(57)【要約】  燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。本発明の燃料電池システムは、アノードガス流路、カソードガス流路及び伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が単電池の積層の方向から見てほぼ重なるように構成された燃料電池スタック１００を有する燃料電池システムであって、アノードガスの流通方向を順方向Ａとは逆の方向Ｂに反転させるアノードガス流反転装置１２２、及び、カソードガスの流通方向を順方向Ａとは逆の方向Ｂに反転させるカソードガス流反転装置１２３の少なくともいずれかと、伝熱媒体の流通方向を前記順方向Ａとは逆の方向Ｂに反転させる伝熱媒体流反転装置１２４と、これら反転装置１２２、１２３、１２４を制御する制御装置３００と、を有する。
2007080958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるアノードガス流反転装置、及び、前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるカソードガス流反転装置の少なくともいずれかと、
前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させる伝熱媒体流反転装置と、
前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、反転制御する制御装置と、を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記出力電圧に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの発電継続時間を測定する時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記発電継続時間に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記圧力損失に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御をほぼ同時に行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後に、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記電圧測定装置が測定する出力電圧に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記出力電圧が第１反転基準電圧未満となれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記出力電圧が第２反転基準電圧以上となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準電圧は、前記反転基準電圧よりも高い電圧値である、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記時間測定装置が測定する経過時間に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御までの遅れ時間が、カソードガスの露点、前記カソードガス流路の温度、カソードガスの流量、及びカソードガス流路の容積基づいて決定されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記圧力測定装置が測定する圧力損失に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記圧力損失が第１反転基準圧力より高くなれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記圧力損失が第２反転基準圧力以下となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準圧力は、前記第１反転基準圧力よりも低い圧力である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムの運転方法であって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を、前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記順方向とは逆の方向に反転させるステップを有する、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燃料電池システムの運転方法に関するものである。さらに詳しくは、高分子電解質形燃料電池を用いた燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、電解質の種類に応じて複数の種類が開発されているが、近年では、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）が多用される傾向にある。ＰＥＦＣは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを水素を含有するアノードガス及び空気など酸素を含有するカソードガスに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる構造を有している。すなわち、次の電気化学反応が生じ、アノード側の水素が消費されて、カソード側に反応生成物として水が生成される。【０００３】
アノード  ；  Ｈ２  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ−    （１）
カソード  ；  ２Ｈ+  ＋ （１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  （２）
ＰＥＦＣは、一般的には単電池（以下、セルと略称する）を積層させて構成されている燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）を本体としている。一般的には、セルは１０〜２００個積層され、その両端が集電板と絶縁板を介して端板で挟まれ、締結ボルトによって両端間が締結されて構成される。【０００４】
セルは、ＭＥＡを一対の平板状のセパレータ板、具体的にはアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板で挟んで構成されている。【０００５】
ＭＥＡは、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に積層して構成された一対の電極、すなわちアノード及びカソードを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には一対の電極が形成されている。これらの電極は、電極触媒（例えば、白金などの金属触媒）を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（例えば撥水処理を施したカーボンペーパー）からなる電極から構成される。また、ＭＥＡの周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材等によって、スタック内を流通するアノードガスやカソードガスの外部へのリークや両者の混合が防止される。【０００６】
また、セパレータ板は、導電性を有するカーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極と導通して電気回路の一部を担っている。ＭＥＡの両面には、それぞれの面上において入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路及びカソードガス流路が構成されている。これによって、入口からアノードガス及びカソードガスはそれぞれアノード及びカソードに供給され、かつ生成水や余剰のこれらガスが出口から外部へと運び去される。これら流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に流路溝を設け、ＭＥＡの両面がセパレータ板に当接して挟まれる方式が一般的である。これによって、ＭＥＡは、セパレータ板によって機械的に固定され、かつ、セパレータ板は隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続する。【０００７】
なお、アノードガス流路及びカソードガス流路は、ＭＥＡの電極全域がくまなくアノードガス及びカソードガス流路に曝露されるよう形成されている。一般的には、サーペンタイン状の流路が形成されている。【０００８】
ここで、高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性を有する電解質として機能する。よって、ＰＥＦＣの発電運転時には、アノードガスおよびカソードガスは加湿されて供給される。また、発電運転時には、水素の酸化によりカソードガス流路中において反応生成物として水が生成される。加湿されたアノードガス中の水、加湿されたカソードガス中の水、および反応生成水は、高分子電解質膜の含水量を飽和状態にするように貢献し、さらに余剰のアノードガス及びカソードガスとともにＰＥＦＣの外部へ排出される。【０００９】
ところで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、ＰＥＦＣ発電運転時にセル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要がある。また、ＰＥＦＣ起動動作時には、セル内面が触媒活性温度になるようにセルを予熱する必要がある。加えて、ＰＥＦＣ発電運転時には適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不十分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発し乾燥する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりすることが知られている。一方、セルを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のカソードガス及びアノードガスの少なくともいずれかの流路溝に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、これら流路溝内に付着した水がガスの流れを阻害し、いわゆるフラッディング（flooding）を起こす。その結果、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等ＰＥＦＣの性能を低下させることが知られている。【００１０】
さらに、セルにおいて発生する電気化学反応熱を外部において有効利用すること、すなわちＰＥＦＣを中心とした熱電併給システムを構成することによって、ＰＥＦＣの熱効率を向上させることができる。【００１１】
これらの理由から、一般的にＰＥＦＣのスタックの積層されたセル同士の積層面間において、入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が形成され、セルの積層面間を伝熱媒体が流通するように構成されている。また、セパレータ板には伝熱性の良い材料が用いられている。そして、発熱反応により温度上昇したセパレータ板と伝熱媒体とを熱交換させる方法が一般的である。伝熱媒体の流路は、セパレータ板の外面に流路溝を設ける方式が一般的である。積層されるセル同士の間に別部材を配設して構成することもできる。【００１２】
ところで、特許文献１では、スタックに供給するガスの流れを反転させて、ガス出口部からガスを導入し、ガス入口部からガスを排出するガス流れ反転機構と、前記燃料電池スタックに供給するガスの流れを一時的に反転させるように前記ガス流れ反転機構を制御する制御手段とを有する燃料電池システムが開示されている。特許文献１においては、これによって、スタック内部のフラッディング（flooding）を緩和することができ、燃料電池システムの効率を低下させないようにすることができるとしている。【００１３】
また、特許文献２では、セルにおけるカソードガスの流通方向、又は、アノードガスの流通方向を、繰り返し反転させる燃料電池の運転方法が開示されている。特許文献２においては、これによって、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制し、更にセルの濡れを解消することができる。したがって、濡れが進行することにより電極にカソードガス又はアノードガスが供給され難くなって、電気化学反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができるとしている。【００１４】
さらに、特許文献３では、燃料電池内を流通する流体の流れ方向を連続的に変更させる技術が開示されている。これによって、流体の流れが一時的に停まることを防止して、燃料電池の出力低下を阻止することができるとしている。
【特許文献１】特開２００１−２１０３４１号公報
【特許文献２】特開２００３−５９５１５号公報
【特許文献３】特開２００４−７９４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１及び２の燃料電池システムでは、スタックの性能低下のある程度回復は認められるが、まだ改善の余地があった。【００１６】
また、特許文献３の技術では、アノードガス流路及びカソードガス流路の出口を別の出口に変更するだけの構成では、アノードガス流路及びカソードガス流路の入口及び出口を反転させる構成に比して、アノードガス流路及びカソードガス流路の出口近傍の滞留水を排除する能力が乏しく、スタックの性能の回復に関しては、改善の余地があった。さらには、燃料電池内の流体を連続的に変更させるため、伝熱媒体流路、アノードガス流路及びカソードガス流路の入口及び出口がそれぞれ２以上、合計１２箇所以上の出入口部が必要であり、燃料電池の構造が特殊かつ複雑になってしまうという問題もあった。【００１７】
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あり、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法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】
【００１８】
上記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、カソードガス及び／あるいはアノードガスの流通方向を反転させた状態での運転（以下、反転運転と略称する）を継続させると、スタックの性能回復がさらに改善されることを見出した。これは、反転運転の継続によって、ＭＥＡの電極内の細孔部での水詰まりまでもが解消されて、電気化学反応がより起こりやすくなるものと推察された。しかしながら、この反転運転を継続するとスタックの耐久性が低下する傾向があることも見出された。【００１９】
ここで、発明者らは、反転運転の継続に伴うスタックの耐久性の低下現象を以下のように推測した。【００２０】
一般的に、セルにおける伝熱媒体流路、アノードガス流路及びカソードガス流路は、それらの入口側領域同士及び出口側領域同士が相互にセルの積層の方向から見てほぼ重なるように構成されている。つまり、セル内の伝熱媒体流路においては、電気化学反応の熱によって加熱されるので、入口側に比べて出口側の方が高温となり、セル内のカソードガス流路においては、電気化学反応の生成水により出口側の方が湿度が高まる。また、アノードガス流路においても、電気化学反応によって水素が減少したり、また、高分子電解質膜のカソードガス流路側の生成水が水和水となって高分子電解質膜を透過して高分子電解質膜のアノードガス流路側へ移動してきたりして、出口側において相対的に湿度が高まる。そうすると、カソードガス流路及びアノードガス流路は双方とも出口側において温度と湿度とが高まる点で一致している。加えて、伝熱媒体流路も出口側の方が高温となる。そこで、従来のスタックは、伝熱媒体流路、アノードガス流路及びカソードガス流路の入口側領域同士及び出口側領域同士がセルの積層の方向から見てほぼ重なるように構成される。このような構成によって、スタックは、発電運転時においては、アノードガス流路及びカソードガス流路の出口に近づくに従って温度が高くなり、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度がそれぞれの流路全般に亘って１００％近傍となるように構成されている。ここで、入口側領域とは、流路行程において、出口よりも入口の方が近い流路からなる領域をいい、出口側領域とは、流路行程において、入口よりも出口の方が近い流路からなる領域をいう。【００２１】
したがって、カソードガス及び／あるいはアノードガスの流通方向を反転させた場合、カソードガス及び／あるいはアノードガスの入口位置及び出口位置と伝熱媒体の入口位置と出口位置とが反転前に比べて離れた位置となる。これによって、カソードガス及び／あるいはアノードガスの反転前の入口近傍部分（入口側領域）には、反転前より高温のカソードガス及び／あるいはアノードガスが流れるようになり、当該領域の相対湿度が反転前より低下してしまう。そのため、反転運転を継続すると相対湿度が低い部分において高分子電解質膜の電気抵抗が増大してスタックの性能が低下する。また、高分子電解質膜の湿潤程度の変化に伴って、高分子電解質膜の伸縮が発生し、この伸縮に伴う張力の増減に伴って高分子電解質膜は損傷して、この損傷程度の拡大がスタックの耐久性の低下につながる。【００２２】
なお、カソードガス及び／あるいはアノードガスの流通方向反転の際、出力電圧が一時的に低下するおそれがある。しかし、この一時的な出力電圧の低下は、燃料電池システムには二次電池のようなバックアップ用の電源を利用することにより補償することが十分可能であると考えた。【００２３】
以上のような研究により、発明者らは、上記課題を解決するため以下の発明を想到するに至った。【００２４】
第１の本発明の燃料電池システムは、ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるアノードガス流反転装置、及び、前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるカソードガス流反転装置の少なくともいずれかと、
前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させる伝熱媒体流反転装置と、
前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、反転制御する制御装置と、を有する。【００２５】
このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に応じて伝熱媒体、ならびにアノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流通方向が反転し、これらの流路における入口側領域及び出口側領域が入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域同士及び出口側領域同士を順方向運転時と同様に前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができるので、反転運転時においても、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。したがって、燃料電池スタックの高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、燃料電池スタック内の水詰まりを十分に解消することができるので、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる。【００２６】
ここで、ＭＥＡは、高分子電解質膜の両面にアノードとカソードとが振り分けて接合されて構成される、電解質と電極との接合体をいう。【００２７】
第２の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記出力電圧に応じて、反転制御するとよい。このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、これら反転装置の切り換えを的確に行うことができる。【００２８】
第３の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの発電継続時間を測定する時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記発電継続時間に応じて、反転制御するとよい。このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に対してより予防的にこれら反転装置を切り替えることができるので、より安定して燃料電池システムを発電運転させることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。【００２９】
第４の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記圧力損失に応じて、反転制御する、とよい。このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化しつつ、各反転装置の切り換えを的確に行うことができる。ここで、圧力損失とは、当該流路区間における圧力差をいう。【００３０】
第５の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置が、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御をほぼ同時に行う、とよい。このように構成すると、制御装置の構成を簡易化することができる。【００３１】
第６本発明の燃料電池システムは、前記制御装置が、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後に、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御を行う、とよい。このように構成すると、伝熱媒体の反転をせずにアノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行うことによって、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の反転前の出口側領域には、反転前とほぼ同じ温度条件の下、より水分量の少ないアノードガス及び／あるいはカソードガスが流通するので、これらの部分における水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより早く解消させることができる。【００３２】
第７の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記電圧測定装置が測定する出力電圧に応じて前記伝熱媒体流反転装置を制御する。【００３３】
このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。【００３４】
第８の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置が、前記出力電圧が第１反転基準電圧未満となれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記出力電圧が第２反転基準電圧以上となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準電圧が、前記反転基準電圧よりも高い電圧値である。【００３５】
このように構成すると、本発明をより確実に実施することができる。【００３６】
第９の本発明の燃料電池システムは、時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記時間測定装置が測定する経過時間に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する。【００３７】
このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。【００３８】
第１０の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御までの遅れ時間が、カソードガスの露点、前記カソードガス流路の温度、カソードガスの流量、及びカソードガス流路の容積基づいて決定されている。【００３９】
このように構成すると、本発明をより確実に実施することができる。【００４０】
