JP2017117543A - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】多量の陽イオン不純物を外部に排出すること。
【解決手段】電解質膜１１とカソード触媒層１２とを有する膜電極接合体１０と、前記膜電極接合体の両側の側面に配置されたカソード及びアノード側撥水層１４、１５と、前記撥水層の前記膜電極接合体とは反対側の面側に配置され、前記触媒層に供給される空気を流通するカソードガス流路２０と前記ガス流路に接続した空気排出マニホールド３１とを有するカソード側セパレータ１８と、を備え、前記ガス流路は、燃料電池が車両に搭載される状態での重力方向で最も下側に位置する最下流路に、前記マニホールドへの液水の排水を抑制する排水抑制部３８と前記排水抑制部よりも上流側で前記排水抑制部によって液水が溜まる貯水部２２とを有し、前記撥水層には、前記撥水層を貫通し、前記触媒層と前記貯水部との間で液水の接続を可能とする液水接続部２４が設けられている燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関する。
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒電極層が配置された膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行し、水が生成されることから、燃料電池内には水が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に混入したり、電解質膜及び触媒電極層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に溶出したりする。これにより、発電性能の低下が生じてしまう。そこで、燃料電池を高負荷で運転する、又は燃料電池から取り出す電流の向きを逆転させる、又は燃料電池内部を洗浄液で洗浄することで、陽イオン不純物を低減させて発電性能を回復させることが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−８５０３７号公報
しかしながら、燃料電池から取り出す電流の向きを逆転させることや、燃料電池内部を洗浄液で洗浄することは、燃料電池が燃料電池自動車などに搭載された状態で実施することが難しい。また、燃料電池を高負荷で運転して発電性能を回復させる方法は、燃料電池を高負荷で運転することで大量の生成水を発生させ、生成水と共に陽イオン不純物を外部に排出することで、発電性能の回復を図っている。ところで、膜電極接合体内の水分量を適正に保つために、膜電極接合体の側面に撥水層が設けられる場合がある。この場合、燃料電池を高負荷で運転して大量の生成水を発生させても、膜電極接合体内の生成水は撥水層に遮断されるため、液水の状態では排水され難く、生成水の一部が排水されたとしても生成水と共に排出される陽イオン不純物の量は少ない。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、多量の陽イオン不純物を外部に排出することが可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池であって、電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側の側面に配置された撥水層と、前記撥水層の前記膜電極接合体とは反対側の面側に配置され、前記電極触媒層に供給されるガスを流通するガス流路と前記ガス流路に接続した排出マニホールドとを有するセパレータと、を備え、前記ガス流路は、前記燃料電池が車両に搭載される状態での重力方向で最も下側に位置する最下流路に、前記排出マニホールドへの液水の排水を抑制する排水抑制部と、前記排水抑制部よりも上流側で前記排水抑制部によって液水が溜まる貯水部と、を有し、前記撥水層には、前記電極触媒層側から前記セパレータ側に前記撥水層を貫通し、前記電極触媒層と前記貯水部との間で液水の接続を可能とする液水接続部が設けられていることを特徴とする燃料電池である。
上記構成において、前記ガス流路のうちの前記最下流路は、前記重力方向に交差する方向に延びた第１部分と前記第１部分から上方に延びて前記排出マニホールドに接続する第２部分とを有し、前記第１部分が前記貯水部として機能し、前記第２部分が前記排水抑制部として機能する構成とすることができる。
上記構成において、前記第１部分は、前記排出マニホールドの直下まで延びている構成とすることができる。
上記構成において、前記排水抑制部は、前記最下流路の壁面に設けられた撥水膜である構成とすることができる。
上記構成において、前記排水抑制部は、前記最下流路に設けられた突起部である構成とすることができる。
上記構成において、前記撥水層と前記セパレータとの間に配置されたガス拡散層を備え、前記液水接続部は、前記電極触媒層側から前記セパレータ側に前記撥水層と前記ガス拡散層とを貫通して設けられ、前記液水接続部と前記貯水部とが接している構成とすることができる。
上記構成において、前記ガス流路は、前記重力方向に交差する方向に延び、前記重力方向で並んだ複数の溝部を含んで形成され、前記複数の溝部のうちの前記貯水部が形成された溝部の断面積は他の溝部の断面積に比べて大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記貯水部の容積は、前記膜電極接合体の最大含水量の２０％以上である構成とすることができる。
上記構成において、前記ガス流路は、前記重力方向に交差する方向に延び、前記重力方向で並んだ複数の溝部を含んで形成され、前記液水接続部の前記重力方向の長さは、前記複数の溝部のうちの前記液水接続部に対向する溝部と前記対向する溝部の隣に位置する溝部との間の幅よりも大きい構成とすることができる。
本発明は、上記のいずれかに記載の燃料電池と、前記ガス流路に流通させるガスの流量を制御するガス流量制御部と、を備え、前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の停止中又は起動時に、前記燃料電池の要求出力に応じた発電量に対応する第１ガス流量よりも大きな第２ガス流量で前記ガス流路にガスを流通させることを特徴とする燃料電池システムである。
上記構成において、前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の総運転時間又は直前の運転時間が第１所定時間以上の場合に前記第２ガス流量でガスを流通させることを行い、前記第１所定時間未満の場合には前記第２ガス流量でガスを流通させることは行わない構成とすることができる。
上記構成において、前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の直前の停止時間が第２所定時間以上の場合に前記第２ガス流量でガスを流通させることを行い、前記第２所定時間未満の場合には前記第２ガス流量でガスを流通させることは行わない構成とすることができる。
上記構成において、前記燃料電池に供給されて前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒流路と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出部と、前記冷媒流路内の前記冷媒の循環を制御する冷媒循環制御部と、を備え、前記冷媒循環制御部は、前記燃料電池の発電が停止した後、前記燃料電池の温度が第１所定温度未満になるまで前記冷媒流路内で前記冷媒を循環させ、前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の温度が前記第１所定温度未満になって前記冷媒の循環が終了した後に、前記第２ガス流量でガスを流通させる構成とすることができる。
上記構成において、前記燃料電池を停止させる信号を受けた際の前記燃料電池の温度が第２所定温度未満である場合、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度以上になるまで前記燃料電池の発電を行う発電制御部を備え、前記冷媒循環制御部は、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度以上になって前記燃料電池が停止した後に、前記燃料電池の温度が前記第１所定温度未満になるまで前記冷媒流路内で前記冷媒を循環させる構成とすることができる。
上記構成において、前記発電制御部は、前記燃料電池の要求出力に応じた発電よりもガス供給量を少なくして、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度以上になるまで前記燃料電池の発電を行う構成とすることができる。
本発明によれば、多量の陽イオン不純物を燃料電池の外部に排出することができる。
