(57)【要約】無加湿条件又は高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システム及びその運転方法であって、燃料電池は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置され、且つ、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定装置と、前記判定装置において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やす燃料ガス制御装置を備えることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を備える単セルを備えるスタックを備える燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を備え；且つ
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置され；
前記燃料電池システムは：
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を判定する判定装置；並びに
前記判定装置において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やす燃料ガス制御装置を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を判定する判定装置；並びに
少なくとも、ｉ）前記判定装置において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らす燃料ガス制御装置、又は、ｉｉ）前記判定装置において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やす酸化剤ガス制御装置、のいずれか一方を備え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】
前記判定装置が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの抵抗の最低値の１０５％を超える値である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定する判定装置Ａであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定装置が、燃料電池全体の抵抗値及び電圧を測定し、当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの抵抗の最低値の１０５％未満であり、且つ、当該電圧が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの電圧の最高値の９５％未満である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定する判定装置Ｂであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判定装置が、前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定する判定装置Ｃであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判定装置が、前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定する判定装置Ｄであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガス圧力制御弁が前記燃料ガス流路出口近傍に備えられ、前記燃料ガス制御装置が、前記燃料ガス圧力制御弁の調節によって燃料ガス圧力を減らす燃料ガス圧力制御装置であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス圧力制御装置が、前記燃料ガス圧力制御弁を調節して、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らすことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
酸化剤ガス供給装置も備えられ、前記酸化剤ガス制御装置が、前記酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減らす酸化剤ガス流量制御装置であることを特徴とする、請求項２乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガス流量制御装置が、前記酸化剤ガス供給装置を調節して、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らすことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給装置をさらに備え、
前記燃料ガス制御装置が、前記燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増やす燃料ガス流量制御装置であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料ガス流量制御装置が、前記燃料ガス供給装置を調節して、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やすことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記酸化剤ガス流路出口近傍に配置され、酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御弁をさらに備え、
前記酸化剤ガス制御装置が、前記酸化剤ガス圧力制御弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増やす酸化剤ガス圧力制御装置であることを特徴とする、請求項２乃至１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記酸化剤ガス圧力制御装置が、前記酸化剤ガス圧力制御弁を調節して、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やすことを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料ガス制御装置；
前記酸化剤ガス制御装置；
請求項３に記載の判定装置Ａ及び／又は請求項５に記載の判定装置Ｃ；
請求項４に記載の判定装置Ｂ及び／又は請求項６に記載の判定装置Ｄ；
前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送促進制御開始装置Ａ；
前記水分輸送促進制御開始装置Ａが前記燃料ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置を停止させる水分輸送促進制御停止装置Ａ；
前記水分輸送促進制御停止装置Ａが前記燃料ガス制御装置を停止させた後に、前記酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ａ；
前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送抑制制御停止装置Ａ；並びに
前記水分輸送抑制制御停止装置Ａが前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記水分輸送促進制御開始装置Ａによって前記燃料ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定装置Ａを備えることを特徴とする、請求項２乃至１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料ガス制御装置；
前記酸化剤ガス制御装置；
請求項３に記載の判定装置Ａ及び／又は請求項５に記載の判定装置Ｃ；
請求項４に記載の判定装置Ｂ及び／又は請求項６に記載の判定装置Ｄ；
前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ｂ；
前記水分輸送抑制制御開始装置Ｂが前記酸化剤ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置を停止させる水分輸送抑制制御停止装置Ｂ；
前記水分輸送抑制制御停止装置Ｂが前記酸化剤ガス制御装置を停止させた後に、前記燃料ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送促進制御開始装置Ｂ；
前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送促進制御停止装置Ｂ；並びに
前記水分輸送促進制御停止装置Ｂが前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記水分輸送抑制制御開始装置Ｂによって前記酸化剤ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続する水分量不足最終判定装置Ｂを備えることを特徴とする、請求項２乃至１５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料ガス制御装置；
前記酸化剤ガス制御装置；
請求項３に記載の判定装置Ａ及び／又は請求項５に記載の判定装置Ｃ；
請求項４に記載の判定装置Ｂ及び／又は請求項６に記載の判定装置Ｄ；
前記燃料ガス制御装置を１回以上作動させる水分小過剰輸送促進制御開始装置；
前記水分小過剰輸送促進制御開始装置が前記燃料ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置を停止させる水分小過剰輸送促進制御停止装置；
前記水分小過剰輸送促進制御停止装置が前記燃料ガス制御装置を停止させた後に、前記酸化剤ガス制御装置を作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ｃ；
前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送抑制制御停止装置Ｃ；
前記水分輸送抑制制御停止装置Ｃが前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記燃料ガス制御装置を作動させる水分輸送促進制御開始装置Ｃ；並びに
前記水分輸送促進制御開始装置Ｃが前記燃料ガス制御装置を作動させた後に、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記水分輸送抑制制御開始装置Ｃによって前記酸化剤ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料ガス制御装置を停止させ、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送促進制御停止装置Ｃを備えることを特徴とする、請求項２乃至１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料ガス制御装置；
前記酸化剤ガス制御装置；
請求項３に記載の判定装置Ａ及び／又は請求項５に記載の判定装置Ｃ；
請求項４に記載の判定装置Ｂ及び／又は請求項６に記載の判定装置Ｄ；
前記酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる水分小過剰輸送抑制制御開始装置；
前記水分小過剰輸送抑制制御開始装置が前記酸化剤ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置を停止させる水分小過剰輸送抑制制御停止装置；
前記水分小過剰輸送抑制制御停止装置が前記酸化剤ガス制御装置を停止させた後に、前記燃料ガス制御装置を作動させる水分輸送促進制御開始装置Ｄ；
前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送促進制御停止装置Ｄ；
前記水分輸送促進制御停止装置Ｄが前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記酸化剤ガス制御装置を作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ｄ；並びに
前記水分輸送抑制制御開始装置Ｄが前記酸化剤ガス制御装置を作動させた後に、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、再度前記水分輸送促進制御開始装置Ｄによって前記燃料ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰でないと判定された場合に、前記酸化剤ガス制御装置を停止し、前記燃料電池の運転を継続する水分輸送抑制制御停止装置Ｄを備えることを特徴とする、請求項２乃至１７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置された単セルを備えるスタックを備える燃料電池の運転方法であって、
ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを判定し；且つ
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やすことを含むことを特徴とする、燃料電池の運転方法。
【請求項２０】
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し；
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らし；
ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し；
前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているか否かを判定し；並びに
前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やすことをさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２１】
燃料電池全体の抵抗値を測定し；並びに
当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２２】
燃料電池全体の電圧を測定し；並びに
当該電圧が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２３】
前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し；並びに
当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２４】
前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し；並びに
当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２５】
燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされることを特徴とする、請求項１９乃至２４のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２６】
酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされることを特徴とする、請求項１９乃至２５のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２７】
燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされることを特徴とする、請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２８】
酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされることを特徴とする、請求項１９乃至２７のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項２９】
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；
その後、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；並びに
その後、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記燃料ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９乃至２８のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３０】
前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；
その後、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；並びに
その後、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記酸化剤ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３１】
１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；
その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；
その後、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；
その後、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；並びに
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記酸化剤ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９乃至３０のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３２】
１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；
その後、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；
その後、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；並びに
その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、再度前記燃料ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰ではないと判定された場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９乃至３１のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セルの面内における水分の不均一な分布を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード（すなわち、燃料極）では式（１）の反応が進行する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−        （１）
前記式（１）で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（すなわち、酸化剤極）に到達する。そして、前記式（１）で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは式（２）の反応が進行する。
２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ          （２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池は、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
水分（この明細書においては、「水分」という語は広い意味で用いられ、そのため「水分」という語は湿気その他を含む。）が過剰である場合には、燃料電池内部において凝縮した水が、触媒層やガス拡散層の空隙、及びはなはだしい場合にはガス流路を塞いでガスの供給を阻害し、発電のためのガスが触媒層に充分行き渡らずに燃料電池の出力の低下を引き起こす。また、燃料電池内の水分が不足した場合には、内部抵抗が増大して燃料電池の出力及び発電効率の低下を引き起こす。この問題を解決するために、後述するように、これまでにも様々な技術が開示されている。
【０００６】
特開２００２−３５２８２７は、ｉ）燃料電池内部の水分量の過不足を判定する水分量判定手段と、ｉｉ）当該水分量判定手段による燃料電池の内部水分量の過不足の判定結果に基づいて、燃料電池に供給される酸素及び／又は水素のガス供給量を制御するガス供給量制御手段とを備える燃料電池システムに関する技術を開示している。
