(57)【要約】【課題】  出力電圧の安定性を長期的に確保可能な固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】  単電池と導電性セパレータとが交互に複数積層されてなり燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する固体高分子電解質型燃料電池１と、該固体高分子電解質型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿後供給するガス供給機構と、前記固体高分子電解質型燃料電池を冷却用媒体で冷却する冷却機構と、該冷却機構及び前記ガス供給機構を制御する制御装置１８とを備える固体高分子電解質型燃料電池システム１００において、前記固体高分子電解質型燃料電池の出力電圧に応じて、前記制御装置が冷却用水ポンプ１４、三方弁１５及び開閉弁１６の少なくと１つを制御して、前記固体高分子電解質型燃料電池内の相対湿度を変化させる。【選択図】  図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜が燃料極と酸化剤極とで挟まれ、前記燃料極の外面にその燃料ガス流路を有する面が接するようにアノード導電性セパレータが配置され、かつ前記酸化剤極の外面にその酸化剤ガス流路を有する面が接するようにカソード導電性セパレータが配置されてなる単電池と、該単電池が複数積層された単電池積層体と、該単電池積層体の少なくとも前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを加湿して供給するガス供給機構と、前記単電池積層体に形成された冷却媒体用流路と、該冷却媒体用流路に放熱部で冷却された冷却用媒体を循環させて前記単電池積層体を冷却する冷却機構とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、
前記単電池積層体の出力電圧に応じて、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも何れかの相対湿度を変化させる、固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記単電池積層体の出力電圧の電圧低下率に応じて、前記相対湿度を変化させる、請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項３】
前記出力電圧の電圧低下率が２０〜５０ｍＶ／３０秒となった場合に、前記相対湿度を変化させる、請求項２記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項４】
前記単電池積層体の前記冷却媒体用流路に循環させる前記冷却用媒体の流量を変化させることにより前記相対湿度を変化させる、請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却機構は前記冷却用媒体が前記放熱部をバイパスするバイパス用流路を有し、
前記単電池積層体の前記冷却媒体用流路において前記バイパス用流路を経て前記放熱部をバイパスするように前記冷却用媒体を循環させることにより前記相対湿度を変化させる、請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス供給機構は大気を導入する大気導入部を有し、
前記単電池積層体の前記酸化剤ガス流路に、前記大気導入部より導入した大気を供給することにより前記相対湿度を変化させる、請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス供給機構が、前記大気導入部より導入した前記大気を前記酸化剤ガス流路に断続的に供給する、請求項６記載の固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項８】
固体高分子電解質膜が燃料極と酸化剤極とで挟まれ、前記燃料極の外面にその燃料ガス流路を有する面が接するようにアノード導電性セパレータが配置され、かつ前記酸化剤極の外面にその酸化剤ガス流路を有する面が接するようにカソード導電性セパレータが配置されてなる単電池と、該単電池が複数積層された単電池積層体と、該単電池積層体の少なくとも前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを加湿して供給するガス供給機構と、前記単電池積層体に形成された冷却媒体用流路と、該冷却媒体用流路に放熱部で冷却された冷却用媒体を循環させて前記単電池積層体を冷却する冷却機構とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法において、
前記単電池積層体の出力電圧に応じて、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも何れかの相対湿度を変化させる、固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記単電池積層体の出力電圧の電圧低下率に応じて、前記相対湿度を変化させる、請求項８記載の固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記出力電圧の電圧低下率が２０〜５０ｍＶ／３０秒となった場合に、前記相対湿度を変化させる、請求項９記載の固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記単電池積層体の前記冷却媒体用流路に循環させる前記冷却用媒体の流量を変化させることにより前記相対湿度を変化させる、請求項８記載の固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
