JP2006049128A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ポーラスプレートを活用した内部加湿型の燃料電池システムにおいて、必要な時にのみ純水循環を行うことによって、補機負荷を低減し、燃料電池システムの効率を向上させる。
【解決手段】 燃料電池出力Ｗおよび燃料電池温度Ｔ_FCを呼び込み（ステップ１１，１２）、要求水移動量Ｆを算出する（ステップ１３）。要求水移動量Ｆが最大の水移動量Ｆ_MAX以上となる条件（Ｆ≧Ｆ_MAX）においては、純水循環ポンプを駆動する（ステップ１４，１５）。一方、要求水移動量Ｆが最大の水移動量Ｆ_MAX未満となる条件においては、純水循環ポンプの駆動を停止する（ステップ１４，１６）。
【選択図】 図７

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を使用した燃料電池システムに関し、特に膜・電極接合体の両面に配置されたポーラスプレート（セパレータ）を使用する燃料電池内の水マネージメントを実施し、補機負荷低減によりシステム効率を向上した燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、固体高分子膜を挟んで設けられた一対の電極のうち一方の電極である陽極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の電極である陰極（カソード）に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。（特許文献１，２参照）。

アノード反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ・・・（１）
カソード反応：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ （１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
ここで、アノードに供給する燃料ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法または水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

こうした燃料電池システムにおいて、電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上するためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。このため通常、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。そして、電解質膜の水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給した場合には膜に不純物が蓄積し、燃料電池の性能が低下するためである。

燃料電池に導入するガスを加湿するためには、燃料電池に流れるガスの上流側に加湿器を設け、更に燃料電池の下流側に水回収装置を設けることが必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
そして、燃料電池の性能を向上させるためには、セル内の水分状態を均一に保つ必要があるが、燃料電池稼動状態においては、カソード反応によって水が生成され、酸素剤ガスが燃料電池の中を上流から下流に向かって流れるにつれ水分量が増加するため、燃料電池出口付近ではフラッディング（水詰まり）が起き易い。この結果、酸素剤ガスの供給が妨げられ、セルの性能が低下する。

そこで、特許文献２では、燃料電池内の温度分布を制御し、フラッディングを防止することが開示されている。これでは、ガスの入口から出口に向かって温度を上昇させて、発生した水を水蒸気としてガスに取り込むことで、フラッディングを防止している。
また特許文献３では、燃料電池を構成するバイポーラプレートをポーラスプレートで構成し、ポーラスプレート内に純水流路を形成し、燃料電池内に純水を循環させて燃料電池を内部加湿することが開示されている。これでは、燃料電池内で加湿が行われるため、加湿器、水回収装置が不要となり、システムが簡素な構成となっている。
特開平８−１０６９１４号公報 特表平９−５１１３５６号公報 米国特許第６，２４８，４６２号明細書

しかしながら、特許文献２においては、酸素剤ガスの温度を昇温させているため、燃料電池から排出されるガス温度が高温化する。このため、燃料電池から外部に排出される水量が増加し、燃料電池内の水バランスが成立し難い。従って、燃料電池の下流側の水回収装置が必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
また、特許文献３では、燃料電池の使用環境によらず、常に燃料電池内に純水を循環させるため、ポンプの稼働による補機負荷増加によりシステム効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ポーラスプレートを活用した内部加湿型の燃料電池システムにおいて、必要な時にのみ純水循環を行うことによって、補機負荷を低減し、燃料電池システムの効率を向上することを目的とする。

そのため本発明では、燃料電池内の温度に基づいて純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する。
また本発明では、燃料電池内のガス圧力に基づいて純水循環運転モードと純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する。

また本発明では、ポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウト状態に基づいて純水循環運転モードと純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する。

本発明によれば、純水循環運転モードと純水なし運転モードとを適切に選択するため、純水循環ポンプの稼働による補機負荷増加が適切に抑制され、燃料電池システムの効率を向上できるという効果がある。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システム１を示す図である。
本実施形態においては、燃料電池システム１の起動時における燃料電池２の状態（温度、ガス圧力、負荷など）に基づいて、純水を循環する運転モードと純水を循環しない運転モードとを最適に選択することを主とした狙いとしている。

燃料電池システム１は、燃料電池（本体）２と、これを運転するための補機類（純水循環装置、冷却水循環装置）とを含んで構成される。
燃料電池２には、この状態を検出するための温度センサ３及びセル電圧センサ４が設けられている。温度センサ３は、燃料電池２内の温度Ｔ_FCを検出する。セル電圧センサ４は、燃料電池２の発電効率を算出するためのセル電圧を検出する。

燃料電池２には、燃料としての水素（燃料ガス）を供給する燃料供給手段５から供給された燃料が通過する燃料供給流路６と、空気供給手段７から供給された空気（酸素剤ガス）が通過する空気供給流路８とを接続している。燃料供給流路６には、燃料電池２に供給される燃料の圧力（燃料電池２内のガス圧力）を検出する燃圧センサ９が設けられている。空気供給流路８には、燃料電池２内に供給される空気の圧力（燃料電池２内のガス圧力）を検出する圧力センサ１１とが設けられている。

燃料電池２に供給された燃料及び空気（反応ガス）は、燃料電池２内で発電に使用された後の反応生成物が燃料側排出流路１２及び空気側排出流路１３を介してそれぞれ排出される。
そして、燃料電池２を最適な温度に保つため、燃料電池２内には不凍液であるロングライフクーラント（以下「ＬＬＣ」と称する）を、ＬＬＣ循環流路１５を介して供給する。ＬＬＣとしては、例えば、エチレングライコールと水との混合液がある。

ＬＬＣ循環流路１５（ＬＬＣの循環系）には、冷却水循環装置を構成するラジエータ１６、バイパスバルブ１７、ＬＬＣタンク１８、ＬＬＣ循環ポンプ１９及びＬＬＣ温度センサ２０がそれぞれ配設している。バイパスバルブ１７は、ＬＬＣの温度の応じて、ラジエータ１８をバイパスする流量を調整し、燃料電池２を最適な温度に保つ。ＬＬＣ循環ポンプ１９は、その駆動（ＯＮまたはＯＦＦの制御）により、ＬＬＣタンク１８内のＬＬＣを燃料電池２内に循環可能とする。ラジエータ１６は、燃料電池２を冷却するためのＬＬＣを風により熱を奪い冷却する。

