(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記酸化剤供給部に設けられ、前記酸化剤の供給量を調整する酸化剤供給量調整部と、
前記カソード極と接続され、少なくとも前記酸化剤が排出される酸化剤排出流路部と、
前記酸化剤排出流路部に設けられ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、
前記カソード極に接続され、前記酸化剤供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記カソード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、前記通常運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を前記酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とす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、
前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が減少する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量減少制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させる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、
前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給が停止する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給停止制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行った後、所定時間が経過した際に、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部が、前記酸化剤供給停止制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うか、もしくは酸化剤供給停止制御を流路開放度増加制御よりも後に行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を同時に行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部が、前記流路開放度増加制御において、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が最大になるまで前記流路開放度調整部を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノード極に気体燃料を供給する気体燃料供給部と、
前記気体燃料供給部に設けられ、前記気体燃料の供給量を調整する燃料供給量調整部と、
前記アノード極と接続され、少なくとも前記気体燃料が排出される燃料排出流路部と、
前記燃料排出流路部に設けられ、前記燃料排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、
前記アノード極に接続され、前記燃料供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記アノード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記通常運転時における前記気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記気体燃料の供給量が増加する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量増加制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記気体燃料の供給量および前記燃料排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記気体燃料の供給量が減少する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量減少制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記燃料供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機として、燃料電池が従来より知られている。
一般に燃料電池は複数の種類があり、主に活物質や電解質の違いによって分類されている。
以下、複数の種類の燃料電池のうち、活物質としてメタノールおよび酸化剤（酸素もしくは空気の事である。以下、併せて酸化剤と称する。）を、電解質として固体高分子型電解質を用いたダイレクトメタノール型燃料電池を一例として挙げて説明する。
【０００３】
一般にダイレクトメタノール型燃料電池は、発電装置として膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-electrode assembly）を備えている。
この膜電極接合体は、アノード極としてアノード触媒層およびアノード触媒層上に積層されたアノードガス拡散層と、カソード極としてカソード触媒層およびカソード触媒層上に積層されたカソードガス拡散層と、アノード触媒層及びカソード触媒層の間に配置される電解質膜とを備え、形成されている。
【０００４】
ここで、膜電極接合体の各構成の役割は以下の通りとなっており、また、この役割により発生する以下の反応によって、ダイレクトメタノール型燃料電池は膜電極接合体から電力を得ることができる。
すなわち、アノード触媒層は、下記の式（１）の通り、後述のアノードガス拡散層から供給されたメタノール水溶液に含まれているメタノールと水との間で酸化反応を起こして、プロトンと電子を生成する役割を果たしている。
また、アノード触媒層は、プロトンを電解質膜に供給し、電子を後述のカソード触媒層に供給する役割を果たしている。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−・・・（１）
また、アノードガス拡散層は、膜電極接合体外部から供給されたメタノール水溶液をアノード触媒層に均一に供給する役割を果たしている。
また、電解質膜は、アノード触媒層において未反応となるメタノール水溶液および電子がカソード触媒層に直接供給されるのを抑制しつつ、アノード触媒層から供給されたプロトンを後述のカソード触媒層に供給する役割を果たしている。
また、カソード触媒層は、下記の式（２）の通り、カソードガス拡散層から供給された酸化剤と、電解質膜から供給されたプロトンと、アノード触媒層から供給された電子との間で還元反応を起こす役割を果たしている。
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ・・・（２）
また、カソードガス拡散層は、後述する酸化剤供給容器から供給された酸化剤を後述のカソード触媒層に均一に供給する役割を果たしている。
以上の酸化反応および還元反応により、膜電極接合体間に電流が流れ、膜電極接合体から電力を得ることができる。
なお、上記還元反応によりカソード触媒層で発生した水は電解質膜を透過してアノード触媒層に直接供給されない。このため、これ以降では、水が滞留しやすいカソード極についてのみ説明し、アノード極については説明を省略する。
【０００５】
ここで、カソード極においては、カソードガス拡散層の上面にカソードセパレータが設けられており、このカソードセパレータの表面に形成された溝とカソードガス拡散層の表面との間の閉鎖空間によってカソード流路が形成されている。このため、膜電極接合体外部から供給される酸化剤は、カソード流路を流れて供給、排出される。
また、酸化剤供給側においては、カソード流路は、外部流路を介して膜電極接合体外部に存在する酸化剤供給容器と接続されている。
また、酸化剤排出側においては、カソード流路は、排気流路と接続され、排気流路の端部は外気に開放されている。
このため、酸化剤は、酸化剤供給容器から外部流路を介してカソード流路およびカソードガス拡散層に供給され、その後、カソード流路から排気流路（以下、カソード流路および外部流路および排気流路を併せて単に流路と称することもある。）を介して燃料電池外部に排出される。
【０００６】
一般に、カソード触媒層においては、上記の式（２）の通り、上記還元反応により水が生成され、やがてこの水はカソードガス拡散層の内部やカソード流路と接するカソードガス拡散層の表面等に移動する。また、この水は、通常、カソード流路に供給される酸化剤と共に燃料電池の外部に排出されるが、この水の一部は、カソードガス拡散層の内部やカソード流路と接するカソードガス拡散層の表面等に水滴として残留する。
このため、カソード触媒層で水が過剰に生成されると、この過剰に生成された水（以下、過剰生成水と称する。）が比較的大きな水滴となってカソードガス拡散層の内部やカソード流路と接するカソードガス拡散層の表面等に残留する。
これにより、本来ならカソード触媒層およびカソードガス拡散層に流通したり拡散したりする酸化剤が過剰生成水によって阻害されやすくなるといった、いわゆるフラッディング現象と呼ばれる問題が起こる。このことから、上記の還元反応の効率が低下するため、結果として、燃料電池の電力値が低下するという問題が発生していた。
なお、ここでは説明の為に、上記のフラッディング現象が発生する箇所として、ダイレクトメタノール型燃料電池のカソード極を一例として挙げたが、アノード極またはカソード極のいずれかにおいて過剰生成水が発生するのであれば、フラッディング現象は、水素型燃料電池やヒドラジン型燃料電池等、他の種類の燃料電池でも起こり得る。
【０００７】
上記の問題に対して、従来ではフラッディング現象を低減する手段として、フラッディング現象の発生を検出した際に、燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの流量を増加させて、燃料電池から過剰な水分を排出する燃料電池システムが知られている（特許文献１）。
このため、フラッディング現象が発生する前の通常運転時において、フラッディング現象の発生を検出した際に、カソードに供給される酸化剤ガスの流量を増加させることから、これに伴い、酸化剤ガスの流路内の圧力が増加する。
これにより、この増加した圧力によってカソードの内部やカソード流路と接するカソードの表面等に残留した過剰な水分を除去できる量が増加する。
その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４８５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の燃料電池システムでは、フラッディング現象を低減する為に、酸化剤ガスの流量を増加させると、カソード触媒層における還元反応が一層促進されることから、カソード触媒層から生成される水の量が一層増加するため、過剰生成水の生成量が増加する傾向にある。
このため、酸化剤ガスの流路が過剰生成水によって閉塞されやすくなることから、過剰生成水および酸化剤ガスが流路内で滞留しやすくなるため、過剰生成水および酸化剤ガスの排出量が経時的に変化する。
これにより、酸化剤ガスの流路内の圧力が次第に安定しなくなることから、燃料電池における電力値の変動が増大するため、燃料電池における電力の安定供給性が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部に設けられ、前記酸化剤の供給量を調整する酸化剤供給量調整部と、前記カソード極と接続され、少なくとも前記酸化剤が排出される酸化剤排出流路部と、前記酸化剤排出流路部に設けられ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、前記カソード極に接続され、前記酸化剤供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記カソード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、前記通常運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を前記酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が減少する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量減少制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給が停止する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給停止制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行った後、所定時間が経過した際に、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記酸化剤供給停止制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うか、もしくは酸化剤供給停止制御を流路開放度増加制御よりも後に行ってもよい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を同時に行ってもよい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記流路開放度増加制御において、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が最大になるまで前記流路開放度調整部を制御してもよい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池のアノード極に気体燃料を供給する気体燃料供給部と、前記気体燃料供給部に設けられ、前記気体燃料の供給量を調整する燃料供給量調整部と、前記アノード極と接続され、少なくとも前記気体燃料が排出される燃料排出流路部と、前記燃料排出流路部に設けられ、前記燃料排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、前記アノード極に接続され、前記燃料供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記アノード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記通常運転時における前記気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記気体燃料の供給量が増加する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量増加制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記気体燃料の供給量および前記燃料排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記気体燃料の供給量が減少する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量減少制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させてもよい。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記燃料供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、制御部が、燃料電池のカソード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御を行うことから、酸化剤排出流路部内の圧力が上昇するため、その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
また、酸化剤排出流路部の供給量を増加させると、カソード触媒層における還元反応が一層促進されることから、カソード触媒層から生成される水の量が一層増加するため、過剰生成水の生成量が増加する傾向にある。このため、酸化剤ガスの流路が過剰生成水によって閉塞されやすくなることから、過剰生成水および酸化剤ガスが流路内で滞留しやすくなるため、過剰生成水および酸化剤ガスの排出量が経時的に変化するので、その結果、酸化剤ガスの流路内の圧力が次第に安定しなくなる。しかし、本発明では、制御部が、前述した酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、フラッディング現象が発生する前の通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システムの運転状態を通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させることから、フラッディング現象低減運転に移行しても、酸化剤の供給量は通常運転時から低下せずに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保つことができる。
