JP2009245826A - 燃料電池スタック及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子電解質膜のドライアップやフラッディングの防止に有効となり得る燃料電池スタック及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】本発明によれば、燃料電池スタックを構成する単位セルに設けられた検出部による検出値に基づいて、含水量推測手段によって、固体高分子電解質膜の含水量が推測される。ここで、燃料電池スタックを構成する少なくとも１の単位セルに設置された検出部は、固体高分子電解質膜の抵抗値を直接的に測定する。従って、検出部による検出値に基づいて直接的に固体高分子電解質膜の含水量の推測を行うことができる。よって、その推測を高精度かつ迅速に行い得ると。その結果、含水量が所定範囲に含まれない場合に行うべき対処を適切なタイミングで行うことができるので、固体高分子電解質膜の含水量を所定範囲内に維持させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池単位セルを含む燃料電池スタック及び燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、水素極（燃料極、アノード極）と酸素極（空気極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素や改質ガス）と空気極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。

複数の単位セルが導電性のセパレータを介して積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。この燃料電池スタックを構成する単位セルの数が多くなると、燃料ガスの流量が不均一となり易く、異常電位の発生などの不具合が生じやすい。

そこで、かかる不具合を回避するために、燃料電池スタックを構成する単位セルのうち、数〜１０枚程度の単位セルを含む積層体を１単位として構成し、１単位毎に燃料ガスを供給する構造が採用されている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−３２４５６４号公報

しかしながら、かかる構造は、１単位目の燃料ガスの出口が、２単位目の燃料ガスの入口となるので、１単位毎に燃料ガスの流通方向が互い違いとなり、燃料ガスの流路が長くなる。よって、燃料電池スタックにおいて燃料ガスを流通する流路の上流側において、水素極が乾燥し易い一方で、下流側において液体水が滞留し易く水素極が水分で飽和する虞があるという問題点があった。このような水素極の乾燥及び水分飽和は、それぞれ、固体高分子電解質膜のドライアップ及びフラッディングを引き起こし、燃料電池スタックの出力低下を引き起こす。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜のドライアップやフラッディングの防止に有効となり得る燃料電池スタック及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する水素極及び酸素極とを含む単位セルの複数を電気的に直列接続させた状態で積層させて構成されるものであって、前記燃料電池スタックを構成する複数の単位セルの少なくとも１つは、前記固体高分子電解質膜の抵抗を測定可能な検出部を有しており、前記検出部は、前記燃料極及び前記空気極が共に形成されない前記固体高分子電解質膜の触媒不在領域の片面側に当接し、周囲に対して絶縁状態とされると共に、抵抗測定装置に接続される第１の端子と、前記第１の端子の対となって前記触媒不在領域の他面側に当接し、周囲に対して絶縁状態とされると共に、前記抵抗測定装置に接続される第２の端子と、を備えている。

請求項２記載の燃料電池スタックは、請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、酸化剤ガスを前記酸素極に接触させつつ流通させる酸化剤ガス流路と、燃料ガスを前記水素極に接触させつつ流通させる第１の燃料ガス流路と、前記第１の燃料ガス流路における下縁部と前記酸化剤ガス流路の下縁部との間において、前記固体高分子電解質膜における前記触媒不在領域を延出して構成される第１の隔壁と、前記酸化剤ガス流路に対して前記酸化剤ガスを遮断可能に形成される第２の隔壁との間に形成され、前記燃料ガスの流路となる第２の燃料ガス流路と、を備え、前記第１の端子及び前記第２の端子は、前記第１の隔壁の両面に各々配設される。

請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを構成する単位セルに設けられた前記検出部による検出値に基づいて、前記固体高分子電解質膜の含水量を推測する含水量推測手段と、を備えている。

請求項４記載の燃料電池システムは、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、ナビゲーション装置から受信するナビゲーション情報に基づいて、該ナビゲーション装置により設定されたルート上において前記固体高分子電解質膜の含水量が必然的に乾燥されると予想される乾燥領域を設定する乾燥領域設定手段と、前記乾燥領域推定手段により設定された乾燥領域よりルート始点側の領域において、前記固体高分子電解質膜に水分を強制的に蓄水させる強制蓄水手段と、前記含水量推測手段により推測される前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定範囲内に設定された閾値以上である場合に、前記強制蓄水手段による強制的な蓄水を停止する強制蓄水停止手段と、を備えている。

請求項５記載の燃料電池システムは、請求項３又は４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記含水量推測手段により推測される前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定範囲の下限の閾値以下である場合に、前記酸化剤ガス供給手段により前記燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガス、又は、前記燃料ガス供給手段により前記燃料電池スタックへ供給する燃料ガスに水分を供給する加湿手段と、前記固体高分子電解質膜の含水量が不足することを示唆した前記検出部の個数に応じて、前記加湿手段により前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスへ供給する水分の量を調整する水分量調整手段と、を備えている。

請求項１記載の燃料電池スタックによれば、積層される複数の単位セルの少なくとも１つが、固体高分子電解質膜における燃料極も空気極も共に形成されない触媒不在領域の両面には、検出部の一部である、第１の端子とその第１の端子の対となる第２の端子が配設されている。これらの第１及び第２の端子は、両方共、周囲に対して絶縁状態とされており、抵抗測定装置に接続されている。

よって、かかる検出部が設けられた単位セルについては、固体高分子電解質膜の抵抗値を直接的に測定でき、この固体高分子電解質膜の含水量に関する情報を得ることができる。その結果、固体高分子電解質膜の含水量が不足又は水分飽和した状態を高精度に推測することが可能になり、それに伴い、固体高分子電解質膜のドライアップやフラッディングを有効に防止し得るという効果がある。

請求項２記載の燃料電池スタックによれば、請求項１記載の燃料電池スタックの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料ガスを水素極に接触させつつ流通させる第１の燃料ガス流路における下縁部と、酸化剤ガスを酸素極に接触させつつ流通させる酸化剤ガス流路の下縁部との間には、第２の燃料ガス流路が形成されている。

この第２の燃料ガス流路は、固体高分子電解質膜における触媒不在領域を延出して構成される第１の隔壁と、酸化剤ガス流路に対して酸化剤ガスを遮断可能に形成される第２の隔壁との間に形成される。

よって、第１の燃料ガス流路における下縁部に液体水が滞留すると、固体高分子電解質膜を構成材料とする第１の隔壁を介して、滞留する液体水と第２の燃料ガス流路を流れる燃料ガスとの間で湿度交換が生じ、第２の燃料ガス流路を流れる燃料ガスを加湿することができる。従って、燃料電池スタックにおける固体高分子電解質膜のドライアップ（特に、上流側に位置する単位セルにおけるドライアップ）を防止することができるという効果がある。

さらに、この第１の隔壁は、固体高分子電解質膜における触媒不在領域であるので、この第１の隔壁の両面に、各々、第１の端子と第２の端子とを配設することにより、固体高分子電解質膜に関する情報を得ることもできるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池スタックを含んでいるので、請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと同様の効果を奏する。

また、燃料電池スタックを構成する単位セルに設けられた検出部による検出値に基づいて、含水量推測手段によって、固体高分子電解質膜の含水量が推測される。

ここで、燃料電池スタックを構成する少なくとも１の単位セルに設置された検出部は、固体高分子電解質膜の抵抗値を直接的に測定する。従って、検出部による検出値に基づいて直接的に固体高分子電解質膜の含水量の推測を行うことができる。よって、その推測を高精度かつ迅速に行い得るという効果がある。

その結果、含水量が所定範囲に含まれない場合に行うべき対処を適切なタイミングで行うことができるので、固体高分子電解質膜の含水量を所定範囲内に維持させることができる。この所定範囲をドライアップやフラッディングの防止に有効な範囲に設定することによって、ドライアップやフラッディングの発生を有効に防止することができるので、結果として、燃料電池システムの出力低下を有効に抑制することができる。

請求項４記載の燃料電池システムによれば、請求項３記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。ナビゲーション装置から受信したナビゲーション情報に基づいて、該ナビゲーション装置により設定されたルート上において固体高分子電解質膜の含水量が必然的に乾燥されると予想される乾燥領域が、乾燥領域設定手段によって設定される。このとき、乾燥領域推定手段により設定された乾燥領域よりルート始点側の領域において、強制蓄水手段による固体高分子電解質膜への強制的な水分の蓄水が行われる。

