(57)【要約】【課題】  燃料電池内部のあらゆる領域において適度な水分量を保ち、燃料電池の高い出力密度の維持安定化を図る。【解決手段】  高分子電解質膜３の一方側に燃料極４を、同他方側に酸化剤極５をそれぞれ設け、酸化剤極５の高分子電解質膜３と反対側には多孔質電導物質からなる酸化剤極集電板７を配置する。酸化剤極集電板７の酸化剤極５に対向する面には、複数の酸化剤ガス通路７ａを設け、反対側の面には、酸化剤ガス通路７ａに対して直交する方向に延びる複数の水通路７ｂを設ける。水通路７ｂを、酸化剤ガス通路７ａの上流側から下流側に向けて第一水路群１４，第二水路群１７，第三水路群２０の３つの水路群で構成し、これらを並列に配列する。酸化剤ガス通路７ａの上流側に位置する第一水路群１４には、酸化剤ガス通路７ａの下流側に位置する第三水路群２０に供給する水よりも高い圧力で水を供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより挟持した高分子電解質膜と、一方の面に複数の燃料ガス通路が設けられ他方の面に前記燃料ガス通路に対して交差する方向に延びる複数の水通路が設けられた多孔質電導物質からなる燃料極集電板と、一方の面に複数の酸化剤ガス通路が設けられ他方の面に前記酸化剤ガス通路に対して交差する方向に延びる複数の水通路が設けられた多孔質電導物質からなる酸化剤極集電板とをそれぞれ有する燃料電池本体を備え、前記酸化剤極集電板の水通路を、複数並列に設けて一つの水路群を形成し、この水路群を、前記酸化剤ガス通路の上流側から下流側に向けて複数並列に配列し、前記酸化剤ガス通路の上流側に位置する前記水路群には、前記酸化剤ガス通路の下流側に位置する前記水路群に供給する水よりも高い圧力で水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス通路の上流側に位置する前記水路群には、前記酸化剤ガスの供給圧力よりも高い圧力で水を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス通路の下流側に位置する前記水路群には、前記酸化剤ガスの供給圧力よりも低い圧力で水を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料極集電板の水通路を、複数並列に設けて一つの水路群を形成し、この水路群を、前記燃料ガス通路の上流側から下流側に向けて複数並列に配列し、前記燃料ガス通路の上流側に位置する前記水路群には、前記燃料ガス通路の下流側に位置する前記水路群に供給する水よりも高い圧力で水を供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス通路の上流側に位置する前記水路群には、前記燃料ガスの供給圧力よりも高い圧力で水を供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス通路の下流側に位置する前記水路群には、前記燃料ガスの供給圧力よりも低い圧力で水を供給することを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記高分子電解質膜に、高分子電解質膜の湿潤度を検出する湿潤度検出手段と高分子電解質膜の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段との少なくともいずれか一方を設け、前記湿潤度検出手段が湿潤度の低下を検出した場合、もしくは前記電気伝導度検出手段が電気伝導度の低下を検出した場合の少なくともいずれか一方の場合には、前記水通路への水の供給圧力を上昇させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記高分子電解質膜に、高分子電解質膜の湿潤度を検出する湿潤度検出手段と高分子電解質膜の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段との少なくともいずれか一方を設け、前記湿潤度検出手段が湿潤度の上昇を検出した場合、もしくは前記電気伝導度検出手段が電気伝導度の上昇を検出した場合の少なくともいずれか一方の場合には、前記水通路への水の供給圧力を低下させることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池本体からの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を設け、この出力電圧検出手段が検出する出力電圧が、前記燃料電池本体の出力要求値を下回った場合には、前記水通路への水の供給圧力を低下させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極と酸化剤極とにより挟持した高分子電解質膜に対し、多孔質電導物質で形成する集電板を通して加湿を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率の電力供給源として開発が進められている様々な燃料電池発電システムのうち、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用い、燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池本体に供給する燃料電池システム（例えば、下記特許文献１参照）は、簡略な構造で高い出力密度が得られることから、特に自動車などの移動体用電源として注目されている。