(57)【要約】【課題】露点が０℃以下の燃料ガスを使用する燃料電池システムの運転方法において、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】アノード出口マニホールド４２の積層方向の一端に設けられた排出口４２ａと、循環用入口４２ｂ間を循環路７０に連結し、アノードガス流路３７からアノード出口マニホールド４２へ排出された燃料オフガスを、循環路７０を介してアノード出口マニホールド４２に循環させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス流路を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの前記アノードガス流路が、前記単セルの積層方向に延びて形成されたアノード入口マニホールド及びアノード出口マニホールドとの間で接続された燃料電池スタックと、前記アノード入口マニホールドに燃料ガス供給路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に燃料オフガスを排出する排出口を設け、前記排出口から排出された前記燃料オフガスを前記アノード出口マニホールドに再循環するための循環用入口を、前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に設けて、前記排出口と前記循環用入口間を循環路で連結し、
前記アノードガス流路から前記アノード出口マニホールドへ排出された前記燃料オフガスを前記循環路を介して前記アノード出口マニホールドに循環させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記循環路を、前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に対して分岐手段にて接続して、前記燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に導入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記分岐手段を前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に接続された分岐路と該分岐路に設けられた流量調整手段とにより構成し、
燃料電池の電気負荷に応じて、前記流量調整手段を流量調整して前記燃料ガス供給路と前記循環用入口への前記燃料オフガスの流量を可変することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記分岐手段が、切換弁であり、
燃料電池の電気負荷に応じて、前記切換弁を切り換えて、前記アノード出口マニホールドから排出された燃料オフガスを、選択的に前記燃料ガス供給路或いは前記アノード出口マニホールドの循環用入口に導入させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
アノードガス流路を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの前記アノードガス流路が、前記単セルの積層方向に延びて形成されたアノード入口マニホールド及びアノード出口マニホールドとの間で接続された燃料電池スタックと、前記アノード入口マニホールドに燃料ガス供給路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に燃料オフガスを排出する排出口が設けられ、前記排出口から排出された前記燃料オフガスを前記アノード出口マニホールドに再循環するための循環用入口が、前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に設けられて、前記排出口と前記循環用入口間が循環路で連結され、
前記アノードガス流路から前記アノード出口マニホールドへ排出された前記燃料オフガスが前記循環路を介して前記アノード出口マニホールドに循環することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環路が、前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に対して分岐手段を介して接続され、前記燃料オフガスが前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に導入可能になっていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分岐手段が前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に接続された分岐路と該分岐路に設けられた流量調整手段とにより構成され、
燃料電池の電気負荷に応じて、前記流量調整手段を流量調整して前記燃料ガス供給路と前記循環用入口への前記燃料オフガスの流量を可変する制御手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記分岐手段が、切換弁であり、
燃料電池の電気負荷に応じて、前記切換弁を切り換えて、前記アノード出口マニホールドから排出された燃料オフガスが、選択的に前記燃料ガス供給路或いは前記アノード出口マニホールドの循環用入口に導入させる制御手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と前記膜の一面に配置されたアノード（燃料極）及び前記電解質膜の他面に配置されたカソード（酸素極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノード及びカソードに燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路を形成するセパレータとを、交互に配置した単セルが形成されている。前記カソード及びアノードの各電極は、前記電解質膜に接する触媒層と、触媒層の反電解質膜側に位置するガス拡散層（ＧＤＬ）を有する。前記単セルが発電性能に応じた基数だけ積層されることにより、燃料電池スタックが形成されている。
