JP6974205B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流で流れる燃料電池では、酸化剤ガス流路の入口近傍（言い換えると、燃料ガス流路の出口近傍）で乾燥が起こり易いことが知られている。そこで、酸化剤ガス流路の入口近傍が乾燥している場合に、燃料ガス流量を増加及び／又は燃料ガス圧力を低下させることで、酸化剤ガス流路の入口近傍の乾燥を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１）。また、高温発電時において、高出力化による燃料ガス流量の増加によって燃料ガス流路の入口近傍で乾燥が起こり易くなることが知られている。例えば、１．４Ａ／ｃｍ２以上の電流密度による発電の際に、燃料ガス流路の入口近傍の乾燥を抑制するために、酸化剤ガスのストイキ比を通常条件の場合よりも低下させる及び／又は燃料ガスのストイキ比を通常条件の場合よりも低下させることが知られている（例えば、特許文献２）。
特表２０１０−５３８４１５号公報 国際公開第２０１４／０１７０２８号
しかしながら、燃料電池の温度が高く且つ燃料電池の発電量が大きい場合に、燃料電池の乾燥を抑制して発電性能を改善する点において、改良の余地が残されている。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発電性能を改善することを目的とする。
本発明は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路と酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路とを有し、前記燃料ガス流路の入口が前記酸化剤ガス流路の入口よりも前記酸化剤ガス流路の出口に近く、前記燃料ガス流路の出口が前記酸化剤ガス流路の出口よりも前記酸化剤ガス流路の入口に近い燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部を制御して前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を制御することを特徴とする供給量制御部と、を備え、前記供給量制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度よりも高く且つ前記燃料電池の発電量が所定発電量よりも大きい高温高出力の場合での前記酸化剤ガスのストイキ比が、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高く且つ前記燃料電池の発電量が前記所定発電量以下である高温低出力の場合での前記酸化剤ガスのストイキ比及び前記燃料電池の温度が前記所定温度以下の場合でぼ前記酸化剤ガスのストイキ比よりも大きくなるように、前記酸化剤ガス供給部を制御す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、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備え、前記供給量制御部は、前記燃料ガス供給部を制御して前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を制御することを特徴とし、前記供給量制御部は、前記高温高出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比が、前記高温低出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比よりも小さくなるように、前記燃料ガス供給部を制御することを特徴とする構成とすることができる。
上記構成において、前記供給量制御部は、前記高温高出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比が、前記高温低出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比と前記燃料電池の温度が前記所定温度以下の場合での前記燃料ガスのストイキ比との間の値となるように、前記燃料ガス供給部を制御することを特徴とする構成とすることができる。
上記構成において、前記所定温度は７０℃以上である構成とすることができる。
上記構成において、前記燃料電池の発電量が前記所定発電量よりも大きいとは、前記燃料電池の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２以上である所定電流密度よりも大きい場合である構成とすることができる。
上記構成において、前記燃料電池の発電量が前記所定発電量よりも大きいとは、前記燃料電池の電圧が０．７５Ｖ以下である所定電圧よりも小さい場合である構成とすることができる。
本発明によれば、発電性能を改善することができる。
図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２（ａ）は、単セルの断面図、図２（ｂ）は、アノードセパレータ側から見た単セルの平面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、燃料電池の高温発電時に生じる課題を説明するための図である。 図４は、乾燥抑制処理の一例を示すフローチャートである 図５は、燃料電池の温度とセル電圧との関係を示す図である。 図６（ａ）は、実施例１と比較例１の高温高出力時におけるセル電圧を比較した結果を示す図、図６（ｂ）は、実施例１と比較例１の高温高出力時における電流密度分布を比較した結果を示す図である。 図７は、高温時における燃料電池の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）の測定結果を示す図である。 図８（ａ）は、実施例１、実施例２、比較例１、参考例１、及び参考例２の高温高出力時におけるセル電圧を比較した結果を示す図、図８（ｂ）は、実施例２、比較例１、参考例１、及び参考例２の高温高出力時における電流密度分布を比較した結果を示す図である。 図９（ａ）は、変形例１に係る単セルをアノードセパレータ側から見た平面図、図９（ｂ）は、変形例２に係る単セルをアノードセパレータ側から見た平面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。燃料電池システムは、例えば燃料電池車両などに搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。図１のように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、冷媒配管系６０、電力系７０、及び制御ユニット８０を備える。酸化剤ガス配管系３０は、カソードガスと称される酸化剤ガス（例えば空気）を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０で消費されなかった酸化剤排ガスを排出する。燃料ガス配管系４０は、アノードガスと称される燃料ガス（例えば水素）を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０で消費されなかった燃料排ガスを排出する。冷媒配管系６０は、燃料電池１０を冷却する冷媒を燃料電池１０に循環させる。電力系７０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット８０は、システム全体を統括制御する。燃料電池１０には、電流センサ１及び電圧センサ２が取り付けられている。電流センサ１は、燃料電池１０と直流配線に接続されていて、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御ユニット８０に送信する。電圧センサ２は、燃料電池１０の各単セル間に接続されていて、燃料電池１０の電圧を計測し、制御ユニット８０に送信する。