第１１の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記圧力測定装置が測定する圧力損失に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する。【００４１】
このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。また、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の水分による閉塞状態あるいは狭窄状態を直接的に検出するので、水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。【００４２】
第１２の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置が、前記圧力損失が第１反転基準圧力より高くなれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記圧力損失が第２反転基準圧力以下となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準圧力が、前記第１反転基準圧力よりも低い圧力である。【００４３】
このように構成すると、本発明をより確実に実施することができる。【００４４】
第１３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムの運転方法であって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を、前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記順方向とは逆の方向に反転させるステップを有する。【００４５】
このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に応じて伝熱媒体、ならびにアノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流通方向が反転し、これらの流路における入口側領域及び出口側領域が入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域同士及び出口側領域同士を順方向運転時と同様に前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができるので、反転運転時においても、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。したがって、燃料電池スタックの高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、燃料電池スタック内の水詰まりを十分に解消することができるので、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００４６】
以上のように、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の高分子電解質形燃料電池のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【図２】図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。
【図３】図３は、図１のスタックの端部の構造を示す分解斜視図である。
【図４】図４は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図５】図５は、図４の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第３実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、変形例１におけるアノードガス流路溝の変形例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、変形例２における反転装置の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、変形例３における燃料電池スタックの変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、第１実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。
【図１４】図１４は、第３実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４８】
５  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６  ガスケット
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ
９Ｃ、９ＣＥ  カソードセパレータ
１０  セル
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  第１アノードガスマニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  第２アノードガスマニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  第１カソードガスマニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  第２カソードガスマニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  第１伝熱媒体マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  第２伝熱媒体マニホールド孔
１５，２５，３５、５５，６５，７５  ボルト孔
２０、３０  ＭＥＡ当接面
２１  アノードガス流路溝
２１Ａ、２１Ｂ  主流路溝
２１Ｃ  枝流路溝
２１Ｕ  入口側領域
２１Ｌ  出口側領域
３１  カソードガス流路溝
３１Ｕ  入口側領域
３１Ｌ  出口側領域
２６、３６  伝熱媒体流路溝
２６Ｕ、３６Ｕ  入口側領域
２６Ｌ、３６Ｌ  出口側領域  
５０、５１  集電板
５５  端子
６０、６１  絶縁板
７０、７１  エンドプレート
５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  第１アノードガス流通孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  第２アノードガス流通孔
５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  第１カソードガス流通孔
５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  第２カソードガス流通孔
５４Ｉ、６４Ｉ，７４Ｉ  第１伝熱媒体流通孔
５４Ｅ、６４Ｅ，７４Ｅ  第２伝熱媒体流通孔
８０  ボルト
８１  座金
８２  ナット
９２Ｉ  第１アノードガスマニホールド
９２Ｅ  第２アノードガスマニホールド
９３Ｉ  第１カソードガスマニホールド
９３Ｅ  第２カソードガスマニホールド
９４Ｉ  第１伝熱媒体マニホールド
９４Ｅ  第２伝熱媒体マニホールド  
９９  セル積層体
１００  スタック
１０２Ｉ  第１アノードガスノズル
１０２Ｅ  第２アノードガスノズル
１０３Ｉ  第１カソードガスノズル
１０３Ｅ  第２カソードガスノズル
１０４Ｉ  第１伝熱媒体ノズル
１０４Ｅ  第２伝熱媒体ノズル
１１２Ｉ  第１アノードガス管路
１１２Ｅ  第２アノードガス管路
１１３Ｉ  第１カソードガス管路
１１３Ｅ  第２カソードガス管路
１１４Ｉ  第１伝熱媒体管路
１１４Ｅ  第２伝熱媒体管路
１２２  アノードガス流反転装置
１２３  カソードガス流反転装置
１２４  伝熱媒体流反転装置
１３０  電気出力系統
１３１  電圧計
２０２Ｉ，２０３Ｅ  第１ポート
２０２Ｗ，２０３Ｗ  三方弁
２０２Ｃ、２０３Ｃ、２０２Ｄ、２０３Ｄ  分岐部
２０２Ｊ，２０３Ｊ  第２ポート
２０２Ｋ，２０３Ｋ  第３ポート
２０４、２０５  分岐路
２０２Ｖ、２０３Ｖ、２０４Ｖ、２０５Ｖ  弁
３００、３１０，３２０  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  演算部
３０４  制御部
３０６  圧力計
Ａ  順方向状態
Ｂ  反転状態
Ｓ１乃至Ｓ８、Ｓ２０１乃至Ｓ２０３、Ｓ２０７、Ｓ３０１乃至Ｓ３０４  ステップ
Ｔ  計測時間
Ｔ０  反転継続時間
Ｔstand  反転基準時間
ΔＴ  遅れ時間
Ｖout  出力電圧
Ｖstand  反転基準電圧
Ｖ2  第２反転基準電圧
Ｐ  圧力
Ｐstand  反転基準圧力
Ｐ2  第２反転基準圧力
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。【００５０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の高分子電解質形燃料電池のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。【００５１】
図１に示すように、高分子電解質形燃料電池の本体には、矩形平板状のセル（単電池）１０が１００体積層されたセル積層体９９が、直方体状を形成して構成されている。【００５２】
セル１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ（アノードセパレータ板）９Ａ及びカソードセパレータ（カソードセパレータ板）９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。【００５３】
セパレータ９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、第１アノードガスマニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、第２アノードガスマニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、第１カソードガスマニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、第２カソードガスマニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、第１伝熱媒体マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および第２伝熱媒体マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、その主面を貫通するようにして穿たれている。第１アノードガスマニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、および第２アノードガスマニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは、それぞれセル積層体９９において連なって、第１アノードガスマニホールド９２Ｉおよび第２アノードガスマニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、第１カソードガスマニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、および第２カソードガスマニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれセル積層体９９において連なって、第１カソードガスマニホールド９３Ｉおよび第２カソードガスマニホールド９３Ｅを形成する。さらに、同様にして、第１伝熱媒体マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および第２伝熱媒体マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは、それぞれセル積層体９９において、第１伝熱媒体マニホールド９４Ｉおよび第２伝熱媒体マニホールド９４Ｅを形成する。【００５４】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜が一対のフッ素ゴム製のガスケット６で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット６の中央開口部の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、ガスケット６を貫通して第１アノードガスマニホールド孔１２Ｉ、第２アノードガスマニホールド孔１２Ｅ、第１カソードガスマニホールド孔１３Ｉ、第２カソードガスマニホールド孔１３Ｅ、第１伝熱媒体マニホールド孔１４Ｉ、第２伝熱媒体マニホールド孔１４Ｅが穿たれている。【００５５】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層及びカソード側触媒層と、この一対の触媒層の外面に配設された一対のアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層とを備えて構成されている。これら触媒層とガス拡散層とが電極を構成する。すなわち、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜と、その両主面の中央部に積層して構成された一対の電極、アノードおよびカソードとを有して構成されており、ＭＥＡ５の両主面には電極面が構成されている。【００５６】
ＭＥＡ５は、市販品を利用することができる。あるいは、例えば、以下のようにして作製することもできる。【００５７】
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸の市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ１１２（登録商標）膜）が用いられる。【００５８】
触媒層は以下のようにして作製される。炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のＫｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ、粒径３０ｎｍ）に白金を担持させた触媒体（５０ｗｔ％がＰｔ）を用意する。そして、この触媒体がパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製の５質量％Ｎａｆｉｏｎ分散液）に混合され、この混合物が成形されて触媒層となる。一般的には、触媒層は１０〜２０μｍ程度の厚さに成形される。【００５９】
ガス拡散層は以下のようにして作製される。細孔の８０％以上の径が２０〜７０μｍであるカーボン織布を基材として用いられる。例えば、日本カーボン（株）製ＧＦ−２０−Ｅが基材に好適である。次に、純水と界面活性剤とを混ぜ合わせた溶液に撥水性樹脂が分散された撥水性樹脂分散液が用意される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を分散させたＰＴＦＥ分散液が好適である。この基材は撥水性樹脂分散液に浸漬される。そして、浸漬後の基材は焼成される。例えば、遠赤外線乾燥炉に通され、３００℃で６０分間焼成されるとよい。次に、純水と界面活性剤とを混ぜ合わせた溶液にカーボンブラックが分散されたカーボンブラック分散液が用意される。このカーボンブラック分散液にＰＴＦＥと水とを加えて混練して、コート層用塗料が用意される。このコート層用塗料が上記焼成後の基材に塗工される。塗工された基材は焼成されてガス拡散層となる。例えば、熱風乾燥機によって３００℃で２時間程度焼成するとよい。これによって、ガス拡散層は通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造となる。なお、界面活性剤としては、Triton（登録商標）Ｘ−１００が好適である。また、溶液中のカーボンブラックの分散は、プラネタリーミキサーを３時間程度用いるとよい。【００６０】
そして、ガス拡散層と触媒層とが、高分子電解質膜の中央部の両面にホットプレスにより接合されて、ＭＥＡ５が作製される。【００６１】
セパレータ９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。ここでは、セパレータ９Ａ，９Ｃは、いずれもフェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなり、１５０ｍｍ角程度、厚さが３ｍｍ程度の平板状である。アノードセパレータ９Ａの内面にはＭＥＡ部材７のＭＥＡ５に当接する位置に平面状のＭＥＡ当接面２０が形成されている。ＭＥＡ当接面２０は、ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ９Ａとの接合時に、ＭＥＡ５の一方の主面と当接するようにアノードセパレータ９Ａの内面に段差を有して形成されている。カソードセパレータ９Ｃも同様にして、カソードセパレータ９Ｃの内面にはＭＥＡ５の他方の主面に当接する位置に平面状のＭＥＡ当接面３０が形成されている。ＭＥＡ当接面３０は、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ９Ｃとの接合時に、ＭＥＡ５の他方の主面と当接するようにカソードセパレータ９Ｃの内面に段差を有して形成されている。これによって、セル１０においては、アノードセパレータ９Ａおよびカソードセパレータ９ＣはＭＥＡ５を表裏から挟むようにしてＭＥＡ５に接合し、かつセパレータ９Ａ、９Ｃは導電性材料からなるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。【００６２】
また、アノードセパレータ９Ａの内面には、第１アノードガスマニホールド孔（入口）２２Ｉと第２アノードガスマニホールド孔（出口）２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝（アノードガス流路）２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、ＭＥＡ当接面２０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。例えば、アノードガス流路溝２１は、幅２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの１本の溝から構成されている。【００６３】
同様にして、カソードセパレータ９Ｃの内面には、第１カソードガスマニホールド孔（入口）３３Ｉと第２カソードガスマニホールド孔（出口）３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝（カソードガス流路）３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、ＭＥＡ当接面３０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。例えば、カソードガス流路溝３１は、幅２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝が３本並行して構成されている。【００６４】
これによって、ＭＥＡ５アノードセパレータ９Ａとの間には、入口２２Ｉと出口２２Ｅとを結んで延びるアノードガス流路２１が構成され、ＭＥＡ５とカソードセパレータ９Ｃとの間には、入口３３Ｉと出口３３Ｅとを結んで延びるカソードガス流路３１が構成される。【００６５】
ここで、アノードガス流路溝２１においては、第１アノードガスマニホールド孔（入口）２２Ｉ側、図１において上側、に入口側領域２１Ｕが形成され、第２アノードガスマニホールド孔（出口）２２Ｅ側、図１において下側、に出口側領域２１Ｌが構成されている。また、同様にして、カソードガス流路溝３１においては、第１アノードガスマニホールド孔（入口）３３Ｉ側、図１において上側、に入口側領域３１Ｕが構成され、第２アノードガスマニホールド孔（出口）３３Ｅ側、図１において下側、に出口側領域３１Ｌが構成されている。【００６６】
図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。【００６７】
図２に示すように、アノードセパレータ９Ａの外面には、第１伝熱媒体マニホールド孔（入口）２４Ｉと第２伝熱媒体マニホールド孔（出口）２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。伝熱媒体流路溝２６は、ＭＥＡ当接面２０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ９Ｃの外面には、第１伝熱媒体マニホールド孔（入口）３４Ｉと第２伝熱媒体マニホールド孔（出口）３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。伝熱媒体流路溝３６は、ＭＥＡ当接面３０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。また、セル積層体９９においては、伝熱媒体流路溝２６と伝熱媒体流路溝３６とが接合するように形成されている。すなわち伝熱媒体流路溝２６および伝熱媒体流路溝３６の流路形状は、互いに面対称となるように形成されている。これによって、セル１０積層状態時において伝熱媒体流路２６，３６は一体化し、積層されたセル１０同士の積層面間には入口２４Ｉ，３４Ｉと出口２４Ｅ，３４Ｅとを結んで延びる伝熱媒体流路２６，３６が構成される。なお、ここでは、伝熱媒体流路溝２６，３６は、それぞれ幅２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝が２本並行して形成されている。【００６８】
また、第１伝熱媒体マニホールド孔（入口）２４Ｉ，３４Ｉ側、図２において上側、に入口側領域２６Ｕ，３６Ｕが形成され、第２伝熱媒体マニホールド孔（出口）２４Ｅ，３４Ｅ側、図２において下側、に出口側領域２１Ｌが構成されている。【００６９】
したがって、図１及び図２に示すように、アノードガス流路溝２１の入口側領域２１Ｕとカソードガス流路溝３１の入口側領域３１Ｕと伝熱媒体流路溝２６、３６の入口側領域２６Ｕ，３６Ｕとは、ＭＥＡ部材７あるいはセパレータ９Ａ，９Ｃを間に挟んで位置して、セル１０の積層方向から見てほぼ重なるように構成されている。また、アノードガス流路溝２１の出口側領域２１Ｌとカソードガス流路溝３１の出口側領域３１Ｌと伝熱媒体流路溝２６、３６の出口側領域２６Ｌ，３６Ｌも同様に、セル１０の積層方向から見てほぼ重なるように構成されている。【００７０】
なお、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１、および伝熱媒体流路溝２６，３６は、それぞれ水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐターン部とから構成されているが、並行する溝の数およびターン部の数はそれぞれ限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。【００７１】
図３は、図１のスタックの端部の構造を示す分解斜視図である。【００７２】
スタック１００は、セル１０が積層されたセル積層体９９の両端の最外層に一対の端部材が配設されて構成されている。すなわち、セル１０の両端の最外層には、セル１０と同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，エンドプレート７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，エンドプレート７０，７１の４隅にはボルト孔５５，６５，７５が形成されている。【００７３】
集電板５０，５１は銅金属等導電性材料からなり、それぞれ端子５５が形成されている。そして、一方の集電板５０には、その主面を貫通する流通孔が形成されている。具体的には、集電板５０に当接するカソードセパレータ９ＣＥ、すなわち、積層されたセル１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ９ＣＥの第１伝熱媒体マニホールド孔３４Ｉに連通する第１伝熱媒体流通孔５４Ｉ、第２伝熱媒体マニホールド孔３４Ｅに連通する第２伝熱媒体流通孔５４Ｅ、第１アノードガスマニホールド孔３２Ｉに連通する第１アノードガス流通孔５２Ｉ、第２アノードガスマニホールド孔３２Ｅに連通する第２アノードガス流通孔５２Ｅ、第１カソードガスマニホールド孔３３Ｉに連通する第１カソードガス流通孔５３Ｉ、および第２カソードガスマニホールド孔３３Ｅに連通する第２カソードガス流通孔５３Ｅが形成されている。【００７４】