図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池の単セルの一部を示す平面図、図１（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の単セルを示す断面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図２は、カソード側セパレータをカソードガス拡散層側から見た平面図である。 図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池の単セルを示す断面図、図３（ｂ）は、カソード側セパレータをカソードガス拡散層側から見た平面図である。 図４は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池内の液水に含まれる陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出され難いことのメカニズムを説明する図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池を高負荷で運転することで陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出されるメカニズムを説明する図である。 図６は、実施例１の燃料電池の効果を説明する図である。 図７は、貯水部の貯水量に対し、膜電極接合体及び貯水部で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物の量を示す図である。 図８は、実施例１の変形例１に係る燃料電池の単セルを示す断面図である。 図９（ａ）は、実施例１の変形例２に係る燃料電池の単セルを示す断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図１０は、親水膜の製造方法を示す図である。 図１１は、実施例１の変形例３に係る燃料電池の単セルに含まれるカソード側セパレータをカソードガス拡散層側から見た平面図である。 図１２（ａ）は、実施例２に係る燃料電池の単セルの構成を示す断面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図１３（ａ）は、実施例３に係る燃料電池の単セルの構成を示す断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、液水接続部とカソード側セパレータとの接続関係を示す断面図である。 図１５は、実施例４に係る燃料電池の単セルの構成を示す断面図である。 図１６（ａ）は、実施例５に係る燃料電池の単セルの構成を示す断面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図１６（ｃ）は、カソード側セパレータをカソードガス拡散層側から見た平面図である。 図１７（ａ）は、実施例６に係る燃料電池の単セルの構成を示す断面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図１７（ｃ）は、カソード側セパレータをカソードガス拡散層側から見た平面図である。 図１８は、実施例６の変形例１に係る燃料電池の単セルに含まれるカソード側セパレータをカソードガス拡散層側から見た平面図である。 図１９は、実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図２０は、実施例７に係る燃料電池システムにおいて、制御装置による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャートである。 図２１は、実施例８に係る燃料電池システムにおいて、制御装置による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャートである。 図２２は、実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図２３は、実施例９に係る燃料電池システムにおいて、制御装置による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャート（その１）である。 図２４は、実施例９に係る燃料電池システムにおいて、制御装置による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャート（その２）である。 図２５は、実施例１０に係る燃料電池システムにおいて、制御装置による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャート（その１）である。 図２６は、実施例１０に係る燃料電池システムにおいて、制御装置による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャート（その２）である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
実施例１に係る燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造をしていて、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池の単セル１０００の一部を示す平面図、図１（ｂ）は、実施例１に係る燃料電池の単セル１０００を示す断面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１（ｂ）のように、単セル１０００は、電解質膜１１の両面に電極触媒層であるカソード触媒層１２とアノード触媒層１３とが形成された膜電極接合体１０を備える。電解質膜１１は、フッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。カソード触媒層１２及びアノード触媒層１３は、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
膜電極接合体１０の両側には、膜電極接合体１０内に含まれる水分を適正量に保つための一対の撥水層（カソード側撥水層１４とアノード側撥水層１５）と、一対のガス拡散層（カソードガス拡散層１６とアノードガス拡散層１７）と、一対のセパレータ（カソード側セパレータ１８とアノード側セパレータ１９）と、が配置されている。図１（ａ）のように、カソード側撥水層１４とカソードガス拡散層１６は、電解質膜１１よりも外形が小さい。アノード側撥水層１５とアノードガス拡散層１７も同様である。電解質膜１１の周辺領域（撥水層及びガス拡散層が配置されていない領域）には、不図示のシール部材が設けられている。
カソード側撥水層１４、アノード側撥水層１５、カソードガス拡散層１６、及びアノードガス拡散層１７は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。カソード側撥水層１４及びアノード側撥水層１５は、カソードガス拡散層１６及びアノードガス拡散層１７と比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。例えば、カソード側撥水層１４及びアノード側撥水層１５における細孔の大きさは０．５μｍ程度であり、カソードガス拡散層１６及びアノードガス拡散層１７における細孔の大きさは２０μｍ程度である。このように、カソード側撥水層１４及びアノード側撥水層１５の細孔が小さいことから、カソード触媒層１２及びアノード触媒層１３から水が流出することを抑制でき、膜電極接合体１０内に含まれる水分を適正量に保つことができる。
カソード側セパレータ１８及びアノード側セパレータ１９は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。カソード側セパレータ１８及びアノード側セパレータ１９は、表面にガスが流通する流路を形成するための凹凸を有する。カソード側セパレータ１８によって、カソードガス拡散層１６との間に、空気が流通可能なカソードガス流路２０が形成される。アノード側セパレータ１９によって、アノードガス拡散層１７との間に、水素が流通可能なアノードガス流路２１が形成される。なお、実施例１ではアノードとカソードに拡散層を備える構成としたが、これに限定されない。一方又は両方の拡散層を備えない構成であってもよい。この場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から撥水層を介して直接触媒層にガスが供給される。拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用される。
ここで、カソード側セパレータ１８の構造をより詳しく説明する。図２は、カソード側セパレータ１８をカソードガス拡散層１６側から見た平面図である。図２のように、カソード側セパレータ１８は、空気供給マニホールド３０、空気排出マニホールド３１、水素供給マニホールド３２、水素排出マニホールド３３、冷媒供給マニホールド３４、及び冷媒排出マニホールド３５を備える。
各マニホールドは、カソード側セパレータ１８の厚さ方向に貫通する貫通孔である。空気供給マニホールド３０は、外部から供給された空気を燃料電池の積層方向に流すための流路を形成する。空気排出マニホールド３１は、膜電極接合体１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池の積層方向に流して外部に排出するための流路を形成する。水素供給マニホールド３２は、外部から供給された水素を燃料電池の積層方向に流すための流路を形成する。水素排出マニホールド３３は、膜電極接合体１０から排出されたアノードオフガスを燃料電池の積層方向に流して外部に排出するための流路を形成する。冷媒供給マニホールド３４は、外部から供給された冷媒を燃料電池の積層方向に流すための流路を形成する。冷媒排出マニホールド３５は、発電部を循環した冷媒を燃料電池の積層方向に流して外部に排出するための流路を形成する。
カソードガス流路２０は、溝が蛇行することで形成されている。すなわち、カソードガス流路２０は、燃料電池が搭載される状態での重力方向に交差する交差方向に延びた複数の第１溝部３６と、第１溝部３６を接続する重力方向に延びた第２溝部３７と、で形成されている。複数の第１溝部３６のうちの重力方向で最も下側に位置する第１溝部３６ａは、重力方向に交差する交差方向に延びた第１部分３９ａと、第１部分３９ａから上方に延びて空気排出マニホールドに接続する第２部分３９ｂと、を有する。第１溝部３６ａの第２部分３９ｂは、上方に延びていることから、空気排出マニホールド３１への液水の排水を抑制する排水抑制部３８として機能する。第１溝部３６ａの第１部分３９ａは、排水抑制部３８によって空気排出マニホールド３１に液水が流れ難くなり、燃料電池が停止することによって発生する結露水などの液水が溜まる貯水部２２として機能する。
図１（ｂ）及び図１（ｃ）のように、カソード側撥水層１４には、カソード触媒層１２側からカソードガス拡散層１６側にカソード側撥水層１４を貫通する貫通孔であり、カソード触媒層１２と貯水部２２との間で液水の接続を可能とする液水接続部２４が設けられている。液水接続部２４は、第１溝部３６ａと同程度の高さに位置して設けられている。液水接続部２４の断面は、例えば直径が０．５ｍｍ程度の円形形状をしている。なお、液水接続部２４は、円形形状の場合に限らず、矩形形状や楕円形形状など、その他の形状をしている場合でもよい。