燃料電池１０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。図２（ａ）は、単セルの断面図、図２（ｂ）は、アノードセパレータ側から見た単セルの平面図である。図２（ａ）のように、単セル１１は、膜電極ガス拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称す）１６と、ＭＥＧＡ１６を挟持するアノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃと、を含む。ＭＥＧＡ１６は、アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称す）１４と、を含む。
ＭＥＡ１４は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面に設けられたアノード触媒層１３ａと、電解質膜１２の他方の面に設けられたカソード触媒層１３ｃと、を含む。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有する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。アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃ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、例えば炭素繊維又は黒鉛繊維などの多孔質の繊維部材によって形成されている。
アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃ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いる。例えば、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属部材又は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によって形成されている。
図２（ｂ）のように、アノードセパレータ１７ａは、略矩形状であり、周辺部に燃料ガスが供給されるアノード入口ａ１及び排出されるアノード出口ａ２、酸化剤ガスが供給されるカソード入口ｃ１及び排出されるカソード出口ｃ２、冷媒が供給される冷媒入口ｗ１及び排出される冷媒出口ｗ２が形成されている。図示は省略するが、カソードセパレータ１７ｃも、アノードセパレータ１７ａと同様に、略矩形状をしていて、アノード入口ａ１、アノード出口ａ２、カソード入口ｃ１、カソード出口ｃ２、冷媒入口ｗ１、及び冷媒出口ｗ２が形成されている。複数の単セル１１のアノード入口ａ１によって燃料ガス供給マニホールドが画定され、アノード出口ａ２によって燃料ガス排出マニホールドが画定され、カソード入口ｃ１によって酸化剤ガス供給マニホールドが画定され、カソード出口ｃ２によって酸化剤ガス排出マニホールドが画定される。冷媒入口ｗ１によって冷媒供給マニホールドが画定され、冷媒出口ｗ２によって冷媒排出マニホールドが画定される。
アノード入口ａ１及び冷媒出口ｗ２は、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃの短辺の一方側に短手方向で並んで形成されている。冷媒入口ｗ１及びアノード出口ａ２は、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃの短辺の他方側に短手方向に並んで形成されている。カソード入口ｃ１は、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃの長辺の一方側に長手方向に２つ並んで形成されている。カソード出口ｃ２は、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃの長辺の他方側に長手方向に２つ並んで形成されている。
アノードセパレータ１７ａの中央に、燃料ガスが流れる燃料ガス流路１８が形成されている。燃料ガス流路１８は、所謂サーペンタイン型の流路であり、燃料ガスをアノード入口ａ１からアノード出口ａ２へと誘導する。燃料ガス流路１８は、アノード入口ａ１から離れ冷媒入口ｗ１に向けてアノードセパレータ１７ａの長辺と略平行に略直線状に延び、冷媒入口ｗ１の近傍で屈曲して、冷媒入口ｗ１から冷媒出口ｗ２に向けてアノードセパレータ１７ａの長辺と略平行に略直線状に延びている。燃料ガス流路１８は、冷媒出口ｗ２の近傍で屈曲し、冷媒出口ｗ２から離れアノード出口ａ２に向けてアノードセパレータ１７ａの長辺と略平行に略直線状に延びている。燃料ガスの流れる方向を実線の矢印で示している。なお、冷媒入口ｗ１と冷媒出口ｗ２の位置は、特に限定されない。例えば、冷媒入口ｗ１と冷媒出口ｗ２の位置がそれぞれ図２（ｂ）と逆に配置されて、冷媒の流れる向きが図２（ｂ）と逆向きであってもよい。
カソードセパレータ１７ｃには、酸化剤ガスをカソード入口ｃ１からカソード出口ｃ２へ誘導する酸化剤ガス流路１９が形成されている。図２（ｂ）では、酸化剤ガス流路１９を破線で示している。酸化剤ガス流路１９は、カソードセパレータ１７ｃの短手方向に沿って略直線状に延びている。酸化剤ガスの流れる方向を破線の矢印で示している。
アノード入口ａ１はカソード入口ｃ１よりもカソード出口ｃ２の近くに位置し、アノード出口ａ２はカソード出口ｃ２よりもカソード入口ｃ１の近くに位置している。したがって、燃料ガス流路１８の入口２０は酸化剤ガス流路１９の入口２２よりも出口２３の近くに位置し、燃料ガス流路１８の出口２１は酸化剤ガス流路１９の出口２３よりも入口２２の近くに位置している。すなわち、燃料ガス流路１８を流れる燃料ガスと酸化剤ガス流路１９を流れる酸化剤ガスとは略対向流となっている。
図１のように、酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガス供給配管３１、エアコンプレッサ３２、エアフロメータ３３、開閉弁３４、加湿モジュール３５、酸化剤ガス排出配管３６、調圧弁３７、及び圧力センサ３を備える。なお、加湿モジュール３５は備えていない場合でもよい。酸化剤ガス供給配管３１は、燃料電池１０のカソードの入口側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、酸化剤ガス供給配管３１を介して燃料電池１０と接続されていて、外気を取り込んで圧縮した空気をカソードガスとして燃料電池１０に供給する。エアコンプレッサ３２は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部の一例である。エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２よりも上流側に取り付けられ、エアコンプレッサ３２が取り込む空気の量を計測し、制御ユニット８０に送信する。制御ユニット８０は、エアフロメータ３３の計測値に基づいてエアコンプレッサ３２の駆動を制御することにより、燃料電池１０への空気の供給量を制御する。
