JPWO2009113305A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システム（１００ａ）が、燃料電池（１１）と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１６）と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（１７）と、制御装置（２０）と、を備えており、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構（２７，２８，２９）を更に備えており、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、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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ように構成されている。

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高分子電解質形燃料電池を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、高分子電解質形燃料電池と、高分子電解質形燃料電池のアノードに水分（水及び／又は水蒸気）を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、高分子電解質形燃料電池のカソードに水分を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を少なくとも備える燃料電池システムの実用化（例えば、電気自動車等の移動体用の発電システム、家庭用コジェネレーションシステムとしての実用化）に向けて、様々な検討がなされている。
これらの検討の中で、燃料電池システムのエネルギー変換効率を十分に確保するための技術開発は、重要な課題の１つとなっている。そこで、燃料ガスの露点をＴｄａとし、酸化剤ガスの露点をＴｄｃとし、更に高分子電解質形燃料電池の温度をＴｃｅｌｌとする場合に、「Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃ」なる相互関係を満たす運転条件（以下、この運転条件を必要に応じて「低加湿条件」という）の下で発電運転させる燃料電池システムの運転方法、又は、これに基づき作動する燃料電池システムが、エネルギー変換効率を十分に確保可能な燃料電池システム及びその運転方法の１つとして、提案されている。
一方、燃料電池システムの運転方法では、電気エネルギーや熱エネルギーを必要としない状況においては、燃料電池システムを稼動させる必要がない。そのため、通常、燃料電池システムの運転方法では、電気エネルギーや熱エネルギーが必要となった場合には燃料電池システムを起動し、電気エネルギーや熱エネルギーが不必要となった場合には燃料電池システムの運転を停止させるという、起動停止型の運転形態が採られている。
ところで、起動停止型の運転形態が採られる燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池を発電運転させている状態からその発電運転を停止させる際、高分子電解質形燃料電池の状態は閉回路状態から開回路状態に移行する。ここで、燃料電池システムが低加湿条件の下で運転される場合、その発電運転の停止に伴い高分子電解質形燃料電池の状態が閉回路状態から開回路状態に移行すると、水が生成されなくなることによる高分子電解質膜の湿潤状態の変化に起因して、高分子電解質膜の劣化が著しく進行する。その結果、かかる燃料電池システムでは、その高分子電解質膜の劣化に起因して、高分子電解質膜の分解物であるフッ化物イオンが高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードから排出される。
そこで、この問題を解決するために、燃料電池システムが低加湿条件の下で運転されている状態からその発電運転を停止させる際に、燃料ガス或いは酸化剤ガスの露点を制御して、高分子電解質形燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させ、その後、高分子電解質形燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断することにより、高分子電解質膜中の含水量を制御し、これにより、発電運転の停止時の低加湿状態を回避して高分子電解質膜の劣化を防止する燃料電池システム及びその運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、燃料電池システムに備える一酸化炭素除去装置において、加湿した空気（酸化剤ガス）を燃料電池に供給し、そこで消費されずにカソード排気ガスとして排出されたものを、その選択酸化反応器へ導入する構成が開示されている。ここで、高分子電解質形燃料電池では、カソード付近において酸素と水素とが反応して水が生じるので、高分子電解質形燃料電池から排出された空気は、酸素量が当初より減少し、且つ、酸素量に対する窒素量が増加した水蒸気リッチなカソード排気ガスとなる。そこで、この一酸化炭素除去装置では、その選択酸化反応器にカソード排気ガスを導入することにより、反応ガスの熱容量を増加させつつ反応ガス中の一酸化炭素及び酸素を希釈して、反応器のガス導入口付近で選択酸化反応が急激に進行して反応効率が低下することを回避可能としている（例えば、特許文献２参照）。
ＷＯ ２００７／０４６４８３ Ａ１ 特許第３７３２００４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の提案では、燃料ガスの露点を制御する際に、燃料ガス供給装置が備える改質器の運転条件を変更する必要がある。或いは、この提案では、燃料ガスの露点を制御するために、燃料ガス供給装置と高分子電解質形燃料電池との間に設けた加湿器の運転条件を変更する必要がある。
ところが、燃料ガス供給装置が備える改質器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合、具体的には、Ｓ／Ｃ比（スチーム／カーボン比）を変更して燃料ガスの露点を上昇させる場合には、添加した水により改質器の熱が奪われてしまう。そのため、改質器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合には、改質器の改質効率が低下するという新たな問題が発生する。
又、加湿器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合、加湿器は、高分子電解質形燃料電池から排出される排ガス中の水分を高分子電解質形燃料電池に供給する供給ガス中に移動させる構成を備えているため、高分子電解質形燃料電池から排出される排ガスの露点以上の供給ガスを得るためには、新たに加湿器に水分を供給する必要がある。そのため、加湿器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合には、加湿器に水分を供給するための水流路を新たに設ける必要があるので、コストの増大とシステムの複雑化とが見込まれる。
一方、特許文献２に記載の燃料電池システムに備える一酸化炭素除去装置において、燃料電池から排出されたカソード排気ガスをその選択酸化反応器へ導入すれば、選択酸化反応器中の反応ガスに水分が付与されることになるが、この技術は反応ガスの熱容量を増加させつつ反応ガス中の一酸化炭素及び酸素を希釈して急激な選択酸化反応を抑制することを目的とするものであるから、主に燃料ガスを燃料電池に供給する発電運転時を想定したものと推測される。つまり、特許文献２に記載の提案は、燃料電池の非発電運転時の高分子電解質膜の加湿を目的としたものではなく、これについて言及してはいない。
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、簡便な構成により燃料ガスの露点を制御することで、低加湿条件で運転される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を備えた燃料電池システムにおいて、高分子電解質形燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させるよう制御して、その後、高分子電解質形燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断することが好適であることを見出し、本発明を想到するに至った。

即ち、本発明に係る燃料電池システム、及び、その運転方法は、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、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、を備えており、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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運転を停止させる過程において、その燃料電池に水分（ｍｏｉｓｔｕｒｅ）を適切に供給して、これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を適切に上昇させるので、簡便な構成により、高分子電解質膜の含水量を相対的に且つ適切に上昇させることが可能となり、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。これにより、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、前記燃料ガス供給装置は、原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部と、該改質部で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部と、該変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により更に低減する選択酸化部と、を備えており、前記水分供給機構は、前記選択酸化部に水分が供給されるように構成されている選択酸化用水分供給機構である。
かかる構成とすると、選択酸化用水分供給機構により選択酸化部に水分が供給されるので、燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムにおいて、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
この場合、前記選択酸化部は、前記変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガスに選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給経路と、前記選択酸化用空気供給経路から供給された選択酸化用空気と前記変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガスとを混合する混合部と、前記混合部で混合された燃料ガスと選択酸化用空気との混合ガスを用いて該混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒部と、を備えており、前記選択酸化用水分供給機構は、前記選択酸化用空気供給経路又は前記混合部に水分が供給されるように構成されている。
かかる構成とすると、選択酸化用空気供給経路又は混合部に水分が供給されるので、変成部から排出された燃料ガスと水分とを十分に混合させることができる。これにより、燃料ガスの露点を適切に上昇させることが可能になる。
この場合、前記選択酸化用水分供給機構は、水を貯蔵する水タンクと、前記水タンクと前記選択酸化部とを連通させる水分供給経路と、前記水分供給経路上に設けられた水分量調整部と、を備えている。
かかる構成とすると、水タンクと水分供給経路と水分量調整部とを備えるという比較的簡便な構成により、選択酸化用水分供給機構を構成することができる。これにより、燃料電池システムの構成が複雑化することを回避することが可能になる。
又、上記の場合、前記選択酸化部に選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給部を更に備えており、前記選択酸化用水分供給機構は、前記燃料電池から排出された未消費の前記酸化剤ガスを含むカソードオフガスを前記選択酸化部に供給するカソードオフガスバイパス経路と、前記カソードオフガスバイパス経路から供給されるカソードオフガス及び前記選択酸化用空気供給部から供給される選択酸化用空気のうちの少なくとも一方を前記選択酸化部に供給する選択酸化用空気調整部と、を備えている。
かかる構成とすると、燃料電池システムの停止動作時に、燃料電池の発電を維持したまま、この燃料電池から排出された酸化剤ガスを含むカソードオフガスを燃料ガス供給装置が備える選択酸化部に供給することにより、燃料電池に供給される燃料ガスの露点を適切に上昇させることができる。尚、カソードオフガスには、燃料電池にて燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により生じる水（水蒸気）が含まれており、この水を選択酸化部で燃料ガスの露点を上昇させるための水として利用するので、簡便な構成により実現できる。この結果、燃料電池が備える高分子電解質膜の非発電時の含水量を、発電時と比較して相対的に上昇させることができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。これにより、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。

又、上記の場合、前記選択酸化部に選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給部を更に備えており、前記制御装置が、前記選択酸化部に水分が供給されるよう前記選択酸化用水分供給機構を制御する際に、前記選択酸化用空気供給部及び前記選択酸化用水分供給機構のうちの少なくとも一方を制御して、前記選択酸化部の温度が所定の閾値以上となるように構成されている。
かかる構成とすると、選択酸化部に水分が供給されるよう選択酸化用水分供給機構が制御される際、例えば選択酸化用空気供給部から選択酸化部に空気が供給されて該選択酸化部の温度の低下が抑制されるので、選択酸化部における一酸化炭素の低減効率が低下することを防止することが可能になる。これにより、選択酸化部から排出される燃料ガスの品質を確保することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御装置が、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断した後、前記選択酸化部の内部に前記燃料ガスを充填させるよう制御するように構成されている。
かかる構成とすると、燃料電池と負荷との電気的な接続を切断した後に、選択酸化部の内部に燃料ガスを充填させるので、選択酸化部内の水分を低減することができる。このように、選択酸化部内を乾燥し、水分を除去することによって、選択酸化触媒の劣化を抑制することが可能になる。
又、上記の場合、水を貯蔵する水タンクと、該水タンクと前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方とを連通させる第２の水分供給経路と、該第２の水分供給経路上に設けられた第２の水分量調整部と、を備えており、前記水分供給機構は、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に前記水タンクから水分を供給するように構成されている燃料電池用水分供給機構である。
かかる構成とすると、燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水タンクから水分をダイレクトに供給するので、燃料ガス供給装置に代えて水素ボンベを搭載する例えば電気自動車の動力電源としての燃料電池システムにおいても、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
この場合、前記燃料電池の温度を制御するための温度制御装置と、前記温度制御装置と前記燃料電池との間で熱媒体を循環させて該燃料電池から前記温度制御装置へ熱を移動させるための環状の熱媒体経路と、熱交換部と、を備えており、前記熱交換部が、前記環状の熱媒体経路と前記第２の水分供給経路との間で熱交換するように構成されている。
かかる構成とすると、熱交換部により熱媒体経路と第２の水分供給経路との間で熱交換が行われるので、燃料電池システムの停止動作時に燃料電池の熱を有効に利用することができる。又、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させつつ、燃料電池の温度低下を促進するため、燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断するまでの待機時間を短縮することが可能になる。
又、この場合、前記燃料ガス供給装置は原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部を備え、且つ、熱交換部を備えており、前記熱交換部が、前記改質部と前記第２の水分供給経路との間で熱交換するように構成されている。
かかる構成とすると、熱交換部により改質部と第２の水分供給経路との間で熱交換が行われることで、燃料電池システムの停止動作時に改質部の熱を有効に利用することができる。又、改質部の温度低下を促進するため、燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断するまでの待機時間を短縮することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの露点を前記燃料電池の温度未満とするよう制御するように構成されている。
かかる構成とすると、燃料電池システムの燃料電池は、低加湿条件の下で発電することとなるので、エネルギー変換効率が良好となる。又、低加湿条件の下で発電している燃料電池は、非発電時において、燃料電池が備える高分子電解質膜が適度に保湿されることとなる。
又、上記の場合、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうち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燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点とを一致させ、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。
或いは、上記の場合、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断する際に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点が前記燃料電池の温度以上となるよう制御するように構成されている。
かかる構成とすると、燃料電池システムの停止動作時及び停止時において、燃料電池内の燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点が燃料電池の温度以上となるので、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方に含まれる水分により、燃料電池が備える高分子電解質膜が十分に加湿される。よって、高分子電解質膜の劣化を抑制して、燃料電池の耐久性の向上に寄与することができる。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法の構成によれば、簡便な構成により燃料ガスの露点を制御することで、低加湿条件で運転される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が備える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第１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第２の構成を模式的に示すブロック図である。 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第１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１に係る燃料電池システムの第１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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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。 図６は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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７は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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。 図８は、本発明の実施の形態１に係る選択酸化部の具体的な構成を模式的に示す斜視図及び平面図である。 図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。 図１１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１２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、酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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。 図１３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第３の構成を模式的に示すブロック図である。 図１４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。 図１５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。 図１６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。 図１７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。
符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ａ 触媒反応層（アノード側）
２ｃ 触媒反応層（カソード側）
３ａ ガス拡散層（アノード側）
３ｃ ガス拡散層（カソード側）
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 セパレータ（アノード側）
７ｃ セパレータ（カソード側）
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 燃料ガス供給路
１３ 酸化剤ガス供給路
１４ アノードオフガス排出路
１５ カソードオフガス排出路
１６ 燃料ガス供給装置
１７ 酸化剤ガス供給装置
１８ 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 改質部
２４ 変成部
２５ 選択酸化部
２６ 開閉弁（空気供給機構）
２７ 開閉弁（水供給機構）
２８ 水供給ポンプ
２９ 水タンク
３０ 水素ボンベ
３１ 内筒
３２ 外筒
３３ 空気供給部
３４ 変成ガス供給部
３５，３６ 混合部
３７ 選択酸化触媒部
３８，３９，４０ 開孔
４１ 開閉弁（水素供給機構）
４２ 熱交換部
４３ 第１の三方弁（酸化剤ガス供給経路切替機構）
４４ 第２の三方弁（酸化剤ガス排出切替機構）
４５ 第３の三方弁
４６ 開閉弁
４７ バイパス路
４８ 酸化反応用酸化剤ガス供給路
４９ バーナー
５０ 燃料ガス出口
５１ 酸化剤ガス出口

５２ 選択的ガス供給部
５３ 循環路
５４ カソードオフガス供給路
５５ 可変オリフィス
５６ ポンプ
５７ 選択的ガス供給部

５８ 燃料ガス供給系統
５９ 酸化剤ガス供給系統
６０ 燃料ガス排出系統
６１ 酸化剤ガス排出系統
６２ 出力制御装置
１００ａ〜１００ｉ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 単電池（セル）
１０３ 選択酸化部

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、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には、同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。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。そして、この燃料電池を備える燃料電池システムを、単に「燃料電池システム」と記載する。更に、以下の説明では、膜−電極接合体を単に「ＭＥＡ」と記載する。
又、本明細書において、「水分」とは、液体状の水、又は、気体状の水（つまり、水蒸気）、或いは、液体状の水と気体状の水との混合物等を意味する。尚、燃料ガスや酸化剤ガスの露点を上昇させるという、本発明の特徴事項を実現するための観点からすれば、以下の説明では例示しないが、燃料電池システムの適当な構成の下、液体状の水や気体状の水、及びそれらの混合物に代えて、固体状の水（つまり、氷）を「水分」として用いることも可能である。或いは、水分子を含むもの、又は、化学反応等により水分子を提供するものであっても、燃料電池システムの適当な構成の下であれば、「水分」として利用することが可能である。
（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が備える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、便宜上、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、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、この燃料電池１０１において、単電池１０２が構成されている。尚、以下の説明では、便宜上、「単電池」を「セル」と記載する。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。
より具体的に説明すると、図１に示すように、ＭＥＡ５はプロトン伝導性を有する高分子電解質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、この固体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って実現される。このような高分子電解質膜１として、デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）に例示されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が好適である。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、それぞれ対向するように着設されている。これらの触媒反応層２ａ，２ｃのうち、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。ここで、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では図示しない電力負荷を経由して、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、電力負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜１を通過して透過するプロトンと、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。このような一連の化学反応が進行することにより、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、一対のガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃが、それぞれ対向するようにして配設されている。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の表面にそれぞれ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、同様にして、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。そして、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は電気絶縁性を備えるガスケット９ａ及びガスケット９ｃにより狭持され、更に、これらのガスケット９ａ及びガスケット９ｃは導電性を備えるセパレータ７ａ及びセパレータ７ｃにより狭持されている。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、余剰の燃料ガス（アノードオフガス）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（カソードオフガス）をセル１０２の外部に排出する。尚、セパレータ７ａとガス拡散層３ａとは相互に電気的に接続されており、セパレータ７ｃとガス拡散層３ｃとも相互に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と相互に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が電気的に直列に積層されている。ここで、この燃料電池１０１では、セパレータ７ａのセパレータ７ｃと接する面とセパレータ７ｃのセパレータ７ａと接する面とに互いに対向する凹部が形成されており、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に流通される冷却水の漏洩を防止するために、セパレータ７ａとセパレータ７ｃとの間には、ガスケット１０が配設されている。尚、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。又、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第１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１００ａの構成は、基本的には、従来から用いられている一般的な燃料電池システムの構成と同様である。
具体的には、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１００ａ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を備えている。又、この燃料電池システム１００ａ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に供給される酸化剤ガスを途中で加湿する加湿器１８と、燃料ガス及び酸化剤ガスの各々の露点を検出する露点センサ２１ａ及び２１ｃとを備えている。又、この燃料電池システム１００ａは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する際の燃料電池１１の温度を冷却媒体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１００ａ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。
ここで、図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池１１には、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料ガス供給路１２及び酸化剤ガス供給路１３と、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスが排出されるアノードオフガス排出路１４及びカソードオフガス排出路１５とが、それぞれ接続されている。そして、燃料電池システム１００ａ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に接続された燃料ガス供給路１２に供給される。又、燃料電池１１において余剰となった燃料ガスは、燃料電池１１に接続されたアノードオフガス排出路１４から排出される。一方、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスは、加湿器１８において加湿され、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に接続された酸化剤ガス供給路１３に供給される。又、燃料電池１１において余剰となった酸化剤ガスは、燃料電池１１に接続されたカソードオフガス排出路１５から排出される。
本実施の形態において、燃料ガス供給装置１６は、例えば、都市ガス又はプロパンガス等の原料を用いて、その改質部２３において、水蒸気改質反応により水素を豊富に含む水素含有ガス（以下、便宜上、「燃料ガス」と記載する）を生成する。ここで、この改質部２３で生成された燃料ガスは、水素を豊富に含む一方で、燃料電池１１に対して有害な一酸化炭素を大量に含む。そのため、本実施の形態では、燃料ガス供給装置１６の変成部２４が、所定の変成反応を進行させることにより、改質部２３で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる。そして、変成部２４で一酸化炭素が低減された燃料ガスは、その後、選択酸化部２５に供給される。この供給される燃料ガスは、酸化反応用酸化剤ガスが供給される選択酸化部２５において一酸化炭素が燃焼除去され、一酸化炭素が十分に低減された燃料ガスとして、燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給される。