前記冷却機構は前記冷却用媒体が前記放熱部をバイパスするバイパス用流路を有し、
前記単電池積層体の前記冷却媒体用流路において前記バイパス用流路を経て前記放熱部をバイパスするように前記冷却用媒体を循環させることにより前記相対湿度を変化させる、請求項８記載の固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記ガス供給機構は大気を導入する大気導入部を有し、
前記単電池積層体の前記酸化剤ガス流路に、前記大気導入部より導入した大気を供給することにより前記相対湿度を変化させる、請求項８記載の固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記ガス供給機構が、前記大気導入部より導入した前記大気を前記酸化剤ガス流路に断続的に供給する、請求項１３記載の固体高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に、固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球の環境問題に関し、自動車から排出される窒素酸化物を含有する排気ガスによる大気汚染の問題や、年々増加する二酸化炭素による地球温暖化の問題が重要視されている。そして、電源開発の分野においては、これらの環境問題を解決すべく、排気ガスがクリーンであり、かつエネルギー変換効率の高い発電が可能である燃料電池システムが注目されている。
【０００３】
この燃料電池システムは、例えば、水素ガス、又は改質ガス等の水素豊富なガスからなる燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスとを燃料電池システム内のガス用流路に供給することによって所定の電気化学反応を引き起こし、その引き起こした所定の電気化学反応によって発生する化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する、エネルギー変換システムの内の一種である。そして、近年では、種々ある燃料電池システムの中でも特に高い出力電流密度特性を有する固体高分子電解質型燃料電池システムが、自動車用の移動体電源装置として、或いは、家庭用の定置電源装置として、特に注目されている。
【０００４】
この固体高分子電解質型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を燃料ガス側電極（燃料極）と空気側電極（酸化剤極）とで挟み、その両側に導電性セパレータを配置して構成した単電池（通常、セルという）を複数積層してなる単電池積層体（通常、スタックという）を有している。又、この固体高分子電解質型燃料電池システムは、燃料ガス側電極に接して設けられた燃料ガス用流路に前記燃料ガスを、空気側電極に接して設けられた酸化剤ガス用流路に空気を、固体高分子電解質膜を湿潤させるため各々加湿した後に供給するガス供給機構と、前記固体高分子電解質型燃料電池システム本体の温度を所定の冷却媒体によって冷却するための冷却機構とを備えている。尚、前記冷却機構は放熱部を有しており、この放熱部は前記単電池積層体の内部を流れて温度上昇した冷却媒体を冷却するように機能する。
【０００５】
ところで、このような構成を有する従来の固体高分子電解質型燃料電池システムを用いる際、実使用上問題が発生しない程度の安定した出力電圧を得るためには、前記単電池を常に安定した状態で動作させる必要がある。そして、例えば、固体高分子電解質型燃料電池システムを家庭用電源装置として用いる場合には、前記単電池の各々を、少なくとも４万時間は安定に動作させる必要がある。つまり、燃料電池システム、ひいては固体高分子電解質型燃料電池システムでは、単電池の出力電圧を如何にして長期間安定させるかが重要な課題となる。尚、固体高分子電解質型燃料電池システムの出力電圧の安定性を決定する要因の１つとしては、一般に、固体高分子電解質膜・触媒層・ガス層のいわゆる３相界面の十分な形成が必要であると考えられている。従って、例えば、高出力から低出力への電力変化に伴って加湿された燃料ガス及び空気から発生する過剰な水分や、固体高分子電解質膜の経時的劣化に基づく撥水性低下によりフラッディング現象が引き起こされ、このフラッディング現象によって３相界面の形成が不十分となった場合には、固体高分子電解質膜のガス拡散層中における燃料ガス及び空気の拡散性が不安定となるので、触媒層における電気化学反応が不安定となる。ここで、燃料ガス及び空気の拡散性は電気的には単電池における内部抵抗として表すことができるので、燃料ガス及び空気の拡散性が不安定となり触媒層における電気化学反応が不安定となった場合には、単電池の出力電圧の安定性が損なわれることになる。従って、固体高分子電解質型燃料電池システムの出力電圧の安定性を長期間に渡って確保するためには、単電池における３相界面の長期に渡る十分な形成、換言すれば、固体高分子電解質膜におけるフラッディング現象の長期的な抑制が重要な鍵となる。
