(57)【要約】【課題】フラッディングによるカソードの酸素拡散能の低下を抑制して、安定した出力を長期間維持する燃料電池システムを提供する。【解決手段】水とアルコールの混合溶液である燃料を酸化するアノード、酸化剤含有ガスを還元するカソード、およびアノードとカソードの間に挟持される固体高分子電解質膜とから構成される発電部と、アノードに燃料を供給する燃料供給部と、カソードに酸化剤含有ガスを供給する酸化剤含有ガス供給部と、酸化剤含有ガス供給部とカソードの間に介挿され、酸化剤含有ガスを加湿する酸化剤含有ガス加湿部と、アノードとカソードの間の電圧を測定する電圧測定部と、電圧測定部から得られる情報に基づきカソードに供給する酸化剤含有ガスの湿度を調整する第１の制御部と、を有することを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図１
2009245641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水とアルコールの混合溶液である燃料を酸化するアノード、酸化剤含有ガスを還元するカソード、および前記アノードと前記カソードの間に挟持される固体高分子電解質膜とから構成される発電部と、
前記アノードに前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードに前記酸化剤含有ガスを供給する酸化剤含有ガス供給部と、
前記酸化剤含有ガス供給部と前記カソードの間に介挿され、前記酸化剤含有ガスを加湿する酸化剤含有ガス加湿部と、
前記アノードと前記カソードの間の電圧を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部から得られる情報に基づき前記カソードに供給する酸化剤含有ガスの湿度を調整する制御部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電部がこの発電部の温度を測定する温度測定部を有し、
前記制御部が前記温度測定部から得られる情報に基づき前記アノードに供給する単位時間当たりの燃料供給量を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アルコールがメタノールであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電圧測定部から得られる情報に基づき求められた電圧の値が、所定の電圧の値よりも小さいと判断された場合に、前記制御部が前記カソードに供給する前記酸化剤含有ガスの湿度を上昇させて前記カソードに供給する調整を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度測定部から得られる情報に基づき求められた温度の値が予め与えられた第１の範囲内に含まれると判断された場合に、前記制御部が前記アノードに供給する単位時間当たりの前記燃料の供給を低下させる調整を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度測定部から得られる情報に基づき求められた温度の値が予め与えられた第２の範囲内に含まれると判断された場合に、前記制御部が前記アノードに供給する単位時間当たりの前記燃料の供給を増加させる調整を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、携帯機器の用途の拡大に伴って燃料電池の開発が盛んに行われている。特に携帯機器向け燃料電池において、メタノールを直接セルに供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の開発が、携帯機器、特に携帯電話・ノートＰＣ等の電源用として研究・開発が行われている。
【０００３】
燃料電池では単セルを複数直列に接続することで必要とされる出力を得ている。単セルの接続方法によって、スタック型と呼ばれる３次元的に積層するものと平面型と呼ばれる２次元的に配置するものとに分けることができる。スタック型は発電によって生じる熱を有効に利用して高出力が得られる反面、携帯機器としては体積的にコンパクトにできない問題点がある。平面型は体積的にコンパクトにでき、かつ、空気の配流において補機の使用を抑えることができる等の利点があり、携帯機器向けに鋭意研究がなされている。
【０００４】
一般に、現在開発されているＤＭＦＣにおいては、単セルは触媒層を塗布したカーボン多孔質板からなる電極部材を固体高分子プロトン導電膜（たとえばＤｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ膜（登録商標）等）に加熱・圧着等によって接着して製造されている。
【０００５】
アノード極、カソード極には、それぞれＰｔ−Ｒｕ系合金触媒、Ｐｔ系触媒が使用され、特にＤＭＦＣにおいては高い出力を得るために多量の触媒が使用されている。
【０００６】
ＤＭＦＣにおいては、燃料を直接セルに供給して発電を行うため、水素や他の燃料を用いる燃料電池と比べ、携帯性・安全性に優れた燃料電池として注目されている。
【０００７】
ところが、ＤＭＦＣは、長期間継続して発電すると発電出力（電圧）が経時的に低下する現象が起こってしまう問題があった。この出力が低下する原因としては、アノード、カソード触媒の活性低下、電解質膜の劣化、アノード・カソードでの燃料・酸素の拡散能の低下など挙げられていて、発電条件によって劣化原因が異なることも分かっている。
【０００８】