ここで、図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａは、酸化反応用酸化剤ガスが、開閉弁２６を介して、選択酸化部２５に供給されるように構成されている。又、図２に示すように、この燃料電池システム１００ａは、水タンク２９に貯蔵されている水が、水供給ポンプ２８（水分量調整器）及び開閉弁２７を介して、選択酸化部２５に供給されるように構成されている。尚、水タンク２９としては、図２では図示しないが、燃料電池システムが通常備える、アノードオフガス及びカソードオフガスから分離された凝縮水を貯蔵する凝縮水タンクや、改質部における水蒸気改質反応のための改質水を貯蔵する改質水タンクや、燃料電池を冷却するための冷却水を貯蔵する冷却水タンク等が挙げられる。
このように、本実施の形態において、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。これにより、燃料電池１１の図２では図示しない高分子電解質膜は、所定の湿潤状態において維持される。

一方、本実施の形態において、酸化剤ガス供給装置１７は、例えば、シロッコファンにより大気中から酸化反応用酸化剤ガスとしての空気を取り込む。そして、この酸化剤ガス供給装置１７は、その取り込んだ空気を加湿器１８に供給する。すると、加湿器１８は、その供給される空気を加湿した後、その加湿された空気を燃料電池１１に供給する。
本実施の形態において、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から加湿器１８を介して燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出する。ここで、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露点センサであれば、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として燃料ガス供給装置１６の動作条件（例えば、原料流量、改質水量、改質温度等のパラメータ）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の温度を用いる構成としてもよい。つまり、本実施の形態では、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いる構成に代えて、燃料ガス供給装置１６を駆動するための既存の制御要素を用いて燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を決定する構成を採ってもよい。かかる構成としても、後に詳述するが、選択酸化部２５に供給する水量及び空気量を適切に決定することが可能になる。
一方、本実施の形態において、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、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、この温度制御装置１９は、その温度上昇した冷却媒体を冷却した後、温度低下した冷却媒体を燃料電池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って、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の温度を冷却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、給湯等の用途のために用いられる。
ここで、図２に示す温度センサ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、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌは、燃料電池１１の中で最も高い温度とする。そ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。
尚、本実施の形態において、低加湿条件とは、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、かつ、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件であってもよい。この場合のように、燃料電池１１の内部の少なくとも一部が低加湿条件となっている場合でも、本発明の効果を奏することができる。
又、本実施の形態において、低加湿条件とは、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度、かつ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。この場合、燃料電池１１の内部のほぼ全体が低加湿条件となっており、本発明の効果をより顕著に得ることができる。
つまり、本実施の形態において、低加湿条件とは、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、かつ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。或いは、低加湿条件とは、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件であってもよい。この場合のように、燃料電池１１の内部の少なくとも一部が低加湿条件となっている場合でも、本発明の効果を奏することができる。
一方、本実施の形態において、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（マイクロプロセッサ）及びメモリを備えており、予めメモリに記憶されるプログラム及びパラメータ等のデータに基づき、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の動作を適宜制御する。ここで、本実施の形態において、制御装置とは、単独の制御装置のみならず複数の制御装置からなる制御装置群をも意味する。従って、制御装置２０は、単独の制御装置で構成されていてもよく、分散配置され共働して制御する複数の制御装置で構成されていてもよい。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例について、図３を参照しながら説明する。
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第２の構成を模式的に示すブロック図である。
図３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１００ｂは、基本的には図２に示す燃料電池システム１００ａの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｂは、燃料ガス供給装置１６と、酸化剤ガス供給装置１７及び加湿器１８と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｂは、燃料ガス供給装置１６から露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から加湿器１８及び露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｂは、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｂの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｂでは、燃料電池システム１００ａでは水タンク２９から水供給ポンプ２８及び開閉弁２７を介して燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水が供給されるように構成されているのに対して、水タンク２９から水供給ポンプ２８及び開閉弁２７を介して、変成部２４と選択酸化部２５との連結配管に水が供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図２に示す燃料電池システム１００ａの場合と同様である。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作について、詳細に説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａの動作は、低加湿条件の下で運転される燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断する（つまり、燃料電池１１が開回路状態となる）前に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水を加え、燃料ガスの露点を適切に制御して、燃料電池１１が備える高分子電解質膜を適切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４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第１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。
又、図５は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第１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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの経時的な変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図５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。
図４及び図５に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転を停止させる際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ且つＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿運転の下で燃料電池１１が運転している状態（図５の状態１）において、図２及び図３に示す開閉弁２７（水供給機構）を制御して選択酸化部２５に水を加えることにより（図４のステップＳ１、図５の操作１）、燃料ガスの露点Ｔｄａ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を上昇させる（図４のステップＳ２、図５の状態２）。ここで、この図５に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と電力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ように制御する。尚、図５に示すように、この状態２では、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ及び燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌは殆ど変化しないが、選択酸化部２５に水が供給されるため、燃料ガスの露点Ｔｄａが経時的に上昇すると共に、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下する。この選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態については、後に具体的に説明する。
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２１ａ及び温度センサ２２の出力信号に基づいて、燃料ガスの露点Ｔｄａ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Ｓ３）。
具体的には、このステップＳ３において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致しないと判定された場合（ステップＳ３でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、図４のステップＳ２以降の制御（図５の状態２）を継続する。
一方、ステップＳ３において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定された場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、図２及び図３に示す開閉弁２７を制御して選択酸化部２５への水の供給を停止させ（図４のステップＳ４、図５の操作２）、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａの上昇を停止させる（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に到達するまで、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの運転状態をそのまま維持させる（図４のステップＳ６、図５の状態３）。この図５に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、主に燃料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。
具体的には、図５に示す状態３において、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。
このステップＳ６において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達していないと判定された場合（ステップＳ６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１００ａ，１００ｂの運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ６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た場合には（ステップＳ６でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断して（図５の操作３）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ７）。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの燃料電池１１を開回路状態とする（図５の状態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。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転に係る全ての動作を停止させる。
更に、制御装置２０は、ステップＳ７において燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断した後、選択酸化部２５に燃料ガスを充填することにより、選択酸化部２５を乾燥させる。この操作により、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの運転停止時における選択酸化部２５への水の凝集を防ぐことが可能になる。これにより、選択酸化部２５が備える選択酸化触媒の劣化を抑制することが可能になる。又、この操作により、選択酸化部２５の起動エネルギーを増加させることがないので、高効率の燃料電池システムを提供することが可能になる。
ここで、以上に説明した燃料電池システム１００ａ，１００ｂの特徴的な動作は、制御装置２０のメモリに予め所定のプログラムが入力されることにより実現される。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿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、選択酸化部２５への水の供給により、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させ、その燃料ガスの露点Ｔｄａ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、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後に電力負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が電力負荷への放電を停止した開回路状態において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、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。
ここで、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００ａ，１００ｂが備える選択酸化部２５の具体的な構成、及び、水の具体的な供給位置について、図８を参照しながら説明する。
図８（ａ）は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムが備える選択酸化部の具体的な構成を模式的に示す斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す選択酸化部を上方から見た場合の具体的な構成を模式的に示す平面図である。尚、便宜上、図８（ａ）では選択酸化部を構成する外筒を縦断してその内部を視認可能にした状態を模式的に示し、図８（ｂ）では選択酸化部を構成する外筒を横断してその内部を視認可能にした状態を模式的に示している。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る選択酸化部１０３は、その内壁及び外壁を構成する同心状に配置された内筒３１及び外筒３２と、変成部（図示せず）から燃料ガス（変成ガス）が供給される変成ガス供給部３４と、その供給される燃料ガスに空気を供給するための空気供給部３３と、この空気供給部３３から供給された空気と変成部から供給された燃料ガスとを混合する混合部３５，３６と、混合部３６から排出される燃料ガスと空気との混合ガスを用いて燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するための選択酸化触媒部３７とを備えている。尚、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、この選択酸化部１０３は、変成ガス供給部３４に供給された燃料ガスを混合部３５に移動させるための開孔３８と、混合部３５で空気が混合された燃料ガスを混合部３６に更に移動させるための複数の開孔３９と、混合部３６で空気が十分に混合された燃料ガスを選択酸化触媒部３７に移動させるための環状に複数配置された開孔４０とを備えている。
そして、本実施の形態では、選択酸化部１０３に供給する水は、その選択酸化部１０３の選択酸化触媒部３７に直接供給するか、又は、空気供給部３３に空気と共に供給する。或いは、本実施の形態では、選択酸化部１０３に供給する水は、その選択酸化部１０３の混合部３５に直接供給するか、又は、その混合部３６に直接供給する。
このように、空気供給部３３、混合部３５又は混合部３６、或いは、選択酸化触媒部３７に水を供給することにより、その供給された水は、空気の流れ、或いは、燃料ガスの流れによって、効率良くかつ均一に燃料ガスと混合される。これにより、非常に簡便な構成において、水蒸気を含む、露点が適切に制御された燃料ガスを、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの燃料電池１１に供給することが可能になる。
次に、燃料ガスの露点Ｔｄａを経時的に上昇させる際の、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態について、具体的に説明する。
温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態に係る燃料電池システム及びそれが備える燃料電池のハードウェア上の構成は、図１及び図２，３に示す本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａ，１００ｂの構成、及び、それが備える燃料電池のハードウェア上の構成と同様である。従って、ここでは、燃料電池システム及びそれが備える燃料電池の構成に関する説明は省略する。
さて、既に説明したように、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる際には、選択酸化部２５に水が供給されるため、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下する。この場合、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが低下すると、その選択酸化部２５で進行する選択酸化反応の効率が低下する場合がある。
そこで、本実施の形態では、かかる選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下することを抑制するために、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる際に、選択酸化部２５に空気を供給する。かかる構成とすることにより、選択酸化部２５で進行する選択酸化反応の効率が低下することを抑制する。
以下、燃料ガスの露点Ｔｄａを経時的に上昇させる際の、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態について、詳細に説明する。
図６は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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６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。
又、図７は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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７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。
図６及び図７に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転を停止させる際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ且つＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿運転の下で燃料電池１１が運転している状態（図７の状態１）において、図２，３に示す開閉弁２７（水供給機構）を制御して選択酸化部２５に水を加えることにより（図６のステップＳ１、図７の操作１）、燃料ガスの露点Ｔｄａを燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致させるべく、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる（図６のステップＳ２、図７の状態２）。ここで、この図７に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と電力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ように制御する。
この際、図７に示すように、状態２においては、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ及び燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌは殆ど変化しないが、選択酸化部２５に水が供給されるため、燃料ガスの露点Ｔｄａが経時的に上昇すると共に、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下する。
そこで、本実施の形態では、供給する水により選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが所定の閾値Ｔｐ以下にまで低下しないか否かを確認しながら、燃料電池１１と電力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。そして、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが低下して、所定の閾値Ｔｐと一致したと判定された場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置２０は、図２，３に示す開閉弁２６（空気供給機構）を制御して選択酸化部２５に空気を更に加えることで（図６のステップＳ４、図７の操作２）、選択酸化部２５の温度Ｔｒｏｘを上昇させる（図７の状態３）。この状態３において、制御装置２０は、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘを迅速に上昇させるため、選択酸化部２５への水の供給を一旦停止させる。そして、制御装置２０は、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが上昇したことを確認すると、選択酸化部２５への空気の供給を停止させると共に選択酸化部２５への水の供給を再び開始させ（図６のステップＳ１、図７の操作３）、燃料ガスの露点Ｔｄａを燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致させるべく、燃料ガスの露点Ｔｄａを再び上昇させる（図６のステップＳ２、図７の状態４）。
そして、制御装置２０は、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが所定の閾値Ｔｐにまで低下してはいないと判定すると（ステップＳ３でＮＯ）、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ａ及び温度センサ２２の出力信号に基づいて、燃料ガスの露点Ｔｄａ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Ｓ５）。
具体的には、このステップＳ５において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致しないと判定された場合（ステップＳ５でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、図６のステップＳ２以降の制御（図７の状態４）を継続する。
一方、ステップＳ５において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定された場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、図２，３に示す開閉弁２７を制御して選択酸化部２５への水の供給を停止させ（図６のステップＳ６、図７の操作４）、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａの上昇を停止させる（ステップＳ７）。
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に到達するまで、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの運転状態をそのまま維持させる（図６のステップＳ８、図７の状態５）。この図７に示す状態５において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、主に燃料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。
具体的には、図７に示す状態５において、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ８）。
このステップＳ８において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達していないと判定された場合（ステップＳ８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１００ａ，１００ｂの運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ８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た場合には（ステップＳ８でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断して（図７の操作５）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ９）。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの燃料電池１１を開回路状態とする（図７の状態６）。
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。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転に係る全ての動作を停止させる。又、制御装置２０は、ステップＳ９において燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断した後、選択酸化部２５に燃料ガスを充填することにより、選択酸化部２５を乾燥させる。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿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、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を抑制しながら、選択酸化部２５への水の供給により、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させ、その燃料ガスの露点Ｔｄａ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、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後に電力負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が電力負荷への放電を停止した開回路状態において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、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。
又、この実施の形態によれば、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる過程において選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが低下することを抑制するので、選択酸化部２５における一酸化炭素の低減効率が低下することを防止することが可能になる。これにより、選択酸化部２５から排出される燃料ガスの品質を確保することが可能になる。
尚、本実施の形態では、制御装置２０が、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料ガスの露点又は露点と関連する情報に基づき、燃料電池１１のアノードに水分が供給されるよう制御して燃料ガスの露点を上昇させ、その後、燃料電池１１と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。即ち、制御装置２０が、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報に基づき、燃料電池１１のカソードに水分が供給されるよう制御して酸化剤ガスの露点を上昇させ、その後、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。或いは、制御装置２０が、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料ガスの露点又は露点と関連する情報、及び、酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、燃料電池１１のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう制御して燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、その後、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。
尚、その他の点については、図１〜図５に示す燃料電池システム１００ａ，１００ｂの構成及びその動作と同様である。
本実施形態の構成とすると、燃料電池システムの発電運転を停止させる過程において、その選択酸化部に水を適切に供給することができる。図２を参照しながら具体的に説明すれば、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａの構成によれば、制御装置２０が水供給ポンプ２８の動作を制御することにより、燃料電池システム１００ａの発電運転を停止させる過程において、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水タンク２９から水を供給することができる。そして、この際、制御装置２０は、燃料ガスの露点又は露点と関連する情報に基づき、水供給ポンプ２８の動作を適切に制御することができる。従って、本実施形態の構成とすると、水タンク２９から燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に向けて、燃料ガスの露点を適切に上昇させるために必要となる適量の水が供給されることになる。これにより、燃料ガスの露点が適切に上昇されるので、簡便な構成により、必要な分量だけの水のみを用いて適切に加湿にした燃料ガスを高分子電解質形燃料電池に供給することができる。その結果、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り、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。これにより、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。

又、本実施の形態の構成とすると、選択酸化部における不要な熱を有効に利用することができる。図２を参照しながら具体例を説明すれば、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５において進行する一酸化炭素の燃焼除去反応は、熱を発生させる発熱反応である。そして、本実施形態の構成によれば、水タンク２９から選択酸化部２５に供給された水を、その選択酸化部２５における発熱反応により過剰に発生した熱（つまり、不要な熱）を用いることで、その選択酸化部２５において燃料ガスの温度に近づくように加熱することができる。これにより、燃料ガスは、選択酸化部２５において効率良く加湿される。このように、燃料ガスを効率良く加湿することは、燃料電池システムの動作を停止させるまでの待機時間を短縮させる観点において、非常に有効な手段となる。従って、本実施の形態の構成とすると、選択酸化部２５における不要な熱を有効に利用することが可能となる。

（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９を参照しながら説明する。
図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。尚、本実施の形態において、燃料電池システムが備える燃料電池及びセルの断面構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムが備える燃料電池及びセルの断面構成と全く同様である。従って、以下の説明では、燃料電池システムが備える燃料電池及びセルの断面構成に関する説明は省略する。

