JPWO2008132783A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供するために、燃料電池システム（１００）が、燃料電池（１１）と、燃料ガス供給装置（１６）及び酸化剤ガス供給装置（１７）と、前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置（１９）と、酸化剤ガスを加湿する加湿器（１８）とを備え、発電時には燃料ガスの露点を前記燃料電池の温度以上としかつ酸化剤ガスの露点を前記燃料電池の温度未満とし、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に該燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを少なくとも一致させるよう制御するように構成された制御装置（２０）を更に備えている。

Description

本発明は、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池システム及びその運転方法に関する。
従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、高分子電解質形燃料電池等が用いられる。これらの燃料電池の内、高分子電解質形燃料電池は、５０℃〜１２０℃程度の比較的低温での発電が可能であると共に、その出力密度が高く、かつ寿命が長いという特徴を有している。そのため、高分子電解質形燃料電池は、高出力特性と同時に短時間起動が要求される電気自動車の動力電源や、長期信頼性が要求される家庭用コジェネレーションシステム等への応用が期待されている。
高分子電解質形燃料電池では、その発電運転の際、アノード側に水素を含む燃料ガスが供給されると共に、カソード側に酸素を含む酸化剤ガスが供給される。すると、高分子電解質形燃料電池のアノードでは、供給された水素が電子とプロトンとに変換される。アノードで発生した電子は、燃料電池システムに接続された外部負荷を経由して、高分子電解質形燃料電池のカソードに到達する。又、アノードで発生したプロトンは、高分子電解質膜を通過してカソードに到達する。一方、高分子電解質形燃料電池のカソードでは、外部負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜を通過して到達するプロトンと、カソード側に供給される酸化剤ガス中の酸素とが用いられて、水が生成する。これらの一連の機序により、高分子電解質形燃料電池から電力が出力され、外部負荷が駆動される。尚、燃料ガスは、例えば、メタンから水蒸気改質反応により水素を生成する燃料ガス供給装置から供給される。又、酸化剤ガスは、例えば、シロッコファンにより大気中から空気を取り込む酸化剤ガス供給装置から供給される。
ところで、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムでは、アノード側からカソード側へのプロトンの伝導性を確保するために、その高分子電解質膜を湿潤状態において維持する必要がある。そのため、この燃料電池システムでは、加湿された燃料ガス及び加湿された酸化剤ガスがアノード側及びカソード側に各々供給される。又、この燃料電池システムでは、化学反応の自由エネルギー変化を電気エネルギーに変換する際のエネルギーの変換効率を十分に確保するために、例えば、燃料ガスの露点をＴｄａとし、酸化剤ガスの露点をＴｄｃとし、高分子電解質形燃料電池の温度をＴｃｅｌｌとする場合、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件（以下、この運転条件を「低加湿運転条件」という）の下で高分子電解質形燃料電池が運転される。これらにより、燃料電池システムは、長期間に渡り安定して所定の発電性能を発揮する（例えば、特許文献１参照）。
一方、この燃料電池システムの発電運転では、燃料電池システムが生成する電気エネルギー及び熱エネルギーの何れもが不要である場合には発電運転を行う必要が無いため、通常、状況に応じて高分子電解質形燃料電池の発電運転を起動又は停止させる起動停止型の運転形態が採られる。この起動停止型の運転形態では、電気エネルギー及び熱エネルギーの何れもが不要となる場合、燃料電池システムの制御装置は、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置の動作を停止させた後、高分子電解質形燃料電池と外部負荷との電気的な接続を切断する。これにより、高分子電解質形燃料電池の状態は開回路状態となる。そして、制御装置は、高分子電解質膜の乾燥を防止するために、加湿した不活性ガスを高分子電解質形燃料電池の内部に封入する。又は、制御装置は、高分子電解質形燃料電池と燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置との接続を遮断して、高分子電解質形燃料電池の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路を密閉する。これにより、燃料電池システムは、高分子電解質膜の乾燥を長期間に渡り防止する（例えば、特許文献２，３，４参照）。
特願平０４−５０２７４９号公報 特開平０６−２５１７８８号公報 特開２００４−１６３０３７号公報 特開２００４−００６１６６号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、加湿した不活性ガスの封入又は燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の密閉により長期間に渡り高分子電解質膜の乾燥を防止しているにも関わらず、高分子電解質膜の劣化が経時的に進行して、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題があった。これは、燃料電池システムが発電運転を停止する際、低加湿運転条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池が外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態とされることが原因であった。
又、この従来の燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴い、高分子電解質膜に破れ等の破損が進行して、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題があった。これは、発電運転時の低加湿運転と発電運転後の加湿した不活性ガスの封入との繰り返しにより、高分子電解質膜の膨潤と収縮とが繰り返され、高分子電解質膜の一部にストレスが集中することが原因であった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質形燃料電池におけるアノード側からカソード側へのプロトンの伝導性や、電気エネルギーを得る際のエネルギーの変換効率は、上記「低加湿運転条件」とは若干異なる「適切な低加湿運転条件」の下であれば、高分子電解質形燃料電池をＴｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる低加湿運転条件の下で運転させることなく、十分に確保可能であることを見出し、本発明に到達した。
又、本発明者らは、低加湿運転条件の下で燃料電池システムが運転される場合、この低加湿運転条件で運転される状態から発電運転を停止させる際に高分子電解質膜の乾燥による劣化が特に進行し易いという事実に基づき、高分子電解質形燃料電池の放電を停止させる前に出力電圧を開回路電圧よりも低い所定の範囲に保ちながら高分子電解質膜の含水量を適切に調節することが上述の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、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装置と、前記燃料電池、前記燃料ガス供給装置及び前記酸化剤ガス供給装置を少なくとも制御する制御装置と、を備え、前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れかを更に備え、前記制御装置は、前記燃料電池の発電時に、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方の露点を前記燃料電池の温度以上としかつその他方の露点を前記燃料電池の温度未満とし、その後、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを少なくとも一致させ、その後、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断するように構成されている。
又、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、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装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方の露点を前記燃料電池の温度以上としかつその他方の露点を前記燃料電池の温度未満とし、その後、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを少なくとも一致させ、その後、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断する。
かかる構成とすると、燃料電池システムの発電時に燃料ガス及び酸化剤ガスの一方の露点が燃料電池の温度以上とされかつその他方の露点が燃料電池の温度未満とされることにより、高分子電解質膜の膨潤と収縮との繰り返しが大幅に抑制されるので、高分子電解質膜の一部にストレスが集中することを効果的に抑制することが可能になる。
又、燃料電池システムの状態を発電運転状態から発電運転停止状態に移行させる過程において、制御装置が温度制御装置及び加湿装置の少なくとも一方を制御して燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスのより低露点側の露点とを少なくとも一致させた後に燃料電池と負荷との電気的な接続を切断するので、高分子電解質膜の含水量を相対的に上昇させることが可能となる。

そして、これらにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能になるので、優れた耐久性を備える燃料電池システムを提供することが可能になる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記他方の露点を前記燃料電池の温度以上とするよう、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御する。
又、この場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記他方の露点を前記燃料電池の温度以上とする。
かかる構成とすると、高分子電解質膜が十分に加湿される。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池の耐久性を十分に確保することが可能となる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記温度制御装置を制御して、前記燃料電池の温度を低下させて、該燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
又、この場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池の温度を低下させて、該燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
かかる構成とすると、燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの他方の露点とを容易に一致させることが可能になる。

上記の場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記低下させる際に、前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
又、上記の場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
かかる構成とすると、燃料電池の温度を低下させる際に燃料電池の出力電流密度を発電時における出力電流密度以下に制御するので、発電に伴い生成する水の生成量を抑制することができる。これにより、燃料電池において流路閉塞が発生することを防止することが可能になる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御して、前記燃料電池の温度を低下させる。
かかる構成とすると、温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御するので、燃料電池の温度を容易に低下させることが可能になる。

又、上記の場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記加湿装置を制御して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
又、上記の場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
かかる構成としても、燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの他方の露点とを容易に一致させることが可能になる。

この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
又、この場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
かかる構成とすると、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる際に燃料電池の出力電流密度を発電時における出力電流密度以下に制御するので、発電に伴い生成する水の生成量を抑制することができる。これにより、燃料電池において流路閉塞が発生することを防止することが可能になる。
上記の場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記加湿装置内の加湿器の温度を前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる。
かかる構成とすると、加湿装置内の加湿器の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を容易に上昇させることが可能になる。
本発明は以上に述べたように構成され、プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの燃料電池の断面構成を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの経時変化を模式的に示すタイムチャートである。 図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。 図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。 図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。 図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 本発明により従来の課題が解決されるメカニズムを概念的に示す解説図である。
符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ａ，２ｃ 触媒反応層
３ａ，３ｃ ガス拡散層
４ａ アノード
４ｃ カソード
５ ＭＥＡ（膜／電極接合体）
６ａ 燃料ガス流路
６ｃ 酸化剤ガス流路
７ａ，７ｃ セパレータ
８ａ，８ｃ 冷却水流路
９ａ，９ｃ ガスケット
１０ ガスケット
１１ 燃料電池（高分子電解質形燃料電池）
１２ 燃料ガス供給部
１３ 酸化剤ガス供給部
１４ 燃料ガス排出部
１５ 酸化剤ガス排出部
１６ 燃料ガス供給装置
１７ 酸化剤ガス供給装置
１８ 加湿器
１８ａ，１８ｃ 加湿器
１９ 温度制御装置
２０ 制御装置
２１ａ，２１ｃ 露点センサ
２２ 温度センサ
２３ 制御器
２４ 露点制御装置
２５ 三方弁
１０１ 燃料電池（要部）
１０２ 単電池（セル）
１００〜２００ 燃料電池システム
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下の説明では、高分子電解質形燃料電池を備える高分子電解質形燃料電池システムを単に「燃料電池システム」と記載する。又、以下の説明では、高分子電解質形燃料電池を単に「燃料電池」と記載する。更に、以下の説明では、膜／電極接合体を「ＭＥＡ」と記載する。
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの燃料電池の断面構成を模式的に示す断面図である。尚、図１では、燃料電池の基本構成を明快に説明するために、燃料電池の要部のみを抜粋して図示している。
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池１０１では、ＭＥＡ５がその周縁部に一対のガスケット９ａ及びガスケット９ｃを配置されて一対のセパレータ７ａ及びセパレータ７ｃにより挟持されている。これにより、本実施の形態に係る燃料電池１０１において、単電池１０２（以下、「単電池」を「セル」という）が構成されている。そして、このセル１０２が直列に複数個積層されて、燃料電池１０１が構成されている。
より詳細に説明すると、図１に示すように、ＭＥＡ５はプロトンの導電性を有する高分子電解質膜１を備えている。この高分子電解質膜１は、含水状態においてプロトンを選択的に輸送する。この高分子電解質膜１のプロトン輸送能は、含水状態において高分子電解質膜１に固定されている固定電荷が電離すると共に、この固定電荷の対イオンとして機能する水素がイオン化して移動可能になることにより実現される。そして、図１に示すように、この高分子電解質膜１の両面の中央部には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層２ａ及び触媒反応層２ｃが、各々が対向するようにして着設されている。ここで、これらの触媒反応層２ａ，２ｃの内、触媒反応層２ａでは、図１では図示しない燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス由来の水素が、化学式（１）に示すように、電子とプロトンとに変換される。触媒反応層２ａで生成した電子は、燃料電池システムに接続された図１では図示しない外部負荷を経由して、触媒反応層２ｃに到達する。又、触媒反応層２ａで生成したプロトンは、高分子電解質膜１を通過して、触媒反応層２ｃに到達する。一方、燃料電池１０１の触媒反応層２ｃでは、外部負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜１を通過して到達するプロトンと、図１では図示しない酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス由来の酸素とが用いられて、化学式（２）に示すように、水が生成する。この一連の化学反応により、燃料電池１０１は、電力を出力すると共に熱を発生する。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ・・・化学式（１）
（１／２）Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ ・・・化学式（２）
又、図１に示すように、触媒反応層２ａ及び触媒反応層２ｃの高分子電解質膜１に接していない面には、ガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃが、各々が対向するようにして着設されている。これらのガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃは、燃料ガス及び酸化剤ガスの通気性と導電性とを兼ね備えており、触媒反応層２ａ及び触媒反応層２ｃの表面に各々電気的に接続するように着設されている。
そして、この燃料電池１０１では、触媒反応層２ａとガス拡散層３ａとにより、アノード４ａが構成されている。又、この燃料電池１０１では、触媒反応層２ｃとガス拡散層３ｃとにより、カソード４ｃが構成されている。又、この燃料電池１０１では、高分子電解質膜１とアノード４ａとカソード４ｃとにより、ＭＥＡ５が構成されている。