開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられていて、酸化剤ガス供給配管３１における空気の流れに応じて開閉する。例えば、開閉弁３４は、通常時では閉じた状態にあり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が酸化剤ガス供給配管３１を流れたときに開く。加湿モジュール３５は、エアコンプレッサ３２から送り出された高圧空気を加湿する。加湿モジュール３５は、酸化剤ガス排出配管３６にも接続されていて、カソード排ガスの水分を高圧空気の加湿に用いる。
酸化剤ガス排出配管３６は、燃料電池１０のカソードの出口側に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁３７は、酸化剤ガス排出配管３６におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力センサ３は、調圧弁３７よりも上流側に取り付けられ、カソード排ガスの圧力を計測し、制御ユニット８０に送信する。制御ユニット８０は、圧力センサ３の計測値に基づいて調圧弁３７の開度を調整する。
燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給配管４１、水素タンク４２、開閉弁４３、レギュレータ４４、水素供給部４５、圧力センサ４、燃料ガス排出配管４６、気液分離器４７、燃料ガス循環配管４８、循環ポンプ４９、アノード排水配管５０、及び排水弁５１を備える。水素タンク４２は、燃料ガス供給配管４１を介して燃料電池１０のアノードの入口側と接続されている。開閉弁４３と、レギュレータ４４と、水素供給部４５と、圧力センサ４とは、燃料ガス供給配管４１にこの順序で上流側（水素タンク４２側）から設けられている。
開閉弁４３は、制御ユニット８０からの指令により開閉し、水素タンク４２から水素供給部４５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ４４は、水素供給部４５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御ユニット８０によって制御される。水素供給部４５は、例えば電磁弁式の開閉弁であるインジェクタによって構成されていて、水素タンク４２からの水素をアノードガスとして燃料電池１０に供給する。水素供給部４５は、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部の一例である。圧力センサ４は、水素供給部４５の下流側の水素の圧力を計測し、制御ユニット８０に送信する。制御ユニット８０は、圧力センサ４の計測値に基づいて水素供給部４５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。
燃料ガス排出配管４６は、燃料電池１０のアノードの出口側と気液分離器４７とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素又は窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離器４７へと誘導する。気液分離器４７は、燃料ガス循環配管４８とアノード排水配管５０とに接続されている。気液分離器４７は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については燃料ガス循環配管４８へと誘導し、水分についてはアノード排水配管５０へと誘導する。燃料ガス循環配管４８は、燃料ガス供給配管４１の水素供給部４５より下流側に接続されている。燃料ガス循環配管４８には循環ポンプ４９が設けられている。気液分離器４７において分離された気体成分に含まれる水素は、循環ポンプ４９によって、燃料ガス供給配管４１へと送り出される。このように、燃料電池システム１００は、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて再び燃料電池１０に供給することで、水素の利用効率を向上させている。
アノード排水配管５０は、気液分離器４７において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁５１は、アノード排水配管５０に設けられていて、制御ユニット８０からの指令に応じて開閉する。制御ユニット８０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常時では排水弁５１を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミング又はアノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁５１を開く。
冷媒配管系６０は、冷媒配管６１、ラジエータ６２、三方弁６３、循環ポンプ６４、及び温度センサ６、７を備える。冷媒配管６１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管６１ａと下流側配管６１ｂとバイパス配管６１ｃとで構成されている。上流側配管６１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒排出マニホールドの出口とラジエータ６２の入口とを接続する。下流側配管６１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒供給マニホールドの入口とラジエータ６２の出口とを接続する。バイパス配管６１ｃは、一端が三方弁６３を介して上流側配管６１ａに接続され、他端が下流側配管６１ｂに接続されている。制御ユニット８０は、三方弁６３の開閉を制御することにより、バイパス配管６１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ６２への冷媒の流入量を制御する。
ラジエータ６２は、冷媒配管６１に設けられていて、冷媒配管６１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることによって冷媒を冷却する。循環ポンプ６４は、下流側配管６１ｂにおいて、バイパス配管６１ｃの接続箇所よりも下流側（燃料電池１０側）に設けられていて、制御ユニット８０の指令に基づき駆動する。温度センサ６及び７はそれぞれ上流側配管６１ａと下流側配管６１ｂとに設けられていて、冷媒の温度を計測し、計測値を制御ユニット８０へと送信する。制御ユニット８０は、例えば温度センサ６の計測値から燃料電池１０の温度を検出する。または、制御ユニット８０は、例えば温度センサ６及び７それぞれの計測値の差から燃料電池１０内部の温度差を検出する。制御ユニット８０は、検出した燃料電池１０の温度または温度差に基づき、循環ポンプ６４の回転数を制御して、燃料電池１０の温度を調整する。
電力系７０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７１、バッテリ７２、トラクションインバータ７３、補機インバータ７４、トラクションモータＭ３、及び補機モータＭ４を備える。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７１は、バッテリ７２からの直流電圧を調整してトラクションインバータ７３側に出力でき、燃料電池１０からの直流電圧又はトラクションインバータ７３により直流に変換されたトラクションモータＭ３からの電圧を調整してバッテリ７２に出力可能である。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７１により、燃料電池１０の出力電圧が制御される。
