備えられる形態や、第２セパレータにのみ２系統以上のガス流路が備えられる形態とすることも可能である。ただし、ＭＥＡの含水量調整を高精度に実施可能とすることで、発電性能向上効果を増大させる等の観点からは、第１セパレータ及び第２セパレータに、２系統以上のガス流路が備えられる形態とすることが好ましい。
【００５０】
なお、本発明において、第１セパレータ及び／又は第２セパレータに３系統以上のガス流路が備えられる場合には、加湿ガスを供給可能なガス流路と乾燥ガスを供給可能なガス流路が交互に配置される形態とすることが好ましい。ここで、「加湿ガスを供給可能なガス流路と乾燥ガスを供給可能なガス流路が交互に配置される」とは、例えば、３系統のガス流路が備えられ、２系統のガス流路に乾燥ガスを供給可能であるとともに１系統のガス流路に加湿ガスを供給可能である場合には、加湿ガスを供給可能なガス流路が、乾燥ガスを供給可能な２系統のガス流路の間に配置される形態で備えられることを意味する。かかる形態とすれば、セパレータの特定の箇所に、乾燥ガスを供給可能なガス流路、又は、加湿ガスを供給可能なガス流路が集中することを防止できるので、ＭＥＡの含水状態の均一化を図ることが容易になる。
【００５１】
さらに、本発明において、「電解質膜」は、ＰＥＦＣで使用可能な、プロトン伝導性能を有するアイオノマーを備える固体高分子膜であれば特に限定されず、電解質膜の具体例としては、炭化水素系のアイオノマーを有する固体高分子膜（例えば、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標））や、フッ素系のアイオノマーを有する固体高分子膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標））を挙げることができる。加えて、「アノード触媒層」は、電気化学反応の触媒として機能し得る物質と、当該触媒上で生じたプロトンを電解質膜へと移動させ得るプロトン伝導性物質とを備えていれば、その形態は特に限定されず、「カソード触媒層」は、電気化学反応の触媒として機能し得る物質と、電解質膜側から移動してきたプロトンをカソード触媒層内の触媒上へと移動させ得るプロトン伝導性物質とを備えていれば、その形態は特に限定されない。アノード触媒層及びカソード触媒層に備えられる触媒としては、担体としての炭素（例えば、カーボンブラック等）に担持された白金のほか、白金黒粒子等を例示することができる。さらに、アノード触媒層及びカソード触媒層に備えられる、プロトン伝導性物質の具体例としては、フッ素系のアイオノマー等を挙げることができる。加えて、「第１セパレータ」及び「第２セパレータ」の主要構成材料の具体例としては、炭素材料のほか、ステンレス鋼等に代表される金属等を挙げることができる。
【００５２】
また、本発明において、「吸水性材料」は、燃料電池運転時の温度に耐え得る耐熱性、及び、燃料電池運転時の環境に耐え得る耐酸性・耐食性を有する吸水性材料であれば、特に限定されるものではない。本発明において使用可能な吸水性材料の具体例としては、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭、又は、耐熱性及び耐化学性に優れた樹脂に親水性の官能基を付与したもの等を挙げることができる。ここで、耐熱性及び耐化学性に優れた樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）等のスーパーエンジニアリングプラスチックや、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のエンジニアリングプラスチックが挙げられる。官能基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アミド基等が挙げられる。さらに、付与の方法としては、クラフト重合法やプラズマ重合法等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の燃料電池の運転方法を概略的に示すフローチャートである。
【図２】本発明の燃料電池システムの形態例を示す概略図である。
【図３】本発明の燃料電池システムに備えられる単セルの形態例を示す断面図である。
【図４】セパレータを概略的に示す上面図である。
【符号の説明】
【００５４】
２０  スタック
２１  加湿器（露点調整手段）
２２  水素ガスライン
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  ガスライン
２３  酸素ガスライン
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ  ガスライン
３０  単セル
３１  電解質膜
３２  アノード
３２ａ  アノード触媒層
３２ｂ  アノード拡散層
３３  カソード
３３ａ  カソード触媒層
３３ｂ  カソード拡散層
３４  ＭＥＡ（膜電極構造体）
３５  第１セパレータ
３５ａ  ガス流路（第１ガス流路）
３５ｂ  ガス流路（第２ガス流路）
３６  第２セパレータ
３６ａ  ガス流路（第１ガス流路）
３６ｂ  ガス流路（第２ガス流路）
３７  吸水性材料
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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