一方、図１に示すように、ＭＥＡ５の高分子電解質膜１は電気絶縁性のガスケット９ａ及びガスケット９ｃにより挟持され、更に、これらのガスケット９ａ及びガスケット９ｃとガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃとは導電性のセパレータ７ａ及びセパレータ７ｃにより挟持されている。これにより、燃料電池１０１において、セル１０２が構成されている。ここで、このセル１０２では、セパレータ７ａのガス拡散層３ａと接する面に、燃料ガス流路６ａが凹設されている。この燃料ガス流路６ａは、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスをＭＥＡ５のガス拡散層３ａに供給すると共に、触媒反応により発生したガス及び余剰の燃料ガスをセル１０２の外部に排出する。又、このセル１０２では、セパレータ７ｃのガス拡散層３ｃと接する面に、酸化剤ガス流路６ｃが凹設されている。この酸化剤ガス流路６ｃは、酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスをＭＥＡ５のガス拡散層３ｃに供給すると共に、触媒反応により発生したガス及び余剰の酸化剤ガスをセル１０２の外部に排出する。又、セパレータ７ａ及びガス拡散層３ａは電気的に接続されており、同様にして、セパレータ７ｃ及びガス拡散層３ｃも電気的に接続されている。
そして、図１に示すように、セル１０２が電気的に直列に複数個積層されて、燃料電池１０１が構成されている。ここで、この燃料電池１０１では、一方のセル１０２のセパレータ７ａが他方のセル１０２のセパレータ７ｃと電気的に接続するようにして、所望の出力電圧が得られるよう、複数個のセル１０２が電気的に直列に接続されている。又、この燃料電池１０１では、セパレータ７ａの隣接するセパレータ７ｃと接する面と、セパレータ７ｃの隣接するセパレータ７ａと接する面とに、互いに対向する凹部が各々形成されている。これにより、冷却水流路８ａ及び冷却水流路８ｃが構成されている。又、これらの冷却水流路８ａ及び冷却水流路８ｃに流通する冷却水の漏洩を防止するために、セパレータ７ａと隣接するセパレータ７ｃとの間には、ガスケット１０が配設されている。冷却水流路８ａ及び冷却水流路８ｃには、図１では図示しない冷却水供給装置から冷却水が供給され、この冷却水は発電運転の際に発熱する燃料電池１０１を冷却する。尚、冷却水により燃料電池１０１から回収された熱エネルギーは、例えば、給湯のために用いられる。
図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図２では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。
図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体として、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池１１（図１に示す燃料電池１０１に相当）を備えている。又、この燃料電池システム１００は、燃料電池１１に供給するための燃料ガス及び酸化剤ガスを各々生成する燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７と、この酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１へ供給される酸化剤ガスを途中で加湿する加湿器１８と、この加湿器１８及び上述した燃料ガス供給装置１６が供給する酸化剤ガス及び燃料ガスの露点温度（以下、単に「露点」という）を各々検出する露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃとを備えている。
又、この燃料電池システム１００は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池１１の温度を冷却媒体（例えば、冷却水）により制御する温度制御装置１９と、この温度制御装置１９と上述した燃料電池１１との間で循環される冷却媒体の温度を検出する温度センサ２２とを備えている。更に、この燃料電池システム１００は、上述した燃料電池１１、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７、温度制御装置１９の動作を適宜制御する制御装置２０を備えている。
より詳細に説明すると、図２に示すように、燃料電池１１は燃料ガス供給部１２及び酸化剤ガス供給部１３と燃料ガス排出部１４及び酸化剤ガス排出部１５とを備えている。燃料電池システム１００の発電運転の際、燃料ガス供給装置１６が生成する燃料ガスは、その露点が露点センサ２１ａにより検出された後、燃料電池１１の燃料ガス供給部１２に供給される。そして、燃料電池１１において余剰となった燃料ガス（排燃料ガス）は、燃料電池１１の燃料ガス排出部１４から排出される。一方、酸化剤ガス供給装置１７が供給する酸化剤ガスは、加湿器１８により加湿されかつその露点が露点センサ２１ｃにより検出された後、燃料電池１１の酸化剤ガス供給部１３に供給される。そして、燃料電池１１において余剰となった酸化剤ガス（排酸化剤ガス）は、燃料電池１１の酸化剤ガス排出部１５から排出される。
燃料ガス供給装置１６は、例えば、改質器で構成され、都市ガス又はプロパンガス等の原料を用いて水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この燃料ガスは、水蒸気改質反応の際に加湿され、水蒸気を含む状態で燃料電池１１に供給される。このように、水蒸気を含む燃料ガスが燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給されることにより、燃料電池１１の図２では図示しない高分子電解質膜は湿潤状態において維持される。尚、本実施の形態では例示しないが、燃料ガスとして水素ボンベに充填された純水素を用いる場合には、この純水素を加湿するために、燃料ガス供給装置１６と露点センサ２１ａとの間に加湿器を配設する。
酸化剤ガス供給装置１７は、例えば、シロッコファンで構成され、大気中から酸化剤ガスとしての空気を取り込む。そして、その取り込んだ空気を燃料電池１１に供給する。ここで、大気中から取り込んだ空気は、通常、燃料電池１１の高分子電解質膜を湿潤するために必要となる量の水蒸気を含んではいない。そのため、図２に示すように、燃料電池システム１００では、酸化剤ガス供給装置１７と露点センサ２１ｃとの間に、加湿器１８が配設されている。この加湿器１８は、酸化剤ガス供給装置１７が排出する空気を加湿した後にそれを燃料電池１１に供給する。このように、酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１に加湿器１８により加湿された空気が供給されることによっても、燃料電池１１の高分子電解質膜は湿潤状態に維持される。
露点センサ２１ａは、燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給される燃料ガスの露点を検出する。又、露点センサ２１ｃは、酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出する。本実施の形態では、これらの露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃにより検出される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点を、燃料電池１１の内部における燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとみなす。尚、これらの露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃとしては、燃料ガス及び酸化剤ガスの類に対する耐久性を備えかつ温度耐久性を備えるものであれば、如何なる露点センサを用いてもよい。又、燃料ガスの露点Ｔｄａは燃料ガス供給装置１６（正しくは、燃料ガス供給装置１６を構成する改質器）の性能に依存し、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃは加湿器１８の性能に依存する。そのため、燃料ガスの露点Ｔｄａとして改質器の動作条件に基づいて算出される露点を用い、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとして加湿器１８の動作条件に基づいて算出される露点又は加湿器１８の温度（実測値）を用いる構成としてもよい。
温度制御装置１９は、例えば、冷却媒体を循環させる循環ポンプと、循環する冷却媒体を放熱させる放熱器（冷却フィン、熱交換器等）とで構成される。この温度制御装置１９は、例えば水からなる冷却媒体を燃料電池１１に供給すると共に、発電に伴って発生する熱により加熱されて温度上昇した冷却媒体を燃料電池１１から回収する。そして、温度制御装置１９は、その温度上昇した冷却媒体を冷却した後、それを燃料電池１１に再び供給する。或いは、この温度制御装置１９は、冷却媒体の流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させることにより、燃料電池１１の温度を低下させる。例えば、温度制御装置１９内の冷却媒体の流量を増加させることにより、燃料電池１１の温度を低下させることが可能になる。又、冷却媒体の温度を低下させることにより、燃料電池１１の温度を低下させることが可能になる。これにより、温度制御装置１９は、燃料電池１１の温度を一定の温度に維持する。尚、冷却媒体により燃料電池１１から回収された熱エネルギーは、例えば、給湯のために用いられる。
温度センサ２２は、燃料電池１１から温度制御装置１９に排出される冷却媒体の温度を検出する。本実施の形態では、この温度センサ２２により検出される冷却媒体の温度を、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとみなす。尚、本発明においては、燃料電池１１の中で実質的に最も高い温度を燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと定義する。温度Ｔｃｅｌｌの検出方法としては、燃料電池１１に供給する冷却媒体の温度を測定する方法、燃料電池１１を構成する図２では図示しないセパレータの温度を熱電対により直接測定する方法、燃料電池１１から排出される冷却媒体の温度を測定する方法等が考えられる。一方、燃料電池１１における最も温度が高い部分は、入口から供給された冷却媒体が燃料電池１１と熱交換して出口から排出されるため、燃料電池１１における冷却媒体の出口部分であると想定される。そこで、本実施の形態では、燃料電池１１から温度制御装置１９に排出される冷却媒体の温度を温度センサ２２により検出する構成としている。
又、制御装置２０は、少なくとも燃料電池１１、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７、温度制御装置１９の動作を適宜制御する。この制御装置２０は、例えばＭＰＵ及びメモリを備えており、予めメモリに記憶されるデータに基づき、少なくとも燃料電池１１、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７、温度制御装置１９の動作を各々適宜制御する。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について、図２〜図４を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態では、燃料電池システムの発電運転中、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び燃料ガスの露点ＴｄａがＴｃｅｌｌ≦Ｔｄａなる相互関係を満たしている。又、本発明の実施の形態では、燃料電池システムの発電運転中、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び酸化剤ガスの露点ＴｄｃがＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たしている。このような、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件を、本明細書では「適切な低加湿運転条件」という。
尚、本発明の実施の形態では、燃料電池システムの発電運転中、例えば、燃料電池における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜Ｔｃｅｌｌ、かつ、燃料電池における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜Ｔｃｅｌｌなる相互関係を各々満たす運転条件が採られてもよい。このように、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び燃料ガスの露点ＴｄａがＴｃｅｌｌ≦Ｔｄａなる相互関係が満たされていない場合であっても、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌに比較的近い所定の範囲内の露点であれば、本発明の効果を奏することができる。
本実施の形態に係る燃料電池システムの動作は、燃料電池が適切な低加湿運転条件の下で運転され、その燃料電池と外部負荷との電気的な接続を切断する（つまり、燃料電池が開回路状態となる）前に高分子電解質膜を十分にかつ確実に加湿する点を除き、従来の燃料電池システムの動作と同様である。そのため、以下では、本実施の形態に係る燃料電池システムの特徴的な動作についてのみ詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの経時変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図３では、本発明を説明するために必要となる操作のみを抜粋して図示しており、その他の操作については図示を省略している。
又、図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。尚、図４では、本発明を説明するために必要となるステップのみを抜粋して図示しており、その他のステップについては図示を省略している。
図３（ａ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム１００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で運転されている燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを、温度制御装置１９の動作を制御することにより、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで低下させる（ステップＳ１）。ここで、この図３（ａ）に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断することなく、燃料電池１１の放電を継続させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。
このステップＳ２において、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致してはいないと判定されると（ステップＳ２でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで、ステップＳ１に示す制御を継続する。
一方、このステップＳ２において、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したと判定されると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら温度制御装置１９の冷却動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を維持させる（状態３）。この図３（ａ）に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられることにより、高分子電解質膜の劣化を防止可能な状態にまで十分に加湿される。
次いで、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。
このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達してはいないと判定されると（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定されると（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ５）。これにより、制御装置２０は、燃料電池１１を開回路状態とする（状態４）。この図３（ａ）に示す状態４において、開回路状態となることにより燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃは上昇するが、燃料電池１１の高分子電解質膜の湿潤状態は、発電運転中の高分子電解質膜の湿潤状態よりも高い。尚、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続の切断は、燃料電池システム１００が備えるインバータ等の出力制御装置により行われる。
その後、制御装置２０は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７の動作を停止させる。又、制御装置２０は、高分子電解質膜の乾燥を長期間に渡りより一層確実に防止するために、必要に応じて、事前に加湿した不活性ガスを燃料電池１１の内部に封入する。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００の発電運転に係る全ての動作を停止させる。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、高分子電解質膜の膨潤及び収縮が緩和される。これにより、高分子電解質膜におけるストレスの集中を緩和することが可能となり、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損を防止することが可能となる。
又、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した後、外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池１１の耐久性を十分に確保することが可能となる。
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例では、上述したＴｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件に代えて、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす第２の適切な低加湿運転条件（以下、この第２の適切な低加湿運転条件も便宜上「適切な低加湿運転条件」という）の下で燃料電池１１が運転される点でのみ、上述した燃料電池システム１００の動作と異なっている。従って、本変形例に係るフローチャートは、図４に示すフローチャートと同様である。
図３（ｂ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム１００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で運転されている燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを、温度制御装置１９の動作を制御することにより、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで低下させる（ステップＳ１）。尚、この図３（ｂ）に示す状態２においても、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を維持させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、制御装置２０は、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したと判定すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、燃料電池１１の放電を継続させながら温度制御装置１９の冷却動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を維持させる（状態３）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させ（ステップＳ５）、これを開回路状態とする（状態４）。