図９に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて電気と熱とを発生させる燃料電池１１と、この燃料電池１１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統５８と、燃料電池１１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系統５９と、燃料電池１１から余剰の燃料ガスが排出される燃料ガス排出系統６０と、燃料電池１１から余剰の酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出系統６１と、燃料電池１１の温度を調整する温度制御装置１９と、燃料電池１１から電力を取り出す出力制御装置６２と、燃料電池システム１００ｃの動作を適宜制御する制御装置２０と、を備えている。
ここで、燃料ガス供給系統５８の構成について説明する。
図９に示すように、燃料ガス供給系統５８は、実施の形態１の場合と同様にして、原料と酸化反応用酸化剤ガスとから燃料ガスを生成する燃料ガス供給装置１６と、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露点センサ２１ａとを備えている。そして、燃料電池システム１００ｃの発電運転の際に、燃料ガス供給装置１６で生成された燃料ガスは、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に供給される。
燃料ガス供給装置１６は、実施の形態１の場合と同様、改質部２３と、変成部２４と、選択酸化部２５とを備え、例えば、都市ガス又はプロパンガス等の原料を用いて、水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。尚、原料に含まれる硫黄成分は、脱硫器（図示せず）にて除去された後、改質部２３に供給される。
改質部２３は、例えば、水蒸気改質反応による改質方式を採用しており、内部に改質触媒としてのニッケル系触媒が充填された容器と、熱源としてのバーナー４９とを備えている。そして、改質部２３では、供給された原料と高温の水蒸気とによる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。この改質部２３で生成された燃料ガスは、変成部２４に送られる。尚、改質部２３で生成された燃料ガスは、水素を豊富に含む一方で、燃料電池１１に対して有害な一酸化炭素を大量に含んでいる。
変成部２４は、例えば、変成用触媒としての銅−亜鉛系触媒等が充填された容器を備えている。この変成部２４では、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素とする所定の変成反応を進行させることにより、改質部２３で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる。そして、変成部２４において一酸化炭素が低減された燃料ガスは、その後、選択酸化部２５に供給される。
酸化部２５は、例えば、選択酸化触媒としての白金−アルミナ系触媒等が充填された容器を備えている。酸化部２５では、変成部２４から送られてきた変成後の燃料ガスと、酸化反応用酸化剤ガス供給路４８から取り込んだ酸化反応用酸化剤ガス（ここでは、空気）とで、所定の選択酸化反応を進行させることにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。このようにして、一酸化炭素が十分に低減された燃料ガスは、燃料ガス供給路１２を通じて燃料電池１１に供給される。このように、燃料ガス供給装置１６にて生成された燃料ガスは、水蒸気改質反応の際に加湿されて水蒸気を多く含んでいる状態で、燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガスに含まれる水分により所定の湿潤状態で維持される。
尚、本実施の形態において、燃料ガス供給装置１６には、燃料電池１１から排出された酸化剤ガスを含むカソードオフガスと、酸化反応用酸化剤ガスとを、選択的に供給する選択的ガス供給部５２が設けられている。具体的には、選択的ガス供給部５２は、酸化反応用酸化剤ガスを選択酸化部２５に供給するための酸化反応用酸化剤ガス供給路４８と、この酸化反応用酸化剤ガス供給路４８に設けられた酸化剤ガス供給経路切替機構としての第１の三方弁４３と、この第１の三方弁４３にその下流端が接続されたカソードオフガス供給路５４とで構成されている。第１の三方弁４３により、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に、酸化反応用酸化剤ガスを供給する状態と、カソードオフガスを供給する状態と、酸化反応用酸化剤ガスとカソードオフガスの何れも供給しない状態とに、切り替えることができる。
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ために、燃料ガス供給装置１６で生成した燃料ガスを燃料電池１１に供給する燃料ガス供給路１２に設けられている。本実施の形態でも、この露点センサ２１ａにより検出される燃料ガスの露点を、燃料電池１１の内部における燃料ガスの露点Ｔｄａとみなすこととする。尚、実施の形態１の場合と同様、露点センサ２１ａとしては、燃料ガスの類に対する耐久性を備え、且つ、温度耐久性を備える露点センサであれば、如何なる露点センサを用いてもよい。
尚、本実施の形態において、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。
次に、酸化剤ガス供給系統５９の構成について説明する。
図９に示すように、酸化剤ガス供給系統５９は、酸化剤ガス供給装置１７と、加湿器１８と、燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出する露点センサ２１ｃとを備えている。酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスは、加湿器１８において加湿され、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に供給される。
酸化剤ガス供給装置１７は、実施の形態１の場合と同様にして、例えば、シロッコファンで構成されており、このシロッコファンで大気中から酸化剤ガス（ここでは、空気）を取り込み、その取り込んだ酸化剤ガスを加湿器１８に供給する。そして、加湿器１８は、酸化剤ガス供給装置１７より供給された酸化剤ガスを加湿した後、その加湿された酸化剤ガスを燃料電池１１に供給する。
露点センサ２１ｃは、酸化剤ガス供給装置１７から加湿器１８を介して燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出するために、加湿器１８から燃料電池１１へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路１３に設けられている。本実施の形態でも、この露点センサ２１ｃにより検出される酸化剤ガスの露点を、燃料電池１１の内部における酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとみなすこととする。尚、露点センサ２１ｃとしても、酸化剤ガスの類に対する耐久性を備え、且つ、温度耐久性を備える露点センサであれば、如何なる露点センサを用いてもよい。
尚、本実施の形態において、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の双方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。
次に、燃料ガス排出系統６０の構成について説明する。
燃料ガス排出系統６０は、燃料電池１１の燃料ガス出口５０とバーナー４９の燃料ガス供給口とを接続しているアノードオフガス排出路１４を備えている。燃料電池１１に供給された燃料ガスのうちの未消費の燃料ガス（余剰となった燃料ガス）は、アノードオフガス排出路１４に排出される。ここで、燃料電池１１からアノードオフガス排出路１４に排出された燃料ガスを含むガスを「アノードオフガス」という。アノードオフガス排出路１４には、図示せぬ熱交換器と図示せぬ凝縮器とが設けられており、この熱交換器にてアノードオフガスに含まれる燃料ガス及び水蒸気が冷却され、更に、凝縮器にて水分が除去される。このようにして、アノードオフガス中の燃料ガスは、バーナー４９に供給されて、燃焼用燃料として利用される。

尚、図９に示すように、アノードオフガス排出路１４には、燃料ガス供給路１２から燃料電池１１をバイパスして燃料ガスをバーナー４９へ送るバイパス路４７の下流端が接続されている。アノードオフガス排出路１４のバイパス路４７との接続部より上流側には、アノードオフガス排出路１４を開閉する開閉弁４６が設けられている。又、バイパス路４７の上流端と燃料ガス供給路１２との接続部には、第３の三方弁４５が設けられている。この第３の三方弁４５により、燃料ガス供給装置１６で生成された燃料ガスを燃料電池１１へ送る状態と、燃料電池１１をバイパスして燃料ガスをバーナー４９に送る状態とに切り替えることができる。

次に、酸化剤ガス排出系統６１の構成について説明する。
酸化剤ガス排出系統６１は、燃料電池１１の酸化剤ガス出口５１にその上流端が接続されたカソードオフガス排出路１５を備えている。燃料電池１１で使用されなかった余剰の酸化剤ガスや生成された水は、カソードオフガス排出路１５に排出される。ここで、カソードオフガス排出路１５に排出された酸化剤ガスを含むガスを「カソードオフガス」という。カソードオフガスには、高温の酸素、窒素、及び水蒸気が含まれている。カソードオフガス排出路１５には、カソードオフガス排出経路切替機構としての第２の三方弁４４が設けられており、この第２の三方弁４４により、カソードオフガス排出路１５は、排出経路と、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５への供給経路とに分岐されている。燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５への供給経路として、第２の三方弁４４にその上流端が接続されたカソードオフガス供給路５４が設けられている。カソードオフガス供給路５４の下流端は、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ酸化反応用酸化剤ガスを供給する酸化反応用酸化剤ガス供給路４８に設けられた酸化剤ガス供給経路切替機構としての第１の三方弁４３に接続されている。このようにして、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃは、燃料電池１１から排出されたカソードオフガスの一部又は全部が、カソードオフガス供給路５４を通じて燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給可能となるように構成されている。尚、カソードオフガス排出路１５の下流端は、大気に開放されている。
次に、温度制御装置１９の構成について説明する。
温度制御装置１９は、実施の形態１の場合と同様にして、温度制御装置１９と燃料電池１１との間で冷却媒体を循環させる循環路５３及び循環ポンプ（図示せず）と、循環路５３を循環する冷却媒体を放熱させる冷却フィン、熱交換器等の放熱器とを備えている。この温度制御装置１９において、循環路５３を循環する冷却媒体は、燃料電池１１に供給され、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後に燃料電池１１より排出され、放熱器で冷却されて温度低下した後、再び、燃料電池１１に供給される。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、給湯等の用途のために用いられる。
又、この温度制御装置１９は、冷却媒体の流量及び放熱量の少なくとも１つの条件を変化させることによって、燃料電池１１の温度を一定の温度に維持するように構成されている。このような燃料電池１１の温度制御のために、温度制御装置１９は、冷却媒体の温度を検出する温度センサ２２を備えている。本実施の形態では、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できるように設けられている。燃料電池１１の温度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を構成するセパレータ７ａ，７ｃ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。
本実施の形態でも、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」とみなすこととする。尚、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌは、燃料電池１１の中で最も高い温度とする。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。
次に、出力制御装置６２の構成について説明する。

出力制御装置６２は、その入力端子が燃料電池１１の出力端子が接続され、その出力端子が電力負荷に接続されている。ここで、出力制御装置６２はインバータを備えていて、燃料電池１１で発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する。又、出力制御装置６２は、燃料電池１１から取り出す電流（出力）を制御することにより、燃料電池１１の発電量を制御する。燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続及び遮断は、この出力制御装置６２により行われる。

最後に、制御装置２０の構成について説明する。
実施の形態１の場合と同様、本実施の形態に係る制御装置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プログラム及びパラメータ等のデータに基づき、燃料電池システム１００を構成する各要素の動作を適宜制御する。本実施の形態において、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、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と共に、第１の三方弁４３、第２の三方弁４４、及び出力制御装置６２の動作を適宜制御する。

次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例について、図１０を参照しながら説明する。
図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。
図１０に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００ｄは、基本的には図９に示す燃料電池システム１００ｃの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｄは、燃料ガス供給装置１６と、酸化剤ガス供給装置１７及び加湿器１８と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９と、出力制御装置６２と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｄも、燃料ガス供給装置１６から露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から加湿器１８及び露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｄも、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｄの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図１０に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｄでは、燃料電池システム１００ｃでは酸化反応用酸化剤ガス供給路４８を介して燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に酸化反応用酸化剤ガス等が供給されるように構成されているのに対して、酸化反応用酸化剤ガス供給路４８を介して、変成部２４と選択酸化部２５との連結配管に酸化反応用酸化剤ガス等が供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図９に示す燃料電池システム１００ｃの場合と同様である。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作について、詳細に説明する。尚、以下に説明する燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの特徴的な動作は、制御装置２０のメモリに予め格納された所定のプログラムがＭＰＵで実行されることにより行われる。

本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃ，１００ｄは、発電に直接関与する全ての構成要素が停止している「停止状態（待機状態）」と、発電を行う「発電運転」と、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄを「停止状態」から「発電運転」に円滑に立ち上げる「起動動作」と、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄを「発電運転」から「停止状態」に円滑に立ち下げる「停止動作」と、の４つの動作モードを有している。

本実施の形態では、「停止状態」においては、制御装置２０以外の構成要素は停止している。本発明において、「起動動作」の開始時とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「起動信号」が出力された時をいう。「停止動作」の開始時とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「停止信号」が出力された時をいう。「発電運転」の開始時とは、燃料電池１１が発電を開始した時をいう。従って、「起動動作時」とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「起動信号」が出力された時から燃料電池１１が発電を開始するまでの期間をいう。「発電運転時」とは、燃料電池１１が発電を開始した時から燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「停止信号」が出力される時までの期間をいう。「停止動作時」とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「停止信号」が出力された時から発電に直接関与する全ての構成要素が停止するまでの期間をいう。又、燃料電池１１と電力負荷とが電気的に接続されて、燃料電池１１が閉回路状態にあるときを「発電時」といい、燃料電池１１と電力負荷とが電気的に切断されて、燃料電池１１が開回路状態にあるときを「非発電時」という。

本実施の形態では、発電運転時の燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて、燃料電池１１は、適切な低加湿条件の下で発電している。これには、燃料電池１１の内部の少なくとも一部が低加湿条件となっている場合も含まれる。尚、ここで、「低加湿条件」とは、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、且つ、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件である。
但し、低加湿条件は、少なくとも「Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃ」という相互関係を満たす運転条件であればよい。従って、低加湿条件は、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度、且つ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。この場合、燃料電池１１の内部のほぼ全体が低加湿条件となっている。又、低加湿条件は、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、且つ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。或いは、低加湿条件は、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件であってもよい。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの動作は、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄで停止動作が開始されたときに、低加湿条件の下で発電している燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続が切断される前（つまり、燃料電池１１が開回路状態となる前）に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５にカソードオフガスを供給する点を除き、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１００ｃ，１００ｄの特徴的な動作のみを抜粋して、詳細に説明する。

図１１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１１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。
又、図１２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、酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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１２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。
図１１及び図１２に示すように、発電運転時の燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの燃料電池１１は、低加湿条件の下で発電している（状態１）。この図１２に示す状態１において、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄで停止動作が開始されると、先ず、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を維持したまま、つまり、発電を維持したまま、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５にカソードオフガスを供給するように、第２の三方弁４４を動作させる（ステップＳ１、図１２の操作１）。これにより、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に、水分を多く含むカソードオフガスが供給され、燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇する（状態２）。尚、カソードオフガスには、燃料電池１１において燃料ガスと酸化剤ガスとが反応したときに生成した水が、水蒸気として含まれている。

図１２に示す状態２では、燃料電池１１の発電が継続しているため、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ及び燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌは殆ど変化しないが、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水分を多く含むカソードオフガスが供給されるため、燃料ガスの露点Ｔｄａは経時的に上昇し、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘは経時的に低下する。
尚、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給されるカソードオフガスの流量は、適宜調整される。例えば、第２の三方弁４４においてカソードオフガスの供給経路と排出経路との流量比を調整することによって、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給されるカソードオフガスの流量を制御することができる。この場合、カソードオフガス供給路５４にカソードオフガスを圧送するポンプ等の圧送手段を備えることが望ましい。或いは、カソードオフガスの全てがカソードオフガス供給路５４へ流入するように第２の三方弁４４を動作させると共に、酸化剤ガス供給装置１７にて燃料電池１１に供給する酸化剤ガスの流量を調整することによって、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給されるカソードオフガスの流量を制御することができる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の発電を継続させながら、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが燃料ガスの露点Ｔｄａと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、制御装置２０は、露点センサ２１ａと温度センサ２２との検出値から、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇して、やがて、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を維持したまま、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止するように、第２の三方弁４４を動作させる（ステップＳ３、図１２の操作２）。これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａの上昇が停止する。
ここで、制御装置２０は、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと燃料ガスの露点Ｔｄａとが一致したときに、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止しているが、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止するときの条件は、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ以上であれば、本発明の効果を得ることができる。
そして、制御装置２０は、選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止するように第２の三方弁４４を動作させてから時間の計測を開始し、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）。ここで、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の発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の状態を維持させる（状態３）。この図１２に示す状態３において、燃料電池１１の発電は継続しており、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分により、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。
やがて、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄとなると（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断する（ステップＳ５、図１２の操作３）。これにより、燃料電池１１の発電が停止し、燃料電池１１は閉回路状態から開回路状態となる（状態４）。
この図１２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１の湿潤状態は、低加湿条件での発電運転中の高分子電解質膜１の湿潤状態よりも高い。これは、カソードオフガスに含まれる水分により燃料ガスの露点が上昇して「燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ≦燃料ガスの露点Ｔｄａ」なる相互関係が成立しており、燃料ガスに含まれる水分により高分子電解質膜１が十分に加湿されるからである。このように、非発電時の燃料電池１１において、高分子電解質膜１が十分に加湿されることにより、高分子電解質膜１の膨潤及び収縮が緩和される。これにより、高分子電解質形燃料電池１１の発電停止回数の増加に伴う高分子電解質膜１の破れ等の破損を防止して劣化を抑制することが可能となる。
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。ここで、燃料ガス供給装置１６の動作を停止する前であって、燃料電池１１が開回路状態のときに、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に原料を充填することが望ましい。具体的には、制御装置２０は、ステップＳ５において燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断した後で、原料の供給を維持したまま、酸化剤ガス及びカソードオフガスの供給を停止させるように第１の三方弁４３を動作させる。更に、第３の三方弁４５をバイパス路４７側へ切り替えると共に開閉弁４６を閉じて、選択酸化部２５内にある燃料ガスが燃料電池１１を通らずにバーナー４９へ供給される状態とする。このようにして、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に原料を充填させることにより、選択酸化部２５が乾燥するので、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの停止時における選択酸化部２５への水の凝集を防止できる。これにより、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５が備える選択酸化触媒の劣化を抑制できる。更に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５の起動エネルギーを増加させないので、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの高効率化に寄与することができる。
最後に、制御装置２０は、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの発電に直接関与する全ての構成要素の動作を停止させて、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄを停止状態にする。
以上の通り、本実施の形態では、低加湿条件の下で燃料電池１１が発電している状態からその発電を停止させる際に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水分を含むカソードオフガスが供給されるため、燃料電池１１に供給される燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇する。この状態で燃料電池１１の発電を継続し、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで上昇した後に、燃料電池１１の発電を停止する。これにより、非発電時の燃料電池１１において、「燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ≦燃料ガスの露点Ｔｄａ」なる相互関係が成立する。よって、燃料電池１１の非発電時に、高分子電解質膜１が十分に加湿されるので、高分子電解質膜１の劣化が抑制されて燃料電池１１の耐久性が向上する。
尚、本実施の形態では、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いて燃料ガスの露点Ｔｄａと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとを検出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、実施の形態１の場合と同様にして、燃料ガスの露点Ｔｄａは燃料ガス供給装置１６の性能に依存すると共に、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃは加湿器１８の性能に依存することから、燃料ガスの露点Ｔｄａとして燃料ガス供給装置１６の動作条件（例えば、原料流量、改質水量、改質温度等のパラメータ）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の温度を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を開始してからの経過時間とから、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
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と電力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が燃料ガスの露点Ｔｄａと一致した直後に燃料電池１１と電力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、本実施形態では、燃料電池１１に供給される燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇し、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで上昇した後に、燃料電池１１の発電を停止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に供給される燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇し、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌより高くなるまで上昇した後に、燃料電池１１の発電を停止する形態としてもよい。これにより、非発電時の燃料電池１１において、「燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ＜燃料ガスの露点Ｔｄａ」なる相互関係が成立する。これにより、燃料電池１１の非発電時に、高分子電解質膜１がより十分に加湿され、高分子電解質膜１の劣化をより確実に抑制することができる。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第２の変形例について、図１３を参照しながら説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第３の構成を模式的に示すブロック図である。
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第３の構成は、図９に示す第１の三方弁４３並びに第２の三方弁４４を備えない点、及び、酸化剤ガス供給装置１７から酸化反応用酸化剤ガスを燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給する点を除き、図９に示す燃料電池システム１００ｃの構成と同様である。従って、ここでは、燃料電池システムの第３の構成と図９に示す燃料電池システム１００ｃ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１３に示すように、燃料電池システム１００ｅでは、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ、酸化剤ガス供給装置１７から酸化反応用酸化剤ガス供給路４８を通じて酸化反応用酸化剤ガスが供給される。酸化反応用酸化剤ガス供給路４８には、選択酸化部２５へ供給する酸化反応用酸化剤ガスの供給量（流量）を調整するために、流量調整器としての可変オリフィス５５が設けられている。一方、この燃料電池システム１００ｅでは、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ、カソードオフガス供給路５４を通じて燃料電池１１の酸化剤ガス出口５１から排出されたカソードオフガスが供給される。カソードオフガス供給路５４は、燃料電池１１の酸化剤ガス出口５１に接続されたカソードオフガス排出路１５から分岐しているカソードオフガスの流路である。カソードオフガス供給路５４には、選択酸化部２５へ供給されるカソードオフガスの供給量（流量）を調整するためとカソードオフガスを圧送するために、ポンプ５６が設けられている。これらの可変オリフィス５５とポンプ５６とにより、選択的ガス供給部５７が構成されている。
そして、燃料電池１１の発電時には、可変オリフィス５５は所定の開度に開放されており、酸化剤ガス供給装置１７から燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ酸化反応用酸化剤ガスが供給される。このとき、ポンプ５６は停止しているため、カソードオフガス供給路５４へカソードオフガスは流入せず、選択酸化部２５にある燃料ガスはカソードオフガス供給路５４へ流入（逆流）することはない。
又、燃料電池システム１００ｅの停止動作時において、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へカソードオフガスを供給する際には、制御装置２０は、ポンプ５６を動作させることにより、カソードオフガス供給路５４を通じてカソードオフガスを選択酸化部２５へ圧送すると共に、可変オリフィス５５を閉止する。これにより、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ、水分を多く含むカソードオフガスが供給される結果、選択酸化部２５から燃料電池１１へ供給される燃料ガスの露点が上昇する。尚、カソードオフガスの選択酸化部２５への供給量は、ポンプ５６の圧送能力により調整される。
又、燃料電池システム１００ｅの停止動作時において、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へカソードオフガスの供給を停止する際には、制御装置２０は、ポンプ５６を停止させることにより、選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止する。前述の通り、燃料電池システム１００ｅの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガスに含まれる水分により十分加湿されて、適度な加湿状態が維持されることとなる。よって、燃料電池１１が備える高分子電解質膜１の劣化が抑制され、燃料電池１１の長寿命化に貢献することができる。
又、ここでは、流量調整器として可変オリフィス５５が設けられ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、流量調整器として固定オリフィス及び開閉弁を設け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、本実施の形態では、選択的ガス供給部５２，５７は、酸化反応用酸化剤ガスとカソードオフガスとを完全に択一的に燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ供給しているが、両者を所定の混合比率で供給してもよい。このように、本実施の形態において、選択的ガス供給部５２，５７により燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へガスを供給することには、酸化反応用酸化剤ガスとカソードオフガスとを完全に択一的に供給する場合のみならず、両者を所定の混合比率で供給する場合も含まれる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態１，２では、燃料電池システムが燃料ガス供給装置を備える形態について説明した。これに対して、燃料電池システムを電気自動車の動力電源として用いる場合には、通常、燃料ガス供給装置に代えて、水素ボンベが用いられる。そこで、本発明の実施の形態３では、燃料電池システムが燃料ガス供給装置に代えて水素ボンベを備える場合の形態について説明する。

