WO2007046483A1

WO2007046483A1 - 燃料電池システム及びその運転方法

Info

Publication number: WO2007046483A1
Application number: PCT/JP2006/320877
Authority: WO
Inventors: Aoi Muta; Yoichiro Tsuji; Miho Gemba
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2007-04-26
Also published as: JPWO2007046483A1; US20110269035A1; JP5009162B2; US20090123788A1; US8394545B2; CN101292385B; CN101292385A

Description

明細書

燃料電池システム及びその運転方法

技術分野

[0001] 本発明は、水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池システム及びその運転方法に関する。

背景技術

[0002] 従来から、高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステム構築が容易であるため、高、ェネルギー利用効率を実現可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。

[0003] 燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えて、る。この燃料電池としては、例えば、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池、又は、高分子電解質形燃料電池が用いられる。これらの燃料電池の内、高分子電解質形燃料電池は、 130°C〜150°C程度の比較的低温での発電が可能であると共に、出力密度が高くかつ寿命が長いという特徴を有している。そのため、高分子電解質形燃料電池は、高出力特性と同時に短時間起動が要求される電気自動車の動力電源や、長期信頼性が要求される家庭用コジェネレーションシステム等への応用が期待されて、る。

[0004] 高分子電解質形燃料電池では、発電運転の際、アノード側に水素を含む燃料ガスが供給されると共に、力ソード側に酸素を含む酸化剤ガスが供給される。すると、高分子電解質形燃料電池のアノードでは、供給される水素が電子とプロトンとに変換される。アノードで発生した電子は、燃料電池システムに接続された外部負荷を経由して、高分子電解質形燃料電池の力ソードに到達する。又、アノードで発生したプロトンは、高分子電解質膜を通過して力ソードに到達する。一方、高分子電解質形燃料電池の力ソードでは、外部負荷を経由して到達する電子と高分子電解質膜を通過して到達するプロトンと力ソード側に供給される酸素とが用いられて水が生成する。尚、燃料ガスは、例えば、メタンから水蒸気改質反応により水素を生成する燃料ガス供給装置から供給される。又、酸化剤ガスは、例えば、シロッコファンにより大気中から空気を取り込む酸化剤ガス供給装置から供給される。

[0005] ところで、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムでは、アノード側からカソード側へのプロトンの伝導性を確保するために、高分子電解質膜を湿潤状態において維持する必要がある。そのため、この燃料電池システムでは、加湿された燃料ガス及び加湿された酸化剤ガスがアノード側及び力ソード側に各々供給される。又、この燃料電池システムでは、化学反応の自由エネルギー変化を電気エネルギーに変換する際のエネルギーの変換効率を十分に確保するために、例えば、燃料ガスの露点を Tdaとし、酸化剤ガスの露点を Tdcとし、高分子電解質形燃料電池の温度を T cellとした場合、 Tcell>Tda、かつ、 Tcell>Tdcなる相互関係を満たす運転条件（以下、この運転条件を「低加湿運転条件」 t 、う）の下で高分子電解質形燃料電池が運転される。これにより、燃料電池システムは、長期間に渡り安定して所定の発電性能を発揮する (例えば特許文献 1参照)。

[0006] 一方、燃料電池システムの発電運転では、燃料電池システムが生成する電気エネルギー及び熱エネルギーの何れもが不要である場合には発電運転を行う必要が無いため、通常、状況に応じて高分子電解質形燃料電池の発電運転を起動又は停止させる起動停止型の運転方法が採られる。この起動停止型の運転方法では、電気工ネルギー及び熱エネルギーの何れもが不要となる場合、燃料電池システムの制御装置は燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置の動作を停止させた後、高分子電解質形燃料電池と外部負荷との電気的な接続を切断する。これにより、高分子電解質形燃料電池は開回路状態となる。そして、制御装置は、高分子電解質膜の乾燥を防止するために、加湿した不活性ガスを高分子電解質形燃料電池の内部に封入する。又は、制御装置は、高分子電解質形燃料電池と燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置との接続を遮断して、燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路を密閉する。これにより、燃料電池システムは、長期間に渡り高分子電解質膜の乾燥を防止する（例えば、特許文献 2, 3, 4参照)。