このように、本変形例では、適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、より一層適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、高分子電解質膜の膨潤及び収縮がより一層緩和される。従って、高分子電解質膜におけるストレスの集中を更に緩和することが可能となり、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損をより一層確実に防止することが可能となる。
又、本変形例によれば、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ≪Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜がより一層十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を更に抑制することが可能となり、燃料電池１１の耐久性を確実に確保することが可能となる。
以上、本実施の形態では、適切な低加湿運転条件として、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件、又は、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件が採られる。この適切な低加湿運転条件により、高分子電解質形燃料電池におけるアノード側からカソード側へのプロトンの伝導性や、電気エネルギーを得る際のエネルギーの変換効率を十分に確保しながら、高分子電解質膜が過剰に加湿されることを回避することが可能になる。
尚、本実施の形態では、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２により燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを実際に測定してその発電運転を停止させる形態について説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、予め測定したＴｃｅｌｌ及びＴｄｃの関係を表すタイムチャートに基づき、燃料電池１１の発電運転を停止させる形態としてもよい。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
又、本実施の形態では、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達した後に燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断する形態について説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した直後に燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

又、本実施の形態において、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａなる相互関係が実現される場合、或いは、Ｔｃｅｌｌ≪Ｔｄａなる相互関係が実現される場合、Ｔｄａとは、燃料ガス中に含まれる水分の全量を露点温度に換算した場合の温度である。ここで、燃料ガス中に含まれる水分の全量とは、燃料ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量をいう。例えば、燃料ガス中に含まれる水分の一部が結露して、燃料ガス中に水蒸気と水とが含まれる場合であっても、上記の定義に基づき、その燃料ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量を露点温度に換算して得られる温度がＴｄａとされる。
これと同様に、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄｃなる相互関係が実現される場合、或いは、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄｃなる相互関係が実現される場合、Ｔｄｃとは、酸化剤ガス中に含まれる水分の全量を露点温度に換算した場合の温度である。ここで、酸化剤ガス中に含まれる水分の全量とは、酸化剤ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量をいう。例えば、酸化剤ガス中に含まれる水分の一部が結露して、酸化剤ガス中に水蒸気と水とが含まれる場合であっても、上記の定義に基づき、その酸化剤ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量を露点温度に換算して得られる温度がＴｄｃとされる。
又、上述したように、本実施の形態において、制御装置２０は、燃料電池１１の発電時に、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方の露点（本実施の形態では、Ｔｄａ）を燃料電池１１の温度以上としかつその他方の露点（本実施の形態では、Ｔｄｃ）を燃料電池１１の温度未満とし、その後、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと前記他方の露点とを一致させ、そして、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する。ここで、「燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと前記他方の露点とを一致させる」とは、例えば、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ＞前記他方の露点なる条件を条件１とし、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ≦前記他方の露点なる条件を条件２とする場合に、燃料電池システム１００において上記の条件１から上記の条件２に移行させることをいう。又、ここで、「燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと前記他方の露点とを一致させる」とは、例えば、燃料電池１１の発電時には、上記の条件１なる条件を満たしており、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断するときには、上記の条件２なる条件を満たしている場合のことをいう。
次に、本発明により従来の課題が解決されるメカニズムについて、図１２を参照しながら概念的に説明する。
図１２は、本発明により従来の課題が解決されるメカニズムを概念的に示す解説図である。この図１２において、図１２（ａ）は高分子電解質膜の破れ等の破損に起因する劣化が解決されるメカニズムの解説図であり、図１２（ｂ）は高分子電解質膜の乾燥に起因する劣化が解決されるメカニズムの解説図である。尚、図１２（ａ）において、曲線ａは本発明を適用した場合の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の含水量の変化を示し、曲線ｃは本発明を適用した場合の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の膨張量の変化を示している。又、図１２（ａ）において、曲線ｂは従来の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の含水量の変化を示し、曲線ｄは従来の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の膨張量の変化を示している。
図１２（ａ）の曲線ｂに示すように、従来の燃料電池システムでは、その起動停止運転において停止と起動とが停止１〜起動１〜停止２〜起動２と進行する際、低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、燃料電池が備える高分子電解質膜の含水量がＷ１とＷ２との間で大きく変化する。従って、図１２（ａ）の曲線ｄに示すように、従来の燃料電池システムでは、燃料電池が備える高分子電解質膜の膨潤量がＳ１とＳ２との間で大きく変化する。そのため、従来の燃料電池システムでは、その起動停止回数の増加に伴い、燃料電池が備える高分子電解質膜の一部にストレスが集中して、高分子電解質膜の一部に破れ等の破損が進行する。これは、燃料電池システムの発電性能が経時的に低下するという問題を引き起こす。
そこで、本発明では、発電運転中の燃料電池システムの運転条件として適切な低加湿運転条件を採ることにより、燃料電池が備える高分子電解質膜の含水量の変化を抑える。そして、高分子電解質膜の膨潤量の変化を抑えることにより、高分子電解質膜におけるストレスの集中を回避する。これにより、高分子電解質膜の一部に破れ等の破損が進行することを防止して、燃料電池システムの発電性能が経時的に低下するという問題を解決する。
図１２（ａ）の曲線ａを参照して説明すると、本発明に係る燃料電池システムでは、その起動停止運転において停止と起動とが停止１〜起動１〜停止２〜起動２と進行する際、適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるため、燃料電池が備える高分子電解質膜の含水量はＷ３とＷ４との間で変化する。ここで、このＷ３とＷ４との間での高分子電解質膜の含水量の変化は、発電運転中の燃料電池システムの運転条件として適切な低加湿運転条件が採られているので、曲線ｂに示すＷ１とＷ２との間での高分子電解質膜の含水量の変化よりも小さい。そのため、図１２（ａ）の曲線ｃに示すように、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池が備える高分子電解質膜の膨潤量がＳ３とＳ４との間で小さく変化する。ここで、このＳ３とＳ４との間での高分子電解質膜の膨潤量の変化は、曲線ｄに示すＳ１とＳ２との間での高分子電解質膜の膨潤量の変化よりも小さい。これにより、高分子電解質膜におけるストレスの集中を回避することが可能となるので、高分子電解質膜の一部に破れ等の破損が進行することを防止することが可能となる。
一方、高分子電解質膜の乾燥に起因する劣化が解決されるメカニズムは、以下のように説明される。即ち、本発明に係る燃料電池システムでは、その発電運転を停止する際、例えば、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で運転されている燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌを、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致させるよう低下させる。すると、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池のアノード側セパレータ内に通流される燃料ガス中の水は、燃料ガスの露点と酸化剤ガスの露点とを揃えるよう、ＭＥＡを透過して、燃料電池のカソード側セパレータ内に通流される酸化剤ガス中に移動する。この際、図１２（ｂ）に示すように、アノード側からＭＥＡを介してカソード側に移動した水の量をαとし、これに応じた露点の変化をＴαとすると、燃料ガスの露点はＴｄａからＴｄａ−Ｔαに過渡的に低下すると共に、酸化剤ガスの露点はＴｄｃからＴｄｃ＋Ｔαに過渡的に上昇する。ここで、これらの燃料ガスの露点Ｔｄａ−Ｔα及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ＋Ｔαは、何れも燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌよりも高い。従って、燃料電池が備える高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスの双方から水の供給を受けて、十分にかつ確実に加湿される。そして、本発明に係る燃料電池システムでは、この高分子電解質膜が十分に加湿された状態において、燃料電池と外部負荷との電気的な接続が切断される。これにより、燃料電池が放電を停止した開回路状態において高分子電解質膜が十分に加湿されているので、高分子電解質膜の劣化が抑制され、燃料電池の耐久性を十分に確保することが可能となる。
尚、従来の燃料電池システムでは、その発電運転を停止する際、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿運転条件の下で運転される燃料電池が外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態とされるので、高分子電解質膜の劣化が進行する。従って、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の耐久性を十分に確保することはできない。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例のように、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件が採られる場合において、その発電運転が停止される場合、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌをより高露点側の露点である燃料ガスの露点Ｔｄａと一致させるよう変化させると、燃料ガスから酸化剤ガスへの水の移動が発生するので、燃料電池の内部は低加湿状態になる。従って、このような、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌと燃料ガスの露点Ｔｄａとを一致させる形態では、従来の燃料電池システムの場合と同様、燃料電池の耐久性を十分に確保することはできない。
（実施の形態２）
先ず、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図５を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成は、図２に示す加湿器１８に代えて露点制御装置を備えている点を除き、図１及び図２に示す実施の形態１に係る燃料電池システムの構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成と実施の形態１に係る燃料電池システムの構成との相違点について説明することとして、共通する部分に関する説明は省略する。
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図５では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。
図５に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、露点制御装置２４を備えている。この露点制御装置２４は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を必要に応じて各々制御する。これらの燃料ガス及び酸化剤ガスの露点は、露点制御装置２４が備える加湿器１８ａ及び加湿器１８ｃにより実質的に制御される。ここで、加湿器１８ａ及び加湿器１８ｃの動作は、露点制御装置２４が備える制御器２３により直接的に制御される。そして、露点が各々制御された燃料ガス及び酸化剤ガスは、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の場合と同様、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃの検出ポイントを通って燃料電池１１に供給される。尚、制御器２３の動作は、燃料電池システム２００が有する制御装置２０により制御される。
又、図５に示すように、露点制御装置２４は三方弁２５を備えている。この三方弁２５は、燃料ガス供給装置１６から供給される燃料ガスの露点を調整する必要がない場合、その燃料ガスを、加湿器１８ａに供給することなく、露点センサ２１ａに直接供給するよう機能する。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作について、図５〜図７を参照しながら説明する。
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図６では、本発明を説明するために必要となる操作のみを抜粋して図示しており、その他の操作については図示を省略している。
又、図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。尚、図７では、本発明を説明するために必要となるステップのみを抜粋して図示しており、その他のステップについては図示を省略している。
図６（ａ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１の発電運転が行われている状態（状態１）において、露点制御装置２４の動作を適切に制御することにより（操作１）、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させる（ステップＳ１）。ここで、この図６（ａ）に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断することなく、燃料電池１１の放電を継続させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。
このステップＳ２において、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致してはいないと判定されると（ステップＳ２でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、ステップＳ１に示す制御を継続する。
一方、このステップＳ２において、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定されると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら露点制御装置２４による燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスのＴｄｃの上昇動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を維持させる（状態３）。この図６（ａ）に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられることにより、高分子電解質膜の劣化を防止可能な状態にまで十分に加湿される。
次いで、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。
このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達してはいないと判定されると（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定されると（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ５）。そして、制御装置２０は、燃料電池１１を開回路状態とする（状態４）。
その後、制御装置２０は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７の動作を停止させる。又、制御装置２０は、高分子電解質膜の乾燥を長期間に渡りより一層確実に防止するために、必要に応じて、実施の形態１の場合と同様、事前に加湿した不活性ガスを燃料電池１１の内部に封入する。そして、制御装置２０は、燃料電池システム２００の発電運転に係る全ての動作を停止させる。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、実施の形態１の場合と同様、高分子電解質膜の膨潤及び収縮が緩和される。これにより、実施の形態１の場合と同様、高分子電解質膜におけるストレスの集中を緩和することが可能となり、従って、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損を防止することが可能となる。
又、本実施の形態では、適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後、外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、実施の形態１の場合と同様、燃料電池１１の耐久性を十分に確保することが可能となる。