【０００７】
特開２００６−２１０００４は、燃料電池が、ｉ）酸化剤ガス流路に流れる空気量を調節する空気量調節手段と、ｉｉ）電解質膜が乾燥傾向にあるか否かを判定する判定手段と、ｉｉｉ）電解質膜が乾燥傾向であると判定した場合に、酸化剤ガス流路に流れる空気圧力を通常運転時よりも高く制御する制御手段を備える燃料電池システムに関する技術を開示している。
【０００８】
特表平６−５０４４０３は、燃料ガス中の水蒸気分圧を調節して、カソードからアノードへ電解質膜を通して水又は水蒸気を移動させることで、カソード中の水分を除去する技術を開示している。
【０００９】
特許３７３６４７５は、酸化剤ガス中に含まれる水分を凝集して回収し、電解質膜を介して燃料ガス流路入口部分へ水分の供給を促進する技術を開示している。これは、燃料電池内に燃料ガスと酸化剤ガスが互いに対向した流れとなるように燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が設けられ、酸化剤ガス流路出口部分を冷却する冷却水路がさらに設けられていることにより達成される。
【００１０】
特開２００１−６６９８は、酸化剤ガス流路における乾燥速度を低下させ、酸化剤ガス中への水蒸気の蒸発量を抑制する技術を開示している。これは、燃料電池の運転時に、酸化剤ガス流路入口の温度を、酸化剤ガス流路出口の温度よりも低くなるようにし、かつ、酸化剤ガス流路入口の拡散層のガス拡散性を、酸化剤ガス流路出口のガス拡散性よりも低くすることにより達成される。
【００１１】
無加湿の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料電池の運転、いわゆる無加湿運転の場合には、燃料電池が有する単セルの面内で水分が不均一に分布しやすい。すなわち、酸化剤ガス流路入口近傍の領域は乾燥しやすく、酸化剤ガス流路出口近傍の領域は湿潤状態になりやすい。したがって、単セルの面内で水分量の均質化を図る必要がある。これは、膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする高温条件においても同様である。特開２００２−３５２８２７及び特開２００６−２１０００４に開示された技術は、いずれも課題解決手段を有しており、すなわち、当該手段はいずれも燃料電池全体での水分量の過不足を判定し、その判定結果に対してガスを調節する。しかし、これらの技術はいずれも単セルの面内における不均一な水分の分布を考察していない。したがって、これらの技術は、単セル面内における過剰な水分又は過少な水分が存在する場合には、有効な技術ではないと考えられる。特に、特開２００６−２１０００４に開示された制御手段においては、空気圧力を増やす課題解決手段が、エアーコンプレッサー出力増加による燃費悪化という背反を有すると考えられる。特表平６−５０４４０３、特許３７３６４７５、及び特開２００１−６６９８に開示された技術は、いずれも酸化剤ガス流路内の主に出口近傍に蓄積した水分を、電解質膜を通過させて燃料ガス流路へと透過させることに関する課題解決手段を有している。特に、特許３７３６４７５及び特開２００１−６６９８に開示された技術は、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路が対向しているため、酸化剤ガス流路出口近傍→燃料ガス流路入口近傍→燃料ガス流路出口近傍→酸化剤ガス流路入口近傍へと水分が循環することに関する課題解決手段を有している。しかし、特表平６−５０４４０３、特許３７３６４７５、及び特開２００１−６６９８に開示された技術であったとしても、水分の量が過不足か否かを判定する判定手段、同様にその判定手段が下した結論に基づいてガスを調節するガス制御手段については、考察がなされていない。また、特表平６−５０４４０３に開示された技術は、酸化剤ガス流路におけるフラッディングを防止することが意図されており、酸化剤ガス流路入口近傍の領域の乾燥を防止することは意図されていない。
【発明の概要】
【００１２】
上記の如き課題に鑑みて、本発明は、単セルの面内における水分の不均一な分布を防止する燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供する。
【００１３】
そこで、本発明の最初の側面は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を備える単セルを備えるスタックを備える燃料電池を備え、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムに関する。前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置されている。前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を判定する判定装置、並びに、前記判定装置において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やす燃料ガス制御装置を含む。
【００１４】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止することができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記判定装置を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に確認することができる。
【００１５】
前記燃料電池システムは、また、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を判定する判定装置、並びに少なくとも、ｉ）前記判定装置において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らす燃料ガス制御装置、又は、ｉｉ）前記判定装置において、前記酸化剤ガス流路入口近傍、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やす酸化剤ガス制御装置、のいずれか一方を含んでいてもよい。
【００１６】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止することができる。また、本発明によって、酸化剤ガスによって運ばれ、本発明の燃料電池システム外へ排出される水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄積させることができる。さらに、本発明の燃料電池システムは、前記判定装置を備えることにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量不足及び水分量過剰を的確に確認することができる。
【００１７】
また、上述した燃料電池システムにおいて、前記判定装置が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの抵抗の最低値の１０５％を超える値である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定する判定装置Ａであってもよい。
【００１８】
この種の機構を備える燃料電池システムは、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に確認することができる。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記判定装置が、燃料電池全体の抵抗値及び電圧を測定し、当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの抵抗の（湿潤状態における）最低値の１０５％未満であり、且つ、当該電圧が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの電圧の最高値の９５％未満である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定する判定装置Ｂであってもよい。
【００２０】
この種の機構を備える燃料電池システムは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認することができる。
【００２１】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記判定装置が、前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定する判定装置Ｃであってもよい。
【００２２】
この種の機構を備える燃料電池システムは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に確認することができる。
【００２３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記判定装置が、前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値である時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定する判定装置Ｄであってもよい。
【００２４】
この種の機構を備える燃料電池システムは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認することができる。
【００２５】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料ガス圧力制御弁が前記燃料ガス流路出口近傍に備えられ、前記燃料ガス制御装置が、前記燃料ガス圧力制御弁の調節によって燃料ガス圧力を減らす燃料ガス圧力制御装置であってもよい。
【００２６】
この種の機構を備える燃料電池システムは、前記燃料ガス圧力制御弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を減らすことができる。
【００２７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス圧力制御装置が、前記燃料ガス圧力制御弁を調節して、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らしてもよい。
【００２８】
この種の機構を備える燃料電池システムは、燃料ガス圧力を適切な範囲内に保つことにより、燃料ガス中に十分な水分量を保つ結果として、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を増やすことができる。
【００２９】
また、前記燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス供給装置も備えられ、前記酸化剤ガス制御装置が、前記酸化剤ガス供給装置の調節によって酸化剤ガス流量を減らす酸化剤ガス流量制御装置であってもよい。
【００３０】
この種の機構を備える燃料電池システムは、前記酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減らすことができる。
【００３１】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流量制御装置が、前記酸化剤ガス供給装置を調節して、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らしてもよい。
【００３２】
この種の機構を備える燃料電池システムは、酸化剤ガスのストイキ比を適切な範囲内へ減らすことにより、酸化剤ガスによって前記燃料電池外へ運ばれる水分量を減らす結果として、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を減らすことができる。
【００３３】
また、前記燃料電池システムは、燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給装置も備え、前記燃料ガス制御装置が、前記燃料ガス供給装置の調節によって燃料ガス流量を増やす燃料ガス流量制御装置であってもよい。
【００３４】
この種の機構を備える燃料電池システムは、前記燃料ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、燃料ガス流量を増やすことができる。
【００３５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス流量制御装置が、前記燃料ガス供給装置を調節して、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やしてもよい。
【００３６】
この種の機構を備える燃料電池システムは、燃料ガスのストイキ比を適切な範囲内へ増やすことにより、前記高分子電解質膜を乾燥させてしまうことなく、燃料ガス中に十分な水分量を保つ結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を増やすことができる。
【００３７】
また、前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路出口近傍に配置され、酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御弁をさらに備え、前記酸化剤ガス制御装置が、前記酸化剤ガス圧力制御弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増やす酸化剤ガス圧力制御装置であってもよい。
【００３８】
この種の機構を備える燃料電池システムは、前記酸化剤ガス圧力制御弁の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス圧力を増やすことができる。
【００３９】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス圧力制御装置が、前記酸化剤ガス圧力制御弁を調節して、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やしてもよい。
【００４０】
この種の機構を備える燃料電池システムは、酸化剤ガス圧力を適切な範囲内に保つことにより、酸化剤ガスによって前記燃料電池外へ運ばれる水分量を減らす結果、前記酸化剤ガス流路に電解質膜を通じて輸送できる水分量を減らすことができる。
【００４１】
また、前記燃料電池システムは、前記燃料ガス制御装置；前記酸化剤ガス制御装置；前記判定装置Ａ及び／又は前記判定装置Ｃ；前記判定装置Ｂ及び／又は前記判定装置Ｄ；前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送促進制御開始装置Ａ；前記水分輸送促進制御開始装置Ａが前記燃料ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置を停止させる水分輸送促進制御停止装置Ａ；前記水分輸送促進制御停止装置Ａが前記燃料ガス制御装置を停止させた後に、前記酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ａ；前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送抑制制御停止装置Ａ；並びに水分量不足最終判定装置Ａを含んでいてもよい。当該水分量不足最終判定装置Ａは、前記水分輸送抑制制御停止装置Ａが前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記水分輸送促進制御開始装置Ａによって前記燃料ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続する。
【００４２】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された時に、前記水分輸送促進制御開始装置Ａを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御開始装置Ａを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増やすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムによって、前記水分量不足最終判定装置Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体における水分が不均一な分布となることを防止することができる。
【００４３】
また、前記燃料電池システムは、前記燃料ガス制御装置；前記酸化剤ガス制御装置；前記判定装置Ａ及び／又は前記判定装置Ｃ；前記判定装置Ｂ及び／又は前記判定装置Ｄ；前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ｂ；前記水分輸送抑制制御開始装置Ｂが前記酸化剤ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置を停止させる水分輸送抑制制御停止装置Ｂ；前記水分輸送抑制制御停止装置Ｂが前記酸化剤ガス制御装置を停止させた後に、前記燃料ガス制御装置を１回以上作動させる水分輸送促進制御開始装置Ｂ；前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送促進制御停止装置Ｂ；並びに水分量不足最終判定装置Ｂを含んでいてもよい。当該水分量不足最終判定装置Ｂは、前記水分輸送促進制御停止装置Ｂが前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記水分輸送抑制制御開始装置Ｂによって前記酸化剤ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続する。
【００４４】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送抑制制御開始装置Ｂを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に十分な水分量が蓄積した後に、前記水分輸送促進制御開始装置Ｂを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムによって、前記水分量不足最終判定装置Ｂの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体における水分が不均一な分布となることを防止することができる。
【００４５】
また、前記燃料電池システムは、前記燃料ガス制御装置；前記酸化剤ガス制御装置；前記判定装置Ａ及び／又は前記判定装置Ｃ；前記判定装置Ｂ及び／又は前記判定装置Ｄ；前記燃料ガス制御装置を１回以上作動させる水分小過剰輸送促進制御開始装置；前記水分小過剰輸送促進制御開始装置が前記燃料ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置を停止させる水分小過剰輸送促進制御停止装置；前記水分小過剰輸送促進制御停止装置が前記燃料ガス制御装置を停止させた後に、前記酸化剤ガス制御装置を作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ｃ；前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送抑制制御停止装置Ｃ；前記水分輸送抑制制御停止装置Ｃが前記酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記燃料ガス制御装置を作動させる水分輸送促進制御開始装置Ｃ；並びに水分輸送促進制御停止装置Ｃを含んでいてもよい。当該水分輸送促進制御停止装置Ｃは、前記水分輸送促進制御開始装置Ｃが前記燃料ガス制御装置を作動させた後に、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記水分輸送抑制制御開始装置Ｃによって前記酸化剤ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ａ及び／又はＣによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料ガス制御装置を停止させ、前記燃料電池の運転を継続する。
【００４６】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、初めに前記水分小過剰輸送促進制御開始装置を使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記水分輸送抑制制御開始装置Ｃを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に十分な水分量が蓄積した後に、前記水分輸送促進制御開始装置Ｃを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムは、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持することができない触媒層（意図的に触媒を酸化させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を備える燃料電池を備える場合に、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【００４７】