【０００３】
前記燃料電池は、アノード側のガス流路に燃料ガスとして水素ガス等が供給され、カソード側のガス流路には酸化剤ガスとして酸素や空気が供給される。前記アノード及びカソードの各電極ではその面内方向に前記ガスが流れ、次いでガス拡散層（ＧＤＬ）にて拡散されたガスが触媒層に導かれて電気化学反応が行われて発電が行われる。
【０００４】
前記電気化学反応では、アノード（燃料極）において生成された水素イオンと水が水和状態で電解質膜を透過してカソード（酸素極）側に至り、カソード側にて生成水が生成される。このため、ＭＥＡ内において水の移動及び電気化学反応による生成水の生成によって、時間の経過とともにアノード（燃料極）側は乾燥し易い。又、カソード側で生成した生成水の一部は、アノード側に逆拡散する。
【０００５】
ところで、一般的な純水素タンクを搭載した自動車用燃料電池では、経済産業省の水素スタンドガイドラインによれば、水素タンクから露点−４０℃以下の高純度水素ガス、すなわち、図６に示すようにドライ水素ガスが燃料電池スタック１００に供給されることになる。
【０００６】
図６に示す燃料電池システムについて簡単に説明する。燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０２が積層されたスタック構造を有する。
前記単セル１０２は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）とを用いた電気化学反応によって発電する。前記単セル１０２は、アノード組立体１０４と、カソード組立体１０６とを有している。アノード組立体１０４とカソード組立体１０６との間には、固体高分子電解質で構成される図示しない電解質膜が挟まれている。
【０００７】
アノード組立体１０４は、電解質膜に接するアノード（図示しない）と、燃料ガスが流れるアノードガス流路１１０と、アノードガス流路１１０の上流側と連通する流入路１１２と、アノードガス流路１１０の下流側と連通する流出路１１４を有する。全単セル１０２の流入路１１２が組み合わされて結合されることにより、アノード入口マニホールド１２０が構成されている。又、同様に、全単セル１０２の流出路１１４が組み合わされて結合されることにより、アノード出口マニホールド１３０が構成されている。複数の単セル１０２の各アノードガス流路１１０は、アノード入口マニホールド１２０とアノード出口マニホールド１３０との間で並列に接続されている。
【０００８】
燃料ガス（ドライ水素ガス）は、図示しない燃料源（水素タンク）から供給され、流入路１１２を介して、アノードガス流路１１０を流れることによって、図示しないアノード（燃料極）に供給される。
【０００９】
供給されたドライ水素ガス（乾燥水素ガス）は、燃料電池スタック１００内で、アノード側に逆拡散した生成水（浸透水）の蒸気を取り込み、アノード出口マニホールド１３０からは高露点（例えば６０℃）の燃料オフガスが排出される。
【００１０】
一方、水素ストイキ比を１で燃料電池を運転した場合、ガス分配不良に伴う燃料欠乏セルが生じると、当該単セルが著しく劣化を生じる。このため、従来は、水素ストイキ比を１．１〜１．５にして、通常は図６に示すように燃料電池スタック１００に設けられたアノード出口マニホールド１３０の排出口１３０ａと、燃料電池スタック１００に設けられたアノード入口マニホールド１２０の入口１２０ａ間に電動ポンプＰを備えた再循環ライン１４０が設けられ、アノード入口マニホールド１２０に再循環ライン１４０により、余剰の水素ガスである燃料オフガスを戻すようにしている。なお、再循環ライン１４０には燃料ガス排気弁１４２が設けられており、図示しない制御装置により、間欠開閉動作して、再循環しているガス中の水抜きとクロスリーク窒素を再循環ライン１４０から排気する。
【００１１】
このため、燃料オフガスが加わった燃料ガス（供給水素）は、前記燃料オフガスには生成水が蒸発することにより湿度を伴ったガスとなり、単セルのアノードでの蒸発の促進ができにくくなる結果、前記逆拡散の促進が行われにくくなり、高温・無加湿運転ができないものとなっていた。
【００１２】
そこで、特許文献１では、燃料オフガス中の水蒸気を、冷却若しくは乾燥剤によりトラップ除去し、低湿度ガスを再循環させる方法が提案されている。図７に示す従来例では、再循環ライン１４０に設けられた凝縮器１５０により、燃料オフガス中の水蒸気を凝縮することにより、乾燥させて低湿度ガス（低湿度水素）にして再循環させる。なお、図７において、図６と同一構成については、同一符号を付す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許２７０３８２４号公報  第４頁左欄第２３〜３８行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが、特許文献１の技術では、再循環させる燃料オフガスの露点を−４０℃まで下げることは困難であり、通常は、室温程度の露点をもった燃料オフガスとなる。このため、冷却または乾燥剤による除湿効果は不十分となる結果、特許文献１の燃料システムでは除湿装置が必要となり、燃料電池システムが複雑化するとともに、大型化し、高コストとなる問題がある。
【００１５】
なお、前記の問題は、乾燥燃料ガスとして、代表的に露点が−４０℃のもので説明したが、乾燥燃焼ガスとして、例えば露点が０℃以下の場合の乾燥燃焼ガスを使用する場合も同様の問題がある。なお、露点とガス中の水分量との関係は、露点が０℃の場合、水分量（容量）は０．６０％であり、露点が−２０℃の場合、水分量（容量）は０．１０％であり、露点が−４０℃の場合、水分量（容量）は０．０１３％であるというように低湿度となる。又、因みに、露点が、室温２０℃の場合。ガス中の水分量（容量）は２．３１％であり、高湿度となる。
