(57)【要約】【課題】  燃料電池の内部反応ガス通路からの排水性を向上させることのできる技術を提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する反応ガス供給部と、冷却ガスを燃料電池に供給する冷却ガス供給部と、を備える。燃料電池は、水が透過可能な多孔質部を含むセパレータと、多孔質部の第１の面側に設けられた内部反応ガス通路と、多孔質部の第２の面側に設けられた内部冷却ガス通路と、を備える。通常処理モードでは、内部冷却ガス通路に冷却ガスが供給されるため、内部反応ガス通路内の水分は、多孔質部を介して内部冷却ガス通路を通る冷却ガス中に排出される。排水量増大処理モードでは、内部冷却ガス通路への冷却ガスの単位時間あたりの供給量を増大させることによって、冷却ガス中に排出される水分量を増大させる。【選択図】  図１
2005141950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の単セルを含む燃料電池と、
前記燃料電池内部での反応に利用される反応ガスを、前記燃料電池に供給するための反応ガス供給部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却ガスを、前記燃料電池に供給するための冷却ガス供給部と、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、
前記複数の単セルのうちの隣接する２つの前記単セルを分離するセパレータであって、水分が透過可能な多孔質部を含む前記セパレータと、
前記多孔質部の第１の面側に設けられ、前記反応ガスが通る内部反応ガス通路と、
前記多孔質部の第２の面側に設けられ、前記冷却ガスが通る内部冷却ガス通路と、
を備え、
前記制御部は、
前記冷却ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路へ前記冷却ガスを供給させることによって、前記内部反応ガス通路内の水分を、前記多孔質部を介して前記内部冷却ガス通路を通る前記冷却ガス中に排出させる通常処理モードと、
前記冷却ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路への前記冷却ガスの供給の態様を変更させることによって、前記冷却ガス中に排出される水分量を、前記通常処理モードにおける前記水分量よりも増大させる排水量増大処理モードと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの通常運転期間中に、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態か否かを推定するための推定部を備え、
前記制御部は、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態と推定される場合に、前記排水量増大処理モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記推定部は、前記単セルの出力電圧を測定するための電圧測定部を含む、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池の内部温度に関係する所定の温度を測定するための温度測定部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムが運転を開始する際に前記測定結果が所定値以下である場合に、前記排水量増大処理モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記冷却ガス供給部は、前記排水量増大処理モードでは、前記内部冷却ガス通路への前記冷却ガスの単位時間あたりの供給量を、前記通常処理モードにおける前記供給量よりも増大させる、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記冷却ガス供給部は、前記排水量増大処理モードでは、前記内部冷却ガス通路内を流れる前記冷却ガスの流速を、前記通常処理モードにおける前記流速よりも増大させる、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記内部冷却ガス通路は、複数の部分通路を含み、
前記冷却ガス供給部は、
前記複数の部分通路を通る前記冷却ガスの経路を変更するための経路変更部を備え、
前記経路変更部は、前記通常処理モードでは、前記複数の部分通路内に前記冷却ガスが並列的に供給されるように設定され、前記排水量増大処理モードでは、前記複数の部分通路内に前記冷却ガスが直列的に供給されるように設定される、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記冷却ガス供給部は、前記内部冷却ガス通路に供給される前記冷却ガスを加熱するための加熱部を備え、
前記冷却ガス供給部は、前記排水量増大処理モードでは、前記冷却ガスの温度を、前記通常処理モードにおける前記温度よりも上昇させる、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給部は、前記内部冷却ガス通路を経由した前記冷却ガスを、前記反応ガスとして前記内部反応ガス通路に供給する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、
前記内部反応ガス通路内の水分量を低減させる水分量低減処理モードを有しており、
前記制御部は、
前記通常処理モードおよび前記排水量増大処理モードでは、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由した前記冷却ガスを、前記反応ガスとして前記内部反応ガス通路に供給させ、前記水分量低減処理モードでは、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由していないガスを、前記反応ガスの少なくとも一部として前記内部反応ガス通路に供給させる、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、前記水分量低減処理モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池システムであって、
複数の単セルを含む燃料電池と、
前記燃料電池内部での反応に利用される反応ガスを、前記燃料電池に供給するための反応ガス供給部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却ガスを、前記燃料電池に供給するための冷却ガス供給部と、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、
前記複数の単セルのうちの隣接する２つの前記単セルを分離するセパレータであって、水分が透過可能な多孔質部を含む前記セパレータと、
前記多孔質部の第１の面側に設けられ、前記反応ガスが通る内部反応ガス通路と、
前記多孔質部の第２の面側に設けられ、前記冷却ガスが通る内部冷却ガス通路と、
を備え、
前記制御部は、
通常処理モードと、
前記通常処理モードよりも前記内部反応ガス通路内の水分量を低減させる水分量低減処理モードと、
を有し、
前記制御部は、
前記通常処理モードでは、前記冷却ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路へ前記冷却ガスを供給させることによって、前記内部反応ガス通路内の水分を、前記多孔質部を介して前記内部冷却ガス通路を通る前記冷却ガス中に排出させると共に、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由した前記冷却ガスを、前記反応ガスとして前記内部反応ガス通路に供給させ、