この中でも特に燃料極集電板および酸化剤極集電板に多孔質電導物質を用いた燃料電池は、燃料電池の内部において高分子膜の加湿および生成水の除去が可能なため、より高い出力を安定して取り出すことができる。
【特許文献１】特開平９−２５９９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池はその電気化学的な作動原理から出力に比例して内部に水が生成される。生成される水の総量は、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路の上流側で少なく下流側で多くなる。水量がある一定量を超えると、ガス通路、特に酸化剤ガス通路において水による通路の閉塞が起こったり、燃料極および酸化剤極の表面が水に覆われることでガスの拡散が阻害されたりすること（フラッディング）により出力が低下するなどの問題が生じる。
【０００４】
このような問題を解決するために、現在最も一般的な吸水透湿性のない集電板を用いた燃料電池では、電気化学反応に必要な量以上、具体的には反応必要量の２倍を超える酸化剤ガスを供給しガス通路内の水を排出する手法を取っているが、これは酸化剤ガスを供給するコンプレッサが必要以上の仕事をしていることに他ならず、燃料電池システム全体の効率が低下するという新たな問題が生じる。
【０００５】
またこの方法では、酸化剤ガスの入口付近で高分子電解質膜の乾燥が促進されてしまうため、これを防止するために燃料電池の外部に大型の加湿器を設け、あらかじめ加湿された酸化剤ガスを供給する必要が生じ、燃料電池システムの装置全体が大型化するという、例えば自動車などの移動体にとっては極めて不都合な問題がある。
【０００６】
これに対して背景技術で述べた多孔質電導物質を集電板に用い、燃料電池内部において加湿および液水除去機能を有する燃料電池は、これらの問題の解決を図るものであるが、燃料電池内部の如何なる部分においてもその加湿および除水能力が一定であるため、今なおガス通路の上流側で水分が不足しガス通路の下流側で水分が過剰になる傾向があり、問題の解決には不充分な点が残されている。
【０００７】
そこで、この発明は、燃料電池内部のあらゆる領域において適度な水分量を保ち、燃料電池の高い出力密度の維持安定化を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより挟持した高分子電解質膜と、一方の面に複数の燃料ガス通路が設けられ他方の面に前記燃料ガス通路に対して交差する方向に延びる複数の水通路が設けられた多孔質電導物質からなる燃料極集電板と、一方の面に複数の酸化剤ガス通路が設けられ他方の面に前記酸化剤ガス通路に対して交差する方向に延びる複数の水通路が設けられた多孔質電導物質からなる酸化剤極集電板とをそれぞれ有する燃料電池本体を備え、前記酸化剤極集電板の水通路を、複数並列に設けて一つの水路群を形成し、この水路群を、前記酸化剤ガス通路の上流側から下流側に向けて複数並列に配列し、前記酸化剤ガス通路の上流側に位置する前記水路群には、前記酸化剤ガス通路の下流側に位置する前記水路群に供給する水よりも高い圧力で水を供給することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、酸化剤ガス通路の上流側に位置する水路群には、酸化剤ガス通路の下流側に位置する水路群に供給する水よりも高い圧力の水を供給するようにしたので、水分が不足する傾向にある酸化剤ガス通路の上流側で加湿能力が高まり、水分が過剰となる傾向にある酸化剤ガス通路の下流側で除水能力を高めることができ、燃料電池内部の酸化剤極側のあらゆる部分における水分量を適度に保て、高い出力を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる単セルの一部を示す分解斜視図で、図２はこの単セルを複数積層して構成する燃料電池本体１を備えた燃料電池システムの概要を示す全体構成図である。
【００１２】
図１に示すように、高分子電解質膜３の両表面上には、アノード側電極となる燃料極４とカソード側電極となる酸化剤極５とが一体に形成してある。酸化剤極５の高分子電解質膜３と反対側には、多孔質電導物質からなる酸化剤極集電板７を配置している。酸化剤極集電板７の高分子電解質膜３に対向する面には、酸化剤ガス例えば空気が流れる酸化剤ガス通路７aを、図１中で上下方向に複数並列に設けている。酸化剤極集電板７の酸化剤ガス通路７aと反対側の面には、水を通流させる水通路７ｂを、酸化剤ガス通路７ａに対して交差する方向に設けている。