次に、実施の形態１の場合と同様、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例では、実施の形態１に示す燃料電池システムの動作の変形例と同様、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件に代えて、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１が運転される点でのみ、上述した燃料電池システム２００の動作と異なっている。従って、本変形例に係るフローチャートは、図７に示すフローチャートと同様である。
図６（ｂ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１の発電運転が行われている状態（状態１）において、露点制御装置２４の動作を適切に制御することにより（操作１）、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させる（ステップＳ１）。尚、この図６（ｂ）に示す状態２においても、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を維持させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、制御装置２０は、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、燃料電池１１の放電を継続させながら露点制御装置２４の制御動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を維持させる（状態３）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させ（ステップＳ５）、これを開回路状態とする（状態４）。
このように、本変形例では、より一層適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、より一層適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、高分子電解質膜の膨潤及び収縮がより一層緩和される。従って、高分子電解質膜におけるストレスの集中が更に緩和され、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損をより一層確実に防止することが可能となる。
又、本変形例によれば、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ≪Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜がより一層十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を更に抑制することが可能となり、燃料電池１１の耐久性を確実に確保することが可能となる。
このように、本実施の形態では、露点制御装置２４により酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとを一致させることで、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることを可能とする。
尚、本実施の形態では、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際に燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃの両方を上昇させる形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃのみを上昇させる形態としてもよい。例えば、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃのみを上昇させる場合、制御装置２０は、三方弁２５を制御することにより、燃料ガス供給装置１６から供給される燃料ガスを露点センサ２１ａに直接供給する。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
又、本実施の形態では、露点制御装置２４が備える加湿器の温度を商用電力等の外部電力により制御して燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを制御する形態を想定して説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給する燃料ガスの流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させることにより、露点制御装置２４の加湿器の温度を制御して、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを制御する形態としてもよい。又、酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１に供給する酸化剤ガスの流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させることで露点制御装置２４の加湿器の温度を制御して、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを制御する形態としてもよい。又、燃料ガス及び酸化剤ガスの両方の流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させる形態としてもよい。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成は、図５に示す実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成に関する説明は省略する。
以下、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作について、図５，８，９を参照しながら説明する。
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図８（ａ）は、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。又、図８（ｂ）は、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。
又、図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
図８（ａ）及び図８（ｂ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１の発電運転が行われている状態（状態１）において、温度制御装置１９及び露点制御装置２４の双方の動作を適切に制御することにより（操作１）、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致するまで、燃料電池１１の温度を低下させると共に、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させる（ステップＳ１）。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、制御装置２０は、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致したと判定すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、燃料電池１１の放電を継続させながら温度制御装置１９及び露点制御装置２４の制御動作を各々停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を維持させる（状態３）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させ（ステップＳ５）、これを開回路状態とする（状態４）。
尚、制御装置２０は、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致してはいないと判定すると（ステップＳ２でＮＯ）、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとが一致するまで、ステップＳ１に示す制御を継続する。又、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達してはいないと判定すると（ステップＳ４でＮＯ）、燃料電池１１の放電を継続させたまま、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を更に維持させる。
このように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０が温度制御装置１９と露点制御装置２４との双方を制御してＴｃｅｌｌ及びＴｄｃの双方を制御することにより、燃料電池システム２００の発電運転を短期間で停止させることが可能になる。これにより、優れた耐久性と利便性との双方を備える好適な燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
尚、その他の点については、実施の形態１，２の場合と同様である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成は、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成に関する説明は省略する。
以下、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの動作について、図２，１０，１１を参照しながら説明する。
図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図１０（ａ）は、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。又、図１０（ｂ）は、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。
又、図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
燃料電池システム１００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、適切な低加湿運転条件の下で運転されている状態（状態１）の燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを、温度制御装置１９の動作を制御することにより（操作１）、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで低下させる（ステップＳ１及び状態２）。この際、制御装置２０は、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す状態２において、燃料電池１１の放電時の出力電流密度を、状態１における放電時の出力電流密度以下にまで低下させる（ステップＳ２及び操作２）。この図１０（ａ）及び（ｂ）に示す操作２により、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃが上昇すると共に、燃料電池１１における発電に伴い生成する水の生成量が減少する。
次いで、燃料電池システム１００の制御装置２０は、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したか否かを判定する（ステップＳ３）。そして、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したと判定すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置２０は、温度制御装置１９の冷却動作を停止させて（ステップＳ４及び操作３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を維持させる（状態３）。この図１０（ａ）及び（ｂ）に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられて十分に加湿される。
次いで、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ５）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して放電を停止させ（ステップＳ６及び操作４）、燃料電池１１を開回路状態とする（状態４）。
その後、制御装置２０は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７の動作を停止させた後、高分子電解質膜の乾燥を防止するための所定の処置を施して、燃料電池システム１００の発電運転に係る全ての動作を停止させる。
このように、本実施の形態では、適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際、制御装置２０が、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。この際、制御装置２０は、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させている間に、燃料電池１１の放電時の出力電流密度を発電運転時における出力電流密度以下にまで低下させる。これにより、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させている際の水の生成量を減少させることができるので、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させる際に発生する可能性があるフラッディングによる流路の水詰まりを効果的に抑制することが可能になる。

又、燃料電池システムでは、通常、燃料電池の温度が低下するにつれて、アノード及びカソードにおける反応抵抗が大きくなる。つまり、燃料電池システムでは、放電時の出力電流密度を一定に保持した状態で燃料電池の温度を低下させると、燃料電池の出力電圧が０ボルト以下になる、いわゆる転極現象が発生する。この転極現象が発生すると、燃料電池の発電性能は著しく低下する。しかしながら、本実施の形態では、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させる際に、燃料電池１１の放電時の出力電流密度を発電運転時における出力電流密度以下にまで低下させるので、燃料電池１１が転極状態に陥ることを効果的に抑制することが可能になる。これにより、燃料電池１１の発電性能の低下を防止することが可能になる。
尚、その他の点については、実施の形態１〜３の場合と同様である。
以上、本発明によれば、燃料電池システムが適切な低加湿運転条件の下で運転され、その発電運転を停止する際には、外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態となる前に燃料電池の高分子電解質膜が十分にかつ確実に加湿されるので、燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題を解消することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池が開回路状態に移行する際の高分子電解質膜の劣化を防止可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
尚、制御装置が温度制御装置を制御して燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを一致させる形態では、酸化剤ガスの露点が経時的に変化しないことが望ましい。かかる形態とすれば、燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを一致させるまでの待機時間を短縮することが可能になる。このような、酸化剤ガスの露点を経時的に変化させない露点制御装置の加湿器としては、バブラーを用いることができる。ここで、バブラーとは、温水中に酸化剤ガスを通じて加湿を行う加湿器である。このバブラーでは、酸化剤ガスは、温水の温度と同じ露点を有するように加湿される。バブラーを駆動するための熱源としては、燃料電池を冷却する冷却媒体や、ヒーター、或いは、改質器の燃焼排ガスを用いることが可能である。そして、露点制御装置の加湿器としてバブラーを用いることにより、酸化剤ガスの露点を一定に保つことが容易になる。これにより、比較的簡易な構成の下、燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを一致させるまでの待機時間を短縮することが容易になる。
又、本発明の実施の形態１〜４では、燃料電池システムの発電運転中、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び燃料ガスの露点ＴｄａがＴｃｅｌｌ≦Ｔｄａなる相互関係を満たし、かつ燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び酸化剤ガスの露点ＴｄｃがＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たしている形態を例示したが、このような形態に限定されることはない。例えば、本発明は、実施の形態１〜４に例示する、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係に代えて、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄaなる相互関係を満たしている場合であっても、実施することが可能である。
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法として産業上利用することが可能である。
又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、高出力特性と同時に短時間起動が要求される電気自動車の動力電源や、長期信頼性が要求される家庭用コジェネレーションシステム等の用途において、産業上利用することが可能である。
本発明は、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池システム及びその運転方法に関する。
従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、高分子電解質形燃料電池等が用いられる。これらの燃料電池の内、高分子電解質形燃料電池は、５０℃〜１２０℃程度の比較的低温での発電が可能であると共に、その出力密度が高く、かつ寿命が長いという特徴を有している。そのため、高分子電解質形燃料電池は、高出力特性と同時に短時間起動が要求される電気自動車の動力電源や、長期信頼性が要求される家庭用コジェネレーションシステム等への応用が期待されている。
高分子電解質形燃料電池では、その発電運転の際、アノード側に水素を含む燃料ガスが供給されると共に、カソード側に酸素を含む酸化剤ガスが供給される。すると、高分子電解質形燃料電池のアノードでは、供給された水素が電子とプロトンとに変換される。アノードで発生した電子は、燃料電池システムに接続された外部負荷を経由して、高分子電解質形燃料電池のカソードに到達する。又、アノードで発生したプロトンは、高分子電解質膜を通過してカソードに到達する。一方、高分子電解質形燃料電池のカソードでは、外部負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜を通過して到達するプロトンと、カソード側に供給される酸化剤ガス中の酸素とが用いられて、水が生成する。これらの一連の機序により、高分子電解質形燃料電池から電力が出力され、外部負荷が駆動される。尚、燃料ガスは、例えば、メタンから水蒸気改質反応により水素を生成する燃料ガス供給装置から供給される。又、酸化剤ガスは、例えば、シロッコファンにより大気中から空気を取り込む酸化剤ガス供給装置から供給される。
ところで、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムでは、アノード側からカソード側へのプロトンの伝導性を確保するために、その高分子電解質膜を湿潤状態において維持する必要がある。そのため、この燃料電池システムでは、加湿された燃料ガス及び加湿された酸化剤ガスがアノード側及びカソード側に各々供給される。又、この燃料電池システムでは、化学反応の自由エネルギー変化を電気エネルギーに変換する際のエネルギーの変換効率を十分に確保するために、例えば、燃料ガスの露点をＴｄａとし、酸化剤ガスの露点をＴｄｃとし、高分子電解質形燃料電池の温度をＴｃｅｌｌとする場合、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件（以下、この運転条件を「低加湿運転条件」という）の下で高分子電解質形燃料電池が運転される。これらにより、燃料電池システムは、長期間に渡り安定して所定の発電性能を発揮する（例えば、特許文献１参照）。