ここで、実施例１の燃料電池の効果を説明するに当たり、比較例の燃料電池について説明する。図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池の単セルを示す断面図、図３（ｂ）は、カソード側セパレータ１８をカソードガス拡散層１６側から見た平面図である。図３（ａ）のように、カソード側撥水層１４を貫通する液水接続部２４が設けられていない。図３（ｂ）のように、第１溝部３６ａは、交差方向に対して直線的に空気排出マニホールド３１に接続されていて、排水抑制部３８及び貯水部２２は形成されていない。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
図４は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池内の液水に含まれる陽イオン不純物４０が燃料電池の外部に排出され難いことのメカニズムを説明する図である。図４のように、カソード触媒層１２での電気化学反応によって生成水（液水４２）が発生する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気や、電解質膜及び電極触媒層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物４０が、プロトン４１と共に、液水４２に含まれるようになる。液水４２内に陽イオン不純物４０が含まれると、発電性能の低下が生じてしまう。陽イオン不純物４０として、例えばＣａ２＋やＭｇ２＋、Ｃｏ２＋などが挙げられる。
液水４２内の陽イオン不純物４０は、液水４２内を濃度拡散で拡散していく。拡散量は数１で表すことができ、電解質膜１１とカソード触媒層１２とで最終的な陽イオン不純物４０の比率が等しくなる。
Figure 2017117543
カソード触媒層１２の側面にカソード側撥水層１４が設けられているため、カソード触媒層１２から外部に液水４２が排水され難くなっている。しかしながら、液水４２の一部は、カソードオフガスに溶け込んでカソード側撥水層１４を通過することで、外部に排水される。一方、陽イオン不純物４０は、カソードオフガスに溶け込むことができないため、液水４２のようにカソードオフガスに溶け込んで外部に排出されることが難しい。このようなことから、液水４２内の陽イオン不純物４０は燃料電池の外部に排出され難いことが生じている。
特開２００１−８５０３７号公報によれば、燃料電池を高負荷で運転することで、陽イオン不純物を外部に排出するようにしている。このことについて図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池を高負荷で運転することで陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出されるメカニズムを説明する図である。
図５（ａ）のように、高負荷で燃料電池を運転することで、多量の生成水（液水４２）が発生するため、カソードオフガスに溶け込んで排出可能な量を超えた液水４２によって、カソード触媒層１２中の液水４２の圧力が上昇する。その結果、液水４２がカソード触媒層１２からカソード側撥水層１４を通過してカソードガス流路２０に排水されることが生じる。この液水４２の排水と共に、液水４２中の陽イオン不純物４０が排出される。
しかしながら、カソード側撥水層１４を通過してカソードガス流路２０に排水される液水４２の量はあまり多くない。また、陽イオン不純物４０は濃度拡散で液水４２内を拡散するため、移動速度が遅く、上記の数１の状態になるまでは長い時間を要する。すなわち、陽イオン不純物４０は、燃料電池を高負荷で運転することで発生した液水４２に短時間で移動することができない。このため、燃料電池を高負荷で運転することで液水４２と共に排出される陽イオン不純物４０は、高負荷での運転前からカソード触媒層１２内のカソード側撥水層１４近傍に存在していた液水４２に拡散していた陽イオン不純物４０だけであり、図５（ｂ）のように、電解質膜１１の液水４２内に含まれる陽イオン不純物４０は排出され難い。したがって、多量の陽イオン不純物４０を外部に排出することが難しい。
図６は、実施例１の燃料電池の効果を説明する図である。図６のように、カソードガス流路２０は、図２に示すような貯水部２２を有する。貯水部２２は、上述したように、燃料電池が停止することによって発生する結露水などの液水４２が空気排出マニホールド３１に流れ難いため、多量の液水４２を溜めることができる。また、カソード側撥水層１４には、貫通孔である液水接続部２４が設けられている。このため、カソード触媒層１２、電解質膜１１、及びアノード触媒層１３の液水４２と貯水部２２に溜まる液水４２とが液水接続部２４を介して繋がり、カソード触媒層１２の液水４２と貯水部２２に溜まる液水４２との間で陽イオン不純物４０が行き来できるようになる。また、燃料電池の停止時間はある程度長いことが想定されるため、多量の陽イオン不純物４０が貯水部２２に多量に溜まった液水４２に拡散し、貯水部２２の液水４２内の陽イオン不純物４０の濃度が高くなることが想定される。このため、例えば燃料電池の起動時に発電に必要な量のガスを流すことで、貯水部２２に溜まっている液水４２を排水し、多量の陽イオン不純物４０を外部に排出することができる。
以上のように、実施例１によれば、図２のように、カソードガス流路２０は、重力方向で最も下側に位置する最下流路に、空気排出マニホールド３１への液水の排水を抑制する排水抑制部３８と、排水抑制部３８よりも上流側で排水抑制部３８によって液水４２が溜まる貯水部２２と、を有する。図１（ｂ）のように、カソード側撥水層１４には、カソード触媒層１２と貯水部２２との間で液水４２の接続を可能とする液水接続部２４が設けられている。これにより、図６で説明したようなメカニズムによって、多量の陽イオン不純物４０を外部に排出することができ、発電性能を良好に回復させることができる。また、燃料電池が停止することで発生する結露水は、重力に従い、例えばカソードガス拡散層１６を通って下側に移動する。このため、カソードガス流路２０のうちの重力方向で最も下側に位置する最下流路に貯水部２２が設けられることで、多量の結露水（液水４２）を貯水部２２に溜めることができる。
また、実施例１において、貯水部２２の容積は、膜電極接合体１０の最大含水量の２０％以上であることが好ましい。このことを、図７を用いて説明する。図７は、貯水部２２の貯水量に対し、膜電極接合体１０及び貯水部２２で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物４０の量を示す図である。なお、図７では、一定の走行距離（例えば１０００ｋｍ）あたりに混入する陽イオン不純物４０の量を１とした場合を示している。図７の横軸は、膜電極接合体１０の最大含水量に対する貯水部２２の貯水量の割合（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）である。縦軸は、貯水部２２に溜まった液水４２を繰り返し排水することで膜電極接合体１０及び貯水部２２で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物４０の量である。
図７のように、（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）が１である場合は、一定の走行距離あたりに混入される陽イオン不純物４０の量程度に、膜電極接合体１０に蓄積される陽イオン不純物４０の量が抑えられる。（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）が１より大きくなっても、膜電極接合体１０に蓄積される陽イオン不純物４０の量はあまり少なくならない。一方、（貯水量／膜電極接合体の最大含水量）が０．２よりも小さい場合には、膜電極接合体１０に蓄積される陽イオン不純物４０の量が急激に多くなる。
以上のことから、膜電極接合体１０に蓄積される陽イオン不純物４０の量を少なくする点から、貯水部２２の容積は、膜電極接合体１０の最大含水量の２０％以上であることが好ましい。貯水部２２の容積は、膜電極接合体１０の最大含水量の５０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることがさらに好ましい。一方、貯水部２２の容積が、膜電極接合体１０の最大含水量の１００％よりも大きくなっても、膜電極接合体１０に蓄積される陽イオン不純物４０の量はほとんど変わらない。貯水部２２の容積が大きくなる程、燃料電池は大型化する恐れがあることから、貯水部２２の容積は、膜電極接合体１０の最大含水量の２００％以下であることが好ましく、１６０％以下である場合がより好ましく、１４０％以下である場合がさらに好ましい。
なお、膜電極接合体１０中の含水量は、膜電極接合体１０に含まれる電解質膜の含水量とカソード触媒層１２の空隙中の含水量によってほぼ決まる。電解質膜の最大含水量は、電解質膜の構造で１つに決まる値であり、下記の数２によって求めることができる。
Figure 2017117543
 λは、電解質膜に含まれるＳＯ３ −の含水係数である。Ｖｍｅｍ、ρｍｅｍ、ＥＷｍｅｍは、電解質膜１１の体積、密度、ＥＷ（Equivalent Weight）値である。Ｖｉｏｎ、ＡＮ、ρｉｏｎ、ＡＮ、ＥＷｉｏｎ、ＡＮは、アノード触媒層１３に含まれるアイオノマーの体積、密度、ＥＷ値である。Ｖｉｏｎ、ＣＡ、ρｉｏｎ、ＣＡ、ＥＷｉｏｎ、ＣＡは、カソード触媒層１２に含まれるアイオノマーの体積、密度、ＥＷ値である。ＶＷは、含水の体積である。ρＷ、ＭＷは、水の密度、モル重量である。
カソード触媒層１２の空隙は、カソード触媒層１２の構造で１つに決まる値であり、下記の数３によって求めることができる。空隙中に水が含まれることから、空隙の体積を求めることで含水量を求めることができる。空隙の体積は、カソード触媒層１２の体積（面積と厚さ）と空隙率とから算出することができる。空隙率は、カソード触媒層１２の体積からカソード触媒層１２に含まれる材料（カーボン担体、アイオノマー、触媒）の体積を引いた値の空隙がカソード触媒層１２の体積に占める割合である。
Figure 2017117543
 εは、空隙率であり、ＳＣＬは、カソード触媒層１２の体積である。ｍＣ、ρＣは、カソード触媒層１２に含まれるカーボン担体の質量、密度である。ｍｉｏｎ、ρｉｏｎは、カソード触媒層１２に含まれるアイオノマーの質量、密度である。ｍｐｔ、ρｐｔは、カソード触媒層１２に含まれる触媒の質量、密度である。
例えば、以下の代表的な物性を用いて１ｃｍ２あたりの最大含水量を求めると、１．０８ｍｇ／ｃｍ２となる。
λ：１４