更に、燃料電池２内の水分状態を最適に保つため、燃料電池２内の膜を加湿するための純水を、純水循環流路２２を介して供給する。
純水循環流路２２（純水の循環系）には、純水循環装置を構成する純水タンク２３、純水循環ポンプ２４、流量センサ２５がそれぞれ配設している。純水タンク２３には、純水の温度を検出する温度センサ２６と、タンク２３内の純水量を算出するための水量（水位）センサ２７と、余剰の水をタンク２３から排出する排水バルブ２８とをそれぞれ配設している。純水循環ポンプ２４は、その駆動（ＯＮまたはＯＦＦの制御）により、純水タンク２３内の水を燃料電池２内に循環可能とする。排水バルブ２８は、純水タンク２３内の水量に応じた開閉をする。

なお凍結対策として、燃料電池システム１が０℃未満の状態で曝される場合には、純水を純水タンク２３内に回収する。純水タンク２３は、純水凍結時の体積膨張を許容できる構成（例えば体積膨張分の弾性変形をする構成）となっている。更に、純水タンク２３（タンク２３の外壁）内をＬＬＣが循環しており、タンク２３内の純水が凍結した場合には、ＬＬＣの熱によって氷を解凍可能になっている。

上述した燃料電池システム１の各状態を検出して制御するため、図２に示す通り、各種センサからの出力信号が制御ユニット３０に入力される。ここでは、燃料電池負荷信号（後述する燃料電池出力Ｗ）、ガス露点信号、燃料電池温度信号、ＬＬＣ温度信号、純水タンク温度信号、セル電圧および純水タンク水量信号が入力される。なお、燃料電池負荷信号は、アクセル開度等となる。

制御ユニット３０は、温度検出手段３１、ドライアウト状態検出手段３２、純水循環判断手段３３および純水循環ポンプ制御手段３４を含んで構成される。
温度検出手段３１は、燃料電池２内の温度及び純水タンク２３内の純水の温度を検出する。燃料電池２内の温度は、温度センサ３の出力信号に基づいて検出する。純水タンク２３内の純水の凍結状態は、温度センサ２６の出力信号に基づいて検出する。なお、温度検出手段の検出結果により凍結状態を検出するようにしてもよい。

ドライアウト状態検出手段３２は、燃料電池２の膜・電極接合体のドライアウト状態、すなわち膜・電極接合体の加湿状態を検出する。
純水循環判断手段３３は、温度検出手段３１およびドライアウト状態検出手段３２の検出結果に基づいて、燃料電池２内に純水を循環させるかどうかを判断する。例えば、ドライアウト状態であれば純水循環ポンプ２４に駆動信号を発して、膜・電極接合体の加湿を図る。

純水循環ポンプ制御手段３４は、純水循環判断手段３３が純水の循環が必要と判断したときに、純水循環ポンプ２４を駆動して純水を循環する。これにより燃料電池２の膜・電極接合体を加湿する。純水循環ポンプ２４の駆動は、ＯＮ若しくはＯＦＦの切り換え制御のみならず、ＯＮにしたときの純水の循環量（循環速度）を変化させるものであってもよい。

なお制御ユニット３０は、各種状態に基づいて燃料供給手段５および空気供給手段７の供給量制御、ＬＬＣ循環ポンプ１９の駆動制御や、バイパスバルブ１７および排水バルブ２８の開閉制御等の制御を行う。
ここで図３を用いて燃料電池２内のセル構成について説明する。なお図には、３つのセル４０が積層された状態を示している。

１つのセル４０（単セル）は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４１、ガス拡散層（ＧＤＬ）４２（４２ａ，４２ｂ）、アノード側プレート（セパレータ）４３、カソード側プレート（セパレータ）４４及びＬＬＣプレート４５から構成される。
ＭＥＡ４１は、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を接合してなり、一方の面がアノードで、他方の面がカソードとなるように形成している。ＧＤＬ４２は、ＭＥＡ４１の両面に形成され、アノード側に形成されるアノード側ＧＤＬ４２ａと、カソード側に形成されるカソード側ＧＤＬ４２ｂとからなる。ＧＤＬ４２は、燃料電池２の電極を構成する基幹部分であり、燃料ガスの透過性と電気伝導性が要求されるため、可撓性のカーボンペーパで構成している。

アノード側ＧＤＬ４２ａにはセパレータとしてのアノード側プレート４３が配置され、カソード側ＧＤＬ４２ｂにはセパレータとしてのカソード側プレート４４が配置されている。
アノード側プレート４３におけるＭＥＡ４１の反対側の面（図の左側）には、ＬＬＣプレート４５が配置されている一方、カソード側プレート４４におけるＭＥＡ４１の反対側の面（図の右側）には、隣接するセル４０のＬＬＣプレート４５が配置されている。

ここでは、カソード側プレート４４のみポーラスタイプ（浸透型）となっている。そして、アノード側プレート４３およびＬＬＣプレート４５は、ソリッドタイプのプレートとしている。すなわち、ポーラスタイプとなっているカソード側プレート４４からは液体（純水）を浸透させることが可能である一方、ソリッドタイプとなっているアノード側プレート４３およびＬＬＣプレート４５からは液体の浸透を防止している。

カソード側プレート４４の両面には流路が形成されており、ＭＥＡ４１側（図の左側）には空気が流れる空気流路（酸素剤ガス流路）４６が形成される一方、ＬＬＣプレート４５側（図の右側）には純水が流れる純水流路４７がそれぞれ形成されている。カソード側プレート４４の純水流路４７には純水が流れているため、カソード側プレート４４の空間部（ポーラス部）は純水で満たされている。これにより、ＭＥＡ４１の適度な加湿状態を保つと共に、ＭＥＡ４１を加湿するための加湿器および加湿用に水を回収する水回収装置が不要となり簡素な構成となる。

一方、ＭＥＡ４１を挟んで反対側に配置されたアノード側プレート４３におけるＭＥＡ４１側（図の右側）には、反応ガスとしての燃料が通流する燃料流路（燃料ガス流路）４８が形成されている。
ＬＬＣプレート４５には、これに隣接するアノード側プレート４３側（図の右側）にＬＬＣが通流するＬＬＣ流路４９が形成されている。