前記水分量低減処理モードでは、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由していないガスを、前記反応ガスの少なくとも一部として前記内部反応ガス通路に供給させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの通常運転期間中に、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態か否かを推定するための推定部を備え、
前記制御部は、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態と推定される場合に、前記水分量低減処理モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池の内部温度に関係する所定の温度を測定するための温度測定部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムが運転を開始する際に前記測定結果が所定値以下である場合に、前記水分量低減処理モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１２ないし１４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、前記水分量低減処理モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池を冷却するための冷却液を、前記燃料電池に供給するための冷却液供給部を備え、
前記セパレータは、前記多孔質部と、水分を透過させない緻密質部と、を含んでおり、
前記燃料電池は、さらに、
前記多孔質部の前記第２の面側と同じ面側である前記緻密質部の一方の面側に設けられ、前記冷却液が通る冷却液通路を備える、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記内部反応ガス通路は、カソード側通路であり、
前記冷却ガスは、空気である、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、燃料電池システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、発電の際に、カソード側で水または水蒸気（以下、「生成水」とも呼ぶ）が生成される。生成水をうまく排出できない場合には、カソード側通路はフラッディング状態となってしまい、燃料電池の出力電圧が低下してしまう。このため、生成水をカソード側通路から排出する必要がある。
【０００３】
特許文献１では、単セル間に設けられたセパレータによって、酸化剤ガス流路（カソード側通路）と空気流路とが形成されている。なお、セパレータは、複数の貫通孔を有しており、該貫通孔は、透水性および不透気性を有する樹脂で塞がれている。空気流路には、空気が供給され、酸化剤ガス流路には、空気流路を経由した空気が供給される。空気流路を通る空気は、セパレータを介して、酸化剤ガス流路内の水分を持ち去る。このため、酸化剤ガス流路には、加湿された空気が供給される。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８３１５７号公報
【特許文献２】特表平１１−５０８７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、酸化剤ガス流路中の水分は、積極的に排出されていなかった。このため、従来の技術では、空気流路を通る空気は、酸化剤ガス流路内に発生する多量の生成水を、充分に持ち去ることができず、酸化剤ガス流路内で、フラッディング状態が発生する恐れがあった。
【０００６】
なお、生成水は、電解質膜を介して、アノード側通路にも侵入し得る。したがって、上記の問題は、カソード側通路と同様に、アノード側通路でも同様に発生し得る。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の内部反応ガス通路からの排水性を向上させることのできる技術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】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、燃料電池システムであって、
複数の単セルを含む燃料電池と、
前記燃料電池内部での反応に利用される反応ガスを、前記燃料電池に供給するための反応ガス供給部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却ガスを、前記燃料電池に供給するための冷却ガス供給部と、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、
前記複数の単セルのうちの隣接する２つの前記単セルを分離するセパレータであって、水分が透過可能な多孔質部を含む前記セパレータと、
前記多孔質部の第１の面側に設けられ、前記反応ガスが通る内部反応ガス通路と、
前記多孔質部の第２の面側に設けられ、前記冷却ガスが通る内部冷却ガス通路と、
を備え、
前記制御部は、
前記冷却ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路へ前記冷却ガスを供給させることによって、前記内部反応ガス通路内の水分を、前記多孔質部を介して前記内部冷却ガス通路を通る前記冷却ガス中に排出させる通常処理モードと、
前記冷却ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路への前記冷却ガスの供給の態様を変更させることによって、前記冷却ガス中に排出される水分量を、前記通常処理モードにおける前記水分量よりも増大させる排水量増大処理モードと、
を有することを特徴とする。
【０００９】
この装置では、排水量増大処理モードにおいて、内部冷却ガス通路への冷却ガスの供給の態様が変更されるため、内部反応ガス通路から内部冷却ガス通路への多孔質部を介した排水量を増大させることにより、内部反応ガス通路からの排水性を向上させることができる。
【００１０】
上記の装置において、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの通常運転期間中に、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態か否かを推定するための推定部を備え、
前記制御部は、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態と推定される場合に、前記排水量増大処理モードを実行することが好ましい。
【００１１】
こうすれば、燃料電池システムの通常運転期間中における過度なフラッディング状態の発生を抑制することができる。
【００１２】
上記の装置において、
前記推定部は、前記単セルの出力電圧を測定するための電圧測定部を含むことが好ましい。
【００１３】
こうすれば、内部反応ガス通路がフラッディング状態か否かを容易に推定することができる。
【００１４】
上記の装置において、
前記制御部は、
前記燃料電池の内部温度に関係する所定の温度を測定するための温度測定部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムが運転を開始する際に前記測定結果が所定値以下である場合に、前記排水量増大処理モードを実行するようにしてもよい。
【００１５】
燃料電池システムが運転を開始する際には、通常、燃料電池の内部温度は比較的低い。この場合には、生成水は気化し難く、内部反応ガス通路がフラッディング状態となり易い。したがって、上記のようにすれば、燃料電池システムの運転開始時におけるフラッディング状態の発生を抑制することができる。
【００１６】
上記の装置において、
前記冷却ガス供給部は、前記排水量増大処理モードでは、前記内部冷却ガス通路への前記冷却ガスの単位時間あたりの供給量を、前記通常処理モードにおける前記供給量よりも増大させることが好ましい。