Ｖｍｅｍ：０．００１ｃｍ３
ρｍｅｍ：２ｇ／ｍ３
ＥＷｍｅｍ：１０００ｇ／ｍｏｌ
Ｖｉｏｎ、ＡＮ：７．５×１０−５ｃｍ３
ρｉｏｎ、ＡＮ：２ｇ／ｃｍ３
ＥＷｉｏｎ、ＡＮ：１０００ｇ／ｍｏｌ
Ｖｉｏｎ、ＣＡ：１．５×１０−４ｃｍ３
ρｉｏｎ、ＣＡ：２ｇ／ｃｍ３
ＥＷｉｏｎ、ＣＡ：１０００ｇ／ｍｏｌ
ＶＷ：算出値
ρＷ：１ｇ／ｃｍ３
ＭＷ：１８ｇ／ｍｏｌ
ε：０．４５
ＳＣＬ：０．００１ｃｍ３
発電面積が２００ｃｍ２の単セルでは、１枚当たりの最大含水量は０．２１６ｇとなる。この場合、単セル１枚あたりの貯水部２２の容積は、最大含水量の２０％以上となる、０．０４３ｃｃ以上であることが好ましい。例えば、長さ２００ｍｍ、幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝部の容積は０．０５ｃｃであることから、このような大きさの溝部を用いて貯水部２２を形成することで、上記の代表的な物性のセルの貯水部２２として機能させることができる。
なお、実施例１において、カソード触媒層１２の液水４２と貯水部２２に溜まる液水４２との接続を助長させる点から、カソードガス拡散層１６は少なくとも液水接続部２４と対向する部位において優れた親水性を有することが好ましい。カソードガス拡散層１６が多孔質カーボン製部材によって形成されている場合、例えばカーボンにカルボキシル基や水酸基などに代表される親水性の官能基を結合させることで、親水性のカーボンを得ることができる。
なお、実施例１では、カソード側撥水層１４に液水接続部２４が１つ設けられている場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。図８は、実施例１の変形例１に係る燃料電池の単セル１１００を示す断面図である。なお、図８は、図１（ｃ）に相当する箇所を示している。図８のように、複数の液水接続部２４が設けられている場合でもよい。
図９（ａ）は、実施例１の変形例２に係る燃料電池の単セル１２００を示す断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）のように、単セル１２００では、貯水部２２を形成する第１溝部３６ａの壁面に親水膜５０が設けられている。親水膜５０は、図１０に示すように、カソード側セパレータ１８のうち第１溝部３６ａ以外の箇所をマスク５８でマスキングし、第１溝部３６ａにＳｉＯ２、ＳｎＯ２、及びＴｉＯ２などの酸化膜や、セルロースなどの高分子膜を製膜することで得られる。また、カソード側セパレータ１８の表面部分がカーボンを含む場合には、第１溝部３６ａの表面に酸化処理やプラズマ処理などの表面処理を行い、カーボンにカルボキシル基や水酸基などに代表される親水性の官能基を結合させることで、親水膜５０を形成することができる。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
実施例１の変形例２のように、貯水部２２を形成する第１溝部３６ａの壁面に親水膜５０が設けられていてもよい。これにより、貯水部２２の上側壁面にも液水４２を膜状に溜めることが容易にできる。
図１１は、実施例１の変形例３に係る燃料電池の単セル１３００に含まれるカソード側セパレータ１８をカソードガス拡散層１６側から見た平面図である。図１１のように、単セル１３００では、第１溝部３６ａの第１部分３９ａが空気排出マニホールド３１の直下にまで延びている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
実施例１の変形例３のように、第１溝部３６ａの第１部分３９ａが空気排出マニホールド３１の直下にまで延びていることで、燃料電池の大型化を抑制しつつ、貯水部２２の容積を大きくすることができる。
図１２（ａ）は、実施例２に係る燃料電池の単セル２０００の構成を示す断面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）のように、単セル２０００は、貯水部２２が形成された第１溝部３６ａが、他の第１溝部３６と比べて、重力方向での長さが長くて断面積が大きくなっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
実施例２によれば、貯水部２２が形成された第１溝部３６ａの断面積が、他の第１溝部３６の断面積に比べて大きくなっている。貯水部２２には燃料電池の発電中に生成水などの液水４２が溜まり、空気の供給が不十分になることが考えられるが、貯水部２２が形成された第１溝部３６ａの断面積を大きくすることにより、空気の供給不足を抑制することができる。
図１３（ａ）は、実施例３に係る燃料電池の単セル３０００の構成を示す断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のように、単セル３０００は、液水接続部２４ａが、カソード触媒層１２側からカソード側セパレータ１８側にカソード側撥水層１４とカソードガス拡散層１６とを貫通して設けられている。液水接続部２４ａは、貯水部２２と接して設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため、説明を省略する。
実施例３によれば、液水接続部２４ａがカソード側撥水層１４とカソードガス拡散層１６とを貫通して設けられていて、液水接続部２４ａと貯水部２２とが接している。これにより、カソード触媒層１２の液水４２と貯水部２２に溜まる液水４２とが繋がり易くなる。
また、実施例３において、液水接続部２４ａの重力方向に長さは、複数の第１溝部３６のうちの液水接続部２４ａが対向する第１溝部３６と前記対向する第１溝部３６の隣に位置する第１溝部３６との間の幅よりも長いことが好ましい。また、液水接続部２４ａの重力方向の長さは、液水接続部２４ａが対向する第１溝部３６の重力方向の幅と、液水接続部２４ａが対向する第１溝部３６の隣に位置する第１溝部３６の間の幅と、の合計以下であることが好ましい。これらのことについて、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）を用いて説明する。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、液水接続部２４ａとカソード側セパレータ１８との接続関係を示す断面図である。
図１４（ａ）のように、液水接続部２４ａの重力方向の長さが、第１溝部３６の間の幅Ｗ以下の場合、製造誤差などによって、液水接続部２４ａが第１溝部３６と接しないことが生じ得る。このため、液水接続部２４ａの重力方向の長さは、液水接続部２４ａが対向する第１溝部３６と前記対向する第１溝部３６の隣に位置する第１溝部３６との間の幅よりも長いことが好ましい。
図１４（ｂ）のように、液水接続部２４ａの重力方向の長さが、第１溝部３６の重力方向の幅Ｗ１と第１溝部３６の間の幅Ｗ２との合計よりも大きくなると、液水接続部２４ａが２つ以上の第１溝部３６に接するようになる。カソード触媒層１２から貯水部２２に陽イオン不純物４０を拡散させるには、液水接続部２４ａは１つの第１溝部３６に接していれば十分であり、液水接続部２４ａが２つ以上の第１溝部３６に接する場合は液水接続部２４ａが設けられた領域が大きくなるためにカソード側撥水層１４の機能の低下を招く恐れがある。このため、液水接続部２４ａの重力方向の長さは、液水接続部２４ａが対向する第１溝部３６の重力方向の幅と、前記対向する第１溝部３６の隣に位置する第１溝部３６の間の幅と、の合計以下であることが好ましい。
図１５は、実施例４に係る燃料電池の単セル４０００の構成を示す断面図である。図１５のように、単セル４０００は、カソード側撥水層１４とカソードガス拡散層１６とを貫通して設けられた液水接続部２４ｂが、親水性部材で形成されている。親水性部材からなる液水接続部２４ｂは、カソード側撥水層１４とカソードガス拡散層１６とを貫通する貫通孔に、空隙があり且つ表面に親水処理が施された繊維部材や多孔質部材を埋め込むことで形成できる。液水接続部２４ｂは、導電性を有する材料であることが発電時に有利であるため、例えば炭素系材料で形成されることが好ましい。炭素系材料を親水性にする例として、カーボンの表面部分にカルボキシル基や水酸基などに代表される親水性の官能基を結合させることが挙げられる。このような親水性のカーボンは、例えばカーボンに対して酸化処理やプラズマ処理などの表面処理を行うことで形成できる。その他の構成は、実施例３と同じであるため、説明を省略する。
実施例１から実施例３では、液水接続部２４、２４ａは貫通孔である場合を例に示したが、実施例４のように、液水接続部２４ｂは親水性部材で形成されている場合でもよい。
図１６（ａ）は、実施例５に係る燃料電池の単セル５０００の構成を示す断面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図１６（ｃ）は、カソード側セパレータ１８をカソードガス拡散層１６側から見た平面図である。図１６（ａ）から図１６（ｃ）のように、単セル５０００では、第１溝部３６ａは、重力方向に交差する交差方向に直線的に延びて空気排出マニホールド３１に接続している。第１溝部３６ａには、壁面に撥水膜からなる排水抑制部３８ａが形成された第１領域５２と、第１領域５２の間に位置し、排水抑制部３８ａが形成されていない第２領域５３と、が設けられている。第２領域５３が貯水部２２として機能する。撥水膜は、図１０と同様の方法を用い、フッ素樹脂の水性ディスパージョンやフッ素樹脂のアルコールディスパージョンを塗布することで形成することができる。その他の構成は、実施例３と同じであるため、説明を省略する。
実施例５のように、排水抑制部３８ａはカソードガス流路２０のうちの重力方向で最も下側に位置する最下流路の壁面に設けられた撥水膜からなり、排水抑制部３８ａが設けられた第１領域５２の間に位置する排水抑制部３８ａが設けられていない第２領域５３が貯水部２２として機能する場合でもよい。排水抑制部３８ａが設けられた第１領域５２では水が弾かれて濡れない状態となり、第１溝部３６ａの高さが狭いために表面張力によって第２領域５３に液水４２を溜めることができる。なお、排水抑制部３８ａは、必ずしも貯水部２２の両側になくてもよく、空気排出マニホールド３１側にだけあってもよい。この構成であっても、液水は排水抑制部３８ａによって空気排出マニホールド３１への排水が抑制されるため、貯水部２２に液水を溜めることができる。