尚、これまではカソード側プレート４４のみポーラスタイプとしていたが、これに限定されるものではない。すなわち、アノード側プレート４３のみポーラスタイプとしてもよく、あるいはアノード側プレート４３およびカソード側プレート４４の両方をポーラスタイプとしてもよい。これによりＭＥＡ４１の加湿状態を適切に保つことを可能とする。
図４は、ポーラスタイプであるカソード側プレート４４の流路形状を示す図であり、（イ）はＭＥＡ４１面側、（ロ）はＬＬＣプレート４５面側を示している。燃料電池２には図１で説明したように、燃料ガス、空気、純水及びＬＬＣの４つの流体が流れる。よって、これらの流体を流すため、プレート内には出入口（入口４６ａ〜４９ａ及び出口４６ｂ〜４９ｂ）を全部で８つ形成した内部マニホルドとしている。

図４（イ）に示す通り、エアマニホルドは、複数の列として形成される往路（図の右側）及び復路（図の左側）から空気流路４６が構成されており、空気の流れは、入口側と出口側とが同じ面となるリターンタイプのフローパターンとなっている。空気は空気流路４６の往路を、エアマニホルド入口４６ａ側からＬＬＣマニホルド出口４９ｂ側（図の上側）に向かって流れ、復路にて折返した後に入口側（図の下側）に戻り、エアマニホルド出口４６ｂから排出される。

図３および図４（ロ）に示す通り、カソード側プレート４４のＬＬＣプレート４５側には純水流路４７が形成されており、純水マニホルド入口４７ａから供給された純水を純水マニホルド出口４７ｂに排出する。純水流路４７は、前述の空気流路４６に対して直交する方向に形成されており、空気流路４６の往路と復路とを結ぶように形成されている。
燃料電池２に導入されたドライな空気は、空気流路４６の往路の前半部分に主に加湿される。一方、空気流路４６の復路では、反応による生成水で水分過剰になった空気の凝縮が起こる。よって、凝縮水を加湿部に運ぶ形で、純水は空気流路４６の復路側から往路側に向かって流れる。

図５は、ポーラスタイプのカソード側プレート４４内の水移動を示す図であり、（イ）は空気流路４６の復路断面、（ロ）は往路断面を示す図である。
カソード側プレート４４は、ポーラスタイプであり空間が存在するため、プレート４４内を水が移動できる。水が移動するドライビングフォースは毛細管力であるため、水は余剰部分から不足部分へと自然に移動していく。空気流路４６の復路側では、凝縮によってプレート４４の表面に形成された液相の水が純水流路４７側に向かって移動する（（イ）参照）。一方、往路側では空気が加湿され、空気流路４６表面で水が気化するため、プレートが乾き、純水流路４７から表面に向かって水が移動する（（ロ）参照）。

なお、ここでは毛細管力によるドライビングフォースにより水を移動させているが、移動速度を大きくするため、空気と純水との間に圧力差を設けてもよい。このようにしてポーラスプレート内には常に充分な水が存在する結果、膜の水分が最適に保たれる。
ここで、燃料電池２内の純水流路４７に純水を循環する運転モード（純水循環運転モード）が実施できれば、確実に燃料電池２内の水分状態を最適に保つことができる一方、要求される水移動量が少ない場合においても、毛細管力による水移動だけで充分な水移動量を達成することができる。純水を循環させるためには、純水循環ポンプ２４を稼動する必要があり、その場合にはポンプ駆動エネルギを消費する。よって、純水循環が必要ない場合に、純水循環ポンプ２４を停止することによって、燃料電池システム１の効率を改善することができる。

図６は、燃料電池２の負荷（出力Ｗ）および温度に対するカソード側プレート４４内の要求水移動量Ｆを示す図である。燃料電池２の出力Ｗが高いほど、または温度が高いほど、要求される水移動量Ｆが大きくなる。なお図６には、ポーラスの物性値すなわちポア径、ポロシティおよび接触角等で決まる最大の水移動量Ｆ_MAXを点線にて示している。よって、要求水移動量ＦがＦ_MAX以上となる条件においては、水の移動速度を大きくして純水流路４７内の圧力を上昇させるために、純水循環ポンプ２４を駆動する運転を行う。

図７は、本実施形態の制御フローである。
ステップ１１（図では「Ｓ１１」と示す。以下同様）では、燃料電池２の出力（負荷）Ｗを呼び込む。燃料電池２の出力Ｗは、セル総電圧と電流値から算出する。
ステップ１２では、燃料電池２内の温度Ｔ_FCを呼び込む。燃料電池温度Ｔ_FCは温度センサ３の出力信号により算出した値を用いる。

ステップ１３では、燃料電池出力Ｗおよび燃料電池温度Ｔ_FCに基づいて、図６に示すプレート内要求水移動量算出マップから現在の要求水移動量Ｆを算出する。
ステップ１４では、燃料電池２内の温度Ｔ_FCが所定の閾値未満であるか否かを判定するため、現在の要求水移動量Ｆを最大水移動量Ｆ_MAXと比較する。最大水移動量Ｆ_MAXとしては、燃料電池２の出力Ｗまたは温度Ｔ_FCが所定値（例えば、Ｆ_MAX＝１Ｌ/min）となる値を用いる。これにより純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する。これが運転モード選択手段に相当する。

図６に示す通り、所定の閾値は、読み込んだ燃料電池２の出力（負荷）Ｗおよびプレート内最大水移動量Ｆ_MAXに応じた燃料電池２内の温度Ｔ_F0を用いる。これによりステップ１１および１２にて呼び込んだ燃料電池出力Ｗおよび燃料電池温度Ｔ_FCから算出した要求水移動量Ｆと、ステップ１１にて呼び込んだ燃料電池出力Ｗから求めた最大要求水移動量Ｆ_MAXとを比較することで燃料電池温度Ｔ_FCが所定の閾値以上（Ｔ_FC≧Ｔ_F0）であるか若しくは所定の閾値未満（Ｔ_FC＜Ｔ_F0）であるかが判断可能となる。

要求水移動量Ｆが最大水移動量Ｆ_MAX以上（Ｆ≧Ｆ_MAX）の時、すなわち燃料電池２内の温度Ｔ_FCが所定の閾値以上である場合にはステップ１５へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＮとして、純水を循環する運転モードを実施する（純水循環運転モード）。
この運転は純水循環ポンプ制御手段３４により行い、純水循環ポンプ２４を駆動して純水を循環することで燃料電池２（セル４０）のＭＥＡ４１を加湿する。純水循環ポンプ２４の駆動は、純水の循環量（循環速度）を変化させるものであってもよい。