【０００６】
一方、固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、燃料ガス側電極に液体燃料を供給するタイプのものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１８８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フラッディング現象を抑制するために、このような従来例の液体燃料の供給手段を改良して、水を直接固体高分子電解質膜に供給することが考えられる。
【０００８】
しかし、このような構成とすると、各単電池の固体高分子電解質膜に水を供給するための水分供給用ポンプ等、従来のシステム構成では不要であった新たな構成要素が必要となる。つまり、固体高分子電解質型燃料電池システムの構成が従来以上に複雑になるので、その製造コスト及びランニングコストの低減化が阻害される恐れがある。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固体高分子電解質膜におけるフラッディング現象を長期的に抑制することによって出力電圧の安定性を長期的に確保可能でかつこれを簡単な構成で実現可能な固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法は、固体高分子電解質膜が燃料極と酸化剤極とで挟まれ、前記燃料極の外面にその燃料ガス流路を有する面が接するようにアノード導電性セパレータが配置され、かつ前記酸化剤極の外面にその酸化剤ガス流路を有する面が接するようにカソード導電性セパレータが配置されてなる単電池と、該単電池が複数積層された単電池積層体と、該単電池積層体の少なくとも前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを加湿して供給するガス供給機構と、前記単電池積層体に形成された冷却媒体用流路と、該冷却媒体用流路に放熱部で冷却された冷却用媒体を循環させて前記単電池積層体を冷却する冷却機構とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法において、前記単電池積層体の出力電圧に応じて、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも何れかの相対湿度を変化させる（請求項１，８）。かかる構成とすると、単電池積層体の出力電圧に応じて燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の少なくとも何れかの相対湿度を変化させるので、例えば、単電池積層体の出力電圧が低下してきた場合には前記相対湿度を低下させることにより単電池内の固体高分子電解質膜における過剰な水分を除去することが可能になる。つまり、固体高分子電解質膜におけるフラッディング現象を抑制することができるので、単電池積層体の出力電圧の安定性を長期に渡り確保することが可能になる。
【００１１】
この場合、前記単電池積層体の出力電圧の電圧低下率に応じて、前記相対湿度を変化させてもよい（請求項２，９）。かかる構成とすると、単電池積層体の出力電圧の電圧低下率に応じて、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の少なくとも何れかの相対湿度を変化させることができる。
【００１２】
この場合、前記出力電圧の電圧低下率が２０〜５０ｍＶ／３０秒となった場合に、前記相対湿度を変化させてもよい（請求項３，１０）。かかる構成とすると、単電池積層体の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の少なくとも何れかの相対湿度を好適に変化させることができる。
【００１３】
又、上記の場合、前記単電池積層体の前記冷却媒体用流路に循環させる前記冷却用媒体の流量を変化させることにより前記相対湿度を変化させてもよい（請求項４，１１）。かかる構成とすると、単電池積層体の冷却媒体用流路に供給する冷却用媒体の流量を変化させることによって動作中の単電池積層体の温度を変化させることができる。そして、例えば冷却用媒体の流量を低下させた場合には単電池積層体の温度が上昇するので、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の内部の相対湿度を低下させることが可能になる。これにより、単電池内の固体高分子電解質膜においては過剰な水分が除去されるので、フラッディング現象を効果的に抑制することが可能になる。つまり、単電池積層体の出力電圧の安定性を確保することができる。
【００１４】
又、前記冷却機構は前記冷却用媒体が前記放熱部をバイパスするバイパス用流路を有し、前記単電池積層体の前記冷却媒体用流路において前記バイパス用流路を経て前記放熱部をバイパスするように前記冷却用媒体を循環させることにより前記相対湿度を変化させてもよい（請求項５，１２）。かかる構成とすると、例えば冷却水等の冷却用媒体が給湯器において放熱するタイプの固体高分子電解質型燃料電池システムにおいては、単電池積層体から排出された冷却用媒体が給湯器をバイパスするバイパス用流路を流れ、即ち給湯器において放熱せずに単電池積層体に戻ることにより単電池積層体の温度を迅速に上昇させることができる。そして、これによって、単電池内の固体高分子電解質膜においては過剰な水分が迅速に除去されるようになるので、フラッディング現象を迅速に解消することが可能になる。つまり、単電池積層体の出力電圧の安定性を迅速に確保することができる。