先ず、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第１の構成及びその動作について、図１４を参照しながら説明する。
図１４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１４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。又、本実施の形態においても、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成と全く同様である。従って、以下の説明では、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成に関する説明は省略する。

又、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成は、図２に示す燃料ガス供給装置１６と開閉弁２６，２７と加湿器１８とを備えない点、水素ボンベから水素（燃料ガス）を燃料電池に供給する点、及び、水素ボンベからの水素に水タンクからの水を供給する点を除き、図２に示す燃料電池システム１００ａの構成と同様である。従って、本実施の形態では、燃料電池システムの第１の構成と図２に示す燃料電池システム１００ａ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１４に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｆでは、燃料ガス供給部としての水素ボンベ３０から、水素供給機構としての開閉弁４１を介して、燃料ガスとしての水素が露点センサ２１ａに供給される。ここで、開閉弁４１は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに供給される水素の供給量（流量）を制御する。又、この燃料電池システム１００ｆでは、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃに酸化剤ガスが供給される。一方、図１４に示すように、この燃料電池システム１００ｆでは、水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して水が露点センサ２１ａに向けて供給される。具体的には、水素ボンベ３０から開閉弁４１を介して供給される水素に、水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して供給される水が導入される。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｆは、露点センサ２１ａに、水素ボンベ３０からの水素と水タンク２９からの水とを、同時に供給することができるように構成されている。ここで、水供給ポンプ２８は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水タンク２９から露点センサ２１ａに向けて供給される水の供給量（流量）を制御する。
そして、燃料電池１１の発電時には、開閉弁４１は所定の開度に開放されており、水素ボンベ３０から、露点センサ２１ａ及び燃料ガス供給路１２を通じて、燃料電池１１のアノードへ燃料ガスとしての水素が供給される。このとき、水供給ポンプ２８は停止しているため、水タンク２９へ水素ボンベ３０からの水素が流入することはない。又、この燃料電池１１の発電時には、酸化剤ガス供給装置１７から、露点センサ２１ｃを通じて、燃料電池１１のカソードへ酸化剤ガスが供給される。
又、燃料電池システム１００ｆの停止動作時において、水素ボンベ３０から供給される水素へ水を供給する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８を動作させることで、水タンク２９から水を露点センサ２１ａに向けて圧送する。これにより、水素ボンベ３０からの水素へ、水タンク２９からの水が供給される結果、露点センサ２１ａから燃料電池１１へ供給される燃料ガスの露点が上昇する。尚、水素ボンベ３０からの水素への水の供給量は、水供給ポンプ２８の圧送能力により調整される。又、このとき、開閉弁４１は所定の開度に開放されているが、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに向けて水素が供給されているため、水素ボンベ３０に向けて水が流入することはない。
又、燃料電池システム１００ｆの停止動作時において、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８の動作を停止させて、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する。前述の通り、燃料電池システム１００ｆの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガスに含まれる水分により十分加湿されて、適度な加湿状態が維持されることとなる。よって、本実施の形態によっても、燃料電池１１が備える高分子電解質膜１の劣化が抑制され、燃料電池１１の長寿命化に貢献することができる。
又、本実施の形態では、水素ボンベ３０からの水素に液体状の水を供給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、燃料電池システム１００ｆが液体状の水を霧化するスプレーを備え、このスプレーにより霧化させた水を水素ボンベ３０からの水素に供給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。
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。
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第２の構成及びその動作について、図１５を参照しながら説明する。
図１５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。

図１５に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００ｇは、基本的に、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｇは、水素ボンベ３０及び開閉弁４１と、酸化剤ガス供給装置１７と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９及び温度センサ２２と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｇは、水素ボンベ３０から開閉弁４１及び露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に水素が供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｇは、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｇの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図１５に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｇでは、燃料電池システム１００ｆでは水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して水素ボンベ３０からの水素に水が供給されるように構成されているのに対して、水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスに水が供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの場合と同様である。

このように、水タンク２９から、水供給ポンプ２８を介して、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスに水が供給されるように構成しても、燃料電池システム１００ｇの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１が酸化剤ガスに含まれる水分により十分加湿される。そのため、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、本実施の形態では、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いて燃料ガスの露点Ｔｄａと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとを検出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、燃料ガスの露点Ｔｄａとして、水素ボンベ３０からの水素の供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。又、例えば、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとして、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスの供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
（実施の形態４）

本発明の実施の形態３では、燃料電池システムが水素ボンベを備える形態について説明した。これに対して、水素ボンベから供給される水素に水タンクから水を供給する場合には、燃料ガスとしての水素の露点Ｔｄａや酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを効果的に上昇させる観点から、その水タンクからの水を適度に加熱してから、水素ボンベからの水素に供給する構成がより好ましい。そこで、本発明の実施の形態４では、燃料電池システムが水素ボンベに加えて水タンクからの水の加熱手段を備える形態、及び、燃料電池システムが燃料ガス供給装置に加えて水タンクからの水の加熱手段を備える形態について説明する。
先ず、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第１の構成及びその動作について、図１６を参照しながら説明する。

図１６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１６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。又、本実施の形態においても、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成と全く同様である。従って、以下の説明では、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成に関する説明は省略する。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムの第１の構成は、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成に加えて熱交換部を更に備え、その熱交換部において水タンク２９から供給される水を加熱して、その加熱した水を水素ボンベ３０からの水素に供給する点を除き、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成と同様である。従って、ここでは、燃料電池システムの第１の構成と図１４に示す燃料電池システム１００ｆ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１６に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈでは、燃料ガス供給部としての水素ボンベ３０から、水素供給機構としての開閉弁４１を介して、燃料ガスとしての水素が露点センサ２１ａに供給される。ここで、開閉弁４１は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに供給される水素の供給量（流量）を制御する。又、この燃料電池システム１００ｆでは、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃに酸化剤ガスが供給される。一方、図１６に示すように、この燃料電池システム１００ｈでは、水タンク２９からの水が、水供給ポンプ２８及び熱交換部４２を介して、露点センサ２１ａを通過した水素ボンベ３０からの水素に供給される。ここで、熱交換部４２は、温度制御装置１９と燃料電池１１との間で循環される冷却媒体と、水供給ポンプ２８から排出される水タンク２９からの水との間で熱交換を行うことにより、その水タンク２９から供給される水を加熱するように構成されている。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈは、露点センサ２１ａを通過した水素に、熱交換部４２により加熱された水タンク２９からの水を供給することができるように構成されている。ここで、水供給ポンプ２８は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水タンク２９から熱交換部４２に向けて供給される水の供給量を制御する。
そして、燃料電池１１の発電時には、開閉弁４１は所定の開度に開放されており、水素ボンベ３０から、露点センサ２１ａ及び燃料ガス供給路１２を通じて、燃料電池１１のアノードへ燃料ガスとしての水素が供給される。このとき、水供給ポンプ２８は停止しているため、水タンク２９へ水素ボンベ３０からの水素が流入することはない。又、この燃料電池１１の発電時には、酸化剤ガス供給装置１７から、露点センサ２１ｃを通じて、燃料電池１１のカソードへ酸化剤ガスが供給される。
又、燃料電池システム１００ｈの停止動作時において、水素ボンベ３０から供給される水素へ水を供給する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８を動作させることで、水タンク２９から水を露点センサ２１ａの下流に向けて圧送する。これにより、水素ボンベ３０からの水素へ、熱交換部４２により加熱された水が供給される結果、燃料電池１１へ供給される燃料ガスの露点が効果的に上昇する。尚、実施の形態３の場合と同様にして、水素ボンベ３０からの水素への水の供給量は、水供給ポンプ２８の圧送能力により調整される。又、このとき、開閉弁４１は所定の開度に開放されているが、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに向けて水素が供給されているため、水素ボンベ３０に向けて水が流入することはない。
又、燃料電池システム１００ｈの停止動作時において、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８の動作を停止させて、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する。前述の通り、燃料電池システム１００ｈの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、ここでは燃料ガスとしての水素に含まれる水分により十分加湿されて、適度な加湿状態が維持されることとなる。よって、本実施の形態によっても、燃料電池１１が備える高分子電解質膜１の劣化が抑制され、燃料電池１１の長寿命化に貢献することができる。
又、本実施の形態では、水素ボンベ３０からの水素に液体状の加熱水を供給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、燃料電池システム１００ｈが液体状の水を霧化するスプレーを熱交換部４２の下流側に備え、このスプレーにより霧化させた加熱水を水素ボンベ３０からの水素に供給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。
尚、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈにおいて、温度制御装置１９と燃料電池１１との間で循環される冷却媒体と、水タンク２９から供給される水との熱交換の位置、つまり、熱交換部４２の配設位置は、そのような熱交換が可能な位置であれば、如何なる位置であってもよい。但し、水タンク２９からの水をより効果的に加熱するという観点から、熱交換部４２は、冷却媒体を循環する経路のうち、冷却媒体の温度がより高い位置に配置されることがより好ましい。即ち、熱交換部４２は、冷却媒体を循環する経路のうち、燃料電池１１の出口側、且つ、温度制御装置１９の入口側の部分に配置されることがより好ましい。これにより、燃料電池システム１００ｈにおいて、水タンク２９からの水を、冷却媒体により、より効果的に加熱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。
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第２の構成及びその動作について、図１７を参照しながら説明する。
図１７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。

図１７に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００ｉは、基本的に、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｉは、水素ボンベ３０及び開閉弁４１の代わりとしての燃料ガス供給装置１６及び開閉弁２６と、水タンク２９及び水供給ポンプ２８と、酸化剤ガス供給装置１７と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９及び温度センサ２２と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｉは、燃料ガス供給装置１６から露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｉは、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｉの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図１７に示すように、図１６に示す燃料電池システム１００ｈでは水タンク２９からの水が燃料電池１１の冷却媒体を熱源とする熱交換部４２により加熱された後に水素ボンベ３０からの水素に供給されるように構成されているのに対して、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｉでは、水タンク２９からの水が改質部２３を熱源とする熱交換部４２により加熱された後に選択酸化部２５からの水素に供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図１６に示す燃料電池システム１００ｈの場合と同様である。
このように、水タンク２９から、水供給ポンプ２８及び改質部２３を熱源とする熱交換部４２を介して、燃料ガス供給装置１６からの燃料ガスに加熱水が供給されるように構成しても、燃料電池システム１００ｉの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１が燃料ガスに含まれる水分により十分加湿される。そのため、かかる構成としても、図１６に示す燃料電池システム１００ｈの構成により得られる効果と同様の効果を得ることができる。