一方、ステップ１３にて要求水移動量Ｆが最大水移動量Ｆ_MAX未満（Ｆ＜Ｆ_MAX）の時、すなわち燃料電池２内の温度Ｔ_FCが所定の閾値未満（Ｔ_FC＜Ｔ_F0）である場合にはステップ１６へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＦＦとして、純水を循環しない運転モードを実施する（純水なし運転モード）。
なお、運転モードの選択は、燃料電池２の負荷Ｗが所定の閾値未満の時に、燃料電池２内の温度Ｔ_FCに関わらず、純水循環ポンプ２４をＯＦＦにしてもよい（純水なし運転モード）。

本実施形態によれば、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置してなる膜・電極接合体（ＭＥＡ）４１およびその両面に配置されたセパレータ（アノード側プレート４３およびカソード側プレート４４）を有する単セル４０を積層して形成し、この単セル４０の各セパレータ４３，４４の少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、各セパレータの膜・電極接合体４１側の面に形成したガス流路（燃料流路４８および空気流路４６）に反応ガス（燃料ガス、酸素剤ガス）を通流させて発電を行い、ポーラスタイプとしたセパレータの膜・電極接合体４１と反対側の面に形成した純水流路４７に純水を流通させる燃料電池２と、この燃料電池２を加湿するための純水循環ポンプ２４及び純水タンク２３を含んで構成される純水循環装置と、燃料電池２内の温度Ｔ_FCを検出する温度検出手段（温度センサ３、ステップ１２）とを有する燃料電池システム１において、燃料電池出力Ｗと燃料電池２内の温度Ｔ_FCに基づいて算出した要求水移動速度Ｆに基づいて純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モード（ステップ１５）と純水を循環しない純水なし運転モード（ステップ１６）とのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段（ステップ１４）と、を備える。このため、純水循環運転モードと純水なし運転モードとを適切に選択するため、純水循環ポンプの稼働による補機負荷増加が抑制され、システム効率を向上できる。

また本実施形態によれば、運転モード選択手段は、要求水移動速度Ｆが所定の閾値未満（Ｆ＜Ｆ_MAX）の時に、純水なし運転モードを選択する（ステップ１４，１６）。このため、要求水移動速度Ｆが所定の閾値未満の時には純水循環ポンプ２４を駆動することはなく、必要な時にのみ純水循環を行うことによって、補機負荷を低減し、燃料電池システム１の効率を向上することができる。

また本実施形態によれば、燃料電池２の負荷（出力Ｗ）を検出する負荷検出手段（ステップ１１）を備え、所定の閾値は、燃料電池２の負荷に応じて変化する。このため、図６に示すように燃料電池の負荷が所定の閾値未満の時においては純水循環ポンプ２４を駆動することはなく、必要な時にのみ純水循環を行うことによって、燃料電池システムの効率を向上することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお本実施形態における構成図は図１と同じである。
本実施形態では、燃料電池２内のガス（空気または／および水素）の圧力によって、純水を循環しない運転モードと純水を循環する運転モードとを適切に選択することを狙いとしている。

ここで、前述の図５にて説明したように、カソード側プレート４４はポーラスタイプであり、この内部の空間には水が満たされているため、この水のシール機能によって、ＭＥＡ４１側の空気流路４６を流れる空気が純水流路４７に漏れないようになっている。
しかしながら、空気流路４６内の圧力が純水流路４７内の圧力より十分に大きくなると、水の毛細管圧力による水シールが機能しなくなり、空気が純水流路４７側に漏れてしまう。空気が漏れ始めると、移動する空気によってプレート４４内の水が排水され、カソード側プレート４４（特にＭＥＡ４１側）がドライアウトしてしまう。これによりＭＥＡ４１が加湿されない状態となり、発電効率が低下してしまう。

なお、純水流路４７に純水を循環している場合には、純水循環ポンプ２４の駆動を制御することで、空気流路４６内の圧力と純水流路４７内の圧力との差を小さくすることができる。
一方、純水を循環しない運転モードの場合には、純水流路４７内の圧力は大気圧となるため、空気流路４６内の圧力の上昇と共に、純水流路４７内の圧力と差圧が大きくなってしまう（空気流路４６内の圧力＞純水流路４７内の圧力）。よって、空気流路４６内の圧力が大きくなった場合には、純水を循環する運転モードを実施することが必要となる。

図８は、本実施形態における制御フローである。
ステップ２１では、空気流路４６内の圧力Ｐ（燃料電池２内のガス圧力）を呼び込む。この圧力Ｐは、空気供給流路８に設けられた圧力センサ１１の出力信号に基づいて算出した値を用いる。また、これから推定した値を用いてもよい。
ステップ２２では、空気流路４６内の圧力Ｐを限界圧力Ｐ_Cと比較する。限界圧力Ｐ_Cは、例えば１４０ｋPaとする。圧力Ｐが限界圧力Ｐ_C未満（Ｐ＜Ｐ_C）の場合には、ステップ２３へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＮとして純水を循環する運転モードを選択する。一方、圧力Ｐが限界圧力Ｐ_C以上（Ｐ≧Ｐ_C）の場合には、ステップ２４へ進む。

ステップ２４では、純水循環ポンプ２４をＯＦＦとして、純水循環なし運転モードを選択する。
なお、本実施形態では、ポーラスタイプのカソード側プレート４４のみについて説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、アノード側プレート４３をポーラスタイプのプレートとした場合には、このプレート４３の燃料流路４８に流入する燃料ガスの圧力（燃料電池２内のガス圧力）をステップ２１と同じく検出し、同様の処理を行ってもよい。この場合の燃料ガスの圧力は、燃圧センサ９の出力信号に基づいて算出した値を用いる、またはこの値から推定する。なお、燃料電池２内の燃圧を直接検出し、この値を用いるようにしてもよい。

本実施形態によれば、燃料電池２のガス圧力Ｐ（空気流路内４６内の圧力または／および燃料流路４８内の圧力）を検出するガス圧力検出手段（ステップ２１）と、燃料電池２のガス圧力Ｐに基づいて純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モード（ステップ２３）と純水を循環しない純水なし運転モード（ステップ２４）とのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段と、を備える。このため、純水循環ポンプ２４の駆動を抑制でき、システム効率を向上できる。