このことから、本発明では、従来の様にフラッディング現象を低減する事を目的として酸化剤の供給量を増加させていないため、酸化剤の供給量増加に伴うカソード触媒層における還元反応が抑制される。
このため、フラッディング現象低減運転時におけるカソード触媒層から生成される水の量が通常運転時と同程度の量を保つ事が出来る様になることから、過剰生成水の生成量を抑制する事が可能となる。
これにより、酸化剤排出流路部が過剰生成水によって閉塞されにくくなることから、過剰生成水および酸化剤が酸化剤排出流路部内で滞留しにくくなるため、過剰生成水および酸化剤の排出量における経時的な変化を抑制する事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減する際において、酸化剤排出流路部内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
以上により、本発明によれば、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システムを実現する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態における燃料電池の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における膜電極接合体の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る制御部における通常運転とフラッディング現象低減運転の制御手順を示すフロー図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る制御部におけるフラッディング現象低減運転と通常運転の制御手順を示すフロー図である。
【図６】本発明の第２実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る制御部における通常運転とフラッディング現象低減運転の制御手順を示すフロー図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る制御部におけるフラッディング現象低減運転と通常運転の制御手順を示すフロー図である。
【図９】本発明の実施例における燃料電池の電力値と燃料電池システムの起動後の経過時間との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池システム１（以下、単に燃料電池システム１と呼ぶ事もある。）は、ダイレクトメタノール型燃料電池２（以下、単に燃料電池２と呼ぶ事もある。）と、燃料タンク３１と、フィルタ３２と、酸化剤供給部３３と、酸化剤供給量調整部３４と、流路開放度調整部３５と、凝縮部３６と、循環タンク３７と、制御部３８と、配管Ｆ１〜Ｆ８と、ポンプＧ１〜Ｇ３と、を備えている。
以下、燃料電池システム１の内部の各構造の説明として、まずは燃料電池２の各構造の説明をした後、燃料タンク３１と、フィルタ３２と、酸化剤供給部３３と、酸化剤供給量調整部３４と、流路開放度調整部３５と、凝縮部３６と、循環タンク３７と、制御部３８と、配管Ｆ１〜Ｆ８と、ポンプＧ１〜Ｇ３の説明をする。
その次に、燃料電池システム１の外部の各構造の説明として、外部燃料タンク４０と、外部負荷４１の説明をする。
【００２５】
図２は、本発明の第１実施形態における燃料電池の断面図である。
【００２６】
図２に示すように、燃料電池２は、電解質膜２１１と、アノード触媒層２１２と、カソード触媒層２１３と、アノードガス拡散層２１４と、カソードガス拡散層２１５とを含んだ膜電極接合体２１と、アノード集電体２２と、カソード集電体２３と、アノードセパレータ２４と、カソードセパレータ２５と、ガスケット２８、ガスケット２９と、補強層２１６Ａ、補強層２１６Ｂを備える。
以下、燃料電池２の各構造の説明として、まずは膜電極接合体２１の各構造の説明をした後、アノード集電体２２と、カソード集電体２３と、アノードセパレータ２４と、カソードセパレータ２５と、ガスケット２８、ガスケット２９と、補強層２１６Ａ、補強層２１６Ｂの説明をする。
【００２７】
図３は、本発明の第１実施形態における膜電極接合体の断面図である。
【００２８】
（膜電極接合体の構造）
図３に示すように、膜電極接合体２１は、電解質膜２１１と、アノード触媒層２１２と、カソード触媒層２１３と、アノードガス拡散層２１４と、カソードガス拡散層２１５とを含んで構成されている。ここで、アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層２１４がアノード極（燃料極）を構成し、カソード触媒層２１３とカソードガス拡散層２１５がカソード極（空気極）を構成する。なお、アノード極およびカソード極は上記構成に限定されず、例えば、アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層２１４との間にアノード多孔質層を、カソード触媒層２１３とカソードガス拡散層２１５との間にカソード多孔質層を設けた構造としてもよい。
【００２９】
電解質膜２１１は、後述するアノード触媒層２１２において未反応となるメタノール水溶液および電子がカソード触媒層２１３に直接供給されるのを抑制しつつ、アノード触媒層２１２から供給されたプロトンを後述のカソード触媒層２１３に供給する役割を果たしている。このため、電解質膜２１１としては、上記の役割を果たすことが可能であれば、材料は特に限定されるものではない。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる電解質膜として、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名，登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名，登録商標）、または旭硝子（株）社製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名，登録商標）などの高分子電解質膜を使用することができる。また、電解質膜２１１の厚さは特に限定されないが、通常２５〜２５０μｍである。
【００３０】
アノード触媒層２１２は、以下の２つの役割を果たすために、電解質膜２１１の一方の主面上に積層されている。
１つ目の役割は、膜電極接合体２１の外部から供給されたメタノール水溶液に含まれているメタノールと水との間で酸化反応を起こして、プロトンと電子を生成する事である。
２つ目の役割は、プロトンを電解質膜２１１に供給し、電子を後述のカソード触媒層２１３に供給する事である。
ここで、アノード触媒層２１２は、例えば電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子と、高分子電解質とで構成されている。なお、電極触媒、導電性炭素粒子および高分子電解質の各材料における具体的な材料については後述する。また、アノード触媒層２１２の厚さは特に限定されないが、通常５〜５０μｍであり、上記（１）式の酸化反応をより促進させる観点から、後述するカソード触媒層２１３よりも厚く設けられている事が好ましい。
【００３１】
ここで、アノード触媒層２１２における電極触媒としては特に限定されないが、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましく、プロトンの生成反応中に発生する一酸化炭素による白金触媒の被毒を防ぐ観点から、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが特に好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよい。
【００３２】
また、アノード触媒層２１２における導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。
【００３３】
また、アノード触媒層２１２における高分子電解質としては、電解質膜２１１を構成するものと同じ高分子電解質を用いることができる。例えば、上述した米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名，登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名，登録商標）、旭硝子（株）社製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名，登録商標）などを使用することができる。なお、上記の高分子電解質は、触媒担持粒子を被覆し、３次元に水素イオン伝導経路を確保するために、アノード触媒層２１２を構成する触媒担持粒子の質量に比例した量で、アノード触媒層２１２に含まれていることが好ましい。
【００３４】
カソード触媒層２１３は、膜電極接合体２１の外部から供給された酸化剤と、電解質膜２１１から供給されたプロトンと、アノード触媒層２１２から供給された電子との間で還元反応を起こすために、第２凹部４の内面と接して、電解質膜２１１において、アノード触媒層２１２が設けられている面とは反対の主面上に形成されている。ここで、カソード触媒層２１３を構成している材料は、後述する相違点を除き、基本的にはアノード触媒層２１２と同じ材料で構成されている。また、カソード触媒層２１３の厚さは特に限定されないが、通常５〜５０μｍである。
【００３５】
ここで、相違点としては、以下の点が挙げられる。すなわち、カソード触媒層２１３に含まれる高分子電解質の質量として、カソード触媒層２１３の質量に対し１５％〜５０％であることが好ましい。ここで、高分子電解質の質量として、カソード触媒層２１３の質量に対し１５％以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保でき、５０％以下であると、フラッディング現象の回避が可能であり、より高い電池出力を実現することができる。
【００３６】
アノードガス拡散層２１４は、以下の２つの役割を果たすために、アノード触媒層２１２の主面上に積層されている。
１つ目の役割は、後述するアノード流路２６から流入したメタノール水溶液をアノード触媒層２１２に効率よく導く事である。
２つ目の役割は、アノード触媒層２１２で生成された電子を後述するアノード集電体２２に供給する事である。
【００３７】
ここで、アノードガス拡散層２１４に用いられる具体的な材料としては、上記の役割を果たすことが可能であれば、特に限定されず、当該分野において公知のアノードガス拡散層を用いることができる。例えば、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させた後に撥水処理を施した材料を用いてもよい。また、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料を用いてもよい。また、アノードガス拡散層２１４の厚さは特に限定されないが、通常１００〜５００μｍである。
【００３８】
カソードガス拡散層２１５は、以下の２つの役割を果たすために、カソード触媒層２１３の主面上に積層されている。
１つ目の役割は、後述するカソード流路２７から流入した酸化剤をカソード触媒層２１３に効率よく導く事である。
２つ目の役割は、アノード集電体２２から外部負荷４１を通過した後、後述するカソード集電体２３に供給された電子をカソード触媒層２１３に供給する事である。
【００３９】
ここで、カソードガス拡散層２１５に用いられる具体的な材料としては、上記の役割を果たすことが可能であれば、特に限定されず、当該分野において公知のカソードガス拡散層を用いることができ、例えば、アノードガス拡散層２１４と同じ材料を用いる事ができる。また、カソードガス拡散層２１５の厚さは特に限定されないが、通常１００〜５００μｍである。
【００４０】
また、電解質膜２１１と、その表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３と、さらにその表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノードガス拡散層２１４及びカソードガス拡散層２１５は、矩形、円形、楕円形、多角形など燃料電池２の外形形状に応じた適宜の形状とされる。また、アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３の外縁は、特に限定されないが、一般的には電解質膜２１１の外縁より小さい外縁を有し、アノードガス拡散層２１４及びカソードガス拡散層２１５の外縁は、それぞれアノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３の各外縁形状とほぼ同じ外縁形状とされる。
【００４１】
（燃料電池の構造）
次に、図２に示すように、燃料電池２の各構造の説明として、アノード集電体２２と、カソード集電体２３と、アノードセパレータ２４と、カソードセパレータ２５と、ガスケット２８、ガスケット２９および補強層２１６Ａ、補強層２１６Ｂの説明をする。
【００４２】
アノード集電体２２は、アノード触媒層２１２および後述するアノードセパレータ２４から供給される電子を後述する外部負荷４１に供給する役割を果たすために、アノードセパレータ２４の外側の表面に設けられている。ここで、アノード集電体２２に用いられる材料としては、例えば、厚さ１〜３ｍｍを有する銅板などの金属板に厚さ３〜４μｍを有する金等の金属がコーティングされたものを用いることができる。
また、アノード集電体２２は、配線（図示せず）を介して、外部負荷４１の陰極（マイナス）に接続されている。
【００４３】
カソード集電体２３は、外部負荷４１から供給される電子を後述するカソードセパレータ２５およびカソード触媒層２１３に供給する役割を果たすために、カソードセパレータ２５の外側の表面に設けられている。ここで、カソード集電体２３に用いられる材料としては、例えば、アノード集電体２２と同様のものを用いることができる。
また、カソード集電体２３は、配線（図示せず）を介して、外部負荷４１の陽極（プラス）に接続されている。
【００４４】
アノードセパレータ２４は、以下の４つの役割を果たすために、アノードガス拡散層２１４の主面上に積層されている。
１つ目の役割は、膜電極接合体２１を機械的に固定する事である。
２つ目の役割は、アノードガス拡散層２１４と接触する面に形成されたアノード流路２６を介して、メタノール水溶液をアノード流路の入口２４１からアノード触媒層２１２に供給する事である。
３つ目の役割は、アノード触媒層２１２から生成され、アノードガス拡散層２１４から供給された電子を、アノード集電体２２に供給する事である。
４つ目の役割は、アノード触媒層２１２から排出されたアノード排出物（アノードの生成物（二酸化炭素やホルムアルデヒドやギ酸等）やアノード触媒層２１２で未反応のメタノール等）を、アノード流路２６を介して、アノード流路の出口２４２に運び去る事である。
ここで、アノードセパレータ２４に用いられる材料としては、例えば、カーボンや、カーボンと合成樹脂との合成材、あるいは金属などの導電性部材が挙げられる。
また、アノードセパレータ２４の外形形状は、膜電極接合体２１の外形形状に応じて適宜に選択される。
【００４５】
カソードセパレータ２５は、以下の４つの役割を果たすために、カソードガス拡散層２１５の主面上に積層されている。
１つ目の役割は、膜電極接合体２１を機械的に固定する事である。
２つ目の役割は、カソードガス拡散層２１５と接触する面に形成されたカソード流路２７を介して、酸化剤をアノード流路の入口２４１からカソード触媒層２１３に供給する事である。
３つ目の役割は、外部負荷４１を通じてカソード集電体２３から供給された電子を、カソード流路の入口２５１からカソード触媒層２１３に供給する事である。
４つ目の役割は、カソード触媒層２１３から排出されたカソード排出物（カソードの生成物（水や水蒸気等）やアノード触媒層２１２で酸化反応が起こらずに膜電極接合体２１を透過してカソード触媒層２１３に輸送されたメタノール水溶液がカソード触媒層２１３で酸化反応を起こして生成される生成物（上記アノード生成物と同じ生成物）やカソード触媒層２１３で未反応のメタノール水溶液等）を、カソード流路２７を介して、カソード流路の出口２５２に運び去る事である。
ここで、カソードセパレータ２５に用いられる材料としては、例えば、アノードセパレータ２４と同じものが挙げられる。
また、カソードセパレータ２５の外形形状は、膜電極接合体２１の外形形状に応じて適宜に選択される。
【００４６】
ここで、アノード流路２６およびカソード流路２７は、平面視の図示は省略するが、アノードセパレータ２４の表面に溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路２６およびカソード流路２７は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状や複数の直線状溝部で構成された直線形状を有する。
【００４７】