一方、この燃料電池システムの発電運転では、燃料電池システムが生成する電気エネルギー及び熱エネルギーの何れもが不要である場合には発電運転を行う必要が無いため、通常、状況に応じて高分子電解質形燃料電池の発電運転を起動又は停止させる起動停止型の運転形態が採られる。この起動停止型の運転形態では、電気エネルギー及び熱エネルギーの何れもが不要となる場合、燃料電池システムの制御装置は、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置の動作を停止させた後、高分子電解質形燃料電池と外部負荷との電気的な接続を切断する。これにより、高分子電解質形燃料電池の状態は開回路状態となる。そして、制御装置は、高分子電解質膜の乾燥を防止するために、加湿した不活性ガスを高分子電解質形燃料電池の内部に封入する。又は、制御装置は、高分子電解質形燃料電池と燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置との接続を遮断して、高分子電解質形燃料電池の燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路を密閉する。これにより、燃料電池システムは、高分子電解質膜の乾燥を長期間に渡り防止する（例えば、特許文献２，３，４参照）。
特願平０４−５０２７４９号公報 特開平０６−２５１７８８号公報 特開２００４−１６３０３７号公報 特開２００４−００６１６６号公報
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、加湿した不活性ガスの封入又は燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の密閉により長期間に渡り高分子電解質膜の乾燥を防止しているにも関わらず、高分子電解質膜の劣化が経時的に進行して、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題があった。これは、燃料電池システムが発電運転を停止する際、低加湿運転条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池が外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態とされることが原因であった。
又、この従来の燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴い、高分子電解質膜に破れ等の破損が進行して、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題があった。これは、発電運転時の低加湿運転と発電運転後の加湿した不活性ガスの封入との繰り返しにより、高分子電解質膜の膨潤と収縮とが繰り返され、高分子電解質膜の一部にストレスが集中することが原因であった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、高分子電解質形燃料電池におけるアノード側からカソード側へのプロトンの伝導性や、電気エネルギーを得る際のエネルギーの変換効率は、上記「低加湿運転条件」とは若干異なる「適切な低加湿運転条件」の下であれば、高分子電解質形燃料電池をＴｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる低加湿運転条件の下で運転させることなく、十分に確保可能であることを見出し、本発明に到達した。
又、本発明者らは、低加湿運転条件の下で燃料電池システムが運転される場合、この低加湿運転条件で運転される状態から発電運転を停止させる際に高分子電解質膜の乾燥による劣化が特に進行し易いという事実に基づき、高分子電解質形燃料電池の放電を停止させる前に出力電圧を開回路電圧よりも低い所定の範囲に保ちながら高分子電解質膜の含水量を適切に調節することが上述の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、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装置と、前記燃料電池、前記燃料ガス供給装置及び前記酸化剤ガス供給装置を少なくとも制御する制御装置と、を備え、前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れかを更に備え、前記制御装置は、前記燃料電池の発電時に、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方の露点を前記燃料電池の温度以上としかつその他方の露点を前記燃料電池の温度未満とし、その後、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを少なくとも一致させ、その後、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断するように構成されている。
又、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、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装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方の露点を前記燃料電池の温度以上としかつその他方の露点を前記燃料電池の温度未満とし、その後、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを少なくとも一致させ、その後、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断する。
かかる構成とすると、燃料電池システムの発電時に燃料ガス及び酸化剤ガスの一方の露点が燃料電池の温度以上とされかつその他方の露点が燃料電池の温度未満とされることにより、高分子電解質膜の膨潤と収縮との繰り返しが大幅に抑制されるので、高分子電解質膜の一部にストレスが集中することを効果的に抑制することが可能になる。
又、燃料電池システムの状態を発電運転状態から発電運転停止状態に移行させる過程において、制御装置が温度制御装置及び加湿装置の少なくとも一方を制御して燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスのより低露点側の露点とを少なくとも一致させた後に燃料電池と負荷との電気的な接続を切断するので、高分子電解質膜の含水量を相対的に上昇させることが可能となる。
そして、これらにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能になるので、優れた耐久性を備える燃料電池システムを提供することが可能になる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記他方の露点を前記燃料電池の温度以上とするよう、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御する。
又、この場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記他方の露点を前記燃料電池の温度以上とする。
かかる構成とすると、高分子電解質膜が十分に加湿される。これにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池の耐久性を十分に確保することが可能となる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記温度制御装置を制御して、前記燃料電池の温度を低下させて、該燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
又、この場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池の温度を低下させて、該燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
かかる構成とすると、燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの他方の露点とを容易に一致させることが可能になる。
上記の場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記低下させる際に、前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
又、上記の場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
かかる構成とすると、燃料電池の温度を低下させる際に燃料電池の出力電流密度を発電時における出力電流密度以下に制御するので、発電に伴い生成する水の生成量を抑制することができる。これにより、燃料電池において流路閉塞が発生することを防止することが可能になる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御して、前記燃料電池の温度を低下させる。
かかる構成とすると、温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御するので、燃料電池の温度を容易に低下させることが可能になる。
又、上記の場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記加湿装置を制御して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
又、上記の場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる。
かかる構成としても、燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの他方の露点とを容易に一致させることが可能になる。
この場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
又、この場合、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。
かかる構成とすると、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる際に燃料電池の出力電流密度を発電時における出力電流密度以下に制御するので、発電に伴い生成する水の生成量を抑制することができる。これにより、燃料電池において流路閉塞が発生することを防止することが可能になる。
上記の場合、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置が、前記加湿装置内の加湿器の温度を前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる。
かかる構成とすると、加湿装置内の加湿器の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を容易に上昇させることが可能になる。
本発明は以上に述べたように構成され、プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下の説明では、高分子電解質形燃料電池を備える高分子電解質形燃料電池システムを単に「燃料電池システム」と記載する。又、以下の説明では、高分子電解質形燃料電池を単に「燃料電池」と記載する。更に、以下の説明では、膜／電極接合体を「ＭＥＡ」と記載する。
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの燃料電池の断面構成を模式的に示す断面図である。尚、図１では、燃料電池の基本構成を明快に説明するために、燃料電池の要部のみを抜粋して図示している。
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池１０１では、ＭＥＡ５がその周縁部に一対のガスケット９ａ及びガスケット９ｃを配置されて一対のセパレータ７ａ及びセパレータ７ｃにより挟持されている。これにより、本実施の形態に係る燃料電池１０１において、単電池１０２（以下、「単電池」を「セル」という）が構成されている。そして、このセル１０２が直列に複数個積層されて、燃料電池１０１が構成されている。
より詳細に説明すると、図１に示すように、ＭＥＡ５はプロトンの導電性を有する高分子電解質膜１を備えている。この高分子電解質膜１は、含水状態においてプロトンを選択的に輸送する。この高分子電解質膜１のプロトン輸送能は、含水状態において高分子電解質膜１に固定されている固定電荷が電離すると共に、この固定電荷の対イオンとして機能する水素がイオン化して移動可能になることにより実現される。そして、図１に示すように、この高分子電解質膜１の両面の中央部には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層２ａ及び触媒反応層２ｃが、各々が対向するようにして着設されている。ここで、これらの触媒反応層２ａ，２ｃの内、触媒反応層２ａでは、図１では図示しない燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス由来の水素が、化学式（１）に示すように、電子とプロトンとに変換される。触媒反応層２ａで生成した電子は、燃料電池システムに接続された図１では図示しない外部負荷を経由して、触媒反応層２ｃに到達する。又、触媒反応層２ａで生成したプロトンは、高分子電解質膜１を通過して、触媒反応層２ｃに到達する。一方、燃料電池１０１の触媒反応層２ｃでは、外部負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜１を通過して到達するプロトンと、図１では図示しない酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス由来の酸素とが用いられて、化学式（２）に示すように、水が生成する。この一連の化学反応により、燃料電池１０１は、電力を出力すると共に熱を発生する。
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ・・・化学式（１）
（１／２）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ ・・・化学式（２）
又、図１に示すように、触媒反応層２ａ及び触媒反応層２ｃの高分子電解質膜１に接していない面には、ガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃが、各々が対向するようにして着設されている。これらのガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃは、燃料ガス及び酸化剤ガスの通気性と導電性とを兼ね備えており、触媒反応層２ａ及び触媒反応層２ｃの表面に各々電気的に接続するように着設されている。
そして、この燃料電池１０１では、触媒反応層２ａとガス拡散層３ａとにより、アノード４ａが構成されている。又、この燃料電池１０１では、触媒反応層２ｃとガス拡散層３ｃとにより、カソード４ｃが構成されている。又、この燃料電池１０１では、高分子電解質膜１とアノード４ａとカソード４ｃとにより、ＭＥＡ５が構成されている。
一方、図１に示すように、ＭＥＡ５の高分子電解質膜１は電気絶縁性のガスケット９ａ及びガスケット９ｃにより挟持され、更に、これらのガスケット９ａ及びガスケット９ｃとガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃとは導電性のセパレータ７ａ及びセパレータ７ｃにより挟持されている。これにより、燃料電池１０１において、セル１０２が構成されている。ここで、このセル１０２では、セパレータ７ａのガス拡散層３ａと接する面に、燃料ガス流路６ａが凹設されている。この燃料ガス流路６ａは、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスをＭＥＡ５のガス拡散層３ａに供給すると共に、触媒反応により発生したガス及び余剰の燃料ガスをセル１０２の外部に排出する。又、このセル１０２では、セパレータ７ｃのガス拡散層３ｃと接する面に、酸化剤ガス流路６ｃが凹設されている。この酸化剤ガス流路６ｃは、酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスをＭＥＡ５のガス拡散層３ｃに供給すると共に、触媒反応により発生したガス及び余剰の酸化剤ガスをセル１０２の外部に排出する。又、セパレータ７ａ及びガス拡散層３ａは電気的に接続されており、同様にして、セパレータ７ｃ及びガス拡散層３ｃも電気的に接続されている。
そして、図１に示すように、セル１０２が電気的に直列に複数個積層されて、燃料電池１０１が構成されている。ここで、この燃料電池１０１では、一方のセル１０２のセパレータ７ａが他方のセル１０２のセパレータ７ｃと電気的に接続するようにして、所望の出力電圧が得られるよう、複数個のセル１０２が電気的に直列に接続されている。又、この燃料電池１０１では、セパレータ７ａの隣接するセパレータ７ｃと接する面と、セパレータ７ｃの隣接するセパレータ７ａと接する面とに、互いに対向する凹部が各々形成されている。これにより、冷却水流路８ａ及び冷却水流路８ｃが構成されている。又、これらの冷却水流路８ａ及び冷却水流路８ｃに流通する冷却水の漏洩を防止するために、セパレータ７ａと隣接するセパレータ７ｃとの間には、ガスケット１０が配設されている。冷却水流路８ａ及び冷却水流路８ｃには、図１では図示しない冷却水供給装置から冷却水が供給され、この冷却水は発電運転の際に発熱する燃料電池１０１を冷却する。尚、冷却水により燃料電池１０１から回収された熱エネルギーは、例えば、給湯のために用いられる。
図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図２では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。
図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体として、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池１１（図１に示す燃料電池１０１に相当）を備えている。又、この燃料電池システム１００は、燃料電池１１に供給するための燃料ガス及び酸化剤ガスを各々生成する燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７と、この酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１へ供給される酸化剤ガスを途中で加湿する加湿器１８と、この加湿器１８及び上述した燃料ガス供給装置１６が供給する酸化剤ガス及び燃料ガスの露点温度（以下、単に「露点」という）を各々検出する露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃとを備えている。
又、この燃料電池システム１００は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池１１の温度を冷却媒体（例えば、冷却水）により制御する温度制御装置１９と、この温度制御装置１９と上述した燃料電池１１との間で循環される冷却媒体の温度を検出する温度センサ２２とを備えている。更に、この燃料電池システム１００は、上述した燃料電池１１、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７、温度制御装置１９の動作を適宜制御する制御装置２０を備えている。
より詳細に説明すると、図２に示すように、燃料電池１１は燃料ガス供給部１２及び酸化剤ガス供給部１３と燃料ガス排出部１４及び酸化剤ガス排出部１５とを備えている。燃料電池システム１００の発電運転の際、燃料ガス供給装置１６が生成する燃料ガスは、その露点が露点センサ２１ａにより検出された後、燃料電池１１の燃料ガス供給部１２に供給される。そして、燃料電池１１において余剰となった燃料ガス（排燃料ガス）は、燃料電池１１の燃料ガス排出部１４から排出される。一方、酸化剤ガス供給装置１７が供給する酸化剤ガスは、加湿器１８により加湿されかつその露点が露点センサ２１ｃにより検出された後、燃料電池１１の酸化剤ガス供給部１３に供給される。そして、燃料電池１１において余剰となった酸化剤ガス（排酸化剤ガス）は、燃料電池１１の酸化剤ガス排出部１５から排出される。