尚、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈでは、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いて燃料ガスの露点Ｔｄａと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとを検出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、燃料ガスの露点Ｔｄａとして、水素ボンベ３０からの水素の供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。又、例えば、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとして、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスの供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、簡便な構成によって燃料ガスの露点を制御することで、低加湿条件で運転される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、産業上の利用可能性を有している。
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好適に用いられる燃料電池システム及びその運転方法として、産業上の利用可能性を有している。
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高分子電解質形燃料電池を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関する。
近年、高分子電解質形燃料電池と、高分子電解質形燃料電池のアノードに水分（水及び／又は水蒸気）を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、高分子電解質形燃料電池のカソードに水分を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を少なくとも備える燃料電池システムの実用化（例えば、電気自動車等の移動体用の発電システム、家庭用コジェネレーションシステムとしての実用化）に向けて、様々な検討がなされている。
これらの検討の中で、燃料電池システムのエネルギー変換効率を十分に確保するための技術開発は、重要な課題の１つとなっている。そこで、燃料ガスの露点をＴｄａとし、酸化剤ガスの露点をＴｄｃとし、更に高分子電解質形燃料電池の温度をＴｃｅｌｌとする場合に、「Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃ」なる相互関係を満たす運転条件（以下、この運転条件を必要に応じて「低加湿条件」という）の下で発電運転させる燃料電池システムの運転方法、又は、これに基づき作動する燃料電池システムが、エネルギー変換効率を十分に確保可能な燃料電池システム及びその運転方法の１つとして、提案されている。
一方、燃料電池システムの運転方法では、電気エネルギーや熱エネルギーを必要としない状況においては、燃料電池システムを稼動させる必要がない。そのため、通常、燃料電池システムの運転方法では、電気エネルギーや熱エネルギーが必要となった場合には燃料電池システムを起動し、電気エネルギーや熱エネルギーが不必要となった場合には燃料電池システムの運転を停止させるという、起動停止型の運転形態が採られている。
ところで、起動停止型の運転形態が採られる燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池を発電運転させている状態からその発電運転を停止させる際、高分子電解質形燃料電池の状態は閉回路状態から開回路状態に移行する。ここで、燃料電池システムが低加湿条件の下で運転される場合、その発電運転の停止に伴い高分子電解質形燃料電池の状態が閉回路状態から開回路状態に移行すると、水が生成されなくなることによる高分子電解質膜の湿潤状態の変化に起因して、高分子電解質膜の劣化が著しく進行する。その結果、かかる燃料電池システムでは、その高分子電解質膜の劣化に起因して、高分子電解質膜の分解物であるフッ化物イオンが高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードから排出される。
そこで、この問題を解決するために、燃料電池システムが低加湿条件の下で運転されている状態からその発電運転を停止させる際に、燃料ガス或いは酸化剤ガスの露点を制御して、高分子電解質形燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させ、その後、高分子電解質形燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断することにより、高分子電解質膜中の含水量を制御し、これにより、発電運転の停止時の低加湿状態を回避して高分子電解質膜の劣化を防止する燃料電池システム及びその運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、燃料電池システムに備える一酸化炭素除去装置において、加湿した空気（酸化剤ガス）を燃料電池に供給し、そこで消費されずにカソード排気ガスとして排出されたものを、その選択酸化反応器へ導入する構成が開示されている。ここで、高分子電解質形燃料電池では、カソード付近において酸素と水素とが反応して水が生じるので、高分子電解質形燃料電池から排出された空気は、酸素量が当初より減少し、且つ、酸素量に対する窒素量が増加した水蒸気リッチなカソード排気ガスとなる。そこで、この一酸化炭素除去装置では、その選択酸化反応器にカソード排気ガスを導入することにより、反応ガスの熱容量を増加させつつ反応ガス中の一酸化炭素及び酸素を希釈して、反応器のガス導入口付近で選択酸化反応が急激に進行して反応効率が低下することを回避可能としている（例えば、特許文献２参照）。
ＷＯ ２００７／０４６４８３ Ａ１ 特許第３７３２００４号公報
しかしながら、特許文献１に記載の提案では、燃料ガスの露点を制御する際に、燃料ガス供給装置が備える改質器の運転条件を変更する必要がある。或いは、この提案では、燃料ガスの露点を制御するために、燃料ガス供給装置と高分子電解質形燃料電池との間に設けた加湿器の運転条件を変更する必要がある。
ところが、燃料ガス供給装置が備える改質器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合、具体的には、Ｓ／Ｃ比（スチーム／カーボン比）を変更して燃料ガスの露点を上昇させる場合には、添加した水により改質器の熱が奪われてしまう。そのため、改質器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合には、改質器の改質効率が低下するという新たな問題が発生する。
又、加湿器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合、加湿器は、高分子電解質形燃料電池から排出される排ガス中の水分を高分子電解質形燃料電池に供給する供給ガス中に移動させる構成を備えているため、高分子電解質形燃料電池から排出される排ガスの露点以上の供給ガスを得るためには、新たに加湿器に水分を供給する必要がある。そのため、加湿器の運転条件を変更して燃料ガスの露点を制御する場合には、加湿器に水分を供給するための水流路を新たに設ける必要があるので、コストの増大とシステムの複雑化とが見込まれる。
一方、特許文献２に記載の燃料電池システムに備える一酸化炭素除去装置において、燃料電池から排出されたカソード排気ガスをその選択酸化反応器へ導入すれば、選択酸化反応器中の反応ガスに水分が付与されることになるが、この技術は反応ガスの熱容量を増加させつつ反応ガス中の一酸化炭素及び酸素を希釈して急激な選択酸化反応を抑制することを目的とするものであるから、主に燃料ガスを燃料電池に供給する発電運転時を想定したものと推測される。つまり、特許文献２に記載の提案は、燃料電池の非発電運転時の高分子電解質膜の加湿を目的としたものではなく、これについて言及してはいない。
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、簡便な構成により燃料ガスの露点を制御することで、低加湿条件で運転される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を備えた燃料電池システムにおいて、高分子電解質形燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させるよう制御して、その後、高分子電解質形燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断することが好適であることを見出し、本発明を想到するに至った。
即ち、本発明に係る燃料電池システム、及び、その運転方法は、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、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、を備えており、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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運転を停止させる過程において、その燃料電池に水分（ｍｏｉｓｔｕｒｅ）を適切に供給して、これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を適切に上昇させるので、簡便な構成により、高分子電解質膜の含水量を相対的に且つ適切に上昇させることが可能となり、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。これにより、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、前記燃料ガス供給装置は、原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部と、該改質部で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部と、該変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により更に低減する選択酸化部と、を備えており、前記水分供給機構は、前記選択酸化部に水分が供給されるように構成されている選択酸化用水分供給機構である。
かかる構成とすると、選択酸化用水分供給機構により選択酸化部に水分が供給されるので、燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムにおいて、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
この場合、前記選択酸化部は、前記変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガスに選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給経路と、前記選択酸化用空気供給経路から供給された選択酸化用空気と前記変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガスとを混合する混合部と、前記混合部で混合された燃料ガスと選択酸化用空気との混合ガスを用いて該混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒部と、を備えており、前記選択酸化用水分供給機構は、前記選択酸化用空気供給経路又は前記混合部に水分が供給されるように構成されている。
かかる構成とすると、選択酸化用空気供給経路又は混合部に水分が供給されるので、変成部から排出された燃料ガスと水分とを十分に混合させることができる。これにより、燃料ガスの露点を適切に上昇させることが可能になる。
この場合、前記選択酸化用水分供給機構は、水を貯蔵する水タンクと、前記水タンクと前記選択酸化部とを連通させる水分供給経路と、前記水分供給経路上に設けられた水分量調整部と、を備えている。
かかる構成とすると、水タンクと水分供給経路と水分量調整部とを備えるという比較的簡便な構成により、選択酸化用水分供給機構を構成することができる。これにより、燃料電池システムの構成が複雑化することを回避することが可能になる。
又、上記の場合、前記選択酸化部に選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給部を更に備えており、前記選択酸化用水分供給機構は、前記燃料電池から排出された未消費の前記酸化剤ガスを含むカソードオフガスを前記選択酸化部に供給するカソードオフガスバイパス経路と、前記カソードオフガスバイパス経路から供給されるカソードオフガス及び前記選択酸化用空気供給部から供給される選択酸化用空気のうちの少なくとも一方を前記選択酸化部に供給する選択酸化用空気調整部と、を備えている。
かかる構成とすると、燃料電池システムの停止動作時に、燃料電池の発電を維持したまま、この燃料電池から排出された酸化剤ガスを含むカソードオフガスを燃料ガス供給装置が備える選択酸化部に供給することにより、燃料電池に供給される燃料ガスの露点を適切に上昇させることができる。尚、カソードオフガスには、燃料電池にて燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により生じる水（水蒸気）が含まれており、この水を選択酸化部で燃料ガスの露点を上昇させるための水として利用するので、簡便な構成により実現できる。この結果、燃料電池が備える高分子電解質膜の非発電時の含水量を、発電時と比較して相対的に上昇させることができ、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる。これにより、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
又、上記の場合、前記選択酸化部に選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給部を更に備えており、前記制御装置が、前記選択酸化部に水分が供給されるよう前記選択酸化用水分供給機構を制御する際に、前記選択酸化用空気供給部及び前記選択酸化用水分供給機構のうちの少なくとも一方を制御して、前記選択酸化部の温度が所定の閾値以上となるように構成されている。
かかる構成とすると、選択酸化部に水分が供給されるよう選択酸化用水分供給機構が制御される際、例えば選択酸化用空気供給部から選択酸化部に空気が供給されて該選択酸化部の温度の低下が抑制されるので、選択酸化部における一酸化炭素の低減効率が低下することを防止することが可能になる。これにより、選択酸化部から排出される燃料ガスの品質を確保することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御装置が、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断した後、前記選択酸化部の内部に前記燃料ガスを充填させるよう制御するように構成されている。
かかる構成とすると、燃料電池と負荷との電気的な接続を切断した後に、選択酸化部の内部に燃料ガスを充填させるので、選択酸化部内の水分を低減することができる。このように、選択酸化部内を乾燥し、水分を除去することによって、選択酸化触媒の劣化を抑制することが可能になる。
又、上記の場合、水を貯蔵する水タンクと、該水タンクと前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方とを連通させる第２の水分供給経路と、該第２の水分供給経路上に設けられた第２の水分量調整部と、を備えており、前記水分供給機構は、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に前記水タンクから水分を供給するように構成されている燃料電池用水分供給機構である。
かかる構成とすると、燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水タンクから水分をダイレクトに供給するので、燃料ガス供給装置に代えて水素ボンベを搭載する例えば電気自動車の動力電源としての燃料電池システムにおいても、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
この場合、前記燃料電池の温度を制御するための温度制御装置と、前記温度制御装置と前記燃料電池との間で熱媒体を循環させて該燃料電池から前記温度制御装置へ熱を移動させるための環状の熱媒体経路と、熱交換部と、を備えており、前記熱交換部が、前記環状の熱媒体経路と前記第２の水分供給経路との間で熱交換するように構成されている。
かかる構成とすると、熱交換部により熱媒体経路と第２の水分供給経路との間で熱交換が行われるので、燃料電池システムの停止動作時に燃料電池の熱を有効に利用することができる。又、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させつつ、燃料電池の温度低下を促進するため、燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断するまでの待機時間を短縮することが可能になる。
又、この場合、前記燃料ガス供給装置は原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部を備え、且つ、熱交換部を備えており、前記熱交換部が、前記改質部と前記第２の水分供給経路との間で熱交換するように構成されている。
かかる構成とすると、熱交換部により改質部と第２の水分供給経路との間で熱交換が行われることで、燃料電池システムの停止動作時に改質部の熱を有効に利用することができる。又、改質部の温度低下を促進するため、燃料電池と電力負荷との電気的な接続を切断するまでの待機時間を短縮することが可能になる。
又、上記の場合、前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの露点を前記燃料電池の温度未満とするよう制御するように構成されている。
かかる構成とすると、燃料電池システムの燃料電池は、低加湿条件の下で発電することとなるので、エネルギー変換効率が良好となる。又、低加湿条件の下で発電している燃料電池は、非発電時において、燃料電池が備える高分子電解質膜が適度に保湿されることとなる。
又、上記の場合、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうち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燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点とを一致させ、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。
或いは、上記の場合、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断する際に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点が前記燃料電池の温度以上となるよう制御するように構成されている。
かかる構成とすると、燃料電池システムの停止動作時及び停止時において、燃料電池内の燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点が燃料電池の温度以上となるので、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方に含まれる水分により、燃料電池が備える高分子電解質膜が十分に加湿される。よって、高分子電解質膜の劣化を抑制して、燃料電池の耐久性の向上に寄与することができる。
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法の構成によれば、簡便な構成により燃料ガスの露点を制御することで、低加湿条件で運転される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が備える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第１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第２の構成を模式的に示すブロック図である。 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第１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１に係る燃料電池システムの第１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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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。 図６は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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７は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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。 図８は、本発明の実施の形態１に係る選択酸化部の具体的な構成を模式的に示す斜視図及び平面図である。 図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。 図１１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１２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、酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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。 図１３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第３の構成を模式的に示すブロック図である。 図１４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。 図１５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。 図１６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。 図１７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。
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、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には、同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。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。そして、この燃料電池を備える燃料電池システムを、単に「燃料電池システム」と記載する。更に、以下の説明では、膜−電極接合体を単に「ＭＥＡ」と記載する。
又、本明細書において、「水分」とは、液体状の水、又は、気体状の水（つまり、水蒸気）、或いは、液体状の水と気体状の水との混合物等を意味する。尚、燃料ガスや酸化剤ガスの露点を上昇させるという、本発明の特徴事項を実現するための観点からすれば、以下の説明では例示しないが、燃料電池システムの適当な構成の下、液体状の水や気体状の水、及びそれらの混合物に代えて、固体状の水（つまり、氷）を「水分」として用いることも可能である。或いは、水分子を含むもの、又は、化学反応等により水分子を提供するものであっても、燃料電池システムの適当な構成の下であれば、「水分」として利用することが可能である。
（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が備える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、便宜上、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、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、この燃料電池１０１において、単電池１０２が構成されている。尚、以下の説明では、便宜上、「単電池」を「セル」と記載する。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。
より具体的に説明すると、図１に示すように、ＭＥＡ５はプロトン伝導性を有する高分子電解質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、この固体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って実現される。このような高分子電解質膜１として、デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）に例示されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が好適である。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、それぞれ対向するように着設されている。これらの触媒反応層２ａ，２ｃのうち、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。ここで、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では図示しない電力負荷を経由して、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、電力負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜１を通過して透過するプロトンと、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。このような一連の化学反応が進行することにより、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、一対のガス拡散層３ａ及びガス拡散層３ｃが、それぞれ対向するようにして配設されている。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の表面にそれぞれ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、同様にして、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。そして、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は電気絶縁性を備えるガスケット９ａ及びガスケット９ｃにより狭持され、更に、これらのガスケット９ａ及びガスケット９ｃは導電性を備えるセパレータ７ａ及びセパレータ７ｃにより狭持されている。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、余剰の燃料ガス（アノードオフガス）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（カソードオフガス）をセル１０２の外部に排出する。尚、セパレータ７ａとガス拡散層３ａとは相互に電気的に接続されており、セパレータ７ｃとガス拡散層３ｃとも相互に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と相互に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が電気的に直列に積層されている。ここで、この燃料電池１０１では、セパレータ７ａのセパレータ７ｃと接する面とセパレータ７ｃのセパレータ７ａと接する面とに互いに対向する凹部が形成されており、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に流通される冷却水の漏洩を防止するために、セパレータ７ａとセパレータ７ｃとの間には、ガスケット１０が配設されている。尚、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。又、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第１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１００ａの構成は、基本的には、従来から用いられている一般的な燃料電池システムの構成と同様である。
具体的には、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１００ａ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を備えている。又、この燃料電池システム１００ａ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に供給される酸化剤ガスを途中で加湿する加湿器１８と、燃料ガス及び酸化剤ガスの各々の露点を検出する露点センサ２１ａ及び２１ｃとを備えている。又、この燃料電池システム１００ａは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する際の燃料電池１１の温度を冷却媒体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１００ａ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。
ここで、図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池１１には、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される燃料ガス供給路１２及び酸化剤ガス供給路１３と、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスが排出されるアノードオフガス排出路１４及びカソードオフガス排出路１５とが、それぞれ接続されている。そして、燃料電池システム１００ａ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に接続された燃料ガス供給路１２に供給される。又、燃料電池１１において余剰となった燃料ガスは、燃料電池１１に接続されたアノードオフガス排出路１４から排出される。一方、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスは、加湿器１８において加湿され、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に接続された酸化剤ガス供給路１３に供給される。又、燃料電池１１において余剰となった酸化剤ガスは、燃料電池１１に接続されたカソードオフガス排出路１５から排出される。
本実施の形態において、燃料ガス供給装置１６は、例えば、都市ガス又はプロパンガス等の原料を用いて、その改質部２３において、水蒸気改質反応により水素を豊富に含む水素含有ガス（以下、便宜上、「燃料ガス」と記載する）を生成する。ここで、この改質部２３で生成された燃料ガスは、水素を豊富に含む一方で、燃料電池１１に対して有害な一酸化炭素を大量に含む。そのため、本実施の形態では、燃料ガス供給装置１６の変成部２４が、所定の変成反応を進行させることにより、改質部２３で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる。そして、変成部２４で一酸化炭素が低減された燃料ガスは、その後、選択酸化部２５に供給される。この供給される燃料ガスは、酸化反応用酸化剤ガスが供給される選択酸化部２５において一酸化炭素が燃焼除去され、一酸化炭素が十分に低減された燃料ガスとして、燃料ガス供給装置１６から燃料電池１１に供給される。
ここで、図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａは、酸化反応用酸化剤ガスが、開閉弁２６を介して、選択酸化部２５に供給されるように構成されている。又、図２に示すように、この燃料電池システム１００ａは、水タンク２９に貯蔵されている水が、水供給ポンプ２８（水分量調整器）及び開閉弁２７を介して、選択酸化部２５に供給されるように構成されている。尚、水タンク２９としては、図２では図示しないが、燃料電池システムが通常備える、アノードオフガス及びカソードオフガスから分離された凝縮水を貯蔵する凝縮水タンクや、改質部における水蒸気改質反応のための改質水を貯蔵する改質水タンクや、燃料電池を冷却するための冷却水を貯蔵する冷却水タンク等が挙げられる。
このように、本実施の形態において、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。これにより、燃料電池１１の図２では図示しない高分子電解質膜は、所定の湿潤状態において維持される。
一方、本実施の形態において、酸化剤ガス供給装置１７は、例えば、シロッコファンにより大気中から酸化反応用酸化剤ガスとしての空気を取り込む。そして、この酸化剤ガス供給装置１７は、その取り込んだ空気を加湿器１８に供給する。すると、加湿器１８は、その供給される空気を加湿した後、その加湿された空気を燃料電池１１に供給する。
本実施の形態において、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から加湿器１８を介して燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出する。ここで、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露点センサであれば、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として燃料ガス供給装置１６の動作条件（例えば、原料流量、改質水量、改質温度等のパラメータ）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の温度を用いる構成としてもよい。つまり、本実施の形態では、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いる構成に代えて、燃料ガス供給装置１６を駆動するための既存の制御要素を用いて燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を決定する構成を採ってもよい。かかる構成としても、後に詳述するが、選択酸化部２５に供給する水量及び空気量を適切に決定することが可能になる。
一方、本実施の形態において、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、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、この温度制御装置１９は、その温度上昇した冷却媒体を冷却した後、温度低下した冷却媒体を燃料電池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って、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の温度を冷却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、給湯等の用途のために用いられる。
ここで、図２に示す温度センサ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、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌは、燃料電池１１の中で最も高い温度とする。そ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。
尚、本実施の形態において、低加湿条件とは、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、かつ、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件であってもよい。この場合のように、燃料電池１１の内部の少なくとも一部が低加湿条件となっている場合でも、本発明の効果を奏することができる。
又、本実施の形態において、低加湿条件とは、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度、かつ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。この場合、燃料電池１１の内部のほぼ全体が低加湿条件となっており、本発明の効果をより顕著に得ることができる。
つまり、本実施の形態において、低加湿条件とは、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、かつ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。或いは、低加湿条件とは、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件であってもよい。この場合のように、燃料電池１１の内部の少なくとも一部が低加湿条件となっている場合でも、本発明の効果を奏することができる。
一方、本実施の形態において、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（マイクロプロセッサ）及びメモリを備えており、予めメモリに記憶されるプログラム及びパラメータ等のデータに基づき、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の動作を適宜制御する。ここで、本実施の形態において、制御装置とは、単独の制御装置のみならず複数の制御装置からなる制御装置群をも意味する。従って、制御装置２０は、単独の制御装置で構成されていてもよく、分散配置され共働して制御する複数の制御装置で構成されていてもよい。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例について、図３を参照しながら説明する。
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第２の構成を模式的に示すブロック図である。
図３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１００ｂは、基本的には図２に示す燃料電池システム１００ａの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｂは、燃料ガス供給装置１６と、酸化剤ガス供給装置１７及び加湿器１８と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｂは、燃料ガス供給装置１６から露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から加湿器１８及び露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｂは、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｂの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｂでは、燃料電池システム１００ａでは水タンク２９から水供給ポンプ２８及び開閉弁２７を介して燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水が供給されるように構成されているのに対して、水タンク２９から水供給ポンプ２８及び開閉弁２７を介して、変成部２４と選択酸化部２５との連結配管に水が供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図２に示す燃料電池システム１００ａの場合と同様である。
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作について、詳細に説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａの動作は、低加湿条件の下で運転される燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断する（つまり、燃料電池１１が開回路状態となる）前に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水を加え、燃料ガスの露点を適切に制御して、燃料電池１１が備える高分子電解質膜を適切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４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第１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。
又、図５は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第１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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、及び、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの経時的な変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図５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。
図４及び図５に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転を停止させる際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ且つＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿運転の下で燃料電池１１が運転している状態（図５の状態１）において、図２及び図３に示す開閉弁２７（水供給機構）を制御して選択酸化部２５に水を加えることにより（図４のステップＳ１、図５の操作１）、燃料ガスの露点Ｔｄａ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を上昇させる（図４のステップＳ２、図５の状態２）。ここで、この図５に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と電力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ように制御する。尚、図５に示すように、この状態２では、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ及び燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌは殆ど変化しないが、選択酸化部２５に水が供給されるため、燃料ガスの露点Ｔｄａが経時的に上昇すると共に、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下する。この選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態については、後に具体的に説明する。
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２１ａ及び温度センサ２２の出力信号に基づいて、燃料ガスの露点Ｔｄａ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Ｓ３）。
具体的には、このステップＳ３において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致しないと判定された場合（ステップＳ３でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、図４のステップＳ２以降の制御（図５の状態２）を継続する。
一方、ステップＳ３において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定された場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、図２及び図３に示す開閉弁２７を制御して選択酸化部２５への水の供給を停止させ（図４のステップＳ４、図５の操作２）、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａの上昇を停止させる（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に到達するまで、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの運転状態をそのまま維持させる（図４のステップＳ６、図５の状態３）。この図５に示す状態３において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、主に燃料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。