ガスケット２８、ガスケット２９は、メタノール水溶液および酸化剤が外部へリークする事を防止する役割や両者が混合する事を防止する役割を果たすために、アノードガス拡散層２１４およびカソードガス拡散層２１５の周囲にそれぞれ配置される。また、ガスケット２８、ガスケット２９に用いられる材料としては、ゴムなどの当該分野で公知のものが挙げられる。また、ガスケット２８、ガスケット２９の外形は、アノードセパレータ２４及びカソードセパレータ２５の外形形状に応じた形状とされ、枠状（額縁状）又は環状等が挙げられる。
【００４８】
補強層２１６Ａ、補強層２１６Ｂは、電解質膜２１１の機械的強度を高めて膨張・収縮を抑制する役割を果たすために、電解質膜２１１の上面及び下面の外縁部を挟みこむ様にそれぞれに配置される。また、補強層２１６Ａ、補強層２１６Ｂに用いられる材料としては、所望の剛性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などからなるフィルムが挙げられる。また、補強層２１６Ａ、補強層２１６Ｂの外形は、額縁状等が挙げられる。
【００４９】
なお、図１の燃料電池２は単電池の構成を示すが、要求起電力に応じてこの単電池を図１に対して上方向に複数積層した多層型の燃料電池２を構成してもよい。その場合、多層型の燃料電池２は、単電池の燃料電池２を積層した後、最上部および最下部におけるそれぞれの燃料電池２において、図１に対して上下方向から２枚の樹脂板で押し付けた後、ボルトによって燃料電池２および樹脂版を機械的に固定させることによって作製することができる。
【００５０】
（燃料電池システムの構造）
次に、図１に示すように、燃料電池システム１の各構造の説明として、燃料タンク３１と、フィルタ３２と、酸化剤供給部３３と、酸化剤供給量調整部３４と、流路開放度調整部３５と、凝縮部３６と、循環タンク３７と、制御部３８と、配管Ｆ１〜Ｆ８と、ポンプＧ１〜Ｇ３の説明をする。
ここで、図１に示すように、燃料電池２と、燃料タンク３１と、フィルタ３２と、酸化剤供給部３３と、酸化剤供給量調整部３４と、流路開放度調整部３５と、凝縮部３６と、循環タンク３７と、制御部３８と、配管Ｆ１〜Ｆ８と、ポンプＧ１〜Ｇ３は、１つの筐体の中に収納されている。
【００５１】
燃料タンク３１は、アノード流路の入口２４１に供給するメタノール水溶液を貯蔵する役割を果たしている。
ここで、燃料タンク３１に貯蔵されているメタノール水溶液は、後述する循環タンク３７から供給される水によって、後述する外部燃料タンク４０から供給される約５９％程度の高濃度のメタノール水溶液が約２〜３％に希釈されたものが貯蔵されている。
また、アノード流路の出口２４２から排出された上記のアノード排出物は、燃料タンク３１内において気相と液相に分離される。具体的には、燃料電池２から輸送された二酸化炭素、メタノール蒸気、ホルムアルデヒド、ギ酸等の気相成分は、燃料タンク３１内に移送された後、メタノール水溶液の液面に浮上して水やメタノール溶液等の液相成分と分離されて、燃料タンク３１内に存在している。
また、図１には図示しないが、燃料タンク３１は、燃料濃度を一定に保つ為に燃料濃度を測定する機構として、以下の通り構成しても良い。
すなわち、一端及び他端が燃料タンク３１に対してループ状に接続された配管と、配管に設置されたメタノール濃度計および液体ポンプと、を設けても良い。
また、図１に示すように、燃料タンク３１は、後述する配管Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５〜Ｆ７と接続されている。
【００５２】
フィルタ３２は、燃料電池システム１の外部から取り込まれる空気に含まれる塵埃等を除去する役割を果たしている。
また、図１に示すように、フィルタ３２は、後述する配管Ｆ２に設けられている。
【００５３】
酸化剤供給部３３は、例えば、エアーブロワーやエアーコンプレッサー等のエアーポンプであり、燃料電池システム１の外部から取り込んだ酸化剤に対して、燃料電池２のカソード流路の入口２５１に供給する供給量を増加させて、カソード流路の入口２５１に酸化剤を供給する役割を果たしている。
また、図１に示すように、酸化剤供給部３３は、後述する配管Ｆ２を介して、フィルタ３２および燃料電池２のカソード流路の入口２５１と接続されている。
【００５４】
酸化剤供給量調整部３４は、例えば、エアーポンプの操作盤であり、酸化剤供給部３３から供給される酸化剤の供給量を調整する役割を果たしている。
ここで、酸化剤の供給量を調整する手段としては、例えば、酸化剤供給部３３の出力を上げたり、下げたりする事が挙げられる。
また、図１に示すように、酸化剤供給量調整部３４は、酸化剤供給部３３に設けられている。
【００５５】
流路開放度調整部３５は、例えば、電動式バルブ等であり、後述する配管Ｆ４における流路開放度、すなわち、配管Ｆ４の延伸方向に対して垂直方向に沿って示す断面積の大きさを調整する役割を果たしている。
以下、流路開放度を増加させるとは上記の断面積の大きさを大きくさせる事と定義し、流路開放度を減少させるとは上記の断面積の大きさを小さくさせる事と定義する。
また、図１に示すように、流路開放度調整部３５は、後述する配管Ｆ４に設けられている。
【００５６】
凝縮部３６は、カソード極で生じ、後述する配管Ｆ４に送られた水蒸気を凝縮させて、水として液化させる役割を果たしている。これにより、配管Ｆ４によって液化した水を後述する循環タンク３７に輸送する事により、循環タンク３７内に水を追加する事が可能となる。すなわち、カソード極で生じた水蒸気を水として循環タンク３７において再利用する事が可能となる。
また、図１には図示しないが、凝縮部３６にて上記の水蒸気を一層凝集出来る様にする事を目的として、上記の水蒸気を冷却するために、配管Ｆ４には凝縮部３６とカソード流路の入口２５１との間にラジエータを設けても良い。
また、図１に示すように、凝縮部３６は、後述する配管Ｆ４に設けられている。
【００５７】
循環タンク３７は、燃料タンク３１に供給する水を貯蔵する役割を果たしている。これにより、後述する外部燃料タンク４０から供給される約５９％程度の高濃度のメタノール水溶液を約２〜３％に希釈することが可能となる。このため、低濃度のメタノール水溶液をアノード流路の入口２４１に供給する事が可能となる事から、未反応のメタノール水溶液の量が少なくなるため、メタノールクロスオーバーの発生を抑制する事が可能となる。
また、アノード流路の出口２４２から排出された上記のアノード排出物およびカソード流路の出口２５２から排出された上記のカソード排出物は、循環タンク３７内において気相と液相に分離される。具体的には、燃料電池２から輸送された二酸化炭素、メタノール蒸気、ホルムアルデヒド、ギ酸、水蒸気等の気相成分は、循環タンク３７内に移送された後、水の液面に浮上して水やメタノール溶液等の液相成分と分離されて、循環タンク３７内に存在している。
また、図１に示すように、循環タンク３７は、後述する配管Ｆ４、Ｆ６〜Ｆ８と接続されている。
【００５８】
制御部３８は、例えば、信号処理用ＩＣ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータであり、以下の５つの役割を果たしている。
１つ目に、フラッディング現象が発生する前の燃料電池システム１の運転（以下、通常運転と定義する。）時におけるカソード極において、フラッディング現象が発生したか否かの判断を行う役割を果たしている。
２つ目に、フラッディング現象を低減している際の燃料電池システム１の運転（以下、フラッディング現象低減運転と定義する。）時におけるカソード極において、フラッディング現象が解消したか否かの判断を行う役割を果たしている。
３つ目に、上記の判断結果に基づいて、酸化剤供給量調整部３４を制御する役割を果たしている。
４つ目に、上記の判断結果に基づいて、流路開放度調整部３５を制御する役割を果たしている。
５つ目に、後述するポンプＧ１におけるメタノール水溶液の供給量、ポンプＧ２における高濃度メタノール水溶液の供給量およびポンプＧ３における水の供給量を制御する役割を果たしている。
また、制御部３８は、以下の原理により、通常運転時における酸化剤の供給量を変えずに、同時に配管Ｆ４内の圧力を上げる事が可能となる。すなわち、一般に、配管Ｆ４の流路開放度を一定に保ったまま、酸化剤の供給量を増加させた場合、配管Ｆ４内の圧力は上がるが同時に酸化剤の供給量が増加してしまう。しかし、配管Ｆ４の流路開放度を減少させた場合、配管Ｆ４内の圧力を上げつつ、同時に酸化剤の供給量が減少する。この為、酸化剤の供給量を増加させる時に同時に配管Ｆ４の流路開放度を減少させた場合、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、同時に配管Ｆ４内の圧力を上げる事が可能となる。
また、図１に示すように、制御部３８は、燃料電池２、酸化剤供給量調整部３４、流路開放度調整部３５および後述するポンプＧ１〜Ｇ３と電気的に接続されている。
また、燃料電池システム１には、燃料電池２と制御部３８との間に、燃料電池２の出力電圧値を検出するための電圧センサ（図示せず）と、燃料電池２の出力電流値を検出するための電流センサ（図示せず）とが取り付けられている。この電流センサおよび電圧センサは、センサの各出力値から算出された電力値を制御部３８に送信する役割を果たしている。
また、制御部３８は、カソード極でフラッディング現象が発生しているか否か、もしくはフラッディング現象低減運転における最適条件としての酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度の値に到達しているか否か、フラッディング現象が解消しているか否か判断する為に必要な各種パラメータ情報を保存する記憶装置として、電力値情報記憶部（図示せず）を有している。これにより、制御部３８は、カソード極でフラッディング現象が発生しているか否か判断する事が可能となる。
また、制御部３８は、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行した際に、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保つ事が出来る様に、制御データ値として、酸化剤供給量調整部３４が調整する酸化剤供給部３３における酸化剤の供給量の値と、流路開放度調整部３５が調整する配管Ｆ４の流路開放度の値とが記載されたテーブル（以下、制御情報テーブルと称する。）が予め記録された制御情報記憶部（図示せず）を有している。ここで、上記の制御データ値は、フラッディング現象の解消に最適な値が予め設定されている。また、制御情報テーブルは、燃料電池２の温度やメタノール水溶液の濃度等、燃料電池２の最適な電力値を得る為に必要な燃料電池２の運転条件に応じて変化する様に、燃料電池２の運転条件毎にそれぞれ複数設けられている。したがって、制御部３８は、カソード極において、フラッディング現象が発生したと判断した後、燃料電池２の運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池２の運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する。そして、制御部３８は、この選択された制御情報テーブルに記載された制御データ値として酸化剤の供給量Ｕ１および配管Ｆ４の流路開放度Ｖ１を参照し、これらの値に到達するまで、酸化剤供給量調整部３４および流路開放度調整部３５をそれぞれ制御する事が可能となる。
【００５９】
配管Ｆ１〜Ｆ８は、燃料電池システム１内の各種液体および気体の流路として、左記液体および気体を輸送する役割を果たしており、それぞれ以下の通り、設けられている。
配管Ｆ１は、燃料タンク３１内のメタノール水溶液をアノード流路の入口２４１に供給する役割を果たしており、燃料タンク３１およびアノード流路の入口２４１と接続されている。
配管Ｆ２は、燃料電池システム１の外部から取り込んだ酸化剤をフィルタ３２を介して酸化剤供給部３３に供給する役割と、酸化剤供給部３３が吐出した酸化剤を燃料電池２のカソード流路の入口２５１に供給する役割を果たしており、フィルタ３２およびカソード流路の入口２５１と接続されている。
配管Ｆ３は、アノード流路の出口２４２から排出された上記のアノード排出物を燃料タンク３１に供給する役割を果たしており、アノード流路の出口２４２および燃料タンク３１と接続されている。
配管Ｆ４は、カソード流路の出口２５２から排出された上記のカソード排出物を凝縮部３６に供給した後、凝縮部３６において上記のカソードの生成物のうち水蒸気から生成された水および水以外の上記のカソード排出物を循環タンク３７に供給する役割を果たしており、カソード流路の出口２５２および循環タンク３７と接続されている。
配管Ｆ５は、後述する外部燃料タンク４０内の高濃度メタノール水溶液を燃料タンク３１に供給する役割を果たしており、外部燃料タンク４０および燃料タンク３１と接続されている。
配管Ｆ６は、燃料タンク３１内に存在する上記のアノード排出物を燃料電池システム１の外部に排出する事を目的として、上記のアノード排出物を循環タンク３７に供給する役割を果たしており、燃料タンク３１および循環タンク３７と接続されている。
配管Ｆ７は、循環タンク３７内の水を燃料タンク３１に供給する役割を果たしており、循環タンク３７および燃料タンク３１と接続されている。
配管Ｆ８は、循環タンク３７内に存在する、配管Ｆ６から供給された上記のアノード排出物および配管Ｆ４から供給された上記のカソード排出物を燃料電池システム１の外部に排出する役割を果たしており、一端は循環タンク３７と接続され、他端は燃料電池システム１の外部に開放されている。
【００６０】
ポンプＧ１〜Ｇ３は、例えば、ダイアフラム型ポンプやプランジャーポンプなどの液体ポンプであって、燃料電池システム１内の各種液体の供給量を調整する役割を果たしており、それぞれ以下の通り、設けられている。
ポンプＧ１は、燃料タンク３１からアノード流路の入口２４１に向かって供給されるメタノール水溶液の供給量を調整する役割を果たしており、配管Ｆ１に設けられている。
ポンプＧ２は、外部燃料タンク４０から燃料タンク３１に向かって供給されるメタノール水溶液の供給量を調整する役割を果たしており、配管Ｆ５に設けられている。
ポンプＧ３は、循環タンク３７から燃料タンク３１に向かって供給される水の供給量を調整する役割を果たしており、配管Ｆ７に設けられている。
【００６１】
以上の各構造により、燃料電池システム１が構成される。次に、燃料電池システム１の外部における各構造の説明として、外部燃料タンク４０と、外部負荷４１の説明をする。
【００６２】
外部燃料タンク４０は、燃料タンク３１に供給する高濃度のメタノールを貯蔵する役割を果たしている。
また、図１に示すように、外部燃料タンク４０は、配管Ｆ５と接続されている。
【００６３】
外部負荷４１は、燃料電池２から供給された電力を使用する電力機器である。
また、外部負荷４１は、配線を介してアノードセパレータ２４の上部にあるアノード集電体２２およびカソードセパレータ２５の上部にあるカソード集電体２３と接続されている。
【００６４】
（燃料電池システムの動作原理）
以上の構成により、燃料電池システム１は、以下の原理により、燃料電池２から生じた電力を外部負荷４１に供給する事ができる。
まず、燃料タンク３１から供給されたメタノール水溶液は、アノード流路の入口２４１に供給された後、アノードセパレータ２４のアノード流路２６を通過し、アノードガス拡散層２１４に浸透した後、アノード触媒層２１２に到達する。
次に、メタノール水溶液がアノード触媒層２１２に到達して初めて下記の式（１）の通り、メタノール水溶液に含まれているメタノールと水との間で酸化反応を起こして、メタノール水溶液からプロトンと電子と二酸化炭素が生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−・・・（１）
次に、生成されたプロトンは、アノード触媒層２１２から電解質膜２１１の表面まで移動した後、電解質膜２１１の内部を透過し、やがてカソード触媒層２１３に供給される。
また、生成された電子は、以下「１」〜「９」の順で、カソード触媒層２１３に供給される。
「１」アノード触媒層２１２、「２」アノードガス拡散層２１４、「３」アノードセパレータ２４、「４」アノード集電体２２、「５」外部負荷４１、「６」カソード集電体２３、「７」カソードセパレータ２５、「８」カソードガス拡散層２１５、「９」カソード触媒層２１３。
次に、酸化剤供給部３３から供給された酸化剤は、カソード流路の入口２５１に供給された後、カソードセパレータ２５のカソード流路２７を通過し、カソードガス拡散層２１５に浸透した後、カソード触媒層２１３に到達する。
また、カソード触媒層２１３に供給されたプロトンおよび電子は、上記の酸化剤との間で還元反応を起こして水が生成される。
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ・・・（２）
以上の酸化反応および還元反応により、燃料電池２に電流が流れ、燃料電池２から外部負荷４１に電力を供給することが可能となる。
【００６５】
次に、図４を用いて、以下のステップＳ１０１〜Ｓ１１０に基づいて、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行する際の本実施形態における制御部３８の作用について詳細に説明する。
【００６６】
図４は、本発明の第１実施形態に係る制御部における通常運転とフラッディング現象低減運転の制御手順を示すフロー図である。
【００６７】
まず、燃料電池システム１を起動して燃料電池２に電流を通電する（ステップＳ１０１）。