バッテリ７２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電及び補助的な電力供給が可能である。燃料電池１０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７１により昇降圧され、バッテリ７２に充電される。バッテリ７２には、充電状態を検出するＳＯＣセンサ８が取り付けられている。
トラクションインバータ７３及び補機インバータ７４は、燃料電池１０又はバッテリ７２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へと供給する。トラクションモータＭ３は、車輪９０を駆動する。トラクションモータＭ３には、その回転数を検出する回転数検出センサ９が取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータである。
制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only 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ている。制御ユニット８０は、入力される各センサ信号に基づき、燃料電池システム１００の各部を統合的に制御して、燃料電池システム１００の運転を制御する。例えば、制御ユニット８０は、アクセルペダル９１の回動を検出するアクセルペダルセンサ９２、ＳＯＣセンサ８、及び回転数検出センサ９から送出されるセンサ信号に基づいて、燃料電池１０に対する要求出力値を算出する。ＲＯＭには、燃料電池システム１００の運転プログラム、並びに、燃料電池システム１００の制御に用いられる各種マップ及び各種閾値が記憶されている。制御ユニット８０は、例えば各センサ信号などに基づいて、各種弁、循環ポンプ、及びエアコンプレッサなどを制御し、後述する燃料電池１０の乾燥を抑制する処理を含む燃料電池システム１００の運転を制御する。制御ユニット８０は、乾燥抑制処理において、供給量制御部として機能する。
ここで、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となって流れる燃料電池１０の高温発電時に生じる課題について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、燃料電池の高温発電時に生じる課題を説明するための図である。図３（ａ）は、燃料電池１０が高温且つ低出力（低発電量）の場合における燃料ガス流路１８の入口２０から出口２１にかけての燃料電池１０の湿度分布及び発電電流密度分布を示す図である。図３（ｂ）は、燃料電池１０が高温且つ高出力（高発電量）の場合における燃料ガス流路１８の入口２０から出口２１にかけての燃料電池１０の湿度分布及び発電電流密度分布を示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）において、湿度分布を実線で示し、発電電流密度分布を一点鎖線で示している。
図３（ａ）のように、燃料電池１０が高温低出力の場合では、燃料ガス流路１８の出口２１近傍の湿度が低下し、その結果、燃料ガス流路１８の出口２１近傍での発電性能が低下する。燃料ガス流路１８の出口２１近傍の湿度が低下するのは、低出力時では発電によって発生する生成水の量が少なく且つ酸化剤ガス流路１９に乾燥した酸化剤ガスが流入するために酸化剤ガス流路１９の入口２２近傍が乾燥し易いため、その結果、燃料ガス流路１８の出口２１近傍が乾燥し易くなるためである。
図３（ｂ）のように、燃料電池１０が高温高出力の場合では、燃料ガス流路１８の入口２０近傍の湿度が低下し、その結果、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での発電性能が低下する。燃料ガス流路１８の入口２０近傍の湿度が低下するのは、燃料ガス流路１８に乾燥した大量の燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流路１８の入口２０近傍が乾燥し易くなるためである。また、アノード排ガスを循環させて燃料電池１０に再度供給する場合では、加湿された燃料ガスも燃料ガス流路１８に流れ込むことになるが、燃料電池１０が高温であることから相対湿度が低くなり、その結果、燃料ガス流路１８の入口２０近傍が乾燥し易くなるためである。
次に、燃料電池１０の高温時の乾燥を抑制して、発電性能を改善させる制御について説明する。図４は、乾燥抑制処理の一例を示すフローチャートである。図４に示す各ステップの判定及び制御は、燃料電池１０の発電中に繰り返し行われる。図４のように、制御ユニット８０は、燃料電池システム１００が起動すると、運転者からの燃料電池車両に対する駆動要求に基づいて燃料電池１０を発電させる通常運転を実行する（ステップＳ１０）。通常運転は、燃料電池１０の温度が高温でない状態での運転である。制御ユニット８０は、燃料電池１０の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）及び電流電力特性（Ｉ−Ｐ特性）などの発電特性を示す情報を予め記憶している。制御ユニット８０は、Ｉ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性に基づいて、燃料電池１０の運転を実行する。なお、通常運転においては、燃料電池１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのストイキ比として、例えば燃料ガスのストイキ比を１．２５、酸化剤ガスのストイキ比を１．５とする。ここで、ストイキ比とは、燃料電池の発電量に対して理論的に必要な反応ガスの量（反応ガスの理論的消費量）に対する実際の反応ガスの供給量の比である。
次いで、制御ユニット８０は、通常運転の実行中に、所定の周期、例えば１００ｍｓｅｃ毎に燃料電池１０が高温状態にあるか否か、すなわち燃料電池１０の温度が予め記憶された所定温度よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１２）。燃料電池１０の温度は、例えば温度センサ６に基づいて取得することができる。所定温度は、例えば７０℃である。したがって、制御ユニット８０は、例えば燃料電池１０の温度が７０℃よりも高いか否かを判定する。なお、所定の周期は、特に限定されず、１０ｍｓｅｃ毎でもよいし、１ｓｅｃ毎でもよい。
ここで、所定温度を７０℃とした理由を説明する。図５は、燃料電池の温度とセル電圧との関係を示す図である。図５の横軸は、温度センサ６で計測される燃料電池１０の温度である。図５の縦軸は、電流密度が３．２Ａ／ｃｍ２のときのセル電圧である。図５のように、燃料電池１０の温度が７０℃を超えると、電解質膜１４の乾燥が進んで発電性能が低下する。図４のフローチャートで実行する乾燥抑制処理は高温時の乾燥を抑制することを目的としていることから、図５の結果を踏まえて、所定温度を７０℃としている。なお、燃料電池１０の温度が７０℃以上であれば電解質膜１４の乾燥が進んで発電性能が低下することから、所定温度は７０℃以上である場合が好ましく、８０℃以上でも良いし、９０℃以上でも良い。