また、前記燃料電池システムは、前記燃料ガス制御装置；前記酸化剤ガス制御装置；前記判定装置Ａ及び／又は前記判定装置Ｃ；前記判定装置Ｂ及び／又は前記判定装置Ｄ；前記酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる水分小過剰輸送抑制制御開始装置；前記水分小過剰輸送抑制制御開始装置が前記酸化剤ガス制御装置を作動させた後、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガス制御装置を停止させる水分小過剰輸送抑制制御停止装置；前記水分小過剰輸送抑制制御停止装置が前記酸化剤ガス制御装置を停止させた後に、前記燃料ガス制御装置を作動させる水分輸送促進制御開始装置Ｄ；前記判定装置Ａ及び／又はＣによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させる水分輸送促進制御停止装置Ｄ；前記水分輸送促進制御停止装置Ｄが前記燃料ガス制御装置の全ての要素を停止させた後に、前記酸化剤ガス制御装置を作動させる水分輸送抑制制御開始装置Ｄ；並びに水分輸送抑制制御停止装置Ｄを含んでいてもよい。当該水分輸送抑制制御停止装置Ｄは、前記水分輸送抑制制御開始装置Ｄが前記酸化剤ガス制御装置を作動させた後に、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、再度前記水分輸送促進制御開始装置Ｄによって前記燃料ガス制御装置を作動させ、前記判定装置Ｂ及び／又はＤによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰でないと判定された場合に、前記酸化剤ガス制御装置を停止し、前記燃料電池の運転を継続する。
【００４８】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、初めに前記水分小過剰輸送抑制制御開始装置を使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記水分輸送促進制御開始装置Ｄを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御開始装置Ｄを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増やすことで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムは、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持することができない電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を備える燃料電池を備える場合に、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【００４９】
本発明の他の側面は、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、他面側に設けられた燃料ガス流路とを備え、且つ、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置された単セルを備えるスタックを備える燃料電池の運転方法に関する。この燃料電池の運転方法は、ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを判定し；且つ前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やすことを含む。
【００５０】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止する燃料電池の運転方法が実現できる。
【００５１】
前記燃料電池の運転方法は、また、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し；前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らし；ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し；前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているか否かを判定し；並びに前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を抑制することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増やすことを含んでいてもよい。
【００５２】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法によって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止する燃料電池の運転方法が実現できる。また、本発明の燃料電池の運転方法によって、酸化剤ガスによって運ばれ、燃料電池外へ排出される水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄積させることができる。
【００５３】
また、前記燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の抵抗値を測定し；並びに当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定することを含んでいてもよい。
【００５４】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に確認することができる。
【００５５】
また、前記燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の電圧を測定し；並びに当該電圧が、予め測定した各温度における前記単セル及び／又は前記スタックの電圧の最高値の９５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定することを含んでいてもよい。
【００５６】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認することができる。
【００５７】
また、前記燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し；並びに当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定することを含んでいてもよい。
【００５８】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に確認することができる。
【００５９】
また、前記燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し；並びに当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰である、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定することを含んでいてもよい。
【００６０】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認することができる。
【００６１】
また、前記燃料電池の運転方法において、燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされてもよい。
【００６２】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、燃料ガス圧力を適切な範囲内へ減らすことにより、燃料ガス中に十分な水分量を保つ結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らすことができる。
【００６３】
また、前記燃料電池の運転方法において、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされてもよい。
【００６４】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、酸化剤ガスのストイキ比を適切な範囲内へ減らすことで、酸化剤ガスによって前記燃料電池外へ運ばれる水分量を減らす結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増やすことができる。
【００６５】
また、前記燃料電池の運転方法において、燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされてもよい。
【００６６】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、燃料ガスのストイキ比を適切な範囲内へ増やすことで、前記高分子電解質膜を乾燥させてしまうことなく、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らすことができる。
【００６７】
また、前記燃料電池の運転方法において、酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされてもよい。
【００６８】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法は、酸化剤ガス圧力を適切な範囲内へ増やすことで、酸化剤ガスによって前記燃料電池外へ運ばれる水分量を減らす結果、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を増やすことができる。
【００６９】
また、前記燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；その後、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；並びにその後、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記燃料ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続することを含んでいてもよい。
【００７０】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、燃料ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、酸化剤ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増やすことで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池の運転方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを最終的に判定し、前記水分量が不足している場合には再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体における水分が不均一な分布となることを防止することができる。
【００７１】
また、前記燃料電池の運転方法は、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；その後、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；その後、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記酸化剤ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料電池の運転を継続することを含んでいてもよい。
【００７２】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、酸化剤ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に十分な水分量が蓄積した後に、燃料ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池の運転方法によって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか否かを最終的に判定し、前記水分量が不足している場合には再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体における水分が不均一な分布となることを防止することができる。
【００７３】
また、前記燃料電池の運転方法は、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；その後に、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；その後、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；その後、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度前記酸化剤ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、前記燃料ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続することを含んでいてもよい。
【００７４】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法によって、初めに燃料ガスを制御して前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に酸化剤ガスを制御して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に十分な水分量が蓄積した後に、燃料ガスを制御して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持することができない触媒層（意図的に触媒を酸化させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を備える燃料電池を運転する場合に、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【００７５】
また、前記燃料電池の運転方法は、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、前記酸化剤ガスの制御を停止し；その後、１回以上、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、前記燃料ガスの制御を停止し；その後、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やし；その後、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、再度前記燃料ガスの制御を開始し、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰ではないと判定された場合に、前記酸化剤ガス制御を停止し、前記燃料電池の運転を継続することを含んでいてもよい。
【００７６】
この種の機構を備える燃料電池の運転方法によって、初めに酸化剤ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に燃料ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、酸化剤ガスを制御することによって前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増やすことで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池の運転方法は、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持することができない電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を備える燃料電池を運転する場合に、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【００７７】
本発明によれば、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止することができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記判定装置を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
本発明の特徴、利点、並びに、技術的及び産業的重要性は、以下の本発明の具体例の詳細な説明により、数字等が要素等を示す、添付図面を用いて説明される。
【００７９】
【図１】本発明の燃料電池システム中の単セルを積層方向に切断した断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池システムにおける単セルの水の循環について示した断面模式図である。
【図３】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。
【図４】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第２の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第３の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第４の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図８】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第５の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第６の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図１０】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第７の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図１１】本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第８の典型例のルーチンを示したフローチャートである。
【図１２】水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル電圧変化を示したグラフである。
【図１３】水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル抵抗変化を示したグラフである。
【図１４】水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口露点湿度変化を示したグラフである。
【図１５】水素ガスのストイキ比の変化に伴うカソード出口露点湿度変化を示したグラフである。
【図１６】水素ガスのストイキ比の変化に伴う水素ガス圧損変化を示したグラフである。
【図１７】水素ガスのストイキ比の変化に伴う空気圧損変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
本発明の燃料電池の運転方法は、ｉ）高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、ｉｉ）当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、ｉｉｉ）他面側に設けられた燃料ガス流路とを備える単セルを備えるスタックを備える燃料電池の運転方法である。前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置される。ｉ）無加湿条件か、又は、ｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が増やされる。
【００８１】
この燃料電池の運転方法を実行するための好適な本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を備える単セルを備えるスタックを備える燃料電池を備える燃料電池システムである。燃料ガス及び酸化剤ガスが当該燃料電池に供給される。前記燃料電池システムは、ｉ）無加湿条件か、又は、ｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下で作動する。前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を備える。前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置されている。さらに、前記燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を判定する判定装置と、前記判定装置において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やす燃料ガス制御装置とを備える。