特許文献 1：特願平 04— 502749号公報

特許文献 2：特開平 06 - 251788号公報

特許文献 3 :特開 2004— 163037号公報特許文献 4：特開 2004 - 006166号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、上述した従来の燃料電池システムでは、加湿した不活性ガスの封入又は燃料ガス用流路及び酸化剤ガス用流路の密閉により長期間に渡り高分子電解質膜の乾燥を防止しているにも関わらず、高分子電解質膜の劣化が進行して、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題があった。これは、燃料電池システムが発電運転を停止する際、低加湿運転条件の下で運転される高分子電解質形燃料電池が外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態となることが原因であった。

[0008] 本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、低加湿運転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!、る。

課題を解決するための手段

[0009] 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、低加湿運転条件の下で燃料電池システムが運転される場合、この低加湿運転条件で運転される状態から発電運転を停止させる際に高分子電解質膜の乾燥による劣化が特に進行し易いという事実に基づいて、高分子電解質形燃料電池の放電を停止させる前に出力電圧を開回路電圧よりも低い所定の範囲に保ちながら高分子電解質膜の含水量を調節することが上述の目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

[0010] 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ィ匕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、前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れかを更に備えており、前記制御装置力前記燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点又は露点と関連する情報に基づいて、前記温度制御装置、前記加湿装置、前記燃料電池、及び前記燃料ガス供給装置の少なくとも何れかを制御し、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。

[0011] 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、を駆動し、前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れかを更に駆動し、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、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点又は露点と関連する情報に基づ、て、前記温度制御装置、前記加湿装置、前記燃料電池、及び前記燃料ガス供給装置の少なくとも何れかを制御し、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。

[0012] かかる構成とすることにより、燃料電池システムの状態を発電運転状態から発電運転停止状態に移行させる過程にぉ、て、制御装置が温度制御装置及び加湿装置の少なくとも一方を制御して燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させた後に燃料電池と負荷との電気的な接続を切断するので、高分子電解質膜の含水量を相対的に上昇させることが可能となり、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能になる。そして、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。

[0013] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法では、前記制御装置が、前記温度制御装置を制御して前記燃料電池の温度を低下させて該燃料電池の温度と前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる。

[0014] 力かる構成とすることにより、温度制御装置を制御して燃料電池の温度を低下させるので、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容易に一致させることが可能になる。

[0015] この場合、前記制御装置が、前記燃料電池の温度と前記燃料ガス及び前記酸ィ匕剤ガスのより低露点側の露点とを一致させる。

[0016] カゝかる構成とすることにより、燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスのより低露点側の露点とを一致させるので、高分子電解質膜の含水量を更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更に効果的に抑制することが可能になる。

[0017] 又、この場合、前記制御装置が、前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。

[0018] 力かる構成とすることにより、燃料電池の温度を低下させる際に燃料電池の出力電流密度を発電時における出力電流密度以下に制御するので、発電に伴い生成する水の生成量を抑制することができる。これにより、燃料電池において流路閉塞が発生することを防止することが可能になる。

[0019] 又、この場合、前記制御装置が、前記温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度を低下させる。

[0020] 力かる構成とすることにより、温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御するので、燃料電池の温度を容易に低下させることが可能になる。

[0021] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法では、前記制御装置が、前記加湿装置を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて、前記燃料電池の温度と該燃料ガス及び該酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる。

[0022] カゝかる構成とすることにより、加湿装置を制御して燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させるので、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容易に一致させることが可能になる。

[0023] この場合、前記制御装置が、前記燃料電池の温度と前記燃料ガス及び前記酸ィ匕剤ガスのより低露点側の露点とを一致させる。

[0024] カゝかる構成とすることにより、燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスのより低露点側の露点とを一致させるので、高分子電解質膜の含水量を更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更に効果的に抑制することが可能になる。

[0025] 又、この場合、前記制御装置が、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する。

[0026] カゝかる構成とすることにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる際に燃料電池の出力電流密度を発電時における出力電流密度以下に制御するので、発電に伴い生成する水の生成量を抑制することができる。これにより、燃料電池において流路閉塞が発生することを防止することが可能になる。

[0027] 又、この場合、前記制御装置が、前記加湿装置内の加湿器の温度を前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる。

[0028] カゝかる構成とすることにより、加湿装置内の加湿器の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を容易に上昇させることが可能になる。

[0029] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法では、前記露点と関連する情報が前記燃料ガス供給装置の動作条件であり、前記露点と関連する情報として前記燃料ガス供給装置の動作条件を利用する。