次に、燃料電池２への通電開始と同時に燃料電池２における電力値の監視を開始して、監視開始時刻ｔａから所定時刻ｔｂまでの時間区間Δｔ１を設定した後、この時間区間Δｔ１において、電圧センサが燃料電池２の平均出力電圧を検出し、電流センサが燃料電池２の平均出力電流を検出した後、両センサの各出力値から、燃料電池２の平均電力値Ｗ１（以下、電力値Ｗ１と定義する。）を算出して、この電力値Ｗ１を制御部３８に含まれている電力値情報記憶部（図示せず）に保存し、設定する（ステップＳ１０２）。
次に、燃料電池２の電力値を常時監視して、上記の所定時刻ｔｂから監視終了時刻ｔｃまでの時間区間Δｔ２を設定した後、この時間区間Δｔ２における燃料電池２の平均電力値Ｗ２（ただし、Ｗ１＞Ｗ２。以下、電力値Ｗ２と定義する。）を任意の時間に取得する（ステップＳ１０３）。
次に、電力値Ｗ１と電力値Ｗ２との差△Ｗを算出する（ステップＳ１０４）。
次に、電力値Ｗ１と電力値Ｗ２との差△Ｗが所定値Ｓ１以上の値であるか否か判断する（ステップＳ１０５）。
ここで、ステップＳ１０５で、制御部３８が、電力値Ｗ１と電力値Ｗ２との差△Ｗが所定値Ｓ１以上の値でないと判断した場合（ＮＯの場合）は、燃料電池２の電力値は比較的大きく低下しておらず、フラッディング現象が発生していないと判断して、ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０４まで繰り返し算出する。一方、制御部３８が、電力値Ｗ１と電力値Ｗ２との差△Ｗが所定値Ｓ１以上の値であると判断した場合（ＹＥＳの場合）は、燃料電池２の電力値は比較的大きく低下しており、フラッディング現象が発生していると判断する。この場合、制御部３８は、燃料電池２の温度およびメタノール水溶液の濃度等の燃料電池２の運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池２の運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する（ステップＳ１０６）。
次に、制御部３８は、この選択された制御情報テーブルに記載された酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度の各制御データ値（以下、この値を酸化剤の供給量Ｕ１、配管Ｆ４の流路開放度Ｖ１とする。）を参照する（ステップＳ１０７）。
次に、制御部３８は、上記で参照した酸化剤の供給量Ｕ１に到達するまで酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部３４を制御する酸化剤供給量増加制御信号を生成し、さらに上記で参照した流路開放度Ｖ１に到達するまで配管Ｆ４の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部３５を制御する流路開放度減少制御信号を生成する。その後、制御部３８は、上記で生成された酸化剤供給量増加制御信号を酸化剤供給量調整部３４に送信し、同時に、流路開放度減少制御信号を流路開放度調整部３５に送信する（ステップＳ１０８）。
次に、上記ステップＳ１０８で制御部３８から送信された酸化剤供給量増加制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部３４は、通常運転時に既に設定された酸化剤の供給量Ｕ０から上記で参照した酸化剤の供給量Ｕ１に到達するまで、酸化剤供給部３３における酸化剤の供給量を増加させる調整（酸化剤供給量増加制御）を実行する。さらに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップＳ１０８で制御部３８から送信された流路開放度減少制御信号に基づき、流路開放度調整部３５は、通常運転時に既に設定された配管Ｆ４の流路開放度Ｖ０から上記で参照した配管Ｆ４の流路開放度Ｖ１に到達するまで、配管Ｆ４の流路開放度を減少させる調整（流路開放度減少制御）を上記の酸化剤供給量増加制御と同時に実行する（ステップＳ１０９）。
最後に、上記ステップＳ１０９の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を実行してから、燃料電池２の電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間Ｔ１が経過した後、制御部３８は、燃料電池２の電力値が安定状態に達したと判断する（ステップＳ１１０）。
以上の手順により、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行することで、制御部３８は、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制しつつ、フラッディング現象を低減させることが可能となる。
また、上記において、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量は、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保っている。ここで通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量とは、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値と通常運転時における酸化剤の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値が通常運転時における酸化剤の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値が通常運転時における酸化剤の供給量の値に対して±３．０％までの誤差を含む値であってもよい。
なお、上記の時間区間Δｔ１、時間区間Δｔ２、所定時間Ｔ１、および所定値Ｓ１については、ユーザーが所望する値を使用する事が可能であるが、所定値Ｓ１については、燃料電池システムの通電開始後からフラッディング現象の発生時までにかけて減少した燃料電池２の電力値の減少率を表す値を設定する事が好ましく、この具体的な値として、例えば、下記（３）式より算出した値のうち、３〜６（％）を予め設定して使用する事がより好ましい。但し、下記（３）式において、ａは燃料電池システムの通電開始直後の燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）であり、ｂは燃料電池システムの通電開始後から１時間経過後に測定した燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）である。
【００６８】
【数１】
0006639994.tif 000002
【００６９】
また、通常運転時において、高電力値の燃料電池２が得られる最適条件値として、酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度を設定した場合、フラッディング現象低減運転時においては、上記の最適条件値から酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度を変更させるため、燃料電池２の電力値が通常運転時よりも低下する。したがって、この場合、燃料電池２について出来る限り高電力値が得られる様にするためには、フラッディング現象低減運転開始から所定時間が経過した後、燃料電池システム１の運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す必要がある。
このため、次は図５（ａ）を用いて、以下のステップＳ１１１〜Ｓ１１３に基づいて、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際の本実施形態における制御部３８の作用について詳細に説明する。
【００７０】
図５は、本発明の第１実施形態に係る制御部におけるフラッディング現象低減運転と通常運転の制御手順を示すフロー図である。
【００７１】
まず、上記ステップＳ１１０を経て、制御部３８は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量になるまで、酸化剤の供給量が減少する様に酸化剤供給量調整部３４を制御する酸化剤供給量減少制御信号を生成する。さらに、通常運転への移行後における配管Ｆ４の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管Ｆ４の流路開放度と同程度になるまで、配管Ｆ４の流路開放度が増加する様に流路開放度調整部３５を制御する流路開放度増加制御信号を生成する。その後、制御部３８が、上記で生成された酸化剤供給量減少制御信号を酸化剤供給量調整部３４に送信し、同時に、流路開放度増加制御信号を流路開放度調整部３５に送信する（ステップＳ１１１）。
そして、最後に、上記ステップＳ１１１で制御部３８から送信された酸化剤供給量減少制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部３４は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量Ｕ０と同程度の量になるまで、酸化剤供給部３３における酸化剤の供給量を減少させる調整（酸化剤供給量減少制御）を実行する。さらに、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップＳ１１１で制御部３８から送信された流路開放度増加制御信号に基づき、流路開放度調整部３５は、通常運転への移行後における配管Ｆ４の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管Ｆ４の流路開放度Ｖ０と同程度になるまで、配管Ｆ４の流路開放度を増加させる調整（流路開放度増加制御）を実行する（ステップＳ１１２）。これにより、酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度はフラッディング現象低減運転前における通常運転時と同程度になる。
最後に、上記ステップＳ１１２の酸化剤供給量減少制御および流路開放度増加制御を実行してから、燃料電池２の電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間Ｔ２が経過した後、制御部３８は、燃料電池２の電力値が安定状態に達したと判断する（ステップＳ１１３）。
以上の手順により、燃料電池システム１の運転状態は、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻る。
また、上記において、通常運転への移行後における酸化剤の供給量は、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保っている。ここで、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量とは、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値とフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値に対して±３．０％までの誤差を含む値であってもよい。
また、上記ステップＳ１１２の酸化剤供給量減少制御は、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行ってもよいし、流路開放度増加制御と順序問わず別々に行ってもよいが、配管Ｆ４内における圧力の安定性を保ちつつ、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻すことが可能となることから、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行うことが好ましい。
また、上記ステップＳ１１３の後、再度上記ステップＳ１０３から上記ステップＳ１１３までの一連のステップを１回または複数回行ってもよい。ここで、上記ステップＳ１１３の後に行う上記ステップＳ１０３〜Ｓ１１３の一連のステップを行う回数としては、特に制限はなく、１回でも複数回でもよいが、フラッディング現象が発生するたびに行う事が好ましい。
また、本実施形態では、燃料電池システム１の運転時間が短時間となる場合等、フラッディング現象低減運転時に得られる燃料電池２の電力値のまま運転しても良いとの事情があれば、上記ステップＳ１１１〜Ｓ１１３は必ずしも実施する必要はなく、燃料電池システム１の運転期間中は、ずっとフラッディング現象低減運転状態として燃料電池システム１を運転させてもよい。
【００７２】
また、フラッディング現象低減運転が長時間となると、酸化剤が長時間にわたってカソード触媒層２１３に供給される様になるため、次第にカソード触媒層２１３が乾燥していく。これによって、カソード極の電位が上昇する為、次第にカソード触媒層２１３における触媒が酸化していく事から、触媒の劣化が起こり、燃料電池２の電力値が低減する場合がある。
このため、燃料電池２における低減した電力値の回復を目的としてカソード触媒層２１３における酸化した触媒の還元を行うために、上記ステップＳ１１１〜Ｓ１１３の代わりに、以下のステップＳ１１４〜Ｓ１１９を行ってもよい。
これにより、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻す前に、酸化剤供給部３３における酸化剤の供給を停止させる運転（以下、酸化剤供給停止運転と定義する。）を行う事が可能となり、燃料電池２に供給する活物質をメタノール水溶液のみに限定する事ができる。このため、アノード極側から供給されたメタノール水溶液をカソード極に十分に浸透させる事によってカソード極の電位を下げる事ができる。その結果、酸化した触媒が還元する為、燃料電池２における低減した電力値を回復する事が可能となる。
次に、図５（ｂ）を用いて、以下のステップＳ１１４〜Ｓ１１９に基づいて、酸化剤供給停止運転を用いてフラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際の本実施形態における制御部３８の作用について詳細に説明する。
【００７３】
まず、上記ステップＳ１１０を経た後、制御部３８は、酸化剤供給部３３における酸化剤の供給が停止する様に酸化剤供給量調整部３４を制御する酸化剤供給停止制御信号を生成し、さらに、配管Ｆ４の流路開放度が増加する様に流路開放度調整部３５を制御する流路開放度増加制御信号を生成する。その後、制御部３８が、上記で生成された酸化剤供給停止制御信号を酸化剤供給量調整部３４に送信し、同時に、流路開放度増加制御信号を流路開放度調整部３５に送信する（ステップＳ１１４）。
次に、上記ステップＳ１１４で制御部３８から送信された酸化剤供給停止制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部３４は、酸化剤供給部３３における酸化剤の供給量を停止させる調整（酸化剤供給停止制御）を実行し、さらに、上記ステップＳ１１４で制御部３８から送信された流路開放度増加制御信号に基づき、配管Ｆ４の流路開放度が最大になるまで、流路開放度調整部３５は、配管Ｆ４の流路開放度を増加させる調整（流路開放度増加制御）を実行する（ステップＳ１１５）。
次に、上記ステップＳ１１５の酸化剤供給停止制御および流路開放度増加制御を実行してから、酸化した触媒が十分に還元した状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間Ｔ３が経過した後、制御部３８は、酸化した触媒が十分に還元した状態に達したと判断する（ステップＳ１１６）。
次に、制御部３８は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量になるまで、酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部３４を制御する酸化剤供給量増加制御信号を生成する。さらに、通常運転への移行後における配管Ｆ４の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管Ｆ４の流路開放度と同程度になるまで、配管Ｆ４の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部３５を制御する流路開放度減少制御信号を生成する。その後、生成した酸化剤供給量増加制御信号を酸化剤供給量調整部３４に送信し、同時に、流路開放度減少制御信号を流路開放度調整部３５に送信する（ステップＳ１１７）。
次に、上記ステップＳ１１７で制御部３８から送信された酸化剤供給量増加制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部３４は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量Ｕ０と同程度の量になるまで、酸化剤供給部３３における酸化剤の供給量を増加させる調整（酸化剤供給量増加制御）を実行する、さらに、上記ステップＳ１１７で制御部３８から送信された流路開放度減少制御信号に基づき、流路開放度調整部３５は、通常運転への移行後における配管Ｆ４の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管Ｆ４の流路開放度Ｖ０と同程度になるまで、配管Ｆ４の流路開放度を減少させる調整（流路開放度減少制御）を実行する（ステップＳ１１８）。これにより、酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度はフラッディング現象低減運転前における通常運転時と同程度になる。