【００８２】
本発明の燃料電池の運転方法は、ｉ）高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体と、ｉｉ）当該膜・電極接合体の一面側に設けられた酸化剤ガス流路と、ｉｉｉ）他面側に設けられた燃料ガス流路とを備える単セルを備えるスタックを備える燃料電池の運転方法である。前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置される。ｉ）無加湿条件か、又は、ｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らすことが好ましい。また、ｉ）無加湿条件か、又は、ｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やすことが好ましい。
【００８３】
この燃料電池の運転方法を実行するための本発明の好適な燃料電池システムは、高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を備える単セルを備えるスタックを備える燃料電池を備える燃料電池システムである。燃料ガス及び酸化剤ガスが当該燃料電池に供給される。当該燃料電池システムは、ｉ）無加湿条件か、又は、ｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下で作動する燃料電池システムである。前記燃料電池は、前記膜・電極接合体の一面側に燃料ガス流路を、他面側に酸化剤ガス流路を備える。前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置されている。さらに、当該燃料電池システムには、判定装置、並びに、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が備えられている。前記判定装置は、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量を判定する。前記燃料ガス制御装置は、前記判定装置において前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らす。前記酸化剤ガス制御装置は、前記判定装置において前記酸化剤ガス流路入口近傍、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やす。
【００８４】
ここで、固体高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜である。ナフィオン（商標名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエチル又はポリパラフェニレンのような汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（すなわち、プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜が例に含まれる。
【００８５】
いずれの電極も、触媒層とガス拡散層を備える。触媒層は、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。触媒は、通常、導電性粒子に担持された触媒成分である。触媒成分は、燃料極における燃料の酸化反応又は酸化剤極における酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されない。触媒成分は、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものが使用されてもよい。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金が使用されてもよい。
【００８６】
触媒担体としての役目をする導電性粒子は、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料を用いてもよい。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
【００８７】
触媒インクは上記のような触媒と高分子電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。高分子電解質は、燃料電池において使用される高分子電解質である。上述した固体高分子電解質膜に用いられるようなフッ素系高分子電解質及び炭化水素系高分子電解質等が具体例に含まれる。触媒インクの溶媒は、適宜選択してよい。例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いてもよい。触媒インクは、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有していてもよい。
【００８８】
触媒インクの塗布方法、乾燥方法は適宜選択してよい。例えば、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが塗布方法の例に含まれる。また、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧下における加熱乾燥などが乾燥方法の例に含まれる。減圧乾燥、加熱乾燥のための具体的な条件は制限されず、適宜設定してよい。触媒インクの塗布量は、触媒インクの組成や、電極触媒に用いられる触媒金属の触媒性能等によって異なるが、単位面積当りの触媒成分量が、０．０１〜２．０ｍｇ／ｃｍ２程度であれば十分である。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度で十分である。
【００８９】
触媒層の形成方法は特に限定されない。例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面上に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面上に触媒層が形成されてもよい。或いは、電解質膜表面上に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面上に触媒層が形成されてもよい。或いは、初めに転写用基材表面上に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、その後この転写シートを、電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着接合等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離することによって、電解質膜表面上かガス拡散層シート表面上に触媒層が形成されてもよい。
【００９０】
ガス拡散層を形成するガス拡散層シートは、ガス伝導性、ガスを効率良く触媒層へ供給することができるガス拡散性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するものである。例えば、ガス拡散層シートは、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅の合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体により形成されてもよい。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００９１】
ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層が備えられていてもよい。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができる点で有利である。
【００９２】
作製された膜・電極接合体は、さらに、セパレータで狭持され、単セルが形成される。セパレータは、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能することができる。例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等が用いられてもよい。耐腐食性に優れた金属材料からなる金属セパレータや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性が高められた金属セパレータ等が金属セパレータの例に含まれる。セパレータには、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流路が形成されている。
【００９３】
本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムに用いることができる燃料ガスとしては、典型的な燃料電池のアノード電極に用いられる気体、具体的には、水素ガスが用いられてもよい。本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムに用いることができる酸化剤ガスとしては、典型的な燃料電池のカソード電極に用いられる気体、具体的には、空気、酸素ガスが用いられてもよい。
【００９４】
図１は、上述した単セルの一例を積層方向に切断した断面模式図である。図に示されるように、本発明の燃料電池システム中の燃料電池の単セル１００は、高分子電解質膜１をカソード電極６及びアノード電極７で挟持した膜・電極接合体８を備える。単セル１００は、当該膜・電極接合体８を電極の外側から挟んだ一対のセパレータ９及び１０を備える。セパレータと電極の境界におけるカソード電極６側に酸化剤ガス流路１１が確保され、セパレータと電極の境界におけるアノード電極７側に燃料ガス流路１２が確保されている。カソード電極６はカソード触媒層２とガス拡散層４とが共に積層したものからなる。アノード電極７はアノード触媒層３とガス拡散層５とが共に積層したものからなる。さらに、前記酸化剤ガス流路１１と前記燃料ガス流路１２が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が対向するように配置されている。ここで、図１中の前記流路１１及び１２中の丸の中央に点の記号は、図が描かれている紙面に垂直、且つ図を見る者に向かう方向にガスが流れていることを意味する。丸の中央にＸの記号は、図が描かれている紙面に垂直、且つ図を見る者から離れてガスが流れていることを意味する。さらに、特に示されてはいないが、酸化剤ガス流路１１の入口近傍の領域が、燃料ガス流路１２の出口近傍の領域から電解質膜１の反対側に、且つ、酸化剤ガス流路１１の出口近傍の領域が、燃料ガス流路１２の入口近傍の領域から電解質膜１の反対側にある。ちなみに、図１中には、ガス流路が蛇行した流路として描かれているが、特にガス流路は特定の形態ではない。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスの流れが対向していれば、どのような形態でもよい。
【００９５】
酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法の一例は、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値以上であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定することであってもよい。水分量の判定場所を酸化剤ガス流路入口近傍とした理由は、例えば、車載用燃料電池においては、典型的に酸化剤ガスとして空気、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、ある所定のストイキ比におけるガス流量は水素ガスよりも空気の方が多く存在するようになるため、酸化剤ガス流路入口においてまず単セル又はスタックが乾燥し始めることが想定されるからである。水分量の判定場所を酸化剤ガス流路出口近傍とした理由は、例えば、後述するような燃料ガス制御装置を作動させた後に、酸化剤ガス流路出口近傍において水分量の一時的な不足となる可能性が考えられるからである。
【００９６】
前記判定装置が、燃料電池全体の抵抗値を測定し、当該抵抗値が、予め測定した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１０５％を超える値であった時に、ｉ）前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、及び／又は、ｉｉ）前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかを判定するように構成されることができる（この種の判定装置を、以下、判定装置Ａと呼ぶ）。これは、燃料電池全体の抵抗値を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に確認できるからである。ちなみに、燃料電池全体の抵抗値が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１１０％を超える値であった時に水分量不足と判定するのがより好ましく、燃料電池全体の抵抗値が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の抵抗の最低値の１２０％を超える値であった時に水分量不足と判定するのがさらに好ましい。
【００９７】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法の一例は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を判定し、当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以下であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定することである。
【００９８】
前記判定装置が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％未満であった時に、ｉ）前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足しているか、及び／又は、ｉｉ）前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているかを判定するように構成されてもよい（この種の判定装置を、以下、判定装置Ｃと呼ぶ）。これは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の不足を的確に確認できるからである。ちなみに、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１００％未満であった時に水分量不足と判定するのがより好ましく、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の９５％未満であった時に水分量不足と判定するのがさらに好ましい。
【００９９】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法の一例は、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め測定した各温度における単セル及びスタックの少なくとも一方の電圧の最低値以下であった時に、単セル内又はスタック内が水分過剰であると判定することである。
【０１００】
前記判定装置が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め測定した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の電圧の最低値の９５％未満であった時に、ｉ）前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、及び／又は、ｉｉ）前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかを判定するように構成されてもよい（この種の判定装置を、以下、判定装置Ｂと呼ぶ）。これは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認できるからである。ちなみに、燃料電池全体の電圧が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の電圧の最低値の９０％未満であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、燃料電池全体の電圧が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の電圧の最低値の８５％未満であった時に水分量過剰と判定するのがさらに好ましい。
【０１０１】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法の一例は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以上であった時に、単セル内又はスタック内が水分量過剰であると判定することである。
【０１０２】
前記判定装置が、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％を超える値であった時に、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかを判定するように構成されてもよい（この種の判定装置を、以下、判定装置Ｄと呼ぶ）。これは、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認できるからである。ちなみに、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１１０％を超える値であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１２０％を超える値であった時に水分量過剰と判定するのがさらに好ましい。
【０１０３】
上述した判定装置、又はその他の方法によって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判断された場合に、本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムは、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らす。また、上述した判定装置、又はその他の方法によって酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量が不足していると判断された場合に、本発明の燃料電池の運転方法又は燃料電池システムは、酸化剤ガス流量を減らすか、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすかによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やす。
【０１０４】
ところで、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に共通して、ガス流路を流れるガス中に含まれる水蒸気量、無加湿ガス流量、水蒸気の分圧及び水蒸気を含んだガスの全圧との間には、以下の式（３）に示されるような関係が成り立つ。
【０１０５】
【数１】
2010538415.tif 000003
（ＱＨ２Ｏはガス中に含まれる水蒸気量を、Ｑｄｒｙは無加湿ガスの流量を、ＰＨ２Ｏは水蒸気の分圧を、Ｐｔｏｔａｌは水蒸気を含んだガスの全圧を示す。）
【０１０６】
式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例し、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定量以上に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定の流量以上に保つ必要があることが明らかである。しかし、後述する燃料ガス供給量変化に伴う発電性能及びカソード出口露点湿度測定によって示されるように、燃料ガスの流量を増やし過ぎてしまうと、燃料ガス流路入口近傍において高分子電解質膜が乾燥し、発電効率の減少へ導く。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲内へ増やさなければならない。また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが明らかである。したがって、無加湿ガスの分圧を抑える程、ＱＨ２Ｏを増やすことができる。しかし、無加湿ガスの分圧を抑え過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍から過剰の水が運び出され、酸化剤ガス流路入口近傍の高分子電解質膜において乾燥し過ぎる。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲内へ減らさなければならない。したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには上限値が、無加湿ガスの分圧（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には下限値が存在する。その結果、「流量Ｑｄｒｙを上げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を下げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際にＱＨ２Ｏを一定量以上に保つことができない。しかし、これら２つの値を一定範囲内へ調節することによって、良好な発電効率が保たれる。