また本実施形態によれば、運転モード選択手段は、燃料電池２のガス圧力Ｐが所定値未満（Ｐ＜Ｐ_C）の時に純水なし運転モード（ステップ２４）を選択する。このため、より的確に純水循環ポンプ２４の駆動を抑制でき、システム効率を向上できる。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお本実施形態における構成図は図１と同じである。

本実施形態では、ポーラスタイプのカソード側プレート４４（または／およびアノード側プレート４３）のドライアウト状態を検出してドライアウトが発生するおそれのある場合にのみ純水を循環する運転を行うことを狙いとしている。
ここで、前述の第１の実施形態では、燃料電池２の出力（負圧）Ｗと温度Ｔ_FCとから水の移動量（速度）を予測して、純水循環の有無の判断を行い、プレート内要求水移動量Ｆが実際の水移動量よりも大きくなった時に純水の循環を行っている。これはカソード側プレート４４内に水が充分に満たされている場合を想定した定常的な予測である。

これに対して、本実施形態では、カソード側プレート４４内の水の充填状態を考慮した判断を行うことを特徴としている。
図４（イ）および図５（ロ）に示したように、空気流路４６の往路側では加湿が行われる。水が充分に供給されれば、カソード側プレート４４は常に水で満たされているが、実際の水移動量が要求水移動量Ｆよりも小さくなった場合には、プレート４４はＭＥＡ４１側の表面から乾き始める。この状態がしばらく続くと、プレート４４が厚さ方向に渡って純水流路４７まで乾いて、純水流路４７に空気が漏れることによりドライアウトが発生する。

一度ドライアウトが発生すると空気が空気流路４６から純水流路４７に流れこむため、再びプレート４４を水で満たすことが難しくなる。よって、ドライアウトが発生するおそれがある状態になった場合には、純水を循環してドライアウトを未然に防ぐ必要がある。
図９には、各燃料電池温度Ｔ_FCについて、燃料電池出力Ｗに対するドライアウトまでの運転時間τを示している。燃料電池２の温度Ｔ_FCが高いほど、且つ燃料電池出力Ｗが大きいほど、ドライアウトまでの時間τは短くなる。なお、この結果は、燃料電池システム１（燃料電池２）が一定条件、すなわち一定出力、一定温度で運転し続けた場合におけるものである。運転条件が変わっていく場合においても、ドライアウトの進行はリニアに積算されていくので、ドライアウトの発生は以下の式で予測できる。

この式は、各運転条件でのドライアウト時間τの逆数である１/τを積算していき、その値が１．０になった時にドライアウトが発生すると予測できることを示している。
図１０には、燃料電池温度Ｔ_FCと燃料電池出力Ｗとに対するドライアウト発生までの時間τの逆数（ここでは逆数をα（＝１/τ）とする）を示している。逆数αは、燃料電池温度Ｔ_FCが高いほど、燃料電池出力Ｗが大きいほど、大きくなる。

なお、図中には燃料電池温度Ｔ_FCおよび燃料電池出力Ｗが所定の条件の時にα＝０とすることを示している。この条件よりも燃料電池温度Ｔ_FCが低い場合あるいは燃料電池出力Ｗが小さい場合には、逆数αは負の値（α＜０）を設定しており、ポーラスプレート４４内の水分が増加し、ドライアウトが改善されていく様子を模擬している。
図１１には、純水を循環する運転モードと純水を循環しない運転モードとを選択する制御フローを示している。

ステップ３１では、カソード側プレート４４のドライフラグＦ_Dを呼び込む。
ステップ３２では、ドライフラグＦ_Dの状態を判断する。ドライフラグＦ_Dが立っている場合（Ｆ_D＝１）には、ドライアウトの懸念があると判断してステップ３３へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＮにして純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モードとする。一方、ドライフラグＦ_Dが立っていない場合（Ｆ_D＝０）には、ドライアウトの懸念がないと判断してステップ３４へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＦＦにして純水なし運転モードとする。

図１２には、ドライアウト状態検出を含む運転モード選択制御フローを示している。なお、このフローは所定時間毎（例えば１秒毎）に繰り返し行われる。
ステップ４１では、前回のドライ指標Σ１/τｄｔを呼び込む。なお、燃料電池システム１の起動後には、ドライ指標Σ１/τｄｔの初期値を０とする。
ステップ４２では、燃料電池温度Ｔ_FCおよび燃料電池出力Ｗを呼び込む。

ステップ４３では、燃料電池温度Ｔ_FCおよび燃料電池出力Ｗに基づいて、前述の図１０に示すドライアウト発生までの時間τの逆数１/τを算出するマップから現在の逆数１/τを呼び込む。
ステップ４４では、次式に示す通り、前回のドライ指標Σ１/τｄｔに今回呼び込んだ逆数１/τを付加することで現在のドライ指標Σ１/τｄｔを算出する。

Σ１/τｄｔ＝Σ１/τｄｔ＋１/τ ・・・（４）
なお現在のドライ指標Σ１/τｄｔは、次回のドライ指標Σ１/τｄｔを算出する際における前回値となる。
ステップ４５では、現在のドライ指標Σ１/τｄｔに基づいて、ドライアウトの懸念がないか判断する。尚、ドライアウト懸念の判断はヒステリシスを持たせている。ドライ指標Σ１/τｄｔが所定の判断値β１（ヒステリシスの下限値であり、例えば０．７とする）未満である（Σ１/τｄｔ＜β１）場合には、ドライアウトの懸念がないと判断して、ステップ４６へ進む。一方、ドライ指標Σ１/τｄｔが所定の判断値β１以上である（Σ１/τｄｔ≧β１）場合には、ドライアウトの懸念があると判断して、後述するステップ４８へ進む。

ステップ４６ではドライフラグＦ_Dを０にセットし、ステップ４７では純水循環ポンプ２４をＯＦＦにして純水を循環しない運転とする（純水なし運転モード）。
なお、前回のドライ指標Σ１/τｄｔにおいて、既に純水循環ポンプ２４をＯＦＦにしている場合にはこの状態を維持する。
またステップ４８では、現在のドライ指標Σ１/τｄｔが所定の判断値β２（ヒステリシスの上限値であり、例えば０．８とする）未満である（Σ１/τｄｔ＜β２）場合には、ドライアウトの懸念がないと判断してステップ４９へ進む。一方、ドライ指標Σ１/τｄｔが所定の判断値β２以上である（Σ１/τｄｔ≧β２）場合には、ドライアウトの懸念があると判断して、ステップ５０にてドライフラグＦ_Dを１にし、ステップ５１にて純水循環ポンプ２４をＯＮにして純水を循環する運転とする（純水循環運転モード）。