なお、実施例５においても、実施例１の変形例２と同様に、貯水部２２を形成する第１溝部３６ａの第２領域５３の壁面に親水膜５０を設けてもよい。
図１７（ａ）は、実施例６に係る燃料電池の単セル６０００の構成を示す断面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ間の断面図、図１７（ｃ）は、カソード側セパレータ１８をカソードガス拡散層１６側から見た平面図である。図１７（ａ）から図１７（ｃ）のように、単セル６０００では、第１溝部３６ａに突起部からなる排水抑制部３８ｂが形成されている。排水抑制部３８ｂに対して空気排出マニホールド３１とは反対側に位置する部分が貯水部２２として機能する。ガス流路となる凹凸を有するセパレータは、金属プレートをプレス成型することや、カーボンを圧縮成型することなどで形成されるが、この成型で排水抑制部３８ｂも同時に形成することができる。したがって、排水抑制部３８ｂは、セパレータと同じ材料で形成されている。なお、エンドミルなどを用いた切削加工でセパレータを製造することも可能であり、この場合は、排水抑制部３８ｂも切削加工で形成することができる。その他の構成は、実施例５と同じであるため、説明を省略する。
実施例６のように、排水抑制部３８ｂは、カソードガス流路２０のうちの重力方向で最も下側に位置する最下流路に設けられた突起部からなる場合でもよい。なお、排水抑制部３８ｂは、セパレータと同じ材料からなる場合に限られず、異なる材料からなる場合でもよい。
図１８は、実施例６の変形例１に係る燃料電池の単セル６１００に含まれるカソード側セパレータ１８をカソードガス拡散層１６側から見た平面図である。図１８のように、単セル６１００では、第１溝部３６ａの一部が湾曲することで排水抑制部３８ｃが形成されている。その他の構成は、実施例６と同じであるため、説明を省略する。
なお、実施例１から実施例６において、それぞれの特徴を適宜組み合わせてもよい。すなわち、例えば実施例１に実施例４の特徴を組み合わせて、カソード側撥水層１４を貫通する液水接続部２４を親水性部材で形成する、などの場合でもよい。なお、実施例１から実施例６では、ガス流路は、溝が蛇行して形成される蛇行溝タイプの場合を例に示したが、その他の場合でもよい。
図１９は、実施例７に係る燃料電池システム７０００の構成を示す図である。燃料電池システム７０００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載されている。図１９のように、燃料電池システム７０００は、燃料電池６０（燃料電池スタック）、酸化剤ガス配管系７０、燃料ガス配管系８０、冷却媒体配管系９０、負荷装置１００、及び制御装置１１０を含む。酸化剤ガス配管系７０は、酸化剤ガスとして例えば酸素を含む空気を燃料電池６０に供給する。燃料ガス配管系８０は、燃料ガスとして例えば水素を燃料電池６０に供給する。
燃料電池６０として、実施例１から実施例６に示した燃料電池を用いることができる。
酸化剤ガス配管系７０は、エアコンプレッサ７１、酸化剤ガス供給路７２、加湿モジュール７３、カソードオフガス流路７４、及びエアコンプレッサ７１を駆動するモータＭ１を備える。
エアコンプレッサ７１は、モータＭ１により駆動され、外気から取り込んだ酸素を含む空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池６０のカソード極に供給する。モータＭ１には、回転数を検出する回転数検出センサ７ａが取り付けられている。酸化剤ガス供給路７２は、エアコンプレッサ７１から供給される空気を燃料電池６０のカソード極に導く。燃料電池６０のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス流路７４を介して排出される。
加湿モジュール７３は、酸化剤ガス供給路７２を流れる低湿潤状態の空気と、カソードオフガス流路７４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池６０に供給される空気を適度に加湿する。カソードオフガス流路７４は、カソードオフガスをシステム外に排出する。カソードオフガス流路７４のカソード極出口付近には、背圧調整弁Ａ１が配設されている。燃料電池６０から排出される空気の圧力、すなわちカソード背圧は、背圧調整弁Ａ１によって調圧される。カソードオフガス流路７４における燃料電池６０と背圧調整弁Ａ１との間には、カソード背圧を検出する圧力センサ７ｂが取り付けられている。
燃料ガス配管系８０は、燃料ガス供給源８１、燃料ガス供給路８２、燃料ガス循環路８３、アノードオフガス流路８４、燃料ガス循環ポンプ８５、気液分離器８６、及び燃料ガス循環ポンプ８５を駆動するモータＭ２を備える。
燃料ガス供給源８１は、燃料ガスである水素を燃料電池６０に供給するタンクである。燃料ガス供給路８２は、燃料ガス供給源８１から放出される水素を燃料電池６０のアノード極に導く。燃料ガス供給路８２には、上流側から順にタンクバルブＨ１、レギュレータＨ２、インジェクタＨ３が配設されている。これらは、水素を燃料電池６０に供給する又は供給を遮断する電磁弁である。圧力センサ８ａの計測値に基づき、インジェクタＨ３を制御することで、燃料電池６０に供給する水素の流量を制御する。
燃料ガス循環路８３は、未反応水素を燃料電池６０に還流させる。燃料ガス循環路８３には、上流側から順に気液分離器８６、燃料ガス循環ポンプ８５、及び逆止弁（不図示）が配設されている。燃料電池６０から排出された未反応水素は、燃料ガス循環ポンプ８５により適度に加圧され、燃料ガス供給路８２に導かれる。燃料ガス供給路８２から燃料ガス循環路８３への水素の逆流は、逆止弁によって抑制される。アノードオフガス流路８４は、燃料電池６０から排出された水素を含むアノードオフガスや気液分離器８６内に貯留された水をシステム外に排出する。アノードオフガス流路８４には、排出弁Ｈ５が配設されている。
冷却媒体配管系９０は、冷媒流路９１、冷媒バイパス流路９２、ラジエータ９３、冷媒循環ポンプ９４、及び冷媒循環ポンプ９４を駆動するモータＭ３を備える。ラジエータ９３は、冷媒流路９１を介して燃料電池６０に冷却媒体を供給すると共に、燃料電池６０の冷却に用いられた後の冷却媒体を受け取る。冷却媒体として、例えば水や、水とエチレングリコールの混合物を用いることができる。冷媒バイパス流路９２は、ラジエータ９３を通さずに冷却媒体を循環させるために設けられている。ラジエータ９３を通して冷却媒体を循環させるか又は冷媒バイパス流路９２を通して冷却媒体を循環させるかは、ロータリー弁９５を切り換えることによって制御される。冷媒循環ポンプ９４は、冷却媒体の流通速度を調整する。燃料電池６０内部の温度は、冷媒循環ポンプ９４によって調整される。冷媒流路９１における燃料電池６０と冷媒循環ポンプ９４との間には、燃料電池６０から流出する冷却媒体の温度を検出する温度センサ９ａが取り付けられている。
負荷装置１００は、燃料電池６０の電気的特性を測定するための装置である。負荷装置１００は、燃料電池６０（燃料電池スタック）の両外側に配置した一対の集電板の間に電気的に接続され、燃料電池６０の総電圧を検出する。なお、負荷装置１００は、各燃料電池セルのセパレータ間に電気的に接続され、単セル毎の電圧を検出する構成でもよい。また、負荷装置１００は、燃料電池６０を流れる電流値を変動させたときの電圧値との関係から、燃料電池６０のインピーダンスを検出する。
制御装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えるマイクロコンピュータを含んで構成される。制御装置１１０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。ＲＯＭには、上記プログラムの他に、システムの制御に用いられる各種マップや閾値なども記憶されている。制御装置１１０は、燃料電池６０に対する要求出力や、負荷装置１００及び各種センサの出力などに基づいて、各種バルブや、燃料ガス循環ポンプ８５、冷媒循環ポンプ９４、及びエアコンプレッサ７１などを制御し、後述する陽イオン不純物排出処理を含むシステムの運転を制御する。制御装置１１０は、陽イオン不純物排出処理において、ガス流量制御部１１１として機能する。ガス流量制御部１１１は、エアコンプレッサ７１及びインジェクタＨ３を制御することで、セパレータに設けられたガス流路に流通させるガスの流量を制御する。
図２０は、実施例７に係る燃料電池システム７０００において、制御装置１１０による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャートである。図２０のように、制御装置１１０は、ステップＳ１０において、イグニッションオフ信号を検出するまで待機する。制御装置１１０は、イグニッションオフ信号を検出した後（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に移行して、燃料電池６０の運転を停止させる。
次いで、ステップＳ１４において、制御装置１１０は、陽イオン不純物４０の排出が必要か否かを判断する。例えば、制御装置１１０は、燃料電池６０の直前の運転時間（ステップＳ１２の前の燃料電池６０の起動からステップＳ１２で運転を停止するまでの運転時間）が所定時間以上の場合に、陽イオン不純物４０の排出が必要と判断する。燃料電池６０の運転時間が長くなるほど、混入する陽イオン不純物４０の量が多くなるためである。また、その他にも、以下のいずれか１つに該当する場合には陽イオン不純物４０の量が多いと考えられるため、制御装置１１０は陽イオン不純物４０の排出が必要と判断してもよい。１．記録部に陽イオン不純物の排出が未完了の記録がある場合。２．燃料電池６０の電流電圧特性が大きく低下している（例えば所定条件での電圧値が閾値より低い）場合。３．前回の陽イオン不純物排出処理からの経過時間が所定時間（例えば５０００時間）以上の場合。４．前回の陽イオン不純物排出処理からの運転時間が所定時間（例えば１０００時間）以上の場合。５．前回の陽イオン不純物排出処理からの走行距離が所定距離（例えば５０００ｋｍ）以上の場合。６．陽イオン不純物排出処理を行うことをユーザが指定（例えば運転席などに設置されたボタンがユーザによって押されているなど）している場合。