【００１５】
又、前記ガス供給機構は大気を導入する大気導入部を有し、前記単電池積層体の前記酸化剤ガス流路に、前記大気導入部より導入した大気を供給することにより前記相対湿度を変化させてもよい（請求項６，１３）。かかる構成とすると、単電池積層体のカソード電極側に加湿した空気を供給する固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、加湿した空気に大気を混合した加湿状態が制御された空気を単電池積層体に供給するので、酸化剤ガス流路（ひいては、燃料ガス流路）の相対湿度を低下させることが可能になる。これにより、単電池内の固体高分子電解質膜においては過剰な水分が除去されるので、フラッディング現象を効果的に抑制することが可能になる。これにより、単電池積層体の出力電圧の安定性を確保することができる。
【００１６】
この場合、前記ガス供給機構が、前記大気導入部より導入した前記大気を前記酸化剤ガス流路に断続的に供給してもよい（請求項７，１４）。かかる構成とすると、単電池積層体のカソード電極側に供給する空気の加湿状態を精密に制御することができるので、単電池積層体の出力電圧の安定性を精密に制御することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以上に述べたような手段で実施され、単電池の内部の相対湿度を下げることによって固体高分子電解質膜の過剰な水分を除去して３層界面を好適に形成し、これにより出力電圧が常に安定である固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法を提供することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【００２０】
先ず、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池システムの全体構成について、図１を参照しながら説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池システム１００は、燃料ガス及び酸化剤ガス（通常、空気）が供給されて発電する固体高分子電解質型燃料電池１（スタック）と、都市ガス等の原料を改質して水素豊富な燃料ガスを生成する改質器２と、改質器２に、改質反応に必要な熱を供給するバーナー３と、固体高分子電解質型燃料電池１の燃料ガス用流路１ｃに供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器４と、固体高分子電解質型燃料電池１の燃料ガス用流路１ｃから排出される燃料ガスに含まれる水蒸気から水を回収する燃料側水回収器５と、酸化剤ガスを固体高分子電解質型燃料電池１に送出する空気供給装置６と、固体高分子電解質型燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂに供給する酸化剤ガスを加湿する酸化剤側加湿器７と、酸化剤側加湿器７から排出される加湿された酸化剤ガスに空気供給装置６が送出する加湿前の酸化剤ガスを混合するための開閉弁１６と、固体高分子電解質型燃料電池１の酸化剤ガス用流路１ｂから排出される酸化剤ガスに含まれる水蒸気から水を回収する酸化剤側水回収器８と、燃料側水回収器５及び酸化剤側水回収器８で回収した水を蓄える蓄水タンク９と、蓄水タンク９に蓄えた水を燃料側加湿器４及び酸化剤側加湿器７に送出する燃料側水ポンプ１０及び酸化剤側水ポンプ１１とを備えている。
【００２２】
又、この固体高分子電解質型燃料電池システム１００は、動作中発熱する固体高分子電解質型燃料電池１を所定の温度に維持するために用いる冷却水を蓄える蓄水タンク１３と、蓄水タンク１３に蓄えた冷却水を固体高分子電解質型燃料電池１の冷却水用流路１ａに循環させる冷却用水ポンプ１４と、固体高分子電解質型燃料電池１の冷却水用流路１ａから排出される高温状態とされた冷却水の熱を利用して給湯する給湯器１２と、前記冷却水用流路１ａから排出された冷却水を、給湯器１２をバイパスさせて蓄水タンク１３に直接供給するための三方弁１５及びバイパス配管１７とを備えている。
【００２３】
更に、この固体高分子電解質型燃料電池システム１００は、上述した各構成要素の動作を制御するための制御装置１８と、発電した電力を外部負荷２０に供給するための出力端子２１と、出力電圧を検出する出力電圧検知手段（ここでは、電圧計）２２とを備えている。
【００２４】
ここで、固体高分子電解質型燃料電池１の構成要素である単電池の構成について概説する。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池の単電池の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図２では、固体高分子電解質膜と導電性セパレータとを分離した状態を示している。
【００２６】