制御ユニット８０は、燃料電池１０の温度が所定温度以下であると判定した場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、通常運転を継続する（ステップＳ１０）。一方、制御ユニット８０は、燃料電池１０の温度が所定温度よりも高いと判定した場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。例えば、制御ユニット８０は、燃料電池１０の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２よりも高いか否かを判定する。燃料電池１０の電流密度は、例えば電流センサ１で計測された電流値に基づいて求めることができる。所定発電量の詳細については、後述する。
制御ユニット８０は、燃料電池１０の発電量が所定発電量以下であると判定した場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、燃料ガス及び酸化剤ガスのストイキ比を低出力用のストイキ比とする（ステップＳ１６）。例えば、燃料ガスのストイキ比を１．６６、酸化剤ガスのストイキ比を１．３とする。なお、以下において、燃料電池１０の温度が所定温度よりも高く且つ発電量が所定発電量以下の場合を高温低出力と称す場合がある。一方、制御ユニット８０は、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きいと判定した場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、燃料ガス及び酸化剤ガスのストイキ比を高出力用のストイキ比とする（ステップＳ１８）。例えば、燃料ガスのストイキ比は低出力用のストイキ比と同じ１．６６とし、酸化剤ガスのストイキ比は低出力用のストイキ比と比べて高い１．６５とする。なお、以下において、燃料電池１０の温度が所定温度よりも高く且つ発電量が所定発電量よりも大きい場合を高温高出力と称す場合がある。制御ユニット８０は、水素供給部４５を制御して燃料ガスの供給量を制御することで燃料ガスのストイキ比を制御し、エアコンプレッサ３２を制御して酸化剤ガスの供給量を制御することで酸化剤ガスのストイキ比を制御することができる。
次いで、制御ユニット８０は、燃料電池１０の温度が所定温度よりも高い状態を継続しているか否かを判定する（ステップＳ２０）。所定温度よりも高い状態を継続している場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）にはステップＳ１４に戻り、所定温度以下の状態になった場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）にはステップＳ１０に戻る。
このように、実施例１では、燃料電池１０が高温高出力である場合には、燃料電池１０が高温低出力である場合と比べて、酸化剤ガスのストイキ比を大きくしている。ここで、酸化剤ガスのストイキ比を、燃料電池１０が高温高出力である場合でも、高温低出力である場合と同じ大きさに制御する場合を比較例１する。すなわち、比較例１では、燃料ガスのストイキ比及び酸化剤ガスのストイキ比は共に、高温高出力の場合と高温低出力の場合とで同じ大きさである。実施例１及び比較例１の燃料ガスのストイキ比及び酸化剤ガスのストイキ比の例を表１にまとめる。
Figure 0006974205
図６（ａ）は、実施例１と比較例１の高温高出力時におけるセル電圧を比較した結果を示す図、図６（ｂ）は、実施例１と比較例１の高温高出力時における電流密度分布を比較した結果を示す図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、燃料電池１０の温度が１００℃、燃料電池１０のアノード入口近傍での圧力及び燃料電池１０のカソード入口近傍での圧力のそれぞれを所定の圧力に固定し、燃料ガス流路１８に供給される燃料ガスの露点温度が４５℃であり、酸化剤ガス流路１９には無加湿の酸化剤ガスが供給されるときの測定結果である。図６（ａ）の縦軸は、電流密度が３．２Ａ／ｃｍ２のときのセル電圧である。
図６（ａ）のように、実施例１は、比較例１に比べて、高温高出力時における発電性能が改善している。また、図６（ｂ）のように、実施例１は、比較例１に比べて、高温高出力時における電流密度分布が改善している。燃料電池１０が高温高出力のときは、図３（ｂ）で説明したように、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での湿度が低く、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での発電性能が低くなる。実施例１では、燃料電池１０が高温高出力である場合には、燃料電池１０が高温低出力である場合と比べて、酸化剤ガスのストイキ比を大きくしている。このため、燃料ガス流路１８の入口２０側に対向する酸化剤ガス流路１９の酸素分圧を上げることができ、発電による生成水量が増加して、燃料ガス流路１８の入口２０近傍でのカソードからアノードへの水分の移動量を増加させることができる。よって、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での乾燥が抑制され、図６（ｂ）のように燃料ガス流路１８の入口２０近傍での電流密度が改善し、その結果、図６（ａ）のように発電性能が改善したものと考えられる。
以上のように、実施例１によれば、制御ユニット８０は、高温高出力時での酸化剤ガスのストイキ比が高温低出力時での酸化剤ガスのストイキ比（例えば１．３）よりも大きくなるように（例えば１．６５）、エアコンプレッサ３２を制御する。これにより、図６（ａ）及び図６（ｂ）で説明したように、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での電解質膜１４の乾燥が抑制され、その結果、発電性能を改善することができる。なお、燃料電池１０が高温高出力のときに、特許文献２に記載のように、燃料ガスのストイキ比を通常条件よりも低下させて発電性能を改善することもできるが、燃料ガスのストイキ比を小さくしすぎると、燃料電池１０内の一部で燃料ガスの供給不足が発生して、燃料電池の触媒を劣化させるおそれがある。一方、実施例１のように酸化剤ガスのストイキ比を大きくした場合には、触媒の劣化を懸念することなく、発電性能を改善できる。
また、実施例１によれば、制御ユニット８０は、高温高出力時での酸化剤ガスのストイキ比が、高温低出力時での酸化剤ガスのストイキ比（例えば１．３）及び所定温度以下の場合での酸化剤ガスのストイキ比（例えば１．５）よりも大きくなるように（例えば１．６５）、エアコンプレッサ３２を制御している。これにより、図６（ａ）及び図６（ｂ）のように、発電性能を改善することができる。
まず、高温時における燃料電池１０の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）について説明する。図７は、高温時における燃料電池の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）の測定結果を示す図である。図７の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）、縦軸はセル電圧（Ｖ）である。また、図７では、燃料ガス流路１８に供給される燃料ガスのストイキ比及び酸化剤ガス流路１９に供給される酸化剤ガスのストイキ比を異ならせた２つの場合のＩＶ特性の測定結果を示している。燃料ガスのストイキ比が１．４、酸化剤ガスのストイキ比が１．６５のときを条件１として、図７中に実線で示している。燃料ガスのストイキ比が１．６６、酸化剤ガスのストイキ比が１．３のときを条件２として、図７中に一点鎖線で示している。なお、図７のＩＶ特性は、以下の条件の下で測定されたものである。すなわち、燃料電池１０の温度を１００℃、燃料電池１０のアノード入口近傍での圧力及び燃料電池１０のカソード入口近傍での圧力をそれぞれ所定の圧力に固定して評価を実施した。燃料ガス流路１８に露点温度４５℃の燃料ガスが供給され、酸化剤ガス流路１９に無加湿の酸化剤ガスが供給されるとした。