[0030] 力かる構成とすることにより、露点センサを用いることなぐ燃料ガスや酸化剤ガスの露点を各々検出することが可能になる。

[0031] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法では、前記露点と関連する情報が前記燃料電池及び前記加湿装置の少なくとも何れかの動作条件であり、前記露点と関連する情報として前記燃料電池及び前記加湿装置の少なくとも何れかの動作条件を利用する。

[0032] 力かる構成とすることによつても、露点センサを用いることなぐ燃料ガスや酸化剤ガスの露点を各々検出することが可能になる。

[0033] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法では、前記制御装置が、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少なくとも一方の露点と、を一致させる前に、前記燃料ガスの露点が前記燃料電池の温度よりも低くなるように制御する。

[0034] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法では、前記制御装置が、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少なくとも一方の露点と、を一致させる前に、前記酸化剤ガスの露点が前記燃料電池の温度よりも低くなるように制御する。

発明の効果

[0035] 本発明は以上に述べたような手段で実施され、低加湿運転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が可能になる。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの燃料電池の断面構成を模式的に示す断面図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。

[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[図 5]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特徴的な動作の変形例における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc 、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[図 6]図 6は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。

[図 7]図 7は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[図 8]図 8は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。

[図 10]図 10は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの特徴的な動作の変形例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 Td c、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 12]図 12は、本発明の実施の形態 4に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

[図 13]図 13は、燃料ガス供給装置で生成される燃料ガスの露点と SZCとの関係を水蒸気改質反応の反応温度毎に模式的に示す相関図である。

[図 14]図 14は、全熱交^^により加湿された酸化剤ガスの露点を算出するための構成を模式的に示す解説図である。

[図 15]図 15は、本発明の実施の形態 5に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

[図 16]図 16は、温水加湿器により加湿された酸化剤ガスの露点を算出するための構成を模式的に示す解説図である。

符号の説明

1 高分子電解質膜

2a, 2c 触媒反応層

3a, 3c ガス拡散層

4a アノード

4c 力ソード MEA (膜,電極接合体）

a 燃料ガス流路

c 酸化剤ガス流路

a, 7c セパレータ

a, 8c 冷却水流路

a, 9c ガスケッ卜

0 ガスケット

1 燃料電池 (高分子電解質形燃料電池)2 燃料ガス供給部

3 酸化剤ガス供給部

4 燃料ガス排出部

5 酸化剤ガス排出部

6 燃料ガス供給装置

7 酸化剤ガス供給装置

8 加湿器

8a, 18c カロ湿器

9 温度制御装置

0 制御装置

1a, 21c 露点センサ

2 温度センサ

3 制御器

露点制御装置

5 三方弁

6 全熱交難

7 温水加湿器

1 燃料電池 (要部）

2 単電池（セル）

0〜400 燃料電池システム発明を実施するための最良の形態

[0038] 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、本発明を実施するための最良の形態では、高分子電解質形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。又、ここでは、高分子電解質形燃料電池を単に「燃料電池」と記載する。又、ここでは、膜 Z電極接合体を単に「MEA」と記載する。

[0039] (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。

[0040] 図 1は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの燃料電池の断面構成を模式的に示す断面図である。尚、図 1では、燃料電池の基本構成を明快に説明するために、燃料電池の要部のみを図示している。

[0041] 図 1に示すように、燃料電池 101では、 MEA5がその周縁部にガスケット 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、燃料電池 101において、単電池 102 (以下、「単電池」を「セル」という）が構成されている。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。

[0042] より詳細に説明すると、図 1に示すように、 MEA5はプロトン導電性を有する高分子電解質膜 1を備えている。この高分子電解質膜 1は、含水状態においてプロトンを選択的に輸送する。この高分子電解質膜 1のプロトン輸送能は、含水状態において高分子電解質膜 1に固定されている固定電荷が電離すると共に、この固定電荷の対ィオンとして機能する水素がイオンィ匕して移動可能になることによって実現される。そして、図 1に示すように、この高分子電解質膜 1の両面の中央部には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層 2a及び触媒反応層 2cが、各々が対向するようにして着設されている。これらの触媒反応層の内、触媒反応層 2a では、図 1では図示しない燃料ガス供給装置力も供給される燃料ガス由来の水素が、化学式（1)に示すように、電子とプロトンとに変換される。触媒反応層 2aで生成した電子は、燃料電池システムに接続された図 1では図示しない外部負荷を経由して、触媒反応層 2cに到達する。又、触媒反応層 2aで生成したプロトンは、高分子電解質膜 1を通過して、触媒反応層 2cに到達する。一方、燃料電池 101の触媒反応層 2cでは、外部負荷を経由して到達する電子と、高分子電解質膜 1を通過して到達するプ口トンと、図 1では図示しない酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガス由来の酸素とが用いられて、化学式（2)に示すように、水が生成する。この一連の化学反応により、燃料電池 101は、電力を出力すると共に熱を発生する。