【００１６】
本発明の目的は、上記課題を解決して、燃料電池システムの運転方法において、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、燃料電池システムの運転方法において、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムを提供することにある。
又、本発明の他の目的は、燃料電池システムの運転方法において、除湿装置が不要であって、再循環させる燃料オフガスをアノード入口マニホールド、アノード出口マニホールドの両マニホールドに戻す際に、燃料電池の電気負荷に応じて、その流量を変更させることによって、高温・無加湿が必要のときに、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【００１８】
又、本発明の他の目的は、燃料電池システムにおいて、除湿装置が不要であって、再循環させる燃料オフガスをアノード入口マニホールド、アノード出口マニホールドの両マニホールドに戻す際に、燃料電池の電気負荷に応じて、その流量を変更させることによって、高温・無加湿が必要のときに、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記問題点を解決するために、請求項１の発明は、アノードガス流路を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの前記アノードガス流路が、前記単セルの積層方向に延びて形成されたアノード入口マニホールド及びアノード出口マニホールドとの間で並列に接続された燃料電池スタックと、前記アノード入口マニホールドに燃料ガス供給路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に燃料オフガスを排出する排出口を設け、前記排出口から排出された前記燃料オフガスを前記アノード出口マニホールドに再循環するための循環用入口を、前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に設けて、前記排出口と前記循環用入口間を循環路で連結し、前記アノードガス流路から前記アノード出口マニホールドへ排出された前記燃料オフガスを、前記循環路を介して前記アノード出口マニホールドに循環させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法を要旨としている。
【００２０】
なお、露点は、特に−４０℃又は−４０℃以下が、経済産業省の水素スタンドガイドラインに沿っているため、好ましい。
請求項２の発明は、請求項１において、前記循環路を、前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に対して分岐手段にて接続して、前記燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に導入することを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項２において、前記分岐手段を前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に接続された分岐路と該分岐路に設けられた流量調整手段とにより構成し、燃料電池の電気負荷に応じて、前記流量調整手段を流量調整して前記燃料ガス供給路と前記循環用入口への前記燃料オフガスの流量を可変することを特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項２において、前記分岐手段が、切換弁であり、燃料電池の電気負荷に応じて、前記切換弁を切り換えて、前記アノード出口マニホールドから排出された燃料オフガスを、選択的に前記燃料ガス供給路或いは前記アノード出口マニホールドの循環用入口に導入させることを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明は、アノードガス流路を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの前記アノードガス流路が、前記単セルの積層方向に延びて形成されたアノード入口マニホールド及びアノード出口マニホールドとの間で並列に接続された燃料電池スタックと、前記アノード入口マニホールドに燃料ガス供給路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に前記燃料オフガスを排出する排出口が設けられ、前記排出口から排出された前記燃料オフガスを前記アノード出口マニホールドに再循環するための循環用入口が、前記アノード出口マニホールドの前記積層方向の一端に設けられて、前記排出口と前記循環用入口間が循環路で連結され、前記アノードガス流路から前記アノード出口マニホールドへ排出された前記燃料オフガスが前記循環路を介して前記アノード出口マニホールドに循環することを特徴とする燃料電池システムを要旨としている。