【００１７】
こうすれば、排水量増大処理モードにおいて、冷却ガスは、内部反応ガス通路内の水分を多孔質部を介してより多く持ち去ることができる。
【００１８】
また、上記の装置において、
前記冷却ガス供給部は、前記排水量増大処理モードでは、前記内部冷却ガス通路内を流れる前記冷却ガスの流速を、前記通常処理モードにおける前記流速よりも増大させることが好ましい。
【００１９】
このようにしても、排水量増大処理モードにおいて、冷却ガスは、内部反応ガス通路内の水分を多孔質部を介してより多く持ち去ることができる。
【００２０】
ここで、前記内部冷却ガス通路は、複数の部分通路を含み、
前記冷却ガス供給部は、
前記複数の部分通路を通る前記冷却ガスの経路を変更するための経路変更部を備え、
前記経路変更部は、前記通常処理モードでは、前記複数の部分通路内に前記冷却ガスが並列的に供給されるように設定され、前記排水量増大処理モードでは、前記複数の部分通路内に前記冷却ガスが直列的に供給されるように設定されるようにしてもよい。
【００２１】
こうすれば、排水量増大処理モードにおいて、各部分通路内を流れる冷却ガスの流速を増大させることができる。
【００２２】
上記の装置において、
前記冷却ガス供給部は、前記内部冷却ガス通路に供給される前記冷却ガスを加熱するための加熱部を備え、
前記冷却ガス供給部は、前記排水量増大処理モードでは、前記冷却ガスの温度を、前記通常処理モードにおける前記温度よりも上昇させることが好ましい。
【００２３】
こうすれば、排水量増大処理モードにおいて、内部冷却ガス通路に供給される冷却ガスの飽和蒸気量を増大させることができる。これにより、冷却ガスは、内部反応ガス通路内の水分を多孔質部を介してより多く持ち去ることができる。
【００２４】
上記の装置において、
前記反応ガス供給部は、前記内部冷却ガス通路を経由した前記冷却ガスを、前記反応ガスとして前記内部反応ガス通路に供給するようにしてもよい。
【００２５】
こうすれば、反応ガスを加湿するための加湿器を省略または小型化することができる。
【００２６】
上記の装置において、
前記制御部は、さらに、
前記内部反応ガス通路内の水分量を低減させる水分量低減処理モードを有しており、
前記制御部は、
前記通常処理モードおよび前記排水量増大処理モードでは、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由した前記冷却ガスを、前記反応ガスとして前記内部反応ガス通路に供給させ、前記水分量低減処理モードでは、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由していないガスを、前記反応ガスの少なくとも一部として前記内部反応ガス通路に供給させるようにしてもよい。
【００２７】
こうすれば、水分量低減処理モードでは、内部冷却ガス通路を経由していない比較的湿度の低いガスが、反応ガスの少なくとも一部として内部反応ガス通路内に供給される。このため、反応ガスは、内部反応ガス通路内の水分をより多く持ち去ることができ、内部反応ガス通路内の水分量を低減させることができる。
【００２８】
上記の装置において、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、前記水分量低減処理モードを実行することが好ましい。
【００２９】
こうすれば、燃料電池システムの運転停止期間中に、内部反応ガス通路内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００３０】
本発明の第２の装置は、
燃料電池システムであって、
複数の単セルを含む燃料電池と、
前記燃料電池内部での反応に利用される反応ガスを、前記燃料電池に供給するための反応ガス供給部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却ガスを、前記燃料電池に供給するための冷却ガス供給部と、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、
前記複数の単セルのうちの隣接する２つの前記単セルを分離するセパレータであって、水分が透過可能な多孔質部を含む前記セパレータと、
前記多孔質部の第１の面側に設けられ、前記反応ガスが通る内部反応ガス通路と、
前記多孔質部の第２の面側に設けられ、前記冷却ガスが通る内部冷却ガス通路と、
を備え、
前記制御部は、
通常処理モードと、
前記通常処理モードよりも前記内部反応ガス通路内の水分量を低減させる水分量低減処理モードと、
を有し、
前記制御部は、
前記通常処理モードでは、前記冷却ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路へ前記冷却ガスを供給させることによって、前記内部反応ガス通路内の水分を、前記多孔質部を介して前記内部冷却ガス通路を通る前記冷却ガス中に排出させると共に、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由した前記冷却ガスを、前記反応ガスとして前記内部反応ガス通路に供給させ、
前記水分量低減処理モードでは、前記反応ガス供給部に、前記内部冷却ガス通路を経由していないガスを、前記反応ガスの少なくとも一部として前記内部反応ガス通路に供給させることを特徴とする。
【００３１】
この装置では、水分量低減処理モードにおいて、内部冷却ガス通路を経由していない比較的湿度の低いガスが、反応ガスの少なくとも一部として内部反応ガス通路内に供給される。このため、反応ガスは、内部反応ガス通路内の水分をより多く持ち去ることができ、内部反応ガス通路からの排水性を向上させることができる。
【００３２】
上記の装置において、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの通常運転期間中に、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態か否かを推定するための推定部を備え、
前記制御部は、前記内部反応ガス通路がフラッディング状態と推定される場合に、前記水分量低減処理モードを実行することが好ましい。
【００３３】
上記の装置において、
前記制御部は、
前記燃料電池の内部温度に関係する所定の温度を測定するための温度測定部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムが運転を開始する際に前記測定結果が所定値以下である場合に、前記水分量低減処理モードを実行することが好ましい。
【００３４】
上記の装置において、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、前記水分量低減処理モードを実行することが好ましい。
【００３５】
こうすれば、燃料電池システムの運転停止期間中に、内部反応ガス通路内で水が凍結するのを抑制することができる。
【００３６】
上記の装置において、さらに、
前記燃料電池を冷却するための冷却液を、前記燃料電池に供給するための冷却液供給部を備え、
前記セパレータは、前記多孔質部と、水分を透過させない緻密質部と、を含んでおり、
前記燃料電池は、さらに、
前記多孔質部の前記第２の面側と同じ面側である前記緻密質部の一方の面側に設けられ、前記冷却液が通る冷却液通路を備えることが好ましい。
【００３７】
こうすれば、燃料電池を効率よく冷却することができる。
【００３８】
上記の装置において、
前記内部反応ガス通路は、カソード側通路であり、
前記冷却ガスは、空気であることが好ましい。
【００３９】
なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを搭載した移動体などの装置等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．単セルの構成：