このように、燃料電池システムの出力を低下させる因子の中で、カソードに水が滞留することによりカソードの酸素拡散能の低下する現象は、通称カソードのフラッディングとして知られている。
【０００９】
特に、ＤＭＦＣの様に液体燃料を直接アノードに供給して発電する燃料電池の場合には、液体燃料中の水分が過剰にセルに残存してしまう傾向にある。この過剰な水は電解質膜の乾燥によるプロトン導電率の低下を抑制する面では優れているが、カソードのフラッディングによる発電特性劣化の原因になっている。
【００１０】
このように、カソードのフラッディングによる出力低下はＤＭＦＣの出力低下の大部分を占めるため、これを回避することによる発電出力の安定化を確立する手法が技術的に求められている。
【００１１】
一方、過剰に水が供給されない様に燃料供給を制御していても発電中の発電用セル（以下セルと略す）の状態によっては、セル内の残存水量が低下する場合がある。セル内の残存水量が低下すると電解質膜の中の水が欠乏し、セル抵抗の増加が起こり、結果として出力低下の原因となる。
【００１２】
このように燃料電池システムの水を管理する手法として特許文献１がある。
【特許文献１】特開２００１−１４３７３２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に示す手法は、システム内の湿度を監視しながらカソードに供給する空気中の水分を制御するものである。しかし、特許文献１は水素を燃料に用いた燃料電池に使用したもので、例えばメタノールと水の混合溶液を燃料として用いる本発明のようなＤＭＦＣにおいては、セル電圧はメタノールクロスオーバ量、セル温度、フラッディングによって影響を受ける。すなわち特許文献１は空気供給時の湿度をコントロールしているものではないため、ＤＭＦＣには不適切な制御である。
【００１４】
本発明は係る問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの発電部の電圧を監視しながら、カソードに供給する酸化剤含有ガス中（例えば空気）の湿度を制御することにより、カソードに過剰な水が滞留しないようにすることで、フラッディングによるカソードの酸素拡散能の低下を抑制して、安定した出力を長期間維持する燃料電池システム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】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムは、水とアルコールの混合溶液である燃料を酸化するアノード、酸化剤含有ガスを還元するカソード、およびアノードとカソードの間に挟持される固体高分子電解質膜とから構成される発電部と、アノードに燃料を供給する燃料供給部と、カソードに酸化剤含有ガスを供給する酸化剤含有ガス供給部と、酸化剤含有ガス供給部とカソードの間に介挿され、酸化剤含有ガスを加湿する酸化剤含有ガス加湿部と、アノードとカソードの間の電圧を測定する電圧測定部と、電圧測定部から得られる情報に基づきカソードに供給する酸化剤含有ガスの湿度を調整する制御部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、フラッディングによるカソードの酸素拡散能の低下を抑制して、安定した出力を長期間維持する燃料電池システムを提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１８】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに限定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型の燃料電池システム（ＤＭＦＣ）を一例として説明する。
【００２０】
図１は第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示したものである。
【００２１】
図１に示した、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０は、過剰な水がセル内に残存しないように燃料供給部４２の制御および膜電極複合体（ＭＥＡ）の構造の最適化を行うことで、まず、過剰な水が発電部４に供給されないように燃料供給部４２、および酸化剤含有ガス供給部５２、酸化剤含有ガス加湿部５３を制御させて燃料電池システム１０を駆動するものである。
【００２２】
セルに供給される燃料４１（水およびメタノール）量は燃料供給の制御やＭＥＡの形状によって変更が可能である。ＤＭＦＣの発電の際にアノード反応で使用される燃料４１は、水：メタノール＝１：１（ｍｏｌ比）である。しかしながら、アノードで生成するプロトンがカソードに移動する際に同伴水として３個程度の水が移動する。そのため、ＤＭＦＣにおいては、セルに実際に供給される水／メタノール比（モル比）は１ではなく、燃料制御やＭＥＡの構造により１〜１９程度まで変化する。上記で述べた過剰の水とは、プロトンに同伴して移動する水のことで、これを極力減らすようにする。
【００２３】
たとえば、燃料供給においては、通常（１〜２ｍｏｌ／Ｌ）よりもメタノール濃度の高い水溶液（３〜１０ｍｏｌ／Ｌ）のメタノール水溶液を用い、かつ、単位時間当たりの燃料４１の供給量を落として供給したり、ＭＥＡの構造においては、アノード２に撥水性の高いカーボン多孔板を使用したり、アノード触媒層２１とアノード多孔板（後述するアノードガス拡散層２２）の間にＭＰＬ層（Ｍｉｃｒｏ Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）を介在させるなどして、アノード２での反応に不要な水がセル内に入るのを防ぐ。