燃料ガス供給装置１６は、例えば、改質器で構成され、都市ガス又はプロパンガス等の原料を用いて水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この燃料ガスは、水蒸気改質反応の際に加湿され、水蒸気を含む状態で燃料電池１１に供給される。このように、水蒸気を含む燃料ガスが燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給されることにより、燃料電池１１の図２では図示しない高分子電解質膜は湿潤状態において維持される。尚、本実施の形態では例示しないが、燃料ガスとして水素ボンベに充填された純水素を用いる場合には、この純水素を加湿するために、燃料ガス供給装置１６と露点センサ２１ａとの間に加湿器を配設する。
酸化剤ガス供給装置１７は、例えば、シロッコファンで構成され、大気中から酸化剤ガスとしての空気を取り込む。そして、その取り込んだ空気を燃料電池１１に供給する。ここで、大気中から取り込んだ空気は、通常、燃料電池１１の高分子電解質膜を湿潤するために必要となる量の水蒸気を含んではいない。そのため、図２に示すように、燃料電池システム１００では、酸化剤ガス供給装置１７と露点センサ２１ｃとの間に、加湿器１８が配設されている。この加湿器１８は、酸化剤ガス供給装置１７が排出する空気を加湿した後にそれを燃料電池１１に供給する。このように、酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１に加湿器１８により加湿された空気が供給されることによっても、燃料電池１１の高分子電解質膜は湿潤状態に維持される。
露点センサ２１ａは、燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給される燃料ガスの露点を検出する。又、露点センサ２１ｃは、酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出する。本実施の形態では、これらの露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃにより検出される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点を、燃料電池１１の内部における燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとみなす。尚、これらの露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃとしては、燃料ガス及び酸化剤ガスの類に対する耐久性を備えかつ温度耐久性を備えるものであれば、如何なる露点センサを用いてもよい。又、燃料ガスの露点Ｔｄａは燃料ガス供給装置１６（正しくは、燃料ガス供給装置１６を構成する改質器）の性能に依存し、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃは加湿器１８の性能に依存する。そのため、燃料ガスの露点Ｔｄａとして改質器の動作条件に基づいて算出される露点を用い、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとして加湿器１８の動作条件に基づいて算出される露点又は加湿器１８の温度（実測値）を用いる構成としてもよい。
温度制御装置１９は、例えば、冷却媒体を循環させる循環ポンプと、循環する冷却媒体を放熱させる放熱器（冷却フィン、熱交換器等）とで構成される。この温度制御装置１９は、例えば水からなる冷却媒体を燃料電池１１に供給すると共に、発電に伴って発生する熱により加熱されて温度上昇した冷却媒体を燃料電池１１から回収する。そして、温度制御装置１９は、その温度上昇した冷却媒体を冷却した後、それを燃料電池１１に再び供給する。或いは、この温度制御装置１９は、冷却媒体の流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させることにより、燃料電池１１の温度を低下させる。例えば、温度制御装置１９内の冷却媒体の流量を増加させることにより、燃料電池１１の温度を低下させることが可能になる。又、冷却媒体の温度を低下させることにより、燃料電池１１の温度を低下させることが可能になる。これにより、温度制御装置１９は、燃料電池１１の温度を一定の温度に維持する。尚、冷却媒体により燃料電池１１から回収された熱エネルギーは、例えば、給湯のために用いられる。
温度センサ２２は、燃料電池１１から温度制御装置１９に排出される冷却媒体の温度を検出する。本実施の形態では、この温度センサ２２により検出される冷却媒体の温度を、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとみなす。尚、本発明においては、燃料電池１１の中で実質的に最も高い温度を燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと定義する。温度Ｔｃｅｌｌの検出方法としては、燃料電池１１に供給する冷却媒体の温度を測定する方法、燃料電池１１を構成する図２では図示しないセパレータの温度を熱電対により直接測定する方法、燃料電池１１から排出される冷却媒体の温度を測定する方法等が考えられる。一方、燃料電池１１における最も温度が高い部分は、入口から供給された冷却媒体が燃料電池１１と熱交換して出口から排出されるため、燃料電池１１における冷却媒体の出口部分であると想定される。そこで、本実施の形態では、燃料電池１１から温度制御装置１９に排出される冷却媒体の温度を温度センサ２２により検出する構成としている。
又、制御装置２０は、少なくとも燃料電池１１、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７、温度制御装置１９の動作を適宜制御する。この制御装置２０は、例えばＭＰＵ及びメモリを備えており、予めメモリに記憶されるデータに基づき、少なくとも燃料電池１１、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７、温度制御装置１９の動作を各々適宜制御する。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について、図２〜図４を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態では、燃料電池システムの発電運転中、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び燃料ガスの露点ＴｄａがＴｃｅｌｌ≦Ｔｄａなる相互関係を満たしている。又、本発明の実施の形態では、燃料電池システムの発電運転中、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び酸化剤ガスの露点ＴｄｃがＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たしている。このような、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件を、本明細書では「適切な低加湿運転条件」という。
尚、本発明の実施の形態では、燃料電池システムの発電運転中、例えば、燃料電池における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜Ｔｃｅｌｌ、かつ、燃料電池における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜Ｔｃｅｌｌなる相互関係を各々満たす運転条件が採られてもよい。このように、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び燃料ガスの露点ＴｄａがＴｃｅｌｌ≦Ｔｄａなる相互関係が満たされていない場合であっても、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌに比較的近い所定の範囲内の露点であれば、本発明の効果を奏することができる。
本実施の形態に係る燃料電池システムの動作は、燃料電池が適切な低加湿運転条件の下で運転され、その燃料電池と外部負荷との電気的な接続を切断する（つまり、燃料電池が開回路状態となる）前に高分子電解質膜を十分にかつ確実に加湿する点を除き、従来の燃料電池システムの動作と同様である。そのため、以下では、本実施の形態に係る燃料電池システムの特徴的な動作についてのみ詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの経時変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図３では、本発明を説明するために必要となる操作のみを抜粋して図示しており、その他の操作については図示を省略している。
又、図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。尚、図４では、本発明を説明するために必要となるステップのみを抜粋して図示しており、その他のステップについては図示を省略している。
図３（ａ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム１００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で運転されている燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを、温度制御装置１９の動作を制御することにより、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで低下させる（ステップＳ１）。ここで、この図３（ａ）に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断することなく、燃料電池１１の放電を継続させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。
このステップＳ２において、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致してはいないと判定されると（ステップＳ２でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで、ステップＳ１に示す制御を継続する。
一方、このステップＳ２において、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したと判定されると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら温度制御装置１９の冷却動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を維持させる（状態３）。この図３（ａ）に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられることにより、高分子電解質膜の劣化を防止可能な状態にまで十分に加湿される。
次いで、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。
このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達してはいないと判定されると（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定されると（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ５）。これにより、制御装置２０は、燃料電池１１を開回路状態とする（状態４）。この図３（ａ）に示す状態４において、開回路状態となることにより燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃは上昇するが、燃料電池１１の高分子電解質膜の湿潤状態は、発電運転中の高分子電解質膜の湿潤状態よりも高い。尚、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続の切断は、燃料電池システム１００が備えるインバータ等の出力制御装置により行われる。
その後、制御装置２０は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７の動作を停止させる。又、制御装置２０は、高分子電解質膜の乾燥を長期間に渡りより一層確実に防止するために、必要に応じて、事前に加湿した不活性ガスを燃料電池１１の内部に封入する。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００の発電運転に係る全ての動作を停止させる。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、高分子電解質膜の膨潤及び収縮が緩和される。これにより、高分子電解質膜におけるストレスの集中を緩和することが可能となり、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損を防止することが可能となる。
又、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した後、外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池１１の耐久性を十分に確保することが可能となる。
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例では、上述したＴｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件に代えて、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす第２の適切な低加湿運転条件（以下、この第２の適切な低加湿運転条件も便宜上「適切な低加湿運転条件」という）の下で燃料電池１１が運転される点でのみ、上述した燃料電池システム１００の動作と異なっている。従って、本変形例に係るフローチャートは、図４に示すフローチャートと同様である。
図３（ｂ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム１００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で運転されている燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを、温度制御装置１９の動作を制御することにより、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで低下させる（ステップＳ１）。尚、この図３（ｂ）に示す状態２においても、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を維持させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、制御装置２０は、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したと判定すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、燃料電池１１の放電を継続させながら温度制御装置１９の冷却動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を維持させる（状態３）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させ（ステップＳ５）、これを開回路状態とする（状態４）。
このように、本変形例では、適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、より一層適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、高分子電解質膜の膨潤及び収縮がより一層緩和される。従って、高分子電解質膜におけるストレスの集中を更に緩和することが可能となり、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損をより一層確実に防止することが可能となる。
又、本変形例によれば、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ≪Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜がより一層十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を更に抑制することが可能となり、燃料電池１１の耐久性を確実に確保することが可能となる。
以上、本実施の形態では、適切な低加湿運転条件として、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件、又は、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす運転条件が採られる。この適切な低加湿運転条件により、高分子電解質形燃料電池におけるアノード側からカソード側へのプロトンの伝導性や、電気エネルギーを得る際のエネルギーの変換効率を十分に確保しながら、高分子電解質膜が過剰に加湿されることを回避することが可能になる。
尚、本実施の形態では、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２により燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを実際に測定してその発電運転を停止させる形態について説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、予め測定したＴｃｅｌｌ及びＴｄｃの関係を表すタイムチャートに基づき、燃料電池１１の発電運転を停止させる形態としてもよい。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
又、本実施の形態では、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達した後に燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断する形態について説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した直後に燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
又、本実施の形態において、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａなる相互関係が実現される場合、或いは、Ｔｃｅｌｌ≪Ｔｄａなる相互関係が実現される場合、Ｔｄａとは、燃料ガス中に含まれる水分の全量を露点温度に換算した場合の温度である。ここで、燃料ガス中に含まれる水分の全量とは、燃料ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量をいう。例えば、燃料ガス中に含まれる水分の一部が結露して、燃料ガス中に水蒸気と水とが含まれる場合であっても、上記の定義に基づき、その燃料ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量を露点温度に換算して得られる温度がＴｄａとされる。
これと同様に、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄｃなる相互関係が実現される場合、或いは、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄｃなる相互関係が実現される場合、Ｔｄｃとは、酸化剤ガス中に含まれる水分の全量を露点温度に換算した場合の温度である。ここで、酸化剤ガス中に含まれる水分の全量とは、酸化剤ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量をいう。例えば、酸化剤ガス中に含まれる水分の一部が結露して、酸化剤ガス中に水蒸気と水とが含まれる場合であっても、上記の定義に基づき、その酸化剤ガス中に含まれる水蒸気と水とを合わせた水分の全量を露点温度に換算して得られる温度がＴｄｃとされる。