よって、ナビゲーション情報が示す車両の走行環境（道路状況や気温など）が、固体高分子電解質膜が必然的に乾燥されて、その水分量が不足すると推測される乾燥領域に到達する前の領域において、固体高分子電解質膜に水分が強制的に蓄水されるので、乾燥領域における固体高分子電解質膜のドライアップを防ぐことができ、固体高分子電解質膜のドライアップによる出力低下によって走行に支障をきたすことを抑制することができるという効果がある。

また、含水量推測手段により推測される固体高分子電解質膜の含水量が、所定範囲内に設定された閾値以上になると、強制蓄水手段による強制的な蓄水が、強制蓄水停止手段によって停止される。よって、検出部によって固体高分子電解質膜の含水量が管理されるので、固体高分子電解質膜への強制的な蓄水による固体高分子電解質膜のフラッディングを有効に防止できる。よって、ナビゲーション装置により案内される目的地に到達するまで、固体高分子電解質膜の水分量を適切に維持することができ、安定な走行を可能にするという効果がある。

請求項５記載の燃料電池システムによれば、請求項３又は４に記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。含水量推測手段によって固体高分子電解質膜の含水量が所定範囲の下限の閾値以下である場合には、加湿手段によって、酸化剤ガス供給手段により燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガス、又は、燃料ガス供給手段により燃料電池スタックへ供給する燃料ガスに対し、水分が供給される。よって、固体高分子電解質膜を容易に湿潤することができ、ドライアップの発生を有効に防止することができるという効果がある。

また、加湿手段によって酸化剤ガス又は燃料ガスへ供給する水分の量が、水分量調整手段により、固体高分子電解質膜の含水量が不足することを示唆した検出部の個数に応じて調整される。よって、加湿のために供給する水分量の過不足が抑制され、固体高分子電解質膜の含水量を所定範囲へと有効に回復することができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の第１実施形態を示すブロック図である。

この燃料電池システム１００は、本発明の燃料電池スタックである燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図２参照）の燃料極（水素極、アノード極）１３（図２参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極（酸素極、カソード極）１２（図２参照）へ供給するための空気供給系６０と、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極１２へ霧状の液体水を供給して単位セル１０を冷却し加湿（保湿）する水供給系８０と、燃料電池スタック４０（各単位セル１０の空気極１２）から排出される排気を系外へ排出する排気系１１０と、燃料電池スタック４０を冷却する水冷式の冷却機構である水冷系１２０とを備えている。

なお、図１に示す燃料電池システム１００では、空気（供給空気、排気）の流通経路（空気供給路６３や空気排出路１１１など）を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路（水素ガス供給流路５１ａやガス排出路５１ｂなど）を次に太い実線で表している。また、水供給系８０における水の流通経路（導水路８１ａや給水路８１ｂなど）を点線で表しており、水冷系１２０を構成する経路（冷却水循環路１２１ａ、バイパス流路１２１ｂ）を一点鎖線で表している。また、燃料電池スタック４０からの電気的な出力経路を二点鎖線で表している。

燃料電池スタック４０は、単位セル１０（図２参照）の複数個を、導電性のセパレータ２０を介して厚み方向に積層し、隣接する単位セル間を電気的に直列接続した構成とされている。

水素ガス供給系５０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当し、水素源となる水素ボンベである水素貯蔵タンク５２と、その水素貯蔵タンク５２に一端側が接続され。他端側が燃料電池スタック４０のガス取入口４１に接続される水素ガス供給流路５１ａを含んで構成される。

この水素ガス供給流路５１ａには、水素貯蔵タンク５２の側から水素ガスの流通方向に向かって、水素元電磁弁（図示せず）と、一次圧センサ（図示せず）と、レギュレータ（図示せず）と、二次圧センサＳＥ１と、並列接続される水素調圧弁５３ａ及び水素起動電磁弁（図示せず）と、ガス供給弁５３ｂと、三次圧センサＳＥ２とが順に設けられている。

また、水素ガス供給系５０は、燃料電池スタック４０のガス排出口４２に一端側が接続され、燃料電池スタック４０の燃料極１３から排出されたガスを系外へ排出するためのガス排出路５１ｂを含んでいる。このガス排出路５１ｂには、ガス排出口４２の側から、排出されたガスの流通方向に向かって、逆止弁５４と、水素排気電磁弁５３ｃとが設けられている。

空気供給系６０は、給気経路である空気供給路６３と、燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側に設けられ、空気供給路６３の出口側の端部が接続される空気マニホールド６２とを含んで構成される。

空気供給路６３には、外気の取入口側から空気の流通方向に向かって、フィルタ６４と、外気温センサＳＥ３と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン６１と、外気を加温するためのヒータ６６と、空気入口温度センサＳＥ４とが順に設けられている。

かかる構成を有する空気供給系６０は、空気ファン６１の駆動によって系外から取り入れた外気を、空気供給路６３及び空気マニホールド６２を介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。なお、この空気供給系６０は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。

排気系１１０は、燃料電池スタック４０における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される排気経路として空気排出路１１１を含んで構成される。

この空気排出路１１１の経路上には、燃料電池スタック４０の側から空気（排気）の流通方向に向かって、排気温度センサＳＥ５と、凝縮器１１２と、フィルタ１１３とが順に設けられ、フィルタ１１３を通過した排気が系外へと排出される。

凝縮器１１２は、外気温との熱交換によって排気の温度を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮して液体水として分離するものである。なお、この凝縮器１１２により排気から回収された水は、後述する水供給系８０における導水路８１ａを介して水タンク８２へと移送される。

水供給系８０は、水タンク８２と、その水タンク８２に一端側が接続され、水タンク８２に貯留されている水を燃料電池スタック４０へ供給するための給水路８１ｂを含んで構成される。

水タンク８２は、燃料電池スタック４０へ冷却水及び加湿水（保湿水）となる水を供給するための水を貯留するものである。この水タンク８２には、水温センサＳＥ６と、水位センサＳＥ７とが設けられている。

給水路８１ｂには、水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、フィルタ８４と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、給水路８１ｂからの水の出口となるノズル８３とが順に設けられている。

ノズル８３の先端は、空気マニホールド６２に向けられており、給水路８１ｂを介して水タンク８２から導かれた水は、ノズル８３の先端から噴射される。ノズル８３から空気マニホールド６２へ向けて噴射された水は、空気供給系６０を流通する供給空気の流れによって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。

この霧状に噴射された水は、各単位セル１０（図２参照）の空気極１２へと流れ込み、燃料電池スタック４０に対する冷却水及び加湿水（保湿水）として作用する。即ち、本実施形態の燃料電池システム１００は、液体水を噴霧することによって、燃料電池スタック４０（空気極１２）を冷却すると共に、固体個分子電解質膜１１（図２参照）を保湿できる直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものである。

また、図１に示すように、水供給系８０は、一端側が凝縮器１１２に接続され、他端側が水タンク８２に接続されて、凝縮器１１２により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ａを含んでいる。

水冷系１２０は、燃料電池スタック４０を冷却する冷媒としての冷却水を循環させる冷却水循環路１２１ａを含んで構成される。この冷却水循環路１２１ａには、燃料電池スタック４０から下流側（冷却水の流通方向側）に向かって順に、冷却水出口温度センサＳＥ８と、冷却水を冷却するラジエータ１２２と、循環電磁弁１２４と、冷却水を燃料電池スタック４０へ圧送する循環ポンプ１２３と、ヒータ１２６と、冷却水入口温度センサＳＥ９とが設けられている。なお、図１に示すように、ラジエータ１２２には、放熱（冷却）を促進するラジエータファン１２２ａが設けられている。