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項５において、前記循環路が、前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に対して分岐手段を介して接続され、前記燃料オフガスが前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に導入可能になっていることを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項６において、前記分岐手段が前記燃料ガス供給路及び前記循環用入口に接続された分岐路と該分岐路に設けられた流量調整手段とにより構成され、燃料電池の電気負荷に応じて、前記流量調整手段を流量調整して前記燃料ガス供給路と前記循環用入口への前記燃料オフガスの流量を可変する制御手段を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項６において、前記分岐手段が、切換弁であり、燃料電池の電気負荷に応じて、前記切換弁を切り換えて、前記アノード出口マニホールドから排出された燃料オフガスが、選択的に前記燃料ガス供給路或いは前記アノード出口マニホールドの循環用入口に導入させる制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１及び請求項２の発明によれば、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムの運転方法を提供できる。
請求項３及び請求項４の発明によれば、燃料電池システムの運転方法において、除湿装置が不要であって、再循環させる燃料オフガスをアノード入口マニホールド、アノード出口マニホールドの両マニホールドに戻す際に、燃料電池の電気負荷に応じて、その流量を変更させることによって、高温・無加湿が必要のときに、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムの運転方法を提供できる。
【００２８】
請求項５及び請求項６の発明によれば、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムを提供できる。
請求項７及び請求項８の発明によれば、除湿装置が不要であって、再循環させる燃料オフガスをアノード入口マニホールド、アノード出口マニホールドの両マニホールドに戻す際に、燃料電池の電気負荷に応じて、その流量を変更させることによって、高温・無加湿が必要のときに、高温・無加湿性能を向上できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は本発明を具体化した一実施形態の燃料電池システムの概略図、（ｂ）は第２実施形態の燃料電池システムの概略図。
【図２】燃料電池スタックの概略分解斜視図。
【図３】燃料電池スタックの要部断面図。
【図４】燃料電池スタックにおける作用の説明図。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの概略図。
【図６】従来例の燃料電池システムの概略図。
【図７】従来例の燃料電池システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明を自動車用の燃料電池システムに具体化した一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
【００３１】
燃料電池システム１０は、燃料ガス供給部２０と燃料電池スタック３０を備えている。燃料ガス供給部２０は、図示しない水素タンクを有し、当該水素タンクから露点−４０℃以下の高純度水素（すなわち、ドライ水素ガス）が燃料電池スタック３０に対して燃料ガス供給路２１を介して供給される。燃料ガス供給部２０は、燃料ガス供給手段に相当する。
【００３２】
燃料電池スタック３０は、複数の単セル３２が積層されたスタック構造を有する。単セル３２の積層された方向は、以下、積層方向といい、図１（ａ）では、Ａ矢印方向を指す。単セル３２は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）とを用いた電気化学反応によって発電する。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、単セル３２は、アノード組立体３３と、カソード組立体３４とを有し、アノード組立体３３とカソード組立体３４間に、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という）３５（図３参照）を挟む構成を有する。
【００３４】
アノード組立体３３は、前記電解質膜３５に接するアノード３６と、前記アノード３６と第１セパレータ４０間で形成されて燃料ガス（水素ガス）が流れるアノードガス流路３７と、図１（ａ）に示すように前記アノードガス流路３７の上流側と連通するとともに燃料ガス供給路２１に接続された流入路３８と、アノードガス流路３７の下流側と連通する流出路３９を有する。なお、図３に示すように、第１セパレータ４０は、アノード３６に電気的に接触するための凸部４０ａが複数設けられており、隣接する凸部４０ａ間において、燃料ガスが通過可能になっている。
【００３５】
燃料ガス（水素ガス）は、アノードガス流路３７を流れることによって、アノード３６に供給される。図１（ａ）に示すように流入路３８は、他の単セル３２の流入路３８と組み合わされて、アノード入口マニホールド４１を形成する。同様に、流出路３９は、他の単セル３２の流出路３９と組み合わされて、アノード出口マニホールド４２を形成する。複数の単セル３２のそれぞれのアノードガス流路３７は、アノード入口マニホールド４１とアノード出口マニホールド４２との間で並列に接続されている。
【００３６】
図１（ａ）に示すカソード組立体３４は、図３に示すように前記電解質膜３５に接するカソード４６と、カソード４６と第２セパレータ５０間で形成されて酸化剤ガス（空気）が流れるカソードガス流路４７と、カソードガス流路４７の上流側と連通する流入路（図示しない）と、カソードガス流路４７の下流側と連通する流出路（図示しない）を有する。なお、図３に示すように、第２セパレータ５０は、カソード４６に電気的に接触するための凸部５０ａが複数設けられており、隣接する凸部５０ａ間において、酸化剤ガス（空気）が通過可能になっている。
【００３７】