図２に示すように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池１を構成する単電池３５は、プロトン導電性を有する固体高分子電解質膜３０と、アノード側電極として機能する触媒層を備えた燃料極３１と、カソード側電極として機能する触媒層を備えた酸化剤極３２と、燃料ガスが供給される燃料ガス用流路３３ａが形成されたアノード導電性セパレータ３３と、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス用流路３４ａが形成されたカソード導電性セパレータ３４とを有している。そして、単電池３５は、固体高分子電解質膜３０が燃料極３１と酸化剤極３２とで挟まれ、その両側にアノード導電性セパレータ３３とカソード導電性セパレータ３４とが、燃料ガス用流路３３ａ及び酸化剤ガス用流路３４ａが燃料極３１及び酸化剤極３２に接するようにして配置され構成される。単電池３５は、燃料ガス用流路３３ａに加湿された燃料ガスが、又、酸化剤ガス用流路３４ａに加湿された酸化剤ガスが、各々供給されて発電する。尚、固体高分子電解質型燃料電池１は、図２に示す単電池３５が複数積層され構成される。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池システムの基本的な動作について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１に示すように構成された固体高分子電解質型燃料電池システム１００では、改質器２によって、例えば都市ガスが改質されることにより、水素豊富な状態とされた燃料ガスが生成される。この時、バーナー３は、改質器２において所定の改質反応が進行するように、改質器２を加熱する。この改質器２において生成された燃料ガスは、燃料側加湿器４で、蓄水タンク９から燃料側水ポンプ１０によって供給される水が用いられて加湿された後、固体高分子電解質型燃料電池１に送り込まれる。この固体高分子電解質型燃料電池１に送り込まれた燃料ガスは、固体高分子電解質型燃料電池１の内部に設けられている燃料ガス用流路１ｃを通過しながら、順次、酸化剤ガスとの反応による発電に消費される。そして、固体高分子電解質型燃料電池１から排出され発電に用いられなかった燃料ガスは、燃料側水回収器５に送り込まれ、そこで除湿される。尚、燃料側水回収器５によって燃料ガスから得られた水は、蓄水タンク９に蓄えられる。又、除湿された燃料ガスは、ここでは、バーナー３に供給され、このバーナー３における燃焼に用いられる。
【００２９】
又、酸化剤ガスは、空気供給装置６によって酸化剤側加湿器７に供給される。この酸化剤側加湿器７に供給された酸化剤ガスは、この酸化剤側加湿器７において、蓄水タンク９から酸化剤側水ポンプ１１によって供給される水が用いられて加湿された後、固体高分子電解質型燃料電池１に送り込まれる。固体高分子電解質型燃料電池１に送り込まれた酸化剤ガスは、固体高分子電解質型燃料電池１の内部に設けられている酸化剤ガス用流路１ｂを通過する。この際、酸化剤ガス用流路１ｂを通過する酸化剤ガスと、燃料ガス用流路１ｃを通過する燃料ガスとが化学的に反応し、この化学的な反応により発電が行われる。そして、酸化剤ガス用流路１ｂを通過し、固体高分子型燃料電池１から排出された発電に用いられなかった酸化剤ガスは、その後、酸化剤側水回収器８に送り込まれる。酸化剤側水回収器８に送り込まれた酸化剤ガスは、酸化剤側水回収器８によって除湿される。尚、酸化剤側水回収器８によって酸化剤ガスから得られた水は、燃料ガスの場合と同様、蓄水タンク９に蓄えられる。又、除湿された酸化剤ガスは、ここでは、空気供給装置６に戻される。
【００３０】
一方、固体高分子電解質型燃料電池１において発電が行われている間、固体高分子電解質型燃料電池１は上述した化学的な反応によって発熱する。そこで、固体高分子電解質型燃料電池１の温度を一定に維持するために、冷却用水ポンプ１４を動作させて、蓄水タンク１３に蓄えた冷却水を固体高分子電解質型燃料電池１の内部に設けられた冷却水用流路１ａを通過するように循環させる。具体的には、前記冷却水を、冷却用水ポンプ１４を動作させることにより蓄水タンク１３から固体高分子電解質型燃料電池１の内部に形成されている冷却水用流路１ａ内へ移動させ、その後、三方弁１５を通過させて給湯器１２内へ移動させる。そして、給湯器１２において冷却された冷却水を、蓄水タンク１３に戻す。この蓄水タンク１３に戻った冷却水は、固体高分子電解質型燃料電池１の冷却のために再び用いられる。この時、固体高分子電解質型燃料電池１が発熱することにより温度上昇した冷却水は、給湯器１２において例えば水との熱交換に用いられる。即ち、前記温度上昇した冷却水と、給湯器１２に配設された図１では図示しない配管内を流れる水との間で熱交換が行われることにより、前記温度上昇した冷却水は所定の温度まで冷却される。この冷却され蓄水タンク１３に戻された冷却水が冷却水用ポンプ１４によって固体高分子電解質型燃料電池１の冷却水用流路１ａに供給されるので、固体高分子電解質型燃料電池１は所定の温度に維持されるようになる。尚、給湯器１２からは、所定の温度に加熱された例えば温水が、必要に応じて使用者に供給される。
【００３１】
尚、このような固体高分子電解質型燃料電池システム１００における各構成要素の動作は、制御装置１８によって適宜制御される。
【００３２】