また、水冷系１２０は、ラジエータ１２２の上流側にて冷却水循環路１２１ａから分岐し、循環電磁弁１２４と循環ポンプ１２３との間にて冷却水循環路１２１ａと合流するバイパス流路１２１ｂを含んでいる。このバイパス流路１２１ｂには、バイパス切替電磁弁１２５が設けられており、冷却水がバイパス流路１２１ｂを流す必要が生じた場合（例えば、冷却水入口温度センサＳＥ９による検出値が、冷却水が過剰に冷却されていることを示す場合）に、制御装置７０の制御によって開放される。

以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気ファン６１を駆動させ、系外から取り入れた外気（空気）を燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０の給水ポンプ８５を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０の各電磁弁（電磁弁５３ａ，５３ｂなど）を調整し、水素ガスを所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。

その結果、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０にて水素と酸素とによる水生成反応（電極反応）が行われ、生じた電流が負荷系９０へ流れる。かかる燃料電池システム１００の運転中は、霧状となって供給される水によって各単位セル１０が冷却及び加湿される。

上記構成を有する燃料電池システム１００には、負荷系９０が接続されており、燃料電池スタック４０から出力される電力は、この負荷系９０に供給される。燃料電池スタック４０の電極は、配線９１を介して、リレー９２，９３に接続されている。さらに、これらのリレー９２，９３には、インバータ９４を介してモータ９５に接続されている。また、インバータ９４には、出力制御装置９６を介して補助電源９７が接続されている。

また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０をさらに有している。なお、この制御装置７０の詳細な構成については、図５を参照して後述する。

詳細は後述するが、本実施形態における制御装置７０は、燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０（図２参照）に設けられた含水量センサ装置Ｒの検出値から得られる固体高分子電解質膜１１の含水状態に関する情報に基づいて、固体高分子電解質膜１１の含水量の調整を行う。

また、制御装置７０は、運転者が所望する目的地に対してナビゲーション装置２０１（図５参照）により設定されたルートにおいて、そのルート上の運転環境に応じて、固体高分子電解質膜１１の含水量の調整を行う。

次に、図２を参照して、燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０について説明する。図２は、単位セル１０を模式的に示す断面図である。図２に示すように、単位セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１５と、その膜電極接合体１５における空気極１２側に設けられた空気流路１６と、膜電極接合体１５における燃料極１３側に設けられた第１の水素ガス流路１７と、後述する第２の水素ガス流路３１と、空気流路１６及び水素ガス流路１７の外面側に配された導電性のセパレータ２０と、シール材２１とを主に含んで構成される。

膜電極接合体１５は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質１１の両面を挟持する空気極１２及び燃料極１３とから構成される積層体である。

固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。

空気極１２は、固体高分子電解質膜１１に当接する反応層（図示せず）と、その反応層における固体高分子電解質膜１１とは反対側の面に当接する拡散層（図示せず）とから構成される。

また、燃料極１３は、固体高分子電解質膜１１に当接する反応層（図示せず）と、その反応層における固体高分子電解質膜１１とは反対側の面に当接する拡散層（図示せず）とから構成される。

ここで、空気極１２における図示されない反応層は、固体高分子電解質膜１１に当接されて空気極１２における電極反応を促進するための触媒層であり、固体高分子電解質膜１１における他方の面に当接する燃料極１３の反応層と共に、酸素と水素との水生成反応を促進する。空気極１２及び燃料極１３の反応層としては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された反応層を採用することができる。

空気極１２及び燃料極１３における拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等の多孔質基材から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。

図２に示すように、本実施形態では、固体高分子電解質膜１１は、膜電極接合体１５から下方側（燃料電池スタック４０の設置時における重力方向側）に延出して、第１の隔壁１１ａとして機能するように構成されている。

より具体的には、固体高分子電解質膜１１は、膜電極接合体１５から下方側に延出し、膜電極接合体１５（燃料極１３）の下面に沿って屈折されて、下方側へ延出される。この第１の隔壁１１ａには、反応層は積層されていない。また、第１の隔壁１１ａにおける第１の水素ガス流路１７側の表面は、燃料極１３における第１の水素ガス流路１７側の表面とほぼ面一であり、かかる側面（第１の隔壁１１ａの側面）の一部は、第１の水素ガス流路１７の下縁部に表出している。

第１の水素ガス流路１７は、セパレータ２０と燃料極１３との間に形成され、水素供給系５０（図１参照）により供給された水素ガスを流通させる流路である。水素ガスは、紙面手前側から奥側（紙面垂直方向）に流通する。なお、第１の水素ガス流路１７に隣接するセパレータ２０には、第１の水素ガス流路１７における水素ガスの流れを均一化すると共に、機械的安定性を確保するために、水素ガスの流通方向に沿った複数本のリブが形成されている。なお、図２に示すように、第１の水素ガス流路１７の下方には、滞留水Ｗが滞留することがある（図３（ｂ）参照）。

空気流路１６は、セパレータ２０と空気極１２との間に形成され、空気供給系６０（図１参照）により供給された空気を流通させる流路であり、空気は紙面上側から下側方向に流通する。なお、空気流路１６に隣接するセパレータ２０には、空気流路１６における空気の流れを均一化すると共に、機械的安定性を確保するために、空気の流通方向に沿った複数本のリブが形成されている。

第２の水素ガス流路３１は、第１の隔壁１１ａの空気極１２側の側面と、空気流路１６との間を気密に隔離する第２の隔壁３３との間に形成される空隙から構成される。なお、この第２の水素ガス流路３１の上面及び下面はそれぞれシール材２９によりシールされている。なお、本実施形態では、第２の水素ガス流路３１を空隙として構成されるが、圧力損失の小さい網状体や多孔体などから第２の水素ガス流路３１を構成する構成であってもよい。

第２の水素ガス流路３１の厚さは、空気極１２の厚さと燃料極１３の厚さとの和にほぼ等しく構成されている。その結果、第２の隔壁３３における空気流路１６側の表面を、空気極１２における空気流路１６側の表面とほぼ面一にすることができ、第２の水素ガス流路３１の配設に伴う単位セル１０の厚さの増大を防ぐことができる。

この第２の水素ガス流路３１は、水素ガスの流路としてだけでなく、水素ガスを加湿する加湿室としても機能する。

具体的には、燃料極１３の下方に滞留水Ｗが滞留した場合に、固体高分子電解質膜からなる第１の隔壁１１ａは、滞留水Ｗを吸水して湿潤される。図２に示すように、第１の隔壁１１ａは、第２の水素ガス流路３１に表出するので、滞留水Ｗによって湿潤された第１の隔壁１１ａとの湿度交換により、第２の水素ガス流路３１を流通する水素ガスを加湿することができる。

詳細は後述するが、図２に示す単位セル１０から構成される燃料電池スタック４０では、水素ガスは、まず、第２の水素ガス流路３１を流通してから、第１の水素ガス流路１７を流通する。よって、水素ガスは、第２の水素ガス流路３１において加湿されてから、第１の水素ガス流路１７へと導入されるので、燃料極１３、延いては膜電極接合体１５のドライアップ防止に効果的である。

第２の隔壁３３は、例えば、セパレータ２０と同じ材質の金属板を使用することができる。なお、第２の隔壁３３を構成する材質としては、第２の水素ガス流路３１と空気流路１６との間を機密に隔離し得る材質であればよく、導電性を有さない材料であってもよい。この第２の隔壁３３は、金属板以外にも、例えば、カーボン板や、樹脂板や、セラミック板などから構成することができる。

また、本実施形態では、固体高分子電解質膜１１の一部を第１の隔壁１１ａとして構成しているので、固体高分子電解質膜１１の一部を第１の隔壁１１ａとして構成することにより、部品点数の削減することができる。

また、この第１の隔壁１１ａは、両面に空気極１２及び燃料極１３が形成されていない固体高分子電解質膜１１の露出領域でもあるので、後述する含水量センサ装置Ｒを配設することによって、固体高分子電解質膜１１の含水状態に関する情報を得ることができ、得られた情報に基づいて、固体高分子電解質膜１１を適切な含水状態（含水量）とするための制御が可能となる。

次に、図３を参照して、上記構成を有する単位セル１０から構成される燃料電池スタック４０における水素ガスの流れについて説明する。図３は、燃料電池スタック４０における水素ガスの流通経路を示す模式図である。