最後に、上記ステップＳ１１８の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を実行してから、燃料電池２の電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間Ｔ４が経過した後、制御部３８は、燃料電池２の電力値が安定状態に達したと判断する（ステップＳ１１９）。
以上の手順により、燃料電池システム１の運転状態は、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻る。  
また、上記ステップＳ１１５における酸化剤供給停止制御は、流路開放度増加制御と同時に行ってもよいし、流路開放度増加制御と順序問わず別々に行ってもよいが、流路開放度増加制御と同時か、もしくは流路開放度増加制御よりも後に行うことが好ましい。これは、配管Ｆ４の流路開放度が小さいまま酸化剤供給停止制御を行うと、カソード極に空気や水が残存しやすくなり、カソード極側の背圧が高くなる事から、アノード極側からカソード極側に浸透するメタノール水溶液の量が抑制され、酸化したカソード触媒層２１３の還元を十分に行う事ができなくなるという問題が起こる場合がある。このため、上記ステップＳ１１５における酸化剤供給停止制御は、流路開放度増加制御と同時か、もしくは流路開放度増加制御よりも後に行うことによって、比較的高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となるため、カソード極に空気や水が残存することを抑制でき、カソード極側の背圧が高くなる事を抑制できることから、アノード極側から供給されるメタノール水溶液をカソード極側に十分に浸透することができ、酸化したカソード触媒層２１３の還元を十分に行う事が可能となる。
また、上記ステップＳ１１５における流路開放度増加制御において、制御後における配管Ｆ４の流路開放度の大きさは特に限定されないが、一層高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となり、酸化したカソード触媒層２１３の還元をより十分に行う事が可能となる事から、配管Ｆ４の流路開放度が最大になるまで流路開放度調整部３５を制御することが好ましい。
また、上記ステップＳ１１８における酸化剤供給量増加制御は、流路開放度減少制御と同時に行ってもよいし、流路開放度減少制御と順序問わず別々に行ってもよいが、配管Ｆ４内における圧力の安定性を保ちつつ、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻すことが可能となることから、流路開放度減少制御と同時に行うことが好ましい。
また、上記において、通常運転への移行後における酸化剤の供給量は、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保っている。ここで、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量とは、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値とフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値に対して±３．０％までの誤差を含む値であってもよい。
また、上記ステップＳ１１９の後、再度上記ステップＳ１０３から上記ステップＳ１１０まで行った後に上記ステップＳ１１４から上記ステップＳ１１９までの一連のステップを１回または複数回行ってもよい。ここで、上記ステップＳ１１９の後に行う上記一連のステップを行う回数としては、特に制限はなく、１回でも複数回でもよいが、フラッディング現象が発生するたびに行う事が好ましい。
また、本実施形態では、燃料電池システム１Ｂの運転時間が短時間となる場合等、フラッディング現象低減運転時に得られる燃料電池２Ｂの電力値のまま運転しても良いとの事情があれば、Ｓ１１４〜Ｓ１１９は必ずしも実施する必要はなく、燃料電池システム１の運転期間中は、ずっとフラッディング現象低減運転状態として燃料電池システム１を運転させてもよい。
【００７４】
また、制御部３８において、上記の判断に用いられるパラメータは、上記の燃料電池２の電力値Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に限られず、他のパラメータを用いてもよく、例えば、燃料電池２の電力値の代わりに、カソード流路の出口２５２における排水量等を用いてもよい。ここで、上記の判断に用いられるパラメータとして排水量を使用する場合、制御部３８の外部に用いられる上記の電流センサおよび電圧センサの代わりに水用流量センサを用いて排水量を測定した後、この排水量を制御部３８に送信する事によってパラメータとして排水量を使用する事ができる。
【００７５】
（第１実施形態における燃料電池システム１の作用効果）
次に、本実施形態における燃料電池システム１の作用効果について、従来における燃料電池システムと比較して説明する。
【００７６】
従来における燃料電池システムでは、フラッディング現象を低減する手段として、フラッディング現象の発生を検出した際に、燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量を増加させて、燃料電池から過剰な水分を排出させていた。
しかし、従来の燃料電池システムでは、フラッディング現象を低減する為に、酸化剤ガスの流量を増加させると、カソード触媒層における還元反応が一層促進されることから、カソード触媒層から生成される水の量が一層増加するため、過剰生成水の生成量が増加する傾向にある。
このため、酸化剤ガスの流路が過剰生成水によって閉塞されやすくなることから、過剰生成水および酸化剤ガスが流路内で滞留しやすくなるため、過剰生成水および酸化剤ガスの排出量が経時的に変化する。
これにより、酸化剤ガスの流路内の圧力が次第に安定しなくなることから、燃料電池における電力値の変動が増大するため、燃料電池における電力の安定供給性が低下するという問題があった。
【００７７】
これに対して、本実施形態における燃料電池システム１によれば、従来の様にカソード極においてフラッディング現象の発生を検出した際に、燃料電池２のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量を単に増加させただけの手段と異なり、フラッディング現象が発生したと判断される場合、酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部３４を制御する酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、配管Ｆ４の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部３５を制御する流路開放度減少制御を酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システム１の運転状態を通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる制御部３８を備えている。
これによって、フラッディング現象が発生した際に、制御部３８が、上記の酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記の流路開放度減少制御を酸化剤供給量増加制御と同時に行って、燃料電池システムの運転状態を通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させることから、フラッディング現象低減運転時に移行しても、酸化剤の供給量は通常運転時から低下せずに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保つことができる。  このことから、本発明では、従来の様にフラッディング現象を低減する事を目的として酸化剤の供給量を増加させていないため、酸化剤の供給量増加に伴うカソード触媒層２１３における還元反応が抑制される。
このため、フラッディング現象低減運転時におけるカソード触媒層２１３から生成される水の量が通常運転時と同程度の量を保つ事が出来る様になることから、過剰生成水の生成量を抑制する事が可能となる。
これにより、配管Ｆ４が過剰生成水によって閉塞されにくくなることから、過剰生成水および酸化剤が配管Ｆ４内で滞留しにくくなるため、過剰生成水および酸化剤の排出量における経時的な変化を抑制する事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減する際において、配管Ｆ４内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池２における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
また、本発明によれば、制御部３８が、上記の酸化剤供給量増加制御を行うことから、配管Ｆ４内の圧力が上昇するため、その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
以上により、本発明によれば、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、従来の様にフラッディング現象を解消している際において、燃料電池２のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量が通常運転時よりも比較的大きくなっている状態と異なり、フラッディング現象低減運転の際には、カソード極へ供給する酸化剤の供給量が通常運転時と同程度の量である事から、カソード極に発生する水を過剰に排出する事を抑制できる。
これにより、カソード触媒層２１３の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、カソード触媒層２１３における触媒の酸化を抑制できるようになる事から、触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、電解質膜２１１においても同様に膜の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、電解質膜２１１におけるプロトン伝導抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
さらに、上記により燃料電池２における電力値の変動が起こりにくくなることから、触媒の粒径成長や溶出促進等に起因した触媒の劣化を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池２における電力値の低下を抑制可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００７８】
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、制御部３８が、上記の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を行って燃料電池２の電力値が安定状態に達したと判断した後、制御部３８が、酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度が通常運転時と同程度になるまで、酸化剤供給量減少制御および流路開放度増加制御を行い、燃料電池システム１の運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へ移行させてもよい。
これにより、燃料電池２の電力値が安定状態に達した後、制御部３８が、燃料電池システム１の運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す事が可能となる。
このため、通常運転時において高電力値の燃料電池２が得られる最適条件値として酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度を設定した場合に、フラッディング現象低減運転時において、上記の最適条件値から酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度を変更させた事に起因して通常運転時よりも低下した燃料電池２の電力値を回復させる事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池２の電力値を回復可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００７９】
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、制御部３８が、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、酸化剤供給量減少制御および流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。
これにより、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、配管Ｆ４内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池２における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池２の電力値を回復可能かつフラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００８０】
また、上記において、フラッディング現象低減運転が長時間となると、酸化剤が長時間にわたってカソード触媒層２１３に供給される様になるため、次第にカソード触媒層２１３が乾燥していく。これによって、カソード極の電位が上昇する為、次第にカソード触媒層２１３における触媒が酸化していく事から、触媒の劣化が起こり、燃料電池２の電力値が低下する可能性がある。
これに対し、本実施形態における燃料電池システム１によれば、まず、制御部３８が、上記の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を行って燃料電池２の電力値が安定状態に達したと判断し、その後、酸化剤供給停止制御および流路開放度増加制御を行う。その後、所定時間Ｔ３が経過したら、制御部３８は、酸化した触媒が十分に還元した状態に達したと判断し、その後、酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度が通常運転時と同程度になるまで、酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を行うことによって、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行する事が可能である。
このため、酸化剤供給停止運転時においては酸化剤の供給を停止している事から、燃料電池２に供給する活物質をメタノール水溶液のみに限定する事ができる。これにより、アノード極側から供給されたメタノール水溶液は、カソード極で還元反応が起こらないため、アノード極側から供給されたメタノール水溶液をカソード極に十分に浸透させる事によってカソード極の電位を下げる事ができる。その結果、カソード触媒層２１３における酸化した触媒が還元する為、燃料電池２における低減した電力値を回復する事が可能となる。
したがって、酸化剤供給停止運転を実行しない場合と比べて、燃料電池２の電力値を一層回復する事が可能となる。
さらに、上記の効果に加えて、通常運転時において高電力値の燃料電池２が得られる最適条件値として酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度を設定した場合に、フラッディング現象低減運転時において、上記の最適条件値から酸化剤の供給量および配管Ｆ４の流路開放度を変更させた事に起因して通常運転時よりも低下した燃料電池２の電力値を一層回復させる事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池２の電力値を一層回復可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００８１】
また、上記において、配管Ｆ４の流路開放度が小さいまま酸化剤供給停止制御を行うと、カソード極に空気や水が残存しやすくなり、カソード極側の背圧が高くなる事から、アノード極側からカソード極側に浸透するメタノール水溶液の量が抑制され、酸化したカソード触媒層２１３の還元を十分に行う事ができなくなる場合があり、燃料電池２の電力値の回復が不十分となる可能性がある。
これに対し、本実施形態における燃料電池システム１によれば、制御部３８が、酸化剤供給停止制御および流路開放度増加制御を同時に行うか、もしくは酸化剤供給停止制御を流路開放度増加制御よりも後に行う事が可能である。