酸化剤ガス（空気）は、カソードガス流路４７を流れることによって、カソード４６に供給される。前記カソードガス流路４７の上流側と連通する流入路（図示しない）は、他の単セル３２のカソードガス流路４７の上流側と連通する流入路（図示しない）と組み合わされて、アノード入口マニホールドを形成する。同様に、カソードガス流路４７の下流側と連通する流出路（図示しない）は、他の単セル３２のカソードガス流路４７の下流側と連通する流出路（図示しない）と組み合わされて、カソード出口マニホールドを形成する。複数の単セル３２のそれぞれのカソードガス流路４７は、前記カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとの間で並列に接続されている。
【００３８】
なお、前記電解質膜３５の両面にアノード３６とカソード４６が配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡという）４８は、電解質膜３５の両面が、燃料極であるアノード３６と酸素極であるカソード４６とにより挟み込みされている。
【００３９】
前記電解質膜３５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製されている。固体高分子材料としてはフッ素系の高分子膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜等）がある。アノード３６及びカソード４６は、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とによって構成されている。前記電極触媒層は、電解質膜３５に接触する側に位置するとともに、例えば、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散層は、前記電極触媒層に積層されているとともに、カーボンペーパー、炭素繊維からなるカーボンクロス又はカーボンフェルト等からなる。
【００４０】
前記第１セパレータ４０及び第２セパレータ５０は導電性を有する金属系の材質或いは、炭素系の材質からなる。図３において、凸部４０ａと凸部５０ａ間で形成された空間を、冷却流路６０としている。冷却流路６０は、燃料電池スタック３０の外部に設けられた図示しない冷却循環路に接続され、冷却媒体としての冷却水が流れるようにされている。
【００４１】
（循環路）
次に、本実施形態の特徴的な構成である循環路について説明する。
燃料電池スタック３０において、アノード出口マニホールド４２の積層方向Ａの一端に燃料オフガスを排出する排出口４２ａが設けられるとともに、他端には循環用入口４２ｂが設けられている。又、排出口４２ａと、循環用入口４２ｂ間は、管路で構成された循環路７０が接続されている。循環路７０には、燃料ガス排気弁７２と電動ポンプＰ（すなわち、水素ポンプ）が設けられており、排出口４２ａからの燃料オフガスを循環用入口４２ｂに圧送して再循環させる。燃料ガス排気弁７２は、電磁弁からなり、図示しない制御装置により、間欠開閉動作して、再循環しているガス中の水抜きとクロスリーク窒素を循環路７０から排気する。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システム１０は、上記のように循環路７０を有し、燃料ガス排気弁７２で開閉する構成としたが、燃料ガスに純水素を用いる固体高分子型燃料電池のアノード出口を封鎖したアノードデッドエンド系で構成してもよい。
【００４３】
（実施形態の作用）
次に、上記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。
燃料ガス（ドライ水素ガス）は、燃料ガス供給部２０から供給され、流入路３８を介して、各単セル３２のアノードガス流路３７を流れることによって、アノード３６に供給される。供給されるドライ水素ガスは、露点−４０℃以下の低湿度ガスである。
【００４４】
供給されたドライ水素ガスは、燃料電池スタック３０内で、アノード３６側に逆拡散した生成水（浸透水）の蒸気を取り込み、燃料オフガスとなってアノード出口マニホールド４２から排出口４２ａを経て、循環路７０へ流れ、電動ポンプＰにより、循環用入口４２ｂからアノード出口マニホールド４２に入る。
【００４５】
このとき、アノードガス流路３７内に、アノード入口マニホールド４１から主体的に供給される燃料ガス（水素ガス）は、露点−４０℃以下の低湿度ガスであるため、アノード３６の電極触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ）から積極的に水分を蒸発させ、この結果、カソード４６側で生成した生成水のアノード３６側への逆拡散を促進する。このため、燃料電池システムの高温・無加湿性能が向上する。
【００４６】
水素ストイキ比を１で燃料電池を運転した場合、燃料電池システム１０を構成している単セル３２において、ガス分配不良に伴う燃料欠乏セルが生じると、当該単セルが著しく劣化を生じる虞があるが、本実施形態では、アノード出口マニホールド４２を通し、十分な水素が燃料電池内にあるため、水素欠乏セルにはアノード出口マニホールド４２から水素が図４のＢ矢印で示すように逆流するため、燃料欠乏セルの劣化を防止する。
【００４７】
なお、燃料電池は、理論的には、発電に必要な分だけの水素を供給すればよいはずであるが、一方では水素欠乏状態で発電を行った場合、水素欠乏セルには極端な劣化が生じることが知られている。このため、従来は、燃料電池スタック内のガス分配不良により、水素供給量の少ない単セルが生じる虞があることから、これを防止するために、水素ストイキ比１．１〜１．５程度の水素を供給するようにし、水素の余剰分を従来技術で説明したようにアノード入口マニホールドに合流させることにより循環させている。
【００４８】