なお、前回のドライ指標Σ１/τｄｔにおいて、既に純水循環ポンプ２４をＯＮにしている場合にはこの状態を維持する。
ここで、純水循環ポンプ２４をＯＮにして純水を循環させると、図１０に示すドライアウト発生までの時間の逆数１/τはマイナス値（αは例えば、−０．００１）となる。このようにマイナス値を持ったαによって、次回のドライ指標Σ１/τｄｔの算出値が減少することとなる。そしてステップ４５およびステップ４８にて、ドライ指標Σ１/τｄｔに応じて純水循環ポンプ２４の駆動（ＯＮ若しくはＯＦＦ）を制御可能となる。

ステップ４９では、ドライフラグＦ_Dが０にセットされているか否かを判断する。この状態は、現在のドライ指標Σ１/τｄｔが所定範囲（β１≦Σ１/τｄｔ＜β２）内にあり、前回の処理までに純水循環ポンプ２４がＯＮ若しくはＯＦＦのいずれかを保ったままであるため、フラグが０である（Ｆ_D＝０）場合には、前述のステップ４７にて純水循環ポンプ２４のＯＦＦ状態を維持する一方、フラグが１である（Ｆ_D＝１）場合には、ステップ５１にて純水循環ポンプ２４のＯＮ状態を維持する。

なお、本制御フローでは、燃料電池システム１の起動後には初期値を０にしていたが、これに限定されるものではなく、停止した状態から起動した直後の状態（例えばＭＥＡ４１の乾燥状態）に応じてステップ４１におけるドライ指標Σ１/τｄｔに補正を加えてもよい。
本実施形態によれば、ポーラスタイプのセパレータ４４におけるドライアウト状態を判断するドライアウト状態判断手段（ステップ４５，４８）と、ドライアウト状態に基づいて純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モード（ステップ５１）と純水を循環しない純水なし運転モード（ステップ４７）とのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段と、を備える。このため、ポーラスタイプのセパレータ４４におけるドライアウト状態に応じて純水循環ポンプ２４の駆動を適切に選択することで、システム効率を向上できる。

また本実施形態によれば、運転モード選択手段は、ドライアウト状態判断手段がドライアウトであると判断した時に、純水循環運転モードを選択する。このため、ドライアウトする条件においては純水を循環させてドライアウトを防止する一方、ドライアウトしない条件においては純水を循環させないことによって、システム効率を向上できる。
また本実施形態によれば、ドライアウト状態判断手段は、燃料電池システム１が一定条件で定常運転した場合にポーラスタイプのセパレータ４４がドライアウトするまでの時間τを保有し、ドライアウトするまでの時間τから燃料電池システム１の過渡運転時におけるドライアウト状態を判断する。このため、ドライアウトの発生を精度良く予測することができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、本実施形態における構成は図１と同じである。
本実施形態では、燃料電池２のセル電圧低下に基づいてポーラスタイプのカソード側プレート４４（および／またはアノード側プレート４３）のドライアウトを検出することを特徴としている。

図１３には、燃料電池２の電流密度Ｉに対するセル電圧Ｖの関係を示している。カソード側プレート４４がドライになってくると、燃料電池２内部の加湿状態が不充分となる。このため、固体高分子膜が乾燥してくる。
高分子膜が乾燥してくるとプロトンのコンダクティビティが低下するため、膜の抵抗値が増大する。結果として、ノーマルの状態に対して、セル電圧Ｖすなわち燃料電池２の発電効率が低下する。よって、セル電圧Ｖをモニタすることによって、プレート４４のドライアウトを検出可能となる。

図１４には、ドライアウト検出の制御フローを示している。
ステップ６１では、燃料電池電流密度Ｉおよび燃料電池セル電圧Ｖを呼び込む。
ステップ６２では、ステップ６１にて呼び込んだ燃料電池電流密度Ｉに基づいて、図１３から基準となる燃料電池セル電圧Ｖ_Sを呼び込む。
ステップ６３では、燃料電池セル電圧Ｖの変化代を所定の基準値（ここでは｜Ｖ−Ｖ_S｜/Ｖが５％とする）と比較して、カソード側プレート４４のドライアウトを判断する。これが燃料電池２の発電効率を予測する効率予測手段に相当する。

｜Ｖ−Ｖ_S｜/Ｖ＜５％の時、すなわち変化代が５％未満の場合には、ドライアウトの懸念がないと判断してステップ６４に進み、ドライフラグＦ_Dを０にセットして、ステップ６５にて純水循環ポンプ２４をＯＦＦにする（純水なし運転モード）。一方、ステップ６３にて｜Ｖ−Ｖ_S｜/Ｖ≧５％の場合には、ステップ６６に進む。
ステップ６６では、燃料電池セル電圧Ｖの変化代を所定の基準値（ここでは｜Ｖ−Ｖ_S｜/Ｖが１０％とする）と比較して、カソード側プレート４４のドライアウトの懸念を判断する。｜Ｖ−Ｖ_S｜/Ｖ＜１０％の時、すなわち変化代が１０％未満の場合には、ドライアウトの懸念がないと判断してステップ６７へ進む。

一方、｜Ｖ−Ｖ_S｜/Ｖ≧１０％の時、すなわち変化代が１０％以上の場合には、ドライアウトの懸念があると判断してステップ６８へ進み、ドライフラグＦ_Dを１にセットし、ステップ６９にて純水循環ポンプ２４をＯＮにして純水を循環する運転とする（純水循環運転モード）。
なお、前回の処理において、既に純水循環ポンプ２４をＯＮにしている場合にはこの状態を維持する。

ステップ６７では、ドライフラグＦ_Dが０にセットされているか否かを判断する。これは前述のステップ４９と同様に、前回の処理までに純水循環ポンプ２４がＯＮ若しくはＯＦＦのいずれかを保ったままであるため、フラグが０である（Ｆ_D＝０）場合には、前述のステップ６５にて純水循環ポンプ２４のＯＦＦ状態を維持する一方、フラグが１である（Ｆ_D＝１）場合には、ステップ６９にて純水循環ポンプ２４のＯＮ状態を維持する。

本実施形態によれば、ドライアウト状態判断手段は、燃料電池２の発電効率を予測する効率予測手段（ステップ６３，６６）を有し、この効率予測手段の予測結果に基づいてポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウト状態を判断する。このため、ドライアウトの発生を精度良く予測することができる。
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、本実施形態における構成は図１と同じである。