以上、固体高分子電解質型燃料電池システム１００が上述のように動作することによって、固体高分子電解質型燃料電池１の出力端子２１には所定の電圧が発生する。そして、使用者は、固体高分子電解質型燃料電池システム１００に設けられ、固体高分子電解質型燃料電池１の前記出力端子と電気的に接続された外部接続端子と、電子機器等の電源端子とを電気的に接続することによって、その電子機器等を正常に動作させることが可能になる。
【００３３】
ところで、上述の如く動作する固体高分子電解質型燃料電池システム１００では、固体高分子電解質型燃料電池１の内部でフラッディング現象が発生すると、その固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の安定性が損なわれる。又、この場合、単電池電圧の転極、及び単電池の損傷を招く恐れがある。そこで、本発明では、単電池の内部の相対湿度を下げて、これにより固体高分子電解質膜における過剰な水分を除去することによって、フラッディング現象を抑制する。そして、このフラッディング現象の抑制によって、固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の安定性を確保する。以下、フラッディング現象が発生し、これにより固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の安定性が損なわれた場合における本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池システム１００の動作について説明する。
【００３４】
図１に示す固体高分子電解質型燃料電池システム１００では、制御装置１８が出力電圧検知手段２２を介して固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の変動（低下）を検知した場合、制御装置１８は以下に示す第１〜第３の対応手段を遂行する。即ち、フラッディング現象により固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の変動（低下）が観測されたときには、先ず、第１の対応手段として、冷却用水ポンプ１４の動作を制限することにより固体高分子電解質型燃料電池１を冷却するための冷却水の供給量を低下させ、これによって固体高分子電解質型燃料電池１の温度を上昇させる。すると、固体高分子電解質型燃料電池１の温度の上昇によって燃料ガス用流路１ｃ及び酸化剤ガス用流路１ｂの内部の相対湿度が低下するので、固体高分子電解質型燃料電池１を構成する図１では図示されない固体高分子電解質膜においては過剰な水分が排除されるようになる。つまり、これにより、固体高分子電解質膜におけるフラッディング現象が抑制されるようになる。
【００３５】
又、固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の変動（低下）が頻繁に発生する場合には、制御装置１８は第２の対応手段として、開閉弁１６を必要量だけ開くことによって酸化剤側加湿器７から供給される加湿された空気に加湿されていない空気（つまり、大気）を必要量混合させる。すると、固体高分子電解質型燃料電池１における酸化剤ガス用流路１ｂの内部の相対湿度が低下するので、上記第１の対応手段の場合と同様、固体高分子電解質型燃料電池１を構成する固体高分子電解質膜においては過剰な水分が排除される。つまり、固体高分子電解質型燃料電池１におけるフラッディング現象が抑制される。この場合、開閉弁１６を断続的に開閉して、大気を、酸化剤側加湿器７によって加湿された空気に対してパルス的に導入してもよい。このときの開閉弁１６の開閉間隔は、開状態と閉状態とを１対２の間隔で行うことが好ましい。又、導入する空気の流量は、定格の５０％とすることが好ましい。
【００３６】
更に、これら第１及び第２の対応手段によっても固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の安定性を確保することが出来ない場合には、最終的な第３の対応手段として、固体高分子電解質型燃料電池１の冷却水用流路１ａから排出される温度上昇した冷却水を、三方弁１５を操作してバイパス配管１７に導入し、これによって温度上昇した冷却水を蓄水タンク１３に直接流入させるようにする。つまり、前記冷却水を、給湯器１２をバイパスして蓄水タンク１３に直接流入させるようにする。このようにすると、発電中の固体高分子電解質型燃料電池１の冷却水用流路１ａから排出される温度上昇した冷却水が、給湯器１２において冷却されずに固体高分子電解質型燃料電池１の冷却水用流路１ａに再び供給されるので、固体高分子電解質型燃料電池１の温度が上昇する。そして、この固体高分子電解質型燃料電池１の温度上昇によって、燃料ガス用流路１ｃ及び酸化剤ガス用流路１ｂの内部の相対湿度が低下する。これにより、上記第１及び第２の対応手段の場合と同様、固体高分子電解質型燃料電池１を構成する固体高分子電解質膜においては過剰な水分が排除されるので、固体高分子電解質型燃料電池１におけるフラッディング現象が抑制されるようになる。
【００３７】
以上のように、固体高分子電解質型燃料電池システム１００の出力電圧が変動（低下）した場合において上記第１〜第３の対応手段を講ずることによれば、酸化剤ガス用流路１ｂ及び燃料ガス用流路１ｃの内部の相対湿度を低下させることができる。そして、これによって、固体高分子電解質型燃料電池１の内部においては固体高分子電解質膜・触媒層・ガス層の３相界面が長期に渡り十分に形成され、即ち、固体高分子電解質型燃料電池１におけるフラッディング現象を抑制することができるので、その出力電圧の安定性を確保することが可能になる。又、固体高分子電解質型燃料電池１における単電池電圧の転極や単電池の損傷を防止することも可能になる。つまり、常に安定に動作する出力電圧の安定性が長期的に確保された固体高分子電解質型燃料電池システムを得ることが可能になる。