【００１３】
また、図１では省略してあるが、燃料極４の高分子電解質膜３と反対側には、酸化剤極５側と同様に、多孔質電導物質からなる燃料極集電板６（図３参照）を配置する。この燃料極集電板６の燃料極４に対向する面に燃料ガス通路を、燃料極４と反対側の面には燃料ガス通路と交差する方向に延びる水通路を、それぞれ形成する。
【００１４】
前記水通路７ｂに通流する水が燃料電池システムの冷却水系と独立して異なった系を成す場合、酸化剤極集電板７の高分子電解質膜３と反対側に、冷却水プレート２２を配置する。一方、水通路７ｂに通流する水が燃料電池システムの冷却水を兼ねている場合は、冷却水プレート２２に代えて絶縁板を配置する。
【００１５】
そして、これら高分子電解質膜３，燃料極４，酸化剤極５，酸化剤極集電板７および燃料極集電板６の積層体により単セルを構成し、この単セルを冷却水プレート２２または電気絶縁板を介して複数直列に積層することにより、燃料電池本体１を構成する。
【００１６】
次に、酸化剤極集電板７における水通路７ｂの配列について説明するが、ここでは説明を簡略化するため、水通路７ｂが酸化剤ガス通路７ａに対して９０度の角度をなして交差し、３本の水通路をもって構成した水路群を３群設けた例を挙げる。
【００１７】
図１中で上部に位置する第一水路群１４は、酸化剤ガス通路７ａの最も上流側に位置し、水通路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを互いに並列に接続することで構成する。第一水路群入口１３から導入した水は水通路１４ａ，１４ｂ，１４ｃに分配され、それぞれの水通路１４ａ，１４ｂ，１４ｃの最下流部で再び合流した後、第一水路群出口１５から燃料電池本体１の外へ排出される。
【００１８】
第二水路群１７は、酸化剤ガス通路７ａの中流付近に位置し、水通路１７ａ，１７ｂ，１７ｃを互いに並列に接続することで構成する。第二水路群入口１６から導入した水は水通路１７ａ，１７ｂ，１７ｃに分配され、それぞれの水通路１７ａ，１７ｂ，１７ｃの最下流部で再び合流した後、第二水路群出口１８から燃料電池本体１の外へ排出される。
【００１９】
第三水路群２０は、酸化剤ガス通路７aの最も下流側に位置し、水通路２０ａ，２０ｂ，２０ｃを互いに並列に接続することで構成する。第三水路群入口１９から導入した水は水通路２０ａ，２０ｂ，２０ｃに分配され、それぞれの水通路２０ａ，２０ｂ，２０ｃの最下流部で再び合流した後、第三水路群出口２１から燃料電池本体１の外へ排出される。
【００２０】
ここでは一つの水路群を構成する水通路を３本として説明したが、これより多くても少なくてもかまわず任意の本数を選択できる。また各水路群における構成水通路本数は一定である必要はなく、各水路群ごとに任意の本数を選択できる。例えば第一水路群１４で５本、第二水路群１７で１０本、第三水路群２０で７本などとすることもできる。
【００２１】
また説明では水路群の数を３群としたが、この水路群の数も任意である。水路群の数を増やすほど高分子電解質膜３の各部においてより緻密に加湿状態をコントロールできるようになる。さらに説明では酸化剤ガス通路７ａと水通路７ｂとの成す角度を９０度としたが、これも任意の角度を選択できる。ただし、この角度を０度もしくは１８０度（酸化剤ガス通路７ａと水通路７ｂとが互いに並行）に近い値とした場合には、ガスの上流側と下流側で加湿および除水能力を変化させるという本発明の目的にそぐわないものになってしまうことは言うまでもない。
【００２２】
続いて上述の単セル構造を複数有する燃料電池本体１を備えた燃料電池発電システムの概要について図２を用いて説明する。
【００２３】
燃料電池本体１の燃料極４へは、例えば炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器などの燃料ガス供給手段９から、水素リッチな燃料ガスを供給し、酸化剤極５へは、コンプレッサ１０から酸化剤ガスとしての空気を供給する。
【００２４】
なお、燃料極４から排出される未利用の燃料ガスは、エゼクタポンプ３７を用いて再度燃料極４へ循環供給し、酸化剤極５から排出される未利用の空気は、そのまま大気中へ排出する。
【００２５】
燃料電池本体１の水通路７ｂの両端には、水循環管路２３を接続している。水循環管路２３には、水通路７ｂの出口（第一水路群出口１５，第二水路群出口１８，第三水路群出口２１）側から、冷却水循環ポンプ１１，冷却水に含まれる気体成分を分離除去するとともに冷却水を貯蔵する気液分離器２４，冷却水を外気により冷却するラジエタ２５を、この順に接続する。
【００２６】