Ａ−３．具体的な処理内容：
Ａ−４．第１実施例の変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
【００４１】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００４２】
燃料電池システムは、燃料電池（燃料電池スタック）１００と、燃料電池に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系と、燃料電池に空気を供給するための空気供給系と、燃料電池に冷却液を供給するための冷却液供給系と、を備えている。なお、本実施例では、空気は、酸化ガスおよび冷却ガスとして機能する。
【００４３】
燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、積層された複数の単セルを含んでいる。また、燃料電池１００内部には、複数の内部通路が設けられている。具体的には、燃料電池内部には、燃料ガスが通る内部燃料ガス通路２１０と、酸化ガス（空気）が通る内部酸化ガス通路２２０と、冷却液が通る内部冷却液通路２３０と、冷却ガス（空気）が通る内部冷却ガス通路２４０と、が設けられている。
【００４４】
燃料ガス供給系は、水素タンク３０２と、減圧弁３０４と、流量制御弁３０６と、を備えている。水素タンク３０２は、水素ガス（燃料ガス）を比較的高い圧力で貯蔵している。減圧弁３０４は、水素タンク３０２から供給された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁３０６は、燃料ガスの流量を調整する。燃料ガスは、燃料ガス通路３１０を介して燃料電池１００に供給される。燃料ガスは、内部燃料ガス通路２１０を通る際に、燃料電池内部での電気化学反応に利用される。内部燃料ガス通路２１０を通過した使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路３９０を介して外部に排出される。燃料オフガス通路３９０には、遮断弁３９２が設けられている。遮断弁３９２は、間欠的に開状態に設定され、これにより、使用済みの燃料オフガスが燃料電池１００から排出される。
【００４５】
空気供給系は、空気ブロワ４０２を備えている。空気は、空気通路を介して燃料電池１００に供給される。ここで、空気通路は、燃料電池外部に設けられた第１および第２の外部空気通路４１０，４２０と、内部冷却ガス通路２４０と、を含んでいる。空気は、内部冷却ガス通路２４０を通る際には、冷却ガスとして機能し、燃料電池１００を冷却する。また、空気は、内部酸化ガス通路２２０を通る際には、酸化ガスとして機能し、燃料電池内部での電気化学反応に利用される。内部酸化ガス通路２２０を通過した使用済みの空気（酸化オフガス）は、酸化オフガス通路４９０を介して外部に排出される。
【００４６】
冷却液供給系は、循環ポンプ５０２と、熱交換器５０４と、を備えている。循環ポンプ５０２は、燃料電池外部に設けられた循環通路５１０と、内部冷却液通路２３０と、の間で冷却液を循環させる。冷却液は、内部冷却液通路２３０を通る際に、燃料電池１００を冷却する。熱交換器５０４は、燃料電池１００から排出された比較的温度の高い冷却液を冷却する。
【００４７】
また、燃料電池システムは、システム全体の動作を制御するためのコントローラ６００を備えている。特に、コントローラ６００は、電圧計６１０と抵抗計６２０と温度計６３０との測定結果に基づいて、空気供給系の動作を制御する。なお、電圧計６１０は、単セルの出力電圧（セル電圧）を測定し、抵抗計６２０は、単セルの電気抵抗（セル抵抗）を測定する。なお、抵抗計６２０としては、インピーダンスメータが利用される。温度計６３０は、燃料電池１００の内部温度を測定する。
【００４８】
なお、空気ブロワ４０２と第１および第２の外部空気通路４１０と内部冷却ガス通路２４０とが、本発明における反応ガス供給部に相当し、空気ブロワ４０２と第１の外部空気通路４１０とが、冷却ガス供給部に相当する。また、コントローラ６００と電圧計６１０と抵抗計６２０と温度計６３０とが、本発明における制御部に相当し、コントローラ６００と電圧計６１０と抵抗計６２０とが、推定部に相当する。
【００４９】
Ａ−２．単セルの構成：
図２は、燃料電池１００内部の単セルの構成を模式的に示す説明図である。図示するように、単セル１１０は、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２０と、２つのセパレータ１３０，１４０と、を備えている。ＭＬＡ１２０は、２つのセパレータ１３０，１４０によって挟まれている。前述のように、燃料電池１００は、図２に示す単セル１１０が複数積層されて構成されている。
【００５０】
ＭＬＡ１２０は、電解質膜１２２と、アノード（水素極）１２４と、カソード（酸素極）１２６と、を含んでおり、電解質膜１２２は、２つの電極１２４，１２６によって挟まれている。なお、各電極１２４，１２６上には、ガスを拡散させるための図示しない拡散層が形成されている。
【００５１】
アノード側セパレータ１３０とカソード側セパレータ１４０とには、複数の孔や凹部が形成されている。複数の孔や凹部は、燃料電池内部の内部通路２１０，２２０，２３０，２４０（図１）を形成する。具体的には、各セパレータの一対の孔は、複数の単セルを積層したときに、複数の単セルを貫くように設けられている。すなわち、各セパレータの一対の孔は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路とを形成する。また、各セパレータの凹部は、一対の孔間を接続するように設けられている。すなわち、各セパレータの凹部は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路との間で流体を流通可能とするセル内通路を形成する。
【００５２】
より具体的には、各セパレータ１３０，１４０には、上流側および下流側のセル間燃料ガス通路２１０ａ，２１０ｃを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路２２０ａ，２２０ｃを構成する一対の孔と、が形成されている。また、各セパレータ１３０，１４０には、上流側および下流側のセル間冷却液通路２３０ａ，２３０ｃを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間冷却ガス通路２４０ａ，２４０ｃを構成する一対の孔と、が形成されている。
【００５３】
図３は、カソード側セパレータ１４０を模式的に示す説明図である。図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、図２に示すカソード側セパレータ１４０の第１の面Ｓｃ１と第２の面Ｓｃ２とを示している。図示するように、カソード側セパレータの第１の面Ｓｃ１には、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂを構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓｃ２には、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部と、が形成されている。
【００５４】
なお、図３に示すように、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを構成する凹部の上流側部分の背面に形成されており、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを構成する凹部の下流側部分の背面に形成されている。
【００５５】