【０１０７】
上記水蒸気量に関する操作は、酸化剤ガス制御にも応用することができる。式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例し、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定量以下に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定の流量以下に保つ必要があることが明らかである。しかし、燃料ガスの流量を減らし過ぎてしまうと、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量が減る。その結果、酸化剤ガス流路出口近傍において、いわゆるフラッディングが生じ、フラッディングは発電効率の減少へ導く。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲内へ減らさなければならない。また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが明らかである。したがって、無加湿ガスの分圧を増やす程、ＱＨ２Ｏを抑制することができる。しかし、無加湿ガスの分圧を増やし過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍から十分な水が運び出されず、同様に酸化剤ガス流路出口近傍においてフラッディングが生じる結果となる。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲内へ増やさなければならない。したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには下限値が、無加湿ガスの分圧（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には上限値が存在する。その結果、「流量Ｑｄｒｙを下げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を上げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際に発電効率を良好に保つことができない。しかし、これら２つの値を一定範囲内へ調節することによって、良好な発電効率が保たれる。
【０１０８】
図２は、本発明の燃料電池システムの単セルにおける水の循環を示した断面模式図である。単純化のため、カソード及びアノード電極は、ガス拡散層と触媒層の区別なしに図示した。ちなみに、丸の中央に点及び丸の中央にＸの記号は、図１同様に流路を流れるガスの流れ方向を示すものとする。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路入口１１ａから導入され、酸化剤ガス流路出口１１ｂに到達し、一方で、燃料ガスは、燃料ガス流路入口１２ａから導入され、燃料ガス流路出口１２ｂに到達するものとする。いま、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍の領域は、前記式（２）において示される反応により生成した水によって湿潤状態になっている。この水分は、矢印２１に示されるように、高分子電解質膜１を透過して燃料ガス流路入口１２ａ近傍へ運ばれる。このとき、上述したような無加湿の燃料ガスの流量Ｑｄｒｙ及び／又は無加湿の燃料ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）の調節を行うことによって、燃料ガス流路入口１２ａ近傍に運ばれたより多くの水分が、燃料ガス流路の出口１２ｂ近傍へ運ばれることが可能となる。この水分は、矢印２２に示されるように、高分子電解質膜１を透過して酸化剤ガス流路入口１１ａ近傍へ運ばれ、それによって、乾燥し易い酸化剤ガス流路の入口１１ａ近傍及び湿潤し易い酸化剤ガス流路の出口１１ｂ近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿でありながら、面内における水分が不均一に分布しない単セルが実現される。
【０１０９】
その上、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍の領域が乾燥状態である時には、上述した無加湿の酸化剤ガスの流量Ｑｄｒｙ及び／又は無加湿の酸化剤ガスの分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）の調節を行うことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、酸化剤ガス流路出口１１ｂ近傍に水分を蓄積させることができる。
【０１１０】
発電効率を良好に保つために、燃料ガスのストイキ比を１．０〜１０の範囲内へ増やすことが好ましい。これは、前記ストイキ比が１０を超えると、燃料ガス流路入口において高分子電解質膜が乾燥し、発電効率の減少へ導くからであり、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、規定の出力で運転するために必要なガスの最少量を供給できず、その上、燃料ガス中に十分な水分量を保持することができず、したがって酸化剤ガス流路へ電解質膜を通じて運ばれる水分量も限られるからである。特に、本発明の燃料電池システムによって、燃料ガス供給装置の調節をすることによって燃料ガス流量を増やすことが好ましい（この種の制御装置を、以下、「燃料ガス流量制御装置」と呼ぶ）。これは、燃料ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、燃料ガス流量を増やすことができるからである。ここでいう燃料ガス供給装置の例には、燃料ガスボンベ、燃料ガスポンプが含まれる。ちなみに、前記ストイキ比が１．０〜５．０の範囲内へ増やされることがより好ましく、１．０〜３．０の範囲内へ増やされることが最も好ましい。
【０１１１】
発電効率を良好に保つために、燃料ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らすことが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると燃料ガス中に十分な水分量を保持することができず、その結果、酸化剤ガス流路へ電解質膜を通じて運ばれる水分量も限られるからである。また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、発電に必要な燃料が十分に供給されない。特に、本発明の燃料電池システムによって、前記燃料ガス流路出口近傍に備えられた燃料ガス圧力制御弁を調節することによって燃料ガス圧力を減らすことが好ましい（この種の制御装置を、以下、「燃料ガス圧力制御装置」と呼ぶ）。これは、燃料ガス圧力制御弁の調節という簡便な操作によって、燃料ガス圧力を減らすことができるからである。前記燃料ガス圧力が大気圧以上０．２ＭＰａ以下の範囲内へ減らされることがより好ましく、大気圧以上０．１ＭＰａ以下の範囲内へ減らされることが最も好ましい。
【０１１２】
ちなみに、上述したような燃料ガス供給装置を調節することによっても、燃料ガス圧力は制御できる。しかし、燃料ガス供給装置のみを使用することによって、同時に、燃料ガス流量を増やし、燃料ガス圧力を減らすことは困難である。したがって、燃料ガス流量を増やし、燃料ガス圧力を減らすために、燃料ガス流路出口近傍の燃料ガス圧力制御弁の調節と共に、燃料ガス流路入口の燃料ガス供給装置が調節される。
【０１１３】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らすことが好ましい。これは、前記ストイキ比が３．０を超えると、酸化剤ガス流路中に十分な水分量を保持することができず、その結果、燃料ガス流路へ電解質膜を通じて運ばれる水分量も限られるからであり、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、規定の出力で運転するために必要なガスの最少量を供給できず、その上、酸化剤ガス流路におけるフラッディングが回避できないからである。特に、本発明の燃料電池システムによって、酸化剤ガス供給装置を調節することによって酸化剤ガス流量を減らすことが好ましい（この種の制御装置を、以下、「酸化剤ガス流量制御装置」と呼ぶ）。これは、酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減らすことができるからである。ここでいう燃料ガス供給装置の例には、酸化剤ガスボンベ、酸化剤ガスポンプが含まれる。ちなみに、前記ストイキ比が１．０〜２．５の範囲内へ増やされることがより好ましく、１．２〜２．０の範囲内へ増やされることが最も好ましい。
【０１１４】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａの範囲内へ増やすことが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると酸化剤ガス流路中のフラッディングが回避できないからである。また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、酸化剤ガス流路中に十分な水分量を保持することができず、その結果、燃料ガス流路へ電解質膜を通じて運ばれる水分量も限られるからである。特に、本発明の燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍に備えられた酸化剤ガス圧力制御弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増やすことが好ましい（この種の制御装置を、以下、「酸化剤ガス圧力制御装置」と呼ぶ）。これは、酸化剤ガス圧力制御弁の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス圧力を増やすことができるからである。前記酸化剤ガス圧力が、０．１２〜０．２５ＭＰａの範囲内へ増やされることがより好ましく、０．１４〜０．２ＭＰａの範囲内へ減らされることが最も好ましい。
【０１１５】
ちなみに、上述したような酸化剤ガス供給装置を調節することによっても、酸化剤ガス圧力は制御できる。しかし、燃料ガス供給装置のみを使用することによって、同時に、酸化剤ガス流量を減らし、酸化剤ガス圧力を増やすことは困難である。したがって、酸化剤ガス流量を減らし、酸化剤ガス圧力を増やすために、酸化剤ガス流路出口近傍の酸化剤ガス圧力制御弁の調節と共に、酸化剤ガス流路入口の酸化剤ガス供給装置が調節される。
【０１１６】
図３は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。ちなみに、ここに記載した燃料電池は、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる。図示するように、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、水素ガス、すなわち、燃料ガスと、空気、すなわち、酸化剤ガスとが対向して流れるように配置されている。また、燃料ガス供給装置の一種である水素ガスボンベ３１及び水素ガスポンプ３３によって、燃料ガス流量が調節される（すなわち、燃料ガス流量の制御）。ちなみに、この図における水素ガスポンプ３３は、燃料電池スタック２００内で消費されなかった水素ガスを再利用するために設計される。さらに、水素ガス圧力制御弁３４によって、水素ガス圧力が制御される（すなわち、燃料ガス圧力の制御）。より具体的には、この種のシステムの機構は、燃料ガス流量を増やし、燃料ガス圧力を減らすことをいずれも可能にする。その上、酸化剤ガス供給装置の一種であるエアーコンプレッサー（ＡＣＰ）によって酸化剤ガス流量が調節される。また、空気圧力制御弁４３によって、空気圧力の制御を行う。より具体的には、この種のシステムの機構は、酸化剤ガス流量を減らし、酸化剤ガス圧力を増やすことをいずれも可能にする。
【０１１７】
また、図３に示されるように、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路には、ガス流量測定装置（すなわち、水素側における水素ガスボンベ３１に付属したレギュレーター３２、空気側におけるフローメーター４５）、及びガス圧力測定装置（すなわち、水素側圧力計３５及び空気側圧力計４２）が備えられている。
【０１１８】
さらに、図３には示されていないが、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路には、スタック圧損測定装置が備えられている。より具体的には、これらスタック圧損測定装置は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の入口及び出口の両方に設けられた圧力センサである。圧損の算出方法は以下の通りである：ΔＰ（圧損）＝Ｐ（入口圧力）−Ｐ（出口圧力）
【０１１９】
また、図３に示されるように、燃料電池の状態、より具体的には、乾燥状態か湿潤状態かを、予め冷却水の温度を推定することによって確認するためのラジエタ３６を備える冷却系統には、冷却水温度測定装置３８が備えられている。ちなみに、７０〜１２０℃の範囲内のある温度を予め設定値として指定し、当該設定値を超える値を、燃料電池内の異常（例えば、不均一な水分の分布）の指標とみなすのが好ましい。
【０１２０】
さらに、図３に示されるように、電圧計４０、電流計３９を備える電気系統は、負荷制御用、同様に予め測定した各温度における単セル１００及び／又はスタック２００の電圧・抵抗制御用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）４１も備える。
【０１２１】
また、図３に示されるように、燃料ガス流路は水素ガスポンプ３３及び水素ガス圧力制御弁３４から形成される循環機能を備えると見なされるが、少量の燃料ガスが連続して排気されるデッドエンドシステムのような、循環レスシステムであってもよい。
【０１２２】
図４は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ１）。当該運転中、水分量の判定手段の１つである燃料電池全体の抵抗値測定が行われる（Ｓ２）。ここで、抵抗値Ｒが、予め測定した各温度における単セル及び／又はスタックの抵抗の最低値の１０５％の値（以下、設定値Ｒ１と呼ぶ。）を超えるか否か（すなわち、判定装置Ａ）によって次に実行される手順が異なる。抵抗値Ｒが、Ｒ１以下である場合、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ１）。一方、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量が不足していると判断され、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３）。ちなみに、通常は酸化剤ガス流路入口近傍において水分量が不足した場合に燃料ガス制御装置が運転され、酸化剤ガス流路出口近傍において水分量が不足した場合に酸化剤ガス制御装置が運転されるが、これらの制御装置の両方が同時に運転されてもよい（Ｓ３）。燃料ガス制御装置及び酸化剤ガス制御装置は、ストイキ比を調節し、及び／又は、圧力を制御してもよいが、それらが同時にストイキ比を調節し、圧力を制御するのが最も好ましい。燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転された（Ｓ３）後、燃料電池全体の抵抗値測定が行われる（Ｓ４）。抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える場合は、再度燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３）。一方、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１以下である場合には、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ５）。
【０１２３】
図５は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第２の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ１１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定方法の１つである燃料電池全体の電圧測定が行われる（Ｓ１２）。ここで、電圧Ｅが、予め測定した各温度における単セル及び／又はスタックの電圧の最高値の９５％の値（以下、設定値Ｅ１と呼ぶ。）未満であるか否か（すなわち、判定装置Ｂ）によって次に実行される手順が異なる。電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上である場合、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ１１）。一方、電圧Ｅが、設定値Ｅ１未満である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量が過剰であると判断され、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ１３）。ちなみに、通常は酸化剤ガス流路入口近傍において水分量が過剰である場合に酸化剤ガス制御装置が運転され、酸化剤ガス流路出口近傍において水分量が過剰である場合に燃料ガス制御装置が運転されるが、これらの制御装置の両方が同時に運転されてもよい（Ｓ１３）。燃料ガス制御装置及び酸化剤ガス制御装置は、ストイキ比を調節し、及び／又は、圧力を制御してもよいが、それらが同時にストイキ比を調節し、圧力を制御するのが最も好ましい。燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転された（Ｓ１３）後、燃料電池全体の電圧測定が行われる（Ｓ１４）。電圧Ｅが、設定値未満Ｅ１である場合は、再度燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ１３）。一方、電圧Ｅが、設定値Ｅ１以上である場合には、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ１５）。
【０１２４】
図６は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第３の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ２１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定方法の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定が行われる（Ｓ２２）。ここで、圧損ΔＰが、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最低値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ１と呼ぶ。）未満であるか否か（すなわち、判定装置Ｃ）によって次に実行される手順が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１以上である場合、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ２１）。一方、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１未満である場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍における水分量が不足していると判断し、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ２３）。ちなみに、通常は酸化剤ガス流路入口近傍において水分量が不足した場合に燃料ガス制御装置が運転され、酸化剤ガス流路出口近傍において水分量が不足した場合に酸化剤ガス制御装置が運転されるが、これらの制御装置の両方が同時に運転されてもよい（Ｓ２３）。燃料ガス制御装置及び酸化剤ガス制御装置は、ストイキ比を調節し、及び／又は、圧力を制御してもよいが、それらが同時にストイキ比を調節し、圧力を制御するのが最も好ましい。燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転された（Ｓ２３）後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定が行われる（Ｓ２４）。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１未満である場合は、再度燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ２３）。一方、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ１以上である場合には、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ２５）。