より詳細には、図３（ａ）は、第２の水素ガス流路３１における水素ガスの流通経路を示す模式図であり、図３（ｂ）は、第１の水素ガス流路１７における水素ガスの流通経路を示す模式図である。なお、図３（ａ）におけるＢ部及びＣ部は、図２におけるＢ部及びＣ部に対応し、図３（ｂ）におけるＡ部は、図２におけるＡ部に対応する。

上記構成を有する単位セル１０は、例えば、１０枚の単位セル１０の積層体が１組となって、１のモジュールＭを構成する。複数個のモジュールＭが積層されて燃料電池スタック４０を構成する。なお、図３では、１の燃料電池スタック４０は、１０個のモジュールＭの積層体として構成されている。

図３（ａ）に示すように、かかる燃料電池スタック４０では、乾燥した水素ガスが、水素貯蔵タンク５２から水素ガス供給流路５１ａを経てガス取入口４１から流入し、最前列のモジュールＭ１における第２の水素ガス流路３１へ導入される。その後、水素ガスは、各単位セル１０における第２の水素ガス流路３１に沿って流れる（図３（ａ）における左又は右方向の破線矢印）。

第１の貫通孔４１は、セパレータ２０に穿設された貫通孔であり、図３（ａ）における上向きの破線矢印で示すように、第２の燃料ガス流路３１を流通してきた水素ガスは、この第１の貫通孔４１を通って燃料電池スタック４０の厚さ方向へ流れる。

一方、第２の貫通孔４４もまた、セパレータ２０に穿設された貫通孔である。この第２の貫通孔４４は、図３（ｂ）における上向きの実線矢印で示すように、水素ガスを、燃料電池スタック４０の厚さ方向へと流し、各単位セル１０における第１の燃料ガス流路１７へ導入させる。

燃料電池スタック４０において最後列のモジュールＭＬでは、水素ガスを流通させる貫通孔となる第２の貫通孔４４が、第２の貫通孔４３より長く形成されており、隣接するモジュールＭの第２の貫通孔４３だけでなく、第１の貫通孔４１にも連通している。

かかる構造により、第２の燃料ガス流路３１を流通してきた水素ガスは、第１の貫通孔４１を経て第２の貫通孔４４へ流れ込み、第２の貫通孔４３を経て、各単位セル１０における第１の燃料ガス流路１７へと供給される。なお、最後列のモジュールＭＬを構成する各単位セル１０は、汎用的な単位セルであり、第２のガス流路３１を有していない。

その後の水素ガスの流れは、図３（ｂ）における右又は左方向の実線矢印が示すように、最後列のモジュールＭＬから、最前列のモジュールＭ１へと、モジュール毎に、水素ガスの向きを変えつつ第１の水素ガス流路１７を流れ、排気される。

本実施形態では、燃料電池スタック４０を構成する全ての単位セル１０のうち、一部又は全ての単位セルに、滞留水Ｗと第２の水素ガス流路３１との間で湿度交換を行う第１の隔壁１１ａの抵抗を測定する含水量センサ装置Ｒを設けている。なお、図３（ａ）では、最前列のモジュールＭ１と、５列目及び９列目のモジュールＭに、含水量センサ装置Ｒを有する単位セル１０が含まれている。

詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００では、この含水量センサ装置Ｒを用いて、第１の隔壁１１ａの抵抗値（即ち、第１の隔壁１１ａの含水量）を把握し、膜電極接合体１５のフラッディングやドライアップを防止するよう制御が行われる。

ここで、図４を参照して、含水量センサ装置Ｒについて説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、両方とも、図２におけるＩＶ部の拡大図である。ここで、図４（ａ）は、含水量センサ装置Ｒが設けられていない単位セル１０におけるＩＶ部の拡大図であり、図４（ｂ）は、含水量センサ装置Ｒが設けられている単位セル１０におけるＩＶ部の拡大図である。

図４（ｂ）に示すように、含水量センサ装置Ｒは、第１の隔壁１１ａの空気極１２側に配置する第１の検出部１５１と、第１の隔壁１１ａの燃料極１３側に配置する第２の検出部１５２と、第１及び第２の検出部１５１，１５２に接続される抵抗測定装置（図示せず）とから構成される。なお、第１の検出部１５１と第２の検出部１５２とから、本発明における検出部が構成される。

第１の検出部１５１は、第１の隔壁１１ａに当接する第１の端子としての電極１５１ａと、電極１５１ａを周囲から絶縁する絶縁部１５１ｂと、一端が電極１５１ａに接続されて他端が単位セル１０の外部に設けられている抵抗測定装置（図示せず）の端子に接続される導線１５１ｃとを含んで構成される。

第２の検出部１５２は、電極１５１ａに重なる位置にて第１の隔壁１１ａに当接する第２の端子としての電極１５２ａと、電極１５２ａを周囲から絶縁する絶縁部１５２ｂと、一端が電極１５２ａに接続されて他端が単位セル１０の外部に設けられている抵抗測定装置（図示せず）の端子に接続される導線１５２ｃとを含んで構成される。

電極１５１ａ，１５２ａは、触媒を含む固体高分子電解質により構成される。また、絶縁部１５１ａ，１５２ｂは、絶縁材料を電極１５１ａ，１５２ａの該当部分にコーティングすることによって構成される。

かかる構成を有する含水量センサ装置Ｒにより、第１の隔壁１１ａ（即ち、固体高分子電解質膜１１）の抵抗を測定することにより、固体高分子電解質膜１１の含水状態に関する情報を得ることができる。よって、得られた含水状態に関する情報に基づいて、固体高分子電解質膜１１を適切な含水状態（含水量）とするための制御を行うことができる。

例えば、含水量センサ装置Ｒによる検出値が、固体高分子電解質膜１１の含水量が少ないことを示す場合には、空気ファン６１の回転数を下げて空気極１２へ送られる空気の量を減らすことによって、膜電極接合体１５からの水分の持ち去り量を低減することができ、固体高分子電解質膜１１の含水量を増加させることができる。

あるいは、含水量センサ装置Ｒによる検出値が、固体高分子電解質膜１１の含水量が少ないことを示す場合には、循環ポンプ１２３の開度を上げ燃料電池スタック４０を冷却するための冷却水量を増やしたり、ラジエータファン１２２ａの回転数を上げて冷却水温を下げたりすることによっても、固体高分子電解質膜１１の含水量を増加させることができる。

次に、図５を参照して、本実施形態の燃料電池システム１００に搭載され、この燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０について説明する。図５は、制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。

図５に示すように、制御装置７０は、中央演算処理装置であるＣＰＵ７１と、ＣＰＵ７１により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるＲＯＭ７２と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するＲＡＭ７３と、これらのＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、及びＲＡＭ７３とバスライン７４を介して接続される入出力ポート７５とから主に構成される。

図５に示すように、入出力ポート７５には、燃料電池スタック４０内に配設されたｎ個の含水量センサ装置Ｒ（第１含水量センサ装置Ｒ１〜第ｎ含水量センサ装置Ｒｎ）と、空気供給系６０の空気ファン６１とが接続されている。

詳細は後述するが、この制御装置７０は、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）による検出値に基づいて、燃料電池システム４０を構成する単位セル１０の固体高分子電解質膜１１の含水状態（即ち、固体高分子電解質膜１１を湿潤する水分量の状態）を推測し、その推測に基づき、空気ファン６１の回転数を調整して、固体高分子電解質膜１１の含水状態を調整するように構成されている。

また、入出力ポート７５には、ナビゲーション装置２０１が接続されている。このナビゲーション装置２０１は、汎用的なプログラムに基づき指定された目的地までのルートを設定して保存する。

ナビゲーション装置２０１は、図示されない記憶装置に記憶されるナビゲーション用地図データを参照し、ルート上における道路の道路データを取得して、ナビゲーション情報として制御装置７０（ＣＰＵ７１）へ出力する。なお、この道路データには、道路の種類（高速道路、自動車専用道路、一般道路）や、道路の傾斜角度なども含まれている。

また、ナビゲーション装置２０１は、設定されたルートに基づき各ノード地点への到達時刻を予測することができ、予測により得られた予測到達時刻をナビゲーション情報として制御装置７０（ＣＰＵ７１）へ出力する。