【００２４】
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料４１を酸化するアノード２、酸化剤含有ガス５１を還元するカソード３、およびアノード２とカソード３の間に挟持される（固体高分子）電解質膜１とから構成される発電部４と、アノード２に燃料４１を供給する燃料供給部４２と、カソード３に酸化剤含有ガス５１を供給する酸化剤含有ガス供給部５２と、酸化剤含有ガス供給部５２とカソード３の間に介挿され、酸化剤含有ガス５１を加湿する酸化剤含有ガス加湿部５３と、アノード２とカソード３の間の電圧を測定する電圧測定部６と、電圧測定部６から得られる情報に基づきカソード３に供給する酸化剤含有ガス５１の湿度を調整する制御部７と、を有する。
【００２５】
以下、図２を参照しながら説明する。
【００２６】
（発電部）
発電部４は、アノード２とカソード３に挟持された電解質膜１を有する。
【００２７】
（電解質膜）
直接メタノール型の燃料電池システム（ＤＭＦＣ）の場合、電解質膜１には、例えばＤｕｐｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ膜（登録商標）を用いることができる。電解質膜１はアノード２の触媒層２１（以下アノード触媒層２１とする）で生成したプロトン（Ｈ＋）をカソード３の触媒層（以下、カソード触媒層３１とする）へ移送する媒体として機能する。
【００２８】
（アノード触媒層・カソード触媒層）
この電解質膜１の両側にはアノード触媒層２１及びカソード触媒層３１が配置される。メタノール水溶液を燃料４１とする場合、アノード触媒層２１には、例えばＰｔ−Ｒｕ触媒を用いることができる。また、カソード触媒層３１にはＰｔ触媒等の貴金属触媒を用いることができる。
【００２９】
アノード触媒層２１はＰｔ−Ｒｕ触媒をパーフルオルスルホン酸樹脂溶液（ナフィオン溶液（商標））、水、及びエチレングリコールと混合して分散させた後、電解質膜上にスプレー法によって塗布することで作製することができる。
【００３０】
また、カソード触媒３１はＰｔ触媒をパーフルオルスルホン酸樹脂溶液（ナフィオン溶液（商標））、水、及びエチレングリコールと混合して分散させた後、電解質膜上にスプレー法によって塗布することで作製することができる。
【００３１】
（アノードガス拡散層、カソードガス拡散層）
アノード触媒層２１及びカソード触媒層３１の、電解質膜１とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層２２及びカソードガス拡散層３２が配置される。アノードガス拡散層２２およびカソードガス拡散層３２にはカーボンペーパー、カーボンクロスもしくはカーボン不織布等を用いることができる。それぞれのガス拡散層には主としてカーボン粉末とＰＴＦＥから成るカーボン緻密撥水層（マイクロポーラスレイヤー：ＭＰＬ）を設けても良い。
【００３２】
アノードガス拡散層２２はアノード触媒層２１への燃料供給、生成物排出、集電を円滑に行う機能を提供する。カソードガス拡散層３２はカソード触媒層３１への空気供給、生成物排出、集電を円滑に行う機能を提供する。
【００３３】
これらアノードガス拡散層２２、アノード触媒層２１、電解質膜１、カソード触媒層３１、カソードガス拡散層３２を順に積層した構造体を膜電極複合体（ＭＥＡ）５と称することが多い。
【００３４】
（膜電極複合体のスタック方法）
膜電極複合体５は、例えば、アノード触媒層２１及びカソード触媒層３１が両面に塗布された電解質膜１と、アノードガス拡散層２２及びカソードガス拡散層３２とを接合して作製される。あるいは、電解質膜１と、アノード触媒層２１が塗布されたアノードガス拡散層２２及びカソード触媒層３１が塗布されたカソードガス拡散層３２とを接合しても良い。それぞれ高い圧力で接合することにより、アノード触媒層２１及びカソード触媒層３１と接する界面の接触抵抗を低減することができる。
【００３５】
なお、ここで「接合」とは、両者が予めプレス機等を用いて圧縮されることで一体化し、一の部材と他の部材の相対する一部が融着等により、簡単な工具を用いた程度では部材の変形を伴わずに分離することが困難な加工方法、またはその結果の状態を意味する。例えば、膜電極複合体５についてもこのことが当て嵌まる。膜電極複合体５として接合した後の部材は、もとの部材の厚みに比べて全面において厚みが薄くなっている。一方、後述する「接触」とは、両者が予め圧縮によって一体化されることなく、膜電極複合体５を分解した場合に容易に両者を容易に分離可能な状態を意味し、「接合」とは区別される。
【００３６】
（アノード流路板）
アノードガス拡散層２２のアノード触媒層２１とは反対側に、アノード流路板２３が配置される。アノード流路板２３は燃料のアノード流路２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）を有する。アノード流路板２３に設けられるアノード流路２５は、例えば、サーペンタイン流路や、複数の流路が平行に走るパラレル流路とすることができる。
【００３７】
アノード流路板２３はアノード拡散層２２を通じてアノード触媒層２１へと燃料を供給する目的と、アノード反応（式１）により生じた生成物（ＣＯ２等）を排出する目的のためにアノード流路２５が設けられたものである。なお、アノード流路板２３に導電性を有するカーボンなどを用いることによりアノード２の集電板の機能を併せて持たせることも可能である。