【００３８】
尚、本発明によって固体高分子電解質型燃料電池１におけるフラッディング現象を軽減若しくは短縮させる際には、固体高分子電解質型燃料電池１の出力電圧の低下率が２０〜５０ｍＶ／３０秒となった場合に相対湿度を下げることが好ましい。又、この時、固体高分子電解質型燃料電池１の温度の上昇率は、５％以内とすることが好ましい。更に、固体高分子電解質型燃料電池１の内部の相対湿度は上記第１〜第３の何れかの対応手段により制御されるが、冷却水をバイパス配管１７の内部に流して給湯器１２をバイパスさせる上記第３の対応手段によれば給湯器１２の温水供給機能を停止させることになるので、これは最後の対応手段とすることが好ましい。
【００３９】
（実施例１）
図３は、出力電圧低下時に冷却水量を調整した場合における単電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。ここで、曲線IIIａは固体高分子電解質型燃料電池の温度を通常より２℃上昇させて運転した場合、曲線IIIｂは固体高分子電解質型燃料電池の温度を通常より４℃上昇させて運転した場合、曲線IIIｃは固体高分子電解質型燃料電池の温度を通常より１０℃上昇させて運転した場合について示している。又、曲線IIIｄ及び曲線IIIｅは各々比較例を示しており、曲線IIIｄは出力電圧低下時に燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を調整して運転した場合、曲線IIIｅは撥水性が通常より１．３倍高い固体高分子電解質膜を用いて運転した場合について示している。
【００４０】
本実施例では、固体高分子電解質膜―電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス用及び酸化剤ガス用流路等を備えた導電性のセパレータで挟み、これを１０枚積層することによって得られる固体高分子電解質型燃料電池を用いた。又、本実施例では、上記の如く構成した固体高分子電解質型燃料電池と、その他の必要部材とを準備し、各々に必要なガスマニホ−ルドを配管及び接合することによって固体高分子電解質型燃料電池システムを構成した。そして、固体高分子電解質型燃料電池が所定の温度（例えば、７５℃）を維持するように冷却水を循環させながら、燃料ガスとしては改質ガスを模擬した模擬ガス（水素濃度８０％、二酸化炭素濃度２０％）を、又、酸化剤ガスとしては空気供給装置を用いて供給される空気（大気）を、各々燃料ガス側加湿器及び酸化剤ガス側加湿器で加湿した後に固体高分子電解質型燃料電池に供給して発電運転させた。尚、この時、固体高分子電解質型燃料電池が放電する際の電流密度は０．２Ａ／ｃｍ2とした。又、前記模擬ガスを消費する際の水素利用率は７５％とした。又、酸化剤ガスを消費する際の空気の利用率は４０％とした。又、燃料ガス側加湿器及び酸化剤ガス側加湿器の温度を７５℃に制御しながら発電運転させた。
【００４１】
このような諸条件の下、出力電圧低下時において冷却水量を調整することによって単電池の内部の相対湿度を下げるように固体高分子電解質型燃料電池システムを発電運転させた結果、図３の曲線IIIａ〜曲線IIIｃに示すように、比較例である曲線IIIｄ及び曲線IIIｅに比べ、何れの条件の場合においても２５０時間程度までは単電池の出力電圧が比較的安定することが判明した。又、３００時間以降における出力電池の変動状況から判断して、出力電圧が低下し始めた場合には固体高分子電解質型燃料電池の温度を通常より４℃上昇させることが、出力電圧の安定性に対して最も好適であることが分かった。但し、固体高分子電解質型燃料電池の温度を通常より４℃上昇させた場合には、単電池の出力電圧は比較的安定するが、給湯器の温度上昇率が低下することが観察された。
【００４２】
（実施例２）
図４は、出力電圧低下時に酸化剤ガス（空気）の湿度を調整した場合における単電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。ここで、曲線IVａは加湿した酸化剤ガスに大気を０．２８Ｌ／分の割合で混合させ運転した場合、曲線IVｂは加湿した酸化剤ガスに大気を０．５６Ｌ／分の割合で混合させて運転した場合、曲線IVｃは加湿した酸化剤ガスに大気を１．１２Ｌ／分の割合で混合させて運転した場合について示している。尚、曲線IVｄ及び曲線IVｅは各々比較例を示しており、実施例１における曲線IIIｄ及び曲線IIIｅの場合と同等である。
【００４３】
本実施例においても、固体高分子電解質膜―電極接合体を、燃料ガス用及び酸化剤ガス用流路等を備えた導電性のセパレータで挟み、これを１０枚積層することによって得られる固体高分子電解質型燃料電池を用いた。又、このように構成された固体高分子電解質型燃料電池とその他の必要部材とを準備して、固体高分子電解質型燃料電池システムを構成した。更に、その他の発電運転に係る条件についても、実施例１の場合と同等とした。
【００４４】