また、ナビゲーション装置２０１は、図示されないＧＰＳ装置を有しており、図示されないＧＰＳ衛星から位置情報（例えば、緯度情報及び経度情報）を取得し、燃料電池システム１００を搭載する車両（図示せず）の現在位置を取得し、取得した現在位置をナビゲーション情報として制御装置７０（ＣＰＵ７１）へ出力する。

このナビゲーション装置２０１は、図示されない通信インターフェイスを有しており、インターネットなどの通信回線２０２を介して、外部情報提供サーバ２０３に接続することができ、この外部情報提供サーバ２０３から各種情報を取得することができる。ナビゲーション装置２０１は、外部情報提供サーバ２０３から取得した情報をナビゲーション情報として制御装置７０（ＣＰＵ７１）へ出力する。

本実施形態では、外部情報提供サーバ２０３は、気象台の発表データに基づき、ナビゲーション用地図データにおいてルートの始点と終点とを設定するノード地点における温度履歴（温度の時間変化）を保存するものとする。

なお、この制御装置７０には、図示されない配線によって、燃料電池システム１００に含まれるその他のセンサや、燃料電池システム１００に含まれるその他電磁弁や、燃料電池システム１００に含まれるその他のポンプや、負荷系９０に含まれるインバータなどにも接続されており、ＣＰＵ７１は、各センサからの検出値の入力に基づいて、制御対象（電磁弁やポンプなど）に対し、燃料電池システム１００を運転するための各種制御を行う。

次に、図６から図９を参照して、上記構成を有する燃料電池システム１００対する運転制御について説明する。図６は、制御装置７０において実行される含水量制御処理を示すフローチャートである。

含水量制御処理は、ナビゲーション装置２０１によるルート運転時に燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０における固体高分子電解質膜１１の含水量を制御する処理である。なお、この含水量制御処理を実行するプログラムは、ＲＯＭ７２に格納されている。

この含水量制御処理は、ナビゲーション装置２０１に対し目的地を設定した場合に起動し、まず、現在位置から設定された目的地までのルートを設定し（Ｓ１）、設定されたルートの中から、燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０の固体高分子電解質膜１１が必然的に乾燥されていく領域（乾燥領域）を抽出する乾燥領域抽出処理を実行する（Ｓ２）。なお、この乾燥領域抽出処理（Ｓ２）の詳細については、図７を参照して後述する。

乾燥領域抽出処理（Ｓ２）の実行後、抽出された乾燥領域に対し、強制蓄水運転モード領域を設定する（Ｓ３）。この強制蓄水モード領域は、Ｓ２により抽出された各乾燥領域の始点と、当該始点からルートの手前側（ルート始点側）に所定距離（例えば、１０ｋｍ）の地点との間の区間である。Ｓ３の処理では、Ｓ２により抽出された各乾燥領域の始点からルートの手前側に所定距離の地点をマークすることにより、そのマーク地点と乾燥領域の始点との間のルート区間を強制蓄水運転モード領域として設定する。

Ｓ３の処理後、ナビゲーション装置２０１から車両の現在位置を取得し（Ｓ４）、現在位置が強制蓄水運転モード領域であるかを確認する（Ｓ５）。Ｓ５の処理により確認した結果、強制蓄水運転モードでなければ（Ｓ５：Ｎｏ）、含水状態確認処理を実行する（Ｓ６）。

この含水状態確認処理（Ｓ６）の詳細については、図７を参照して後述するが、現状における固体高分子電解質膜１１の含水状態を確認し、固体高分子電解質膜１１を湿潤する水分量（含水量）が最適湿度範囲外であると推測される場合に、各状態に応じた運転モードとし、固体高分子電解質膜１１の含水量を最適湿度範囲に回復する処理である。

含水状態確認処理（Ｓ６）の実行後は、固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲とされているので、燃料電池スタック４０にかかる負荷（負荷系９０による負荷）に応じて燃料電池システム１００を運転する普通運転モードを実行する（Ｓ７）。

一方、Ｓ５の処理により確認した結果、強制蓄水運転モードであれば（Ｓ５：Ｙｅｓ）、固体高分子電解質膜１１への水分の蓄水を強制的に行う強制蓄水運転モード実行処理を実行する（Ｓ９）。この強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）の詳細については、図９（ａ）を参照して後述する。

Ｓ７又はＳ９の処理後、目的地に到達したかを確認する（Ｓ８）。Ｓ８の処理により確認した結果、未だ目的地に到達していなければ（Ｓ８：Ｎｏ）、Ｓ４の処理に移行し、Ｓ４〜Ｓ７，Ｓ９の処理を繰り返す。一方で、Ｓ８の処理により確認した結果、目的地に到達した場合には（Ｓ８：Ｙｅｓ）、この含水量制御処理を終了する。

図７は、上記した含水量制御処理の中で実行される乾燥領域抽出処理（Ｓ２）を示すフローチャートである。この乾燥領域抽出処理（Ｓ２）では、まず、Ｓ１により設定されたルート上における道路の道路データをナビゲーション装置２０１から取得し（Ｓ２１）、取得した道路データを参照して、ルート上に高速道路又は自動車専用道路が存在するかを確認する（Ｓ２２）。Ｓ２２の処理により確認した結果、ルート上に高速道路又は自動車専用道路が存在する場合には、当該領域を乾燥領域として抽出し（Ｓ２８）、Ｓ２７の処理へ移行する。

一方で、Ｓ２２の処理により確認した結果、ルート上に高速道路又は自動車専用道路がなければ（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、ルート上に勾配が所定角度（例えば、５°）以上の登坂道路が存在するかを確認し（Ｓ２３）、条件を満たす登坂道路が存在する場合には（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、その登坂道路が所定距離（例えば、１ｋｍ）以上連続するかを確認する（Ｓ２４）。このとき、登坂道路が所定距離以上連続していれば（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、当該領域を乾燥領域として抽出し（Ｓ２８）、Ｓ２７の処理へ移行する。

勾配が所定角度以上の登坂道路がない場合（Ｓ２３：Ｎｏ）又は勾配が所定角度以上の登坂道路であるが所定距離以上連続していない場合（Ｓ２４：Ｎｏ）には、ナビゲーション装置７０により予測されたルート上における各ノード地点への予測到達時刻と、ナビゲーション装置７０を介して外部情報提供サーバ２０３から読み出した各ノード地点における温度履歴とに基づき、予測到達時刻における各ノード地点の外気温を、例えば、外挿法により予測し、その予測される外気温度が所定温度（例えば、３５℃）以上である地点が存在するかを確認する（Ｓ２５）。

Ｓ２５の処理により確認した結果、予測される外気温度が所定温度以上である地点が存在する場合には（Ｓ２５：Ｙｅｓ）、当該地点が所定距離（例えば。１ｋｍ）以上連続するかを確認し（Ｓ２６）、連続していれば（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、当該領域を乾燥領域として抽出すし（Ｓ２８）、Ｓ２７の処理へ移行する。

一方、予測される外気温度が所定温度以上である地点が存在しない場合（Ｓ２５：Ｎｏ）又は予測される外気温度が所定温度以上である地点が所定距離以上連続していない場合（Ｓ２６：Ｎｏ）には、Ｓ２７の処理へ移行する。

Ｓ２７の処理では、ルート上における全てのノード地点に対して処理が行われたかを確認する（Ｓ２７）。ここで、ルート上における全てのノード地点に対して処理が行われていなければ（Ｓ２７：Ｎｏ）、Ｓ３２の処理へ移行する。一方で、ルート上における全てのノード地点に対して処理が行われている場合には（Ｓ２７：Ｙｅｓ）、この乾燥領域抽出処理（Ｓ２）を終了する。

図８は、図６の含水量制御処理の中で実行される含水状態確認処理（Ｓ６）を示すフローチャートである。この含水状態確認処理（Ｓ６）では、まず、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）による検出値（抵抗値）の平均値を取得し（Ｓ６１）、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量（湿潤する水分量）が最適湿度範囲の下限である第１閾値以下を示す値であるかを確認する（Ｓ６２）。