アノード側セパレータ１３０は、カソード側セパレータ１４０と同様である。ただし、図２に示すアノード側セパレータの第１の面Ｓａ１には、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）を構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓａ２には、セル内冷却液通路２３０ｂを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路２４０ｂを構成する凹部と、が形成されている。
【００５６】
なお、実際には、セル内ガス通路２１０ｂ，２２０ｂ，２４０ｂを構成する各凹部には、複数の凸部が設けられている。
【００５７】
図４は、単セル１１０の断面を模式的に示す説明図である。アノード側セパレータ１３０は、緻密質部材１３２で構成されている。一方、カソード側セパレータ１４０は、緻密質部材（緻密質部）１４２と、多孔質部材（多孔質部）１４４と、を含んでいる。ここで、緻密質部材１３２，１４２は、水およびガスを透過させない性質を有している。一方、多孔質部材は、比較的大きな気孔率を有しており、水およびガスが透過可能な性質を有している。なお、多孔質部１４４は、図２，図３に示す領域Ｐに設けられている。
【００５８】
緻密質部材および多孔質部材は、カーボンや金属などの導電性材料を用いて形成される。具体的には、緻密質部材は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形して得られた緻密質カーボンや、プレス成形された金属板などを用いて形成可能である。また、多孔質部材は、カーボン粉末の形状や、サイズ、カーボン粉末とバインダとの混合比率などを適宜選定することによって得られた所望の気孔率を有する多孔質カーボンを用いて形成可能である。あるいは、多孔質部材は、所望の気孔率を有する焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体を用いて形成可能である。緻密質部１４２と多孔質部１４４とを含むカソード側セパレータ１４０は、例えば、個別に準備された緻密質カーボンと多孔質カーボンとを組み合わせ、バインダの溶融温度以上に加熱することによって、形成可能である。
【００５９】
図４に示すように、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）２１０ｂは、アノード側セパレータ１３０の第１の面Ｓａ１に設けられた凹部とＭＬＡ１２０との間に形成されており、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂは、カソード側セパレータ１４０の第１の面Ｓｃ１に設けられた凹部とＭＬＡ１２０との間に形成されている。また、セル内冷却液通路２３０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとは、２つのセパレータ１３０，１４０の第２の面Ｓａ２，Ｓｃ２に設けられた凹部が組み合わされて形成されている。換言すれば、セル内冷却液通路２３０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとは、２つのセパレータ１３０，１４０の間に形成されている。特に、セル内酸化ガス通路２２０ｂは、多孔質部１４４の第１の面Ｓｃ１側に設けられており、セル内冷却ガス通路２４０ｂは、多孔質部１４４の第２の面Ｓｃ２側に設けられている。なお、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路２２０ａ，２２０ｃは、各セパレータ１３０，１４０に設けられた一対の孔によって形成されている。
【００６０】
上記のようなカソード側セパレータ１４０を用いれば、セル内冷却ガス通路２４０ｂに冷却ガス（空気）を供給することによって、燃料電池１００を冷却することができる。また、セル内冷却ガス通路２４０ｂを通る冷却ガスは、多孔質部１４４を介して、セル内酸化ガス通路２２０ｂの水分を持ち去ることができる。具体的には、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水は、毛管吸引力によって、多孔質部１４４内部に容易に取り込まれる。そして、多孔質部１４４に取り込まれた水分は、多孔質部１４４内部を移動して、セル内冷却ガス通路２４０ｂを流れる冷却ガス（空気）中に排出される。多孔質部１４４が水分を取り込むと、多孔質部１４４は、シール機能を獲得する。このため、セル内酸化ガス通路２２０ｂとセル内冷却ガス通路２４０ｂとの間のガスの移動は、抑制される。
【００６１】
なお、本実施例では、多孔質部１４４による水分の取り込みと、多孔質部１４４を介した水分の移動と、を促進させるために、多孔質部１４４に親水性が付与されている。親水性は、例えば、多孔質カーボンを過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基（−ＯＨ基）を導入することによって、付与される。
【００６２】
本実施例では、図４に示すように、多孔質部１４４は、セル内冷却ガス通路２４０ｂとセル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分との間に、設けられている。これは、通常、セル内酸化ガス通路２２０ｂでは、下流側部分の水分量が比較的多く、上流側部分の水分量が比較的少ないためである。すなわち、燃料電池内部の電気化学反応の進行に伴って生じた生成水は、セル内酸化ガス通路２２０ｂを通る酸化ガス中に気化して、該酸化ガスと共に下流に向かう。このため、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側ほど、水分量が多くなる。そこで、本実施例では、セル内酸化ガス通路２２０ｂの下流側部分に、多孔質部１４４が設けられている。なお、本実施例では、セル内冷却ガス通路２４０ｂを経由して加湿された酸化ガスが、セル内酸化ガス通路２２０ｂに供給されている。このため、加湿された酸化ガスは、水分量が比較的少ないセル内酸化ガス通路２２０ｂの上流側部分に、水分を与えることができる。
【００６３】
Ａ−３．具体的な処理内容：
ところで、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量が過大である場合には、単セルの出力電圧が低下してしまう。そこで、本実施例では、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量が過大となるのを抑制することができるように工夫している。
【００６４】
本実施例では、コントローラ６００は、通常処理モードと、排水量増大処理モードと、を有している。コントローラ６００は、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量が過大となる場合または過大となる恐れがある場合に、排水量増大処理モードを選択し、多孔質部１４４を介したセル内酸化ガス通路２２０ｂからセル内冷却ガス通路２４０ｂへの排水量を増大させる。
【００６５】
排水量増大処理モードは、燃料電池システムの通常運転期間中に、セル内酸化ガス通路２２０ｂがフラッディング状態であると推定される場合に実行される。排水量増大処理モードでは、コントローラ６００は、空気ブロワ４０２を制御して、内部冷却ガス通路２４０に供給される単位時間あたりの冷却ガス量（空気量）を増大させる。このとき、セル内冷却ガス通路２４０ｂには、単位時間あたりにより多くの冷却ガス（空気）が流れるため、冷却ガスは、より多くの水分を持ち去ることができる。すなわち、多孔質部１４４を介したセル内酸化ガス通路２２０ｂからセル内冷却ガス通路２４０ｂへの排水量を増大させることができ、この結果、過度のフラッディング状態の発生を抑制することができる。
【００６６】