ステップＳ１４で陽イオン不純物の排出が必要と判断された場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ１６に移行して、陽イオン不純物の排出が可能な環境にあるか否かを判断する。例えば、制御装置１１０は、バッテリー残量が所定値以上であり、外気温が氷点下でも所定温度以上でもない場合に、陽イオン不純物の排出が可能な環境にあると判断する。バッテリー残量が所定値未満では陽イオン不純物排出処理のための電力を確保することが難しく、外気温が氷点下以下では貯水部２２に溜まる液水４２が凍結する恐れがあるためである。また、燃料電池の発電終了時には外気により燃料電池が自然放熱されるが、外気温が所定温度以上の高温である場合には、発電終了後の燃料電池の温度が十分に下がらず、凝縮液水が減少し液水４２が十分に溜められないためである。一方、ステップＳ１４で陽イオン不純物の排出が不要と判断された場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、制御装置１１０は、陽イオン不純物排出処理を終了する。
ステップＳ１６で陽イオン不純物の排出が可能と判断された場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ１８に移行して、ステップＳ１２で運転を停止させてから所定時間が経過したか否かを判断する。ステップＳ１８で所定時間が経過していないと判断された場合（ステップＳ１８：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ２０に移行してイグニッションオン信号を検出したか否かを判断し、イグニッションオン信号を検出していない場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）、ステップＳ１８に戻る。燃料電池６０の運転を停止させることで、図６で説明したように、カソードガス流路２０に形成された貯水部２２に液水４２（結露水）が溜まるが、陽イオン不純物４０の移動速度は遅いため、ある程度の時間が経過しないと、貯水部２２の液水４２内に拡散する陽イオン不純物４０の量が少ないためである。
ステップＳ１８で所定時間が経過したと判断された場合（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、ステップＳ２２に移行して、制御装置１１０は、エアコンプレッサ７１を制御し、燃料電池６０の要求出力に応じた発電量に対応する流量よりも多い流量の空気をカソードガス流路２０に流して、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させる。ここでは、燃料電池６０は発電停止中であるため、発電量に対応した第１ガス流量はゼロである。これに対し、貯水部２２の液水４２を排水可能な第２ガス流量の空気を流通させる。第２ガス流量は予め定められた一定値でもよいし、直前の運転条件や外気温度などに応じて定められる可変の値であってもよい。空気をカソードガス流路２０に流すことで、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させることができる。貯水部２２の液水４２の排水によって、液水４２内の陽イオン不純物４０も外部に排出される。次いで、制御装置１１０は、ステップＳ２４に移行して陽イオン不純物の排出が完了したことを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。
ステップＳ２０でイグニッションオン信号が検出された場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ２６に移行して陽イオン不純物の排出が未完了であることを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。また、ステップＳ１６で陽イオン不純物の排出が可能な環境にないと判断された場合にも（ステップＳ１６：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ２６に移行して陽イオン不純物の排出が未完了であることを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。
実施例７によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の停止中に、カソードガス流路２０に空気を流通させて、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させる（ステップＳ２２）。これにより、貯水部２２に溜まった液水４２の排水をさせて、多量の陽イオン不純物４０を燃料電池の外部に排出させることができる。
また、実施例７によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の直前の運転時間が所定時間未満の場合には、カソードガス流路２０に空気を流通させることを行わない（ステップＳ１４）。陽イオン不純物４０は、吸入する空気からの混入や膜電極接合体１０を構成する材料からの溶出によって液水４２に含まれるため、燃料電池６０の運転時間に応じて増加すると考えられる。このため、燃料電池６０の運転時間が所定時間未満の場合には陽イオン不純物４０が余り多くないため、空気をカソードガス流路２０に流通させないことで、無駄な電力消費を抑制し、燃費を向上させることができる。
また、実施例７によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の直前の停止時間が所定時間未満の場合には、カソードガス流路２０に空気を流通させることは行わない（ステップＳ１８）。陽イオン不純物４０は、燃料電池６０の停止中に時間をかけてカソード触媒層１２から貯水部２２に拡散する。したがって、燃料電池６０の停止時間が所定時間未満の場合には貯水部２２の陽イオン不純物４０は余り多くないため、空気をカソードガス流路２０に流通させないことで、無駄な電力消費を抑制し、燃費を向上させることができる。
なお、実施例７では、ステップＳ１４における判断を、燃料電池６０の直前の運転時間によって行う場合を例に示したが、燃料電池６０の総運転時間（燃料電池６０を初めて始動させてからの合計運転時間）によって行ってもよい。
実施例８に係る燃料電池システムの構成は、実施例７と同じであるため、説明を省略する。図２１は、実施例８に係る燃料電池システムにおいて、制御装置１１０による陽イオン不純物処理の一例を示すフローチャートである。図２１のように、制御装置１１０は、まずステップＳ３０〜Ｓ３６の処理を行う。ステップＳ３０〜Ｓ３６の処理は、図２０のステップＳ１０〜Ｓ１６の処理と同じであるため、説明を省略する。
ステップＳ３６で陽イオン不純物の排出が可能な環境にあると判断された場合（ステップＳ３６：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ３８に移行してイグニッションオン信号を検出するまで待機し、イグニッションオン信号を検出した後（ステップＳ３８：Ｙｅｓ）、ステップＳ４０に移行する。ステップＳ４０では、制御装置１１０は、ステップＳ３２で燃料電池６０を停止させてからステップＳ３８でイグニッションオン信号を検出するまでの停止時間が所定時間以上か否かを判断する。
ステップＳ４０で所定時間が経過したと判断された場合（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）、ステップＳ４２に移行して、制御装置１１０は、エアコンプレッサ７１を制御し、燃料電池６０の要求出力に応じた発電量に対応する流量よりも多い流量の空気をカソードガス流路２０に流して、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させる。燃料電池の通常発電においては、要求出力に応じた発電量に対応した第１ガス流量が定められている。これに対し、第１ガス流量よりも大きく貯水部２２の液水４２を排水可能な第２ガス流量の空気を流通させる。第２ガス流量は、実施例７の発電停止中の第２ガス流量と同じでもよいし、発電に必要な流量を加えて大きくしてもよい。次いで、制御装置１１０は、ステップＳ４４に移行して陽イオン不純物の排出が完了したことを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。
ステップＳ４０で所定時間が経過していないと判断された場合（ステップＳ４０：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ４６に移行して陽イオン不純物の排出が未完了であることを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。また、ステップＳ３６で陽イオン不純物の排出が可能な環境にないと判断された場合にも（ステップＳ３６：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ４６に移行して陽イオン不純物の排出が未完了であることを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。
実施例８によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の起動時（イグニッションオン信号検出時）に、燃料電池６０の要求出力に応じた発電量に対応するガス流量よりも多い流量でカソードガス流路２０に空気を流通させる。これによっても、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させて、陽イオン不純物４０を燃料電池の外部に排出させることができる。
また、実施例８によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の直前の運転時間が所定時間未満の場合には、燃料電池６０の要求出力に応じた発電量に対応するガス流量よりも多い流量でカソードガス流路２０に空気を流通させることを行わない（ステップＳ３４）。これにより、無駄な電力消費を抑制し、燃費を向上させることができる。