Ｓ６２の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第１閾値以下を示す値であれば（Ｓ６２：Ｙｅｓ）、固体高分子電解質膜１１を湿潤する水分量に不足が生じると推測されるので、固体高分子電解質膜１１への水分の蓄水を強制的に行う強制蓄水運転モード実行処理を実行し（Ｓ９）、この含水状態確認処理（Ｓ６）を終了する。なお、この強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）は、上記した含水量制御処理の中で実行される強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）と同一の処理であり、その詳細については、図９（ａ）を参照して後述する。

Ｓ６２の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第１閾値以下を示す値でなければ（Ｓ６２：Ｎｏ）、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲の上限である第２閾値以上を示す値であるかを確認する（Ｓ６３）。なお、第２閾値は、第１閾値より高く設定される閾値である。

Ｓ６３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第２閾値以上を示す値であれば（Ｓ６３：Ｙｅｓ）、固体高分子電解質膜１１を湿潤する水分量が過剰になると推測されるので、強制的に固体高分子電解質膜１１の乾燥を行う強制乾燥運転モード実行処理を実行し（Ｓ６４）、含水状態確認処理（Ｓ６）を終了する。なお、この強制乾燥運転モード実行処理（Ｓ９）の詳細については、図９（ｂ）を参照して後述する。

一方で、Ｓ６３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第２閾値以上を示す値でなければ（Ｓ６３：Ｎｏ）、固体高分子電解質膜１１の含水量は最適湿度範囲内であると推測されるので、この含水状態確認処理（Ｓ６）を終了する。

図９（ａ）は、含水量制御処理（図６参照）又は含水状態確認処理（Ｓ６）の中で実行される強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を示すフローチャートである。この強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）では、固体高分子電解質膜１１への水分の蓄水を強制的に行う。

具体的には、図９（ａ）に示すように、まず、空気ファン６１の回転数を下げる（Ｓ９１）。空気ファン６１の回転数を下げることにより、空気極１２へ送られる空気の量が減るので、膜電極接合体１５からの水分の持ち去り量が低減される。その結果、固体高分子電解質膜１１に水分を蓄水（即ち、含水量を増加）させることができる。

Ｓ９１の処理後、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）による検出値の平均値を取得し（Ｓ９２）、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第３閾値以上であるかを確認する（Ｓ９３）。なお、第３閾値は、上記した第１閾値より高く設定される閾値であると共に、第２閾値と同じ又はそれ以下に設定される閾値である。

Ｓ９３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第３閾値以上を示す値でなければ（Ｓ９３：Ｎｏ）、Ｓ９２の処理へ移行する。一方で、Ｓ９３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第３閾値以上を示す値であれば（Ｓ９３：Ｙｅｓ）、強制蓄水運転モードを解除し、空気ファン６１の回転数を負荷に応じた値に戻し（Ｓ９４）、この強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を終了する。

よって、この強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を実行することにより、固体高分子電解質膜１１の含水量を、最適湿度範囲の下限である第１閾値以上、かつ、第３閾値以下の範囲に調整することができる。

図９（ｂ）は、図６の含水量制御処理の中で実行される強制乾燥運転モード実行処理（Ｓ６４）を示すフローチャートである。この強制乾燥運転モード実行処理（Ｓ６４）では、固体高分子電解質膜１１の乾燥を強制的に行う。

具体的には、図９（ｂ）に示すように、まず、空気ファン６１の回転数を上げる（Ｓ６４１）。空気ファン６１の回転数を上げることにより、空気極１２へ送られる空気の量が増えるので、膜電極接合体１５からの水分の持ち去り量が増加される。その結果、固体高分子電解質膜１１の乾燥（即ち、含水量の低下）を促すことができる。

Ｓ６４１の処理後、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）による検出値の平均値を取得し（Ｓ６４２）、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第４閾値以下であるかを確認する（Ｓ６４３）。なお、第４閾値は、上記した第２閾値より低く設定される閾値であると共に、第１閾値と同じ又はそれ以上に設定される閾値である。

Ｓ６４３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第４閾値以下を示す値でなければ（Ｓ６４３：Ｎｏ）、Ｓ６４２の処理へ移行する。一方で、Ｓ６４３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第４閾値以下を示す値であれば（Ｓ６４３：Ｙｅｓ）、強制乾燥運転モードを解除し、空気ファン６１の回転数を負荷に応じた値に戻し（Ｓ６４４）、この強制乾燥運転モード実行処理（Ｓ６４）を終了する。

よって、この強制乾燥運転モード実行処理（Ｓ６４）を実行することにより、固体高分子電解質膜１１の含水量を、第４閾値以上、かつ、最適湿度範囲の下限である第２閾値以下の範囲に調整することができる。

以上説明したように、上記した第１実施形態によれば、燃料電池スタック４０を構成する複数の単位セル１０のうち、一部又は全ての単位セル１０に含水量センサ装置Ｒを配設するので、燃料電池スタック４０内における固体高分子電解質膜の含水量に関する情報を抵抗値として直接的に得ることができる。従って、燃料電池スタック４０内において固体高分子電解質膜１１の含水量が不足又は水分飽和した状態を高精度かつ迅速に推測することが可能になる。

よって、含水量が所定範囲に含まれない場合に行うべき対処を適切なタイミングで行うことができるので、固体高分子電解質膜１１の含水量を最適湿度範囲内に維持させることができる。その結果、ドライアップやフラッディングの発生を有効に防止することができ、燃料電池システムの出力低下を有効に抑制することができる。

なお、燃料電池スタック４０内に設ける含水量センサ装置Ｒの数は、特に限定されないが、その数は多ければ多い程、燃料電池スタック４０内における固体高分子電解質膜の含水量に関する情報を増やすことができるので、含水量制御をより正確に行うことができるので好ましい。

また、上記した第１実施形態によれば、加湿室として機能する第２の水素ガス流路３１と、第１の水素ガス流路１７との隔壁である第１の隔壁１１ａに含水量センサ装置Ｒの電極１５１，１５２を配設するので、第２の水素ガス流路３１における水素の加湿状態を把握することができる。よって、含水量センサ装置Ｒが示す検出値（抵抗値）に基づき、第２の水素ガス流路３１を流通する水素の加湿を制御することができ、燃料電池スタック４０内における固体高分子電解質膜の含水量を好適に維持させることが可能になる。

特に、加湿室として機能する第２の水素ガス流路３１と、第１の水素ガス流路１７との隔壁である第１の隔壁１１ａに、含水量センサ装置Ｒの電極１５１，１５２が配設されるので、第２の水素ガス流路３１における水素の加湿状態を把握することができる。よって、含水量センサ装置Ｒが示す検出値（抵抗値）に基づき、第２の水素ガス流路３１を流通する水素の加湿を制御することができ、燃料電池スタック４０内における固体高分子電解質膜の含水量を好適に維持させることが可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システム１００において、含水量制御処理（図６参照）が制御装置７０によって実行されることによって、ナビゲーション装置２０１から受信したナビゲーション情報（道路データや予測到着時刻や現在位置など）に基づいて設定された乾燥領域よりルート始点側の領域（強制蓄水運転モード領域）において、固体高分子電解質膜１１への強制的な水分の蓄水が行われる。

よって、ナビゲーション情報が示す車両の走行環境（道路状況など）が、固体高分子電解質膜が必然的に乾燥されて、その水分量が不足すると推測される乾燥領域に到達する前に、固体高分子電解質膜１１に水分が強制的に蓄水されるので、乾燥領域における固体高分子電解質膜のドライアップを防ぐことができ、固体高分子電解質膜のドライアップによる出力低下によって走行に支障をきたすことを抑制することができる。

一方で、含水量制御処理の一部である強制蓄水運転モード実行処理（図９（ａ）参照）によれば、固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲内に設定された閾値（第３閾値）以上になると、固体高分子電解質膜１１への強制的な蓄水が停止されるように構成されている。

即ち、強制蓄水運転モードであっても、含水量センサ装置Ｒにより固体高分子電解質膜の含水量が管理されるので、強制的な蓄水による固体高分子電解質膜１１のフラッディングを有効に防止できる。よって、ナビゲーション装置により案内される目的地に到達するまで、固体高分子電解質膜の水分量を適切に維持することができ、安定な走行を可能にする。