本実施形態では、純水流路４７への空気のもれ量Ｆ_airからポーラスタイプのカソード側プレート４４（および／またはアノード側プレート４３）のドライアウトを検出することを特徴としている。
カソード側プレート４３はポーラスタイプであるため、純水流路４７内の純水の流量がない若しくは非常に小さい場合には、プレート４３内が水で満たされなくなり、空気が流れるパスができ、空気流路４６内を流れる空気が純水流路４７内に漏れる。よってポーラスプレート４３がドライアウトし始めると、純水循環流路２２（純水流路４７）内の水に混ざった状態で空気が流れるようになる。

図１５には、燃料電池温度Ｔ_FCに対する純水流量Ｆ_Wを示している。
純水循環ポンプ２４のヘッドを一定と考えると、燃料電池温度Ｔ_FCが低下した場合には純水の粘性が増加するため、純水系を流れる流量は低下する。これに対して、ポーラスプレート４３がドライアウトしてくると、空気流路４６内を流れる空気が純水流路４７に漏れるため、ノーマル時の運転状態と比べて純水流量Ｆ_Wが低下する。

図１６には、純水流量低下代ΔＦ_Wに対するもれ量Ｆ_airを示している。
図１６のグラフから純水温度に応じた目標の純水流量と、現状の純水流量とを比較することによって、純水流量低下代ΔＦ_Wを算出できる。更に、純水流量低下代ΔＦ_Wが大きいほど、もれ量Ｆ_airは大きくなるので、図１６の関係から量Ｆ_airを算出でき、プレートのドライアウトを判定できる。

図１７には、ドライアウト検出を含む運転モード選択制御フローを示している。
ステップ７１では、燃料電池温度Ｔ_FCを呼び込む。
ステップ７２では、図１５のグラフから燃料電池温度Ｔ_FCに対して、基準純水流量Ｆ_W0を算出する。ここでは基準純水流量Ｆ_W0を目標の純水流量（図１５の実線）とする。
ステップ７３では、純水流量Ｆ_Wを呼び込む。純水流量Ｆ_Wは、流量センサ２５の出力信号に基づいて算出した値とする。

ステップ７４では、基準純水流量Ｆ_W0と純水流量Ｆ_Wとから純水流量低下代ΔＦ_Wを算出する。
ステップ７５では、もれ量Ｆ_airを算出する。もれ量Ｆ_airは、図１６のグラフに基づいて純水流量低下代ΔＦ_Wから算出する。
ステップ７６では、もれ量Ｆ_airを所定の判断値と比較して、ドライアウトの発生を判断する。判断値を例えば、γ＝０．１Ｌ/minとし、ヒステリシスを考えて、０．９＊γと比較する。

もれ量Ｆ_airが判断値未満である（Ｆ_air＜０．９＊γ）場合には、ドライアウトは発生していないと判断し、ステップ７７にてドライアウトフラグＦ_D＝０のままとして、ステップ７８にて純水循環ポンプ２４をＯＦＦにする（純水なし運転モード）。
一方、ステップ７６にて、もれ量Ｆ_airが判断値以上である（Ｆ_air≧０．９＊γ）場合には、ドライアウトが発生していると判断し、ステップ７９へ進む。

ステップ７９では、もれ量Ｆ_airを所定の判断値γと比較して、ドライアウトの発生を判断する。このもれ量Ｆ_airの判断値は、γ＝０．１Ｌ/minとする。もれ量Ｆ_airが判断値γ未満である（Ｆ_air＜γ）場合には、ステップ８０へ進む。一方、判断値γ以上である（Ｆ_air≧γ）場合には、ステップ８１にてドライアウトフラグを１にセットして（Ｆ_D＝１）、ステップ８２にて純水循環ポンプ２４をＯＮにする（純水循環運転モード）。

またステップ８０では、ドライアウトフラグＦ_D＝０であるか否かを判定する。フラグがＦ_D＝０である場合には、ステップ７８にて純水循環ポンプ２４をＯＦＦにする。一方、フラグがＦ_D＝１である場合には、ステップ純水循環ポンプ２４をＯＮにする（純水循環運転モード）。
本実施形態によれば、ドライアウト状態判断手段は、燃料電池２の純水流路４７へのガスもれ量Ｆ_airを予測するガスもれ量予測手段（ステップ７６，７９）を有し、ガスもれ量予測手段の予測結果に基づいてポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウト状態を判断する。このため、ポーラスタイプのプレート４４のドライアウトの発生を精度良く予測することができる。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図１８には、本実施形態の構成図を示している。
本実施形態では、前述の実施形態（図１の構成）に対して、純水タンク２３内の氷を解凍するためのヒータ２９を追加して設けることで、燃料電池システム１が氷点下の状態に曝された場合において起動を行い、純水タンク２３の氷が溶けていない状態でドライアウトが発生しそうな場合には、燃料電池２で発生する電気エネルギを使って、タンク２３内の氷を解凍し、純水を循環する運転モードの移行することを特徴としている。

燃料電池システム１が氷点下の環境に曝されるとタンク２３内の純水が凍結する。タンク２３内の純水が凍結した状態で燃料電池２を起動した時には、燃料電池システム１は純水を循環しない運転モード（純水なし運転モード）になる。
ここで、燃料電池システム１の出力要求が小さい場合には、ドライアウトが起こらないため、純水循環のない運転を継続し、燃料電池２（ＬＬＣ循環流路１５）内を循環するＬＬＣの熱により純水タンク２３内の氷を解凍できる。この場合には、燃料である水素を消費することもなく、氷を解凍できるので、非常に効率的な起動となる。

一方、燃料電池システム１の出力要求が大きくなった場合には、ドライアウトが発生する懸念がある。
しかしながら、純水が解凍できていない状態では純水を循環する運転モードに移行できないため、ドライアウトを防止することができない。そこで、ドライアウトの発生が予測された場合には、燃料電池２のエネルギを使い、ヒータ２９で発熱して、純水タンク２３内の氷を解凍し、純水を循環する運転モードへ移行可能とする。