具体的には、図５に示す状態３において、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。
このステップＳ６において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達していないと判定された場合（ステップＳ６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１００ａ，１００ｂの運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ６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た場合には（ステップＳ６でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断して（図５の操作３）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ７）。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの燃料電池１１を開回路状態とする（図５の状態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。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転に係る全ての動作を停止させる。
更に、制御装置２０は、ステップＳ７において燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断した後、選択酸化部２５に燃料ガスを充填することにより、選択酸化部２５を乾燥させる。この操作により、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの運転停止時における選択酸化部２５への水の凝集を防ぐことが可能になる。これにより、選択酸化部２５が備える選択酸化触媒の劣化を抑制することが可能になる。又、この操作により、選択酸化部２５の起動エネルギーを増加させることがないので、高効率の燃料電池システムを提供することが可能になる。
ここで、以上に説明した燃料電池システム１００ａ，１００ｂの特徴的な動作は、制御装置２０のメモリに予め所定のプログラムが入力されることにより実現される。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿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、選択酸化部２５への水の供給により、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させ、その燃料ガスの露点Ｔｄａ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、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後に電力負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が電力負荷への放電を停止した開回路状態において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、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。
ここで、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００ａ，１００ｂが備える選択酸化部２５の具体的な構成、及び、水の具体的な供給位置について、図８を参照しながら説明する。
図８（ａ）は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムが備える選択酸化部の具体的な構成を模式的に示す斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す選択酸化部を上方から見た場合の具体的な構成を模式的に示す平面図である。尚、便宜上、図８（ａ）では選択酸化部を構成する外筒を縦断してその内部を視認可能にした状態を模式的に示し、図８（ｂ）では選択酸化部を構成する外筒を横断してその内部を視認可能にした状態を模式的に示している。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る選択酸化部１０３は、その内壁及び外壁を構成する同心状に配置された内筒３１及び外筒３２と、変成部（図示せず）から燃料ガス（変成ガス）が供給される変成ガス供給部３４と、その供給される燃料ガスに空気を供給するための空気供給部３３と、この空気供給部３３から供給された空気と変成部から供給された燃料ガスとを混合する混合部３５，３６と、混合部３６から排出される燃料ガスと空気との混合ガスを用いて燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減するための選択酸化触媒部３７とを備えている。尚、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、この選択酸化部１０３は、変成ガス供給部３４に供給された燃料ガスを混合部３５に移動させるための開孔３８と、混合部３５で空気が混合された燃料ガスを混合部３６に更に移動させるための複数の開孔３９と、混合部３６で空気が十分に混合された燃料ガスを選択酸化触媒部３７に移動させるための環状に複数配置された開孔４０とを備えている。
そして、本実施の形態では、選択酸化部１０３に供給する水は、その選択酸化部１０３の選択酸化触媒部３７に直接供給するか、又は、空気供給部３３に空気と共に供給する。或いは、本実施の形態では、選択酸化部１０３に供給する水は、その選択酸化部１０３の混合部３５に直接供給するか、又は、その混合部３６に直接供給する。
このように、空気供給部３３、混合部３５又は混合部３６、或いは、選択酸化触媒部３７に水を供給することにより、その供給された水は、空気の流れ、或いは、燃料ガスの流れによって、効率良くかつ均一に燃料ガスと混合される。これにより、非常に簡便な構成において、水蒸気を含む、露点が適切に制御された燃料ガスを、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの燃料電池１１に供給することが可能になる。
次に、燃料ガスの露点Ｔｄａを経時的に上昇させる際の、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態について、具体的に説明する。
温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態に係る燃料電池システム及びそれが備える燃料電池のハードウェア上の構成は、図１及び図２，３に示す本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａ，１００ｂの構成、及び、それが備える燃料電池のハードウェア上の構成と同様である。従って、ここでは、燃料電池システム及びそれが備える燃料電池の構成に関する説明は省略する。
さて、既に説明したように、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる際には、選択酸化部２５に水が供給されるため、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下する。この場合、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが低下すると、その選択酸化部２５で進行する選択酸化反応の効率が低下する場合がある。
そこで、本実施の形態では、かかる選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下することを抑制するために、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる際に、選択酸化部２５に空気を供給する。かかる構成とすることにより、選択酸化部２５で進行する選択酸化反応の効率が低下することを抑制する。
以下、燃料ガスの露点Ｔｄａを経時的に上昇させる際の、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を補償する形態について、詳細に説明する。
図６は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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６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。
又、図７は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの第２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、選択酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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７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。
図６及び図７に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転を停止させる際、制御装置２０は、先ず、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ且つＴｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿運転の下で燃料電池１１が運転している状態（図７の状態１）において、図２，３に示す開閉弁２７（水供給機構）を制御して選択酸化部２５に水を加えることにより（図６のステップＳ１、図７の操作１）、燃料ガスの露点Ｔｄａを燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致させるべく、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる（図６のステップＳ２、図７の状態２）。ここで、この図７に示す状態２において、制御装置２０は、燃料電池１１と電力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ように制御する。
この際、図７に示すように、状態２においては、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ及び燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌは殆ど変化しないが、選択酸化部２５に水が供給されるため、燃料ガスの露点Ｔｄａが経時的に上昇すると共に、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが経時的に低下する。
そこで、本実施の形態では、供給する水により選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが所定の閾値Ｔｐ以下にまで低下しないか否かを確認しながら、燃料電池１１と電力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。そして、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが低下して、所定の閾値Ｔｐと一致したと判定された場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置２０は、図２，３に示す開閉弁２６（空気供給機構）を制御して選択酸化部２５に空気を更に加えることで（図６のステップＳ４、図７の操作２）、選択酸化部２５の温度Ｔｒｏｘを上昇させる（図７の状態３）。この状態３において、制御装置２０は、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘを迅速に上昇させるため、選択酸化部２５への水の供給を一旦停止させる。そして、制御装置２０は、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが上昇したことを確認すると、選択酸化部２５への空気の供給を停止させると共に選択酸化部２５への水の供給を再び開始させ（図６のステップＳ１、図７の操作３）、燃料ガスの露点Ｔｄａを燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致させるべく、燃料ガスの露点Ｔｄａを再び上昇させる（図６のステップＳ２、図７の状態４）。
そして、制御装置２０は、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが所定の閾値Ｔｐにまで低下してはいないと判定すると（ステップＳ３でＮＯ）、燃料電池１１の放電を継続させながら、露点センサ２１ａ及び温度センサ２２の出力信号に基づいて、燃料ガスの露点Ｔｄａ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Ｓ５）。
具体的には、このステップＳ５において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致しないと判定された場合（ステップＳ５でＮＯ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させたまま、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで、図６のステップＳ２以降の制御（図７の状態４）を継続する。
一方、ステップＳ５において、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致したと判定された場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１の放電を継続させながら、図２，３に示す開閉弁２７を制御して選択酸化部２５への水の供給を停止させ（図６のステップＳ６、図７の操作４）、これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａの上昇を停止させる（ステップＳ７）。
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に到達するまで、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの運転状態をそのまま維持させる（図６のステップＳ８、図７の状態５）。この図７に示す状態５において、燃料電池１１の高分子電解質膜は、主に燃料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。
具体的には、図７に示す状態５において、制御装置２０は、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達したか否かを判定する（ステップＳ８）。
このステップＳ８において、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄに到達していないと判定された場合（ステップＳ８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１００ａ，１００ｂの運転状態を更に維持させる。
一方、このステップＳ８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た場合には（ステップＳ８でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断して（図７の操作５）、燃料電池１１の放電を停止させる（ステップＳ９）。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの燃料電池１１を開回路状態とする（図７の状態６）。
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。そして、制御装置２０は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂの発電運転に係る全ての動作を停止させる。又、制御装置２０は、ステップＳ９において燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断した後、選択酸化部２５に燃料ガスを充填することにより、選択酸化部２５を乾燥させる。
このように、本実施の形態では、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃなる相互関係を満たす低加湿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、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘの低下を抑制しながら、選択酸化部２５への水の供給により、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させ、その燃料ガスの露点Ｔｄａ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、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致した後に電力負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池１１が電力負荷への放電を停止した開回路状態において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、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。
又、この実施の形態によれば、燃料ガスの露点Ｔｄａを上昇させる過程において選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘが低下することを抑制するので、選択酸化部２５における一酸化炭素の低減効率が低下することを防止することが可能になる。これにより、選択酸化部２５から排出される燃料ガスの品質を確保することが可能になる。
尚、本実施の形態では、制御装置２０が、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料ガスの露点又は露点と関連する情報に基づき、燃料電池１１のアノードに水分が供給されるよう制御して燃料ガスの露点を上昇させ、その後、燃料電池１１と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。即ち、制御装置２０が、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報に基づき、燃料電池１１のカソードに水分が供給されるよう制御して酸化剤ガスの露点を上昇させ、その後、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。或いは、制御装置２０が、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する前に、燃料ガスの露点又は露点と関連する情報、及び、酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、燃料電池１１のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう制御して燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、その後、燃料電池１１と負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。
尚、その他の点については、図１〜図５に示す燃料電池システム１００ａ，１００ｂの構成及びその動作と同様である。
本実施形態の構成とすると、燃料電池システムの発電運転を停止させる過程において、その選択酸化部に水を適切に供給することができる。図２を参照しながら具体的に説明すれば、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ａの構成によれば、制御装置２０が水供給ポンプ２８の動作を制御することにより、燃料電池システム１００ａの発電運転を停止させる過程において、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水タンク２９から水を供給することができる。そして、この際、制御装置２０は、燃料ガスの露点又は露点と関連する情報に基づき、水供給ポンプ２８の動作を適切に制御することができる。従って、本実施形態の構成とすると、水タンク２９から燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に向けて、燃料ガスの露点を適切に上昇させるために必要となる適量の水が供給されることになる。これにより、燃料ガスの露点が適切に上昇されるので、簡便な構成により、必要な分量だけの水のみを用いて適切に加湿にした燃料ガスを高分子電解質形燃料電池に供給することができる。その結果、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り、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。これにより、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。
又、本実施の形態の構成とすると、選択酸化部における不要な熱を有効に利用することができる。図２を参照しながら具体例を説明すれば、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５において進行する一酸化炭素の燃焼除去反応は、熱を発生させる発熱反応である。そして、本実施形態の構成によれば、水タンク２９から選択酸化部２５に供給された水を、その選択酸化部２５における発熱反応により過剰に発生した熱（つまり、不要な熱）を用いることで、その選択酸化部２５において燃料ガスの温度に近づくように加熱することができる。これにより、燃料ガスは、選択酸化部２５において効率良く加湿される。このように、燃料ガスを効率良く加湿することは、燃料電池システムの動作を停止させるまでの待機時間を短縮させる観点において、非常に有効な手段となる。従って、本実施の形態の構成とすると、選択酸化部２５における不要な熱を有効に利用することが可能となる。
（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９を参照しながら説明する。
図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。尚、本実施の形態において、燃料電池システムが備える燃料電池及びセルの断面構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムが備える燃料電池及びセルの断面構成と全く同様である。従って、以下の説明では、燃料電池システムが備える燃料電池及びセルの断面構成に関する説明は省略する。
図９に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて電気と熱とを発生させる燃料電池１１と、この燃料電池１１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統５８と、燃料電池１１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系統５９と、燃料電池１１から余剰の燃料ガスが排出される燃料ガス排出系統６０と、燃料電池１１から余剰の酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出系統６１と、燃料電池１１の温度を調整する温度制御装置１９と、燃料電池１１から電力を取り出す出力制御装置６２と、燃料電池システム１００ｃの動作を適宜制御する制御装置２０と、を備えている。
ここで、燃料ガス供給系統５８の構成について説明する。
図９に示すように、燃料ガス供給系統５８は、実施の形態１の場合と同様にして、原料と酸化反応用酸化剤ガスとから燃料ガスを生成する燃料ガス供給装置１６と、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露点センサ２１ａとを備えている。そして、燃料電池システム１００ｃの発電運転の際に、燃料ガス供給装置１６で生成された燃料ガスは、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に供給される。
燃料ガス供給装置１６は、実施の形態１の場合と同様、改質部２３と、変成部２４と、選択酸化部２５とを備え、例えば、都市ガス又はプロパンガス等の原料を用いて、水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。尚、原料に含まれる硫黄成分は、脱硫器（図示せず）にて除去された後、改質部２３に供給される。
改質部２３は、例えば、水蒸気改質反応による改質方式を採用しており、内部に改質触媒としてのニッケル系触媒が充填された容器と、熱源としてのバーナー４９とを備えている。そして、改質部２３では、供給された原料と高温の水蒸気とによる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。この改質部２３で生成された燃料ガスは、変成部２４に送られる。尚、改質部２３で生成された燃料ガスは、水素を豊富に含む一方で、燃料電池１１に対して有害な一酸化炭素を大量に含んでいる。
変成部２４は、例えば、変成用触媒としての銅−亜鉛系触媒等が充填された容器を備えている。この変成部２４では、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素とする所定の変成反応を進行させることにより、改質部２３で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を低減させる。そして、変成部２４において一酸化炭素が低減された燃料ガスは、その後、選択酸化部２５に供給される。
酸化部２５は、例えば、選択酸化触媒としての白金−アルミナ系触媒等が充填された容器を備えている。酸化部２５では、変成部２４から送られてきた変成後の燃料ガスと、酸化反応用酸化剤ガス供給路４８から取り込んだ酸化反応用酸化剤ガス（ここでは、空気）とで、所定の選択酸化反応を進行させることにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。このようにして、一酸化炭素が十分に低減された燃料ガスは、燃料ガス供給路１２を通じて燃料電池１１に供給される。このように、燃料ガス供給装置１６にて生成された燃料ガスは、水蒸気改質反応の際に加湿されて水蒸気を多く含んでいる状態で、燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガスに含まれる水分により所定の湿潤状態で維持される。
尚、本実施の形態において、燃料ガス供給装置１６には、燃料電池１１から排出された酸化剤ガスを含むカソードオフガスと、酸化反応用酸化剤ガスとを、選択的に供給する選択的ガス供給部５２が設けられている。具体的には、選択的ガス供給部５２は、酸化反応用酸化剤ガスを選択酸化部２５に供給するための酸化反応用酸化剤ガス供給路４８と、この酸化反応用酸化剤ガス供給路４８に設けられた酸化剤ガス供給経路切替機構としての第１の三方弁４３と、この第１の三方弁４３にその下流端が接続されたカソードオフガス供給路５４とで構成されている。第１の三方弁４３により、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に、酸化反応用酸化剤ガスを供給する状態と、カソードオフガスを供給する状態と、酸化反応用酸化剤ガスとカソードオフガスの何れも供給しない状態とに、切り替えることができる。
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ために、燃料ガス供給装置１６で生成した燃料ガスを燃料電池１１に供給する燃料ガス供給路１２に設けられている。本実施の形態でも、この露点センサ２１ａにより検出される燃料ガスの露点を、燃料電池１１の内部における燃料ガスの露点Ｔｄａとみなすこととする。尚、実施の形態１の場合と同様、露点センサ２１ａとしては、燃料ガスの類に対する耐久性を備え、且つ、温度耐久性を備える露点センサであれば、如何なる露点センサを用いてもよい。
尚、本実施の形態において、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。
次に、酸化剤ガス供給系統５９の構成について説明する。
図９に示すように、酸化剤ガス供給系統５９は、酸化剤ガス供給装置１７と、加湿器１８と、燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出する露点センサ２１ｃとを備えている。酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスは、加湿器１８において加湿され、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に供給される。
酸化剤ガス供給装置１７は、実施の形態１の場合と同様にして、例えば、シロッコファンで構成されており、このシロッコファンで大気中から酸化剤ガス（ここでは、空気）を取り込み、その取り込んだ酸化剤ガスを加湿器１８に供給する。そして、加湿器１８は、酸化剤ガス供給装置１７より供給された酸化剤ガスを加湿した後、その加湿された酸化剤ガスを燃料電池１１に供給する。
露点センサ２１ｃは、酸化剤ガス供給装置１７から加湿器１８を介して燃料電池１１に供給される酸化剤ガスの露点を検出するために、加湿器１８から燃料電池１１へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路１３に設けられている。本実施の形態でも、この露点センサ２１ｃにより検出される酸化剤ガスの露点を、燃料電池１１の内部における酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとみなすこととする。尚、露点センサ２１ｃとしても、酸化剤ガスの類に対する耐久性を備え、且つ、温度耐久性を備える露点センサであれば、如何なる露点センサを用いてもよい。
尚、本実施の形態において、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の双方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。
次に、燃料ガス排出系統６０の構成について説明する。
燃料ガス排出系統６０は、燃料電池１１の燃料ガス出口５０とバーナー４９の燃料ガス供給口とを接続しているアノードオフガス排出路１４を備えている。燃料電池１１に供給された燃料ガスのうちの未消費の燃料ガス（余剰となった燃料ガス）は、アノードオフガス排出路１４に排出される。ここで、燃料電池１１からアノードオフガス排出路１４に排出された燃料ガスを含むガスを「アノードオフガス」という。アノードオフガス排出路１４には、図示せぬ熱交換器と図示せぬ凝縮器とが設けられており、この熱交換器にてアノードオフガスに含まれる燃料ガス及び水蒸気が冷却され、更に、凝縮器にて水分が除去される。このようにして、アノードオフガス中の燃料ガスは、バーナー４９に供給されて、燃焼用燃料として利用される。
尚、図９に示すように、アノードオフガス排出路１４には、燃料ガス供給路１２から燃料電池１１をバイパスして燃料ガスをバーナー４９へ送るバイパス路４７の下流端が接続されている。アノードオフガス排出路１４のバイパス路４７との接続部より上流側には、アノードオフガス排出路１４を開閉する開閉弁４６が設けられている。又、バイパス路４７の上流端と燃料ガス供給路１２との接続部には、第３の三方弁４５が設けられている。この第３の三方弁４５により、燃料ガス供給装置１６で生成された燃料ガスを燃料電池１１へ送る状態と、燃料電池１１をバイパスして燃料ガスをバーナー４９に送る状態とに切り替えることができる。
次に、酸化剤ガス排出系統６１の構成について説明する。
酸化剤ガス排出系統６１は、燃料電池１１の酸化剤ガス出口５１にその上流端が接続されたカソードオフガス排出路１５を備えている。燃料電池１１で使用されなかった余剰の酸化剤ガスや生成された水は、カソードオフガス排出路１５に排出される。ここで、カソードオフガス排出路１５に排出された酸化剤ガスを含むガスを「カソードオフガス」という。カソードオフガスには、高温の酸素、窒素、及び水蒸気が含まれている。カソードオフガス排出路１５には、カソードオフガス排出経路切替機構としての第２の三方弁４４が設けられており、この第２の三方弁４４により、カソードオフガス排出路１５は、排出経路と、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５への供給経路とに分岐されている。燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５への供給経路として、第２の三方弁４４にその上流端が接続されたカソードオフガス供給路５４が設けられている。カソードオフガス供給路５４の下流端は、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ酸化反応用酸化剤ガスを供給する酸化反応用酸化剤ガス供給路４８に設けられた酸化剤ガス供給経路切替機構としての第１の三方弁４３に接続されている。このようにして、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃは、燃料電池１１から排出されたカソードオフガスの一部又は全部が、カソードオフガス供給路５４を通じて燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給可能となるように構成されている。尚、カソードオフガス排出路１５の下流端は、大気に開放されている。
次に、温度制御装置１９の構成について説明する。
温度制御装置１９は、実施の形態１の場合と同様にして、温度制御装置１９と燃料電池１１との間で冷却媒体を循環させる循環路５３及び循環ポンプ（図示せず）と、循環路５３を循環する冷却媒体を放熱させる冷却フィン、熱交換器等の放熱器とを備えている。この温度制御装置１９において、循環路５３を循環する冷却媒体は、燃料電池１１に供給され、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後に燃料電池１１より排出され、放熱器で冷却されて温度低下した後、再び、燃料電池１１に供給される。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、給湯等の用途のために用いられる。
又、この温度制御装置１９は、冷却媒体の流量及び放熱量の少なくとも１つの条件を変化させることによって、燃料電池１１の温度を一定の温度に維持するように構成されている。このような燃料電池１１の温度制御のために、温度制御装置１９は、冷却媒体の温度を検出する温度センサ２２を備えている。本実施の形態では、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できるように設けられている。燃料電池１１の温度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を構成するセパレータ７ａ，７ｃ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。
本実施の形態でも、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」とみなすこととする。尚、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌは、燃料電池１１の中で最も高い温度とする。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。
次に、出力制御装置６２の構成について説明する。
出力制御装置６２は、その入力端子が燃料電池１１の出力端子が接続され、その出力端子が電力負荷に接続されている。ここで、出力制御装置６２はインバータを備えていて、燃料電池１１で発電された直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する。又、出力制御装置６２は、燃料電池１１から取り出す電流（出力）を制御することにより、燃料電池１１の発電量を制御する。燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続及び遮断は、この出力制御装置６２により行われる。
最後に、制御装置２０の構成について説明する。
実施の形態１の場合と同様、本実施の形態に係る制御装置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プログラム及びパラメータ等のデータに基づき、燃料電池システム１００を構成する各要素の動作を適宜制御する。本実施の形態において、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、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と共に、第１の三方弁４３、第２の三方弁４４、及び出力制御装置６２の動作を適宜制御する。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例について、図１０を参照しながら説明する。
図１０は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。
図１０に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００ｄは、基本的には図９に示す燃料電池システム１００ｃの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｄは、燃料ガス供給装置１６と、酸化剤ガス供給装置１７及び加湿器１８と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９と、出力制御装置６２と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｄも、燃料ガス供給装置１６から露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から加湿器１８及び露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｄも、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｄの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図１０に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｄでは、燃料電池システム１００ｃでは酸化反応用酸化剤ガス供給路４８を介して燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に酸化反応用酸化剤ガス等が供給されるように構成されているのに対して、酸化反応用酸化剤ガス供給路４８を介して、変成部２４と選択酸化部２５との連結配管に酸化反応用酸化剤ガス等が供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図９に示す燃料電池システム１００ｃの場合と同様である。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作について、詳細に説明する。尚、以下に説明する燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの特徴的な動作は、制御装置２０のメモリに予め格納された所定のプログラムがＭＰＵで実行されることにより行われる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃ，１００ｄは、発電に直接関与する全ての構成要素が停止している「停止状態（待機状態）」と、発電を行う「発電運転」と、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄを「停止状態」から「発電運転」に円滑に立ち上げる「起動動作」と、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄを「発電運転」から「停止状態」に円滑に立ち下げる「停止動作」と、の４つの動作モードを有している。
本実施の形態では、「停止状態」においては、制御装置２０以外の構成要素は停止している。本発明において、「起動動作」の開始時とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「起動信号」が出力された時をいう。「停止動作」の開始時とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「停止信号」が出力された時をいう。「発電運転」の開始時とは、燃料電池１１が発電を開始した時をいう。従って、「起動動作時」とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「起動信号」が出力された時から燃料電池１１が発電を開始するまでの期間をいう。「発電運転時」とは、燃料電池１１が発電を開始した時から燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「停止信号」が出力される時までの期間をいう。「停止動作時」とは、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて「停止信号」が出力された時から発電に直接関与する全ての構成要素が停止するまでの期間をいう。又、燃料電池１１と電力負荷とが電気的に接続されて、燃料電池１１が閉回路状態にあるときを「発電時」といい、燃料電池１１と電力負荷とが電気的に切断されて、燃料電池１１が開回路状態にあるときを「非発電時」という。
本実施の形態では、発電運転時の燃料電池システム１００ｃ，１００ｄにおいて、燃料電池１１は、適切な低加湿条件の下で発電している。これには、燃料電池１１の内部の少なくとも一部が低加湿条件となっている場合も含まれる。尚、ここで、「低加湿条件」とは、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、且つ、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件である。
但し、低加湿条件は、少なくとも「Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄａ、且つ、Ｔｃｅｌｌ＞Ｔｄｃ」という相互関係を満たす運転条件であればよい。従って、低加湿条件は、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度、且つ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。この場合、燃料電池１１の内部のほぼ全体が低加湿条件となっている。又、低加湿条件は、例えば、燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）、且つ、Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度なる運転条件であってもよい。或いは、低加湿条件は、例えば、Ｔｄａ＜燃料電池１１における冷却媒体の入口部分の温度≦Ｔｄｃ＜燃料電池１１における冷却媒体の出口部分の温度（Ｔｃｅｌｌ）なる運転条件であってもよい。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの動作は、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄで停止動作が開始されたときに、低加湿条件の下で発電している燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続が切断される前（つまり、燃料電池１１が開回路状態となる前）に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５にカソードオフガスを供給する点を除き、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１００ｃ，１００ｄの特徴的な動作のみを抜粋して、詳細に説明する。
図１１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１１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。
又、図１２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、酸化部の温度Ｔｐｒｏｘ、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１２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。