また、普通運転モードであっても、含水量センサ装置Ｒが固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲に含まれない場合、即ち、含水量が最適湿度範囲より多い、又は、含水量が最適湿度範囲より少ない場合には、空気ファン６１の回転数を調整することによって含水量の回復が図られる。よって、固体高分子電解質膜１１の含水量に影響する空気の流れによる水分の持ち去り量を調整することにより、固体高分子電解質膜１１の含水量を最適湿度範囲へと有効に回復することができる。

次に、図１０〜図１３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。上記した第１実施形態は、固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲の下限である第１閾値以下である場合に、空気ファン６１の回転数を上げることにより、含水量の回復を図る構成であったのに対し、この第２実施形態は、固体高分子電解質膜１１の含水量が第１閾値以下である場合に、液体水を用いて加湿した水素ガスを燃料電池スタック４０へ供給し、第２の水素ガス流路を直接的に加湿する。なお、上記した第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、第２実施形態の要部構成を模式的に示すブロック図である。図１０に示すように、第２実施形態の燃料電池システム１００では、水供給系８０の水タンク８２は、同水路８１ａ及び給水路８１ｂに加えて、水素ガス供給流路５１ａに合流し、水素ガス供給流路５１ａを流通する水素ガスを液体水によって加湿する加湿流路８１ｃを有している。

この加湿流路８１ｃには、水タンク８２から液体水の流通方向に向かって順に、水タンク８１の液体水を圧送する加湿ポンプ８９と、液体水の逆流を防止するための逆止弁１８１とが設けられている。一方で、第２実施形態における水素ガス供給流路５１ａには、加湿流路８１ｃとの合流地点の上流側に液体水の流入を防止するための逆止弁５５が設けられている。

この第２実施形態の燃料電池システム１００では、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）が１つでも、固体高分子電解質膜１１の含水量の不足を示した場合に、加湿ポンプ８９を作動させ、水素ガスを加湿する。加湿された水素ガスは、図１０に示すように、第２の水素ガス流路３１をハッチングの入った矢印方向に流れ、燃料電池スタック４０内における固体高分子電解質膜１１を湿潤する。

図１１は、第２実施形態の燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。図１１に示すように、この第２実施形態では、制御装置７０の入出力ポート７５に、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）や空気ファン６１などに加えて、加湿ポンプ８９が接続されている。

上記構成を有する第２実施形態の燃料電池システム１００で実行される含水量制御処理、即ち、ナビゲーション装置２０１によるルート運転時に燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０における固体高分子電解質膜１１の含水量を制御する処理は、含水状態確認処理（Ｓ６）と、強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）の内容が相違する以外は、第１実施形態の含水量制御処理（図６参照）と同じ処理が行われる。

図１２（ａ）は、第２実施形態における含水状態確認処理（Ｓ６）を示すフローチャートである。図１２（ａ）に示すように、第２実施形態における含水状態確認処理（Ｓ６）では、まず、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）があるか、即ち、固体高分子電解質膜１１の含水量が低いことを示す含水量センサ装置Ｒがあるかを確認する（Ｓ１６１）。

Ｓ１６１の処理により確認した結果、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）があれば（Ｓ１６１：Ｙｅｓ）、図１２（ｂ）を参照して後述する第２実施形態の強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を実行し、この含水状態確認処理（Ｓ６）を終了する。

一方で、Ｓ１６１の処理により確認した結果、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）がなければ（Ｓ１６１：Ｎｏ）、含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）による検出値の平均値を取得し（Ｓ６１）、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第２閾値以上を示す値であるかを確認し（Ｓ６３）、第２閾値以上を示す値であれば（Ｓ６３：Ｙｅｓ）、強制乾燥運転モード実行処理を実行し（Ｓ６４）、この含水状態確認処理（Ｓ６）を終了する。また、Ｓ６３の処理により確認した結果、取得した平均値が固体高分子電解質膜１１の含水量が第２閾値以上を示す値でなければ（Ｓ６３：Ｎｏ）、この含水状態確認処理（Ｓ６）を終了する。

図１２（ｂ）は、第２実施形態における強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を示すフローチャートである。図１２（ｂ）に示すように、第２実施形態における強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）では、まず、加湿ポンプ８９の流量を決定する（Ｓ１９１）。本実施形態では、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）の数に応じて加湿ポンプ８９の流量を決定する。

ここで、図１３を参照して、加湿ポンプ８９の流量の決定方法について説明する。図１３は、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎ）の数と、加湿ポンプ８９の流量との関係を示すマップの
内容を示す模式図である。図１３に示すマップにおいて、横軸は、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒの数（即ち、０個からｎ個）を示す軸である。一方、縦軸は、加湿ポンプ８９の流量を示す軸である。

縦軸における「ｍａｘ」は、全ての含水量センサ装置Ｒ（即ち、含水量センサ装置Ｒ１〜Ｒｎの全て）が閾値以上の抵抗を示した場合に設定される最大のポンプ流量である。この最大ポンプ流量は、水素ガス供給系５０が燃料電池スタック４０へ供給する水素の流量と、燃料電池スタック４０の温度とから、ＲＯＭ７２に格納される図示されないマップを用いて、フラッディングが生じない程度の値として取得される。

図１３に示すように、最大ポンプ流量（ｍａｘ）が決定されると、（０，０）と（ｎ，ｍａｘ）とを結ぶ直線によってマップが構成される。閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒの数が決まると、かかるマップから、加湿ポンプ８９の流量が決定する。

再度、図１２（ｂ）に戻って説明する。Ｓ１９１の処理により加湿ポンプ８９の流量が決定されると、決定された流量に基づいて、加湿ポンプ８９の圧力が調整される（Ｓ１９２）。

Ｓ１９２の処理後、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒがあるかを確認し（Ｓ１９３）、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒが１つでもあれば（Ｓ１９３：Ｙｅｓ）、Ｓ１９１の処理へ移行し、Ｓ１９１〜Ｓ１９３を繰り返す。

一方、Ｓ１９３の処理により確認した結果、閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置Ｒが全くなければ（Ｓ１９３：Ｎｏ）、加湿ポンプ８９の流量をゼロとして、強制蓄水運転モードを解除する（Ｓ１９４）。そして、この強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を終了する。

以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック４０内に設置される含水量センサ装置Ｒが１つでも固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲を下回ることを示すと、加湿ポンプ８９を作動させて、燃料電池スタック４０へ供給する水素ガスを、水タンク８２に貯留される液体水によって加湿する。よって、加湿された水素ガスを、燃料電池スタック４０内の第２の水素ガス流路３１（そして、その後の第１の水素ガス流路１７）を流通させることによって固体高分子電解質膜１１を容易に湿潤することができ、固体高分子電解質膜１１のドライアップの発生を有効に防止することができる。

ここで、第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素ガスへ供給する水分の量が、固体高分子電解質膜１１の含水量が低いことを示す含水量センサ装置Ｒの個数に応じて調整される。よって、加湿のために供給する水分量の過不足が抑制され、固体高分子電解質膜１１の含水量を最適湿度範囲へと有効に回復することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記各実施形態では、ルート上から抽出された乾燥領域に対し、強制蓄水運転モード領域を設定して、強制蓄水運転モード実行処理（Ｓ９）を行う構成としたが、これに加え、ルート上から乾燥すべき領域を抽出し、かかる乾燥すべき領域が抽出された場合に、その領域に対して強制乾燥運転モード領域を設定し、強制乾燥運転モード実行処理（Ｓ６４）を行う構成としてもよい。

なお、強制乾燥運転モード領域は、強制乾燥運転モード領域の設定と同様に、抽出された乾燥すべき領域の始点と、その始点からルートの手前側（ルート始点側）に所定距離（例えば、１０ｋｍ）の地点との間の区間とすることができる。

また、乾燥すべき領域としては、目的地の予測温度が氷点以下になる領域が例示される。なお、目的地の予測温度は、ナビゲーション装置７０により予測されたルート上における各ノード地点への予測到達時刻と、ナビゲーション装置７０を介して外部情報提供サーバ２０３から読み出した各ノード地点における温度履歴とに基づき、予測到達時刻における各ノード地点の温度を、例えば、外挿法により予測することができる。