図７のように、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２以上且つ１．５Ａ／ｃｍ２以下の中出力領域では、条件１の場合と条件２の場合とでセル電圧は同等であった。一方、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２未満の低出力領域では、条件２の場合は条件１の場合と比べてセル電圧が高く、電流密度が１．５Ａ／ｃｍ２よりも大きい高出力領域では、条件１の場合は条件２の場合と比べてセル電圧が高くなった。
低出力時において、燃料ガスのストイキ比を大きく、酸化剤ガスのストイキ比を小さくすることで発電性能が改善したのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、燃料電池１０が高温低出力のときは、図３（ａ）のように、燃料ガス流路１８の出口２１近傍での湿度が低く、その結果、燃料ガス流路１８の出口２１近傍での発電性能が低くなる。この場合に、燃料ガスのストイキ比を大きくすることで、燃料ガスが燃料ガス流路１８の出口２１側に持ち運ぶ水分量が多くなり、燃料ガス流路１８の出口２１近傍での乾燥が抑制される。また、酸化剤ガスのストイキ比を小さくすることで、乾燥した空気が過剰に供給されることが抑制され、燃料ガス流路１８の出口２１近傍での乾燥が抑制される。その結果、発電性能が改善したものと考えられる。
一方、高出力時において、燃料ガスのストイキ比を小さく、酸化剤ガスのストイキ比を大きくすることで発電性能が改善したのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、燃料電池１０が高温高出力のときは、図３（ｂ）のように、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での湿度が低く、その結果、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での発電性能が低くなる。この場合に、燃料ガスのストイキ比を小さくすることで、低湿度の燃料ガスが過剰に供給されることが抑制され、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での乾燥が抑制される。また、酸化剤ガスのストイキ比を大きくすることで、燃料ガス流路１８の入口２０側に対向する酸化剤ガス流路１９の酸素分圧を上げることができるため発電による生成水量が増加して、燃料ガス流路１８の入口２０近傍でのカソードからアノードへの水分の移動量が増加し、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での乾燥が抑制される。その結果、発電性能が改善したものと考えられる。なお、図７は燃料電池１０の温度が１００℃の場合での実験結果であるが、図５で説明したように燃料電池１０の温度が７０℃を超えると電解質膜１４が乾燥し易くなって発電性能が低下することを踏まえると、燃料電池１０の温度が７０℃を超える場合では、図７と同様の結果が得られると言える。
そこで、このようなことを踏まえて、燃料電池１０の乾燥を抑制して、発電性能を改善させる実施例２について説明する。実施例２に係る燃料電池システムの構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。また、実施例２における乾燥抑制処理は、実施例１の図４におけるステップＳ１８が異なる点以外は同じであるため、この点だけを説明する。実施例２では、図４のステップＳ１８において、制御ユニット８０は、高出力用のストイキ比として、燃料ガスのストイキ比を低出力用のストイキ比（例えば１．６６）よりも小さなストイキ比（例えば１．４）とし、酸化剤ガスのストイキ比を低出力用のストイキ比（例えば１．３）よりも大きなストイキ比（例えば１．６５）とする。
このように、実施例２では、燃料電池１０が高温高出力である場合には、燃料電池１０が高温低出力である場合と比べて、燃料ガスのストイキ比を小さくし且つ酸化剤ガスのストイキ比を大きくしている。ここで、燃料ガスのストイキ比及び酸化剤ガスのストイキ比を、燃料電池１０が高温高出力である場合でも高温低出力である場合と同じ大きさに制御する例を比較例１とする。また、燃料電池１０が高温高出力である場合には、燃料電池１０が高温低出力である場合と比べて、燃料ガスのストイキ比を小さくし、酸化剤ガスのストイキ比は同じにした例を参考例１及び参考例２とする。実施例１、実施例２、比較例１、参考例１、及び参考例２の燃料ガスのストイキ比及び酸化剤ガスのストイキ比の例を表２にまとめる。
Figure 0006974205
図８（ａ）は、実施例１、実施例２、比較例１、参考例１、及び参考例２の高温高出力時におけるセル電圧を比較した結果を示す図、図８（ｂ）は、実施例２、比較例１、参考例１、及び参考例２の高温高出力時における電流密度分布を比較した結果を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、燃料電池１０の温度が１００℃、燃料電池１０のアノード入口近傍での圧力及び燃料電池１０のカソード入口近傍での圧力のそれぞれを所定の圧力に固定し、燃料ガス流路１８に供給される燃料ガスの露点温度が４５℃であり、酸化剤ガス流路１９には無加湿の酸化剤ガスが供給されるときの測定結果である。図８（ａ）の縦軸は、電流密度が３．２Ａ／ｃｍ２のときのセル電圧である。
図８（ａ）のように、実施例２は、比較例１、参考例１、及び参考例２に比べて、発電性能が大きく改善している。実施例２では、燃料ガスのストイキ比を変えずに酸化剤ガスのストイキ比だけを大きくした実施例１のセル電圧の改善量と、酸化剤ガスのストイキ比を変えずに燃料ガスのストイキ比だけを小さくした参考例１又は参考例２のセル電圧の改善量とを加えた以上の大きなセル電圧の改善量が得られている。図８（ｂ）のように、実施例２は、比較例１、参考例１、及び参考例２に比べて、燃料ガス流路１８の入口２０から出口２１にかけての電流密度分布が改善している。なお、図８（ｂ）において、比較例１、参考例１、及び参考例２の電流密度分布は同程度であり、明確化のために１本の点線で示している。図７で説明したように、高温高出力時においては、燃料ガスのストイキ比を小さくすることで低湿度の燃料ガスが過剰に供給されることが抑制され、酸化剤ガスのストイキ比を大きくすることで燃料ガス流路１８の入口２０近傍でのカソードからアノードへの水分の移動量を増加させることができる。これにより、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での乾燥が抑制される。実施例２では、高温高出力時において燃料ガスのストイキ比を小さくし且つ酸化剤ガスのストイキ比を大きくしているため、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での乾燥が抑制され、図８（ｂ）のように燃料ガス流路１８の入口２０近傍での電流密度が改善し、図８（ａ）のように発電性能が改善したと考えられる。