【数１】
2009245641.tif 000003
【００３８】
このように、アノード集電体から電解質膜１と境界までをアノード２とする。すなわち、本実施の形態においては、アノード流路板２３、アノードガス拡散層２２、アノード触媒層２１がアノード２に相当する。
【００３９】
（カソード流路板）
カソードガス拡散層３２のカソード触媒層３１とは反対側に、カソード流路板３３が配置される。カソード流路板３３は酸化剤含有ガスのカソード流路３５（３５ａ、３５ｂ、３５ｃ）を有する。カソード流路板３３に設けられるカソード流路３５は、例えば、サーペンタイン流路や、複数の流路が平行に走るパラレル流路とすることができる。
【００４０】
カソード流路板３３はカソードガス拡散層３２を通じてカソード触媒層３１へと酸化剤供給ガスを供給する目的と、カソード反応（式２）により生じた生成物（Ｈ２Ｏ等）を排出する目的のためにカソード流路３５が設けられたものである。なお、カソード流路板３３に導電性を有するカーボンなどを用いることによりカソードの集電板の機能を併せて持たせることも可能である。
【数２】
2009245641.tif 000004
【００４１】
このように、カソード流路板３３から電解質膜１と境界までをカソード３とする。すなわち、本実施の形態においては、カソード流路板３３、カソードガス拡散層３２、カソード触媒層３１がカソード３に相当する。  
（燃料供給部）
本実施の形態に係る燃料電池システムは、アノード２に燃料４１を供給する燃料供給部４２を有する。燃料供給部４２は、燃料４１が貯蔵された燃料容器４３からアノード２のアノード流路２５（２５ａ〜２５ｃ）に燃料４１を送る機能を有する。燃料供給部４２には例えばポンプを用いることができる。燃料４１には所定の濃度（例えば４ｍｏｌ−ＣＨ３ＯＨ／Ｌ）に調整したメタノール水溶液を用いることができる。
【００４２】
（酸化剤含有ガス供給部）
本実施の形態に係る燃料電池システムは、カソード３に酸化剤含有ガス５１を供給する酸化剤含有ガス供給部５２を有する。酸化剤含有ガス供給部５２は、酸化剤含有ガス５１、例えば酸素を含有した空気をカソード３のカソード流路３５（３５ａ〜３５ｃ）に送る機能を有する。酸化剤ガス供給部５２には例えばポンプを用いることができる。あるいは、酸化剤含有ガスを加圧して貯蔵したボンベなどを用いることもできる。
【００４３】
（酸化剤含有ガス加湿部）
本実施の形態に係る燃料電池システムは、酸化剤含有ガス供給部５２とカソード３の間に介挿され、酸化剤含有ガス５１を加湿する酸化剤含有ガス加湿部５３を有する。酸化剤含有ガス加湿部５３は、酸化剤含有ガス５１の湿度を相対的に変化させる機能を有する。
【００４４】
例えば、図１に示すように、切り替えバルブ５４と水を貯蔵した容器５５から構成することができる。水を貯蔵した容器５５は、酸化剤含有ガス供給部５２から送られてくる酸化剤含有ガス５１により水がバブリングされ、酸化剤含有ガス５１が加湿される機能を有する。酸化剤含有ガス５１の湿度を相対的に変化させるには、切り替えバルブ５４を切り替えることにより、酸化剤含有ガス５１が水を貯蔵した容器５５を経由する場合には相対的に湿度が高い状態に、経由しない場合には相対的に湿度が低い状態に、と適宜選択することにより実現することができる。
【００４５】
もしくは適切な量の水を酸化剤含有ガス５１の供給時に、酸化剤含有ガス５１と共にカソード３に供給しても良い。容器５５をバブリングさせて酸化剤含有ガス５１を加湿して供給する場合は、この手段は有効である。なぜなら、容器５５の内部の水温が６０℃以下の場合には、バブリングしても十分な水を酸化剤含有ガスと共にカソード３に供給することが困難（水の水蒸気分圧が低いため）だからである。具体的には、海綿などの多孔質体に水を含ませ、この表面に酸素含有ガス５１を通気させて加湿する方法や酸化剤含有ガス５１の供給流路に少量の水をポンプ等で供給することで、酸化剤含有ガス５１と水滴をセル内のカソード流路に直接供給する手法を適用することができる。
【００４６】
（電圧測定部）
本実施の形態に係る燃料電池システムは、アノード２とカソード３の間の電圧を測定する電圧測定部６を有する。電圧測定部６は、発電部４が先に述べたようなアノード集電体とカソード集電板を用いる場合には、これらの間の電圧を公知の電圧測定手段を適用して測定することができる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る燃料電池システムは、発電部４の温度を測定する温度測定部８を有していてもよい。温度測定部８は、アノード２に熱電対を設置するなどの公知の温度測定手段を適用して測定することができる。
【００４８】
（制御部）
本実施の形態に係る燃料電池システムは、電圧測定部６から得られる情報に基づきカソード３に供給する酸化剤含有ガス５１の湿度を調整する制御部７を有する。電圧測定部６で得られる情報（電圧情報）は、信号線Ｅ４により、制御部７に送られる。
【００４９】
図３に制御部７の構成を示す。制御部７は、外部入力部１００、判定部１１０、調整部１２０、情報格納部１３０、演算処理部１４０を有する。
【００５０】
（外部入力部）
外部入力部１００は、電圧入力部１０１、温度入力部１０２を有する。電圧入力部１０１は電圧測定部６と信号線Ｅ４により接続されている。温度入力部１０２は温度測定部８と信号線Ｅ３により接続されている。
【００５１】
（判定部）