図１１及び図１２に示すように、発電運転時の燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの燃料電池１１は、低加湿条件の下で発電している（状態１）。この図１２に示す状態１において、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄで停止動作が開始されると、先ず、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を維持したまま、つまり、発電を維持したまま、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５にカソードオフガスを供給するように、第２の三方弁４４を動作させる（ステップＳ１、図１２の操作１）。これにより、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に、水分を多く含むカソードオフガスが供給され、燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇する（状態２）。尚、カソードオフガスには、燃料電池１１において燃料ガスと酸化剤ガスとが反応したときに生成した水が、水蒸気として含まれている。
図１２に示す状態２では、燃料電池１１の発電が継続しているため、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃ及び燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌは殆ど変化しないが、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水分を多く含むカソードオフガスが供給されるため、燃料ガスの露点Ｔｄａは経時的に上昇し、選択酸化部２５の温度Ｔｐｒｏｘは経時的に低下する。
尚、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給されるカソードオフガスの流量は、適宜調整される。例えば、第２の三方弁４４においてカソードオフガスの供給経路と排出経路との流量比を調整することによって、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給されるカソードオフガスの流量を制御することができる。この場合、カソードオフガス供給路５４にカソードオフガスを圧送するポンプ等の圧送手段を備えることが望ましい。或いは、カソードオフガスの全てがカソードオフガス供給路５４へ流入するように第２の三方弁４４を動作させると共に、酸化剤ガス供給装置１７にて燃料電池１１に供給する酸化剤ガスの流量を調整することによって、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給されるカソードオフガスの流量を制御することができる。
次いで、制御装置２０は、燃料電池１１の発電を継続させながら、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌが燃料ガスの露点Ｔｄａと一致したか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、制御装置２０は、露点センサ２１ａと温度センサ２２との検出値から、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇して、やがて、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとが一致すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を維持したまま、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止するように、第２の三方弁４４を動作させる（ステップＳ３、図１２の操作２）。これにより、燃料ガスの露点Ｔｄａの上昇が停止する。
ここで、制御装置２０は、燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと燃料ガスの露点Ｔｄａとが一致したときに、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止しているが、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止するときの条件は、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ以上であれば、本発明の効果を得ることができる。
そして、制御装置２０は、選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止するように第２の三方弁４４を動作させてから時間の計測を開始し、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）。ここで、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の発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の状態を維持させる（状態３）。この図１２に示す状態３において、燃料電池１１の発電は継続しており、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分により、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。
やがて、計測時間Ｔｍが予め設定された所定時間Ｔｐｄとなると（ステップＳ４でＹＥＳ）、制御装置２０は、燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断する（ステップＳ５、図１２の操作３）。これにより、燃料電池１１の発電が停止し、燃料電池１１は閉回路状態から開回路状態となる（状態４）。
この図１２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１の湿潤状態は、低加湿条件での発電運転中の高分子電解質膜１の湿潤状態よりも高い。これは、カソードオフガスに含まれる水分により燃料ガスの露点が上昇して「燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌ≦燃料ガスの露点Ｔｄａ」なる相互関係が成立しており、燃料ガスに含まれる水分により高分子電解質膜１が十分に加湿されるからである。このように、非発電時の燃料電池１１において、高分子電解質膜１が十分に加湿されることにより、高分子電解質膜１の膨潤及び収縮が緩和される。これにより、高分子電解質形燃料電池１１の発電停止回数の増加に伴う高分子電解質膜１の破れ等の破損を防止して劣化を抑制することが可能となる。
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。ここで、燃料ガス供給装置１６の動作を停止する前であって、燃料電池１１が開回路状態のときに、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に原料を充填することが望ましい。具体的には、制御装置２０は、ステップＳ５において燃料電池１１と電力負荷との電気的な接続を切断した後で、原料の供給を維持したまま、酸化剤ガス及びカソードオフガスの供給を停止させるように第１の三方弁４３を動作させる。更に、第３の三方弁４５をバイパス路４７側へ切り替えると共に開閉弁４６を閉じて、選択酸化部２５内にある燃料ガスが燃料電池１１を通らずにバーナー４９へ供給される状態とする。このようにして、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に原料を充填させることにより、選択酸化部２５が乾燥するので、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの停止時における選択酸化部２５への水の凝集を防止できる。これにより、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５が備える選択酸化触媒の劣化を抑制できる。更に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５の起動エネルギーを増加させないので、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの高効率化に寄与することができる。
最後に、制御装置２０は、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄの発電に直接関与する全ての構成要素の動作を停止させて、燃料電池システム１００ｃ，１００ｄを停止状態にする。
以上の通り、本実施の形態では、低加湿条件の下で燃料電池１１が発電している状態からその発電を停止させる際に、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に水分を含むカソードオフガスが供給されるため、燃料電池１１に供給される燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇する。この状態で燃料電池１１の発電を継続し、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで上昇した後に、燃料電池１１の発電を停止する。これにより、非発電時の燃料電池１１において、「燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ≦燃料ガスの露点Ｔｄａ」なる相互関係が成立する。よって、燃料電池１１の非発電時に、高分子電解質膜１が十分に加湿されるので、高分子電解質膜１の劣化が抑制されて燃料電池１１の耐久性が向上する。
尚、本実施の形態では、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いて燃料ガスの露点Ｔｄａと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとを検出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、実施の形態１の場合と同様にして、燃料ガスの露点Ｔｄａは燃料ガス供給装置１６の性能に依存すると共に、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃは加湿器１８の性能に依存することから、燃料ガスの露点Ｔｄａとして燃料ガス供給装置１６の動作条件（例えば、原料流量、改質水量、改質温度等のパラメータ）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の温度を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を開始してからの経過時間とから、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
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と電力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が燃料ガスの露点Ｔｄａと一致した直後に燃料電池１１と電力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、本実施形態では、燃料電池１１に供給される燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇し、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌと一致するまで上昇した後に、燃料電池１１の発電を停止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に供給される燃料ガスの露点Ｔｄａが上昇し、燃料ガスの露点Ｔｄａが燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌより高くなるまで上昇した後に、燃料電池１１の発電を停止する形態としてもよい。これにより、非発電時の燃料電池１１において、「燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌ＜燃料ガスの露点Ｔｄａ」なる相互関係が成立する。これにより、燃料電池１１の非発電時に、高分子電解質膜１がより十分に加湿され、高分子電解質膜１の劣化をより確実に抑制することができる。
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第２の変形例について、図１３を参照しながら説明する。
図１３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第３の構成を模式的に示すブロック図である。
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの第３の構成は、図９に示す第１の三方弁４３並びに第２の三方弁４４を備えない点、及び、酸化剤ガス供給装置１７から酸化反応用酸化剤ガスを燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５に供給する点を除き、図９に示す燃料電池システム１００ｃの構成と同様である。従って、ここでは、燃料電池システムの第３の構成と図９に示す燃料電池システム１００ｃ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１３に示すように、燃料電池システム１００ｅでは、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ、酸化剤ガス供給装置１７から酸化反応用酸化剤ガス供給路４８を通じて酸化反応用酸化剤ガスが供給される。酸化反応用酸化剤ガス供給路４８には、選択酸化部２５へ供給する酸化反応用酸化剤ガスの供給量（流量）を調整するために、流量調整器としての可変オリフィス５５が設けられている。一方、この燃料電池システム１００ｅでは、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ、カソードオフガス供給路５４を通じて燃料電池１１の酸化剤ガス出口５１から排出されたカソードオフガスが供給される。カソードオフガス供給路５４は、燃料電池１１の酸化剤ガス出口５１に接続されたカソードオフガス排出路１５から分岐しているカソードオフガスの流路である。カソードオフガス供給路５４には、選択酸化部２５へ供給されるカソードオフガスの供給量（流量）を調整するためとカソードオフガスを圧送するために、ポンプ５６が設けられている。これらの可変オリフィス５５とポンプ５６とにより、選択的ガス供給部５７が構成されている。
そして、燃料電池１１の発電時には、可変オリフィス５５は所定の開度に開放されており、酸化剤ガス供給装置１７から燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ酸化反応用酸化剤ガスが供給される。このとき、ポンプ５６は停止しているため、カソードオフガス供給路５４へカソードオフガスは流入せず、選択酸化部２５にある燃料ガスはカソードオフガス供給路５４へ流入（逆流）することはない。
又、燃料電池システム１００ｅの停止動作時において、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へカソードオフガスを供給する際には、制御装置２０は、ポンプ５６を動作させることにより、カソードオフガス供給路５４を通じてカソードオフガスを選択酸化部２５へ圧送すると共に、可変オリフィス５５を閉止する。これにより、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ、水分を多く含むカソードオフガスが供給される結果、選択酸化部２５から燃料電池１１へ供給される燃料ガスの露点が上昇する。尚、カソードオフガスの選択酸化部２５への供給量は、ポンプ５６の圧送能力により調整される。
又、燃料電池システム１００ｅの停止動作時において、燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へカソードオフガスの供給を停止する際には、制御装置２０は、ポンプ５６を停止させることにより、選択酸化部２５へのカソードオフガスの供給を停止する。前述の通り、燃料電池システム１００ｅの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガスに含まれる水分により十分加湿されて、適度な加湿状態が維持されることとなる。よって、燃料電池１１が備える高分子電解質膜１の劣化が抑制され、燃料電池１１の長寿命化に貢献することができる。
又、ここでは、流量調整器として可変オリフィス５５が設けられ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、流量調整器として固定オリフィス及び開閉弁を設け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、本実施の形態では、選択的ガス供給部５２，５７は、酸化反応用酸化剤ガスとカソードオフガスとを完全に択一的に燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へ供給しているが、両者を所定の混合比率で供給してもよい。このように、本実施の形態において、選択的ガス供給部５２，５７により燃料ガス供給装置１６の選択酸化部２５へガスを供給することには、酸化反応用酸化剤ガスとカソードオフガスとを完全に択一的に供給する場合のみならず、両者を所定の混合比率で供給する場合も含まれる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態１，２では、燃料電池システムが燃料ガス供給装置を備える形態について説明した。これに対して、燃料電池システムを電気自動車の動力電源として用いる場合には、通常、燃料ガス供給装置に代えて、水素ボンベが用いられる。そこで、本発明の実施の形態３では、燃料電池システムが燃料ガス供給装置に代えて水素ボンベを備える場合の形態について説明する。
先ず、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第１の構成及びその動作について、図１４を参照しながら説明する。
図１４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１４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。又、本実施の形態においても、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成と全く同様である。従って、以下の説明では、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成に関する説明は省略する。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成は、図２に示す燃料ガス供給装置１６と開閉弁２６，２７と加湿器１８とを備えない点、水素ボンベから水素（燃料ガス）を燃料電池に供給する点、及び、水素ボンベからの水素に水タンクからの水を供給する点を除き、図２に示す燃料電池システム１００ａの構成と同様である。従って、本実施の形態では、燃料電池システムの第１の構成と図２に示す燃料電池システム１００ａ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１４に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｆでは、燃料ガス供給部としての水素ボンベ３０から、水素供給機構としての開閉弁４１を介して、燃料ガスとしての水素が露点センサ２１ａに供給される。ここで、開閉弁４１は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに供給される水素の供給量（流量）を制御する。又、この燃料電池システム１００ｆでは、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃに酸化剤ガスが供給される。一方、図１４に示すように、この燃料電池システム１００ｆでは、水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して水が露点センサ２１ａに向けて供給される。具体的には、水素ボンベ３０から開閉弁４１を介して供給される水素に、水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して供給される水が導入される。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｆは、露点センサ２１ａに、水素ボンベ３０からの水素と水タンク２９からの水とを、同時に供給することができるように構成されている。ここで、水供給ポンプ２８は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水タンク２９から露点センサ２１ａに向けて供給される水の供給量（流量）を制御する。
そして、燃料電池１１の発電時には、開閉弁４１は所定の開度に開放されており、水素ボンベ３０から、露点センサ２１ａ及び燃料ガス供給路１２を通じて、燃料電池１１のアノードへ燃料ガスとしての水素が供給される。このとき、水供給ポンプ２８は停止しているため、水タンク２９へ水素ボンベ３０からの水素が流入することはない。又、この燃料電池１１の発電時には、酸化剤ガス供給装置１７から、露点センサ２１ｃを通じて、燃料電池１１のカソードへ酸化剤ガスが供給される。
又、燃料電池システム１００ｆの停止動作時において、水素ボンベ３０から供給される水素へ水を供給する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８を動作させることで、水タンク２９から水を露点センサ２１ａに向けて圧送する。これにより、水素ボンベ３０からの水素へ、水タンク２９からの水が供給される結果、露点センサ２１ａから燃料電池１１へ供給される燃料ガスの露点が上昇する。尚、水素ボンベ３０からの水素への水の供給量は、水供給ポンプ２８の圧送能力により調整される。又、このとき、開閉弁４１は所定の開度に開放されているが、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに向けて水素が供給されているため、水素ボンベ３０に向けて水が流入することはない。
又、燃料電池システム１００ｆの停止動作時において、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８の動作を停止させて、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する。前述の通り、燃料電池システム１００ｆの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、燃料ガスに含まれる水分により十分加湿されて、適度な加湿状態が維持されることとなる。よって、本実施の形態によっても、燃料電池１１が備える高分子電解質膜１の劣化が抑制され、燃料電池１１の長寿命化に貢献することができる。
又、本実施の形態では、水素ボンベ３０からの水素に液体状の水を供給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、燃料電池システム１００ｆが液体状の水を霧化するスプレーを備え、このスプレーにより霧化させた水を水素ボンベ３０からの水素に供給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。
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。
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第２の構成及びその動作について、図１５を参照しながら説明する。
図１５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。
図１５に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００ｇは、基本的に、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｇは、水素ボンベ３０及び開閉弁４１と、酸化剤ガス供給装置１７と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９及び温度センサ２２と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｇは、水素ボンベ３０から開閉弁４１及び露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に水素が供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｇは、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｇの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図１５に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｇでは、燃料電池システム１００ｆでは水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して水素ボンベ３０からの水素に水が供給されるように構成されているのに対して、水タンク２９から水供給ポンプ２８を介して、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスに水が供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの場合と同様である。
このように、水タンク２９から、水供給ポンプ２８を介して、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスに水が供給されるように構成しても、燃料電池システム１００ｇの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１が酸化剤ガスに含まれる水分により十分加湿される。そのため、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、本実施の形態では、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いて燃料ガスの露点Ｔｄａと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとを検出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、燃料ガスの露点Ｔｄａとして、水素ボンベ３０からの水素の供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。又、例えば、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとして、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスの供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態３では、燃料電池システムが水素ボンベを備える形態について説明した。これに対して、水素ボンベから供給される水素に水タンクから水を供給する場合には、燃料ガスとしての水素の露点Ｔｄａや酸化剤ガスの露点Ｔｄｃを効果的に上昇させる観点から、その水タンクからの水を適度に加熱してから、水素ボンベからの水素に供給する構成がより好ましい。そこで、本発明の実施の形態４では、燃料電池システムが水素ボンベに加えて水タンクからの水の加熱手段を備える形態、及び、燃料電池システムが燃料ガス供給装置に加えて水タンクからの水の加熱手段を備える形態について説明する。
先ず、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第１の構成及びその動作について、図１６を参照しながら説明する。
図１６は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第１の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１６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。又、本実施の形態においても、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成と全く同様である。従って、以下の説明では、燃料電池システムが備える燃料電池の断面構成に関する説明は省略する。
又、本実施の形態に係る燃料電池システムの第１の構成は、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成に加えて熱交換部を更に備え、その熱交換部において水タンク２９から供給される水を加熱して、その加熱した水を水素ボンベ３０からの水素に供給する点を除き、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成と同様である。従って、ここでは、燃料電池システムの第１の構成と図１４に示す燃料電池システム１００ｆ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１６に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈでは、燃料ガス供給部としての水素ボンベ３０から、水素供給機構としての開閉弁４１を介して、燃料ガスとしての水素が露点センサ２１ａに供給される。ここで、開閉弁４１は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに供給される水素の供給量（流量）を制御する。又、この燃料電池システム１００ｆでは、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃに酸化剤ガスが供給される。一方、図１６に示すように、この燃料電池システム１００ｈでは、水タンク２９からの水が、水供給ポンプ２８及び熱交換部４２を介して、露点センサ２１ａを通過した水素ボンベ３０からの水素に供給される。ここで、熱交換部４２は、温度制御装置１９と燃料電池１１との間で循環される冷却媒体と、水供給ポンプ２８から排出される水タンク２９からの水との間で熱交換を行うことにより、その水タンク２９から供給される水を加熱するように構成されている。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈは、露点センサ２１ａを通過した水素に、熱交換部４２により加熱された水タンク２９からの水を供給することができるように構成されている。ここで、水供給ポンプ２８は、制御装置２０によりその動作が制御されることにより、水タンク２９から熱交換部４２に向けて供給される水の供給量を制御する。
そして、燃料電池１１の発電時には、開閉弁４１は所定の開度に開放されており、水素ボンベ３０から、露点センサ２１ａ及び燃料ガス供給路１２を通じて、燃料電池１１のアノードへ燃料ガスとしての水素が供給される。このとき、水供給ポンプ２８は停止しているため、水タンク２９へ水素ボンベ３０からの水素が流入することはない。又、この燃料電池１１の発電時には、酸化剤ガス供給装置１７から、露点センサ２１ｃを通じて、燃料電池１１のカソードへ酸化剤ガスが供給される。
又、燃料電池システム１００ｈの停止動作時において、水素ボンベ３０から供給される水素へ水を供給する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８を動作させることで、水タンク２９から水を露点センサ２１ａの下流に向けて圧送する。これにより、水素ボンベ３０からの水素へ、熱交換部４２により加熱された水が供給される結果、燃料電池１１へ供給される燃料ガスの露点が効果的に上昇する。尚、実施の形態３の場合と同様にして、水素ボンベ３０からの水素への水の供給量は、水供給ポンプ２８の圧送能力により調整される。又、このとき、開閉弁４１は所定の開度に開放されているが、水素ボンベ３０から露点センサ２１ａに向けて水素が供給されているため、水素ボンベ３０に向けて水が流入することはない。
又、燃料電池システム１００ｈの停止動作時において、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する際には、制御装置２０は、水供給ポンプ２８の動作を停止させて、水素ボンベ３０からの水素への水の供給を停止する。前述の通り、燃料電池システム１００ｈの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１は、ここでは燃料ガスとしての水素に含まれる水分により十分加湿されて、適度な加湿状態が維持されることとなる。よって、本実施の形態によっても、燃料電池１１が備える高分子電解質膜１の劣化が抑制され、燃料電池１１の長寿命化に貢献することができる。
又、本実施の形態では、水素ボンベ３０からの水素に液体状の加熱水を供給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、燃料電池システム１００ｈが液体状の水を霧化するスプレーを熱交換部４２の下流側に備え、このスプレーにより霧化させた加熱水を水素ボンベ３０からの水素に供給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。
尚、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈにおいて、温度制御装置１９と燃料電池１１との間で循環される冷却媒体と、水タンク２９から供給される水との熱交換の位置、つまり、熱交換部４２の配設位置は、そのような熱交換が可能な位置であれば、如何なる位置であってもよい。但し、水タンク２９からの水をより効果的に加熱するという観点から、熱交換部４２は、冷却媒体を循環する経路のうち、冷却媒体の温度がより高い位置に配置されることがより好ましい。即ち、熱交換部４２は、冷却媒体を循環する経路のうち、燃料電池１１の出口側、且つ、温度制御装置１９の入口側の部分に配置されることがより好ましい。これにより、燃料電池システム１００ｈにおいて、水タンク２９からの水を、冷却媒体により、より効果的に加熱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。
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第２の構成及びその動作について、図１７を参照しながら説明する。
図１７は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの第２の構成を模式的に示すブロック図である。
図１７に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００ｉは、基本的に、図１４に示す燃料電池システム１００ｆの構成と同様の構成を備えている。即ち、この燃料電池システム１００ｉは、水素ボンベ３０及び開閉弁４１の代わりとしての燃料ガス供給装置１６及び開閉弁２６と、水タンク２９及び水供給ポンプ２８と、酸化剤ガス供給装置１７と、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃと、燃料電池１１と、温度制御装置１９及び温度センサ２２と、制御装置２０とを備えている。そして、この燃料電池システム１００ｉは、燃料ガス供給装置１６から露点センサ２１ａを介して燃料電池１１に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１７から露点センサ２１ｃを介して燃料電池１１に酸化剤ガスが供給されるように構成されている。又、この燃料電池システム１００ｉは、燃料電池１１の温度が温度制御装置１９により制御されると共に、燃料電池システム１００ｉの動作が制御装置２０により適宜制御されるように構成されている。
一方、図１７に示すように、図１６に示す燃料電池システム１００ｈでは水タンク２９からの水が燃料電池１１の冷却媒体を熱源とする熱交換部４２により加熱された後に水素ボンベ３０からの水素に供給されるように構成されているのに対して、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｉでは、水タンク２９からの水が改質部２３を熱源とする熱交換部４２により加熱された後に選択酸化部２５からの水素に供給されるように構成されている。尚、その他の点については、図１６に示す燃料電池システム１００ｈの場合と同様である。
このように、水タンク２９から、水供給ポンプ２８及び改質部２３を熱源とする熱交換部４２を介して、燃料ガス供給装置１６からの燃料ガスに加熱水が供給されるように構成しても、燃料電池システム１００ｉの停止動作時及び停止時において、燃料電池１１の高分子電解質膜１が燃料ガスに含まれる水分により十分加湿される。そのため、かかる構成としても、図１６に示す燃料電池システム１００ｈの構成により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
尚、本実施の形態に係る燃料電池システム１００ｈでは、露点センサ２１ａ及び露点センサ２１ｃを用いて燃料ガスの露点Ｔｄａと酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとを検出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、燃料ガスの露点Ｔｄａとして、水素ボンベ３０からの水素の供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、燃料ガスの露点Ｔｄａと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。又、例えば、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃとして、酸化剤ガス供給装置１７からの酸化剤ガスの供給量、及び、水タンク２９からの水の供給量等のパラメータに基づいて算出される露点を用いる形態としてもよい。この場合、制御装置２０は、温度センサ２２の検出値と、水タンク２９からの水の供給を開始してからの経過時間とから、酸化剤ガスの露点Ｔｄｃと燃料電池１１の温度Ｔｃｅｌｌとの大小関係を判定する。
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、簡便な構成によって燃料ガスの露点を制御することで、低加湿条件で運転される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、産業上の利用可能性を有している。
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好適に用いられる燃料電池システム及びその運転方法として、産業上の利用可能性を有している。
１ 高分子電解質膜
２ａ 触媒反応層（アノード側）
２ｃ 触媒反応層（カソード側）
３ａ ガス拡散層（アノード側）
３ｃ ガス拡散層（カソード側）
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 セパレータ（アノード側）
７ｃ セパレータ（カソード側）
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 燃料ガス供給路
１３ 酸化剤ガス供給路
１４ アノードオフガス排出路
１５ カソードオフガス排出路
１６ 燃料ガス供給装置
１７ 酸化剤ガス供給装置
１８ 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 改質部
２４ 変成部
２５ 選択酸化部
２６ 開閉弁（空気供給機構）
２７ 開閉弁（水供給機構）
２８ 水供給ポンプ
２９ 水タンク
３０ 水素ボンベ
３１ 内筒
３２ 外筒
３３ 空気供給部
３４ 変成ガス供給部
３５，３６ 混合部
３７ 選択酸化触媒部
３８，３９，４０ 開孔
４１ 開閉弁（水素供給機構）
４２ 熱交換部
４３ 第１の三方弁（酸化剤ガス供給経路切替機構）
４４ 第２の三方弁（酸化剤ガス排出切替機構）
４５ 第３の三方弁
４６ 開閉弁
４７ バイパス路
４８ 酸化反応用酸化剤ガス供給路
４９ バーナー
５０ 燃料ガス出口
５１ 酸化剤ガス出口
５２ 選択的ガス供給部
５３ 循環路
５４ カソードオフガス供給路
５５ 可変オリフィス
５６ ポンプ
５７ 選択的ガス供給部
５８ 燃料ガス供給系統
５９ 酸化剤ガス供給系統
６０ 燃料ガス排出系統
６１ 酸化剤ガス排出系統
６２ 出力制御装置
１００ａ〜１００ｉ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 単電池（セル）
１０３ 選択酸化部
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、を備えており、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、前記燃料ガス供給装置は、原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部と、該改質部で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部と、該変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により更に低減する選択酸化部と、を備えており、前記水分供給機構は、前記選択酸化部に水分が供給されるように構成されている選択酸化用水分供給機構であり、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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。
かかる構成とすると、燃料電池システムの発電運転を停止させる過程において、その燃料電池に水分（ｍｏｉｓｔｕｒｅ）を適切に供給して、これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を適切に上昇させるので、簡便な構成により、高分子電解質膜の含水量を相対的に且つ適切に上昇させることが可能となり、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。これにより、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。また、かかる構成とすると、選択酸化用水分供給機構により選択酸化部に水分が供給されるので、燃料ガス供給装置を備える燃料電池システムにおいて、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
また、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、を備えており、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、水を貯蔵する水タンクと、該水タンクと前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方とを連通させる第２の水分供給経路と、該第２の水供給経路上に設けられた第２の水分量調整部と、を備えており、前記水分供給機構は、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に前記水タンクから水分を供給するように構成されている燃料電池用水分供給機構であり、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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点を関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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。
かかる構成とすると、燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水タンクから水分をダイレクトに供給するので、燃料ガス供給装置に代えて水素ボンベを搭載する例えば電気自動車の動力電源としての燃料電池システムにおいても、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
かかる構成とすると、燃料電池システムの停止動作時及び停止時において、燃料電池内の燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点が燃料電池の温度以上となるので、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方に含まれる水分により、燃料電池が備える高分子電解質膜が十分に加湿される。よって、高分子電解質膜の劣化を抑制して、燃料電池の耐久性の向上に寄与することができる。
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、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、を備えており、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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運転を停止させる過程において、その燃料電池に水分（ｍｏｉｓｔｕｒｅ）を適切に供給して、これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を適切に上昇させるので、簡便な構成により、高分子電解質膜の含水量を相対的に且つ適切に上昇させることが可能となり、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。