これにより、比較的高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となるため、カソード極に空気や水が残存することを抑制でき、カソード極側の背圧が高くなる事を抑制できる。このことから、アノード極側から供給されるメタノール水溶液をカソード極側に十分に浸透することができ、酸化したカソード触媒層２１３の還元を十分に行う事が可能となる。
したがって、燃料電池２の電力値を一層回復可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００８２】
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、制御部３８が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を同時に行ってもよい。
これにより、酸化剤供給停止運転から通常運転へ戻す際において、配管Ｆ４内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池２における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池２の電力値を回復可能かつ酸化剤供給停止運転から通常運転へ戻す際において、燃料電池２における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００８３】
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、制御部３８が、流路開放度増加制御において、配管Ｆ４内の流路開放度が最大になるまで流路開放度調整部３５を制御してもよい。
これにより、一層高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となるため、カソード極に空気や水が残存する事をより抑制でき、カソード極側の背圧が高くなる事をより抑制できる。このことから、アノード極側から供給されるメタノール水溶液をカソード極側により十分に浸透することができ、酸化したカソード触媒層２１３の還元をより十分に行う事が可能となる。
したがって、燃料電池２の電力値を一層回復可能な燃料電池システム１を実現する事が可能となる。
【００８４】
（第２実施形態）
上記の燃料電池システム１については、フラッディング現象が比較的生じやすいカソード極について説明したが、以下の理由により、アノード極においてもフラッディング現象が生じる場合がある。
すなわち、アノード極の活物質に水素やメタン等の気体燃料を用いた気体供給型の燃料電池や、アノード極の活物質に用いる液体メタノール等を改質器によって変換した水素等の気体燃料を直接アノード極に供給する改質型燃料電池等の燃料電池においては、アノード極とカソード極の両極には気体が供給される事になるため、浸透圧の差によってカソード極に発生した水がアノード極に浸透していく事から、アノード極においてもフラッディング現象が生じる場合がある。
このことから、本発明者らは、燃料電池システム１と同様の原理を用いる事で、アノード極に生じるフラッディング現象についても解消する事ができると考え、本実施形態における燃料電池システム１Ｂを見い出した。
このため、次は図６を用いて、水素を燃料として発電する水素型燃料電池２Ｂ（以下、単に燃料電池２Ｂと呼ぶ事もある。）を備える水素型燃料電池システム１Ｂ（以下、単に燃料電池システム１Ｂと呼ぶ事もある。）を一例として挙げて、本実施形態における燃料電池システム１Ｂについて詳細に説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００８５】
図６は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【００８６】
図６に示すように、本実施形態における燃料電池システム１Ｂは、燃料電池２Ｂと、気体燃料供給部３１Ｂと、燃料供給量調整部３４Ｂと、流路開放度調整部３５Ｂと、制御部３６Ｂと、配管Ｆ１Ｂ〜Ｆ４Ｂと、を備えている。
ここで、図６に示すように、燃料電池２Ｂと、気体燃料供給部３１Ｂと、燃料供給量調整部３４Ｂと、流路開放度調整部３５Ｂと、制御部３６Ｂと、配管Ｆ１Ｂ〜Ｆ４Ｂは、１つの筐体の中に収納されている。
【００８７】
燃料電池２Ｂにおいては、上述した燃料電池２と異なり、酸化反応時に一酸化炭素が発生しない為、燃料電池２Ｂにおける膜電極接合体２１Ｂの構成において、アノード触媒層２１２Ｂの電極触媒には、通常、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムは用いずに白金のみを使用しているが、これに限定されず、上述した燃料電池２と同じものを使用する事が可能である。
【００８８】
気体燃料供給部３１Ｂは、例えば、高圧水素ガスボンベなどの気体燃料容器であって、水素ガス等の気体燃料をアノード流路の入口２４１に供給する役割を果たしている。
また、図６に示すように、気体燃料供給部３１Ｂは、後述する配管Ｆ１Ｂを介して、アノード流路の入口２４１と接続されている。
【００８９】
燃料供給量調整部３４Ｂは、例えば、電動式バルブ等であり、気体燃料供給部３１Ｂから供給された気体燃料の供給量を調整して、アノード流路の入口２４１に供給する役割を果たしている。
また、図６に示すように、燃料供給量調整部３４Ｂは、後述する配管Ｆ１Ｂに設けられている。
【００９０】
流路開放度調整部３５Ｂは、例えば、電動式バルブ等であり、後述する配管Ｆ３Ｂにおける流路開放度、すなわち、配管Ｆ３Ｂの延伸方向に対して垂直方向に沿って示す断面積の大きさを調整する役割を果たしている。
また、図６に示すように、流路開放度調整部３５Ｂは、後述する配管Ｆ３Ｂに設けられている。
【００９１】
制御部３６Ｂは、例えば、信号処理用ＩＣ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータであり、以下の５つの役割を果たしている。
１つ目に、フラッディング現象が発生する前の燃料電池システム１Ｂの運転（以下、通常運転と定義する。）時におけるアノード極において、フラッディング現象が発生したか否かの判断を行う役割を果たしている。
２つ目に、フラッディング現象を低減している際の燃料電池システム１Ｂの運転（以下、フラッディング現象低減運転と定義する。）時におけるアノード極において、フラッディング現象が解消したか否かの判断を行う役割を果たしている。
３つ目に、上記の判断結果に基づいて、燃料供給量調整部３４Ｂを制御する役割を果たしている。
４つ目に、上記の判断結果に基づいて、流路開放度調整部３５Ｂを制御する役割を果たしている。
５つ目に、酸化剤供給部３３を駆動制御する役割を果たしている。
また、制御部３６Ｂは、以下の原理により、通常運転時における気体燃料の供給量を変えずに、同時に配管Ｆ３Ｂ内の圧力を上げる事が可能となる。すなわち、一般に、配管Ｆ４の流路開放度を一定に保ったまま、気体燃料の供給量を増加させた場合、配管Ｆ３Ｂ内の圧力は上がるが同時に気体燃料の供給量が増加してしまう。しかし、配管Ｆ３Ｂの流路開放度を減少させた場合、配管Ｆ３Ｂ内の圧力を上げつつ、同時に気体燃料の供給量が減少する。この為、気体燃料の供給量を増加させる時に同時に配管Ｆ３Ｂの流路開放度を減少させた場合、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、同時に配管Ｆ３Ｂ内の圧力を上げる事が可能となる。
また、図５に示すように、制御部３６Ｂは、燃料電池２Ｂ、酸化剤供給部３３、燃料供給量調整部３４Ｂ、流路開放度調整部３５Ｂと電気的に接続されている。
また、制御部３６Ｂは、燃料電池２Ｂと制御部３６Ｂとの間に、出力電圧を検出するための電圧センサ（図示せず）と、出力電流を検出するための電流センサ（図示せず）とが取り付けられている。この電流センサおよび電圧センサは、センサの各出力値から算出された電力値を制御部３６Ｂに送信する役割を果たしている。
また、制御部３６Ｂは、アノード極でフラッディング現象が発生しているか否か、もしくはフラッディング現象低減運転における最適条件としての気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度の値に到達しているか否か、フラッディング現象が解消しているか否か判断する為に必要な各種パラメータ情報を保存する記憶装置として、電力値情報記憶部（図示せず）を有している。これにより、制御部３６Ｂは、アノード極でフラッディング現象が発生しているか否か判断する事が可能となる。
また、制御部３６Ｂは、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行した際に、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保つ事が出来る様に、制御データ値として、燃料供給量調整部３４Ｂが調整する気体燃料供給部３１Ｂにおける気体燃料の供給量の値と、流路開放度調整部３５Ｂが調整する配管Ｆ３Ｂの流路開放度の値とが記載されたテーブル（以下、制御情報テーブルと称する。）が予め記録された制御情報記憶部（図示せず）を有している。ここで、上記の制御データ値は、フラッディング現象の解消に最適な値が予め設定されている。また、制御情報テーブルは、燃料電池２Ｂの温度や気体燃料の濃度等、燃料電池２Ｂの最適な電力値を得る為に必要な燃料電池２Ｂの運転条件に応じて変化する様に、燃料電池２Ｂの運転条件毎にそれぞれ複数設けられている。したがって、制御部３６Ｂは、アノード極において、フラッディング現象が発生したと判断した後、燃料電池２Ｂの運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池２Ｂの運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する。そして、制御部３６Ｂは、この選択された制御情報テーブルに記載された制御データ値として気体燃料の供給量Ｕ１'および配管Ｆ３Ｂの流路開放度Ｖ１'を参照し、これらの値に到達するまで、燃料供給量調整部３４Ｂおよび流路開放度調整部３５Ｂをそれぞれ制御する事が可能となる。
【００９２】
配管Ｆ１Ｂ、Ｆ３Ｂ、Ｆ４Ｂは、燃料電池システム１Ｂ内の各種気体の流路として、左記気体を輸送する役割を果たしており、それぞれ以下の通り、設けられている。
配管Ｆ１Ｂは、気体燃料供給部３１Ｂ内の気体燃料をアノード流路の入口２４１に供給する役割を果たしており、気体燃料供給部３１Ｂおよびアノード流路の入口２４１と接続されている。
配管Ｆ３Ｂは、アノード流路の出口２４２から排出された排出ガスを、アノード流路の入口２４１に供給する気体燃料として再利用することを目的として、アノード流路の出口２４２から排出された排出ガスを配管Ｆ１Ｂに供給する役割を果たしており、アノード流路の出口２４２および配管Ｆ１Ｂと接続されている。
配管Ｆ４Ｂは、カソード流路の出口２５２から排出された排出ガスを、カソード流路の入口２５１に供給する酸化剤として再利用することを目的として、カソード流路の出口２５２から排出された排出ガスを配管Ｆ２に供給する役割を果たしており、カソード流路の出口２５２および配管Ｆ２と接続されている。
【００９３】
以上の各構造により、燃料電池システム１Ｂが構成される。また、上記の構成において、酸化剤供給部３３には、第１実施形態と同様にエアーブロワーやエアーコンプレッサー等のエアーポンプを用いているが、本実施形態では、上記のエアーポンプに限られず、エアーポンプの代わりに、例えば、高圧酸素ガスボンベなどの気体酸化剤容器を用いてもよい。
【００９４】
（燃料電池システムの動作原理）
以上の構成により、燃料電池システム１Ｂは、以下の原理により、燃料電池２Ｂから生じた電力を外部負荷４１に供給する事ができる。
まず、気体燃料供給部３１Ｂから供給された水素は、アノード流路の入口２４１に供給された後、アノードセパレータ２４のアノード流路２６を通過し、アノードガス拡散層２１４に浸透した後、アノード触媒層２１２に到達する。
次に、水素がアノード触媒層２１２に到達して初めて下記の式（１）の通り、水素が酸化反応を起こして、電子を放出し、プロトンが生成される。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
次に、生成されたプロトンは、アノード触媒層２１２から電解質膜２１１の表面まで移動した後、電解質膜２１１の内部を透過し、やがてカソード触媒層２１３に供給される。
また、生成された電子は、以下「１」〜「９」の順で、カソード触媒層２１３に供給される。
「１」アノード触媒層２１２、「２」アノードガス拡散層２１４、「３」アノードセパレータ２４、「４」アノード集電体２２、「５」外部負荷４１、「６」カソード集電体２３、「７」カソードセパレータ２５、「８」カソードガス拡散層２１５、「９」カソード触媒層２１３。
次に、酸化剤供給部３３から供給された酸化剤は、カソード流路の入口２５１に供給された後、カソードセパレータ２５のカソード流路２７を通過し、カソードガス拡散層２１５に浸透した後、カソード触媒層２１３に到達する。
また、カソード触媒層２１３に供給されたプロトンは、上記の酸化剤との間で還元反応を起こして水が生成される。
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（２）
以上の酸化反応および還元反応により、燃料電池２Ｂに電流が流れ、燃料電池２から外部負荷４１に電力を供給することが可能となる。
【００９５】
次に、図７を用いて、以下のステップＳ２０１〜Ｓ２１０に基づいて、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行する際の本実施形態における制御部３６Ｂの作用について詳細に説明する。
【００９６】
図７は、本発明の第２実施形態に係る制御部における通常運転とフラッディング現象低減運転の制御手順を示すフロー図である。
【００９７】
まず、燃料電池システム１Ｂを起動して燃料電池２Ｂに電流を通電する（ステップＳ２０１）。
次に、燃料電池２Ｂへの通電開始と同時に燃料電池２Ｂにおける電力値の監視を開始して、監視開始時刻ｔａ'から所定時刻ｔｂ'までの時間区間Δｔ１'を設定した後、この時間区間Δｔ１'において、電圧センサが燃料電池２Ｂの平均出力電圧を検出し、電流センサが燃料電池２Ｂの平均出力電流を検出した後、両センサの各出力値から、燃料電池２Ｂの平均電力値Ｗ１'（以下、電力値Ｗ１'と定義する。）を算出して、この電力値Ｗ１'を制御部３６Ｂに含まれている電力値情報記憶部（図示せず）に保存し、設定する（ステップＳ２０２）。
次に、燃料電池２Ｂの電力値を常時監視して、上記の所定時刻ｔｂ'から監視終了時刻ｔｃ'までの時間区間Δｔ２'を設定した後、この時間区間Δｔ２'における燃料電池２Ｂの平均電力値Ｗ２'（ただし、Ｗ１'＞Ｗ２'。以下、電力値Ｗ２'と定義する。）を任意の時間に取得する（ステップＳ２０３）。
次に、電力値Ｗ１'と電力値Ｗ２'との差△Ｗ'を算出する（ステップＳ２０４）。
次に、電力値Ｗ１'と電力値Ｗ２'との差△Ｗ'が所定値Ｓ１'以上の値であるか否か判断する（ステップＳ２０５）。
ここで、ステップＳ２０５で、制御部３６Ｂが、電力値Ｗ１'と電力値Ｗ２'との差△Ｗ'が所定値Ｓ１'以上の値でないと判断した場合（ＮＯの場合）は、燃料電池２Ｂの電力値は比較的大きく低下しておらず、フラッディング現象が発生していないと判断して、ステップＳ２０３に戻り、ステップＳ２０４まで繰り返し算出する。一方、制御部３６Ｂが、電力値Ｗ１'と電力値Ｗ２'との差△Ｗ'が所定値Ｓ１'以上の値であると判断した場合（ＹＥＳの場合）は、燃料電池２Ｂの電力値は比較的大きく低下しており、フラッディング現象が発生していると判断する。この場合、制御部３６Ｂは、燃料電池２Ｂの温度および気体燃料の濃度等の燃料電池２Ｂの運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池２Ｂの運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する（ステップＳ２０６）。
次に、制御部３６Ｂは、この選択された制御情報テーブルに記載された気体燃料の供給量および流路開放度の各制御データ値（以下、この値を気体燃料の供給量Ｕ１'、流路開放度Ｖ１'とする。）を参照する（ステップＳ２０７）。
次に、制御部３６Ｂは、上記で参照した気体燃料の供給量Ｕ１'に到達するまで気体燃料の供給量が増加する様に燃料供給量調整部３４Ｂを制御する燃料供給量増加制御信号を生成し、さらに上記で参照した流路開放度Ｖ１'に到達するまで配管Ｆ３Ｂの流路開放度が減少する様に流路開放度調整部３５Ｂを制御する流路開放度減少制御信号を生成する。その後、制御部３６Ｂは、上記で生成した燃料供給量増加制御信号を燃料供給量調整部３４Ｂに送信し、同時に、流路開放度減少制御信号を流路開放度調整部３５Ｂに送信する（ステップＳ２０８）。