上記実施例１と同等の運転条件の下、出力電圧低下時において加湿された酸化剤ガスに大気を混合することによって単電池の内部の相対湿度を下げるように固体高分子電解質型燃料電池システムを発電運転させた結果、図４の曲線IVａ〜曲線IVｃに示すように、比較例である曲線IVｄ及び曲線IVｅに比べ、何れの条件の場合においても２５０時間程度までは単電池の出力電圧が比較的安定することが判明した。又、３００時間以降における出力電池の変動状況から判断して、出力電圧が低下し始めた場合には加湿した酸化剤ガスに大気を０．５６Ｌ／分の割合で混合させることが、出力電圧の安定性に対して最も好適であることが分かった。
【００４５】
（実施例３）
図５は、出力電圧低下時に酸化剤ガスの湿度を断続的に調整した場合における単電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。ここで、曲線Vａは加湿した酸化剤ガスに大気を０．５６Ｌ／分の割合で１秒間流した後に６秒間停止させ混合した場合、曲線Vｂは加湿した酸化剤ガスに大気を０．５６Ｌ／分の割合で３秒間流した後に６秒間停止させ混合した場合、曲線Vｃは加湿した酸化剤ガスに大気を０．５６Ｌ／分の割合で５秒間流した後に６秒間停止させ混合した場合について示している。尚、曲線Vｄ及び曲線Vｅは各々比較例を示しており、実施例２の場合と同様、実施例１における曲線IIIｄ及び曲線IIIｅの場合と同等である。
【００４６】
尚、本実施例においても、固体高分子電解質型燃料電池及び固体高分子電解質型燃料電池システムの構成は、実施例１及び実施例２と同等である。従って、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
図５の曲線Vａ〜曲線Vｃに示すように、出力電圧低下時において加湿された酸化剤ガスに大気を断続的に混合することによって単電池の内部の相対湿度を下げた場合においても、比較例である曲線Vｄ及び曲線Vｅに比べ、何れの条件の場合においても２５０時間程度までは単電池の出力電圧が比較的安定することが判明した。又、３００時間以降における出力電池の変動状況から判断して、出力電圧が低下し始めた場合には加湿した酸化剤ガスに大気を０．５６Ｌ／分の割合で３秒間流した後に６秒間停止させ混合させる方法が、出力電圧の安定性に対して最も好適であることが分かった。
【００４８】
尚、以上の説明では、固体高分子電解質型燃料電池の内部の相対湿度を制御する際に、前記第１〜第３の対応手段を個別に実施する場合を説明したが、前記第１〜第３の対応手段を必要に応じて複数同時に実施するようにしてもよい。このように、前記第１〜第３の対応手段を必要に応じて複数同時に実施することによって、固体高分子電解質型燃料電池の内部の相対湿度を迅速に制御することが可能になり、その結果、固体高分子電解質型燃料電池システムの出力電圧の安定性を迅速に確保することが可能になる。又、以上の説明では固体高分子電解質型燃料電池システムについての一例を挙げて説明したが、その他の如何なる形式の燃料電池システムであっても、本発明を実施又は応用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法は、固体高分子電解質型燃料電池における単電池内の相対湿度を下げ、これにより固体高分子電解質膜におけるフラッディング現象を長期的に抑制することによってその出力電圧の安定性を長期的に確保可能な固体高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システムの構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池の単電池の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】出力電圧低下時に冷却水量を調整した場合における単電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。
【図４】出力電圧低下時に酸化剤ガスの湿度を調整した場合における単電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。
【図５】出力電圧低下時に酸化剤ガスの湿度を断続的に調整した場合における単電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１  固体高分子電解質型燃料電池
１ａ  冷却水用流路
１ｂ  酸化剤ガス用流路
１ｃ  燃料ガス用流路
２  改質器
３  バーナー
４  燃料側加湿器
５  燃料側水回収器
６  空気供給装置
７  酸化剤側加湿器
８  酸化剤側水回収器
９  蓄水タンク
１０  燃料側水ポンプ
１１  酸化剤側水ポンプ
１２  給湯器
１３  蓄水タンク
１４  冷却用水ポンプ
１５  三方弁
１６  開閉弁
１７  バイパス配管
１８  制御装置
２０  外部負荷
２１  出力端子
２２  出力電圧検知手段
３０  固体高分子電解質膜
３１  燃料極
３２  酸化剤極
３３  アノード導電性セパレータ
３３ａ  燃料ガス用流路
３４  カソード導電性セパレータ
３４ａ  酸化剤ガス用流路
３５  単電池（セル）
１００  固体高分子電解質型燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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