フラッディング状態か否かは、電圧計６１０と抵抗計６２０との測定結果に基づいて判断される。図５は、電解質膜中の水分量と、セル電圧およびセル抵抗と、の関係を示す説明図である。電解質膜中の水分量が適度な湿潤状態では、セル電圧は、比較的高い値で維持される。電解質膜中の水分量が過小な乾燥状態や電解質膜中の水分量が過大なフラッディング状態では、セル電圧は低下する。特に、電解質膜中の水分量が多い場合には、セル電圧は、水分量の変化に伴って急激に変化する。一方、セル抵抗は、電解質膜中の水分量が増大するに連れて次第に低くなる。特に、電解質膜中の水分量が多い場合には、セル抵抗は緩やかに変化する。
【００６７】
コントローラ６００は、図５の特徴を利用して、フラッディング状態か否かを判断する。具体的には、コントローラ６００は、セル抵抗があまり変化しないにも関わらずセル電圧が急激に変化する場合に、換言すれば、セル抵抗の変化量に対するセル電圧の変化量が所定値以上である場合に、フラッディング状態と推定する。このようにすれば、フラッディング状態か否かを、容易にかつ正確に判断することが可能である。なお、燃料電池には、通常、１以上の単セル毎に、その電気特性を測定するための測定用端子が予め設けられている。セル電圧およびセル抵抗は、この測定用端子を利用して測定される。
【００６８】
また、本実施例では、排水量増大処理モードは、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する場合にも選択される。燃料電池システムが運転を開始する際に、燃料電池の内部温度が比較的低い場合には、燃料電池内部で発生した生成水は、酸化ガス中に気化し難い。このため、セル内酸化ガス通路２２０ｂは、フラッディング状態となり易い。しかしながら、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する際に排水量増大処理モードが実行されれば、運転開始時のフラッディング状態の発生を防止することができる。
【００６９】
コントローラ６００は、燃料電池システムの運転開始時における温度計６３０の測定結果に基づいて、排水量増大処理モードを実行するか否かを決定する。具体的には、コントローラ６００は、燃料電池の内部温度の測定結果が所定値以下である場合に、排水量増大処理モードを実行する。なお、本実施例では、温度計６３０は、燃料電池の内部温度を測定しているが、これに代えて、燃料電池システムの外部の温度（外気温）を測定するようにしてもよい。このようにしても、燃料電池システムの運転開始時におけるフラッディング状態の発生を抑制することができる。ただし、本実施例のように、内部温度の測定結果を利用すれば、排水量増大処理モードを適切に実行することができるという利点がある。すなわち、燃料電池システムの運転を停止させた直後に運転を再開する場合には、燃料電池の内部温度は比較的高い。このような場合には、排水量増大処理モードを実行する必要はない。内部温度を測定結果を利用すれば、上記のような場合に、排水量増大処理モードを実行せずに済む。なお、外気温の測定結果を利用する場合には、コントローラは、燃料電池システムの運転停止後の経過時間を考慮して、排水量増大処理モードを実行するか否かを決定することが好ましい。こうすれば、運転停止後の経過時間が比較的短い場合には、燃料電池の内部温度が比較的高いと推定されるため、排水量増大処理モードを実行せずに済む。一般には、温度計は、燃料電池の内部温度に関係する所定の温度を測定すればよい。
【００７０】
なお、本実施例では、燃料電池システムの通常運転期間中に排水量増大処理モードが実行される場合には、セル抵抗の変化に対してセル電圧が緩やかに変化することが検出されたときに、排水量増大処理モードから通常処理モードへ変更される。また、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する際に排水量増大処理モードが実行される場合には、セル抵抗の変化に対してセル電圧が緩やかに変化し、かつ、燃料電池の内部温度が所定値以上であることが検出されたときに、排水量増大処理モードから通常処理モードへ変更される。
【００７１】
Ａ−４．第１実施例の変形例：
図６は、第１実施例の変形例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図６は、図１とほぼ同じであるが、排出通路４７０が追加されている。排出通路４７０は、第２の外部空気通路４２０に接続されており、排出通路４７０には、排出弁４７２が設けられている。
【００７２】
通常処理モードでは、コントローラ６００は、排出弁４７２を閉状態に設定する。このとき、酸化ガスは、第１実施例と同様に、内部酸化ガス通路２２０に供給される。
【００７３】
一方、排水量増大処理モードでは、コントローラ６００は、第１実施例と同様に、空気ブロワ４０２を制御して、内部冷却ガス通路２４０に供給される単位時間あたりの空気量を増大させる。また、コントローラ６００は、排出弁４７２を中間開度状態に設定する。これにより、加湿された空気の一部が燃料電池の外部に放出される。このため、内部酸化ガス通路２２０に供給される酸化ガス中の水分量を低減させることができ、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量を低減させることが可能となる。
【００７４】
Ｂ．第２実施例：
図７は、第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図７は、図１とほぼ同じであるが、内部冷却ガス通路２４０Ｂが変更されている。具体的には、図７では、内部冷却ガス通路２４０Ｂは、３つの部分通路２４１〜２４３を含んでいる。また、この変更に伴って、第１および第２の外部空気通路４１０Ｂ，４２０Ｂが変更されている。具体的には、第１の外部空気通路４１０Ｂは、最上流側に基幹通路４１１ａを含んでおり、基幹通路は、下流側で第１および第２の分岐通路４１１ｂ，４１１ｃに分岐する。そして、第２の分岐通路４１１ｃは、さらに下流側で第３および第４の分岐通路４１１ｄ，４１１ｅに分岐する。第２の分岐通路４１１ｃには、遮断弁４１２が設けられている。第１，第３，第４の分岐通路４１１ｂ，４１１ｄ，４１１ｅは、それぞれ、第１ないし第３の部分通路２４１，２４２，２４３に接続されている。第２の外部空気通路４２０Ｂも同様である。第２の外部空気通路４２０Ｂは、最下流側に基幹通路４２１ａを含んでおり、基幹通路は、上流側で第１および第２の分岐通路４２１ｂ，４２１ｃに分岐している。そして、第２の分岐通路４２１ｃは、さらに上流側で第３および第４の分岐通路４２１ｄ，４２１ｅに分岐している。第２の分岐通路４２１ｃには、遮断弁４２２が設けられている。第１，第３，第４の分岐通路４２１ｂ，４２１ｄ，４２１ｅは、それぞれ、第３ないし第１の部分通路２４３，２４２，２４１に接続されている。
【００７５】
なお、本実施例では、内部冷却ガス通路２４０Ｂが３つの部分通路２４１〜２４３で構成されているため、セル間冷却ガス通路およびセル内冷却ガス通路も３組設けられている。
【００７６】
通常処理モードでは、コントローラ６００は、第１および第２の遮断弁４１２，４２２を開状態に設定する。このとき、図７に示すように、冷却ガスは、３つの部分通路２４１〜２４３に並列的に供給される。
【００７７】
一方、排水量増大処理モードでは、コントローラ６００は、第１および第２の遮断弁４１２，４２２を閉状態に設定する。図８は、第２実施例の排水量増大処理モードにおける動作を示す説明図である。排水量増大処理モードでは、図８に示すように、冷却ガスは、３つの部分通路２４１〜２４３に直列的に供給される。具体的には、冷却ガスは、第１の部分通路２４１と第２の部分通路２４２と第３の部分通路２４３とをこの順序で通過する。これにより、排水量増大処理モードでは、各部分通路２４１〜２４３を通る冷却ガスの流速を増大させることができるため、冷却ガスは、より多くの水分を持ち去ることができる。すなわち、多孔質部を介したセル内酸化ガス通路からセル内冷却ガス通路への排水量を増大させることができる。
【００７８】