次に、上記ステップＳ２０８で制御部３６Ｂから送信された燃料供給量増加制御信号に基づき、燃料供給量調整部３４Ｂは、通常運転時に既に設定された気体燃料の供給量Ｕ０'から上記で参照した気体燃料の供給量Ｕ１'に到達するまで、気体燃料供給部３１Ｂにおける気体燃料の供給量を増加させる調整（燃料供給量増加制御）を実行する。さらに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップＳ２０８で制御部３６Ｂから送信された流路開放度減少制御信号に基づき、流路開放度調整部３５Ｂは、通常運転時に既に設定された配管Ｆ３Ｂの流路開放度Ｖ０'から上記で参照した配管Ｆ３Ｂの流路開放度Ｖ１'に到達するまで、配管Ｆ３Ｂの流路開放度を減少させる調整（流路開放度減少制御）を上記の燃料供給量増加制御と同時に実行する（ステップＳ２０９）。  最後に、上記ステップＳ２０９の燃料供給量増加制御および流路開放度減少制御を実行してから、燃料電池２Ｂの電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間Ｔ１'が経過した後、制御部３６Ｂは、燃料電池２Ｂの電力値が安定状態に達したと判断する（ステップＳ２１０）。
以上の手順により、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行することで、制御部３６Ｂは、燃料電池２Ｂにおける電力の安定供給性低下を抑制しつつ、フラッディング現象を低減させることが可能となる。
また、上記において、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量は、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保っている。ここで通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量とは、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値と通常運転時における気体燃料の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値が通常運転時における気体燃料の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値が通常運転時における気体燃料の供給量の値に対して±３．０％までの誤差を含む値であってもよい。
なお、上記の時間区間Δｔ１'、時間区間Δｔ２'および所定値Ｓ１'については、ユーザーが所望する値を使用する事が可能であるが、所定値Ｓ１'については、燃料電池システムの通電開始後からフラッディング現象の発生時までにかけて減少した燃料電池２Ｂの電力値の減少率を表す値を設定する事が好ましく、この具体的な値として、例えば、下記（４）式より算出した値のうち、３〜６（％）を予め設定して使用する事がより好ましい。但し、下記（４）式において、ａは燃料電池システムの通電開始直後の燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）であり、ｂは燃料電池システムの通電開始後から１時間経過後に測定した燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）である。
【００９８】
【数２】
0006639994.tif 000003
【００９９】
また、通常運転時において、高電力値の燃料電池２Ｂが得られる最適条件値として、気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度を設定した場合、フラッディング現象低減運転時においては、上記の最適条件値から気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度を変更させるため、燃料電池２Ｂの電力値が通常運転時よりも低下することがある。したがって、この場合、燃料電池２Ｂについて出来る限り高電力値が得られる様にするためには、フラッディング現象が低減運転開始から所定時間が経過した後、燃料電池システム１Ｂの運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す必要がある。
このため、次は図８を用いて、以下のステップＳ２１１〜Ｓ２１３に基づいて、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻す際の本実施形態における制御部３６Ｂの作用について詳細に説明する。
【０１００】
図８は、本発明の第２実施形態に係る制御部におけるフラッディング現象低減運転と通常運転の制御手順を示すフロー図である。
【０１０１】
まず、上記ステップＳ２１０を経て、制御部３６Ｂは、通常運転への移行後における気体燃料の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量になるまで、気体燃料の供給量が減少する様に燃料供給量調整部３４Ｂを制御する燃料供給量減少制御信号を生成する。さらに、通常運転への移行後における配管Ｆ３Ｂの流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管Ｆ３Ｂの流路開放度と同程度になるまで、配管Ｆ３Ｂの流路開放度が増加する様に流路開放度調整部３５Ｂを制御する流路開放度増加制御信号を生成する。その後、制御部３６Ｂが、生成した燃料供給量減少制御信号を燃料供給量調整部３４Ｂに送信し、同時に、流路開放度増加制御信号を流路開放度調整部３５Ｂに送信する（ステップＳ２１１）。
そして、最後に、上記ステップＳ２１１で制御部３６Ｂから送信された燃料供給量減少制御信号に基づき、燃料供給量調整部３４Ｂは、通常運転への移行後における気体燃料の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における気体燃料の供給量Ｕ０'と同程度の量になるまで、気体燃料供給部３１Ｂにおける気体燃料の供給量を減少させる調整（燃料供給量減少制御）を実行する。さらに、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップＳ２１１で制御部３６Ｂから送信された流路開放度増加制御信号に基づき、流路開放度調整部３５Ｂは、通常運転への移行後における配管Ｆ３Ｂの流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管Ｆ３Ｂの流路開放度Ｖ０'と同程度になるまで、配管Ｆ３Ｂの流路開放度を増加させる調整（流路開放度増加制御）を実行する（ステップＳ２１２）。これにより、気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度はフラッディング現象低減運転前における通常運転時と同程度の量になる。
最後に、上記ステップＳ２１２の燃料供給量減少制御および流路開放度増加制御を実行してから、燃料電池２Ｂの電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間Ｔ２'が経過した後、制御部３６Ｂは、燃料電池２Ｂの電力値が安定状態に達したと判断する（ステップＳ２１３）。
以上により、燃料電池システム１Ｂの運転状態は、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻る。
また、上記において、通常運転への移行後における気体燃料の供給量は、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保っている。ここで、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量とは、通常運転への移行後における気体燃料の供給量の値とフラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、通常運転への移行後における気体燃料の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、通常運転への移行後における気体燃料の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値に対して±３．０％までの誤差を含む値であってもよい。
また、上記ステップＳ２１２の燃料供給量減少制御は、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行ってもよいし、流路開放度増加制御と順序問わず別々に行ってもよいが、配管Ｆ３Ｂ内における圧力の安定性を保ちつつ、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻すことが可能となることから、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行うことが好ましい。
また、上記ステップＳ２１３の後、再度上記ステップＳ２０３から上記ステップＳ２１３までの一連のステップを１回または複数回行ってもよい。ここで、上記ステップＳ２１３の後に行う上記ステップＳ２０３〜Ｓ２１３の一連のステップを行う回数としては、特に制限はなく、１回でも複数回でもよいが、フラッディング現象が発生するたびに行う事が好ましい。
また、本実施形態では、燃料電池システム１Ｂの運転時間が短時間となる場合等、フラッディング現象低減運転時に得られる燃料電池２Ｂの電力値のまま運転しても良いとの事情があれば、上記ステップＳ２１１〜Ｓ２１３は必ずしも実施する必要はなく、燃料電池システム１Ｂの運転期間中は、ずっとフラッディング現象低減運転状態として燃料電池システム１Ｂを運転させてもよい。
【０１０２】
また、制御部３６Ｂにおいて、上記の判断に用いられるパラメータは、上記の燃料電池２Ｂの電力値Ｗ１'、Ｗ２'、Ｗ３'に限られず、他のパラメータを用いてもよく、例えば、燃料電池２Ｂの電力値の代わりに、アノード流路の出口２４２における排水量等を用いてもよい。ここで、上記の判断に用いられるパラメータとして排水量を使用する場合、制御部３６Ｂの外部に用いられる上記の電流センサおよび電圧センサの代わりに水用流量センサを用いて排水量を測定した後、この排水量を制御部３６Ｂに送信する事によってパラメータとして排水量を使用する事ができる。
【０１０３】
（第２実施形態における燃料電池システム１Ｂの作用効果）
次に、本実施形態における燃料電池システム１Ｂの作用効果について説明する。
【０１０４】
従来における気体燃料を用いた燃料電池においては、アノード極とカソード極の両極には気体が供給される事になるため、浸透圧の差によってカソード極に発生した水がアノード極に浸透していく事から、アノード極においてもカソード極と同様にフラッディング現象が生じる場合があるという問題があった。
これに対して、本実施形態における燃料電池システム１Ｂによれば、アノード極においてフラッディング現象が発生したと判断される場合、気体燃料の供給量が増加する様に燃料供給量調整部３４Ｂを制御する燃料供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、配管Ｆ３Ｂの流路開放度が減少する様に流路開放度調整部３５Ｂを制御する流路開放度減少制御を燃料供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システム１Ｂの運転状態を通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる制御部３６Ｂを備えている。
これによって、アノード極においてフラッディング現象が発生した際に、制御部３６Ｂが、上記の燃料供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記の流路開放度減少制御を燃料供給量増加制御と同時に行って、燃料電池システムの運転状態を通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させることから、フラッディング現象低減運転時に移行しても、気体燃料の供給量は通常運転時から低下せずに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保つことができる。
このことから、本発明では、フラッディング現象を低減する事を目的として気体燃料の供給量を増加させていないため、気体燃料の供給量増加に伴うアノード触媒層２１２における酸化反応が抑制される。
このため、フラッディング現象低減運転時において、カソード極で発生し、浸透圧の差によってアノード触媒層２１２に浸透された水の量が通常運転時と同程度の量を保つ事が出来る様になることから、アノード極における過剰生成水の生成量を抑制する事が可能となる。
これにより、配管Ｆ３Ｂが過剰生成水によって閉塞されにくくなることから、過剰生成水および気体燃料が配管Ｆ３Ｂ内で滞留しにくくなるため、過剰生成水および気体燃料の排出量における経時的な変化を抑制する事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減する際において、配管Ｆ３Ｂ内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池２Ｂにおける電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池２Ｂにおける電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
また、本発明によれば、制御部３６Ｂが、上記の燃料供給量増加制御を行うことから、配管Ｆ３Ｂ内の圧力が上昇するため、その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
以上により、本発明によれば、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池２Ｂにおける電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム１Ｂを実現する事が可能となる。
また、本実施形態における燃料電池システム１Ｂによれば、フラッディング現象低減運転の際には、アノード極へ供給する気体燃料の供給量が通常運転時と同程度の量である事から、カソード極からアノード極に浸透された水を過剰に排出する事を抑制できる。
これにより、アノード触媒層２１２の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、アノード触媒層２１２における触媒の酸化を抑制できるようになる事から、触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、電解質膜２１１についても同様に膜の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、電解質膜２１１におけるプロトン伝導抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
さらに、上記により燃料電池２Ｂにおける電力値の変動が起こりにくくなることから、触媒の粒径成長や溶出促進等に起因した触媒の劣化を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池２Ｂにおける電力値の低下を抑制可能な燃料電池システム１Ｂを実現する事が可能となる。
【０１０５】
また、本実施形態における燃料電池システム１Ｂによれば、制御部３６Ｂが、上記の燃料供給量増加制御および流路開放度減少制御を行って燃料電池２Ｂの電力値が安定状態に達したと判断した後、制御部３６Ｂが、気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度が通常運転時と同程度になるまで、燃料供給量減少制御および流路開放度増加制御を行い、燃料電池システム１Ｂの運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へ移行させてもよい。
これにより、燃料電池２Ｂの電力値が安定状態に達した後、制御部３６Ｂが、燃料電池システム１Ｂの運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す事が可能となる。
このため、通常運転時において高電力値の燃料電池２Ｂが得られる最適条件値として気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度を設定した場合に、フラッディング現象低減運転時において、上記の最適条件値から気体燃料の供給量および配管Ｆ３Ｂの流路開放度を変更させた事に起因して通常運転時よりも低下した燃料電池２Ｂの電力値を回復させる事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池２Ｂの電力値を回復可能な燃料電池システム１Ｂを実現する事が可能となる。
【０１０６】
また、本実施形態における燃料電池システム１Ｂによれば、制御部３６Ｂが、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、燃料供給量減少制御および流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。
これにより、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、配管Ｆ３Ｂ内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池２Ｂにおける電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池２Ｂにおける電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池２Ｂの電力値を回復可能かつフラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、燃料電池２Ｂにおける電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム１Ｂを実現する事が可能となる。