また、実施例８によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の直前の停止時間が所定時間未満の場合には、燃料電池６０の要求出力に応じた発電量に対応するガス流量よりも多い流量でカソードガス流路２０に空気を流通させることは行わない（ステップＳ４０）。これにより、無駄な電力消費を抑制し、燃費を向上させることができる。
図２２は、実施例９に係る燃料電池システム９０００の構成を示す図である。図２２のように、実施例９の燃料電池システム９０００では、制御装置１１０は、陽イオン不純物排出処理において、ガス流量制御部１１１として機能することに加え、冷媒循環制御部１１２及び発電制御部１１３として機能する。冷媒循環制御部１１２は、冷媒循環ポンプ９４を制御することで、冷媒流路９１内の冷却媒体の循環を制御する。発電制御部１１３は、燃料電池６０の発電を制御する。その他の構成は、実施例７と同じであるため、説明を省略する。
図２３及び図２４は、実施例９に係る燃料電池システム９０００において、制御装置１１０による陽イオン不純物排出処理の一例を示すフローチャートである。図２３及び図２４のように、制御装置１１０は、まずステップＳ５０〜Ｓ５４の処理を行う。ステップＳ５０〜Ｓ５４の処理は、図２０のステップＳ１０、Ｓ１４、Ｓ１６の処理と同じであるため、説明を省略する。
ステップＳ５４で陽イオン不純物の排出が可能な環境にあると判断された場合（ステップＳ５４：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ５６に移行して、燃料電池６０の温度が第２所定温度（例えば６５℃）未満であるか否かを判断する。燃料電池６０の温度は、例えば冷媒流路９１に設けた温度センサ９ａで検出された温度から求めることができる。なお、その他の方法によって燃料電池６０の温度を求める場合でもよい。
ステップＳ５６で燃料電池６０の温度が第２所定温度未満であると判断された場合（ステップＳ５６：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ５８に移行して、燃料電池６０を発電させて急速暖機運転を行う。例えば、制御装置１１０は、冷媒循環ポンプ９４を制御して、通常発電よりも燃料電池６０に供給する冷却媒体の流量を下げて燃料電池６０を発電させたり、ロータリー弁９５を冷媒バイパス流路９２側に切り替えることで、冷媒バイパス流路９２を介して冷却媒体を燃料電池６０に供給したりするなど、燃料電池６０の温度が上昇し易い条件で燃料電池６０を発電させる。急速暖機運転を行うことで、燃料電池６０の温度を上昇させて、燃料電池６０内の気体に含まれる水蒸気量を増大させることができる。
次いで、制御装置１１０は、ステップＳ６０において、急速暖機運転によって燃料電池６０の温度が第２所定温度以上になったか否かを判断する。ステップＳ６０で燃料電池６０の温度が未だ第２所定温度未満であると判断された場合（ステップＳ６０：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ５８に戻って、急速暖機運転を続ける。一方、ステップＳ６０で燃料電池６０の温度が第２所定温度以上に上昇したと判断された場合（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ６２に移行して、燃料電池６０の発電（運転）を停止させる。また、ステップＳ５６で燃料電池６０の温度が第２所定温度以上であると判断された場合（ステップＳ５６：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ６２に移行して、急速暖機運転を行わずに燃料電池６０の発電（運転）を停止させる。
次いで、制御装置１１０は、ステップＳ６４において、燃料電池６０に対して急速冷却を行う。例えば、制御装置１１０は、冷媒循環ポンプ９４を駆動させ、ラジエータ９３を通して冷媒流路９１内の冷却媒体を循環させることで、燃料電池６０に対して急速冷却を行う。冷却媒体を循環させずに自然放熱によって燃料電池６０の温度を下げる場合、例えばマニホールド近傍などの冷え易い外周から温度が下がるため、係る場所で結露が発生し易くなる。また、水蒸気は冷たい方に移動することから、膜電極接合体１０近傍の水蒸気がマニホールド近傍に移動し、膜電極接合体１０の温度が下がる頃には膜電極接合体１０近傍の水蒸気量が低くなって、膜電極接合体１０近傍での結露水の発生量が少なくなる。しかしながら、冷媒流路９１内で冷却媒体を循環させて燃料電池６０に冷却媒体を供給することで、燃料電池６０を内部から冷やすことができるため、膜電極接合体１０近傍で多くの結露水を発生させることができ、その結果、貯水部２２に多量の液水４２が溜まるようになる。なお、ステップＳ５４において、外気温が所定温度以上か判定を行う場合の所定温度は、実施例７のステップＳ１６における所定温度と同じであってもよいし異なっていてもよい。外気に自然放熱する場合と、冷却媒体によって急速冷却を行う場合とでは、燃料電池に残留する液水量が異なるためである。
次いで、制御装置１１０は、ステップＳ６６において、燃料電池６０の温度が第１所定温度（例えば３０℃）未満になったか否かを判断する。ステップＳ６６で燃料電池６０の温度が未だ第１所定温度以上であると判断された場合（ステップＳ６６：Ｎｏ）、制御装置１１０は、イグニッションオン信号を検出したか否かを判断し（ステップＳ６８）、イグニッションオン信号が検出されていない場合（ステップＳ６８：Ｎｏ）、ステップＳ６４に戻って急速冷却を続ける。
ステップＳ６６で燃料電池６０の温度が第１所定温度未満に下がったと判断された場合（ステップＳ６６：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ７０に移行して、燃料電池６０に対する冷却を停止する。
次いで、制御装置１１０は、ステップＳ７２において、ステップＳ７０で冷却を停止してから所定時間が経過したか否かを判断する。ステップＳ７２で所定時間が経過していないと判断された場合（ステップＳ７２：Ｎｏ）、制御装置１１０は、イグニッションオン信号を検出したか否かを判断し（ステップＳ７４）、イグニッションオン信号が検出されていない場合（ステップＳ７４：Ｎｏ）、ステップＳ７２に戻る。
ステップＳ７２で所定時間が経過したと判断された場合（ステップＳ７２：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ７６に移行して、空気をカソードガス流路２０に流して、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させる。次いで、制御装置１１０は、ステップＳ７８に移行して陽イオン不純物の排出が完了したことを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。
ステップＳ６８又はステップＳ７４でイグニッションオン信号が検出された場合（ステップＳ６８：Ｙｅｓ又はステップＳ７４：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ８０に移行して、陽イオン不純物の排出が未完了であることを記録部に記録して、陽イオン不純物排出処理を終了する。また、ステップＳ５４で陽イオン不純物の排出が可能な環境にないと判断された場合にも（ステップＳ５４：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ８０に移行して陽イオン不純物の排出が未完了であることを記録部に記録し、陽イオン不純物排出処理を終了する。
実施例９によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の発電（運転）が停止した後、燃料電池６０の温度が第１所定温度未満になるまで冷媒循環ポンプ９４を駆動させて冷媒流路９１内で冷却媒体を循環させる（ステップＳ６４、Ｓ６６）。そして、制御装置１１０は、燃料電池６０の温度が第１所定温度未満になって冷却媒体の循環を終了させた後に、カソードガス流路２０に空気を流通させて、貯水部２２に溜まった液水４２を排水させる（ステップＳ７６）。これにより、上述したように、燃料電池６０を内部から冷やすことができるため、膜電極接合体１０近傍で多くの結露水を発生させることができ、貯水部２２に多量の液水４２を溜めることができる。よって、貯水部２２内の液水４２に多量の陽イオン不純物４０が拡散できるようになり、この液水４２を排水することで多量の陽イオン不純物４０を外部に排出することができる。
また、実施例９によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０を停止させる信号を受けた際の燃料電池６０の温度が第２所定温度未満である場合、燃料電池６０の温度が第２所定温度以上になるまで燃料電池６０を発電させる（ステップＳ５６〜Ｓ６０）。そして、制御装置１１０は、燃料電池６０の温度が第２所定温度以上になって燃料電池６０を停止させた後に、燃料電池６０の温度が第１所定温度未満になるまで冷却媒体を循環させる（ステップＳ６４、Ｓ６６）。上述したように、燃料電池６０の温度を上昇させることで燃料電池６０内に含まれる水蒸気量を増大させることができるため、この状態で燃料電池６０を内部から冷やすことで、膜電極接合体１０近傍により多くの結露水を発生させることができる。
また、実施例９において、制御装置１１０は、ステップＳ５８において、通常発電よりも空気の供給量を少なくして燃料電池６０の温度が第２所定温度以上になるまで燃料電池６０の発電を行ってもよい。空気の供給量が少ないと生成水の量が少なくなるが、供給される空気の流速による排水の量も少なくなるため、トータルとしては燃料電池６０内に残留する液水の量を多くすることができるためである。また、実施例９では、イグニッションオフ信号を検出した後に、急速暖機と急速冷却の両方を実施したが、急速冷却のみを実施してもよい。急速冷却のみを実施した場合であっても、燃料電池６０内に残留する液水の量を多くすることができる。