燃料電池本体１と冷却水循環ポンプ１１との間の水循環管路２３には、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段２７を設け、気液分離器２４とラジエタ２５とを接続する冷却水循環管路２３に、ラジエタ２５をバイパスするバイパス管路２９を通流する冷却水の流量を制御するバイパス弁３０を設ける。
【００２７】
ラジエタ２５と水通路７ｂの入口（第一水路群入口１３，第二水路群入口１６，第三水路群入口１９）側とを各水路群１４，１７，２０に対応して接続する冷却水分岐管路３１ａ，３１ｂ，３１ｃには、冷却水の圧力を制御する冷却水圧力レギュレータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃをそれぞれ設ける。
【００２８】
各冷却水圧力レギュレータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの基準圧検知部に接続する検知圧管１２ａ１，１２ｂ１，１２ｃ１および、気液分離器２４の気層部に接続する気層管２４ａは、前記したコンプレッサ１０と燃料電池本体１とを接続する空気供給管３２に接続する。空気供給管３２には、コンプレッサ１０が供給する空気の圧力を検出する供給空気圧検出手段３４を設ける。
【００２９】
前記冷却水温度検出手段２７および供給空気圧検出手段３４の出力信号は、制御装置３５が取り込み、制御装置３５は、ラジエタ冷却ファン３６を回転駆動するモータＭ，冷却水循環ポンプ１１およびバイパス弁３０の制御を行う。
【００３０】
上記した制御装置３５は、供給空気圧検出手段３４が検出した空気圧に対応して設定される冷却水温度を保持するように、バイパス弁３０およびラジエタ冷却ファン３６を制御する。
【００３１】
図２における第一水路群１４，第二水路群１７，第三水路群２０での水の流れと、燃料極４および酸化剤極５を流れるガスの流れの方向関係は、表記の都合上正確ではないため、これらの流体の流れ方向の関係を立体的に示した模式図として図３を補足しておく。なお、図３においては、簡略化のため燃料極４側の水通路を省略してある。
【００３２】
以上のように構成した本実施形態におよる燃料電池システムの実際の動作について説明する。
【００３３】
燃料電池は、その特性上発電に伴い内部で水が生成されることは前述した。よって反応が始まったばかりの燃料ガスおよび酸化剤ガス入口付近では、ほとんど水が生成されておらず高分子電解質膜３は乾燥する傾向にある。
【００３４】
ここで、第一水路群１４に対応する冷却水圧力レギュレータ１２ａの設定圧力をコンプレッサ１０による供給空気圧力に対し高く設定すると、その圧力差によって第一水路群１４に属する水通路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを通流する水は、酸化剤極集電板７の多孔質層を通過して酸化剤ガス通路７ａへ移動し、付近を通流する酸化剤ガスおよび付近の高分子電解質膜３を加湿して乾燥状態を解消する。
【００３５】
一方燃料ガスおよび酸化剤ガス出口付近では、生成された水が蓄積され高分子電解質膜３は必要以上に湿潤し酸化剤ガス通路７ａも閉塞するようになる。
【００３６】
ここで、第三水路群２０に対応する冷却水圧力レギュレータ１２ｃの設定圧力を、コンプレッサ１０による供給空気圧力に対し低く設定すると、その圧力差によって酸化剤ガス通路７ａ内に滞留する水は酸化剤極集電板７の多孔質層を通過し、第三水路群２０に属する水通路２０ａ，２０ｂ，２０ｃに吸収され適度な湿潤状態に保たれる。
【００３７】
図４は、第一水路群１４，第二水路群１７，第三水路群２０の各水圧と、酸化剤ガス通路７ａのガス圧との関係を、酸化剤ガス通路７ａの流れに対応して示している。水圧は、酸化剤ガス通路７ａの上流（入口側）に位置する第一水路群１４で酸化剤ガスの圧力より高くなるよう最も高くし、酸化剤ガス通路の下流側（出口側）に位置する第三水路群２０で酸化剤ガスの圧力より低くなるよう最も低くしている。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態について図５を用いて説明する。
【００３９】
この実施形態は、第１の実施形態における圧力レギュレータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを、制御装置３５に接続した圧力調整弁３８ａ，３８ｂ，３８ｃにそれぞれ置き換え、高分子電解質膜３の湿潤度を検出する湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃを各水路群１４，１７，２０に対応する位置に追加設定した以外は、第１の実施形態と同一である。
【００４０】