図１９には、本実施形態の制御フローを示している。
ステップ８１では、純水タンク２３内の温度Ｔ_Wを呼び込む。
ステップ８２では、凍結判断温度Ｔ₀を例えば１℃とすると純水タンク温度Ｔ_Wと凍結判断温度Ｔ₀とを比較する。純水タンク温度Ｔ_Wが凍結判断温度Ｔ₀未満である（Ｔ_W＜Ｔ₀）場合には、ステップ８３へ進む。一方、凍結判断温度Ｔ₀以上である（Ｔ_W≧Ｔ₀）場合には、純水タンク２３は凍結していないので、ステップ８６にてヒータ２９をＯＦＦとする。

ステップ８３では、ドライアウトフラグＦ_Dを呼び込む。
ステップ８４では、ドライフラグＦ_Dが１であるか否かを判定する。Ｆ_D＝０である場合には、ドライアウトが発生する可能性があると判断して、ヒータ２９をＯＮにする。一方、Ｆ_D＝０である場合には、ドライアウトは起こらないと判断して、ステップ８６にてヒータ２９をＯＦＦにする。

なお、本実施形態におけるドライアウトの判定は、前述の第３〜第５の実施形態における方法で実施できる。ただし、氷を解凍するまでの必要な時間を考えて、ドライアウト判定の基準をドライアウトが発し難いように、安全側に設定しても良い。
本実施形態によれば、純水タンク２３をヒータ２９で暖機する解凍システムを備え、ドライアウト状態判断手段は、純水タンク２３が凍結している状態でポーラスタイプのセパレータ４４におけるドライアウトが発生することを予測し、解凍システムは、ドライアウトが発生することが予測された場合に、ヒータ２９にて純水タンク２３内の氷を解凍する。このため、純水タンク２３が凍結している状態においても、ドライアウトが予想された場合には、燃料電池２の発電量を増やし、ヒータ２９の熱によって純水タンク２３内の氷の解凍を行うことができ、水分管理に必要な水が供給されずに、ポーラスタイプのプレート４４がドライアウトするのを防止できる。

燃料電池システムの構成図 制御ユニットの構成図 燃料電池のセルを示す構成図 カソード側プレートの流路形状を示す図 カソード側プレート内の水移動を示す図 プレート内要求水移動量を示す図 燃料電池システムの制御フロー 燃料電池システムの制御フロー ドライアウトまでの運転時間を示す図 ドライアウト発生までの時間の逆数を示す図 運転モードの選択制御フロー 運転モードの選択制御フロー 電流密度に対するセル電圧の関係を示す図 運転モードの選択制御フロー 燃料電池温度に対する純水流量を示す図 純水流量低下代に対するもれ量を示す図 運転モードの選択制御フロー 燃料電池システムの構成図 ヒータ制御フロー

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池（本体）、３…温度センサ、４…セル電圧センサ、５…燃料供給手段、７…空気供給手段、９…燃圧センサ、１１…圧力センサ、１５…ＬＬＣ循環流路、１６…ラジエータ、１７…バイパスバルブ、１８…ＬＬＣタンク、１９…ＬＬＣ循環ポンプ、２２…純水循環流路、２４…純水循環ポンプ、２６…温度センサ、２９…ヒータ、３０…制御ユニット、３１…温度検出手段、３２…ドライアウト状態検出手段、３３…純水循環判断手段、３４…純水ポンプ制御手段、４０…セル、４１…ＭＥＡ、４２…ＧＤＬ、４３…アノード側プレート、４４…カソード側プレート、４５…ＬＬＣプレート、４６…空気流路、４７…純水流路、４８…燃料流路、４９…ＬＬＣ流路

Claims (12)

1. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置してなる膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層して形成し、前記単セルの各セパレータの少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行い、前記ポーラスタイプとしたセパレータの前記膜・電極接合体と反対側の面に形成した純水流路に純水を流通させる燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための純水循環ポンプ及び純水タンクを含んで構成される純水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池内の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池内の温度に基づいて純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 運転モード選択手段は、前記燃料電池内の温度が所定の閾値未満の時に、純水なし運転モードを選択することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段を備え、
   前記所定の閾値は、前記燃料電池の負荷に応じて変化することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記運転モード選択手段は、燃料電池の負荷が所定の閾値未満の時に、前記燃料電池内の温度に関わらず、純水なし運転モードを選択することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置してなる膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層して形成し、前記単セルの各セパレータの少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行い、前記ポーラスタイプとしたセパレータの前記膜・電極接合体と反対側の面に形成した純水流路に純水を流通させる燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための純水循環ポンプ及び純水タンクを含んで構成される純水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池内のガス圧力を検出するガス圧力検出手段と、
   前記燃料電池のガス圧力に基づいて純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記運転モード選択手段は、前記燃料電池のガス圧力が所定値未満の時に純水流路に純水を循環しない純水なし運転モードを選択することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置してなる膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層して形成し、前記単セルの各セパレータの少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行い、前記ポーラスタイプとしたセパレータの前記膜・電極接合体と反対側の面に形成した純水流路に純水を流通させる燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための純水循環ポンプ及び純水タンクを含んで構成される純水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
   ポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウト状態を判断するドライアウト状態判断手段と、
   前記ドライアウト状態に基づいて純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記運転モード選択手段は、前記ドライアウト状態判断手段がドライアウトであると判断した時に、純水循環運転モードを選択することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記ドライアウト状態判断手段は、前記燃料電池システムが一定条件で定常運転した場合にポーラスタイプのセパレータがドライアウトするまでの時間を保有し、前記ドライアウトするまでの時間から前記燃料電池システムの過渡運転時におけるドライアウト状態を判断することを特徴とする請求項７または請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記ドライアウト状態判断手段は、燃料電池の発電効率を予測する効率予測手段を有し、前記効率予測手段の予測結果に基づいてポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウト状態を判断することを特徴とする請求項７または請求項８記載の燃料電池システム。
11. 前記ドライアウト状態判断手段は、燃料電池の純水流路へのガスもれ量を予測するガスもれ量予測手段を有し、前記ガスもれ量予測手段の予測結果に基づいてポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウト状態を判断することを特徴とする請求項７または請求項８記載の燃料電池システム。
12. 純水タンクをヒータで暖機する解凍システムを備え、
    前記ドライアウト状態判断手段は、前記純水タンクが凍結している状態でポーラスタイプのセパレータにおけるドライアウトが発生することを予測し、
    前記解凍システムは、ドライアウトが発生することが予測された場合に、前記ヒータにて純水タンク内の氷を解凍することを特徴とする請求項７または請求項８記載の燃料電池システム。

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