なお、本実施例においても、排水量増大処理モードは、燃料電池システムの通常運転期間中に、セル内酸化ガス通路２２０ｂがフラッディング状態であると推定される場合と、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する場合と、に選択される。
【００７９】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図９は、図１とほぼ同じであるが、ヒータ４０４が追加されている。ヒータ４０４は、第１の外部空気通路４１０に設けられている。
【００８０】
通常処理モードでは、コントローラ６００は、ヒータ４０４に電力を与えない。このとき、冷却ガスは、第１実施例と同様に、内部冷却ガス通路２４０に供給される。
【００８１】
一方、排水量増大処理モードでは、コントローラ６００は、ヒータ４０４に電力を与えて、冷却ガスを加熱する。これにより、セル内冷却ガス通路２４０ｂに供給される冷却ガスの飽和水蒸気量が増大するため、冷却ガスは、より多くの水分を持ち去ることができる。すなわち、多孔質部１４４を介したセル内酸化ガス通路２２０ｂからセル内冷却ガス通路２４０ｂへの排水量を増大させることができる。
【００８２】
なお、本実施例においても、排水量増大処理モードは、燃料電池システムの通常運転期間中に、セル内酸化ガス通路２２０ｂがフラッディング状態であると推定される場合と、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する場合と、に選択される。
【００８３】
図１０は、第３実施例の変形例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図１０は、図９とほぼ同じであるが、熱交換器５０４を通るバイパス通路４５０が追加されている。バイパス通路４５０は、その上流側および下流側で第１の外部空気通路４１０に接続されている。第１の外部空気通路４１０とバイパス通路４５０との２つの接続点の間には、第１の遮断弁４１４が設けられており、バイパス通路４５０には、第２の遮断弁４５２が設けられている。
【００８４】
通常処理モードでは、コントローラ６００は、第１の遮断弁４１４を開状態に設定し、第２の遮断弁４５２を閉状態に設定する。このとき、冷却ガスは、バイパス通路４５０を経由せずに、内部冷却ガス通路２４０に供給される。
【００８５】
一方、排水量増大処理モードでは、コントローラ６００は、第１の遮断弁４１４を閉状態に設定し、第２の遮断弁４５２を開状態に設定する。このとき、冷却ガスは、バイパス通路４５０を経由するため、加熱される。そして、比較的温度の高い冷却ガスが、内部冷却ガス通路２４０に供給される。
【００８６】
このように、冷却液用の熱交換器５０４を利用すれば、ヒータを追加せずに、冷却ガスを加熱することができるという利点がある。
【００８７】
Ｄ．第４実施例：
図１１は、第４実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図１１では、図１の構成と比較して、空気通路が変更されている。具体的には、第１の外部空気通路４１０には、第１の遮断弁４１６が設けられている。第１の外部空気通路４１０には、第１の遮断弁４１６の上流側において、第３の外部空気通路４３０が接続されており、第３の外部空気通路４３０は、第２の外部空気通路４２０に接続されている。第３の外部空気通路４３０には、第２の遮断弁４３２が設けられている。また、第１の外部空気通路４１０には、第１の遮断弁４１６の下流側において、ガスを排出するための排出通路４８０が接続されており、排出通路４８０には、第３の遮断弁４８２が設けられている。
【００８８】
本実施例では、コントローラ６００は、通常処理モードと、第１および第２の水分量低減処理モードと、を有している。コントローラ６００は、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量が過大となる場合または過大となる恐れがある場合に、第１または第２の水分量低減処理モードを選択し、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量を低減させる。
【００８９】
通常処理モードでは、コントローラ６００は、第１の遮断弁４１６を開状態に設定すると共に、第２および第３の遮断弁４３２，４８２を閉状態に設定する。このとき、第１実施例と同様に、酸化ガスは、第１の外部空気通路４１０と内部冷却ガス通路２４０と第２の外部空気通路４２０とを介して、内部酸化ガス通路２２０に供給される。
【００９０】
第１の水分量低減処理モードは、第１実施例と同様に、燃料電池システムの通常運転期間中に、セル内酸化ガス通路２２０ｂがフラッディング状態であると推定される場合に実行される。
【００９１】
図１２は、第４実施例の第１の水分量低減処理モードにおける動作を示す説明図である。第１の水分量低減処理モードでは、コントローラ６００は、第１および第３の遮断弁４１６，４８２を開状態に設定し、第２の遮断弁４３２を開状態に設定する。このとき、空気ブロワ４０２は、内部冷却ガス通路２４０を介して、内部酸化ガス通路２２０に酸化ガスを供給する。また、空気ブロワ４０２は、内部冷却ガス通路２４０を経由せずに、第３の外部空気通路４３０を介して、内部酸化ガス通路２２０に酸化ガスを供給する。これにより、第１の水分量低減処理モードでは、セル内酸化ガス通路２２０ｂに比較的湿度の低い酸化ガスを供給することができる。このため、酸化ガスは、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分をより多く持ち去ることができ、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量を低減させることができる。
【００９２】
第２の水分量低減処理モードは、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する場合に実行される。
【００９３】
図１３は、第４実施例の第２の水分量低減処理モードにおける動作を示す説明図である。第２の水分量低減処理モードでは、コントローラ６００は、第１および第３の遮断弁４１６，４８２を閉状態に設定し、第２の遮断弁４３２を開状態に設定する。このとき、空気は、第３の外部空気通路４３０を介して、第２の外部空気通路４２０に流入する。そして、空気は、第２の外部空気通路４２０と第３の外部空気通路４３０との接続点で、２方向に分かれる。すなわち、空気は、内部酸化ガス通路２２０と、内部冷却ガス通路２４０と、に供給される。これにより、第２の水分量低減処理モードでは、内部酸化ガス通路２２０および内部冷却ガス通路２４０に加湿されていない空気（乾燥空気）を供給することができる。このため、乾燥空気は、セル内酸化ガス通路内の水分をより多く持ち去ることができ、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量を低減させることができる。
【００９４】
本実施例では、第２の水分量低減処理モードは、燃料電池システムが運転を停止する場合にも選択される。こうすれば、燃料電池システムが運転を停止する場合に、内部酸化ガス通路２２０および内部冷却ガス通路２４０に乾燥空気が供給されるため、運転停止期間中における燃料電池内部での水の凍結を抑制することができると共に、次回の燃料電池システムの運転を早期に開始させることができる。
【００９５】
第２の水分量低減処理モードが燃料電池システムの運転停止時に実行される場合には、コントローラ６００は、抵抗計６２０の測定結果に基づいて、該モードの実行を終了させる。すなわち、燃料電池システムが運転を停止する際には生成水が生成されないため、内部酸化ガス通路２２０内に乾燥空気が供給されると、セル内酸化ガス通路２２０ｂ内の水分量が過小となり、電解質膜が乾燥状態となってしまう恐れがある。図５に示すように、セル抵抗は、電解質膜中の水分量が少なくなるに連れて次第に上昇する。そこで、コントローラ６００は、セル抵抗が所定値以上となったときに、水分量低減処理モードを終了する。こうすれば、電解質膜が乾燥状態となるのを防止することができる。