以上のように、実施例２によれば、制御ユニット８０は、高温高出力時での酸化剤ガスのストイキ比が高温低出力時よりも大きくなるようにエアコンプレッサ３２を制御し、且つ、高温高出力時での燃料ガスのストイキ比が高温低出力時よりも小さくなるように水素供給部４５を制御する。これにより、図８（ａ）及び図８（ｂ）で説明したように、燃料ガス流路１８の入口２０近傍での電解質膜１４の乾燥が抑制されて電流密度が改善し、その結果、発電性能を改善することができる。また、実施例２のように高温高出力時での酸化剤ガスのストイキ比を大きくし且つ燃料ガスのストイキ比を小さくすることで、図８（ａ）のように、実施例１の酸化剤ガスのストイキ比だけを大きくした場合と参考例１又は２の燃料ガスのストイキ比だけを小さくした場合とのそれぞれの発電性能の改善量を加えた以上の大きな発電性能の改善効果が得られる。
また、実施例２によれば、制御ユニット８０は、高温高出力時での酸化剤ガスのストイキ比が、高温低出力時での酸化剤ガスのストイキ比（例えば１．３）及び燃料電池１０が所定温度以下の場合での酸化剤ガスのストイキ比（例えば１．５）よりも大きくなるように（例えば１．６５）、エアコンプレッサ３２を制御している。且つ、制御ユニット８０は、高温高出力時での燃料ガスのストイキ比が、高温低出力時での燃料ガスのストイキ比（例えば１．６６）と燃料電池１０が所定温度以下の場合での燃料ガスのストイキ比（例えば１．２５）との間の値となるように、水素供給部４５を制御している。これにより、図８（ａ）及び図８（ｂ）のように、発電性能を大きく改善することができる。
実施例１及び実施例２では、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きい場合として、燃料電池１０の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２よりも大きい場合を例に説明したが、この場合に限られる訳ではない。図７のように、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２以上の場合に、酸化剤ガスのストイキ比を大きくし且つ燃料ガスのストイキ比を小さくした条件１の発電性能は条件２の発電性能と同等以上になる。このことから、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きい場合として、燃料電池１０の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２以上である所定電流密度よりも大きい場合としてもよい。また、図７のように、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２以上であれば、条件１の発電性能は条件２の発電性能と同等以上となることから、所定電流密度は１．２Ａ／ｃｍ２である場合でも良く、１．５Ａ／ｃｍ２である場合でも良く、２．０Ａ／ｃｍ２である場合でも良い。
実施例１及び実施例２において、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きいか否かの判定を、燃料電池１０の電流密度の他に、燃料電池１０の出力電流、電圧、又は電力を用いて判定してもよい。例えば、図７のように、燃料電池１０の電圧が０．７５Ｖ以下の場合に、酸化剤ガスのストイキ比を大きくし且つ燃料ガスのストイキ比を小さくした条件１の発電性能は条件２の発電性能と同等以上になる。このことから、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きい場合として、燃料電池１０の電圧が０．７５Ｖ以下である所定電圧よりも小さい場合としてもよい。また、図７のように、電圧が０．７５Ｖ以下であれば、条件１の発電性能は条件２の発電性能と同等以上になることから、所定電圧は０．７０Ｖである場合でも良く、０．６５Ｖである場合でも良く、０．６０Ｖである場合でも良い。
なお、実施例１及び実施例２において、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きい又は所定発電量以下かの判定を、燃料電池１０の電流密度、出力電流、電圧、及び電力のうちの少なくとも２つを用いて行ってもよい。これにより、電流センサ１又は電圧センサ２のいずれか一方が故障した場合でも、燃料電池１０の発電量が所定発電量よりも大きい又は所定発電量以下かの判定が誤って行われることを抑制できる。
図９（ａ）は、変形例１に係る単セルをアノードセパレータ側から見た平面図、図９（ｂ）は、変形例２に係る単セルをアノードセパレータ側から見た平面図である。図９（ａ）のように、変形例１に係る単セルでは、略矩形状であるアノードセパレータ１７ａａの短辺の一方側に、アノード入口ａ１ａ、カソード出口ｃ２ａ、及び冷媒入口ｗ１ａが短手方向に並んで形成されている。アノードセパレータ１７ａａの短辺の他方側に、冷媒出口ｗ２ａ、カソード入口ｃ１ａ、及びアノード出口ａ２ａが短手方向に並んで形成されている。図示は省略するが、変形例１に係る単セルのカソードセパレータも、アノードセパレータ１７ａａと同様に、略矩形状をしていて、アノード入口ａ１ａ、アノード出口ａ２ａ、カソード入口ｃ１ａ、カソード出口ｃ２ａ、冷媒入口ｗ１ａ、及び冷媒出口ｗ２ａが形成されている。なお、冷媒入口ｗ１ａと冷媒出口ｗ２ａの位置は、特に限定されない。例えば、冷媒入口ｗ１ａと冷媒出口ｗ２ａの位置がそれぞれ図９（ａ）と逆に配置されて、冷媒の流れる向きが図９（ａ）と逆向きであってもよい。
アノード入口ａ１ａとカソード出口ｃ２ａは隣接し、アノード出口ａ２ａとカソード入口ｃ１ａは隣接している。すなわち、アノード入口ａ１ａはカソード入口ｃ１ａよりもカソード出口ｃ２ａの近くに位置し、アノード出口ａ２ａはカソード出口ｃ２ａよりもカソード入口ｃ１ａの近くに位置している。変形例１に係る単セルのカソードセパレータには、カソード入口ｃ１ａからカソード出口ｃ２ａに酸化剤ガスを誘導する酸化剤ガス流路１９ａが形成されている。酸化剤ガス流路１９ａは、燃料ガス流路１８ａと同様に、サーペンタイン型の流路となっている。したがって、燃料ガス流路１８ａの入口２０は酸化剤ガス流路１９ａの入口２２よりも出口２３の近くに位置し、燃料ガス流路１８ａの出口２１は酸化剤ガス流路１９ａの出口２３よりも入口２２の近くに位置している。図９（ａ）では、燃料ガスが流れる方向を実線の矢印で示し、酸化剤ガスが流れる方向を破線の矢印で示している。このように、変形例１に係る単セルでも、燃料ガスと酸化剤ガスとは略対向流となって流れている。
図９（ｂ）のように、変形例２に係る単セルでは、略矩形状であるアノードセパレータ１７ａｂの短辺の一方側に、アノード入口ａ１ｂ、冷媒入口ｗ１ｂ、及びカソード出口ｃ２ｂが短手方向に並んで形成されている。アノードセパレータ１７ａｂの短辺の他方側に、カソード入口ｃ１ｂ、冷媒出口ｗ２ｂ、及びアノード出口ａ２ｂが短手方向に並んで形成されている。図示は省略するが、変形例２に係る単セルのカソードセパレータも、アノードセパレータ１７ａｂと同様に、略矩形状をしていて、アノード入口ａ１ｂ、アノード出口ａ２ｂ、カソード入口ｃ１ｂ、カソード出口ｃ２ｂ、冷媒入口ｗ１ｂ、及び冷媒出口ｗ２ｂが形成されている。