高分子電解質膜３が乾燥状態にあるとき、湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃは制御装置３５に高分子電解質膜３の乾燥を示す信号を送る。制御装置３５は湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃの検出信号に基づいて、高分子電解質膜３の乾燥度合いを判断し、判断した乾燥度合いに応じて圧力調整弁３８ａ，３８ｂ，３８ｃに圧力を上昇させるよう信号を送る。
【００４１】
これらの一連の制御により高分子電解質膜３が乾燥すればするほど、水通路７ｂを通流する水の圧力を燃料電池に供給する空気の圧力より高く設定するので、この圧力差をもって水通路７ｂ内の水が酸化剤極集電板７の多孔質層を通過し高分子電解質膜３を加湿する。
【００４２】
反対に高分子電解膜３が必要以上に湿潤している場合は、湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃは、制御装置３５に高分子電解質膜３の過湿潤を示す信号を送る。制御装置３５は、湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃの検出信号に基づいて、高分子電解質膜３の湿潤度合いを判断し、判断した湿潤度合いに応じて圧力調整弁３８ａ，３８ｂ，３８ｃに圧力を低下させるよう信号を送る。
【００４３】
これらの一連の制御により高分子電解質膜３が湿潤すればするほど、水通路７ｂを通流する水の圧力を燃料電池に供給する空気の圧力より低く設定するので、この圧力差をもって酸化剤ガス通路７ａ内の水が酸化剤極集電板７の多孔質層を通過して水通路７ｂに流れ、酸化剤ガス通路７ａにおける過剰な水分が除去される。
【００４４】
ここで湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃは、各水路群１４，１７，２０にそれぞれ対応しており、これらは互いに独立して制御に使用するため、高分子電解質膜３の面内の湿潤状態をより均一に保つことができる。
【００４５】
図６は、水通路７ｂの水圧と酸化剤ガス通路７ａのガス圧との関係を、高分子電解質膜３の湿潤状態に対応して示している。すなわち、高分子電解質膜３が乾燥状態（ＤＲＹ）にある加湿領域に対しては水圧を高く、高分子電解質膜３が水分過剰となる（ＷＥＴ）除水領域に対しては、水圧を低く設定している。
【００４６】
なお、湿潤度検出手段３９ａ，３９ｂ，３９ｃの代わりに、高分子電解質膜３の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段を設け、電気伝導度検出手段の検出信号に基づいて、高分子電解質膜３の湿潤状態を推定することもできる。この場合も、その制御は湿潤度を直接検出する場合と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００４８】
第３の実施形態の構成は、第２の実施形態の構成に対し、高分子電解質膜３の湿潤状態を検出するために使用するる湿潤度検出手段もしくは電気伝導度検出手段を廃し、代わりに燃料電池本体１への出力要求値を検出する出力要求値検出手段と、燃料電池本体１からの出力電圧を検出する出力電圧検出手段とをそれぞれ設ける。
【００４９】
ここで燃料電池本体１からの出力電圧が、必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給しているにも拘わらず、出力要求値を下回った場合には、水分が過剰であるために酸化剤極５におけるガス拡散が阻害されているか、あるいは酸化剤ガス通路７ａが閉塞している（いわゆるフラッディング）状態にあると判断し、各水路群１４，１７，２０に供給する水の圧力を低下させる。
【００５０】
これにより、酸化剤ガス通路７ａ側に存在する過剰な水は、酸化剤ガス通路７ａと水通路７ｂとの間の圧力差から酸化剤極集電板７の多孔質層を通して水通路７ｂ側に吸水されるため、過剰な水を排除でき、燃料電池本体１の出力電圧が正常に復帰する。
【００５１】
図７は、水通路７ｂの水圧と酸化剤ガス通路７ａのガス圧との関係を、要求出力電圧に対する実出力電圧との比に対応して示している。すなわち、実出力電圧が要求出力電圧に対して低いほど、水分が過剰であるとして水圧力を低くしている。
【００５２】
なお、本発明においては、水路群の数量、水路群を構成する水通路の数量は燃料電池本体１の特性に合わせて任意に設定することができる。また水路群および水通路の形状、大きさはその効果において何ら制限を受けない。本発明の燃料電池システムは、酸化剤極５側に限らず燃料極４側にも同様に適用できる。また、水通路７ｂを通流する水が直接燃料電池本体１の冷却をまかなう形式でも、本発明を適用でき、上記した各実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
本発明によれば、酸化剤ガス通路の上流側に位置する水路群に、酸化剤ガスの供給圧力よりも高い圧力で水を供給するようにしたので、酸化剤ガス通路に充分な水分を供給することができ、高分子電解質膜が乾燥して出力が低下したり膜が損傷したりすることを防止できる。