判定部１１０は、電圧判定部１１１、温度判定部１１２を有する。電圧判定部１１１は信号線Ｅ４を介して電圧測定部６から得られる情報（電圧情報）に基づいて、酸化剤含有ガス加湿部５３を通じて、酸化剤含有ガス５１の湿度を相対的に変化させるか否かを判定する機能を有する。
【００５２】
また、温度判定部１１２は、信号線Ｅ３を介して温度測定部８から得られる情報（温度情報）に基づいて、燃料供給部４２を通じて、燃料４１の単位時間当たりの供給量の増加、維持、減少について判定する機能を有する。
【００５３】
（調整部）
調整部１２０は、湿度調整部１２１、燃料供給調整部１２２を有する。湿度調整部１２１は信号線Ｅ２を通じて酸化剤含有ガス加湿部５３に接続されている。第１の形態においては切り替えバルブ５４により酸化剤含有ガスの流路の切り替えを行い、酸化剤含有ガス５１の湿度を調整する機能を有する。
【００５４】
燃料供給調整部１２２は、信号線Ｅ１を通じて燃料供給部４２に接続されている。第２の実施の形態においては前述した燃料供給部４２（ポンプ）に接続され、単位時間当たりの燃料供給量を調整する機能を有する。
【００５５】
（情報格納部）
情報格納部１３０は、電圧情報格納部１３１、温度情報格納部１３２を有する。上記判定部１１０で行う判定のために参照するための電圧情報、温度情報を格納する。情報格納部１３０にはハードディスクなどの記憶媒体を用いることができる。
【００５６】
（演算処理部）
演算処理部１４０は、外部入力部１００、判定部１１０、調整部１２０、情報格納部１３０の情報のやり取り、情報の演算処理や加工、情報格納部１３０への格納等を行う機能を有する。演算処理部１４０には電子計算機などのＣＰＵを用いることができる。
【００５７】
（燃料電池の機能）
次に図１に示した発電スタックの基本的な機能について説明する。まず、燃料４１（メタノール水溶液）は燃料供給部４２（ポンプ）を通じてアノード流路２５へ供給され、アノードガス拡散層２２を通してアノード触媒層２１へ供給される。膜電極複合体５のアノード触媒層２１においては上述したアノード反応（式１）が起こる。
【００５８】
（式１）に基づき、アノード触媒層２１で生成したプロトン（Ｈ＋）はアノード触媒層２１から電解質膜１を通りカソード触媒層３１へと流れる。電子（ｅ−）はアノードガス拡散層２２、アノード流路板２３、外部回路（図示省略）、カソード流路板３３、カソードガス拡散層３２を経由してカソード触媒層３１へと運ばれる。アノード触媒層２１で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）はアノードガス拡散層２２、アノード流路２５を通して外部へ排出される。
【００５９】
酸化剤ガス手段５２から供給される空気１２により、プロトン及びエレクトロンは、カソード触媒層３１において上述した（式２）に示すカソード反応で消費される。なお、図１において、酸化剤含有ガス５１はカソード流路板３３のカソード流路３５、カソードガス拡散層３２を介してカソード触媒層３１へ供給される。
【００６０】
一般に、カソード反応（式２）が起こる際、プロトンの移動と共にメタノール（ＣＨ３ＯＨ）および水（Ｈ２Ｏ）も電解質膜１を通過して移動する（前者をメタノールのクロスオーバー、後者を水のクロスオーバーと呼ぶ）。このうち、電解質膜１を透過したメタノールは酸化剤ガス供給部５２から供給される空気５１によりカソード触媒層３１において（式３）に示す酸化反応を起こし、水が生成される。
【数３】
2009245641.tif 000005
【００６１】
また、カソード反応（式２）で生成した水、および透過した水の一部は電解質膜１を通してアノード触媒層２１へ逆拡散する。残りの水は膜電極複合体５からカソード流路板３３を通じて外部へと排出される。
【００６２】
ここで、（式２）に示すカソード反応および（式３）に示す酸化反応により生成する水がカソード３から適切に排出されない場合、カソード３において水が滞留し、酸化剤含有ガス４１がカソード触媒３１に適切に供給されない状態となる。これが先に説明したカソードのフラッディングである。
【００６３】
本発明に係る燃料電池システム１０においては、燃料供給部４２と酸化剤含有ガス加湿部５３を有することにより、発電中に発電部４の中に残存する水分量を調整することができる。これによりカソード３に過剰の水が滞留することによって生じるカソード３のフラッディングによる出力の低下を抑制することが可能となる効果を有する。
【００６４】
このフラッディングは制御部７において以下の制御を行うことにより、防止することができる。
【００６５】
以下、図４を参照し、この手順について説明する。
【００６６】
〔フラッディング〕
図４はカソード３のフラッディングを防止するための手順を示したプロセスフローである。なお、当然のことながら、カソード３のフラッディングは燃料電池システム１０が設計範囲内にある所定の出力を行う時に生じるものであるので、燃料電池システム１０は稼動状態にあるものとする。また、このとき、電圧測定部６により発電部４の電圧は常時測定され、信号線Ｅ４により制御部７に送られているものとする。なお、電圧測定部６による発電部４の電圧の測定は、必要に応じて適宜測定されてもよい。
【００６７】
制御部７の電圧入力部１０１に送られた電圧情報は演算処理部１４０で演算処理され、あるいは電圧情報格納部１３１に予め格納された温度情報と比較参照される。これらの演算処理、比較参照の結果は電圧判定部１１１に保存される。電圧判定部１１１に保存された結果に基づき、湿度調整部１２１から信号線Ｅ２を介して酸化剤含有ガス加湿部５３が制御される。
【００６８】
説明の便宜のために、所定の電圧として以下の４つを定義する。