本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）  本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、燃料電池スタック３０は、アノードガス流路３７を備える単セル３２を複数積層している。又、前記燃料電池スタック３０では、複数の単セル３２のアノードガス流路３７が、単セル３２の積層方向に延びて形成されたアノード入口マニホールド４１及びアノード出口マニホールド４２との間で並列に接続されている。そして、燃料電池システム１０は、アノード入口マニホールド４１に燃料ガス供給路２１を介して露点が−４０℃以下の水素ガスを供給する燃料ガス供給部２０（燃料ガス供給手段）を備える。そして、その運転方法では、アノード出口マニホールド４２の積層方向の一端に燃料オフガスを排出する排出口４２ａを設け、排出口４２ａから排出された燃料オフガスをアノード出口マニホールド４２に再循環するための循環用入口４２ｂを、アノード出口マニホールド４２の積層方向の一端に設けて、排出口４２ａと循環用入口４２ｂ間を循環路７０で連結する。そして、アノードガス流路３７からアノード出口マニホールド４２へ排出された燃料オフガスを循環路７０を介してアノード出口マニホールド４２に循環させる。
【００４９】
この結果、本実施形態によれば、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる。
（２）  本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック３０が、アノードガス流路３７を備える単セル３２を複数積層している。又、燃料電池スタック３０では、複数の単セル３２のアノードガス流路３７が、単セル３２の積層方向に延びて形成されたアノード入口マニホールド４１及びアノード出口マニホールド４２との間で並列に接続されている。そして、燃料電池システム１０は、アノード入口マニホールド４１に燃料ガス供給路２１を介して露点が−４０℃以下の水素ガスを供給する燃料ガス供給部２０（燃料ガス供給手段）を備える。
【００５０】
又、アノード出口マニホールド４２の積層方向の一端に燃料オフガスを排出する排出口４２ａが設けられ、排出口４２ａから排出された燃料オフガスをアノード出口マニホールド４２に再循環するための循環用入口４２ｂが、アノード出口マニホールド４２の積層方向の一端に設けられて、排出口４２ａと循環用入口４２ｂ間が循環路７０で連結されている。そして、アノードガス流路３７からアノード出口マニホールド４２へ排出された燃料オフガスが循環路７０を介してアノード出口マニホールド４２に循環するようにしている。
【００５１】
この結果、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、露点が−４０℃以下の燃料ガスを使用する燃料電池システムにおいて、除湿装置が不要であって、高温・無加湿性能を向上できる。
【００５２】
（３）  又、本実施形態では、上記（１）の運転方法及び、（２）の燃料電池システム１０で構成されていることにより、窒素ガス混入による性能低下の抑制を行うことができる。すなわち、一般的に燃料電池に用いられる電解質膜は若干ではあるが、ガスが透過するため、カソード側から電解質膜を通してアノードに窒素が混入し、その量はカソードとアノードの窒素分圧が等しくなるところまで経時的に増加することが知られている。混入窒素による水素の希釈は、アノードのガス拡散性の低下をきたし発電性能の低下を招くことになる。
【００５３】
本実施形態では、窒素の混入した再循環ガス（燃料オフガス）は、アノード出口マニホールド４２側へ導入されるため、基本的に単セル内に積極的に供給されず、図示しない水素タンクからの純水素供給がメインとなるため、窒素混入による発電性能低下を効果的に抑制できる。
【００５４】
（４）  又、図６、図７に示す従来例では、再循環ガス（燃料オフガス）をアノード入口マニホールド１２０に戻すためには、アノード入口マニホールド１２０のガス圧と同等以上とするため電動ポンプＰの動力損が大きくなる。この従来例に比較して、本実施形態では、再循環ガス（燃料オフガス）を、アノード入口マニホールド４１よりもガス圧が低下したアノード出口マニホールド４２に戻すため、電動ポンプＰの動力損を低減させることができ、システム効率を上昇させることができる。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の燃料電池システムを、図１（ｂ）を参照して説明する。なお、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、前記第１実施形態と同一構成又は相当する構成については、同一符号を付してその説明を省略し、第１実施形態の構成と異なる構成について説明する。
【００５６】
第２実施形態の燃料電池システム１０では、循環路７０が、電動ポンプＰの下流側に設けられた分配弁８０により分岐されて、分岐路７０ａ，７０ｂを介して燃料ガス供給路２１と循環用入口４２ｂにそれぞれ接続されている。
【００５７】
分配弁８０は、電磁弁にて構成され、或いは、電動モータを備えており、前記電磁弁或いは電動モータを制御装置９０の制御信号により制御することにより、燃料ガス供給路２１と循環用入口４２ｂへの分配量（すなわち、ガス流量）の流量調整が可能である。分配弁８０は流量調整手段に相当する。又、本実施形態の分岐手段は、前記分配弁８０と分岐路７０ａ，７０ｂにより構成されている。制御装置９０は制御手段に相当する。
【００５８】
制御装置（ＥＣＵ）９０は、図示しないアクセルペダルの操作量を検出する図示しないアクセル操作量センサからの検出信号に基づいて、燃料電池スタック３０の電気負荷を検出することにより、前記燃料ガス供給路２１と循環用入口４２ｂへの分配量（すなわち、ガス流量）の流量調整を行う。
【００５９】
（第２実施形態の作用）
上記のように構成された本実施形態の燃料電池システム１０の作用を説明する。