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、
    を備えており、
    前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、
    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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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. 前記燃料ガス供給装置は、原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部と、該改質部で生成された燃料ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部と、該変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により更に低減する選択酸化部と、を備えており、
    前記水分供給機構は、前記選択酸化部に水分が供給されるように構成されている選択酸化用水分供給機構である、請求項１記載の燃料電池システム。

  3. 前記選択酸化部は、
    前記変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガスに選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給経路と、
    前記選択酸化用空気供給経路から供給された選択酸化用空気と前記変成部で一酸化炭素が低減された燃料ガスとを混合する混合部と、
    前記混合部で混合された燃料ガスと選択酸化用空気との混合ガスを用いて該混合ガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により低減する選択酸化触媒部と、
    を備えており、
    前記選択酸化用水分供給機構は、前記選択酸化用空気供給経路又は前記混合部に水分が供給されるように構成されている、請求項２記載の燃料電池システム。

  4. 前記選択酸化用水分供給機構は、
    水を貯蔵する水タンクと、
    前記水タンクと前記選択酸化部とを連通させる水分供給経路と、
    前記水分供給経路上に設けられた水分量調整部と、
    を備えている、請求項３記載の燃料電池システム。

  5. 前記選択酸化部に選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給部を更に備えており、
    前記選択酸化用水分供給機構は、
    前記燃料電池から排出された未消費の前記酸化剤ガスを含むカソードオフガスを前記選択酸化部に供給するカソードオフガスバイパス経路と、
    前記カソードオフガスバイパス経路から供給されるカソードオフガス及び前記選択酸化用空気供給部から供給される選択酸化用空気のうちの少なくとも一方を前記選択酸化部に供給する選択酸化用空気調整部と、
    を備えている、請求項２記載の燃料電池システム。

  6. 前記選択酸化部に選択酸化用空気を供給する選択酸化用空気供給部を更に備えており、
    前記制御装置が、前記選択酸化部に水分が供給されるよう前記選択酸化用水分供給機構を制御する際に、前記選択酸化用空気供給部及び前記選択酸化用水分供給機構のうちの少なくとも一方を制御して、前記選択酸化部の温度が所定の閾値以上となるように構成されている、請求項２記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御装置が、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断した後、前記選択酸化部の内部に前記燃料ガスを充填させるよう制御するように構成されている、請求項２記載の燃料電池システム。

  8. 水を貯蔵する水タンクと、該水タンクと前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方とを連通させる第２の水分供給経路と、該第２の水分供給経路上に設けられた第２の水分量調整部と、を備えており、
    前記水分供給機構は、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に前記水タンクから水分を供給するように構成されている燃料電池用水分供給機構である、請求項１記載の燃料電池システム。

  9. 前記燃料電池の温度を制御するための温度制御装置と、
    前記温度制御装置と前記燃料電池との間で熱媒体を循環させて該燃料電池から前記温度制御装置へ熱を移動させるための環状の熱媒体経路と、
    熱交換部と、を備えており、
    前記熱交換部が、前記環状の熱媒体経路と前記第２の水分供給経路との間で熱交換するように構成されている、請求項８記載の燃料電池システム。

  10. 前記燃料ガス供給装置は原料を用いて改質反応により一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部を備え、
    且つ、熱交換部を備えており、
    前記熱交換部が、前記改質部と前記第２の水分供給経路との間で熱交換するように構成されている、請求項８記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転時に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの露点を前記燃料電池の温度未満とするよう制御するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。
  12. 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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうち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燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点とを一致させ、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、請求項１記載の燃料電池システム。
  13. 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、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を切断する際に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点が前記燃料電池の温度以上となるよう制御するように構成されている、請求項１記載の燃料電池システム。

  14. 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、
    を備えており、
    前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分を供給するための水分供給機構を更に備えており、

    前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記燃料ガスの露点又は露点と関連する情報及び前記酸化剤ガスの露点又は露点と関連する情報のうちの少なくとも一方に基づき、前記燃料電池のアノード及びカソードのうちの少なくとも一方に水分が供給されるよう前記水分供給機構を制御して前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の露点を上昇させ、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。
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