【００６９】
Ｖ３  ：  燃料電池システムの稼動において復旧不可能と判断される最小電圧値
Ｖ１  ：  燃料電池システムの稼動において許容される最小電圧値
Ｖ２  ：  燃料電池システムの稼動において許容される最大電圧値
Ｖ４  ：  燃料電池システムの稼動において復旧不可能と判断される最大電圧値
Ｖｉ（ｉ＝１、２、３、４）は燃料電池システムの種類等に応じて、予め設定された値であり、電圧情報格納部１３１に格納され、適宜参照される。なお、Ｖ３＜Ｖ１≦Ｖ２＜Ｖ４である。
【００７０】
（第１非加湿ステップ：Ｓ１）
まず、初期状態として、燃料電池システム１０に非加湿酸化剤含有ガスを供給する第１非加湿ステップＳ１を行う。ここで「非加湿酸化剤含有ガス」とは、酸化剤含有ガス５１が酸化剤含有ガス加湿部５３の操作によって、相対的に湿度の低い酸化剤ガス５１となっていることをいう。一方、「加湿酸化剤含有ガス」とは、酸化剤含有ガス５１が酸化剤含有ガス加湿部５３の操作によって、先の「非加湿酸化剤含有ガス」に比較して相対的に湿度の高い酸化剤ガス５１となっていることをいう。
【００７１】
例えば、図１に示す燃料電池システム１０においてはバルブ５４を切り替え、酸化剤含有ガス５１が水を貯蔵した容器５５を経由しない状態とすることにより第１非加湿ステップＳ１を行うことができる。
【００７２】
非加湿酸化剤含有ガスをカソード３に供給して所定の時間（例えば５〜１０分間）経過し、燃料電池システム１０が安定した後、電圧測定部６から得られる情報に基づき、電圧値Ｖを求める。ここで「電圧測定部６から得られる情報に基づき、電圧値Ｖを求める」とは、電圧測定部から得られる情報は、必ずしも電圧値そのものであるとは限らないので（例えば、電圧測定部６からの情報は０−５Ｖの信号の形で送られてくることもある）、このような情報を演算処理部１４０で演算処理（変換）し正しい値（電圧Ｖ）とすることを意味する。
【００７３】
この電圧値Ｖに応じて以下の場合に分けて、制御部７では判断され、制御される。
【００７４】
（Ｓ１−１）  Ｖ４＜Ｖ        ：  所定の運転停止モードに入る。
【００７５】
（Ｓ１−２）  Ｖ２＜Ｖ≦Ｖ４  ：  第１非加湿ステップＳ１を継続する。
【００７６】
（Ｓ１−３）  Ｖ１≦Ｖ≦Ｖ２  ：  第１非加湿ステップＳ１を継続する。
【００７７】
（Ｓ１−４）        Ｖ＜Ｖ１  ：  加湿ステップＳ２を行う。
【００７８】
（加湿ステップ：Ｓ２）
上記（Ｓ１−４）と判定された場合、加湿ステップＳ２を以下のように行う。例えば、図１に示す燃料電池システム１０においてはバルブ５４を切り替え、酸化剤含有ガス５１が水を貯蔵した容器５５を経由する状態とすることにより加湿ステップＳ２を行うことができる。
【００７９】
加湿酸化剤含有ガスをカソード３に供給して所定の時間（例えば５〜１０分間）経過し、燃料電池システム１０が安定した後、電圧測定部６から得られる電圧情報から電圧値Ｖを求める。この時、電圧値Ｖに応じて以下の場合に分けて、制御部７では判断され、制御される。
【００８０】
（Ｓ２−１）  Ｖ１≦Ｖ        ：  第１非加湿ステップＳ１を行う。
【００８１】
（Ｓ２−２）        Ｖ＜Ｖ１  ：  他の原因があると判断される。
【００８２】
すなわち、電圧測定部６から得られる情報に基づき求められた電圧値Ｖが、所定の電圧値（上記の場合Ｖ１がこれに相当）よりも小さいと判断された場合に、制御部７がカソード３に供給する酸化剤含有ガス５１の湿度を上昇させてカソード３に供給する調整（加湿ステップＳ２）を行う。
【００８３】
（第１の実施の形態の効果）
このように、第１の実施の形態によれば、電圧測定部６、制御部７、酸化剤含有ガス加湿部５３を有することにより、第１非加湿ステップＳ１、加湿ステップＳ２を行うことが可能となる。このことにより、燃料電池システム１０の発電中に発電部４の中に残存する水分量を調整することができる。また、これによりカソード３に過剰の水が滞留することによって生じるカソード３のフラッディングによる出力の低下を抑制することが可能となる効果を有する。
【００８４】
さらに、出力低下が生じた場合に、カソード３のフラッディングに起因するものかどうかを判定することができる。すなわち、（Ｓ２−２）の場合を除き、燃料電池システム１０の出力低下はカソード３のフラッディングが原因によるものであり、第１非加湿ステップＳ１、加湿ステップＳ２により出力を回復させることができる。
【００８５】
〔第２の実施の形態〕
上記第１の実施の形態において、（Ｓ２−２）の場合、すなわち、燃料電池システム１０の出力の低下がカソード３のフラッディングによるものではなく、他に原因があると判定された場合に対応した第２の実施の形態について説明する。
【００８６】
燃料４１を直接アノード２に供給する燃料電池システム１０においては、出力（電圧）の低下がカソード３のフラッディングによる電圧の低下に起因しない場合がある。この原因として、いわゆる「燃料クロスオーバー」と呼ばれる燃料４１が供給過剰になっている場合や、逆に燃料４１が供給不足になっている場合が該当する。このような場合には、カソード３でフラッディングによる出力（電圧）低下が起こっていなくても出力（電圧）が低下する状態が観察される。
【００８７】
ここで、燃料クロスオーバーにより燃料４１が供給過剰になった場合にはカソード３で（式３）に示す燃料４１の酸化反応により発電部４の温度が上昇する。逆に、燃料４１が供給不足になった場合にはカソード３で酸化反応に供給される燃料４１が減少するため、発電部４の温度が低下する。