[0043] H → 2H+ + 2e" · · ·化学式（1)

2

(1/2) 0 + 2H+ + 2e" → H O · · ·化学式（2)

2 2

又、図 1に示すように、触媒反応層 2a及び触媒反応層 2cの高分子電解質膜 1に接していない面には、ガス拡散層 3a及びガス拡散層 3cが、各々が対向するようにして配設されている。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の表面に各々電気的に接続するよう着設されている。

[0044] そして、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、燃料電池 101では、触媒反応層 2cとガス拡散層 3cとによりカソード 4cが構成されている。又、燃料電池 101では、高分子電解質膜 1とアノード 4aと力ソード 4cとにより MEA5が構成されて!、る。

[0045] 一方、図 1に示すように、 MEA5の高分子電解質膜 1は電気絶縁性のガスケット 9a 及びガスケット 9cにより挟持され、更に、これらのガスケット 9a及びガスケット 9cは導電性のセパレータ 7a及びセパレータ 7cにより挟持されている。これにより、燃料電池 101においてセル 102が構成されている。このセル 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、燃料ガス供給装置カゝら供給される燃料ガスを MEA5のガス拡散層 3aに供給すると共に、触媒反応により発生したガス及び余剰の燃料ガスをセル 102の外部に排出する。又、このセル 102では、セパレータ 7cのガス拡散層 3cと接する面に、酸化剤ガス流路 6cが凹設されている。この酸化剤ガス流路 6cは、酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスを MEA5のガス拡散層 3cに供給すると共に、触媒反応により発生したガス及び余剰の酸化剤ガスをセル 102の外部に排出する。又、セパレータ 7a及びガス拡散層 3aは電気的に接続されており、セパレータ 7c及びガス拡散層 3cも電気的に接続されている。

[0046] 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。又、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 7 a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に流通す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。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力冷却水が供給され、この冷却水は発電運転の際に発熱する燃料電池 101を冷却する。尚、冷却水により燃料電池 101から回収された熱エネルギーは、例えば、給湯のために用いられる。

[0047] 図 2は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図 2では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。

[0048] 図 2に示すように、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システム 100は、その発電部の本体として、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池 11を備えている。又、この燃料電池システム 100は、燃料電池 11に供給するための燃料ガス及び酸化剤ガスを各々生成する燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17と、この酸化剤ガス供給装置 17から燃料電池 11へ供給される酸化剤ガスを途中で加湿する加湿器 18と、この加湿器 18及び上述した燃料ガス供給装置 16が供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点温度 (以下、単に「露点」 t 、う）を各々検出する露点センサ 21a及び露点センサ 21cとを備えている。又、この燃料電池システム 100は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する際の燃料電池 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 100は、上述した燃料電池 11、燃料ガス供給装置 16及び酸ィ匕剤ガス供給装置 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。

[0049] より詳細に説明すると、図 2に示すように、燃料電池 11は燃料ガス供給部 12及び酸化剤ガス供給部 13と燃料ガス排出部 14及び酸化剤ガス排出部 15とを備えてヽる。燃料電池システム 100の発電運転の際、燃料ガス供給装置 16が生成する燃料ガスは、その露点が露点センサ 21aにより検出された後、燃料電池 11の燃料ガス供給部 12に供給される。そして、燃料電池 11において余剰となった燃料ガスは、燃料電池 11の燃料ガス排出部 14から排出される。又、酸化剤ガス供給装置 17からの酸ィ匕剤ガスは、加湿器 18により加湿されかつ露点が露点センサ 21cにより検出された後、燃料電池 11の酸化剤ガス供給部 13に供給される。そして、燃料電池 11において余剰となった酸化剤ガスは、燃料電池 11の酸化剤ガス排出部 15から排出される。