絶縁板６０，６１およびエンドプレート７０，７１は電気絶縁性材料からなる。そして、一方の絶縁板６０には、集電板５０に形成された流通孔５２Ｉ，５２Ｅ，５３Ｉ，５３Ｅ，５４Ｉ，５４Ｅにそれぞれ連通する第１アノードガス流通孔６２Ｉ、第２アノードガス流通孔６２Ｅ、第１カソードガス流通孔６３Ｉ、第２カソードガス流通孔６３Ｅ、第１伝熱媒体流通孔６４Ｉ、および第２伝熱媒体流通孔６４Ｅが形成され、一方のエンドプレート７０には、絶縁板６０に形成された流通孔６２Ｉ，６２Ｅ，６３Ｉ，６３Ｅ，６４Ｉ，６４Ｅにそれぞれ連通する第１アノードガス流通孔７２Ｉ、第２アノードガス流通孔７２Ｅ、第１カソードガス流通孔７３Ｉ、第２カソードガス流通孔７３Ｅ、第１伝熱媒体流通孔７４Ｉ、および第２伝熱媒体流通孔７４Ｅが形成されている。そして、エンドプレート７０外面側の流通孔７２Ｉ，７２Ｅ，７３Ｉ，７３Ｅ，７４Ｉ，７４Ｅにはそれぞれ第１アノードガスノズル１０２Ｉ、第２アノードガスノズル１０２Ｅ、第１カソードガスノズル１０３Ｉ、第２カソードガスノズル１０３Ｅ、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉ、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅが装着されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，およびエンドプレート７１はこれら流通孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，エンドプレート７０と同じ構成である。これによって、スタック１００内には、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体それぞれについて、第１流通孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ、５４Ｉ、６４Ｉ、７４Ｉおよび第１マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉを経て、第１マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉからセル１０あるいはセル１０の間の流路溝２１，３１，２６，３６に分流して、第２マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅで合流して、第２マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅから第２流通孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅに至る流路が形成される。【００７５】
そして、締結部材によって、一対の端部材間が締結されている。ここでは、ボルト８０が、ボルト孔１１、２５，３５、５５，６５，７５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。そして、ボルト８０の両端に座金８１とナット８２が装着されて、一対のエンドプレート７０，７１間がボルト８０と座金８１とナット８２とによって締結されて構成されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の力で締結されている。【００７６】
なお、積層されたセル１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ９ＣＥの外面には伝熱媒体流路溝３６は形成されていない。また、図示しないが、他方の端面を構成するアノードセパレータの外面にも伝熱媒体流路溝３６は形成されていない。【００７７】
図４は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。【００７８】
スタック１００の第１アノードガスノズル１０２Ｉに第１アノードガス管路１１２Ｉが接続され、第２アノードガスノズル１０２Ｅに第２アノードガス管路１１２Ｅが接続され、第１カソードガスノズル１０３Ｉに第１カソードガス管路１１３Ｉが接続され、第２カソードガスノズル１０３Ｅに第２カソードガス管路１１３Ｅが接続され、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉに第１伝熱媒体管路１１４Ｉが接続され、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅに第２伝熱媒体管路１１４Ｅが接続されている。【００７９】
そして、第１アノードガス管路１１２Ｉと第２アノードガス管路１１２Ｅとにはアノードガス流反転装置１２２が配設され、第１カソードガス管路１１３Ｉと第２カソードガス管路１１３Ｅとにはカソードガス流反転装置１２３が配設され、第１伝熱媒体管路１１４Ｉと第２伝熱媒体管路１１４Ｅとには伝熱媒体流反転装置１２４が配設されている。【００８０】
アノードガス流反転装置１２２とカソードガス流反転装置１２３と伝熱媒体流反転装置１２４（これらを反転装置と総称する）とは、同様の構成であり、それぞれの第１管路及び第２管路に同様に配設されている。したがって、これらの反転装置をアノードガス流反転装置１２２を例にとって説明する。【００８１】
アノードガス流反転装置１２２は、一対の三方弁２０２Ｗ，２０３Ｗと一対の分岐路２０４，２０５とを有している。三方弁２０２Ｗは第１アノードガス管路１１２Ｉに配設され、三方弁２０３Ｗは第２アノードガス管路１１２Ｅに配設されている。そして、三方弁２０２Ｗと第１アノードガスノズル１０２Ｉとの間の第１アノードガス管路１１２Ｉに分岐部２０２Ｃが設けられ、この分岐部２０２Ｃにおいて分岐路２０５が第１アノードガス管路１１２Ｉから分岐している。また、三方弁２０３Ｗと第２アノードガスノズル１０２Ｅとの間の第２アノードガス管路１１２Ｅに分岐部２０３Ｃが設けられ、この分岐部２０３Ｃにおいて分岐路２０４が第２アノードガス管路１１２Ｅから分岐している。三方弁２０２Ｗにおいては、第１ポート２０２Ｉにアノードガス供給源側の第１アノードガス管路１１２Ｉが接続され、第２ポート２０２Ｊに第１アノードノズル１０２Ｉ側の第１アノードガス管路１１２Ｉが接続され、第３ポート２０２Ｋに分岐路２０４が接続されている。また、三方弁２０３Ｗにおいては、第１ポート２０３Ｅにアノードガス排出端側の第２アノードガス管路１１２Ｅが接続され、第２ポート２０３Ｊに第２アノードノズル１０２Ｅ側の第１アノードガス管路１１２Ｅが接続され、第３ポート２０３Ｋに分岐路２０５が接続されている。【００８２】
これによって、図４において矢印Ａで示すように、三方弁２０２Ｗを第１ポート２０２Ｉと第２ポート２０２Ｊとを接続し、かつ三方弁２０３Ｗを第１ポート２０３Ｅと第２ポート２０３Ｊとを接続するように切り換える。これによって、第１ポート２０２Ｉから供給される流体は第２ポート２０２Ｊへと流通し、かつ第２ポート２０３Ｊから流通してくる流体が第１ポート２０３Ｅから排出されるように反転装置１２２内の流路が構成される（順方向状態という）。そして、この順方向状態から、図４において矢印Ｂで示すように、三方弁２０２Ｗを第１ポート２０２Ｉと第３ポート２０２Ｋとを接続し、かつ三方弁２０３Ｗを第１ポート２０３Ｅと第３ポート２０３Ｋとを接続するように切り換える。これによって、第１ポート２０２Ｉから供給される流体は分岐路２０４及び第２アノードガス管路１１２Ｅを経由して第２アノードガスノズル１０２Ｅへと流通し、第１アノードガスノズル１０２Ｉから排出されてくる流体は、第１アノードガス管路１１２Ｉ及び分岐路２０５を経由して第１ポート２０３Ｅから排出されるようになる（反転状態という）。【００８３】
また、図示しないが、アノードガス流反転装置１２２よりもアノードガス供給源側の第１アノードガス管路１１２Ｉには改質器等のアノードガスの供給システムが接続され、アノードガス流反転装置１２２よりもアノードガス排出端側の第２アノードガス管路１１２Ｅには燃焼装置等のアノードガスの処理システムが接続されている。カソードガス流反転装置１２３よりもカソードガス供給源側の第１カソードガス管路１１３Ｉには、送風器等のカソードガスの供給システムが接続され、カソードガス流反転装置１２３よりもカソードガス排出端側の第２カソードガス管路１１３Ｅには排気筒等の排気システムが接続されている。伝熱媒体流反転装置１２４よりも伝熱媒体供給源側及び伝熱媒体排出端側の第１伝熱媒体管路１１４Ｉ及び第２伝熱媒体管路１１４Ｅには、ポンプと熱交換器とからなる伝熱媒体の循環流路が接続されている。【００８４】
また、スタック１００の端子５５には、電気出力系統１３０が接続され、電気出力系統１３０には端子５５間の電圧を測定する電圧計（電圧測定装置）１３１が接続されている。【００８５】
電圧計１３１の出力信号は制御装置３００に送信されるように構成されている。【００８６】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びモニター装置、プリンター等によって構成されている出力部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、電圧計１３１の信号を取得して、アノードガス流反転装置１２２とカソードガス流反転装置１２３と伝熱媒体流反転装置１２４とを制御するように構成されている。制御部３０４はタイマー（時間測定装置）を有している。【００８７】
さらに詳しくは、反転基準電圧（第１反転基準電圧）Ｖstandが予め入力部３０１から入力され、記憶部３０２に記憶されている。制御部３０４は電圧計１３１によって測定された出力電圧Ｖoutと反転基準電圧Ｖstandとを対比して、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを制御するように構成されている。【００８８】
反転基準電圧Ｖstandは、事前にスタック１００に接続される定格の電気負荷のから算出される定格出力電圧に基づいて決定することができる。【００８９】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して反転装置１２２，１２３，１２４の動作を制御するように構成されていてもよい。例えば、出力部３０３は、情報端末によって送信されてモバイル機器に表示されるように構成することもできる。また、制御部３０４を各反転装置１２２，１２３，１２４それぞれに設けることもできる。【００９０】
次に、以上のように構成されたスタック１００の運転動作を説明する。【００９１】
図５は、図４の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。これらの動作のうち少なくとも反転装置１２２，１２３，１２４に関する動作は制御装置３００によって制御されることによって遂行される。【００９２】
図５に示すように、まず、ステップＳ１において反転継続時間Ｔ０及び反転基準電圧Ｖstandが制御装置３００に入力される。各反転装置１２２，１２３，１２４は順方向状態に初期設定される。反転継続時間Ｔ０は、本実施形態の燃料電池システムの運転経験の積み重ねにより、適切な時間が見出され、設定することができる。すなわち、反転継続時間Ｔ０は、スタック１００の大きさ、形状、アノードガスあるいはカソードガスの流量、流速等燃料電池システムに応じて設定される。例えば、一般的な家庭用燃料電池システムにおいては、１時間乃至２時間程度の間の時間に設定されると好適である。【００９３】
ステップＳ２において燃料電池システムの発電運転が順方向状態で開始される（順方向運転という）。あるいは、燃料電池システムの発電運転開始後に反転基準電圧Ｖstandが入力部３０１から入力されてもよい。【００９４】
発電運転の開始によって、図４に示すように、アノードガスは、外部からアノードガス流反転装置１２２、第１アノードガス管路１１２Ｉを経由して、第１アノードガスノズル１０２Ｉからスタック１００に供給される。同様にして、カソードガスは、外部からカソードガス流反転装置１２３、第１カソードガス管路１１３Ｉを経由して、第１カソードガスノズル１０３Ｉからスタック１００に供給される。伝熱媒体は、外部から伝熱媒体流反転装置１２４、第１伝熱媒体管路１１４Ｉを経由して、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉからスタック１００に供給される。ここでは、伝熱媒体には水を用いている。ただし、伝熱媒体は化学的安定性、流動性および伝熱特性に優れていればよいので、水に限られない。例えばシリコンオイルであってもよい。また、一例として、アノードガスには水素ガスが、カソードガスは空気がそれぞれ露点７０℃となるように加湿され、温度７０℃の状態でスタック１００に供給されるとよい。【００９５】
図１に示すように、第１カソードガスマニホールド９３Ｉ内のカソードガスは、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路３１に分流して、セル１０を流通して、余剰のカソードガスおよび反応生成物は、第２カソードガスマニホールド９３Ｅへと流出する。同様にして、第１アノードガスマニホールド９２Ｉ内のアノードガスは、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路２１に分流して、セル１０を流通して、余剰のアノードガスは、第２アノードガスマニホールド９２Ｅへと流出する。【００９６】
そして、図４に示すように、第２アノードガスマニホールド９２Ｅ内のアノードガスは、第２アノードガス流通孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、第２アノードガスノズル１０２Ｅから、第２アノードガス管路１１２Ｅ、アノードガス流反転装置１２２を経由して外部へと排出される。同様にして、第２カソードガスマニホールド９３Ｅ内のカソードガスは、第２カソードガス流通孔５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、第２カソードガスノズル１０３Ｅから、第２カソードガス管路１１３Ｅ、カソードガス流反転装置１２３を経由して外部へと排出される。伝熱媒体は、第２伝熱媒体流通孔５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅ、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅから、第２伝熱媒体管路１１４Ｅ、伝熱媒体流反転装置１２４を経由して外部へと排出される。【００９７】
ここで、スタック１００の発電運転時には、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１においては、出口２２Ｅ、３３Ｅに近づくに従って生成水の蓄積によって水分量が増える。そして、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６の入口側領域２１Ｕ、３１Ｕ、２６Ｕ，３６Ｕ（図１及び図２参照）はセル１０の積層方向から見てほぼ重なるように位置している。また、出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６ｌ、３６Ｌもセル１０の積層方向から見てほぼ重なるように位置している。したがって、スタック１００の発電運転時には、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６においては、出口２２Ｅ、３３Ｅ２４Ｅ、３４Ｅに近づくに従って電気化学反応の反応熱の蓄積によってそれぞれの流体の温度が高くなる。これによって、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１での相対湿度がそれぞれの流路溝全般に亘って１００％近傍となるようにすることができる。【００９８】
次に、本発明の特徴である反転装置１２２，１２３，１２４の反転動作を説明する。この反転動作は制御装置３００によって制御されることにより遂行される。【００９９】
図５に示すように、ステップＳ３において、スタック１００の発電運転開始後、電圧計１３１はスタック１００の出力電圧Ｖoutを継続的あるいは間欠的に測定する。電気出力系統１３０の電気負荷が変動するような燃料電池システムの使用状態である場合には、所定の電気負荷時の値を出力電圧Ｖoutとするとよい。あるいは、制御装置３００は、図示しない電流計を用いて端子５５における電流値を取得できるようにしておき、反転基準電圧Ｖstand決定時と同じ電流値の時点における電圧計１３１の電圧値を出力電圧Ｖoutとすることができる。【０１００】
ステップＳ４において、出力電圧Ｖoutと反転基準電圧Ｖstandとを対比する。【０１０１】
出力電圧Ｖout≧反転基準電圧Ｖstandであれば、ステップＳ３を繰り返す。すなわち、図４において矢印Ａで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４は順方向状態が維持される。【０１０２】
一方、出力電圧Ｖout≧反転基準電圧Ｖstandでなければ、ステップＳ５に進み、反転装置１２２，１２３，１２４を順方向とは逆の方向に切り換える。すなわち、スタック１００の運転時間の経過に従い出力電圧Ｖout＜反転基準電圧Ｖstandとなれば、図４において矢印Ｂで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４を切り換える。これによって、スタック１００における伝熱媒体、アノードガス及びカソードガスの流通方向が反転する（反転運転という）。そして、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。【０１０３】
これによって、スタック１００の性能低下に応じてスタック１００内におけるアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体の流通方向が反転し、これらの入口側領域２１Ｕ、３１Ｕ、２６Ｕ、３６Ｕ及び出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６Ｌ、３６Ｌ（図１及び図２参照）が全て入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域２１Ｕ、３１Ｕ、３６Ｕを順方向運転時と同様にセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成させ、これらの出口側領域２１Ｌ、３１Ｌ、３６Ｌも順方向運転時と同様にセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができる。したがって、反転運転時におけるスタック１００においても、入口２２Ｉ、３３Ｉに近づくに従って温度を高くし、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。つまり、スタック１００の高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、スタック１００内の水詰まりを十分に解消することができるので、スタック１００の性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつスタック１００の耐久性の低下を抑制することができる。【０１０４】
ステップＳ６において、タイマーの計測時間Ｔが反転継続時間Ｔ０になるまで反転運転を継続させる。【０１０５】
計測時間Ｔが反転継続時間Ｔ０に到達すれば、ステップＳ７において、反転装置１２２，１２３，１２４を切り戻して、順方向運転に戻す。【０１０６】
ステップＳ８において、スタック１００の発電継続が確認され、発電継続の場合はステップＳ３を繰り返す。【０１０７】
また、ステップＳ８において、発電継続が確認されない場合は、スタック１００の発電停止動作を開始して、スタック１００の発電運転を終了する。なお、発電継続の確認は、燃料電池システムの各所からもたらされる種々の情報によって行うことができる。例えば、入力部３０１からの発電停止指令の有無、あるいは、電力負荷の消失情報の有無によって確認することができる。【０１０８】
なお、ステップＳ２およびステップＳ８は、発電運転の開始および終了に代えて、入力部３０１における反転運転のＯＮ／ＯＦＦの指令の有無とすることもできる。これによって、スタック１００の発電運転中において、必要に応じて本発明の反転運転制御モードの実行と解除とを選択することができる。【０１０９】
また、第1実施形態ではタイマーによる時間計測によって反転運転の継続時間を制限して反転装置１２２，１２３，１２４の切り戻し制御を行っているが、本発明の燃料電池システムは、タイマー以外の手段を用いて構成することもできる。例えば、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれかに流量計を配設して本発明の燃料電池システムを構成し、予め定めた所定流量に到達したところで、反転装置１２２，１２３，１２４の切り戻し制御を行うように構成することもできる。【０１１０】
第1実施形態では、出力電圧Ｖoutを測定することによってスタック１００の性能を直接的に検出するので、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを的確に行うことができる。ところで、スタック１００の性能低下は、スタック１００の発電運転に関するパラメータを利用して検出することができる。例えば、発電継続時間、あるいはアノードガス流路溝２１あるいはカソードガス流路溝３１の圧力損失（当該流路区間における圧力差）に基づいて実施することができる。【０１１１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の燃料電池システムは、反転装置１２２，１２３，１２４を、スタック１００の発電継続時間に応じて、制御する実施形態である。【０１１２】
本発明の第２実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システムの構成から電圧計１３１を省略した構成であり、新たな構成要素がないので、構成の説明を省略する。【０１１３】
図６は、第２実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。図６において、図５と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１１４】
図６に示すように、まず、ステップＳ２０１において、反転継続時間Ｔ０及び反転基準時間Ｔstandが制御装置に入力される。なお、反転基準時間Ｔstandは、事前にスタック１００を用いた耐久試験により、発電継続時間と出力電圧の低下現象あるいは不安定化現象との関係を取得し、この関係から決定することができる。【０１１５】
ステップＳ２０２において、燃料電池システムの発電運転が順方向状態で開始されるとともに、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を開始する。【０１１６】
ステップＳ２０３において、計測時間Ｔが反転基準時間Ｔstandになるまで発電運転を継続させる。【０１１７】
計測時間Ｔが反転基準時間Ｔstandに到達すれば、第１実施形態と同様にステップＳ５及びＳ６を行い、ステップ２０７に進む。【０１１８】
ステップＳ２０７において、反転装置１２２，１２３，１２４を切り戻して、順方向運転に戻す。この切り戻しに際して、タイマーを初期化して（Ｔ＝０）、時間計測を再開する。【０１１９】
そして、ステップＳ８に進む。【０１２０】
このように本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、スタック１００の性能低下に対してより予防的に反転装置１２２，１２３，１２４を切り替えることができるので、より安定して燃料電池システムを発電運転させることができる。また、電圧計１３１は不要となるので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。【０１２１】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の燃料電池システムは、反転装置１２２，１２３，１２４を、カソードガス流路におけるカソードガスの圧力損失に応じて、制御する実施形態である。【０１２２】
図７は、第３実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。【０１２３】
図７に示すように、本発明の第３実施形態は、制御装置３２０が電圧計１３１の代わりに第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力を測定する圧力計（圧力測定装置）３０６を有する以外は、第１実施形態と同じである。したがって、図７において図４と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。【０１２４】