又、上述したように、本実施の形態において、制御装置２０は、燃料電池１１の発電時に、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方の露点（本実施の形態では、Ｔｄａ）を燃料電池１１の温度以上としかつその他方の露点（本実施の形態では、Ｔｄｃ）を燃料電池１１の温度未満とし、その後、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと前記他方の露点とを一致させ、そして、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する。ここで、「燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと前記他方の露点とを一致させる」とは、例えば、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ＞前記他方の露点なる条件を条件１とし、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ≦前記他方の露点なる条件を条件２とする場合に、燃料電池システム１００において上記の条件１から上記の条件２に移行させることをいう。又、ここで、「燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと前記他方の露点とを一致させる」とは、例えば、燃料電池１１の発電時には、上記の条件１なる条件を満たしており、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断するときには、上記の条件２なる条件を満たしている場合のことをいう。
次に、本発明により従来の課題が解決されるメカニズムについて、図１２を参照しながら概念的に説明する。
図１２は、本発明により従来の課題が解決されるメカニズムを概念的に示す解説図である。この図１２において、図１２（ａ）は高分子電解質膜の破れ等の破損に起因する劣化が解決されるメカニズムの解説図であり、図１２（ｂ）は高分子電解質膜の乾燥に起因する劣化が解決されるメカニズムの解説図である。尚、図１２（ａ）において、曲線ａは本発明を適用した場合の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の含水量の変化を示し、曲線ｃは本発明を適用した場合の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の膨張量の変化を示している。又、図１２（ａ）において、曲線ｂは従来の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の含水量の変化を示し、曲線ｄは従来の燃料電池システムの起動停止運転における高分子電解質膜の膨張量の変化を示している。
図１２（ａ）の曲線ｂに示すように、従来の燃料電池システムでは、その起動停止運転において停止と起動とが停止１〜起動１〜停止２〜起動２と進行する際、低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、燃料電池が備える高分子電解質膜の含水量がＷ１とＷ２との間で大きく変化する。従って、図１２（ａ）の曲線ｄに示すように、従来の燃料電池システムでは、燃料電池が備える高分子電解質膜の膨潤量がＳ１とＳ２との間で大きく変化する。そのため、従来の燃料電池システムでは、その起動停止回数の増加に伴い、燃料電池が備える高分子電解質膜の一部にストレスが集中して、高分子電解質膜の一部に破れ等の破損が進行する。これは、燃料電池システムの発電性能が経時的に低下するという問題を引き起こす。
そこで、本発明では、発電運転中の燃料電池システムの運転条件として適切な低加湿運転条件を採ることにより、燃料電池が備える高分子電解質膜の含水量の変化を抑える。そして、高分子電解質膜の膨潤量の変化を抑えることにより、高分子電解質膜におけるストレスの集中を回避する。これにより、高分子電解質膜の一部に破れ等の破損が進行することを防止して、燃料電池システムの発電性能が経時的に低下するという問題を解決する。
図１２（ａ）の曲線ａを参照して説明すると、本発明に係る燃料電池システムでは、その起動停止運転において停止と起動とが停止１〜起動１〜停止２〜起動２と進行する際、適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるため、燃料電池が備える高分子電解質膜の含水量はＷ３とＷ４との間で変化する。ここで、このＷ３とＷ４との間での高分子電解質膜の含水量の変化は、発電運転中の燃料電池システムの運転条件として適切な低加湿運転条件が採られているので、曲線ｂに示すＷ１とＷ２との間での高分子電解質膜の含水量の変化よりも小さい。そのため、図１２（ａ）の曲線ｃに示すように、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池が備える高分子電解質膜の膨潤量がＳ３とＳ４との間で小さく変化する。ここで、このＳ３とＳ４との間での高分子電解質膜の膨潤量の変化は、曲線ｄに示すＳ１とＳ２との間での高分子電解質膜の膨潤量の変化よりも小さい。これにより、高分子電解質膜におけるストレスの集中を回避することが可能となるので、高分子電解質膜の一部に破れ等の破損が進行することを防止することが可能となる。
一方、高分子電解質膜の乾燥に起因する劣化が解決されるメカニズムは、以下のように説明される。即ち、本発明に係る燃料電池システムでは、その発電運転を停止する際、例えば、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で運転されている燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌを、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致させるよう低下させる。すると、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池のアノード側セパレータ内に通流される燃料ガス中の水は、燃料ガスの露点と酸化剤ガスの露点とを揃えるよう、ＭＥＡを透過して、燃料電池のカソード側セパレータ内に通流される酸化剤ガス中に移動する。この際、図１２（ｂ）に示すように、アノード側からＭＥＡを介してカソード側に移動した水の量をαとし、これに応じた露点の変化をＴαとすると、燃料ガスの露点はＴｄａからＴｄａ−Ｔαに過渡的に低下すると共に、酸化剤ガスの露点はＴｄｃからＴｄｃ＋Ｔαに過渡的に上昇する。ここで、これらの燃料ガスの露点Ｔｄａ−Ｔα及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ＋Ｔαは、何れも燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌよりも高い。従って、燃料電池が備える高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスの双方から水の供給を受けて、十分にかつ確実に加湿される。そして、本発明に係る燃料電池システムでは、この高分子電解質膜が十分に加湿された状態において、燃料電池と外部負荷との電気的な接続が切断される。これにより、燃料電池が放電を停止した開回路状態において高分子電解質膜が十分に加湿されているので、高分子電解質膜の劣化が抑制され、燃料電池の耐久性を十分に確保することが可能となる。
尚、従来の燃料電池システムでは、その発電運転を停止する際、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿運転条件の下で運転される燃料電池が外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態とされるので、高分子電解質膜の劣化が進行する。従って、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の耐久性を十分に確保することはできない。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例のように、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件が採られる場合において、その発電運転が停止される場合、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌをより高露点側の露点である燃料ガスの露点Ｔｄａと一致させるよう変化させると、燃料ガスから酸化剤ガスへの水の移動が発生するので、燃料電池の内部は低加湿状態になる。従って、このような、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌと燃料ガスの露点Ｔｄａとを一致させる形態では、従来の燃料電池システムの場合と同様、燃料電池の耐久性を十分に確保することはできない。
（実施の形態２）
先ず、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成について、図５を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成は、図２に示す加湿器１８に代えて露点制御装置を備えている点を除き、図１及び図２に示す実施の形態１に係る燃料電池システムの構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成と実施の形態１に係る燃料電池システムの構成との相違点について説明することとして、共通する部分に関する説明は省略する。
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図５では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。
図５に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、露点制御装置２４を備えている。この露点制御装置２４は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を必要に応じて各々制御する。これらの燃料ガス及び酸化剤ガスの露点は、露点制御装置２４が備える加湿器１８ａ及び加湿器１８ｃにより実質的に制御される。ここで、加湿器１８ａ及び加湿器１８ｃの動作は、露点制御装置２４が備える制御器２３により直接的に制御される。そして、露点が各々制御された燃料ガス及び酸化剤ガスは、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の場合と同様、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃの検出ポイントを通って燃料電池１１に供給される。尚、制御器２３の動作は、燃料電池システム２００が有する制御装置２０により制御される。
又、図５に示すように、露点制御装置２４は三方弁２５を備えている。この三方弁２５は、燃料ガス供給装置１６から供給される燃料ガスの露点を調整する必要がない場合、その燃料ガスを、加湿器１８ａに供給することなく、露点センサ２１ａに直接供給するよう機能する。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作について、図５〜図７を参照しながら説明する。
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図６では、本発明を説明するために必要となる操作のみを抜粋して図示しており、その他の操作については図示を省略している。
又、図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。尚、図７では、本発明を説明するために必要となるステップのみを抜粋して図示しており、その他のステップについては図示を省略している。
図６（ａ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１の発電運転が行われている状態（状態１）において、露点制御装置２４の動作を適切に制御することにより（操作１）、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させる（ステップＳ１）。ここで、この図６（ａ）に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断することなく、燃料電池１１の放電を継続させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。
このステップＳ２において、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致してはいないと判定されると（ステップＳ２でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、ステップＳ１に示す制御を継続する。
一方、このステップＳ２において、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定されると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら露点制御装置２４による燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスのＴｄｃの上昇動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を維持させる（状態３）。この図６（ａ）に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられることにより、高分子電解質膜の劣化を防止可能な状態にまで十分に加湿される。
次いで、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。
このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達してはいないと判定されると（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ４において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定されると（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ５）。そして、制御装置２０は、燃料電池１１を開回路状態とする（状態４）。
その後、制御装置２０は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７の動作を停止させる。又、制御装置２０は、高分子電解質膜の乾燥を長期間に渡りより一層確実に防止するために、必要に応じて、実施の形態１の場合と同様、事前に加湿した不活性ガスを燃料電池１１の内部に封入する。そして、制御装置２０は、燃料電池システム２００の発電運転に係る全ての動作を停止させる。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、実施の形態１の場合と同様、高分子電解質膜の膨潤及び収縮が緩和される。これにより、実施の形態１の場合と同様、高分子電解質膜におけるストレスの集中を緩和することが可能となり、従って、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損を防止することが可能となる。
又、本実施の形態では、適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後、外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、実施の形態１の場合と同様、燃料電池１１の耐久性を十分に確保することが可能となる。
次に、実施の形態１の場合と同様、本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システムの動作の変形例では、実施の形態１に示す燃料電池システムの動作の変形例と同様、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件に代えて、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１が運転される点でのみ、上述した燃料電池システム２００の動作と異なっている。従って、本変形例に係るフローチャートは、図７に示すフローチャートと同様である。
図６（ｂ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１の発電運転が行われている状態（状態１）において、露点制御装置２４の動作を適切に制御することにより（操作１）、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させる（ステップＳ１）。尚、この図６（ｂ）に示す状態２においても、制御装置２０は、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を維持させる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、制御装置２０は、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、燃料電池１１の放電を継続させながら露点制御装置２４の制御動作を停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を維持させる（状態３）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させ（ステップＳ５）、これを開回路状態とする（状態４）。
このように、本変形例では、より一層適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際に、制御装置２０が、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで燃料電池１１の放電を継続させ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、より一層適切な低加湿運転と加湿した不活性ガスの封入とが繰り返されるので、高分子電解質膜の膨潤及び収縮がより一層緩和される。従って、高分子電解質膜におけるストレスの集中が更に緩和され、高分子電解質形燃料電池の起動停止回数の増加に伴う高分子電解質膜の破れ等の破損をより一層確実に防止することが可能となる。
又、本変形例によれば、燃料電池１１が外部負荷への放電を停止した開回路状態においてはＴｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ≪Ｔｄａなる相互関係が実現され、高分子電解質膜がより一層十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を更に抑制することが可能となり、燃料電池１１の耐久性を確実に確保することが可能となる。
このように、本実施の形態では、露点制御装置２４により酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとを一致させることで、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることを可能とする。
尚、本実施の形態では、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際に燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃの両方を上昇させる形態について説明したが、この形態に限定されることはなく、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃのみを上昇させる形態としてもよい。例えば、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃのみを上昇させる場合、制御装置２０は、三方弁２５を制御することにより、燃料ガス供給装置１６から供給される燃料ガスを露点センサ２１ａに直接供給する。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