図示しないアクセル操作量センサからの検出信号に基づき、加速操作を行っていると制御装置９０が判断したときには、大電流及び燃料ガスに関してガス流量が多く必要な高負荷、すなわち、燃料電池スタック３０には電気負荷が高負荷の場合である。この場合は高温・無過失運転で最も厳しい条件である。このような場合には、制御装置９０は、分配弁８０に対して制御信号により分配弁８０を作動制御することにより、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を巡航時よりも少なく、或いは０にする一方、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を巡航時よりも多くする。
【００６０】
この結果、アノード３６の電極触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ）から積極的に水分が蒸発する結果、カソード４６側で生成した生成水のアノード３６側への逆拡散が促進する。このため、燃料電池システムの高温・無加湿性能が向上する。
【００６１】
又、図示しないアクセル操作量センサからの検出信号に基づき、加速操作を行っておらず、巡航状態に遷移したと制御装置９０が判断したときには、大電流が必要でなく燃料ガスに関してガス流量が少なくてすむ低負荷、すなわち、燃料電池スタック３０には電気負荷が低負荷の場合である。このような場合には、制御装置９０は、分配弁８０に対して制御信号により分配弁８０を作動制御することにより、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を加速時よりも多くし、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を加速時よりも少なく、或いは０にする。
【００６２】
このように巡航時の場合は、必要な水素ガス量が減量されるため、大量の再循環ガス（燃料オフガス）を燃料ガス供給路２１側へ戻すことにより、アノードガス流路３７へのガス逆流ではなく、順方向（アノード入口マニホールド４１からアノード出口マニホールド４２への方向）で水素ガスの消費を行うことができる。
【００６３】
この結果、露点が−４０℃以下の燃料ガスを使用する燃料電池システムの運転方法において、除湿装置が不要であって、再循環させる燃料オフガスをアノード入口マニホールド、アノード出口マニホールドの両マニホールドに戻す際に、燃料電池の電気負荷に応じて、その流量を変更させることによって、高温・無加湿が必要のときに、高温・無加湿性能を向上できる。
【００６４】
本実施形態では、下記の特徴を有する。
（５）  本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、循環路７０を、燃料ガス供給路２１及び循環用入口４２ｂに対して流量調整可能な分配弁８０（分岐手段）にて接続して、燃料オフガスを燃料ガス供給路２１に導入する。そして、燃料電池の電気負荷に応じて、分配弁８０を流量調整して燃料ガス供給路２１と循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を可変する。この結果、本実施形態によれば、高負荷時では、分配弁８０により、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を巡航時よりも少なく、或いは０にする一方、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を巡航時よりも多くする。この結果、アノード３６の電極触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ）から積極的に水分が蒸発する結果、カソード４６側で生成した生成水のアノード３６側への逆拡散が促進する。このため、燃料電池システムの高温・無加湿性能を向上することができる。
【００６５】
又、低負荷の場合は、分配弁８０により、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を加速時よりも多くし、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を加速時よりも少なく、或いは０にする。このように低負荷時の場合は、必要な水素ガス量が減量されるため、大量の再循環ガス（燃料オフガス）を燃料ガス供給路２１側へ戻すことにより、アノードガス流路３７へのガス逆流ではなく、順方向（アノード入口マニホールド４１からアノード出口マニホールド４２への方向）で水素ガスの消費を行うことができる。
【００６６】
（６）  燃料電池システムにおいては、高負荷時では、制御装置９０が分配弁８０を作動制御することにより、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を巡航時よりも少なく、或いは０にする一方、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を巡航時よりも多くする。又、低負荷の場合は、制御装置９０が分配弁８０を作動制御することにより、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を加速時よりも多くし、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流量を加速時よりも少なく、或いは０にする。この結果、上記（５）の効果を実現することができる。
【００６７】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態のシステムを図５を参照して説明する。なお、第３実施形態の構成において、第２実施形態と同一又は相当する構成については、同一符号を付し、第２実施形態と異なる構成を説明する。
【００６８】
本実施形態では、第２実施形態の構成中、分配弁８０の代わりに、切換弁８５が設けられるとともに、循環路７０が電動ポンプＰの下流側に設けられた切換弁８５により分岐されて、分岐路７０ａ，７０ｂを介して燃料ガス供給路２１と循環用入口４２ｂにそれぞれ接続されているところが異なっている。