【００８８】
第２の実施の形態においては、この特徴を利用し、発電部４の電圧が燃料電池システムの稼動において許容される最小電圧値（Ｖ１）を下回った場合（第１の実施の形態における（Ｓ２−２）に相当）には、燃料供給部４２を制御することで燃料４１のクロスオーバによる電圧の低下、もしくは燃料４１の不足による電圧の低下が起こっているのかどうかを、発電部４の温度を温度測定部８で測定し、制御部７で判定するものである。具体的には、発電部４の温度測定部８から得られる温度情報に基づき、以下の手順に行うことで、出力が低下する原因を詳細に判定することができる。
【００８９】
第２の実施の形態、第１の実施の形態に加え、発電部４が発電部４の温度を測定する温度測定部８を有し、制御部７が温度測定部８から得られる情報に基づきアノード３に供給する単位時間当たりの燃料供給量を調整することを特徴とする燃料電池システムである。
【００９０】
ここで、温度測定部８による発電部４の温度は稼動している間は継続的に測定されてもよいし、必要に応じて適宜測定されてもよい。これら温度情報は信号線Ｅ３により制御部７に送られる。
【００９１】
制御部７の温度入力部１０２に送られた温度情報は演算処理部１４０で演算処理され、あるいは温度情報格納部１３２に予め格納された温度情報と比較参照される。これらの演算処理、比較参照の結果は温度判定部１１２に保存される。温度判定部１１２に保存された結果に基づき、燃料供給調整部１２２から信号線Ｅ１を介して燃料供給部４２が制御される。
【００９２】
説明の便宜のために、所定の温度として以下の４つを定義する。
【００９３】
Ｔ３  ：  燃料電池システムの稼動において復旧不可能と判断される最低温度
Ｔ１  ：  燃料電池システムの稼動において許容される最低温度
Ｔ２  ：  燃料電池システムの稼動において許容される最高温度
Ｔ４  ：  燃料電池システムの稼動において復旧不可能と判断される最高温度
Ｔｉ（ｉ＝１、２、３、４）は燃料電池システムの種類等に応じて、予め設定された値であり、温度情報格納部１３１に格納され、適宜参照される。なお、Ｔ３＜Ｔ１≦Ｔ２＜Ｔ４である。
【００９４】
（アノード温度判定ステップ：Ｓ３）
加湿ステップＳ２の（Ｓ２−２）において、「他に原因があると判断」された場合、アノード２の温度測定部８で測定された温度Ｔに応じて以下の場合分けを行う。
【００９５】
（Ｓ３−１）  Ｔ４＜Ｔ        ：  所定の運転停止モードに入る。
【００９６】
（Ｓ３−２）  Ｔ２＜Ｔ≦Ｔ４  ：  燃料低減ステップＳ４を行う。
【００９７】
（Ｓ３−３）  Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２  ：  電圧判定ステップＳ６を行う。
【００９８】
（Ｓ３−４）  Ｔ３≦Ｔ＜Ｔ１  ：  燃料増加ステップＳ５を行う。
【００９９】
（Ｓ３−５）        Ｔ＜Ｔ３  ：  所定の運転停止モードに入る。
【０１００】
このアノード温度判定ステップＳ３により、燃料電池システム１０の出力が低下している原因が、発電部４に供給される燃料４１が多すぎるためにクロスオーバーを引き起こしていることに起因するものであるのか、あるいは少なすぎて発電部４の温度が低下していることに起因するものであるのか、が判定される。
【０１０１】
これを更に正確に判断するために、アノード温度判定ステップＳ３の場合分けに応じて、以下の燃料低減ステップＳ４、燃料増加ステップＳ５のいずれかを行う。
【０１０２】
（燃料低減ステップ：Ｓ４）
上記（Ｓ３−２）と判定された場合、燃料低減ステップＳ４を以下のように行う。例えば、図１に示す燃料電池システム１０においては燃料供給部４２のポンプの回転数を低減し、発電部４へ供給される単位時間当たりの燃料４１を低減することにより燃料低減ステップＳ４を行うことができる。
【０１０３】
このように燃料低減ステップＳ４を所定の時間（例えば５分間）経過し、燃料電池システム１０が安定した後、温度測定部８に基づき得られる情報から発電部４の温度を求める。ここで「温度測定部８から得られる情報から発電部４の温度を求める」とは、温度測定部８から得られる情報は、必ずしも温度の値そのものであるとは限らないので（例えば、温度測定部８からの情報は０−５Ｖの信号の形で送られてくることもある）、このような情報を演算処理部１４０で演算処理し、正しい値に（温度Ｔ）とすることを意味する。
【０１０４】
この時、温度に応じて以下の場合に分けて、制御部７で判定され、制御される。
【０１０５】
（Ｓ４−１）  Ｔ２＜Ｔ        ：  電圧判定ステップＳ６を行う。
【０１０６】
（Ｓ４−２）        Ｔ≦Ｔ２  ：  燃料低減ステップＳ４を継続する。
【０１０７】
すなわち、温度測定部８から得られる情報に基づき求められた温度の値Ｔが予め与えられた第１の範囲内（上記の場合、Ｔ２＜Ｔ＜Ｔ４に相当）に含まれると判断された場合に、制御部７がアノード３に供給する単位時間当たりの燃料４１の供給を低下させる調整（燃料減少ステップＳ４）を行う。
【０１０８】
（燃料増加ステップ：Ｓ５）
上記（Ｓ３−４）と判定された場合、燃料増加ステップＳ５を以下のように行う。例えば、図１に示す燃料電池システム１０においては燃料供給部４２のポンプの回転数を増加し、発電部４へ供給される単位時間当たりの燃料４１を増加することにより燃料増加ステップＳ５を行うことができる。
【０１０９】