【００５４】
前記酸化剤ガス通路の下流側に位置する水路群に、酸化剤ガスの供給圧力よりも低い圧力で水を供給するようにしたので、酸化剤ガス通路内に滞留する電気化学反応に伴う生成水を確実に除去することができ、酸化剤極が水に覆われてガス拡散が阻害されることに起因する出力の低下を防止できる。
【００５５】
前記燃料ガスの通路の上流側に位置する水路群には、燃料ガス通路の下流側に位置する前記水路群に供給する水よりも高い圧力で水を供給するようにしたので、水分が不足する傾向にある燃料ガス通路の上流側で加湿能力が高まり、水分が過剰となる傾向にある燃料ガス通路の下流側で除水能力を高めることができ、燃料電池内部の燃料極側のあらゆる部分における水分量を適度に保て、高い出力を安定して得ることができる。
【００５６】
前記燃料ガス通路の上流側に位置する水路群に、燃料ガスの供給圧力よりも高い圧力で水を供給するようにしたので、燃料ガス通路に充分な水分を供給することができ、高分子電解質膜が乾燥して出力が低下したり膜が損傷したりすることを防止できる。
【００５７】
前記燃料ガス通路の下流側に位置する水路群に、燃料ガスの供給圧力よりも低い圧力で水を供給するようにしたので、電気化学反応に伴い生成される酸化剤極側の水が逆拡散により燃料極側に移動し燃料ガス通路に滞留する水を確実に除去することができ、燃料極が水に覆われてガス拡散が阻害されることに起因する出力の低下を防止できる。
【００５８】
また、湿潤度検出手段が高分子電解質膜の湿潤度の低下を検出した場合、もしくは電気伝導度検出手段が高分子電解質膜の電気伝導度の低下を検出した場合の少なくともいずれか一方の場合には、高分子電解質膜が乾燥状態にあるとして、水通路への水の供給圧力を上昇させるようにしたので、加湿能力が高まり、あらゆる負荷領域において、高分子電解質膜の乾燥に伴う出力の低下や高分子電解質膜の損傷をより確実に防止できる。
【００５９】
前記湿潤度検出手段が高分子電解質膜の湿潤度の上昇を検出した場合、もしくは電気伝導度検出手段が高分子電解質膜の電気伝導度の上昇を検出した場合の少なくともいずれか一方の場合には、高分子電解質膜が水濡れ状態にあるとして、水通路への水の供給圧力を低下させるようにしたので、除水能力が高まり、あらゆる負荷領域において、高分子電解質膜の両極が水に覆われてガス拡散が阻害されることに起因する出力の低下をより確実に防止できる。
【００６０】
さらに、燃料電池本体からの出力電圧を出力電圧検出手段が検出し、この検出した出力電圧が燃料電池本体の出力要求値を下回った場合には、水通路への水の供給圧力を低下させるようにしたので、高分子電解質膜の両極が水に覆われてガス拡散が阻害されている（フラッディング）として、高分子電解質膜の状態を検出する特別な手段を備えずとも、あらゆる負荷領域においてより確実にフラッディングに起因する出力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図２に示す本発明の第１の実施形態による燃料電池システムに使用する燃料電池本体を構成する単セルの一部を示す分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係わる燃料電池システムの概要を示す全体構成図である。
【図３】図２の燃料電池システムにおける流体の流れ方向の関係を立体的に示した模式図である。
【図４】第１の実施形態における各水路群の水圧とガス通路のガス圧との関係を、ガス通路の流れに対応して示した説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの概要を示す全体構成図である。
【図６】第２の実施形態における水通路の水圧とガス通路のガス圧との関係を、高分子電解質膜の湿潤状態に対応して示した説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における水通路の水圧とガス通路ガス圧との関係を、要求出力電圧に対する実出力電圧との比に対応して示した説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池本体
３  高分子電解質膜
４  燃料極
５  酸化剤極
６  燃料極集電板
７  酸化剤極集電板
７ａ  酸化剤ガス通路
７ｂ  水通路
１４  第一水路群
１７  第二水路群
２０  第三水路群
３９ａ，３９ｂ，３９ｃ  湿潤度検出手段
【図１】
2005149880.tif 000003
【図２】
2005149880.tif 000004
【図３】
2005149880.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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