また、上記第１実施形態では、含水量センサ装置Ｒが固体高分子電解質膜１１の含水量が最適湿度範囲に含まれない場合に、空気ファン６１の回転数を調整することによって含水量の回復を図る構成としたが、燃料電池スタック４０の温度の調整によって含水量の回復を図る構成としてもよい。

燃料電池スタック４０の温度を調整することにより、固体高分子電解質膜１１の含水量に影響する水分の蒸発量を調整することができ、固体高分子電解質膜１１の含水量を正常範囲内へと有効に回復することができる。より具体的には、燃料電池スタック４０の温度を下げることにより、水分の蒸発量を低減することができ、固体高分子電解質膜１１の含水量を上げることができる。一方で、燃料電池スタック４０の温度を上げることにより、水分の蒸発量を増やすことができ、固体高分子電解質膜１１の含水量を下げることができる。

なお、燃料電池スタック４０の温度調整は、ラジエータファン１２２ａの回転数の調整により行うことができる。即ち、ラジエータファン１２２ａをオンする（又は回転数を上げる）ことにより、冷却水温を下げることができるので、燃料電池スタック４０の温度を下げることができる。一方、ラジエータファン１２２ａをオフする（又は回転数を下げる）ことにより、冷却水温を上げることができるので、燃料電池スタック４０の温度を上げることができる。

あるいは、バイパス切替電磁弁１２５の開閉により燃料電池スタック４０の温度調整を行う構成としてもよい。冷却水をバイパス流路１２１ｂを流れるようにすることによって燃料電池スタック４０の温度を上げることができる。

また、上記実施形態では、常圧の空気を燃料電池スタック４０へ供給する燃料電池システムとして構成したが、本発明は、加圧空気を燃料電池スタックへ供給する燃料電池システムにおいても適用できる。この場合には、固体高分子電解質膜１１の含水量の調整は、燃料電池スタック４０の温度調整によって行われる。

また、上記第２実施形態では、水素ガスを加湿する液体水の供給源として水供給系８９０の水タンク８２を流用する構成としたが、水素ガスを加湿する液体水の供給源として専用の水タンクを設ける構成としてもよい。

また、上記第２実施形態は、燃料電池スタック４０へ供給する水素ガスを加湿する構成としたが、空気供給系６０により燃料電池スタック４０へ供給する空気を加湿する構成であってもよい。

また、上記各実施形態では、第２の水素ガス流路３１を有する単位セル１０に含水量センサ装置Ｒを設けたが、汎用的な単位セルにおける固体高分子電解質膜の触媒不在領域に含水量センサ装置Ｒを設ける構成としてもよい。

なお、本発明における含水量推測手段としては、Ｓ６２，Ｓ６３，Ｓ９３，Ｓ６４３，Ｓ１６１，Ｓ１９３の処理が該当する。また、本発明における乾燥領域設定手段としては、Ｓ２の処理が該当する。また、本発明における強制蓄水手段としては、Ｓ９１，Ｓ１９１の処理が該当する。また、本発明における強制蓄水停止手段としては、Ｓ９４，Ｓ１９４の処理が該当する。また、本発明における加湿手段としては、Ｓ１９２の処理が該当する。また、本発明における水分量調整手段としては、Ｓ１９１の処理が該当する。

本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を示すブロック図である。 単位セルを模式的に示す断面図である。 （ａ）は、第２の水素ガス流路における水素ガスの流通経路を示す模式図であり、（ｂ）は、第１の水素ガス流路における水素ガスの流通経路を示す模式図である。 （ａ）は、含水量センサ装置が設けられていない単位セルにおけるＩＶ部1（図２）の拡大図であり、（ｂ）は、含水量センサ装置が設けられている単位セルにおけるＩＶ部（図２）の拡大図である。 制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 制御装置において実行される含水量制御処理を示すフローチャートである。 図６の含水量制御処理の中で実行される乾燥領域抽出処理を示すフローチャートである。 図６の含水量制御処理の中で実行される含水状態確認処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、図６の含水量制御処理又は図８の含水状態確認処理の中で実行される強制蓄水運転モード実行処理を示すフローチャートであり、（ｂ）は、図６の含水量制御処理の中で実行される強制乾燥運転モード実行処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の要部構成を模式的に示すブロック図である。 第２実施形態の制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。 （ａ）は、第２実施形態の含水状態確認処理を示すフローチャートであり、（ｂ）は、第２実施形態の強制蓄水運転モード実行処理を示すフローチャートである。 閾値以上の抵抗を示す含水量センサ装置の数と、加湿ポンプの流量との関係を示すマップの内容を示す模式図である。

符号の説明

１０ 単位セル
１１ 固体高分子電解質膜
１１ａ 第１の隔壁（触媒不在領域）
１２ 空気極（酸素極）
１３ 燃料極（水素極）
１６ 空気流路（酸化剤ガス流路）
１７ 第１の水素ガス流路（第１の水素ガス流路）
３１ 第２の水素ガス流路（第２の水素ガス流路）
３３ 第２の隔壁
４０ 燃料電池スタック
５０ 水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０ 空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
１００ 燃料電池システム
１５１ 第１の検出部（検出部の一部）
１５１ａ 電極（第１の端子）
１５２ 第２の検出部（検出部の一部）
１５２ａ 電極（第２の端子）
１５２ 電極（検出部の一部，第２の端子）
２０１ ナビゲーション装置

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する水素極及び酸素極とを含む単位セルの複数を電気的に直列接続させた状態で積層させて構成される燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックを構成する複数の単位セルの少なくとも１つは、前記固体高分子電解質膜の抵抗を測定可能な検出部を有しており、
   前記検出部は、前記燃料極及び前記空気極が共に形成されない前記固体高分子電解質膜の触媒不在領域の片面側に当接し、周囲に対して絶縁状態とされると共に、抵抗測定装置に接続される第１の端子と、
   前記第１の端子の対となって前記触媒不在領域の他面側に当接し、周囲に対して絶縁状態とされると共に、前記抵抗測定装置に接続される第２の端子と、を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 酸化剤ガスを前記酸素極に接触させつつ流通させる酸化剤ガス流路と、
   燃料ガスを前記水素極に接触させつつ流通させる第１の燃料ガス流路と、
   前記第１の燃料ガス流路における下縁部と前記酸化剤ガス流路の下縁部との間において、前記固体高分子電解質膜における前記触媒不在領域を延出して構成される第１の隔壁と、前記酸化剤ガス流路に対して前記酸化剤ガスを遮断可能に形成される第２の隔壁との間に形成され、前記燃料ガスの流路となる第２の燃料ガス流路と、を備え、
   前記第１の端子及び前記第２の端子は、前記第１の隔壁の両面に各々配設されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを構成する単位セルに設けられた前記検出部による検出値に基づいて、前記固体高分子電解質膜の含水量を推測する含水量推測手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
4. ナビゲーション装置から受信するナビゲーション情報に基づいて、該ナビゲーション装置により設定されたルート上において前記固体高分子電解質膜の含水量が必然的に乾燥されると予想される乾燥領域を設定する乾燥領域設定手段と、
   前記乾燥領域推定手段により設定された乾燥領域よりルート始点側の領域において、前記固体高分子電解質膜に水分を強制的に蓄水させる強制蓄水手段と、
   前記含水量推測手段により推測される前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定範囲内に設定された閾値以上である場合に、前記強制蓄水手段による強制的な蓄水を停止する強制蓄水停止手段と、を備えてい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. 前記燃料電池スタックへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記含水量推測手段により推測される前記固体高分子電解質膜の含水量が前記所定範囲の下限の閾値以下である場合に、前記酸化剤ガス供給手段により前記燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガス、又は、前記燃料ガス供給手段により前記燃料電池スタックへ供給する燃料ガスに水分を供給する加湿手段と、
   前記固体高分子電解質膜の含水量が不足することを示唆した前記検出部の個数に応じて、前記加湿手段により前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスへ供給する水分の量を調整する水分量調整手段と、を備えていることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
   
   
   
   

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