このように燃料増加ステップＳ５を所定の時間（例えば５分間）経過し、燃料電池システム１０が安定した後、温度測定部８から得られる温度情報から温度Ｔを求める。この時、温度Ｔに応じて以下の場合に分けて、制御部７で判定され、制御される。
【０１１０】
（Ｓ５−１）  Ｔ１≦Ｔ        ：  電圧判定ステップＳ６を行う。
【０１１１】
（Ｓ５−２）        Ｔ＜Ｔ１  ：  燃料増加ステップＳ５を継続する。
【０１１２】
すなわち、温度測定部８から得られる情報に基づき求められた温度の値Ｔが予め与えられた第２の範囲内（上記の場合、Ｔ３＜Ｔ＜Ｔ１に相当）に含まれると判断された場合に、制御部７がアノード３に供給する単位時間当たりの燃料４１の供給を増加させる調整（燃料増加ステップＳ５）を行う。
【０１１３】
（電圧判定ステップ：Ｓ６）
上記（Ｓ３−３）、（Ｓ４−１）、（Ｓ５−１）と判定された場合、電圧判定ステップＳ６を以下のように行う。
【０１１４】
（Ｓ６−１）  Ｖ３≦Ｖ        ：  電圧判定ステップＳ６を継続する。
【０１１５】
（Ｓ６−２）        Ｖ＜Ｖ３  ：  第２非加湿ステップＳ７を行う。
【０１１６】
（第２非加湿ステップ：Ｓ７）
上記（Ｓ６−２）と判定された場合、第２非加湿ステップＳ７を以下のように行う。
【０１１７】
（Ｓ７−１）  Ｖ１≦Ｖ        ：  第２非加湿ステップＳ７を継続する。
【０１１８】
（Ｓ７−２）  Ｖ３≦Ｖ＜Ｖ１  ：  第１非加湿ステップＳ１を行う。
【０１１９】
（Ｓ７−３）        Ｖ＜Ｖ３  ：  所定の運転停止モードに入る。
【０１２０】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、燃料供給部４２の不具合により出力（電圧）が低下しているようであればそれを是正した後、再度酸化剤含有ガス加湿部５３を制御する。これにより発電部４の温度Ｔが燃料電池システム１０の稼動において許容される範囲内（Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２）に回復する場合には、電圧測定部６の電圧を監視しながら酸化剤含有ガス５１の湿度を変化させることにより、カソード３におけるフラッディングを抑制しつつ、出力（電圧）を安定領域（Ｖ１≦Ｖ≦Ｖ２）に維持することができる。
【０１２１】
すなわち、制御部７、温度測定部８、燃料供給部４２を有することにより、アノード温度判定ステップＳ３を行うことが可能となる。すなわち、燃料電池システム１０の出力が低下している原因が、発電部４に供給される燃料４１が多すぎるためにクロスオーバーを引き起こしていることに起因するものなのか、それとも少なすぎて発電部４の温度が低下していることに起因するものなのか、あるいはそれ以外の原因によるものであるのか、が判定される。
【０１２２】
これに加えて、燃料低減ステップＳ４あるいは燃料増加ステップＳ５、および電圧判定ステップＳ６を行うことにより、燃料電池システム１０の出力低下を回復することができるか、あるいは更に別の原因により回復不能であるか、を判定することができる。すなわち、（Ｓ７−３）の場合を除き、燃料電池システム１０の出力低下は燃料４１の供給が過剰に供給されたことによるクロスオーバー、燃料４１の供給が不足していることによる発電部４の温度低下によるものであり、第２非加湿ステップＳ７により出力を回復することができる。
【０１２３】
一方、（Ｓ７−３）の場合には、２つの原因（燃料４１の供給が過剰に供給されたことによるクロスオーバー、燃料４１の供給が不足していることによる発電部４の温度低下）以外に原因があるものと判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムを示す構成図。
【図２】本発明に係る発電部を示す断面図。
【図３】本発明の係る制御部を示す構成図。
【図４】本発明の実施形態に係るプロセスフロー図。
【符号の説明】
【０１２５】
１  ・・・  電解質膜
２  ・・・  アノード
３  ・・・  カソード
４  ・・・  発電部
５  ・・・  膜電極複合体（ＭＥＡ）
６  ・・・  電圧測定部
７  ・・・  制御部（第１の制御部、第２の制御部）
８  ・・・  温度測定部
１０  ・・・  燃料電池システム
２１  ・・・  アノード触媒層
２２  ・・・  アノードガス拡散層
２３  ・・・  アノード流路板（アノード集電板）
２４  ・・・  ガスケット
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ  ・・・  アノード流路
３１  ・・・  カソード触媒層
３２  ・・・  カソードガス拡散層
３３  ・・・  カソード流路板（カソード集電板）
３４  ・・・  ガスケット
３５、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ  ・・・  カソード流路
４１  ・・・  燃料
４２  ・・・  燃料供給部
４３  ・・・  燃料容器
５１  ・・・  酸化剤含有ガス（空気）
５２  ・・・  酸化剤含有ガス供給部
５３  ・・・  酸化剤含有ガス加湿部
５４  ・・・  バルブ（切替バルブ）
５５  ・・・  容器
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４  ・・・  信号線
【図１】
2009245641.tif 000006
【図２】
2009245641.tif 000007
【図３】
2009245641.tif 000008
【図４】
2009245641.tif 000009