【０１２５】
図７は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第４の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ３１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定方法の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定が行われる（Ｓ３２）。ここで、圧損ΔＰが、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ２と呼ぶ；ちなみに、ΔＰ２は、上述したΔＰ１から独立している。）を超えるか否か（すなわち、判定装置Ｄ）によって次に実行される手順が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ３１）。一方、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量が過剰であると判断され、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３３）。ちなみに、通常は酸化剤ガス流路入口近傍において水分量が過剰である場合に酸化剤ガス制御装置が運転され、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰である場合に燃料ガス制御装置が運転されるが、これらの制御装置の両方が同時に運転されてもよい（Ｓ３３）。燃料ガス制御装置及び酸化剤ガス制御装置は、ストイキ比を調節し、及び／又は、圧力を制御してもよいが、それらが同時にストイキ比を調節し、圧力を制御するのが最も好ましい。燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転された（Ｓ３３）後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定が行われる（Ｓ３４）。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える場合は、再度燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３３）。一方、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以上である場合には、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ３５）。
【０１２６】
本発明の燃料電池システムの一形態は、ｉ）燃料ガス制御装置、ｉｉ）酸化剤ガス制御装置、ｉｉｉ）判定装置Ａ及び／又は判定装置Ｃ、ｉｖ）判定装置Ｂ及び／又は判定装置Ｄ、ｖ）水分輸送促進制御開始装置Ａ、ｖｉ）水分輸送促進制御停止装置Ａ、ｖｉｉ）水分輸送抑制制御開始装置Ａ、ｖｉｉｉ）水分輸送抑制制御停止装置Ａ、及びｉｘ）水分量不足最終判定装置Ａを含む。水分輸送促進制御開始装置Ａは、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御装置を１回以上作動させる。水分輸送促進制御停止装置Ａは、水分輸送促進制御開始装置Ａが燃料ガス制御装置を作動させた後、判定装置Ａ及び／又はＣによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御装置を停止する。水分輸送抑制制御開始装置Ａは、水分輸送促進制御停止装置Ａが燃料ガス制御装置を停止した後、酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる。水分輸送抑制制御停止装置Ａは、判定装置Ｂ及び／又はＤによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止する。水分輸送抑制制御停止装置Ａが酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止した後に、水分量不足最終判定装置Ａが、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度水分輸送促進制御開始装置Ａに燃料ガス制御装置を作動させ、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、燃料電池の運転を継続する。
【０１２７】
図８は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第５の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ４１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した冷却水温度測定装置によって冷却水温度Ｔの測定が行われる（Ｓ４２）。この際、測定された冷却水温度Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転が続行する（Ｓ４１）。一方、冷却水温度Ｔが設定値Ｔ１を超える場合、判定装置Ａが作動される（すなわち、抵抗が測定される）（Ｓ４３）。この際、測定された抵抗値Ｒが設定値Ｒ１以下であれば、酸化剤ガス流路入口近傍に適切な水分量が保持されていると判定され、高負荷下における運転が続行する（Ｓ４１）。ちなみに、ここまでの操作手順は図４に示した典型例の前半部分と本質的に変わりがない。本例と図４に示した典型例との違いは、抵抗Ｒが設定値Ｒ１を超える場合、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を以下のように増やすことである。
【０１２８】
抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える場合、判定装置Ａ（Ｓ４１）は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、（水分輸送促進制御開始装置Ａ（Ｓ４１）によって）燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置Ａ（Ｓ４４）は、判定装置Ｃ（すなわち、圧損測定）（Ｓ４５）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送促進制御停止装置Ａによって）作動が停止される。次に、酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が（水分輸送抑制制御開始装置Ａ（Ｓ４６）によって）作動される。この開始装置Ａ（Ｓ４６）は、判定装置Ｄ（すなわち、圧損測定）（Ｓ４７）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送抑制制御停止装置Ａによって）作動が停止される。最後に、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かが判定される。水分量が不足している場合には、再度水分輸送促進制御開始装置Ａ（Ｓ４４）が燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を作動させる。一方で、水分量が不足していない場合には、燃料電池の運転が続行される（Ｓ４９）。
【０１２９】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送促進制御開始装置Ａを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御開始装置Ａを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増やすことで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムによって、前記水分量不足最終判定装置Ａの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体における水分が不均一な分布となることを防止することができる。
【０１３０】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一態様は、以下のように構築されてもよい。すなわち、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、１回以上、燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされ、及び／又は、燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御が停止される。次に、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされ、及び／又は、酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガス制御が停止される。この後に、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度燃料ガス制御が開始される。一方、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、燃料電池の運転が続行される。
【０１３１】
本発明の燃料電池システムの他の形態は、ｉ）燃料ガス制御装置、ｉｉ）酸化剤ガス制御装置、ｉｉｉ）判定装置Ａ及び／又は判定装置Ｃ、ｉｖ）判定装置Ｂ及び／又は判定装置Ｄ、ｖ）水分輸送抑制制御開始装置Ｂ、ｖｉ）水分輸送抑制制御停止装置Ｂ、ｖｉｉ）水分輸送促進制御開始装置Ｂ、ｖｉｉｉ）水分輸送促進制御停止装置Ｂ、及びｉｘ）水分量不足最終判定装置Ｂを含む。水分輸送抑制制御開始装置Ｂは、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された後に、酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる。水分輸送抑制制御停止装置Ｂは、水分輸送抑制制御開始装置Ｂが酸化剤ガス制御装置を作動させた後、判定装置Ｂ及び／又はＤによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガス制御装置を停止する。水分輸送促進制御開始装置Ｂは、水分輸送抑制制御停止装置Ｂが酸化剤ガス制御装置を停止した後、燃料ガス制御装置を１回以上作動させる。水分輸送促進制御停止装置Ｂは、判定装置Ａ及び／又はＣによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御装置の全ての要素を停止する。水分輸送促進制御停止装置Ｂが燃料ガス制御装置の全ての要素を停止した後に、水分量不足最終判定装置Ｂが、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度水分輸送抑制制御開始装置Ｂに酸化剤ガス制御装置を作動させ、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、燃料電池の運転を継続する。
【０１３２】
図９は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第６の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ５１）。この状態から、冷却水温度Ｔが測定され、判定装置Ａが作動されるまでは、上述した第５の典型例（図８）と同様である。
【０１３３】
抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える場合、判定装置Ａ（Ｓ５３）は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、（水分輸送抑制制御開始装置Ｂ（Ｓ５４）によって）酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置Ｂは、判定装置Ｄ（すなわち、圧損測定）（Ｓ５５）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送抑制制御停止装置Ｂによって）作動が停止される。次に、燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が（水分輸送促進制御開始装置Ｂ（Ｓ５６）によって）作動される。この開始装置Ｂ（Ｓ５６）は、判定装置Ｃ（すなわち、圧損測定）（Ｓ５７）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送促進制御停止装置Ｂによって）作動が停止される。最後に、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かが判定される。水分量が不足している場合には、再度水分輸送抑制制御開始装置Ａ（Ｓ５４）が酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を作動させる。一方で、水分量が不足していない場合には、燃料電池の運転が続行される（Ｓ５９）。
【０１３４】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された際に、前記水分輸送抑制制御開始装置Ｂを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に十分な水分量が蓄積した後に、前記水分輸送促進制御開始装置Ｂを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムによって、前記水分量不足最終判定装置Ｂの結果を基に再度一連の工程を繰り返すことによって、前記酸化剤ガス流路全体における水分が不均一な分布となることを防止することができる。
【０１３５】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の一態様は、以下のように構築されてもよい。すなわち、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされ、及び／又は、酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガス制御が停止される。次に、１回以上、燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされ、及び／又は、燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御が停止される。この後に、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度酸化剤ガス制御が開始される。一方、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、燃料電池の運転が続行される。
【０１３６】
本発明の燃料電池システムのさらにもう一つの形態は、ｉ）燃料ガス制御装置、ｉｉ）酸化剤ガス制御装置、ｉｉｉ）判定装置Ａ及び／又は判定装置Ｃ、ｉｖ）判定装置Ｂ及び／又は判定装置Ｄ、ｖ）水分小過剰輸送促進制御開始装置、ｖｉ）水分小過剰輸送促進制御停止装置、ｖｉｉ）水分輸送抑制制御開始装置Ｃ、ｖｉｉｉ）水分輸送抑制制御停止装置Ｃ、ｉｘ）水分輸送促進制御開始装置Ｃ、及びｘ）水分輸送促進制御停止装置Ｃを含む。水分小過剰輸送促進制御開始装置は、燃料ガス制御装置を１回以上作動させる。水分小過剰輸送促進制御停止装置は、水分小過剰輸送促進制御開始装置が燃料ガス制御装置を作動させた後、判定装置Ａ及び／又はＣによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御装置を停止する。水分輸送抑制制御開始装置Ｃは、水分小過剰輸送促進制御停止装置が燃料ガス制御装置を停止した後、酸化剤ガス制御装置を作動させる。水分輸送抑制制御停止装置Ｃは、判定装置Ｂ及び／又はＤによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止する。水分輸送促進制御開始装置Ｃは、水分輸送抑制制御停止装置Ｃが酸化剤ガス制御装置の全ての要素を停止した後に、燃料ガス制御装置を作動させる。水分輸送促進制御開始装置Ｃが燃料ガス制御装置を作動させた後に、水分輸送促進制御停止装置Ｃが、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度水分輸送抑制制御開始装置Ｃに酸化剤ガス制御装置を作動させ、判定装置Ａ及び／又はＣによって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、燃料ガス制御装置を停止し、燃料電池の運転を継続する。
【０１３７】
図１０は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第７の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ６１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した冷却水温度測定装置によって冷却水温度Ｔの測定が行われる（Ｓ６２）。この際、測定された冷却水温度Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転が続行する（Ｓ６１）。一方、冷却水温度Ｔが設定値Ｔ１を超える場合、その後、（水分小過剰輸送促進制御開始装置（Ｓ６３）によって）燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置（Ｓ６３）は、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）（Ｓ６４）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分小過剰輸送促進制御停止装置によって）作動が停止される。すなわち、ここまでの作動段階は、前半の冷却水温度測定装置（Ｓ６２）によって燃料電池内における何らかの異常が検知された後、酸化剤ガス流路中のその異常の位置を判定すること無く、酸化剤ガス流路出口近傍から燃料ガス流路を経由した酸化剤ガス流路入口近傍への水分の輸送を小過剰分だけ促進させることにより、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を一時的に不足させている。
【０１３８】
水分小過剰輸送促進制御停止装置が燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を停止した後に、（水分輸送抑制制御開始装置Ｃ（Ｓ６５）によって）酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置Ｃは、判定装置Ｂ（すなわち、電圧測定）（Ｓ６６）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送抑制制御停止装置Ｃによって）作動が停止される。次に、燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が（水分輸送促進制御開始装置Ｃ（Ｓ６７）によって）作動される。最後に、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）（Ｓ６８）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かが判定される。水分量が不足している場合には、再度水分輸送抑制制御開始装置Ｃ（Ｓ６５）が酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を作動させる。一方で、水分量が不足していない場合には、燃料電池の運転が続行される（Ｓ６９）。
【０１３９】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、初めに前記水分小過剰輸送促進制御開始装置を使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に不足させ、その後に前記水分輸送抑制制御開始装置Ｃを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を抑制し、前記酸化剤ガス流路出口近傍に十分な水分量が蓄積した後に、前記水分輸送促進制御開始装置Ｃを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進させることで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムは、一度湿潤させてしまうと元の性能を保持することができない触媒層（意図的に触媒を酸化させて触媒層中の細孔を塞いでいるような触媒層等）を備える燃料電池を備える場合に、前記触媒層に湿潤履歴を与えることがないため特に有効である。