【００６９】
切換弁８５は、電磁弁にて構成され、制御装置９０の制御信号により制御することにより、燃料ガス供給路２１と循環用入口４２ｂのいずれかに燃料オフガスの導入が可能となっている。切換弁８５は、分岐手段に相当する。他の構成は第２実施形態と同様である。
【００７０】
（第３実施形態の作用）
上記のように構成された本実施形態の燃料電池システム１０の作用を説明する。
図示しないアクセル操作量センサからの検出信号に基づき、加速操作を行っていると制御装置９０が判断したときには、制御装置９０は、分配弁８０に対して制御信号により方向切換弁（以下ね単に切換弁という）８５を作動制御することにより、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流れを遮断する一方、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスを導入する。この結果、アノード３６の電極触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ）から積極的に水分が蒸発する結果、カソード４６側で生成した生成水のアノード３６側への逆拡散が促進する。このため、燃料電池システムの高温・無加湿性能が向上する。
【００７１】
又、図示しないアクセル操作量センサからの検出信号に基づき、加速操作を行っておらず、巡航状態に遷移したと制御装置９０が判断したときには、制御装置９０は、分配弁８０に対して制御信号により切換弁８５を作動制御することにより、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスを導入し、循環用入口４２ｂへの燃料オフガスの流入を遮断する。
【００７２】
このように巡航時の場合は、必要な水素ガス量が減量されるため、大量の再循環ガス（燃料オフガス）を燃料ガス供給路２１側へ戻すことにより、アノードガス流路３７へのガス逆流ではなく、順方向（アノード入口マニホールド４１からアノード出口マニホールド４２への方向）で水素ガスの消費を行うことができる。
【００７３】
本実施形態では、下記の特徴を有する。
（７）  本実施形態の燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池の電気負荷に応じて、切換弁８５を切り換えて、アノード出口マニホールド４２から排出された燃料オフガスを、選択的に燃料ガス供給路２１或いはアノード出口マニホールド４２の循環用入口４２ｂに導入させる。この結果、第２実施形態の（５）と同様の効果を実現できる。
【００７４】
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。
・  前記実施形態では、露点−４０℃以下の低湿度の水素ガスを使用したが、露点−４０℃の水素ガス、或いは−４０℃を超えるとともに露点０℃以下の水素ガスを使用するようにしてもよい。また。露点0℃を超える燃料ガスであってもよい。
【００７５】
・  第２実施形態乃至第４実施形態では、燃料電池スタック３０の電気負荷の検出をアクセル操作量センサの検出信号に基づいて制御装置９０は行うようにしたが、電気負荷の検出は、アクセル操作量センサに限定されるものではない。例えば自動車のエアコン、或いはデフォッガ等の大電流を必要とする電装品を使用する場合、それら電装品を作動するスイッチのオン操作信号に応じて、制御装置９０は、アノード出口マニホールド４２へのガス流量を増加するようにしてもよい。
【００７６】
・  第２実施形態では、分岐手段を、分配弁８０と分岐路７０ａ，７０ｂにより構成したが、分岐手段を、分岐路７０ａ，７０ｂと、各分岐路７０ａ，７０ｂにそれぞれ設けられた電磁弁よりなる流量調整弁とにより構成するようにしてもよい。
【００７７】
高負荷時の場合は、制御装置９０により、分岐路７０ａ側の流量調整弁を作動させて、循環用入口４２ｂに大量の燃料オフガスが流れるようにするとともに、分岐路７０ｂ側の流量調整弁を作動させて、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を低負荷時よりも少なくする、或いは、０にする。
【００７８】
又、低負荷時の場合は、制御装置９０により、分岐路７０ａ側の流量調整弁を作動させて、循環用入口４２ｂに少量の燃料オフガスが流れるようにし、又は０の流量とするとともに、分岐路７０ｂ側の流量調整弁を作動させて、燃料ガス供給路２１への燃料オフガスの流量を高負荷時よりも多くするように制御する。
【００７９】
・  前記実施形態では、自動車に搭載される燃料電池システムに具体化したが、本燃料電池システムは、自動車搭載に限定されるものではなく、家庭用の燃料電池システムや、産業用の燃料電池システムに適用できることは勿論のことである。
【００８０】
・  前記実施形態では、複数の単セル３２のそれぞれのアノードガス流路３７は、アノード入口マニホールド４１とアノード出口マニホールド４２との間で並列に接続したが、並列の接続に限定するものではない。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池システム、２０…燃料ガス供給部、２１…燃料ガス供給路、
３０…燃料電池スタック、３７…アノードガス流路、
４１…アノード入口マニホールド、４２…アノード出口マニホールド、
４２ａ…排出口、４２ｂ…循環用入口、７０…循環路、
７０ａ，７０ｂ…分岐路、８０…分配弁、８５…切換弁、
９０…制御装置（制御手段）、Ｐ…電動ポンプ。
【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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