アノード入口ａ１ｂとカソード出口ｃ２ｂは冷媒入口ｗ１ｂを介して隣接し、アノード出口ａ２ｂとカソード入口ｃ１ｂは冷媒出口ｗ２ｂを介して隣接している。すなわち、アノード入口ａ１ｂはカソード入口ｃ１ｂよりもカソード出口ｃ２ｂの近くに位置し、アノード出口ａ２ｂはカソード出口ｃ２ｂよりもカソード入口ｃ１ｂの近くに位置している。なお、冷媒入口ｗ１ｂと冷媒出口ｗ２ｂの位置は、特に限定されない。例えば、冷媒入口ｗ１ｂと冷媒出口ｗ２ｂの位置がそれぞれ図９（ｂ）と逆に配置されて、冷媒の流れる向きが図９（ｂ）と逆向きであってもよい。
燃料ガス流路１８ｂは、燃料ガスをアノード入口ａ１ｂからアノード出口ａ２ｂに誘導するが、上流側から順に分配部２４ａ、平行部２４ｂ、及び集合部２４ｃを有している。分配部２４ａは、アノード入口ａ１ｂから平行部２４ｂに向けて拡大するように延びている。平行部２４ｂは、アノードセパレータ１７ａｂの長手方向に略平行に延びている。集合部２４ｃは、平行部２４ｂからアノード出口ａ２ｂに縮小するように延びている。変形例２に係る単セルのカソードセパレータには、カソード入口ｃ１ｂからカソード出口ｃ２ｂに酸化剤ガスを誘導する酸化剤ガス流路１９ｂが形成されている。酸化剤ガス流路１９ｂは、燃料ガス流路１８ｂと同様に、カソード入口ｃ１ｂから中央部にまで拡大するように延びる分配部２５ａ、中央部で長手方向に略平行に延びる平行部２５ｂ、及び中央部からカソード出口ｃ２ｂに縮小するように延びる集合部２５ｃを有している。
燃料ガス流路１８ｂの入口２０は酸化剤ガス流路１９ｂの入口２２よりも出口２３の近くに位置し、燃料ガス流路１８ｂの出口２１は酸化剤ガス流路１９ｂの出口２３よりも入口２２の近くに位置している。図９（ｂ）では、燃料ガスが流れる方向を実線の矢印で示し、酸化剤ガスが流れる方向を破線の矢印で示している。このように、変形例２に係る単セルでも、燃料ガスと酸化剤ガスとは略対向流となって流れている。
変形例１及び変形例２のいずれも、図２（ｂ）に示す場合と同様に、燃料ガス流路の入口は酸化剤ガス流路の入口よりも出口の近くに位置し、燃料ガス流路の出口は酸化剤ガス流路の出口よりも入口の近くに位置し、燃料ガスと酸化剤ガスとは略対向流となって流れている。したがって、変形例１及び変形例２の構成であっても、実施例１と同じように、燃料電池１０が高温高出力の場合では、燃料電池１０が高温低出力の場合と比べて、酸化剤ガスのストイキ比が大きくなるようにエアコンプレッサ３２を制御することで、発電性能を改善することができる。また、変形例１及び変形例２の構成であっても、実施例２と同じように、燃料電池１０が高温高出力の場合では、燃料電池１０が高温低出力の場合と比べて、酸化剤ガスのストイキ比が大きくなるようにエアコンプレッサ３２を制御し且つ燃料ガスのストイキ比が小さくなるように水素供給部４５を制御することで、発電性能を大きく改善することができる。
なお、実施例１及び実施例２では、制御ユニット８０は、燃料電池１０の発電量として、電流センサ１及び／又は電圧センサ２に基づいて燃料電池１０が実際に発電している発電量を求める場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。例えば、制御ユニット８０は、燃料電池１０の発電量として、アクセルペダルセンサ９２などに基づいて算出される燃料電池１０への要求出力値から発電量を求める場合でもよい。
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 燃料電池
１８〜１８ｂ 燃料ガス流路
１９〜１９ｂ 酸化剤ガス流路
２０ 燃料ガス流路の入口
２１ 燃料ガス流路の出口
２２ 酸化剤ガス流路の入口
２３ 酸化剤ガス流路の出口
３０ 酸化剤ガス配管系
３２ エアコンプレッサ
４０ 燃料ガス配管系
４５ 水素供給部
６０ 冷媒配管系
７０ 電力系
８０ 制御ユニット

Claims (6)

  1. 燃料ガスが流れる燃料ガス流路と酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路とを有し、前記燃料ガス流路の入口が前記酸化剤ガス流路の入口よりも前記酸化剤ガス流路の出口に近く、前記燃料ガス流路の出口が前記酸化剤ガス流路の出口よりも前記酸化剤ガス流路の入口に近い燃料電池と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    前記酸化剤ガス供給部を制御して前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を制御することを特徴とする供給量制御部と、を備え、
    前記供給量制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度よりも高く且つ前記燃料電池の発電量が所定発電量よりも大きい高温高出力の場合での前記酸化剤ガスのストイキ比が、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも高く且つ前記燃料電池の発電量が前記所定発電量以下である高温低出力の場合での前記酸化剤ガスのストイキ比及び前記燃料電池の温度が前記所定温度以下の場合での前記酸化剤ガスのストイキ比よりも大きくなるように、前記酸化剤ガス供給部を制御することを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備え、
    前記供給量制御部は、前記燃料ガス供給部を制御して前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を制御することを特徴とし、
    前記供給量制御部は、前記高温高出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比が、前記高温低出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比よりも小さくなるように、前記燃料ガス供給部を制御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. 前記供給量制御部は、前記高温高出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比が、前記高温低出力の場合での前記燃料ガスのストイキ比と前記燃料電池の温度が前記所定温度以下の場合での前記燃料ガスのストイキ比との間の値となるように、前記燃料ガス供給部を制御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. 前記所定温度は７０℃以上である、請求項１から３のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池の発電量が前記所定発電量よりも大きいとは、前記燃料電池の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２以上である所定電流密度よりも大きい場合である、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池の発電量が前記所定発電量よりも大きいとは、前記燃料電池の電圧が０．７５Ｖ以下である所定電圧よりも小さい場合である、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池システム。
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