圧力計３０６は、第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力Ｐを測定する。一般的な燃料電池システムにおいては、発電運転中において、第１カソードガス管路１１３Ｉに供給されるカソードガス流量は一定に維持されていて、また、カソードガスの流れ方向において第２カソードガス管路１１３Ｅの下流側は大気開放されている。したがって、第２カソードガス管路１１３Ｅ下流側の圧力損失は一定となっているので、圧力Ｐの変化は、おおよそスタック１００内のカソードガス流路溝３６における圧力損失の変化に基づくこととなっている。圧力Ｐが大きいと圧力損失が大きい。つまり、第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力Ｐの変化によって、カソードガス流路溝３１の圧力損失の変化を検出することができる。【０１２５】
図８は、第３実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。図８において、図５と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１２６】
図８に示すように、まず、ステップＳ３０１において、反転継続時間Ｔ０及び反転基準圧力（第１反転基準圧力）Ｐstandが制御装置に入力される。なお、反転基準圧力Ｐstandは、事前にスタック１００を用いた耐久試験により、圧力Ｐの上昇と出力電圧Ｖoutの低下現象あるいは不安定化現象との関係を取得し、この関係から決定することができる。そして、ステップＳ２を経て、ステップＳ３０３に進む。【０１２７】
ステップＳ３０３において、スタック１００の発電運転開始後、圧力計３０６は圧力Ｐを継続的あるいは間欠的に測定する。【０１２８】
ステップＳ３０４において、測定された圧力Ｐと反転基準圧力Ｐstandとを対比する。【０１２９】
圧力Ｐ≦反転基準圧力Ｐstandであれば、ステップＳ３を繰り返す。すなわち、図７において矢印Ａで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４は順方向状態が維持される。【０１３０】
一方、圧力Ｐ≦反転基準圧力Ｐstandでなければ、ステップＳ５乃至ステップＳ８に進む。すなわち、スタック１００の性能の低下はフラッディング（flooding）現象等なんらかの原因によりカソードガス流路溝３１あるいはアノードガス流路溝２１における圧力損失の上昇に応じて検出されるので、圧力Ｐ＞反転基準圧力Ｐstandとなれば、図７において矢印Ｂで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４を切り換える。【０１３１】
本実施形態によれば、電圧計による出力電圧Ｖoutの測定を不要とすることができるので、燃料電池システムの構成をより簡素化しつつ、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを的確に行うことができる。【０１３２】
また、第３実施形態は圧力計３０６の代わりに、差圧計を第１カソードガス管路１１３Ｉと第２カソードガス管路１１３Ｅとの差圧を測定するように配設して、制御装置３２０がこの差圧を取得するように変形することもできる。これによって、第２カソードガス管１１３Ｅ下流側の圧力抵抗の変化の影響を受けずにスタック１００内のカソードガス流路溝３１の圧力損失の変化を測定することができるので、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えをより的確に行うことができる。【０１３３】
さらに、第３実施形態においては、第１アノードガス管路１１２Ｉにおける圧力、あるいは第１アノードガス管路１１２Ｉと第２アノードガス管路１１２Ｅとの差圧を測定するように構成しても、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを的確に行うことができる。【０１３４】
以上、本発明の実施形態を説明した。ここで、本発明の第１乃至第３の実施形態のアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６の流路パターンは、これら流路の入口側領域２１Ｕ，３１Ｕ，２６Ｕ，３６Ｕ同士及び出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６Ｌ，３６Ｌ同士がそれぞれセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成されていればよい。例えば、以下の変形例１のように構成することができる。【０１３５】
［変形例１］
図９は、変形例１におけるアノードガス流路溝の変形例を示す平面図である。図９に示す通り、本変形例ではアノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１はサーペンタイン状ではなく、複数の流路に枝分かれして形成されている。具体的には、第１アノードガスマニホールド孔２２Ｉ及び第２マニホールド孔２２Ｅからそれぞれ延びる主流路溝２１Ａ、２１Ｂと、この一対の主流路溝２１Ａ、２１Ｂを結ぶ複数の枝流路溝２１Ｃと、を有して構成されている。【０１３６】
そして、アノードガス流路溝２１の入口側領域２１Ｕと出口側領域２１Ｌとは、図８において上下方向に分かれて構成されている。また、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６の流路も同様に構成される。これによって、入口側領域２１Ｕ，３１Ｕ，２６Ｕ，３６Ｕ同士及び出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６Ｌ，３６Ｌ同士がセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成される。【０１３７】
また、本発明の第１乃至第３の実施形態の反転装置１２２，１２３，１２４は、以下の変形例２のように構成することもできる。【０１３８】
［変形例２］
図１０は、変形例２における反転装置の変形例を示す図である。図１０に示す通り、本変形例では、図４のアノードガス流反転装置１２２において、三方弁２０２Ｗ，２０３Ｗがそれぞれ分岐部２０２Ｄ及び分岐部２０３Ｄに置き換えられている。また、分岐部２０２Ｄと分岐部２０２Ｃとの間の第１アノードガス管路１１２Ｉには弁２０２Ｖが配設され、分岐部２０３Ｄと分岐部２０３Ｃとの間の第２アノードガス管路１１２Ｅには弁２０３Ｖが配設され、分岐路２０４，２０５にそれぞれ弁２０４Ｖ，２０５Ｖが配設されて構成されている。【０１３９】
そして、弁２０２Ｖ及び弁２０３Ｖを開けて、弁２０４Ｖ及び弁２０５Ｖを閉めることによって、図９において矢印Ａで示すように、順方向状態が構成される。また、弁２０２Ｖ及び弁２０３Ｖを閉めて、弁２０４Ｖ及び弁２０５Ｖを開けることによって、図９において矢印Ｂで示すように、反転状態が構成される。【０１４０】
さらに、本発明の第１乃至第３の実施形態のスタック１００は、以下の変形例３のように構成することもできる。【０１４１】
［変形例３］
図１１は、変形例３における燃料電池スタックの変形例を示す図である。図１１に示す通り、本変形例では、一方のエンドプレート７０には、第１アノードガス流通孔７２Ｉ、第１カソードガス流通孔７３Ｉ、及び第１伝熱媒体流通孔７４Ｉが形成されている。そして、エンドプレート７０外面側の流通孔７２Ｉ，７３Ｉ，７４Ｉにはそれぞれ第１アノードガスノズル１０２Ｉ、第１カソードガスノズル１０３Ｉ、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉが装着されている。【０１４２】
他方のエンドプレート７１には、第２アノードガス流通孔７２Ｅ、第２カソードガス流通孔７３Ｅ、および第２伝熱媒体流通孔７４Ｅが形成されている。そして、エンドプレート７０外面側の流通孔７２Ｅ，７３Ｅ，７４Ｅにはそれぞれ第２アノードガスノズル１０２Ｅ、第２カソードガスノズル１０３Ｅ、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅが装着されている。【０１４３】
［変形例４］
さらに、本発明の第１乃至第３の実施形態において、アノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行った後に伝熱媒体の反転を行ってもよい。伝熱媒体の反転をせずにアノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行うことによって、アノードガス流路溝２１及び／あるいはカソードガス流路溝３１の反転前の出口側領域２１Ｌ、出口側領域３１Ｌには、反転前とほぼ同じ温度条件の下、より水分量の少ないアノードガス及び／あるいはカソードガスが流通するので、これらの部分における水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより早く解消させることができる。【０１４４】
図１２は、第１実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。図１２において、図５と同一又は相当するステップには同一の符合を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１４５】
図１２において、ステップ５０１において、制御部３０４は、アノードガス流反転装置１２２及びカソードガス流反転装置１２３のみを反転制御する。そして、ステップＳ５０２Ａにおいて電圧計（電圧測定装置）１３１が測定する出力電圧Ｖoutが第２反転基準電圧Ｖ2以上になると、ステップＳ５０３に進み、伝熱媒体流反転装置１２４を反転制御する。また、ステップＳ５０３において、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。【０１４６】
ここで、第２反転基準電圧Ｖ２は、反転基準電圧Ｖstandとは別に定める電圧値である。第２反転基準電圧Ｖ２は、反転基準電圧Ｖstandより高く、かつアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１においてフラッディング（flooding）が発生していない正常状態におけるスタック１００の出力電圧以下の任意の電圧値とすることができる。【０１４７】
図１３は、第２実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。図１３において、図６と同一又は相当するステップには同一の符合を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１４８】
図１３において、ステップ５０１において、制御部３０４は、アノードガス流反転装置１２２及びカソードガス流反転装置１２３のみを反転制御する。そして、ステップＳ５０２Ｂにおいてタイマー（時間測定装置）が測定する計測時間Ｔが反転基準時間Ｔstand＋遅れ時間ΔＴに到達すると、ステップＳ５０３に進み、伝熱媒体流反転装置１２４を反転制御する。ステップＳ５０３において、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。このように構成すると、電圧計１３１は不要となるので、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。【０１４９】
ここで、遅れ時間ΔＴは、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１に滞留している水を排除するに十分な時間とするとよい。【０１５０】
具体的には、カソードガスの露点、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）、カソードガスのガス流量、及びカソードガス流路溝３１の容積に基づいて遅れ時間ΔＴを定めることができる。【０１５１】
例えば、燃料電池システムの運転条件が、カソードガスの露点が６５℃、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）が７０℃、カソードガスのガス流量が５０Ｌ／min.である場合、カソードガスの含水量が１３．２ｃｍ３／min.となる。カソードガスが７０℃に昇温された場合、可能な含水量は、１７．９ｃｍ３／min.となる。したがって両者の差４．７ｃｍ３／min.がカソードガス流路溝３１に滞留している水分の排出能力となる。【０１５２】
ここで、例えば、アノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９ＣのＭＥＡ当接面２０，３０の面積がそれぞれ２２５ｃｍ２（１５ｃｍ×１５ｃｍ）であって、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１全体の１/３に水が滞留していると仮定した場合、カソードセパレータ９ＣのＭＥＡ当接面３０（面積２２５ｃｍ２）全体の１／３（面積７５ｃｍ２）に水が滞留していると見積もることができる。また、カソードガス流路溝３１の深さが例えば０．３ｍｍの場合、カソードガス流路溝３１に滞留している水量は２．２５ｃｍ３と見積もることができる。以上より、２．２５／４．７×６０＝２８．７sec.がカソードガス流路溝３１に滞留している水を排除するに十分な時間と見積もることができる。したがって遅れ時間ΔＴ＝２９sec.とすることができる。【０１５３】
なお、上述した説明において、水が滞留しているカソードガス流路溝３１の割合（上述した説明においてはカソードガス流路溝３１全体の１/３）を判断する方法としては、カソードの発電出力を観測する方法が挙げられる。例えば、発電出力が、異常のない定常時の発電出力の２／３にまで低下している場合、カソードガス流路溝３１全体の１/３に水が滞留していると判断する。【０１５４】
また、上述した説明では、（１）「水が滞留する部分をカソード流路溝３１」としてΔＴを決める場合の一例について説明したが、水が滞留する部分を以下の部分としてΔＴを決めてもよい。【０１５５】
即ち、例えば、（２）「水が滞留する部分をＭＥＡ５のカソード電極（例えば、ガス拡散層、触媒層）内部」と見なしてΔＴを決める場合と、（３）「水が滞留する部分をカソード流路溝３１とＭＥＡ５のカソード電極内部の両方」と見なしてΔＴを決める場合である。【０１５６】
例えば、上記（２）の場合、カソードガスの露点、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）、カソードガスのガス流量、及び、ＭＥＡ５のカソード電極内部の全ての空隙の容積に基づいて遅れ時間ΔＴを定めることができる。【０１５７】
例えば、上記（３）の場合、カソードガスの露点、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）、カソードガスのガス流量、カソードガス流路溝３１の容積、及びカソード電極内部の全ての空隙の容積に基づいて遅れ時間ΔＴを定めることができる。【０１５８】
図１４は、第３実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。図１４において、図８と同一又は相当するステップには同一の符合を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１５９】
図１４において、ステップ５０１において、制御部３０４は、アノードガス流反転装置１２２及びカソードガス流反転装置１２３のみを反転制御する。そして、ステップＳ５０２Ｃにおいて圧力計（圧力測定装置）３０６が測定する圧力Ｐが第２反転基準圧力Ｐ2以下になると、ステップＳ５０３に進み、伝熱媒体流反転装置１２４を反転制御する。また、ステップＳ５０３において、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。また、アノードガス流路溝２１及び／あるいはカソードガス流路溝３１の水分による閉塞状態あるいは狭窄状態を直接的に検出するので、水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。【０１６０】
ここで、第２反転基準圧力Ｐ２は、反転基準圧力Ｐstandとは別に定める圧力値である。第２反転基準圧力Ｐ２は、反転基準圧力Ｐstandより低く、かつアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１においてフラッディング（flooding）が発生していない正常状態における第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力以上の任意の圧力値とすることができる。【０１６１】
以上、本発明の実施形態及びその変形例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及びその変形例に限定されるものではない。【０１６２】
本発明は、アノードガスとカソードガス及び伝熱媒体の３つの流体の流通方向を反転させているが、カソードガス及び伝熱媒体の流通方向の反転、あるいはアノードガス及び伝熱媒体の流通方向の反転によっても同等の効果を得ることができる。【０１６３】
また、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体の反転をほぼ同時に行うことによって、制御装置３００、３１０，３２０の制御部３０４の構成を簡易化することができる。【０１６４】
また、反転装置１２２，１２３，１２４を省略しても本発明の燃料電池システムの運転方法を実施することができる。すなわち、スタック１００の性能低下を検出した場合に、例えばスタック１００の性能低下を電圧計１３１，制御部３０４のタイマー、あるいは圧力計３０６によって検出した場合に、アノードガスおよび／あるいはカソードガスの供給と伝熱媒体の供給とを一時停止する。そして、それぞれの第１管路１１２Ｉ、１１３Ｉ、１１４Ｉと第２管路１１２Ｉ、１１３Ｉ、１１４Ｉとを反転させてスタック１００に付け替え、アノードガスおよび／あるいはカソードガスと伝熱媒体との供給を再開させる。これによって本発明の燃料電池システムの運転方法を実施することができる。【０１６５】
さらに反転装置１２２，１２３，１２４はその他の一般的な管路反転装置を用いて構成することができる。【０１６６】
さらに、第１実施形態及び第３実施形態において、反転運転を順運転に切り戻すステップＳ７を、Ｓ５と同様に行ってもよい。つまり、ステップＳ７を燃料電池の出力電圧、アノードガス流路又はカソードガス流路における圧力損失に基づいて行うように構成してもよい。あるいは第２実施形態において反転継続時間Ｔ０＝反転基準時間Ｔstandとしてもよい。【０１６７】
さらに、ステップＳ７を、ステップＳ５０１、Ｓ５０２Ａ乃至Ｓ５０２Ｃ及びステップＳ５０３と同様の動作で切り戻してもよい。すなわち、アノードガス流反転装置及びカソードガス流反転装置のいずれかの再度の反転制御の後、燃料電池の出力電圧、アノードガス流路又はカソードガス流路における圧力損失、あるいは時間差に応じて、伝熱媒体流反転装置の再度の反転制御を行うように構成してもよい。なお、この場合、第３実施形態においては、圧力計３０６を追加して、第２カソードガス管路１１３Ｅの圧力を測定するように追加設置する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【０１６８】
本発明は、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法として有用である。
【図１】
2007080958.tif 000003
【図２】
2007080958.tif 000004
【図３】
2007080958.tif 000005
【図４】
2007080958.tif 000006
【図５】
2007080958.tif 000007
【図６】
2007080958.tif 000008
【図７】
2007080958.tif 000009
【図８】
2007080958.tif 000010
【図９】
2007080958.tif 000011
【図１０】
2007080958.tif 000012
【図１１】
2007080958.tif 000013
【図１２】
2007080958.tif 000014
【図１３】
2007080958.tif 000015
【図１４】
2007080958.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月1日(2007.8.1)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるアノードガス流反転装置、及び、前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるカソードガス流反転装置の少なくともいずれかと、
前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させる伝熱媒体流反転装置と、
前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後に、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御を行う制御装置と、を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記出力電圧に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの発電継続時間を測定する時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記発電継続時間に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記圧力損失に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記電圧測定装置が測定する出力電圧に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記出力電圧が第１反転基準電圧未満となれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記出力電圧が第２反転基準電圧以上となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準電圧は、前記反転基準電圧よりも高い電圧値である、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記時間測定装置が測定する経過時間に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御までの遅れ時間が、カソードガスの露点、前記カソードガス流路の温度、カソードガスの流量、及びカソードガス流路の容積基づいて決定されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記圧力測定装置が測定する圧力損失に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記圧力損失が第１反転基準圧力より高くなれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記圧力損失が第２反転基準圧力以下となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準圧力は、前記第１反転基準圧力よりも低い圧力である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムの運転方法であって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向の少なくともいずれかを前記順方向とは逆の方向に反転させるステップの後に、前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるステップを有する、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
方向に流通させるように構成された、燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるアノードガス流反転装置、及び、前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるカソードガス流反転装置の少なくともいずれかと、
前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させる伝熱媒体流反転装置と、
前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後に、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御を行う制御装置と、を有する。
［００２５］
このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に応じて伝熱媒体、ならびにアノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流通方向が反転し、これらの流路における入口側領域及び出口側領域が入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域同士及び出口側領域同士を順方向運転時と同様に前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができるので、反転運転時においても、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。したがって、燃料電池スタックの高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、燃料電池スタック内の水詰まりを十分に解消することができるので、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる。また、伝熱媒体の反転をせずにアノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行うことによって、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の反転前の出口側領域には、反転前とほぼ同じ温度条件の下、より水分量の少ないアノードガス及び／あるいはカソードガスが流通するので、これらの部分における水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより早く解消させることができる。
［００２６］
ここで、ＭＥＡは、高分子電解質膜の両面にアノードとカソードとが振り分けて接合されて構成される、電解質と電極との接合体をいう。
［００２７］
第２の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記出力電圧に応じて、反転制御するとよい。このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、これら反転装置の切り換えを的確に行うことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
［００２８］
第３の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの発電継続時間を測定する時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記発電継続時間に応じて、反転制御するとよい。このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に対してより予防的にこれら反転装置を切り替えることができるので、より安定して燃料電池システムを発電運転させることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
［００２９］
第４の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記圧力損失に応じて、反転制御する、とよい。このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化しつつ、各反転装置の切り換えを的確に行うことができる。ここで、圧力損失とは、当該流路区間における圧力差をいう。
［００３０］
［００３１］
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向の少なくともいずれかを前記順方向とは逆の方向に反転させるステップの後に、前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるステップを有する。
［００４５］
このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に応じて伝熱媒体、ならびにアノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流通方向が反転し、これらの流路における入口側領域及び出口側領域が入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域同士及び出口側領域同士を順方向運転時と同様に前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができるので、反転運転時においても、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。したがって、燃料電池スタックの高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、燃料電池スタック内の水詰まりを十分に解消することができるので、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる。
発明の効果
［００４６］
以上のように、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
図面の簡単な説明
［００４７］
［図１］図１は、本発明の第１実施形態の高分子電解質形燃料電池のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。
［図２］図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。
［図３］図３は、図１のスタックの端部の構造を示す分解斜視図である。
［図４］図４は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
［図５］図５は、図４の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
［図６］図６は、第２実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
［図７］図７は、第３実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月13日(2008.6.13)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるアノードガス流反転装置、及び、前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるカソードガス流反転装置の少なくともいずれかと、
前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させる伝熱媒体流反転装置と、
前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後に、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御を行う制御装置と、を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記出力電圧に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの発電継続時間を測定する時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記発電継続時間に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記圧力損失に応じて、反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記電圧測定装置が測定する出力電圧に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記出力電圧が第１反転基準電圧未満となれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記出力電圧が第２反転基準電圧以上となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準電圧は、前記反転基準電圧よりも高い電圧値である、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記時間測定装置が測定する経過時間に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御までの遅れ時間が、カソードガスの露点、前記カソードガス流路の温度、カソードガスの流量、及びカソードガス流路の容積基づいて決定されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記圧力測定装置が測定する圧力損失に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記圧力損失が第１反転基準圧力より高くなれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記圧力損失が第２反転基準圧力以下となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準圧力は、前記第１反転基準圧力よりも低い圧力である、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムの運転方法であって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向の少なくともいずれかを前記順方向とは逆の方向に反転させるステップの後に、前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるステップを有する、燃料電池システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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燃料電池システムの運転方法に関するものである。さらに詳しくは、高分子電解質形燃料電池を用いた燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、電解質の種類に応じて複数の種類が開発されているが、近年では、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）が多用される傾向にある。ＰＥＦＣは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを水素を含有するアノードガス及び空気など酸素を含有するカソードガスに曝露して、アノードガスとカソードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる構造を有している。すなわち、次の電気化学反応が生じ、アノード側の水素が消費されて、カソード側に反応生成物として水が生成される。
【０００３】
アノード  ；  Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-     （１）
カソード  ；  ２Ｈ+  ＋ （１／２）Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  （２）
ＰＥＦＣは、一般的には単電池（以下、セルと略称する）を積層させて構成されている燃料電池スタック（以下、スタックと略称する）を本体としている。一般的には、セルは１０〜２００個積層され、その両端が集電板と絶縁板を介して端板で挟まれ、締結ボルトによって両端間が締結されて構成される。
【０００４】
セルは、ＭＥＡを一対の平板状のセパレータ板、具体的にはアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板で挟んで構成されている。
【０００５】
ＭＥＡは、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に積層して構成された一対の電極、すなわちアノード及びカソードを有して構成されており、ＭＥＡの両主面には一対の電極が形成されている。これらの電極は、電極触媒（例えば、白金などの金属触媒）を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（例えば撥水処理を施したカーボンペーパー）からなる電極から構成される。また、ＭＥＡの周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材等によって、スタック内を流通するアノードガスやカソードガスの外部へのリークや両者の混合が防止される。
【０００６】
また、セパレータ板は、導電性を有するカーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、ＭＥＡの電極と導通して電気回路の一部を担っている。ＭＥＡの両面には、それぞれの面上において入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路及びカソードガス流路が構成されている。これによって、入口からアノードガス及びカソードガスはそれぞれアノード及びカソードに供給され、かつ生成水や余剰のこれらガスが出口から外部へと運び去される。これら流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に流路溝を設け、ＭＥＡの両面がセパレータ板に当接して挟まれる方式が一般的である。これによって、ＭＥＡは、セパレータ板によって機械的に固定され、かつ、セパレータ板は隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続する。
【０００７】
なお、アノードガス流路及びカソードガス流路は、ＭＥＡの電極全域がくまなくアノードガス及びカソードガス流路に曝露されるよう形成されている。一般的には、サーペンタイン状の流路が形成されている。
【０００８】
ここで、高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性を有する電解質として機能する。よって、ＰＥＦＣの発電運転時には、アノードガスおよびカソードガスは加湿されて供給される。また、発電運転時には、水素の酸化によりカソードガス流路中において反応生成物として水が生成される。加湿されたアノードガス中の水、加湿されたカソードガス中の水、および反応生成水は、高分子電解質膜の含水量を飽和状態にするように貢献し、さらに余剰のアノードガス及びカソードガスとともにＰＥＦＣの外部へ排出される。
【０００９】
ところで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、ＰＥＦＣ発電運転時にセル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要がある。また、ＰＥＦＣ起動動作時には、セル内面が触媒活性温度になるようにセルを予熱する必要がある。加えて、ＰＥＦＣ発電運転時には適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不十分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発し乾燥する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりすることが知られている。一方、セルを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のカソードガス及びアノードガスの少なくともいずれかの流路溝に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、これら流路溝内に付着した水がガスの流れを阻害し、いわゆるフラッディング（flooding）を起こす。その結果、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等ＰＥＦＣの性能を低下させることが知られている。
【００１０】
さらに、セルにおいて発生する電気化学反応熱を外部において有効利用すること、すなわちＰＥＦＣを中心とした熱電併給システムを構成することによって、ＰＥＦＣの熱効率を向上させることができる。
【００１１】
これらの理由から、一般的にＰＥＦＣのスタックの積層されたセル同士の積層面間において、入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が形成され、セルの積層面間を伝熱媒体が流通するように構成されている。また、セパレータ板には伝熱性の良い材料が用いられている。そして、発熱反応により温度上昇したセパレータ板と伝熱媒体とを熱交換させる方法が一般的である。伝熱媒体の流路は、セパレータ板の外面に流路溝を設ける方式が一般的である。積層されるセル同士の間に別部材を配設して構成することもできる。
【００１２】
ところで、特許文献１では、スタックに供給するガスの流れを反転させて、ガス出口部からガスを導入し、ガス入口部からガスを排出するガス流れ反転機構と、前記燃料電池スタックに供給するガスの流れを一時的に反転させるように前記ガス流れ反転機構を制御する制御手段とを有する燃料電池システムが開示されている。特許文献１においては、これによって、スタック内部のフラッディング（flooding）を緩和することができ、燃料電池システムの効率を低下させないようにすることができるとしている。
【００１３】
また、特許文献２では、セルにおけるカソードガスの流通方向、又は、アノードガスの流通方向を、繰り返し反転させる燃料電池の運転方法が開示されている。特許文献２においては、これによって、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制し、更にセルの濡れを解消することができる。したがって、濡れが進行することにより電極にカソードガス又はアノードガスが供給され難くなって、電気化学反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができるとしている。
【００１４】
さらに、特許文献３では、燃料電池内を流通する流体の流れ方向を連続的に変更させる技術が開示されている。これによって、流体の流れが一時的に停まることを防止して、燃料電池の出力低下を阻止することができるとしている。
【特許文献１】特開２００１−２１０３４１号公報
【特許文献２】特開２００３−５９５１５号公報
【特許文献３】特開２００４−７９４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１及び２の燃料電池システムでは、スタックの性能低下のある程度回復は認められるが、まだ改善の余地があった。
【００１６】
また、特許文献３の技術では、アノードガス流路及びカソードガス流路の出口を別の出口に変更するだけの構成では、アノードガス流路及びカソードガス流路の入口及び出口を反転させる構成に比して、アノードガス流路及びカソードガス流路の出口近傍の滞留水を排除する能力が乏しく、スタックの性能の回復に関しては、改善の余地があった。さらには、燃料電池内の流体を連続的に変更させるため、伝熱媒体流路、アノードガス流路及びカソードガス流路の入口及び出口がそれぞれ２以上、合計１２箇所以上の出入口部が必要であり、燃料電池の構造が特殊かつ複雑になってしまうという問題もあった。
【００１７】
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あり、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法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】
【００１８】
上記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、カソードガス及び／あるいはアノードガスの流通方向を反転させた状態での運転（以下、反転運転と略称する）を継続させると、スタックの性能回復がさらに改善されることを見出した。これは、反転運転の継続によって、ＭＥＡの電極内の細孔部での水詰まりまでもが解消されて、電気化学反応がより起こりやすくなるものと推察された。しかしながら、この反転運転を継続するとスタックの耐久性が低下する傾向があることも見出された。
【００１９】
ここで、発明者らは、反転運転の継続に伴うスタックの耐久性の低下現象を以下のように推測した。
【００２０】
一般的に、セルにおける伝熱媒体流路、アノードガス流路及びカソードガス流路は、それらの入口側領域同士及び出口側領域同士が相互にセルの積層の方向から見てほぼ重なるように構成されている。つまり、セル内の伝熱媒体流路においては、電気化学反応の熱によって加熱されるので、入口側に比べて出口側の方が高温となり、セル内のカソードガス流路においては、電気化学反応の生成水により出口側の方が湿度が高まる。また、アノードガス流路においても、電気化学反応によって水素が減少したり、また、高分子電解質膜のカソードガス流路側の生成水が水和水となって高分子電解質膜を透過して高分子電解質膜のアノードガス流路側へ移動してきたりして、出口側において相対的に湿度が高まる。そうすると、カソードガス流路及びアノードガス流路は双方とも出口側において温度と湿度とが高まる点で一致している。加えて、伝熱媒体流路も出口側の方が高温となる。そこで、従来のスタックは、伝熱媒体流路、アノードガス流路及びカソードガス流路の入口側領域同士及び出口側領域同士がセルの積層の方向から見てほぼ重なるように構成される。このような構成によって、スタックは、発電運転時においては、アノードガス流路及びカソードガス流路の出口に近づくに従って温度が高くなり、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度がそれぞれの流路全般に亘って１００％近傍となるように構成されている。ここで、入口側領域とは、流路行程において、出口よりも入口の方が近い流路からなる領域をいい、出口側領域とは、流路行程において、入口よりも出口の方が近い流路からなる領域をいう。
【００２１】
したがって、カソードガス及び／あるいはアノードガスの流通方向を反転させた場合、カソードガス及び／あるいはアノードガスの入口位置及び出口位置と伝熱媒体の入口位置と出口位置とが反転前に比べて離れた位置となる。これによって、カソードガス及び／あるいはアノードガスの反転前の入口近傍部分（入口側領域）には、反転前より高温のカソードガス及び／あるいはアノードガスが流れるようになり、当該領域の相対湿度が反転前より低下してしまう。そのため、反転運転を継続すると相対湿度が低い部分において高分子電解質膜の電気抵抗が増大してスタックの性能が低下する。また、高分子電解質膜の湿潤程度の変化に伴って、高分子電解質膜の伸縮が発生し、この伸縮に伴う張力の増減に伴って高分子電解質膜は損傷して、この損傷程度の拡大がスタックの耐久性の低下につながる。
【００２２】
なお、カソードガス及び／あるいはアノードガスの流通方向反転の際、出力電圧が一時的に低下するおそれがある。しかし、この一時的な出力電圧の低下は、燃料電池システムには二次電池のようなバックアップ用の電源を利用することにより補償することが十分可能であると考えた。
【００２３】
以上のような研究により、発明者らは、上記課題を解決するため以下の発明を想到するに至った。
【００２４】
第１の本発明の燃料電池システムは、ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムであって、
前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるアノードガス流反転装置、及び、前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるカソードガス流反転装置の少なくともいずれかと、
前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させる伝熱媒体流反転装置と、
前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後に、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御を行う制御装置と、を有する。
【００２５】
このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に応じて伝熱媒体、ならびにアノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流通方向が反転し、これらの流路における入口側領域及び出口側領域が入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域同士及び出口側領域同士を順方向運転時と同様に前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができるので、反転運転時においても、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。したがって、燃料電池スタックの高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、燃料電池スタック内の水詰まりを十分に解消することができるので、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる。また、伝熱媒体の反転をせずにアノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行うことによって、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の反転前の出口側領域には、反転前とほぼ同じ温度条件の下、より水分量の少ないアノードガス及び／あるいはカソードガスが流通するので、これらの部分における水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより早く解消させることができる。
【００２６】
ここで、ＭＥＡは、高分子電解質膜の両面にアノードとカソードとが振り分けて接合されて構成される、電解質と電極との接合体をいう。
【００２７】
第２の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記出力電圧に応じて、反転制御するとよい。このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、これら反転装置の切り換えを的確に行うことができる。
【００２８】
第３の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの発電継続時間を測定する時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記発電継続時間に応じて、反転制御するとよい。このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に対してより予防的にこれら反転装置を切り替えることができるので、より安定して燃料電池システムを発電運転させることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
【００２９】
第４の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれか、ならびに、前記伝熱媒体流反転装置を、前記圧力損失に応じて、反転制御する、とよい。このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化しつつ、各反転装置の切り換えを的確に行うことができる。ここで、圧力損失とは、当該流路区間における圧力差をいう。
【００３０】
第５の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記電圧測定装置が測定する出力電圧に応じて前記伝熱媒体流反転装置を制御する。
【００３１】
このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。
【００３２】
第６の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置が、前記出力電圧が第１反転基準電圧未満となれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記出力電圧が第２反転基準電圧以上となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準電圧が、前記反転基準電圧よりも高い電圧値である。
【００３３】
このように構成すると、本発明をより確実に実施することができる。
【００３４】
第７の本発明の燃料電池システムは、時間測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記時間測定装置が測定する経過時間に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する。
【００３５】
このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
【００３６】
第８の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記伝熱媒体流反転装置の前記反転制御までの遅れ時間が、カソードガスの露点、前記カソードガス流路の温度、カソードガスの流量、及びカソードガス流路の容積基づいて決定されている。
【００３７】
このように構成すると、本発明をより確実に実施することができる。
【００３８】
第９の本発明の燃料電池システムは、前記アノードガス流路におけるアノードガス、及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの少なくともいずれかの圧力損失を測定する圧力測定装置を有し、
前記制御装置は、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかの前記反転制御後、前記圧力測定装置が測定する圧力損失に応じて前記伝熱媒体流反転装置を反転制御する。
【００３９】
このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。また、アノードガス流路及び／あるいはカソードガス流路の水分による閉塞状態あるいは狭窄状態を直接的に検出するので、水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。
【００４０】
第１０の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置が、前記圧力損失が第１反転基準圧力より高くなれば、前記アノードガス流反転装置及び前記カソードガス流反転装置の少なくともいずれかを反転制御し、当該反転制御後、前記圧力損失が第２反転基準圧力以下となれば、前記伝熱媒体流反転装置を反転制御し、
前記第２反転基準圧力が、前記第１反転基準圧力よりも低い圧力である。
【００４１】
このように構成すると、本発明をより確実に実施することができる。
【００４２】
第１１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間にアノードガスの入口と出口とを結んで延びるアノードガス流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間にカソードガスの入口と出口とを結んで延びるカソードガス流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、燃料電池スタックと、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに入口側領域同士及び出口側領域同士が前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成され、かつ、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体は、それぞれ前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路の入口から出口に向けて順方向に流通させるように構成された、燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの性能低下に応じて、前記アノードガス流路におけるアノードガスの流通方向及び前記カソードガス流路におけるカソードガスの流通方向の少なくともいずれかを前記順方向とは逆の方向に反転させるステップの後に、前記伝熱媒体流路における伝熱媒体の流通方向を前記順方向とは逆の方向に反転させるステップを有する。
【００４３】
このように構成すると、燃料電池スタックの性能低下に応じて伝熱媒体、ならびにアノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流通方向が反転し、これらの流路における入口側領域及び出口側領域が入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域同士及び出口側領域同士を順方向運転時と同様に前記積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができるので、反転運転時においても、カソードガス流路及びアノードガス流路での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。したがって、燃料電池スタックの高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、燃料電池スタック内の水詰まりを十分に解消することができるので、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００４４】
以上のように、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の高分子電解質形燃料電池のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【００４７】
図１に示すように、高分子電解質形燃料電池の本体には、矩形平板状のセル（単電池）１０が１００体積層されたセル積層体９９が、直方体状を形成して構成されている。
【００４８】
セル１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ（アノードセパレータ板）９Ａ及びカソードセパレータ（カソードセパレータ板）９Ｃ（両者をセパレータと総称する）で挟んで構成されている。
【００４９】
セパレータ９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、第１アノードガスマニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、第２アノードガスマニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、第１カソードガスマニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、第２カソードガスマニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、第１伝熱媒体マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および第２伝熱媒体マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、その主面を貫通するようにして穿たれている。第１アノードガスマニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、および第２アノードガスマニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは、それぞれセル積層体９９において連なって、第１アノードガスマニホールド９２Ｉおよび第２アノードガスマニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、第１カソードガスマニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、および第２カソードガスマニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれセル積層体９９において連なって、第１カソードガスマニホールド９３Ｉおよび第２カソードガスマニホールド９３Ｅを形成する。さらに、同様にして、第１伝熱媒体マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および第２伝熱媒体マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは、それぞれセル積層体９９において、第１伝熱媒体マニホールド９４Ｉおよび第２伝熱媒体マニホールド９４Ｅを形成する。
【００５０】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜が一対のフッ素ゴム製のガスケット６で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット６の中央開口部の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、ガスケット６を貫通して第１アノードガスマニホールド孔１２Ｉ、第２アノードガスマニホールド孔１２Ｅ、第１カソードガスマニホールド孔１３Ｉ、第２カソードガスマニホールド孔１３Ｅ、第１伝熱媒体マニホールド孔１４Ｉ、第２伝熱媒体マニホールド孔１４Ｅが穿たれている。
【００５１】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層及びカソード側触媒層と、この一対の触媒層の外面に配設された一対のアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層とを備えて構成されている。これら触媒層とガス拡散層とが電極を構成する。すなわち、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜と、その両主面の中央部に積層して構成された一対の電極、アノードおよびカソードとを有して構成されており、ＭＥＡ５の両主面には電極面が構成されている。
【００５２】
ＭＥＡ５は、市販品を利用することができる。あるいは、例えば、以下のようにして作製することもできる。
【００５３】
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸の市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ１１２（登録商標）膜）が用いられる。
【００５４】
触媒層は以下のようにして作製される。炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のＫｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ、粒径３０ｎｍ）に白金を担持させた触媒体（５０ｗｔ％がＰｔ）を用意する。そして、この触媒体がパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製の５質量％Ｎａｆｉｏｎ分散液）に混合され、この混合物が成形されて触媒層となる。一般的には、触媒層は１０〜２０μｍ程度の厚さに成形される。
【００５５】
ガス拡散層は以下のようにして作製される。細孔の８０％以上の径が２０〜７０μｍであるカーボン織布を基材として用いられる。例えば、日本カーボン（株）製ＧＦ−２０−Ｅが基材に好適である。次に、純水と界面活性剤とを混ぜ合わせた溶液に撥水性樹脂が分散された撥水性樹脂分散液が用意される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を分散させたＰＴＦＥ分散液が好適である。この基材は撥水性樹脂分散液に浸漬される。そして、浸漬後の基材は焼成される。例えば、遠赤外線乾燥炉に通され、３００℃で６０分間焼成されるとよい。次に、純水と界面活性剤とを混ぜ合わせた溶液にカーボンブラックが分散されたカーボンブラック分散液が用意される。このカーボンブラック分散液にＰＴＦＥと水とを加えて混練して、コート層用塗料が用意される。このコート層用塗料が上記焼成後の基材に塗工される。塗工された基材は焼成されてガス拡散層となる。例えば、熱風乾燥機によって３００℃で２時間程度焼成するとよい。これによって、ガス拡散層は通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造となる。なお、界面活性剤としては、Triton（登録商標）Ｘ−１００が好適である。また、溶液中のカーボンブラックの分散は、プラネタリーミキサーを３時間程度用いるとよい。
【００５６】
そして、ガス拡散層と触媒層とが、高分子電解質膜の中央部の両面にホットプレスにより接合されて、ＭＥＡ５が作製される。
【００５７】
セパレータ９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。ここでは、セパレータ９Ａ，９Ｃは、いずれもフェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなり、１５０ｍｍ角程度、厚さが３ｍｍ程度の平板状である。アノードセパレータ９Ａの内面にはＭＥＡ部材７のＭＥＡ５に当接する位置に平面状のＭＥＡ当接面２０が形成されている。ＭＥＡ当接面２０は、ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ９Ａとの接合時に、ＭＥＡ５の一方の主面と当接するようにアノードセパレータ９Ａの内面に段差を有して形成されている。カソードセパレータ９Ｃも同様にして、カソードセパレータ９Ｃの内面にはＭＥＡ５の他方の主面に当接する位置に平面状のＭＥＡ当接面３０が形成されている。ＭＥＡ当接面３０は、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ９Ｃとの接合時に、ＭＥＡ５の他方の主面と当接するようにカソードセパレータ９Ｃの内面に段差を有して形成されている。これによって、セル１０においては、アノードセパレータ９Ａおよびカソードセパレータ９ＣはＭＥＡ５を表裏から挟むようにしてＭＥＡ５に接合し、かつセパレータ９Ａ、９Ｃは導電性材料からなるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。
【００５８】
また、アノードセパレータ９Ａの内面には、第１アノードガスマニホールド孔（入口）２２Ｉと第２アノードガスマニホールド孔（出口）２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝（アノードガス流路）２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、ＭＥＡ当接面２０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。例えば、アノードガス流路溝２１は、幅２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの１本の溝から構成されている。
【００５９】
同様にして、カソードセパレータ９Ｃの内面には、第１カソードガスマニホールド孔（入口）３３Ｉと第２カソードガスマニホールド孔（出口）３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝（カソードガス流路）３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、ＭＥＡ当接面３０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。例えば、カソードガス流路溝３１は、幅２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝が３本並行して構成されている。
【００６０】
これによって、ＭＥＡ５アノードセパレータ９Ａとの間には、入口２２Ｉと出口２２Ｅとを結んで延びるアノードガス流路２１が構成され、ＭＥＡ５とカソードセパレータ９Ｃとの間には、入口３３Ｉと出口３３Ｅとを結んで延びるカソードガス流路３１が構成される。
【００６１】
ここで、アノードガス流路溝２１においては、第１アノードガスマニホールド孔（入口）２２Ｉ側、図１において上側、に入口側領域２１Ｕが形成され、第２アノードガスマニホールド孔（出口）２２Ｅ側、図１において下側、に出口側領域２１Ｌが構成されている。また、同様にして、カソードガス流路溝３１においては、第１アノードガスマニホールド孔（入口）３３Ｉ側、図１において上側、に入口側領域３１Ｕが構成され、第２アノードガスマニホールド孔（出口）３３Ｅ側、図１において下側、に出口側領域３１Ｌが構成されている。
【００６２】
図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。
【００６３】
図２に示すように、アノードセパレータ９Ａの外面には、第１伝熱媒体マニホールド孔（入口）２４Ｉと第２伝熱媒体マニホールド孔（出口）２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）２６が形成されている。伝熱媒体流路溝２６は、ＭＥＡ当接面２０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ９Ｃの外面には、第１伝熱媒体マニホールド孔（入口）３４Ｉと第２伝熱媒体マニホールド孔（出口）３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝（伝熱媒体流路）３６が形成されている。伝熱媒体流路溝３６は、ＭＥＡ当接面３０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。また、セル積層体９９においては、伝熱媒体流路溝２６と伝熱媒体流路溝３６とが接合するように形成されている。すなわち伝熱媒体流路溝２６および伝熱媒体流路溝３６の流路形状は、互いに面対称となるように形成されている。これによって、セル１０積層状態時において伝熱媒体流路２６，３６は一体化し、積層されたセル１０同士の積層面間には入口２４Ｉ，３４Ｉと出口２４Ｅ，３４Ｅとを結んで延びる伝熱媒体流路２６，３６が構成される。なお、ここでは、伝熱媒体流路溝２６，３６は、それぞれ幅２．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝が２本並行して形成されている。
【００６４】
また、第１伝熱媒体マニホールド孔（入口）２４Ｉ，３４Ｉ側、図２において上側、に入口側領域２６Ｕ，３６Ｕが形成され、第２伝熱媒体マニホールド孔（出口）２４Ｅ，３４Ｅ側、図２において下側、に出口側領域２１Ｌが構成されている。
【００６５】
したがって、図１及び図２に示すように、アノードガス流路溝２１の入口側領域２１Ｕとカソードガス流路溝３１の入口側領域３１Ｕと伝熱媒体流路溝２６、３６の入口側領域２６Ｕ，３６Ｕとは、ＭＥＡ部材７あるいはセパレータ９Ａ，９Ｃを間に挟んで位置して、セル１０の積層方向から見てほぼ重なるように構成されている。また、アノードガス流路溝２１の出口側領域２１Ｌとカソードガス流路溝３１の出口側領域３１Ｌと伝熱媒体流路溝２６、３６の出口側領域２６Ｌ，３６Ｌも同様に、セル１０の積層方向から見てほぼ重なるように構成されている。
【００６６】
なお、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１、および伝熱媒体流路溝２６，３６は、それぞれ水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐターン部とから構成されているが、並行する溝の数およびターン部の数はそれぞれ限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００６７】
図３は、図１のスタックの端部の構造を示す分解斜視図である。
【００６８】
スタック１００は、セル１０が積層されたセル積層体９９の両端の最外層に一対の端部材が配設されて構成されている。すなわち、セル１０の両端の最外層には、セル１０と同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，エンドプレート７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，エンドプレート７０，７１の４隅にはボルト孔５５，６５，７５が形成されている。
【００６９】
集電板５０，５１は銅金属等導電性材料からなり、それぞれ端子５５が形成されている。そして、一方の集電板５０には、その主面を貫通する流通孔が形成されている。具体的には、集電板５０に当接するカソードセパレータ９ＣＥ、すなわち、積層されたセル１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ９ＣＥの第１伝熱媒体マニホールド孔３４Ｉに連通する第１伝熱媒体流通孔５４Ｉ、第２伝熱媒体マニホールド孔３４Ｅに連通する第２伝熱媒体流通孔５４Ｅ、第１アノードガスマニホールド孔３２Ｉに連通する第１アノードガス流通孔５２Ｉ、第２アノードガスマニホールド孔３２Ｅに連通する第２アノードガス流通孔５２Ｅ、第１カソードガスマニホールド孔３３Ｉに連通する第１カソードガス流通孔５３Ｉ、および第２カソードガスマニホールド孔３３Ｅに連通する第２カソードガス流通孔５３Ｅが形成されている。