【０１４０】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の他の態様は、以下のように構築されてもよい。すなわち、１回以上、燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされ、及び／又は、燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、燃料ガス制御が停止される。その後、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされ、及び／又は、酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガスの制御が停止される。その後、燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされ、及び／又は、燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされる。この後に、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、再度酸化剤ガス制御が開始される。一方、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していないと判定された場合に、燃料ガス制御が停止され、燃料電池の運転が続行される。
【０１４１】
本発明の燃料電池システムのもう一つの形態は、ｉ）燃料ガス制御装置、ｉｉ）酸化剤ガス制御装置、ｉｉｉ）判定装置Ａ及び／又は判定装置Ｃ、ｉｖ）判定装置Ｂ及び／又は判定装置Ｄ、ｖ）水分小過剰輸送抑制制御開始装置、ｖｉ）水分小過剰輸送抑制制御停止装置、ｖｉｉ）水分輸送促進制御開始装置Ｄ、ｖｉｉｉ）水分輸送促進制御停止装置Ｄ、ｉｘ）水分輸送抑制制御開始装置Ｄ、及びｘ）水分輸送抑制制御停止装置Ｄを含む。水分小過剰輸送抑制制御開始装置は、酸化剤ガス制御装置を１回以上作動させる。水分小過剰輸送抑制制御停止装置は、水分小過剰輸送抑制制御開始装置が酸化剤ガス制御装置を作動させた後、判定装置Ｂ及び／又はＤによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガス制御装置を停止する。水分輸送促進制御開始装置Ｄは、水分小過剰輸送抑制制御停止装置が酸化剤ガス制御装置を停止した後、燃料ガス制御装置を作動させる。水分輸送促進制御停止装置Ｄは、判定装置Ａ及び／又はＣによって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガス制御装置の全ての要素を停止する。水分輸送抑制制御開始装置Ｄは、水分輸送促進制御停止装置Ｄが燃料ガス制御装置の全ての要素を停止した後に、酸化剤ガス制御装置を作動させる。水分輸送抑制制御開始装置Ｄが酸化剤ガス制御装置を作動させた後に、水分輸送抑制制御停止装置Ｄが、判定装置Ｂ及び／又はＤによって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、再度水分輸送促進制御開始装置Ｄに燃料ガス制御装置を作動させ、判定装置Ｂ及び／又はＤによって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰ではないと判定された場合に、酸化剤ガス制御装置を停止し、燃料電池の運転を継続する。
【０１４２】
図１１は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第８の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ７１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、上述した冷却水温度測定装置によって冷却水温度Ｔの測定が行われる（Ｓ７２）。この際、測定された冷却水温度Ｔが設定値Ｔ１以下であれば運転が続行する（Ｓ７１）。一方、冷却水温度Ｔが設定値Ｔ１を超える場合、その後、（水分小過剰輸送抑制制御開始装置（Ｓ７３）によって）酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置（Ｓ７３）は、判定装置Ｂ（すなわち、電圧測定）（Ｓ７４）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分小過剰輸送抑制制御停止装置によって）作動が停止される。すなわち、ここまでの作動段階は、前半の冷却水温度測定装置（Ｓ７２）によって燃料電池内における何らかの異常が検知された後、酸化剤ガス流路中のその異常の位置を判定すること無く、酸化剤ガス流路出口近傍から燃料ガス流路を経由した酸化剤ガス流路入口近傍への水分の輸送を小過剰分だけ抑制させることにより、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を一時的に過剰にさせている。
【０１４３】
前記水分小過剰輸送抑制制御停止装置が酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を停止した後に、（水分輸送促進制御開始装置Ｄ（Ｓ７５）によって）燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置Ｄは、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）（Ｓ７６）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送促進制御停止装置Ｄによって）作動が停止される。次に、酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が（水分輸送抑制制御開始装置Ｄ（７７）によって）作動される。最後に、判定装置Ｂ（すなわち、電圧測定）（Ｓ７８）により酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かが判定される。水分量が過剰である場合には、再度水分輸送促進制御開始装置Ｄ（Ｓ７５）が燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料剤ガス圧力制御装置を作動させる。一方で、水分量が過剰でない場合には、燃料電池の運転が続行される（Ｓ７９）。
【０１４４】
この種の機構を備える燃料電池システムによって、初めに前記水分小過剰輸送抑制制御開始装置を使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を適度に過剰にし、その後に前記水分輸送促進制御開始装置Ｄを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍から入口近傍への水分の輸送を促進した後に、前記水分輸送抑制制御開始装置Ｄを使用して前記酸化剤ガス流路出口近傍の前記水分量を増やすことで、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍において、過不足ない、適度な水分量が保たれる。また、本発明の燃料電池システムは、一度乾燥させてしまうと元の性能を保持することができない電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸電解質膜等）を備える燃料電池を備える場合に、前記電解質膜に乾燥履歴を与えることがないため特に有効である。
【０１４５】
同様の観点から、本発明の燃料電池の運転方法の他の態様は、以下のように構築されてもよい。すなわち、１回以上、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされ、及び／又は、酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された後に、酸化剤ガスの制御が停止される。次に、１回以上、燃料ガスのストイキ比が１．０〜１０の範囲内へ増やされ、及び／又は、燃料ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ減らされる。その後、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された後に、燃料ガスの制御が停止される。次に、酸化剤ガスのストイキ比が１．０〜３．０の範囲内へ減らされ、及び／又は、酸化剤ガス圧力が大気圧以上０．３ＭＰａ以下の範囲内へ増やされる。この後に、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、再度燃料ガス制御が開始される。一方、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰ではないと判定された場合に、酸化剤ガス制御が停止され、燃料電池の運転が続行される。
【０１４６】
本発明の燃料電池の運転方法、及び当該運転方法を実行するための好適な燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止することができる。また、本発明の燃料電池システムは、前記判定装置を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量不足を的確に確認することができる。
【０１４７】
本発明の好ましい燃料電池の運転方法、及び当該運転方法を具体化するための好適な燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分が、前記高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路入口近傍へ輸送された後、燃料ガス中のより多くの量の水分を燃料ガス流路出口近傍に輸送することで、燃料ガス流路出口近傍からより多くの量の水分を、前記高分子電解質膜を通じて酸化剤ガス流路入口近傍へ輸送することができる。したがって、従来技術では乾燥し易い酸化剤ガス流路入口近傍、及び、従来技術では湿潤し易い酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を調節することができる。その結果、無加湿条件下及び／又は高温条件下にありながら、単セルの面内において水分が不均一な分布となることを防止することができる。また、本発明によって、酸化剤ガスによって運ばれ、本発明の燃料電池システム外へ排出される水分をより少なく抑えることで、前記酸化剤ガス流路出口近傍に水分を蓄積させることができる。さらに本発明の燃料電池システムは、前記判定装置を有することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量不足及び水分量過剰を的確に確認することができる。
【実施例】
【０１４８】
次に実施例について説明する。以下、燃料ガス供給量変化に伴う発電性能、露点湿度及び圧損の測定について説明する。上述した膜・電極接合体を有し、且つ、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガス（すなわち、水素ガス）と酸化剤ガス（すなわち、空気）の流れ方向が対向するように配置された単セルに関して、燃料ガスとして用いた水素ガスのストイキ比の変化に対する、セル電圧Ｅ（Ｖ）、セル抵抗Ｒ（ｍΩ・ｃｍ２）、アノード出口露点湿度（％）、カソード出口露点湿度（％）、水素ガス圧損（ｋＰａ）、空気圧損（ｋＰａ）の変化について、それぞれ測定した。詳細な実験条件は以下の通りである。
電流密度：１．０Ａ／ｃｍ２
冷却水出口温度：８０℃
水素ガス流量：ストイキ比１．２〜６．０まで徐々に増やして測定
空気流量：ストイキ比１．３、１．５、１．６のそれぞれについて測定
ガス圧力：水素ガス、空気共に２００ｋＰａ・Ａｂｓ
ガス流路入口湿度：水素ガス流路、空気流路共に無加湿
【０１４９】
図１２は水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル電圧変化を示したグラフであり、図１３は水素ガスのストイキ比の変化に伴うセル抵抗変化を示したグラフである。グラフ中の白丸が空気ストイキ比１．３の時のデータを示す。グラフ中の白四角が空気ストイキ比１．５の時のデータを示し、グラフ中の白三角が空気ストイキ比１．６の時のデータを示す。図１２に示されるように、これらすべてのストイキ比、すなわち、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６において、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時、セル電圧が極大値を有する。また、図１３に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６において、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時、セル抵抗が極小値を有する。
【０１５０】
図１４は水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口における露点湿度変化を示したグラフであり、図１５は水素ガスのストイキ比の変化に伴うカソード出口における露点湿度変化を示したグラフである。グラフ中の白丸、白四角及び白三角は図１２及び図１３と同様のものを示す。燃料ガス流路出口から排出されるアノード排水の一部は、電解質膜を透過することにより、電解質膜の反対側の酸化剤ガス流路の入口へ輸送される。したがって、アノード露点湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路入口の水分量を知ることができる。また、カソード露点湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路出口の水分量を知ることができる。図１４に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６において、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時、アノード出口露点湿度が極大値を有する。ちなみに、空気ストイキ比が１．３の時（すなわち、白丸）は、水素ガスストイキ比が増やされても、アノード出口露点湿度は飽和したまま、高湿度が保たれる。また、図１５に示されるように、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６のいずれにおいても、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時に、実質的に単調減少であるカソード出口露点湿度のグラフ中に変曲点が存在する。
【０１５１】
図１６は水素ガスのストイキ比の変化に伴う水素ガス圧損変化を示したグラフである。ちなみに、この時の空気ストイキ比は１．５である。この図から、水素ガス圧損は、水素ガスのストイキ比に比例して増加することが明らかである。
【０１５２】
図１７は水素ガスのストイキ比の変化に伴う空気圧損変化を示したグラフである。ちなみに、この時の空気ストイキ比は１．６である。この図から、空気圧損は、上述した様な電圧、抵抗が最大となる水素ガスストイキ比でもある、水素ガスストイキ比２．５付近において急激に減少することが明らかである。
【０１５３】
さて燃料ガス供給量が発電性能及び単セルの面内における不均一な水分の分布において有する影響を説明する。上述した発電性能測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にセル電圧の極大値が得られ、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にセル抵抗の極小値が得られることから、水素ガスのストイキ比が１．５〜３．０の範囲内である時に、最も高い発電性能が得られることが明らかである。また、上述した露点湿度測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にアノード出口露点湿度のグラフ上に極大値が得られ、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にカソード出口露点湿度のグラフの変曲点が存在することから、水素ガスのストイキ比が１．０〜４．０の範囲内である時に、燃料ガス流路から酸化剤ガス流路へ電解質膜を透過する水分量の最大増加率が得られることが明らかである。さらに、上述した圧損測定より、空気圧損は、上述した様に、電圧、抵抗が最大となる水素ガスストイキ比でもある、水素ガスストイキ比２．５付近において急激に減少することが明らかである。したがって、燃料ガス供給量が、ガス圧損、単セルの面内における不均一な水分の分布において有する影響に関して、以下のことが考察される。
【０１５４】
水素ガスのストイキ比が１．０未満である時は、水素ガスにより運ばれる水分量が減少することにより、図２に示したような水の循環を遮断する。その結果、単セルの面内において水分が不均一に分布し始め、発電性能低下へ導く。さらに、水分の不均一な分布は、酸化剤ガス流路における局所的な詰まりを引き起こし、空気ガス圧損を増やす。また、水素ガスのストイキ比が４．０を超える時は、水素ガスにより運ばれる水分量が必要以上に増えることによって、燃料ガス流路入口における電解質膜が乾燥し始める。その結果、酸化剤ガス流路出口から燃料ガス流路入口へ電解質膜を透過する水分量が低下し、発電性能低下へ導く。さらに、水分量の低下は、酸化剤ガス流路を乾燥させ、空気ガス圧損の低下を引き起こす。
【０１５５】
したがって、本具体例の燃料ガス供給量変化に伴う発電性能、露点湿度及び圧損の測定を行うことにより、燃料ガスの一種である水素ガスのストイキ比が１．０〜４．０の範囲内の時に、電解質膜を乾燥させてしまうことなく、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やすことができ、発電性能の低下を抑制することができることが明らかとなった。
【図１】
2010538415.tif 000004
【図２】
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【図３】
2010538415.tif 000006
【図４】
2010538415.tif 000007
【図５】
2010538415.tif 000008
【図６】
2010538415.tif 000009
【図７】
2010538415.tif 000010
【図８】
2010538415.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2010538415.tif 000013
【図１１】
2010538415.tif 000014
【図１２】
2010538415.tif 000015
【図１３】
2010538415.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年3月2日(2010.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を判定する判定装置；並びに
少なくとも、ｉ）前記判定装置において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らす燃料ガス制御装置、又は、ｉｉ）前記判定装置において、前記酸化剤ガス流路入口近傍、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やす酸化剤ガス制御装置、のいずれか一方を備え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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
前記燃料電池の運転方法は、また、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し；前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足している、及び／又は、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定された場合に、燃料ガス流量を増やし、及び／又は、燃料ガス圧力を減らすことによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分の、前記燃料ガス流路を経由した前記酸化剤ガス流路入口近傍への輸送を促進することにより、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増やし、且つ、前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量を減らし；ｉ）無加湿条件又はｉｉ）膜・電極接合体の温度を７０℃以上とする条件の、少なくともいずれか一方の条件下において、前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか否かを判定し；前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足しているか否かを判定し；並びに前記酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、酸化剤ガス流量を減らし、及び／又は、酸化剤ガス圧力を増やすことによって、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量を減らし、前記酸化剤ガス流路出口側から前記燃料ガス流路入口側へ移送される水分量を増やすことが好ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