【００９６】
なお、本実施例では、燃料電池システムが比較的低い温度で運転を開始する場合および燃料電池システムが運転を停止する場合には、第２の水分量低減処理モード（図１３）が実行されているが、これに代えて、第１の水分量低減処理モード（図１２）が実行されるようにしてもよい。
【００９７】
一般には、燃料電池システムは、通常処理モードと、通常処理モードよりも内部酸化ガス通路内の水分量を低減させる水分量低減処理モードと、を有していればよい。そして、水分量低減処理モードでは、内部冷却ガス通路を経由していないガスが、内部酸化ガス通路に供給されればよい。
【００９８】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９９】
（１）上記実施例では、燃料電池は冷却ガスと共に冷却液によって冷却されているが、これに代えて、冷却ガスのみで冷却されるようにしてもよい。ただし、上記実施例のようにすれば、燃料電池を効率よく冷却することができる。
【０１００】
（２）上記実施例では、フラッディング状態か否かは、セル電圧とセル抵抗とを利用して推定されているが、これに代えて、セル電圧のみを利用して推定されるようにしてもよい。この場合には、単位時間あたりのセル電圧の変化量が所定値以上である場合に、フラッディング状態と推定されればよい。こうすれば、セル内酸化ガス通路がフラッディング状態か否かを容易に推定することができる。一般には、推定部は、単セルの出力電圧を測定するための電圧測定部を備えていればよい。
【０１０１】
（３）上記実施例では、内部酸化ガス通路２２０と内部冷却ガス通路２４０とは、第２の外部空気通路４２０を介して接続されているが、２つの通路２２０，２４０を接続する通路は、燃料電池の内部に設けられていてもよい。例えば、各セパレータ１３０，１４０に形成された下流側のセル間冷却ガス通路２４０ｃを構成する孔と、上流側のセル間酸化ガス通路２２０ａを構成する孔と、を省略し、カソード側セパレータ１４０のみに、セル内冷却ガス通路２４０ｂの下流側部分とセル内酸化ガス通路２２０ｂの上流側部分とを接続する孔を設ければよい。
【０１０２】
（４）第１ないし第３実施例では、通常処理モードおよび排水量増大処理モードにおいて、内部冷却ガス通路２４０を経由した空気が、内部酸化ガス通路２２０に供給されている。しかしながら、これに代えて、内部酸化ガス通路２２０と内部冷却ガス通路２４０とには、独立して、空気が供給されるようにしてもよい。なお、この場合には、内部酸化ガス通路２２０に供給される空気（酸化ガス）を加湿するための加湿器を設けることが好ましい。こうすれば、電解質膜が乾燥状態となってしまうのを抑制することができる。ただし、上記実施例のように、内部冷却ガス通路２４０を経由した空気を内部酸化ガス通路２２０に供給すれば、内部酸化ガス通路に供給される空気（酸化ガス）を加湿するための加湿器を省略または小型化することができるという利点がある。
【０１０３】
（５）第１ないし第３実施例では、コントローラは、通常処理モードと、多孔質部を介した排水を実行する排出量増大処理モードと、を有しているが、さらに、乾燥空気を利用して排水を実行する水分量低減処理モードを有していてもよい。こうすれば、第１ないし第３実施例において、燃料電池システムの運転停止の際に、水分量低減処理モードを実行することができるため、運転停止期間中に、内部酸化ガス通路内で水が凍結するのを抑制することができる。なお、水分量低減処理モードは、第１ないし第３実施例の構成に、図１１に示す第３の外部空気通路４３０と排出通路４８０と３つの遮断弁４１６，４３２，４８２とを追加することによって、実行可能である。あるいは、水分量低減処理モードは、第１ないし第３実施例の構成に、さらに、第２の外部空気通路４２０に空気を供給する空気ブロワを追加することによって、実行可能である。
【０１０４】
（６）上記実施例では、冷却ガスおよび酸化ガスとして空気が利用されているが、冷却ガスとしては、他のガスが利用されるようにしてもよい。
【０１０５】
（７）上記実施例では、セル内酸化ガス通路（カソード側通路）２２０ｂからの排水性を向上させているが、これに代えて、あるいは、これと共に、セル内燃料ガス通路（アノード側通路）２１０ｂからの排水性を向上させるようにしてもよい。こうすれば、セル内酸化ガス通路２２０ｂからセル内燃料ガス通路２１０ｂに電解質膜を介して侵入する水分を積極的に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００内部の単セルの構成を模式的に示す説明図である。
【図３】カソード側セパレータ１４０を模式的に示す説明図である。
【図４】単セル１１０の断面を模式的に示す説明図である。
【図５】電解質膜中の水分量と、セル電圧およびセル抵抗と、の関係を示す説明図である。
【図６】第１実施例の変形例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図７】第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図８】第２実施例の排水量増大処理モードにおける動作を示す説明図である。
【図９】第３実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第３実施例の変形例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第４実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１２】第４実施例の第１の水分量低減処理モードにおける動作を示す説明図である。
【図１３】第４実施例の第２の水分量低減処理モードにおける動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１００…燃料電池
１１０…単セル
１２０…膜−電極アセンブリ（ＭＬＡ）
１２２…電解質膜
１２４…アノード
１２６…カソード
１３０…アノード側セパレータ
１３２…緻密質部材
１４０…カソード側セパレータ
１４２…緻密質部材（緻密質部）
１４４…多孔質部材（多孔質部）
２１０…内部燃料ガス通路
２１０ａ，２１０ｃ…セル間燃料ガス通路
２１０ｂ…セル内燃料ガス通路（アノード側通路）
２２０…内部酸化ガス通路
２２０ａ，２２０ｃ…セル間酸化ガス通路
２２０ｂ…セル内酸化ガス通路（カソード側通路）
２３０…内部冷却液通路
２３０ａ，２３０ｃ…セル間冷却液通路
２３０ｂ…セル内冷却液通路
２４０…内部冷却ガス通路
２４０Ｂ…内部冷却ガス通路
２４０ａ，２４０ｃ…セル間冷却ガス通路
２４０ｂ…セル内冷却ガス通路
２４１，２４２，２４３…部分通路
３０２…水素タンク
３０４…減圧弁
３０６…流量制御弁
３１０…燃料ガス通路
３９０…燃料オフガス通路
３９２…遮断弁
４０２…空気ブロワ
４０４…ヒータ
４１０，４１０Ｂ…第１の外部空気通路
４１１ａ…基幹通路
４１１ｂ〜４１１ｅ…分岐通路
４１２，４１４，４１６…遮断弁
４２０，４２０Ｂ…第２の外部空気通路
４２１ａ…基幹通路
４２１ｂ〜４２１ｅ…分岐通路
４２２…遮断弁
４３０…第３の外部空気通路
４３２…遮断弁
４５０…バイパス通路
４５２…遮断弁
４７０…排出通路
４７２…排出弁
４８０…排出通路
４８２…遮断弁
４９０…酸化オフガス通路
５０２…循環ポンプ
５０４…熱交換器
５１０…循環通路
６００…コントローラ
６１０…電圧計
６２０…抵抗計
６３０…温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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