[0050] 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水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスを生成する。この燃料ガスは、水蒸気改質反応の際に加湿され、水蒸気を含む状態で燃料電池 11に供給される。このように、水蒸気を含む燃料ガスが燃料ガス供給装置 16から燃料電池 11に供給されることにより、燃料電池 11の図 2では図示しない高分子電解質膜は湿潤状態において維持される。尚、本実施の形態では例示しないが、燃料ガスとして水素ボンベに充填された純水素を用いる場合には、この純水素を加湿するために、燃料ガス供給装置 16と露点センサ 21 aとの間に加湿器を配設する。

[0051] 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剤ガスとしての空気を取り込む。そして、その取り込んだ空気を燃料電池 11に供給する。尚、大気中から取り込んだ空気は、通常、燃料電池 11の高分子電解質膜を湿潤するために必要となる量の水蒸気を含んではいない。そのため、図 2に示すように、燃料電池システム 100では、酸化剤ガス供給装置 17と露点センサ 21cとの間に加湿器 18が配設されている。この加湿器 18は、酸化剤ガス供給装置 17が排出する空気を加湿した後に燃料電池 11に供給する。このように、酸化剤ガス供給装置 17から燃料電池 11 に加湿器 18により加湿された空気が供給されることによつても、燃料電池 11の高分子電解質膜は湿潤状態に維持される。

[0052] 露点センサ 21aは、燃料ガス供給装置 16から燃料電池 11に供給される燃料ガスの露点を検出する。又、露点センサ 21cは、酸化剤ガス供給装置 17から燃料電池 11 に供給される酸化剤ガスの露点を検出する。本実施の形態では、これらの露点センサ 21a及び露点センサ 21cにより検出される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点を、燃料電池 11の内部における燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcとみなす。尚、これらの露点センサ 21a及び露点センサ 21cとしては、燃料ガス及び酸ィ匕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 1 6 (正しくは、燃料ガス供給装置 16が有する改質器)の性能に依存し、酸化剤ガスの露点 Tdcは加湿器 18の性能に依存する。そのため、燃料ガスの露点 Tdaとして改質器の動作条件に基づヽて算出される露点を用い、酸化剤ガスの露点 Tdcとして加湿器 18の動作条件に基づいて算出される露点又は加湿器 18の温度（実測値)を用いる構成としてもよい。尚、これらの露点センサ 21a, 21cを用いずに燃料ガスの露点 T da及び酸化剤ガスの露点 Tdcを検出する形態については、後に詳細に説明する。

[0053] 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、熱交翻等)とで構成される。この温度制御装置 19は、例えば水力もなる冷却媒体を燃料電池 11に供給すると共に、発電に伴つて発生する熱により加熱されて温度上昇した冷却媒体を燃料電池 11から回収する。そして、温度制御装置 19は、その温度上昇した冷却媒体を冷却した後、再び燃料電池 11に供給する。或いは、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の温度を低下させることが可能になる。又、冷却媒体の温度を低下させることにより、燃料電池 11の温度を低下させることが可能になる。これにより、温度制御装置 19は、燃料電池 11の温度を一定の温度に維持する。尚、冷却媒体により燃料電池 11から回収された熱エネルギーは、例えば、給湯のために用いられる。

[0054] 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、入口力供給された冷却媒体が燃料電池 11と熱交換して出口力排出されるため、燃料電池 11における冷却媒体の出口部分であると想定される。そこで、本実施の形態では、燃料電池 11から温度制御装置 19に排出される冷却媒体の温度を温度センサ 22により検出する構成として、る。

[0055] 尚、低加湿運転条件は、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)、かつ、燃料電池 11における冷却媒体の入口部分の温度≤Tdcく燃料電池 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、燃料電池の内部の少なくとも一部が低加湿運転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。

[0056] 又、低加湿運転条件は、例えば、 Tdaく燃料電池 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、燃料電池の内部のほぼ全体が低加湿運転条件となつており、本発明の効果をより顕著に得ることができる。