又、本実施の形態では、露点制御装置２４が備える加湿器の温度を商用電力等の外部電力により制御して燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを制御する形態を想定して説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給する燃料ガスの流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させることにより、露点制御装置２４の加湿器の温度を制御して、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを制御する形態としてもよい。又、酸化剤ガス供給装置１７から燃料電池１１に供給する酸化剤ガスの流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させることで露点制御装置２４の加湿器の温度を制御して、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを制御する形態としてもよい。又、燃料ガス及び酸化剤ガスの両方の流量及び温度の少なくとも１つの条件を変化させる形態としてもよい。かかる形態としても、本実施の形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成は、図５に示す実施の形態２に係る燃料電池システム２００の構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成に関する説明は省略する。
以下、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作について、図５，８，９を参照しながら説明する。
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図８（ａ）は、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。又、図８（ｂ）は、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。
又、図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
図８（ａ）及び図８（ｂ）の状態１〜操作１〜状態２に示すように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１の発電運転が行われている状態（状態１）において、温度制御装置１９及び露点制御装置２４の双方の動作を適切に制御することにより（操作１）、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致するまで、燃料電池１１の温度を低下させると共に、燃料ガスの露点Ｔｄａ及び酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを上昇させる（ステップＳ１）。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、制御装置２０は、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致したと判定すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、燃料電池１１の放電を継続させながら温度制御装置１９及び露点制御装置２４の制御動作を各々停止させ（操作２及びステップＳ３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を維持させる（状態３）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して（操作３）、燃料電池１１の放電を停止させ（ステップＳ５）、これを開回路状態とする（状態４）。
尚、制御装置２０は、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致してはいないと判定すると（ステップＳ２でＮＯ）、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとが一致するまで、ステップＳ１に示す制御を継続する。又、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達してはいないと判定すると（ステップＳ４でＮＯ）、燃料電池１１の放電を継続させたまま、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム２００の運転状態を更に維持させる。
このように、燃料電池システム２００の発電運転を停止する際、制御装置２０が温度制御装置１９と露点制御装置２４との双方を制御してＴｃｅｌｌ及びＴｄｃの双方を制御することにより、燃料電池システム２００の発電運転を短期間で停止させることが可能になる。これにより、優れた耐久性と利便性との双方を備える好適な燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
尚、その他の点については、実施の形態１，２の場合と同様である。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成は、図２に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成に関する説明は省略する。
以下、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの動作について、図２，１０，１１を参照しながら説明する。
図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図１０（ａ）は、Ｔｃｅｌｌ＝Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。又、図１０（ｂ）は、Ｔｃｅｌｌ＜Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす適切な低加湿運転条件の下で燃料電池が運転される場合のタイムチャートである。
又、図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
燃料電池システム１００の発電運転を停止する際、制御装置２０は、適切な低加湿運転条件の下で運転されている状態（状態１）の燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを、温度制御装置１９の動作を制御することにより（操作１）、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致するまで低下させる（ステップＳ１及び状態２）。この際、制御装置２０は、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す状態２において、燃料電池１１の放電時の出力電流密度を、状態１における放電時の出力電流密度以下にまで低下させる（ステップＳ２及び操作２）。この図１０（ａ）及び（ｂ）に示す操作２により、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃが上昇すると共に、燃料電池１１における発電に伴い生成する水の生成量が減少する。
次いで、燃料電池システム１００の制御装置２０は、露点センサ２１ｃ及び温度センサ２２の出力信号に基づき、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したか否かを判定する（ステップＳ３）。そして、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致したと判定すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置２０は、温度制御装置１９の冷却動作を停止させて（ステップＳ４及び操作３）、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達するまで、燃料電池システム１００の運転状態を維持させる（状態３）。この図１０（ａ）及び（ｂ）に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられて十分に加湿される。
次いで、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ５）。
そして、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したと判定すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、燃料電池１１と外部負荷との電気的な接続を切断して放電を停止させ（ステップＳ６及び操作４）、燃料電池１１を開回路状態とする（状態４）。
その後、制御装置２０は、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１７の動作を停止させた後、高分子電解質膜の乾燥を防止するための所定の処置を施して、燃料電池システム１００の発電運転に係る全ての動作を停止させる。
このように、本実施の形態では、適切な低加湿運転条件の下で燃料電池１１を運転させている状態からその発電運転を停止させる際、制御装置２０が、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させ、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。この際、制御装置２０は、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させている間に、燃料電池１１の放電時の出力電流密度を発電運転時における出力電流密度以下にまで低下させる。これにより、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させている際の水の生成量を減少させることができるので、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させる際に発生する可能性があるフラッディングによる流路の水詰まりを効果的に抑制することが可能になる。
又、燃料電池システムでは、通常、燃料電池の温度が低下するにつれて、アノード及びカソードにおける反応抵抗が大きくなる。つまり、燃料電池システムでは、放電時の出力電流密度を一定に保持した状態で燃料電池の温度を低下させると、燃料電池の出力電圧が０ボルト以下になる、いわゆる転極現象が発生する。この転極現象が発生すると、燃料電池の発電性能は著しく低下する。しかしながら、本実施の形態では、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌを低下させる際に、燃料電池１１の放電時の出力電流密度を発電運転時における出力電流密度以下にまで低下させるので、燃料電池１１が転極状態に陥ることを効果的に抑制することが可能になる。これにより、燃料電池１１の発電性能の低下を防止することが可能になる。
尚、その他の点については、実施の形態１〜３の場合と同様である。
以上、本発明によれば、燃料電池システムが適切な低加湿運転条件の下で運転され、その発電運転を停止する際には、外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態となる前に燃料電池の高分子電解質膜が十分にかつ確実に加湿されるので、燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題を解消することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池が開回路状態に移行する際の高分子電解質膜の劣化を防止可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
尚、制御装置が温度制御装置を制御して燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを一致させる形態では、酸化剤ガスの露点が経時的に変化しないことが望ましい。かかる形態とすれば、燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを一致させるまでの待機時間を短縮することが可能になる。このような、酸化剤ガスの露点を経時的に変化させない露点制御装置の加湿器としては、バブラーを用いることができる。ここで、バブラーとは、温水中に酸化剤ガスを通じて加湿を行う加湿器である。このバブラーでは、酸化剤ガスは、温水の温度と同じ露点を有するように加湿される。バブラーを駆動するための熱源としては、燃料電池を冷却する冷却媒体や、ヒーター、或いは、改質器の燃焼排ガスを用いることが可能である。そして、露点制御装置の加湿器としてバブラーを用いることにより、酸化剤ガスの露点を一定に保つことが容易になる。これにより、比較的簡易な構成の下、燃料電池の温度と酸化剤ガスの露点とを一致させるまでの待機時間を短縮することが容易になる。
又、本発明の実施の形態１〜４では、燃料電池システムの発電運転中、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び燃料ガスの露点ＴｄａがＴｃｅｌｌ≦Ｔｄａなる相互関係を満たし、かつ燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ及び酸化剤ガスの露点ＴｄｃがＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たしている形態を例示したが、このような形態に限定されることはない。例えば、本発明は、実施の形態１〜４に例示する、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄａ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係に代えて、Ｔｃｅｌｌ≦Ｔｄｃ、かつ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａなる相互関係を満たしている場合であっても、実施することが可能である。
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、プロトンの伝導性及びエネルギーの変換効率を十分に確保しかつ起動停止型の運転形態に対応する、高分子電解質膜の劣化を効果的に抑制可能な、優れた耐久性を備える燃料電池システム及びその運転方法として産業上利用することが可能である。
又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、高出力特性と同時に短時間起動が要求される電気自動車の動力電源や、長期信頼性が要求される家庭用コジェネレーションシステム等の用途において、産業上利用することが可能である。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの燃料電池の断面構成を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの経時変化を模式的に示すタイムチャートである。 図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。 図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。 図９は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ、燃料ガスの露点Ｔｄａ、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの変化を模式的に示すタイムチャートである。 図１１は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。 本発明により従来の課題が解決されるメカニズムを概念的に示す解説図である。
１ 高分子電解質膜
２ａ，２ｃ 触媒反応層
３ａ，３ｃ ガス拡散層
４ａ アノード
４ｃ カソード
５ ＭＥＡ（膜／電極接合体）
６ａ 燃料ガス流路
６ｃ 酸化剤ガス流路
７ａ，７ｃ セパレータ
８ａ，８ｃ 冷却水流路
９ａ，９ｃ ガスケット
１０ ガスケット
１１ 燃料電池（高分子電解質形燃料電池）
１２ 燃料ガス供給部
１３ 酸化剤ガス供給部
１４ 燃料ガス排出部
１５ 酸化剤ガス排出部
１６ 燃料ガス供給装置
１７ 酸化剤ガス供給装置
１８ 加湿器
１８ａ，１８ｃ 加湿器
１９ 温度制御装置
２０ 制御装置
２１ａ，２１ｃ 露点センサ
２２ 温度センサ
２３ 制御器
２４ 露点制御装置
２５ 三方弁
１０１ 燃料電池（要部）
１０２ 単電池（セル）
１００〜２００ 燃料電池システム

Claims (14)

  1. 水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    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装置と、
    前記燃料電池、前記燃料ガス供給装置及び前記酸化剤ガス供給装置を少なくとも制御する制御装置と、を備え、
    前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れかを更に備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池の発電時に、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方の露点を前記燃料電池の温度以上としかつその他方の露点を前記燃料電池の温度未満とし、
    その後、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを少なくとも一致させ、その後、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断するように構成されている、燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記他方の露点を前記燃料電池の温度以上とするよう、前記温度制御装置及び前記加湿装置の少なくとも一方を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記温度制御装置を制御して前記燃料電池の温度を低下させて該燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項３記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度を低下させる、請求項３記載の燃料電池システム。

  6. 前記制御装置は、前記加湿装置を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項６記載の燃料電池システム。

  8. 前記制御装置は、前記加湿装置内の加湿器の温度を前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる、請求項６記載の燃料電池システム。
  9. 水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    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装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方の露点を前記燃料電池の温度以上としかつその他方の露点を前記燃料電池の温度未満とし、
    その後、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを少なくとも一致させ、その後、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断する、燃料電池システムの運転方法。
  10. 前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記他方の露点を前記燃料電池の温度以上とする、請求項９記載の燃料電池システムの運転方法。
  11. 前記燃料電池の温度を低下させて該燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる、請求項９記載の燃料電池システムの運転方法。
  12. 前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項１１記載の燃料電池システムの運転方法。
  13. 前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて前記燃料電池の温度と前記他方の露点とを一致させる、請求項９記載の燃料電池システムの運転方法。
  14. 前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項１３記載の燃料電池システムの運転方法。
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