実施例１０に係る燃料電池システムの構成は、実施例９と同じであるため、説明を省略する。図２５及び図２６は、実施例１０に係る燃料電池システムにおいて、制御装置１１０による陽イオン不純物処理の一例を示すフローチャートである。図２５及び図２６では、図２３及び図２４と比べて、ステップＳ５６で燃料電池６０の温度が第２所定温度以上であると判断された場合に（ステップＳ５６：Ｎｏ）、制御装置１１０は燃料電池６０のインピーダンス値が所定値（例えば８０ｍΩ）未満であるか否かを判断するステップＳ９０が追加されている。ステップＳ９０でインピーダンス値が所定値未満であると判断された場合に（ステップＳ９０：Ｙｅｓ）、制御装置１１０は、ステップＳ６２に移行する。ステップＳ９０でインピーダンス値が所定値以上であると判断された場合には（ステップＳ９０：Ｎｏ）、制御装置１１０は、ステップＳ８０に移行する。その他は、実施例９の図２３及び図２４と同じであるため、説明を省略する。
実施例１０によれば、制御装置１１０は、燃料電池６０の温度が第２所定温度以上であっても、燃料電池６０のインピーダンス値が所定値以上である場合には、燃料電池６０に対して急速冷却を行わない（ステップＳ９０）。燃料電池６０のインピーダンス値が所定値以上の場合では膜電極接合体１０は乾いた状態にあるため、燃料電池６０に対して急速冷却を行っても、膜電極接合体１０近傍に多くの結露水が発生しないことが考えられる。したがって、このような場合には、空気をカソードガス流路２０に流通させないことで、無駄な電力消費を抑制し、燃費を向上させることができる。
なお、実施例７から実施例１０では、燃料電池６０の要求出力に応じた発電量に対応するガス流量よりも多い流量の空気を流す場合を例に示したが、燃料電池６０の最大要求出力に応じた発電量に対応するガス流量よりも多い流量の空気を流してもよい。この場合、貯水部２２に溜まった液水４２の排水を促進させることができ、貯水部２２に液水４２が残留することを抑制できる。
なお、実施例１から実施例１０では、貯水部２２及び液水接続部２４がカソード側に設けられている場合を例に示したが、アノード側に設けられている場合でもよく、カソード側とアノード側との両方に設けられている場合でもよい。
なお、実施例７から実施例１０に示したフローチャートは一例であって、一部のステップを省略してもよいし、他のステップを追加してもよい。例えば、燃料電池６０の運転を停止する際に、ガス流路内にガスを流してガス流路内の液水を一旦排水する処理を追加してもよい。しかしながら、当該処理を行わない場合は、ガス流路内に既にある液水と冷却による結露水とが貯水部に溜まることから、当該処理を行わないことが好ましい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 膜電極接合体
１１ 電解質膜
１２ カソード触媒層
１３ アノード触媒層
１４ カソード側撥水層
１５ アノード側撥水層
１６ カソードガス拡散層
１７ アノードガス拡散層
１８ カソード側セパレータ
１９ アノード側セパレータ
２０ カソードガス流路
２１ アノードガス流路
２２ 貯水部
２４、２４ａ、２４ｂ 液水接続部
３０ 空気供給マニホールド
３１ 空気排出マニホールド
３２ 水素供給マニホールド
３３ 水素排出マニホールド
３４ 冷媒供給マニホールド
３５ 冷媒排出マニホールド
３６、３６ａ 第１溝部
３７ 第２溝部
３８ 排水抑制部
３９ａ 第１部分
３９ｂ 第２部分
４０ 陽イオン不純物
４１ プロトン
４２ 液水
５０ 親水膜
５２ 第１領域
５３ 第２領域
６０ 燃料電池
７０ 酸化剤ガス配管系
７１ エアコンプレッサ
８０ 燃料ガス配管系
９０ 冷却媒体配管系
９１ 冷媒流路
９３ ラジエータ
９４ 冷媒循環ポンプ
９ａ 温度センサ
１００ 負荷装置
１１０ 制御装置
１１１ ガス流量制御部
１１２ 冷媒循環制御部
１１３ 発電制御部
Ｈ３ インジェクタ

Claims (15)

  1. 燃料電池であって、
    電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、
    前記膜電極接合体の両側の側面に配置された撥水層と、
    前記撥水層の前記膜電極接合体とは反対側の面側に配置され、前記電極触媒層に供給されるガスを流通するガス流路と前記ガス流路に接続した排出マニホールドとを有するセパレータと、を備え、
    前記ガス流路は、前記燃料電池が車両に搭載される状態での重力方向で最も下側に位置する最下流路に、前記排出マニホールドへの液水の排水を抑制する排水抑制部と、前記排水抑制部よりも上流側で前記排水抑制部によって液水が溜まる貯水部と、を有し、
    前記撥水層には、前記電極触媒層側から前記セパレータ側に前記撥水層を貫通し、前記電極触媒層と前記貯水部との間で液水の接続を可能とする液水接続部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記ガス流路のうちの前記最下流路は、前記重力方向に交差する方向に延びた第１部分と前記第１部分から上方に延びて前記排出マニホールドに接続する第２部分とを有し、
    前記第１部分が前記貯水部として機能し、前記第２部分が前記排水抑制部として機能することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
  3. 前記第１部分は、前記排出マニホールドの直下まで延びていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
  4. 前記排水抑制部は、前記最下流路の壁面に設けられた撥水膜であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
  5. 前記排水抑制部は、前記最下流路に設けられた突起部であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
  6. 前記撥水層と前記セパレータとの間に配置されたガス拡散層を備え、
    前記液水接続部は、前記電極触媒層側から前記セパレータ側に前記撥水層と前記ガス拡散層とを貫通して設けられ、
    前記液水接続部と前記貯水部とが接していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の燃料電池。
  7. 前記ガス流路は、前記重力方向に交差する方向に延び、前記重力方向で並んだ複数の溝部を含んで形成され、
    前記複数の溝部のうちの前記貯水部が形成された溝部の断面積は他の溝部の断面積に比べて大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の燃料電池。
  8. 前記貯水部の容積は、前記膜電極接合体の最大含水量の２０％以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の燃料電池。
  9. 前記ガス流路は、前記重力方向に交差する方向に延び、前記重力方向で並んだ複数の溝部を含んで形成され、
    前記液水接続部の前記重力方向の長さは、前記複数の溝部のうちの前記液水接続部に対向する溝部と前記対向する溝部の隣に位置する溝部との間の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の燃料電池。
  10. 請求項１から９のいずれか一項記載の燃料電池と、
    前記ガス流路に流通させるガスの流量を制御するガス流量制御部と、を備え、
    前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の停止中又は起動時に、前記燃料電池の要求出力に応じた発電量に対応する第１ガス流量よりも大きな第２ガス流量で前記ガス流路にガスを流通させることを特徴とする燃料電池システム。
  11. 前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の総運転時間又は直前の運転時間が第１所定時間以上の場合に前記第２ガス流量でガスを流通させることを行い、前記第１所定時間未満の場合には前記第２ガス流量でガスを流通させることは行わないことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
  12. 前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の直前の停止時間が第２所定時間以上の場合に前記第２ガス流量でガスを流通させることを行い、前記第２所定時間未満の場合には前記第２ガス流量でガスを流通させることは行わないことを特徴とする請求項１０または１１記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池に供給されて前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒流路と、
    前記燃料電池の温度を検出する温度検出部と、
    前記冷媒流路内の前記冷媒の循環を制御する冷媒循環制御部と、を備え、
    前記冷媒循環制御部は、前記燃料電池の発電が停止した後、前記燃料電池の温度が第１所定温度未満になるまで前記冷媒流路内で前記冷媒を循環させ、
    前記ガス流量制御部は、前記燃料電池の温度が前記第１所定温度未満になって前記冷媒の循環が終了した後に、前記第２ガス流量でガスを流通させることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  14. 前記燃料電池を停止させる信号を受けた際の前記燃料電池の温度が第２所定温度未満である場合、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度以上になるまで前記燃料電池の発電を行う発電制御部を備え、
    前記冷媒循環制御部は、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度以上になって前記燃料電池が停止した後に、前記燃料電池の温度が前記第１所定温度未満になるまで前記冷媒流路内で前記冷媒を循環させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
  15. 前記発電制御部は、前記燃料電池の要求出力に応じた発電よりもガス供給量を少なくして、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度以上になるまで前記燃料電池の発電を行うことを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
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