[0057] 上記により、低加湿運転条件は、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く燃料電池 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。又、低加湿運転条件は、例えば、 Tdaく燃料電池 11における冷却媒体の入口部分の温度、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!/、。この場合のように、燃料電池の内部の少なくとも一部が低加湿運転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。 [0058] 又、制御装置 20は、少なくとも燃料電池 11、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17、温度制御装置 19の動作を適宜制御する。この制御装置 20は、例えば MPU及びメモリを備えており、予めメモリに記憶されるデータに基づき、少なくとも燃料電池 11、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17、温度制御装置 19の動作を適宜制御する。

[0059] 次に、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの動作について、図 2〜図 4 を参照しながら説明する。尚、ここでは、燃料電池システムの発電運転中、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcが Tdaく Tdcなる相互関係を満たしているものと仮定する。

[0060] 本実施の形態に係る燃料電池システムの動作は、低加湿運転条件の下で運転される燃料電池と外部負荷との電気的な接続を切断する（つまり、燃料電池が開回路状態となる)前に高分子電解質膜を加湿する点を除き、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。

[0061] 図 3は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。尚、図 3では、本発明を説明するために必要となるステップのみを図示しており、その他のステップについては図示を省略している。

[0062] 又、図 4は、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図 4では、本発明を説明するために必要となる操作のみを図示しており、その他の操作については図示を省略している。

[0063] 燃料電池システム 100の発電運転を停止する際、制御装置 20は、先ず、 Tcell>T da、かつ、 Tcell>Tdcなる相互関係を満たす低加湿運転条件の下で運転されている状態（図 4に示す状態 1 )の燃料電池 11の温度 Tcellを、温度制御装置 19の動作を制御することにより（図 4に示す操作 1)、燃料電池 11の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致するまで低下させる（ステップ S l、及び、図 4に示す状態 2)。この図 4 に示す状態 2において、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断することなぐ燃料電池 11の放電を継続させる。

[0064] 次いで、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させながら、露点センサ 21c及び温度センサ 22の出力信号に基づいて、燃料電池 11の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致した力否かを判定する（ステップ S2)。

[0065] ステップ S2にお!/、て、燃料電池 11の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致しないと判定された場合 (ステップ S2で NO)、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させたまま、燃料電池 11の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致するまで、ステップ S1に示す制御を継続する。一方、ステップ S 2において、燃料電池 11の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致したと判定された場合 (ステップ S2で YES) 、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させながら温度制御装置 19の冷却動作を停止させ (ステップ S3、及び、図 4に示す操作 2)、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達するまで、燃料電池システム 100の運転状態を維持させる（ステップ S4、及び、図 4に示す状態 3)。この図 4に示す状態 3において、燃料電池 1 1の高分子電解質膜は、主に酸化剤ガスに含まれる水分が用いられることにより、高分子電解質膜の劣化を防止可能な状態にまで十分に加湿される。

[0066] 具体的には、制御装置 20は、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達した力否かを判定する (ステップ S4)。

[0067] ステップ S4にお、て、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達して、ないと判定された場合 (ステップ S4で NO)、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させたまま、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達するまで、燃料電池システム 100の運転状態を更に維持させる。一方、ステップ S4において、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達したと判定された場合には (ステツプ S4で YES)、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断して（図 4に示す操作 3)、燃料電池 11の放電を停止させ (ステップ S 5)、燃料電池 11 を開回路状態とする（図 4に示す状態 4)。

[0068] この図 4に示す状態 4においては、開回路状態となることにより燃料電池 11の出力電圧 Vfcは図 4の如く上昇するが、燃料電池 11の高分子電解質膜の湿潤状態は、発電運転中の高分子電解質膜の湿潤状態よりも高い。 [0069] その後、制御装置 20は、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17の動作を停止させる。又、高分子電解質膜の乾燥を防止するために、例えば、加湿した不活性ガスを燃料電池 11の内部に封入する。そして、制御装置 20は、燃料電池システム 100の発電運転に係る全ての動作を停止させる。

[0070] このように、本実施の形態では、 Tcell>Tda、かつ、 Tcell>Tdcなる相互関係を満たす低加湿運転条件の下で燃料電池 11を運転させて!/ヽる状態から発電運転を停止させる際に、制御装置 20が、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させ、燃料電池 11 の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致するまで燃料電池 11の放電を継続させ、燃料電池 11の温度 Tcellが酸化剤ガスの露点 Tdcと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池 11が外部負荷への放電を停止した開回路状態において Tcell≤Td_Cなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が十分に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池 11の耐久性を十分に確保することが可能となる。