【００７０】
絶縁板６０，６１およびエンドプレート７０，７１は電気絶縁性材料からなる。そして、一方の絶縁板６０には、集電板５０に形成された流通孔５２Ｉ，５２Ｅ，５３Ｉ，５３Ｅ，５４Ｉ，５４Ｅにそれぞれ連通する第１アノードガス流通孔６２Ｉ、第２アノードガス流通孔６２Ｅ、第１カソードガス流通孔６３Ｉ、第２カソードガス流通孔６３Ｅ、第１伝熱媒体流通孔６４Ｉ、および第２伝熱媒体流通孔６４Ｅが形成され、一方のエンドプレート７０には、絶縁板６０に形成された流通孔６２Ｉ，６２Ｅ，６３Ｉ，６３Ｅ，６４Ｉ，６４Ｅにそれぞれ連通する第１アノードガス流通孔７２Ｉ、第２アノードガス流通孔７２Ｅ、第１カソードガス流通孔７３Ｉ、第２カソードガス流通孔７３Ｅ、第１伝熱媒体流通孔７４Ｉ、および第２伝熱媒体流通孔７４Ｅが形成されている。そして、エンドプレート７０外面側の流通孔７２Ｉ，７２Ｅ，７３Ｉ，７３Ｅ，７４Ｉ，７４Ｅにはそれぞれ第１アノードガスノズル１０２Ｉ、第２アノードガスノズル１０２Ｅ、第１カソードガスノズル１０３Ｉ、第２カソードガスノズル１０３Ｅ、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉ、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅが装着されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，およびエンドプレート７１はこれら流通孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，エンドプレート７０と同じ構成である。これによって、スタック１００内には、アノードガス、カソードガスおよび伝熱媒体それぞれについて、第１流通孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ、５４Ｉ、６４Ｉ、７４Ｉおよび第１マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉを経て、第１マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉからセル１０あるいはセル１０の間の流路溝２１，３１，２６，３６に分流して、第２マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅで合流して、第２マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅから第２流通孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅに至る流路が形成される。
【００７１】
そして、締結部材によって、一対の端部材間が締結されている。ここでは、ボルト８０が、ボルト孔１１、２５，３５、５５，６５，７５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。そして、ボルト８０の両端に座金８１とナット８２が装着されて、一対のエンドプレート７０，７１間がボルト８０と座金８１とナット８２とによって締結されて構成されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2程度の力で締結されている。
【００７２】
なお、積層されたセル１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ９ＣＥの外面には伝熱媒体流路溝３６は形成されていない。また、図示しないが、他方の端面を構成するアノードセパレータの外面にも伝熱媒体流路溝３６は形成されていない。
【００７３】
図４は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【００７４】
スタック１００の第１アノードガスノズル１０２Ｉに第１アノードガス管路１１２Ｉが接続され、第２アノードガスノズル１０２Ｅに第２アノードガス管路１１２Ｅが接続され、第１カソードガスノズル１０３Ｉに第１カソードガス管路１１３Ｉが接続され、第２カソードガスノズル１０３Ｅに第２カソードガス管路１１３Ｅが接続され、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉに第１伝熱媒体管路１１４Ｉが接続され、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅに第２伝熱媒体管路１１４Ｅが接続されている。
【００７５】
そして、第１アノードガス管路１１２Ｉと第２アノードガス管路１１２Ｅとにはアノードガス流反転装置１２２が配設され、第１カソードガス管路１１３Ｉと第２カソードガス管路１１３Ｅとにはカソードガス流反転装置１２３が配設され、第１伝熱媒体管路１１４Ｉと第２伝熱媒体管路１１４Ｅとには伝熱媒体流反転装置１２４が配設されている。
【００７６】
アノードガス流反転装置１２２とカソードガス流反転装置１２３と伝熱媒体流反転装置１２４（これらを反転装置と総称する）とは、同様の構成であり、それぞれの第１管路及び第２管路に同様に配設されている。したがって、これらの反転装置をアノードガス流反転装置１２２を例にとって説明する。
【００７７】
アノードガス流反転装置１２２は、一対の三方弁２０２Ｗ，２０３Ｗと一対の分岐路２０４，２０５とを有している。三方弁２０２Ｗは第１アノードガス管路１１２Ｉに配設され、三方弁２０３Ｗは第２アノードガス管路１１２Ｅに配設されている。そして、三方弁２０２Ｗと第１アノードガスノズル１０２Ｉとの間の第１アノードガス管路１１２Ｉに分岐部２０２Ｃが設けられ、この分岐部２０２Ｃにおいて分岐路２０５が第１アノードガス管路１１２Ｉから分岐している。また、三方弁２０３Ｗと第２アノードガスノズル１０２Ｅとの間の第２アノードガス管路１１２Ｅに分岐部２０３Ｃが設けられ、この分岐部２０３Ｃにおいて分岐路２０４が第２アノードガス管路１１２Ｅから分岐している。三方弁２０２Ｗにおいては、第１ポート２０２Ｉにアノードガス供給源側の第１アノードガス管路１１２Ｉが接続され、第２ポート２０２Ｊに第１アノードノズル１０２Ｉ側の第１アノードガス管路１１２Ｉが接続され、第３ポート２０２Ｋに分岐路２０４が接続されている。また、三方弁２０３Ｗにおいては、第１ポート２０３Ｅにアノードガス排出端側の第２アノードガス管路１１２Ｅが接続され、第２ポート２０３Ｊに第２アノードノズル１０２Ｅ側の第１アノードガス管路１１２Ｅが接続され、第３ポート２０３Ｋに分岐路２０５が接続されている。
【００７８】
これによって、図４において矢印Ａで示すように、三方弁２０２Ｗを第１ポート２０２Ｉと第２ポート２０２Ｊとを接続し、かつ三方弁２０３Ｗを第１ポート２０３Ｅと第２ポート２０３Ｊとを接続するように切り換える。これによって、第１ポート２０２Ｉから供給される流体は第２ポート２０２Ｊへと流通し、かつ第２ポート２０３Ｊから流通してくる流体が第１ポート２０３Ｅから排出されるように反転装置１２２内の流路が構成される（順方向状態という）。そして、この順方向状態から、図４において矢印Ｂで示すように、三方弁２０２Ｗを第１ポート２０２Ｉと第３ポート２０２Ｋとを接続し、かつ三方弁２０３Ｗを第１ポート２０３Ｅと第３ポート２０３Ｋとを接続するように切り換える。これによって、第１ポート２０２Ｉから供給される流体は分岐路２０４及び第２アノードガス管路１１２Ｅを経由して第２アノードガスノズル１０２Ｅへと流通し、第１アノードガスノズル１０２Ｉから排出されてくる流体は、第１アノードガス管路１１２Ｉ及び分岐路２０５を経由して第１ポート２０３Ｅから排出されるようになる（反転状態という）。
【００７９】
また、図示しないが、アノードガス流反転装置１２２よりもアノードガス供給源側の第１アノードガス管路１１２Ｉには改質器等のアノードガスの供給システムが接続され、アノードガス流反転装置１２２よりもアノードガス排出端側の第２アノードガス管路１１２Ｅには燃焼装置等のアノードガスの処理システムが接続されている。カソードガス流反転装置１２３よりもカソードガス供給源側の第１カソードガス管路１１３Ｉには、送風器等のカソードガスの供給システムが接続され、カソードガス流反転装置１２３よりもカソードガス排出端側の第２カソードガス管路１１３Ｅには排気筒等の排気システムが接続されている。伝熱媒体流反転装置１２４よりも伝熱媒体供給源側及び伝熱媒体排出端側の第１伝熱媒体管路１１４Ｉ及び第２伝熱媒体管路１１４Ｅには、ポンプと熱交換器とからなる伝熱媒体の循環流路が接続されている。
【００８０】
また、スタック１００の端子５５には、電気出力系統１３０が接続され、電気出力系統１３０には端子５５間の電圧を測定する電圧計（電圧測定装置）１３１が接続されている。
【００８１】
電圧計１３１の出力信号は制御装置３００に送信されるように構成されている。
【００８２】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びモニター装置、プリンター等によって構成されている出力部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、電圧計１３１の信号を取得して、アノードガス流反転装置１２２とカソードガス流反転装置１２３と伝熱媒体流反転装置１２４とを制御するように構成されている。制御部３０４はタイマー（時間測定装置）を有している。
【００８３】
さらに詳しくは、反転基準電圧（第１反転基準電圧）Ｖstandが予め入力部３０１から入力され、記憶部３０２に記憶されている。制御部３０４は電圧計１３１によって測定された出力電圧Ｖoutと反転基準電圧Ｖstandとを対比して、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを制御するように構成されている。
【００８４】
反転基準電圧Ｖstandは、事前にスタック１００に接続される定格の電気負荷のから算出される定格出力電圧に基づいて決定することができる。
【００８５】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して反転装置１２２，１２３，１２４の動作を制御するように構成されていてもよい。例えば、出力部３０３は、情報端末によって送信されてモバイル機器に表示されるように構成することもできる。また、制御部３０４を各反転装置１２２，１２３，１２４それぞれに設けることもできる。
【００８６】
次に、以上のように構成されたスタック１００の運転動作を説明する。
【００８７】
図５は、図４の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。これらの動作のうち少なくとも反転装置１２２，１２３，１２４に関する動作は制御装置３００によって制御されることによって遂行される。
【００８８】
図５に示すように、まず、ステップＳ１において反転継続時間Ｔ0及び反転基準電圧Ｖstandが制御装置３００に入力される。各反転装置１２２，１２３，１２４は順方向状態に初期設定される。反転継続時間Ｔ0は、本実施形態の燃料電池システムの運転経験の積み重ねにより、適切な時間が見出され、設定することができる。すなわち、反転継続時間Ｔ0は、スタック１００の大きさ、形状、アノードガスあるいはカソードガスの流量、流速等燃料電池システムに応じて設定される。例えば、一般的な家庭用燃料電池システムにおいては、１時間乃至２時間程度の間の時間に設定されると好適である。
【００８９】
ステップＳ２において燃料電池システムの発電運転が順方向状態で開始される（順方向運転という）。あるいは、燃料電池システムの発電運転開始後に反転基準電圧Ｖstandが入力部３０１から入力されてもよい。
【００９０】
発電運転の開始によって、図４に示すように、アノードガスは、外部からアノードガス流反転装置１２２、第１アノードガス管路１１２Ｉを経由して、第１アノードガスノズル１０２Ｉからスタック１００に供給される。同様にして、カソードガスは、外部からカソードガス流反転装置１２３、第１カソードガス管路１１３Ｉを経由して、第１カソードガスノズル１０３Ｉからスタック１００に供給される。伝熱媒体は、外部から伝熱媒体流反転装置１２４、第１伝熱媒体管路１１４Ｉを経由して、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉからスタック１００に供給される。ここでは、伝熱媒体には水を用いている。ただし、伝熱媒体は化学的安定性、流動性および伝熱特性に優れていればよいので、水に限られない。例えばシリコンオイルであってもよい。また、一例として、アノードガスには水素ガスが、カソードガスは空気がそれぞれ露点７０℃となるように加湿され、温度７０℃の状態でスタック１００に供給されるとよい。
【００９１】
図１に示すように、第１カソードガスマニホールド９３Ｉ内のカソードガスは、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路３１に分流して、セル１０を流通して、余剰のカソードガスおよび反応生成物は、第２カソードガスマニホールド９３Ｅへと流出する。同様にして、第１アノードガスマニホールド９２Ｉ内のアノードガスは、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路２１に分流して、セル１０を流通して、余剰のアノードガスは、第２アノードガスマニホールド９２Ｅへと流出する。
【００９２】
そして、図４に示すように、第２アノードガスマニホールド９２Ｅ内のアノードガスは、第２アノードガス流通孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、第２アノードガスノズル１０２Ｅから、第２アノードガス管路１１２Ｅ、アノードガス流反転装置１２２を経由して外部へと排出される。同様にして、第２カソードガスマニホールド９３Ｅ内のカソードガスは、第２カソードガス流通孔５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、第２カソードガスノズル１０３Ｅから、第２カソードガス管路１１３Ｅ、カソードガス流反転装置１２３を経由して外部へと排出される。伝熱媒体は、第２伝熱媒体流通孔５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅ、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅから、第２伝熱媒体管路１１４Ｅ、伝熱媒体流反転装置１２４を経由して外部へと排出される。
【００９３】
ここで、スタック１００の発電運転時には、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１においては、出口２２Ｅ、３３Ｅに近づくに従って生成水の蓄積によって水分量が増える。そして、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６の入口側領域２１Ｕ、３１Ｕ、２６Ｕ，３６Ｕ（図１及び図２参照）はセル１０の積層方向から見てほぼ重なるように位置している。また、出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６ｌ、３６Ｌもセル１０の積層方向から見てほぼ重なるように位置している。したがって、スタック１００の発電運転時には、アノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６においては、出口２２Ｅ、３３Ｅ２４Ｅ、３４Ｅに近づくに従って電気化学反応の反応熱の蓄積によってそれぞれの流体の温度が高くなる。これによって、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１での相対湿度がそれぞれの流路溝全般に亘って１００％近傍となるようにすることができる。
【００９４】
次に、本発明の特徴である反転装置１２２，１２３，１２４の反転動作を説明する。この反転動作は制御装置３００によって制御されることにより遂行される。
【００９５】
図５に示すように、ステップＳ３において、スタック１００の発電運転開始後、電圧計１３１はスタック１００の出力電圧Ｖoutを継続的あるいは間欠的に測定する。電気出力系統１３０の電気負荷が変動するような燃料電池システムの使用状態である場合には、所定の電気負荷時の値を出力電圧Ｖoutとするとよい。あるいは、制御装置３００は、図示しない電流計を用いて端子５５における電流値を取得できるようにしておき、反転基準電圧Ｖstand決定時と同じ電流値の時点における電圧計１３１の電圧値を出力電圧Ｖoutとすることができる。
【００９６】
ステップＳ４において、出力電圧Ｖoutと反転基準電圧Ｖstandとを対比する。
【００９７】
出力電圧Ｖout≧反転基準電圧Ｖstandであれば、ステップＳ３を繰り返す。すなわち、図４において矢印Ａで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４は順方向状態が維持される。
【００９８】
一方、出力電圧Ｖout≧反転基準電圧Ｖstandでなければ、ステップＳ５に進み、反転装置１２２，１２３，１２４を順方向とは逆の方向に切り換える。すなわち、スタック１００の運転時間の経過に従い出力電圧Ｖout＜反転基準電圧Ｖstandとなれば、図４において矢印Ｂで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４を切り換える。これによって、スタック１００における伝熱媒体、アノードガス及びカソードガスの流通方向が反転する（反転運転という）。そして、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。
【００９９】
これによって、スタック１００の性能低下に応じてスタック１００内におけるアノードガス、カソードガス及び伝熱媒体の流通方向が反転し、これらの入口側領域２１Ｕ、３１Ｕ、２６Ｕ、３６Ｕ及び出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６Ｌ、３６Ｌ（図１及び図２参照）が全て入れ替わる。すなわち、反転運転時においても、これらの入口側領域２１Ｕ、３１Ｕ、３６Ｕを順方向運転時と同様にセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成させ、これらの出口側領域２１Ｌ、３１Ｌ、３６Ｌも順方向運転時と同様にセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成させることができる。したがって、反転運転時におけるスタック１００においても、入口２２Ｉ、３３Ｉに近づくに従って温度を高くし、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１での相対湿度を順方向運転時と同様にすることができる。つまり、スタック１００の高分子電解質膜の損傷を抑制しつつ、スタック１００内の水詰まりを十分に解消することができるので、スタック１００の性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつスタック１００の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１００】
ステップＳ６において、タイマーの計測時間Ｔが反転継続時間Ｔ0になるまで反転運転を継続させる。
【０１０１】
計測時間Ｔが反転継続時間Ｔ0に到達すれば、ステップＳ７において、反転装置１２２，１２３，１２４を切り戻して、順方向運転に戻す。
【０１０２】
ステップＳ８において、スタック１００の発電継続が確認され、発電継続の場合はステップＳ３を繰り返す。
【０１０３】
また、ステップＳ８において、発電継続が確認されない場合は、スタック１００の発電停止動作を開始して、スタック１００の発電運転を終了する。なお、発電継続の確認は、燃料電池システムの各所からもたらされる種々の情報によって行うことができる。例えば、入力部３０１からの発電停止指令の有無、あるいは、電力負荷の消失情報の有無によって確認することができる。
【０１０４】
なお、ステップＳ２およびステップＳ８は、発電運転の開始および終了に代えて、入力部３０１における反転運転のＯＮ／ＯＦＦの指令の有無とすることもできる。これによって、スタック１００の発電運転中において、必要に応じて本発明の反転運転制御モードの実行と解除とを選択することができる。
【０１０５】
また、第1実施形態ではタイマーによる時間計測によって反転運転の継続時間を制限して反転装置１２２，１２３，１２４の切り戻し制御を行っているが、本発明の燃料電池システムは、タイマー以外の手段を用いて構成することもできる。例えば、アノードガスおよびカソードガスの少なくともいずれかに流量計を配設して本発明の燃料電池システムを構成し、予め定めた所定流量に到達したところで、反転装置１２２，１２３，１２４の切り戻し制御を行うように構成することもできる。
【０１０６】
第1実施形態では、出力電圧Ｖoutを測定することによってスタック１００の性能を直接的に検出するので、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを的確に行うことができる。ところで、スタック１００の性能低下は、スタック１００の発電運転に関するパラメータを利用して検出することができる。例えば、発電継続時間、あるいはアノードガス流路溝２１あるいはカソードガス流路溝３１の圧力損失（当該流路区間における圧力差）に基づいて実施することができる。
【０１０７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の燃料電池システムは、反転装置１２２，１２３，１２４を、スタック１００の発電継続時間に応じて、制御する実施形態である。
【０１０８】
本発明の第２実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システムの構成から電圧計１３１を省略した構成であり、新たな構成要素がないので、構成の説明を省略する。
【０１０９】
図６は、第２実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。図６において、図５と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１１０】
図６に示すように、まず、ステップＳ２０１において、反転継続時間Ｔ0及び反転基準時間Ｔstandが制御装置に入力される。なお、反転基準時間Ｔstandは、事前にスタック１００を用いた耐久試験により、発電継続時間と出力電圧の低下現象あるいは不安定化現象との関係を取得し、この関係から決定することができる。
【０１１１】
ステップＳ２０２において、燃料電池システムの発電運転が順方向状態で開始されるとともに、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を開始する。
【０１１２】
ステップＳ２０３において、計測時間Ｔが反転基準時間Ｔstandになるまで発電運転を継続させる。
【０１１３】
計測時間Ｔが反転基準時間Ｔstandに到達すれば、第１実施形態と同様にステップＳ５及びＳ６を行い、ステップ２０７に進む。
【０１１４】
ステップＳ２０７において、反転装置１２２，１２３，１２４を切り戻して、順方向運転に戻す。この切り戻しに際して、タイマーを初期化して（Ｔ＝０）、時間計測を再開する。
【０１１５】
そして、ステップＳ８に進む。
【０１１６】
このように本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、スタック１００の性能低下に対してより予防的に反転装置１２２，１２３，１２４を切り替えることができるので、より安定して燃料電池システムを発電運転させることができる。また、電圧計１３１は不要となるので、燃料電池システムの構成を簡素にすることができる。
【０１１７】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の燃料電池システムは、反転装置１２２，１２３，１２４を、カソードガス流路におけるカソードガスの圧力損失に応じて、制御する実施形態である。
【０１１８】
図７は、第３実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【０１１９】
図７に示すように、本発明の第３実施形態は、制御装置３２０が電圧計１３１の代わりに第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力を測定する圧力計（圧力測定装置）３０６を有する以外は、第１実施形態と同じである。したがって、図７において図４と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。
【０１２０】