ここで、固体高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜である。ナフィオン（商標名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（すなわち、プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜が例に含まれる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９０】
ガス拡散層を形成するガス拡散層シートは、導電性、ガスを効率良く触媒層へ供給することができるガス拡散性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するものである。例えば、ガス拡散層シートは、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅の合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体により形成されてもよい。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９７】
また、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量の判定方法の一例は、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損を測定し、当該圧損が、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損以下であった時に、単セル内又はスタック内が乾燥していると判定することである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１００】
前記判定装置が、燃料電池全体の電圧を測定し、当該電圧が、予め測定した各温度における前記単セル又は前記スタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９５％未満であった時に、ｉ）前記酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が過剰であるか、及び／又は、ｉｉ）前記酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるかを判定するように構成されてもよい（この種の判定装置を、以下、判定装置Ｂと呼ぶ）。これは、燃料電池全体の電圧を測定するという簡便な方法によって、酸化剤ガス流路入口近傍及び出口近傍の水分量過剰を的確に確認できるからである。ちなみに、燃料電池全体の電圧が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の電圧の最高値の９０％未満であった時に水分量過剰と判定するのがより好ましく、燃料電池全体の電圧が、予め測定した各温度における単セル又はスタックの少なくとも一方の電圧の最高値の８５％未満であった時に水分量過剰と判定するのがさらに好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０７】
上記水蒸気量に関する操作は、酸化剤ガス制御にも応用することができる。式（３）より、ＱＨ２ＯはＱｄｒｙに比例し、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏを一定量以下に保つためには、供給すべき無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙを一定の流量以下に保つ必要があることが明らかである。しかし、酸化剤ガスの流量を減らし過ぎてしまうと、酸化剤ガスによりセルの外へ運ばれる水分量が減る。その結果、酸化剤ガス流路出口近傍において、いわゆるフラッディングが生じ、フラッディングは発電効率の減少へ導く。すなわち、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙをある適切な範囲内へ減らさなければならない。また、式（３）より、水蒸気を含んだガスの全圧Ｐｔｏｔａｌと水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏとの差（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）、すなわち供給すべき無加湿ガスの分圧が、ガス中に含まれる水蒸気量ＱＨ２Ｏに反比例することが明らかである。したがって、無加湿ガスの分圧を増やす程、ＱＨ２Ｏを抑制することができる。しかし、無加湿ガスの分圧を増やし過ぎると、酸化剤ガス流路入口近傍から十分な水が運び出されず、同様に酸化剤ガス流路出口近傍においてフラッディングが生じる結果となる。したがって、実際に発電効率を良好に保つためには、無加湿ガスの分圧（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）をある適切な範囲内へ増やさなければならない。したがって、本発明の効果を得るためには、上述した無加湿ガスの流量Ｑｄｒｙには下限値が、無加湿ガスの分圧（すなわち、Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）には上限値が存在する。その結果、「流量Ｑｄｒｙを下げ続ける」又は「分圧（Ｐｔｏｔａｌ−ＰＨ２Ｏ）を上げ続ける」という単純な操作を行うのみでは実際に発電効率を良好に保つことができない。しかし、これら２つの値を一定範囲内へ調節することによって、良好な発電効率が保たれる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１３】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガスのストイキ比を１．０〜３．０の範囲内へ減らすことが好ましい。これは、前記ストイキ比が３．０を超えると、酸化剤ガス流路中に十分な水分量を保持することができず、その結果、燃料ガス流路へ電解質膜を通じて運ばれる水分量も限られるからであり、前記ストイキ比が１．０未満であるとすると、規定の出力で運転するために必要なガスの最少量を供給できず、その上、酸化剤ガス流路におけるフラッディングが回避できないからである。特に、本発明の燃料電池システムによって、酸化剤ガス供給装置を調節することによって酸化剤ガス流量を減らすことが好ましい（この種の制御装置を、以下、「酸化剤ガス流量制御装置」と呼ぶ）。これは、酸化剤ガス供給装置の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス流量を減らすことができるからである。ここでいう酸化剤ガス供給装置の例には、酸化剤ガスボンベ、酸化剤ガスポンプが含まれる。ちなみに、前記ストイキ比が１．０〜２．５の範囲内へ減らされることがより好ましく、１．２〜２．０の範囲内へ減らされることが最も好ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１４】
発電効率を良好に保つために、酸化剤ガス圧力を大気圧以上０．３ＭＰａの範囲内へ増やすことが好ましい。これは、前記圧力が０．３ＭＰａを超えると酸化剤ガス流路中のフラッディングが回避できないからである。また、前記圧力が大気圧未満であるとすると、酸化剤ガス流路中に十分な水分量を保持することができず、その結果、燃料ガス流路へ電解質膜を通じて運ばれる水分量も限られるからである。特に、本発明の燃料電池システムによって、前記酸化剤ガス流路出口近傍に備えられた酸化剤ガス圧力制御弁の調節によって酸化剤ガス圧力を増やすことが好ましい（この種の制御装置を、以下、「酸化剤ガス圧力制御装置」と呼ぶ）。これは、酸化剤ガス圧力制御弁の調節という簡便な操作によって、酸化剤ガス圧力を増やすことができるからである。前記酸化剤ガス圧力が、０．１２〜０．２５ＭＰａの範囲内へ増やされることがより好ましく、０．１４〜０．２ＭＰａの範囲内へ増やされることが最も好ましい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１５】
ちなみに、上述したような酸化剤ガス供給装置を調節することによっても、酸化剤ガス圧力は制御できる。しかし、酸化剤ガス供給装置のみを使用することによって、同時に、酸化剤ガス流量を減らし、酸化剤ガス圧力を増やすことは困難である。したがって、酸化剤ガス流量を減らし、酸化剤ガス圧力を増やすために、酸化剤ガス流路出口近傍の酸化剤ガス圧力制御弁の調節と共に、酸化剤ガス流路入口の酸化剤ガス供給装置が調節される。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１６】
図３は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの典型例を示した模式図である。ちなみに、ここに記載した燃料電池は、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる。図示するように、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、水素ガス、すなわち、燃料ガスと、空気、すなわち、酸化剤ガスとが対向して流れるように配置されている。また、燃料ガス供給装置の一種である水素ガスボンベ３１及び水素ガスポンプ３３によって、燃料ガス流量が調節される（すなわち、燃料ガス流量の制御）。ちなみに、この図における水素ガスポンプ３３は、燃料電池スタック２００内で消費されなかった水素ガスを再利用するために設計される。さらに、水素ガス圧力制御弁３４によって、水素ガス圧力が制御される（すなわち、燃料ガス圧力の制御）。より具体的には、この種のシステムの機構は、燃料ガス流量を増やし、燃料ガス圧力を減らすことをいずれも可能にする。その上、酸化剤ガス供給装置の一種であるエアーコンプレッサー（ＡＣＰ）４４によって酸化剤ガス流量が調節される。また、空気圧力制御弁４３によって、空気圧力の制御を行う。より具体的には、この種のシステムの機構は、酸化剤ガス流量を減らし、酸化剤ガス圧力を増やすことをいずれも可能にする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２２】
図４は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定手段の１つである燃料電池全体の抵抗値測定が行われる（Ｓ２）。ここで、抵抗値Ｒが、予め測定した各温度における単セル及び／又はスタックの抵抗の最低値の１０５％の値（以下、設定値Ｒ１と呼ぶ。）を超えるか否か（すなわち、判定装置Ａ）によって次に実行される手順が異なる。抵抗値Ｒが、Ｒ１以下である場合、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ１）。一方、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量が不足していると判断され、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３）。ちなみに、通常は酸化剤ガス流路入口近傍において水分量が不足した場合に燃料ガス制御装置が運転され、酸化剤ガス流路出口近傍において水分量が不足した場合に酸化剤ガス制御装置が運転されるが、これらの制御装置の両方が同時に運転されてもよい（Ｓ３）。燃料ガス制御装置及び酸化剤ガス制御装置は、ストイキ比を調節し、及び／又は、圧力を制御してもよいが、それらが同時にストイキ比を調節し、圧力を制御するのが最も好ましい。燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転された（Ｓ３）後、燃料電池全体の抵抗値測定が行われる（Ｓ４）。抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１を超える場合は、再度燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３）。一方、抵抗値Ｒが、設定値Ｒ１以下である場合には、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ５）。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２５】
図７は、本発明の燃料電池の運転方法を実行するための、好適な燃料電池システムの第４の典型例のルーチンを示したフローチャートである。いま、燃料電池システムが高負荷下において連続して運転している場合を仮定する（Ｓ３１）。当該運転中、１０秒〜１０分おきに、水分量の判定方法の１つである酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定が行われる（Ｓ３２）。ここで、圧損ΔＰが、予め測定した酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損の最高値の１０５％の値（以下、設定値ΔＰ２と呼ぶ；ちなみに、ΔＰ２は、上述したΔＰ１から独立している。）を超えるか否か（すなわち、判定装置Ｄ）によって次に実行される手順が異なる。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ３１）。一方、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える場合、酸化剤ガス流路入口近傍及び／又は出口近傍の水分量が過剰であると判断され、燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３３）。ちなみに、通常は酸化剤ガス流路入口近傍において水分量が過剰である場合に酸化剤ガス制御装置が運転され、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰である場合に燃料ガス制御装置が運転されるが、これらの制御装置の両方が同時に運転されてもよい（Ｓ３３）。燃料ガス制御装置及び酸化剤ガス制御装置は、ストイキ比を調節し、及び／又は、圧力を制御してもよいが、それらが同時にストイキ比を調節し、圧力を制御するのが最も好ましい。燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転された（Ｓ３３）後、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧損測定が行われる（Ｓ３４）。圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２を超える場合は、再度燃料ガス制御装置及び／又は酸化剤ガス制御装置が運転される（Ｓ３３）。一方、圧損ΔＰが、設定値ΔＰ２以下である場合には、高負荷下における連続運転が続行される（Ｓ３５）。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
抵抗値Ｒが設定値Ｒ１を超える場合、判定装置Ａ（Ｓ４３）は酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定し、（水分輸送促進制御開始装置Ａ（Ｓ４４）によって）燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置Ａ（Ｓ４４）は、判定装置Ｃ（すなわち、圧損測定）（Ｓ４５）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送促進制御停止装置Ａによって）作動が停止される。次に、酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が（水分輸送抑制制御開始装置Ａ（Ｓ４６）によって）作動される。この開始装置Ａ（Ｓ４６）は、判定装置Ｄ（すなわち、圧損測定）（Ｓ４７）によって、酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であると判定されるまで酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送抑制制御停止装置Ａによって）作動が停止される。最後に、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）により酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足であるか否かが判定される。水分量が不足している場合には、再度水分輸送促進制御開始装置Ａ（Ｓ４４）が燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を作動させる。一方で、水分量が不足していない場合には、燃料電池の運転が続行される（Ｓ４９）。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４３】
前記水分小過剰輸送抑制制御停止装置Ｄが酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置を停止した後に、（水分輸送促進制御開始装置Ｄ（Ｓ７５）によって）燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置が作動される。この開始装置Ｄは、判定装置Ａ（すなわち、抵抗測定）（Ｓ７６）によって酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が不足していると判定されるまで燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料ガス圧力制御装置を１回以上作動させ、当該判定に基づいて（水分輸送促進制御停止装置Ｄによって）作動が停止される。次に、酸化剤ガス流量制御装置及び／又は酸化剤ガス圧力制御装置が（水分輸送抑制制御開始装置Ｄ（Ｓ７７）によって）作動される。最後に、判定装置Ｂ（すなわち、電圧測定）（Ｓ７８）により酸化剤ガス流路出口近傍の水分量が過剰であるか否かが判定される。水分量が過剰である場合には、再度水分輸送促進制御開始装置Ｄ（Ｓ７５）が燃料ガス流量制御装置及び／又は燃料剤ガス圧力制御装置を作動させる。一方で、水分量が過剰でない場合には、燃料電池の運転が続行される（Ｓ７９）。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５０】
図１４は水素ガスのストイキ比の変化に伴うアノード出口における露点湿度変化を示したグラフであり、図１５は水素ガスのストイキ比の変化に伴うカソード出口における露点湿度変化を示したグラフである。グラフ中の白丸、白四角及び白三角は図１２及び図１３と同様のものを示す。燃料ガス流路出口から排出されるアノード排水の一部は、電解質膜を透過することにより、電解質膜の反対側の酸化剤ガス流路の入口へ輸送される。したがって、アノード出口露点湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路入口の水分量を知ることができる。また、カソード出口露点湿度を調べることにより、酸化剤ガス流路出口の水分量を知ることができる。図１４に示されるように、空気ストイキ比１．５、１．６において、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時、アノード出口露点湿度が極大値を有する。ちなみに、空気ストイキ比が１．３の時（すなわち、白丸）は、水素ガスストイキ比が増やされても、アノード出口露点湿度は飽和したまま、高湿度が保たれる。また、図１５に示されるように、空気ストイキ比１．３、１．５、１．６のいずれにおいても、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時に、実質的に単調減少であるカソード出口露点湿度のグラフ中に変曲点が存在する。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５３】
さて燃料ガス供給量が発電性能及び単セルの面内における不均一な水分の分布において有する影響を説明する。上述した発電性能測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にセル電圧の極大値が得られ、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にセル抵抗の極小値が得られることから、水素ガスのストイキ比が１．５〜３．０の範囲内である時に、最も高い発電性能が得られることが明らかである。また、上述した露点湿度測定より、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にアノード出口露点湿度のグラフ上に極大値が得られ、水素ガスのストイキ比が２．５付近の時にカソード出口露点湿度のグラフの変曲点が存在することから、水素ガスのストイキ比が１．０〜４．０の範囲内である時に、燃料ガス流路から酸化剤ガス流路へ電解質膜を透過する水分量の最大増加率が得られることが明らかである。さらに、上述した圧損測定より、空気圧損は、上述した様に、電圧、抵抗が最大となる水素ガスストイキ比でもある、水素ガスストイキ比２．５付近において急激に減少することが明らかである。したがって、燃料ガス供給量が、ガス圧損、単セルの面内における不均一な水分の分布及び発電性能において有する影響に関して、以下のことが考察される。
【国際調査報告】
2010538415.tif 000021
2010538415.tif 000022
2010538415.tif 000023