【０１０７】
また、本発明の実施形態における「燃料電池システム１」および「燃料電池システム１Ｂ」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、本発明の実施形態における「燃料電池２」および「燃料電池２Ｂ」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本発明の実施形態における「カソード触媒層２１３」および「カソードガス拡散層２１５」が本発明における「カソード極」の一例に相当し、本発明の実施形態における「酸化剤供給部３３」が本発明における「酸化剤供給部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「酸化剤供給量調整部３４」が本発明における「酸化剤供給量調整部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「配管Ｆ４」が本発明における「酸化剤排出流路部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「流路開放度調整部３５」および「流路開放度調整部３５Ｂ」が本発明における「流路開放度調整部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「制御部３８」および「制御部３６Ｂ」が本発明における「制御部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「アノード触媒層２１２」および「アノードガス拡散層２１４」が本発明における「アノード極」の一例に相当し、本発明の実施形態における「気体燃料供給部３１Ｂ」が本発明における「気体燃料供給部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「燃料供給量調整部３４Ｂ」が本発明における「燃料供給量調整部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「配管Ｆ３Ｂ」が本発明における「燃料排出流路部」の一例に相当する。
【０１０８】
また、以上説明した本発明の第１の実施形態における燃料電池システム１および燃料電池２については、それぞれダイレクトメタノール型燃料電池システムおよびダイレクトメタノール型燃料電池のみに限られず、例えば、水素やヒドラジンやエタノール等を燃料としたアニオン型燃料電池等の他のタイプの燃料電池にも適用する事ができる。
また、以上説明した本発明の第２の実施形態における燃料電池システム１Ｂおよび燃料電池２Ｂについては、それぞれ水素型燃料電池システムおよび水素型燃料電池に限られず、例えば、アノード極の活物質に水素やメタン等の気体燃料を用いた直接気体供給型の燃料電池や、アノード極の活物質に用いる液体メタノール等を改質器によって変換した水素等の気体燃料を直接アノード極に供給する改質型燃料電池等の燃料電池にも適用する事ができる。
【０１０９】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【実施例】
【０１１０】
以下に、本発明をより具体化した実施例及び比較例により本発明の効果を確認した。以下の実施例及び比較例は、上述した本発明の第１実施形態における燃料電池システムの性能低下の抑制効果を確認するためのものである。
【０１１１】
＜実施例１＞
高分子電解質膜として、厚さ１２５μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名、登録商標））を準備した。次いで、高分子電解質膜の一方主面に、アノード触媒層を形成するための触媒インク（パーフルオロ化イオン交換重合体が添加されたイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液に白金−ルテニウム触媒（白金・ルテニウムと導電性炭素粒子の質量比１：１）が分散したもの）を印刷により設けた。また、高分子電解質膜の他方主面には、カソード触媒層を形成するための触媒インク（パーフルオロ化イオン交換重合体が添加されたイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液に白金触媒（白金担持量が７０質量％）が分散したもの）を印刷により設けた。
次に、上記の様に触媒インクが印刷された高分子電解質膜を１３０℃で１時間オーブンを用いて加熱してアノード触媒層およびカソード触媒層を形成した後、アノード触媒層上に、カーボンペーパー、アノードセパレータおよびアノード集電体をこの順で積層させ、また、カソード触媒層上に、カーボンペーパー、カソードセパレータおよびカソード集電体をこの順で積層させ、単電池の燃料電池を作製した。
次に、単電池の燃料電池を図１に対して上方向に７５層積層して、最上部および最下部におけるそれぞれの燃料電池において、図１に対して上下方向から２枚の樹脂板で押し付けた後、ボルトによって燃料電池および樹脂版を機械的に固定させることによって多層型の燃料電池を作製した。
【０１１２】
次に、上記で作製した多層型の燃料電池を、各配管を介して、燃料タンクおよび酸化剤供給部に接続し、さらに、配線を介して外部負荷に接続した。
次に、燃料タンクを準備し、各配管を介して、燃料タンクを外部燃料タンクおよび循環タンクに接続した。
次に、液体ポンプを準備し、以下の（１）〜（３）の各配管に接続した。
（１）燃料タンクと燃料電池のアノード流路の入口とを接続する配管
（２）燃料タンクと循環タンクとを接続する配管
（３）燃料タンクと外部燃料タンクとを接続する配管
次に、操作盤を備えたエアーポンプを準備し、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の入口とを接続する配管に接続した。
次に、電動式バルブを準備し、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管に接続した。
次に、制御部として、マイクロコンピュータを準備し、上記の各種液体ポンプ、操作盤および電動式バルブに接続し、さらに、電流センサおよび電圧センサを介して、燃料電池に接続した。
以上の各構成のうち、外部燃料タンクおよび外部負荷以外の構成については、１つの筐体の中に収納して、外部燃料タンクおよび外部負荷については、上記の筐体の外部に設置する事により、燃料電池システムを作製した。以上の試験サンプルを用いて以下の試験を行った。
【０１１３】
≪燃料電池システムの性能測定試験≫
作製した燃料電池システムにおいて、アノード極には１mol/Lのメタノール水溶液（メタノール濃度３．０%）を、カソード極には０．４L/minの空気（大気中酸素濃度２１%）を供給した際の電力値［ｍＷ／ｃｍ２］を連続的に測定した。そして、この測定結果から、燃料電池システムの性能として、燃料電池システムの通電開始後からフラッディング現象の発生時までにかけて減少した燃料電池２Ｂの電力値の減少率を表す電力値減少率Ｘを下記（５）式より算出した。但し、下記（５）式において、ａは燃料電池システムの通電開始後の燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）であり、ｂは燃料電池システムの通電開始後から１時間経過後に測定した燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）である。
【０１１４】
【数３】
0006639994.tif 000004
【０１１５】
また、燃料電池システムの性能として、燃料電池システムの起動後１２分経過後から１時間経過後までに測定した燃料電池の平均電力値（以下、単に平均電力値と定義する。）からのばらつきの大きさを表す燃料電池の電力値の標準偏差σを下記（６）式より算出した。但し、下記（６）式において、ｎは電力値の測定数、x_iはある測定点１点における燃料電池の電力値（ｍＷ／ｃｍ２）であり、μは燃料電池システムの起動後１２分経過後から１時間経過後までに測定した燃料電池の平均電力値（ｍＷ／ｃｍ２）である。
【０１１６】
【数４】
0006639994.tif 000005
【０１１７】
これにより、上記の電力値減少率および電力値の標準偏差の結果から、燃料電池システムの性能低下の抑制効果を評価した。
なお、実施例１では、以下の運転条件で燃料電池システムを運転させた。
すなわち、運転時間は1時間とした。また、制御部は、運転開始から６分後にカソード極でフラッディング現象が発生したと判断し、その後、カソード極の入口に供給される空気の圧力が運転開始時から１時間経過後において１ｋＰａ上昇する様に、電動式バルブに制御信号を送信して、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の入口とを接続する配管の延伸方向に対して垂直方向に沿って示す断面積が電動式バルブを閉める前の断面積の約５０％の面積に到達するまで電動式バルブを徐々に閉める様、制御した。また、それと同時に、制御部は、エアーポンプの操作盤に制御信号を送信して、エアーポンプの出力が上昇する様に制御した。以上の２つの制御によって、空気の供給量がフラッディング現象が発生する前の状態から同一の状態を保てる様、調整した。測定結果を図９、表１および表２に示す。
【０１１８】
図９は、本発明の実施例における燃料電池の電力値と燃料電池システムの起動後の経過時間との関係を示したグラフである。
【０１１９】
＜比較例１＞
実施例１の比較例として、上記の運転条件にて、電動式バルブを制御しなかった事およびエアーポンプの出力を制御しなかった事以外は実施例１と同様にして試験サンプルをそれぞれ作製し、電力値測定試験を行った。測定結果を図９、表１および表２に示す。
【０１２０】
＜比較例２＞
実施例１の比較例として、上記の運転条件にて、エアーポンプの出力を制御しなかった事以外は実施例１と同様にして試験サンプルをそれぞれ作製し、電力値測定試験を行った。測定結果を図９、表１および表２に示す。
【０１２１】
＜比較例３＞
実施例１の比較例として、上記の運転条件にて、電動式バルブを制御しなかった事以外は実施例１と同様にして試験サンプルをそれぞれ作製し、電力値測定試験を行った。測定結果を図９、表１および表２に示す。
【０１２２】
【表１】
0006639994.tif 000006
【０１２３】
【表２】
0006639994.tif 000007
【０１２４】
また、図９および表１に示すように、実施例１については、比較例１〜３と比べて、最も電力値減少率が低かった。また、図９および表２に示すように、実施例１については、比較例１〜３と比べて、最も電力値の標準偏差が小さかった。
以上により、実施例１については、燃料電池システムの性能低下の抑制効果が優れることが分かった。
一方、図９および表１に示すように、比較例１、比較例２および比較例３については、実施例１と比べて、電力値減少率が高かった。また、図９および表２に示すように、比較例１、比較例２および比較例３については、実施例１と比べて、電力値の標準偏差が大きかった。
以上により、比較例１、比較例２および比較例３については、実施例１と比べて、燃料電池システムの性能低下の抑制効果が劣ることが分かった。
【０１２５】
ここで、上記の結果が得られたのは以下の理由によるものと考えられる。
すなわち、実施例１に係る燃料電池システムについては、制御部が、フラッディング現象が発生する前の通常運転時における空気の供給量と同一の状態を保ちつつ、以下の制御１、２を同時に行った事により、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内における圧力の安定性を保つことが可能となるので、燃料電池における電力値の変動が起こりにくくなった事に起因するためと考えられる。
ここで、制御１としては、制御部が、フラッディング現象が発生したと判断される場合、エアーポンプにおける空気の供給量が増加する様にエアーポンプの出力を上げる制御を行った事が挙げられる。
また、制御２としては、制御部が、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管に設けられた電動式バルブを閉める制御を行った事が挙げられる。
一方、比較例１に係る燃料電池システムについては、電力値減少率が実施例１よりも高くなっているが、これは、上記制御１および制御２を行わなかった事により、フラッディング現象を解消できず、生成された過剰生成水によってカソード触媒層への空気の供給が阻害され、燃料電池の還元反応が十分に行われずに、電力値が顕著に小さくなった事に起因するためと考えられる。また、電力値の標準偏差が実施例１よりも高くなっているが、これは、上記制御１および制御２を行わなかった事により、フラッディング現象を解消できず、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内における圧力の安定性を保つことができなくなり、燃料電池における電力値の変動を抑制できなかった事に起因するためと考えられる。
また、比較例２に係る燃料電池システムについては、電力値減少率が実施例１よりも高くなっているが、これは、上記制御１を行わなかった事により、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内において、時間と共に圧力損失が上昇した。これにより、時間と共に空気の供給量が小さくなる事から、燃料電池の還元反応が十分に行われずに、電力値が顕著に小さくなった事に起因するためと考えられる。また、電力値の標準偏差が実施例１よりも高くなっているが、これは、上記制御１を行わなかった事により、フラッディング現象を十分に解消できず、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内における圧力の安定性を保つことができなくなり、燃料電池における電力値の変動を抑制できなかった事に起因するためと考えられる。
また、比較例３に係る燃料電池システムについては、電力値減少率が実施例１よりも高くなっているが、これは、上記制御２を行わなかった事により、燃料電池システムの運転開始直後から、カソード極に供給される空気の供給量が時間と共に大きくなり、燃料電池の還元反応が一層促進された為、燃料電池の酸化還元反応が一層促進された状態となった事から、燃料電池システムの運転開始直後数分間において電力値が急激に上昇した。しかし、燃料電池の還元反応が一層促進される為、過剰生成水の生成量が増加し、燃料電池の還元反応を抑制する事から、その後は、電力値が急激に下降した事に起因するためと考えられる。また、電力値の標準偏差が実施例１よりも高くなっているが、これは、上記制御２を行わなかった事により、カソード極に供給される空気の供給量が時間と共に大きくなるため、燃料電池の還元反応が一層促進され、過剰生成水の生成量が増加する事で、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内が過剰生成水によって閉塞されやすくなる。このことから、上記配管内における圧力の安定性を保つことができなくなり、燃料電池における電力値の変動を抑制できなかった事に起因するためと考えられる。
【０１２６】
以上のように、実施例１に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池システムの性能低下の抑制効果が確認された。
【符号の説明】
【０１２７】
１，１Ｂ  …  燃料電池システム
２，２Ｂ  …  燃料電池
２１  …  膜電極接合体
２１１  …  電解質膜
２１２  …  アノード触媒層
２１３  …  カソード触媒層
２１４  …  アノードガス拡散層
２１５  …  カソードガス拡散層
２１６Ａ，２１６Ｂ…補強層
２２…アノード集電体
２３…カソード集電体
２４  …  アノードセパレータ
２４１  …  アノード流路の入口
２４２  …  アノード流路の出口
２５  …  カソードセパレータ
２５１  …  カソード流路の入口
２５２  …  カソード流路の出口
２６…アノード流路
２７…カソード流路
２８，２９…ガスケット
３１  …  燃料タンク
３１Ｂ  …  気体燃料供給部
３２  …  フィルタ
３３  …  酸化剤供給部
３４  …  酸化剤供給量調整部
３４Ｂ  …  燃料供給量調整部
３５，３５Ｂ  …  流路開放度調整部
３６  …  凝縮部
３７  …  循環タンク
３８，３６Ｂ  …  制御部
Ｆ１〜Ｆ８，Ｆ１Ｂ，Ｆ３Ｂ，Ｆ４Ｂ  …  配管
Ｇ１〜Ｇ３  …  ポンプ
４０  …  外部燃料タンク
４１  …  外部負荷
【図１】
0006639994.tif 000008
【図２】
0006639994.tif 000009
【図３】
0006639994.tif 000010
【図４】
0006639994.tif 000011
【図５】
0006639994.tif 000012
【図６】
0006639994.tif 000013
【図７】
0006639994.tif 000014
【図８】
0006639994.tif 000015
【図９】
0006639994.tif 000016