圧力計３０６は、第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力Ｐを測定する。一般的な燃料電池システムにおいては、発電運転中において、第１カソードガス管路１１３Ｉに供給されるカソードガス流量は一定に維持されていて、また、カソードガスの流れ方向において第２カソードガス管路１１３Ｅの下流側は大気開放されている。したがって、第２カソードガス管路１１３Ｅ下流側の圧力損失は一定となっているので、圧力Ｐの変化は、おおよそスタック１００内のカソードガス流路溝３６における圧力損失の変化に基づくこととなっている。圧力Ｐが大きいと圧力損失が大きい。つまり、第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力Ｐの変化によって、カソードガス流路溝３１の圧力損失の変化を検出することができる。
【０１２１】
図８は、第３実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。図８において、図５と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１２２】
図８に示すように、まず、ステップＳ３０１において、反転継続時間Ｔ0及び反転基準圧力（第１反転基準圧力）Ｐstandが制御装置に入力される。なお、反転基準圧力Ｐstandは、事前にスタック１００を用いた耐久試験により、圧力Ｐの上昇と出力電圧Ｖoutの低下現象あるいは不安定化現象との関係を取得し、この関係から決定することができる。そして、ステップＳ２を経て、ステップＳ３０３に進む。
【０１２３】
ステップＳ３０３において、スタック１００の発電運転開始後、圧力計３０６は圧力Ｐを継続的あるいは間欠的に測定する。
【０１２４】
ステップＳ３０４において、測定された圧力Ｐと反転基準圧力Ｐstandとを対比する。
【０１２５】
圧力Ｐ≦反転基準圧力Ｐstandであれば、ステップＳ３を繰り返す。すなわち、図７において矢印Ａで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４は順方向状態が維持される。
【０１２６】
一方、圧力Ｐ≦反転基準圧力Ｐstandでなければ、ステップＳ５乃至ステップＳ８に進む。すなわち、スタック１００の性能の低下はフラッディング（flooding）現象等なんらかの原因によりカソードガス流路溝３１あるいはアノードガス流路溝２１における圧力損失の上昇に応じて検出されるので、圧力Ｐ＞反転基準圧力Ｐstandとなれば、図７において矢印Ｂで示すように、反転装置１２２，１２３，１２４を切り換える。
【０１２７】
本実施形態によれば、電圧計による出力電圧Ｖoutの測定を不要とすることができるので、燃料電池システムの構成をより簡素化しつつ、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを的確に行うことができる。
【０１２８】
また、第３実施形態は圧力計３０６の代わりに、差圧計を第１カソードガス管路１１３Ｉと第２カソードガス管路１１３Ｅとの差圧を測定するように配設して、制御装置３２０がこの差圧を取得するように変形することもできる。これによって、第２カソードガス管１１３Ｅ下流側の圧力抵抗の変化の影響を受けずにスタック１００内のカソードガス流路溝３１の圧力損失の変化を測定することができるので、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えをより的確に行うことができる。
【０１２９】
さらに、第３実施形態においては、第１アノードガス管路１１２Ｉにおける圧力、あるいは第１アノードガス管路１１２Ｉと第２アノードガス管路１１２Ｅとの差圧を測定するように構成しても、反転装置１２２，１２３，１２４の切り換えを的確に行うことができる。
【０１３０】
以上、本発明の実施形態を説明した。ここで、本発明の第１乃至第３の実施形態のアノードガス流路溝２１、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６の流路パターンは、これら流路の入口側領域２１Ｕ，３１Ｕ，２６Ｕ，３６Ｕ同士及び出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６Ｌ，３６Ｌ同士がそれぞれセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成されていればよい。例えば、以下の変形例１のように構成することができる。
【０１３１】
［変形例１］
図９は、変形例１におけるアノードガス流路溝の変形例を示す平面図である。図９に示す通り、本変形例ではアノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１はサーペンタイン状ではなく、複数の流路に枝分かれして形成されている。具体的には、第１アノードガスマニホールド孔２２Ｉ及び第２マニホールド孔２２Ｅからそれぞれ延びる主流路溝２１Ａ、２１Ｂと、この一対の主流路溝２１Ａ、２１Ｂを結ぶ複数の枝流路溝２１Ｃと、を有して構成されている。
【０１３２】
そして、アノードガス流路溝２１の入口側領域２１Ｕと出口側領域２１Ｌとは、図８において上下方向に分かれて構成されている。また、カソードガス流路溝３１及び伝熱媒体流路溝２６，３６の流路も同様に構成される。これによって、入口側領域２１Ｕ，３１Ｕ，２６Ｕ，３６Ｕ同士及び出口側領域２１Ｌ，３１Ｌ，２６Ｌ，３６Ｌ同士がセル１０の積層の方向から見てほぼ重なるように構成される。
【０１３３】
また、本発明の第１乃至第３の実施形態の反転装置１２２，１２３，１２４は、以下の変形例２のように構成することもできる。
【０１３４】
［変形例２］
図１０は、変形例２における反転装置の変形例を示す図である。図１０に示す通り、本変形例では、図４のアノードガス流反転装置１２２において、三方弁２０２Ｗ，２０３Ｗがそれぞれ分岐部２０２Ｄ及び分岐部２０３Ｄに置き換えられている。また、分岐部２０２Ｄと分岐部２０２Ｃとの間の第１アノードガス管路１１２Ｉには弁２０２Ｖが配設され、分岐部２０３Ｄと分岐部２０３Ｃとの間の第２アノードガス管路１１２Ｅには弁２０３Ｖが配設され、分岐路２０４，２０５にそれぞれ弁２０４Ｖ，２０５Ｖが配設されて構成されている。
【０１３５】
そして、弁２０２Ｖ及び弁２０３Ｖを開けて、弁２０４Ｖ及び弁２０５Ｖを閉めることによって、図９において矢印Ａで示すように、順方向状態が構成される。また、弁２０２Ｖ及び弁２０３Ｖを閉めて、弁２０４Ｖ及び弁２０５Ｖを開けることによって、図９において矢印Ｂで示すように、反転状態が構成される。
【０１３６】
さらに、本発明の第１乃至第３の実施形態のスタック１００は、以下の変形例３のように構成することもできる。
【０１３７】
［変形例３］
図１１は、変形例３における燃料電池スタックの変形例を示す図である。図１１に示す通り、本変形例では、一方のエンドプレート７０には、第１アノードガス流通孔７２Ｉ、第１カソードガス流通孔７３Ｉ、及び第１伝熱媒体流通孔７４Ｉが形成されている。そして、エンドプレート７０外面側の流通孔７２Ｉ，７３Ｉ，７４Ｉにはそれぞれ第１アノードガスノズル１０２Ｉ、第１カソードガスノズル１０３Ｉ、第１伝熱媒体ノズル１０４Ｉが装着されている。
【０１３８】
他方のエンドプレート７１には、第２アノードガス流通孔７２Ｅ、第２カソードガス流通孔７３Ｅ、および第２伝熱媒体流通孔７４Ｅが形成されている。そして、エンドプレート７０外面側の流通孔７２Ｅ，７３Ｅ，７４Ｅにはそれぞれ第２アノードガスノズル１０２Ｅ、第２カソードガスノズル１０３Ｅ、第２伝熱媒体ノズル１０４Ｅが装着されている。
【０１３９】
［変形例４］
さらに、本発明の第１乃至第３の実施形態において、アノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行った後に伝熱媒体の反転を行ってもよい。伝熱媒体の反転をせずにアノードガス及び／あるいはカソードガスの反転を行うことによって、アノードガス流路溝２１及び／あるいはカソードガス流路溝３１の反転前の出口側領域２１Ｌ、出口側領域３１Ｌには、反転前とほぼ同じ温度条件の下、より水分量の少ないアノードガス及び／あるいはカソードガスが流通するので、これらの部分における水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより早く解消させることができる。
【０１４０】
図１２は、第１実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。図１２において、図５と同一又は相当するステップには同一の符合を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１４１】
図１２において、ステップ５０１において、制御部３０４は、アノードガス流反転装置１２２及びカソードガス流反転装置１２３のみを反転制御する。そして、ステップＳ５０２Ａにおいて電圧計（電圧測定装置）１３１が測定する出力電圧Ｖoutが第２反転基準電圧Ｖ2以上になると、ステップＳ５０３に進み、伝熱媒体流反転装置１２４を反転制御する。また、ステップＳ５０３において、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。このように構成すると、燃料電池スタックの性能を直接的に検出するので、水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。
【０１４２】
ここで、第２反転基準電圧Ｖ2は、反転基準電圧Ｖstandとは別に定める電圧値である。第２反転基準電圧Ｖ2は、反転基準電圧Ｖstandより高く、かつアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１においてフラッディング（flooding）が発生していない正常状態におけるスタック１００の出力電圧以下の任意の電圧値とすることができる。
【０１４３】
図１３は、第２実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。図１３において、図６と同一又は相当するステップには同一の符合を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１４４】
図１３において、ステップ５０１において、制御部３０４は、アノードガス流反転装置１２２及びカソードガス流反転装置１２３のみを反転制御する。そして、ステップＳ５０２Ｂにおいてタイマー（時間測定装置）が測定する計測時間Ｔが反転基準時間Ｔstand＋遅れ時間ΔＴに到達すると、ステップＳ５０３に進み、伝熱媒体流反転装置１２４を反転制御する。ステップＳ５０３において、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。このように構成すると、電圧計１３１は不要となるので、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
【０１４５】
ここで、遅れ時間ΔＴは、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１に滞留している水を排除するに十分な時間とするとよい。
【０１４６】
具体的には、カソードガスの露点、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）、カソードガスのガス流量、及びカソードガス流路溝３１の容積に基づいて遅れ時間ΔＴを定めることができる。
【０１４７】
例えば、燃料電池システムの運転条件が、カソードガスの露点が６５℃、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）が７０℃、カソードガスのガス流量が５０Ｌ／min.である場合、カソードガスの含水量が１３．２ｃｍ3／min.となる。カソードガスが７０℃に昇温された場合、可能な含水量は、１７．９ｃｍ3／min.となる。したがって両者の差４．７ｃｍ３／min.がカソードガス流路溝３１に滞留している水分の排出能力となる。
【０１４８】
ここで、例えば、アノードセパレータ９Ａ及びカソードセパレータ９ＣのＭＥＡ当接面２０，３０の面積がそれぞれ２２５ｃｍ2（１５ｃｍ×１５ｃｍ）であって、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１全体の１/３に水が滞留していると仮定した場合、カソードセパレータ９ＣのＭＥＡ当接面３０（面積２２５ｃｍ2）全体の１／３（面積７５ｃｍ2）に水が滞留していると見積もることができる。また、カソードガス流路溝３１の深さが例えば０．３ｍｍの場合、カソードガス流路溝３１に滞留している水量は２．２５ｃｍ3と見積もることができる。以上より、２．２５／４．７×６０＝２８．７sec.がカソードガス流路溝３１に滞留している水を排除するに十分な時間と見積もることができる。したがって遅れ時間ΔＴ＝２９sec.とすることができる。
【０１４９】
なお、上述した説明において、水が滞留しているカソードガス流路溝３１の割合（上述した説明においてはカソードガス流路溝３１全体の１/３）を判断する方法としては、カソードの発電出力を観測する方法が挙げられる。例えば、発電出力が、異常のない定常時の発電出力の２／３にまで低下している場合、カソードガス流路溝３１全体の１/３に水が滞留していると判断する。
【０１５０】
また、上述した説明では、（１）「水が滞留する部分をカソード流路溝３１」としてΔＴを決める場合の一例について説明したが、水が滞留する部分を以下の部分としてΔＴを決めてもよい。
【０１５１】
即ち、例えば、（２）「水が滞留する部分をＭＥＡ５のカソード電極（例えば、ガス拡散層、触媒層）内部」と見なしてΔＴを決める場合と、（３）「水が滞留する部分をカソード流路溝３１とＭＥＡ５のカソード電極内部の両方」と見なしてΔＴを決める場合である。
【０１５２】
例えば、上記（２）の場合、カソードガスの露点、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）、カソードガスのガス流量、及び、ＭＥＡ５のカソード電極内部の全ての空隙の容積に基づいて遅れ時間ΔＴを定めることができる。
【０１５３】
例えば、上記（３）の場合、カソードガスの露点、スタック１００の温度（より正確にはカソードガス流路溝３１内部の推定温度）、カソードガスのガス流量、カソードガス流路溝３１の容積、及びカソード電極内部の全ての空隙の容積に基づいて遅れ時間ΔＴを定めることができる。
【０１５４】
図１４は、第３実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。図１４において、図８と同一又は相当するステップには同一の符合を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１５５】
図１４において、ステップ５０１において、制御部３０４は、アノードガス流反転装置１２２及びカソードガス流反転装置１２３のみを反転制御する。そして、ステップＳ５０２Ｃにおいて圧力計（圧力測定装置）３０６が測定する圧力Ｐが第２反転基準圧力Ｐ2以下になると、ステップＳ５０３に進み、伝熱媒体流反転装置１２４を反転制御する。また、ステップＳ５０３において、制御部３０４はタイマーを初期化（Ｔ＝０）して、時間計測を再開する。このように構成すると、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。また、アノードガス流路溝２１及び／あるいはカソードガス流路溝３１の水分による閉塞状態あるいは狭窄状態を直接的に検出するので、水分による閉塞状態あるいは狭窄状態をより的確に解消することができる。
【０１５６】
ここで、第２反転基準圧力Ｐ2は、反転基準圧力Ｐstandとは別に定める圧力値である。第２反転基準圧力Ｐ2は、反転基準圧力Ｐstandより低く、かつアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１においてフラッディング（flooding）が発生していない正常状態における第１カソードガス管路１１３Ｉの圧力以上の任意の圧力値とすることができる。
【０１５７】
以上、本発明の実施形態及びその変形例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及びその変形例に限定されるものではない。
【０１５８】
本発明は、アノードガスとカソードガス及び伝熱媒体の３つの流体の流通方向を反転させているが、カソードガス及び伝熱媒体の流通方向の反転、あるいはアノードガス及び伝熱媒体の流通方向の反転によっても同等の効果を得ることができる。
【０１５９】
また、アノードガス、カソードガス及び伝熱媒体の反転をほぼ同時に行うことによって、制御装置３００、３１０，３２０の制御部３０４の構成を簡易化することができる。
【０１６０】
また、反転装置１２２，１２３，１２４を省略しても本発明の燃料電池システムの運転方法を実施することができる。すなわち、スタック１００の性能低下を検出した場合に、例えばスタック１００の性能低下を電圧計１３１，制御部３０４のタイマー、あるいは圧力計３０６によって検出した場合に、アノードガスおよび／あるいはカソードガスの供給と伝熱媒体の供給とを一時停止する。そして、それぞれの第１管路１１２Ｉ、１１３Ｉ、１１４Ｉと第２管路１１２Ｉ、１１３Ｉ、１１４Ｉとを反転させてスタック１００に付け替え、アノードガスおよび／あるいはカソードガスと伝熱媒体との供給を再開させる。これによって本発明の燃料電池システムの運転方法を実施することができる。
【０１６１】
さらに反転装置１２２，１２３，１２４はその他の一般的な管路反転装置を用いて構成することができる。
【０１６２】
さらに、第１実施形態及び第３実施形態において、反転運転を順運転に切り戻すステップＳ７を、Ｓ５と同様に行ってもよい。つまり、ステップＳ７を燃料電池の出力電圧、アノードガス流路又はカソードガス流路における圧力損失に基づいて行うように構成してもよい。あるいは第２実施形態において反転継続時間Ｔ0＝反転基準時間Ｔstandとしてもよい。
【０１６３】
さらに、ステップＳ７を、ステップＳ５０１、Ｓ５０２Ａ乃至Ｓ５０２Ｃ及びステップＳ５０３と同様の動作で切り戻してもよい。すなわち、アノードガス流反転装置及びカソードガス流反転装置のいずれかの再度の反転制御の後、燃料電池の出力電圧、アノードガス流路又はカソードガス流路における圧力損失、あるいは時間差に応じて、伝熱媒体流反転装置の再度の反転制御を行うように構成してもよい。なお、この場合、第３実施形態においては、圧力計３０６を追加して、第２カソードガス管路１１３Ｅの圧力を測定するように追加設置する必要がある。
【産業上の利用可能性】
【０１６４】
本発明は、燃料電池スタックの性能低下をより十分に予防あるいは回復させることができ、かつ燃料電池スタックの耐久性の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の高分子電解質形燃料電池のセル及びスタックの積層構造を示す部分分解斜視図である。
【図２】図２は、図１のスタックのセル間の積層構造を示す分解斜視図である。
【図３】図３は、図１のスタックの端部の構造を示す分解斜視図である。
【図４】図４は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図５】図５は、図４の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第３実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、変形例１におけるアノードガス流路溝の変形例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、変形例２における反転装置の変形例を示す図である。
【図１１】図１１は、変形例３における燃料電池スタックの変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、第１実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。
【図１４】図１４は、第３実施形態における本変形例の燃料電池システムの動作例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【０１６６】
５  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６  ガスケット
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ
９Ｃ、９ＣＥ  カソードセパレータ
１０  セル
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  第１アノードガスマニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  第２アノードガスマニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  第１カソードガスマニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  第２カソードガスマニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  第１伝熱媒体マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  第２伝熱媒体マニホールド孔
１５，２５，３５、５５，６５，７５  ボルト孔
２０、３０  ＭＥＡ当接面
２１  アノードガス流路溝
２１Ａ、２１Ｂ  主流路溝
２１Ｃ  枝流路溝
２１Ｕ  入口側領域
２１Ｌ  出口側領域
３１  カソードガス流路溝
３１Ｕ  入口側領域
３１Ｌ  出口側領域
２６、３６  伝熱媒体流路溝
２６Ｕ、３６Ｕ  入口側領域
２６Ｌ、３６Ｌ  出口側領域
５０、５１  集電板
５５  端子
６０、６１  絶縁板
７０、７１  エンドプレート
５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  第１アノードガス流通孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  第２アノードガス流通孔
５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  第１カソードガス流通孔
５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  第２カソードガス流通孔
５４Ｉ、６４Ｉ，７４Ｉ  第１伝熱媒体流通孔
５４Ｅ、６４Ｅ，７４Ｅ  第２伝熱媒体流通孔
８０  ボルト
８１  座金
８２  ナット
９２Ｉ  第１アノードガスマニホールド
９２Ｅ  第２アノードガスマニホールド
９３Ｉ  第１カソードガスマニホールド
９３Ｅ  第２カソードガスマニホールド
９４Ｉ  第１伝熱媒体マニホールド
９４Ｅ  第２伝熱媒体マニホールド
９９  セル積層体
１００  スタック
１０２Ｉ  第１アノードガスノズル
１０２Ｅ  第２アノードガスノズル
１０３Ｉ  第１カソードガスノズル
１０３Ｅ  第２カソードガスノズル
１０４Ｉ  第１伝熱媒体ノズル
１０４Ｅ  第２伝熱媒体ノズル
１１２Ｉ  第１アノードガス管路
１１２Ｅ  第２アノードガス管路
１１３Ｉ  第１カソードガス管路
１１３Ｅ  第２カソードガス管路
１１４Ｉ  第１伝熱媒体管路
１１４Ｅ  第２伝熱媒体管路
１２２  アノードガス流反転装置
１２３  カソードガス流反転装置
１２４  伝熱媒体流反転装置
１３０  電気出力系統
１３１  電圧計
２０２Ｉ，２０３Ｅ  第１ポート
２０２Ｗ，２０３Ｗ  三方弁
２０２Ｃ、２０３Ｃ、２０２Ｄ、２０３Ｄ  分岐部
２０２Ｊ，２０３Ｊ  第２ポート
２０２Ｋ，２０３Ｋ  第３ポート
２０４、２０５  分岐路
２０２Ｖ、２０３Ｖ、２０４Ｖ、２０５Ｖ  弁
３００、３１０，３２０  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  演算部
３０４  制御部
３０６  圧力計
Ａ  順方向状態
Ｂ  反転状態
Ｓ１乃至Ｓ８、Ｓ２０１乃至Ｓ２０３、Ｓ２０７、Ｓ３０１乃至Ｓ３０４  ステップ
Ｔ  計測時間
Ｔ0  反転継続時間
Ｔstand  反転基準時間
ΔＴ  遅れ時間
Ｖout  出力電圧
Ｖstand  反転基準電圧
Ｖ2  第２反転基準電圧
Ｐ  圧力
Ｐstand  反転基準圧力
Ｐ2  第２反転基準圧力
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図１４】
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【国際調査報告】
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