[0071] 次に、本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの動作の変形例について、図 2及び図 3、図 5を参照しながら説明する。

[0072] 本発明の実施の形態 1に係る燃料電池システムの動作の変形例では、 Tcell=Td cの条件に代えて Tcell=Tdaの条件が満たされた後に燃料電池の放電を停止させる点でのみ、上述した燃料電池システムの動作と異なっている。即ち、本変形例に係るフローチャートは、図 3に示すフローチャートを、ステップ S2において Tcell=Tda の条件が満たされた力否かを判定するよう修正したものである。

[0073] 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特徴的な動作の変形例における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[0074] 燃料電池システム 100の発電運転を停止する際、制御装置 20は、低加湿運転条件の下で運転されて、る状態（図 5に示す状態 1 )の燃料電池 11の温度 Tcellを、温度制御装置 19の動作を制御することにより（図 5に示す操作 1)、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致するまで低下させる (ステップ S l、及び、図 5に示す状態 2)。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と外部負荷との電気的な接続を切断することなぐ燃料電池 11の放電を継続させる。

[0075] 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!/、て、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)。そして、燃料電池 11の温度 Tcell が燃料ガスの露点 Tdaと一致したと判定されると (ステップ S 2で YES)、制御装置 20 は、燃料電池 11の放電を継続させながら温度制御装置 19の冷却動作を停止させ（ステップ S3、及び、図 5に示す操作 2)、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tp dに到達するまで、燃料電池システム 100の運転状態を維持させる (ステップ S4、及び、図 5に示す状態 3)。

[0076] 具体的には、制御装置 20は、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達した力否かを判定する (ステップ S4)。そして、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 (ステップ S4で YES)、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断して（図 5に示す操作 3)、燃料電池 1 1の放電を停止させ (ステップ S5)、これを開回路状態とする（図 5に示す状態 4)。

[0077] このように、本変形例では、低加湿運転条件の下で燃料電池 11を運転させて、る状態から発電運転を停止させる際に、制御装置 20が、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させ、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致するまで燃料電池 11の放電を継続させ、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池 11が外部負荷への放電を停止した開回路状態において Tcell≤Td_a<Td_Cなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が更に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を更に効果的に抑制することが可能となる。

[0078] 尚、本実施の形態では、露点センサ 21c (又は、露点センサ 21a)及び温度センサ 2 2により燃料電池 11の温度 Tcell及び酸化剤ガスの露点 Tdc (又は、燃料ガスの露点 Tda)を実際に測定して発電運転を停止させる形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ予め測定した Tcell及び Tdc (又は、 Tda)の関係を表すタイムチャートに基づいて発電運転を停止させる形態としてもよい。力かる形態としても、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。 [0079] 又、本実施の形態では、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達した後に燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断する形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tda 及び酸化剤ガスの露点 Tdcの少なくとも一方の露点と一致した直後に燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断する形態としてもよい。カゝかる形態としても、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。

[0080] 又、本実施の形態では、燃料電池システム 100の発電運転中、燃料ガスの露点 Td a及び酸化剤ガスの露点 Tdcが Tdaく Tdcなる相互関係を満たしているものと仮定しているが、この相互関係に限定されることはなぐ Tda > Tdc,又は、 Tda=Tdcなる相互関係を満たしていてもよい。ここで、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcが Tda >Tdcなる相互関係を満たしてヽる場合、燃料電池 11の温度 Tcellを燃料ガスの露点 Tdaと一致させることにより高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能である力燃料電池 11の温度 Tcellを酸化剤ガスの露点 Tdcと一致させることにより、高分子電解質膜の劣化を更に効果的に抑制することが可能になる。又、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcが Tda =Tdcなる相互関係を満たしている場合、燃料電池 11の温度 Tcellを燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcと一致させることで、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能になる。つまり、本発明は、燃料電池 11の温度 Tcellを燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdc の少なくとも一方の露点と一致させることにより実現される。

[0081] (実施の形態 2)

本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの構成は、図 1及び図 2に示す実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成に関する説明は省略する。

[0082] 本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの動作について、図 2、図 6及び図 7を参照しながら説明する。

[0083] 図 6は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。

[0084] 又、図 7は、本発明の実施の形態 2に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[0085] 燃料電池システム 100の発電運転を停止する際、制御装置 20は、低加湿運転条件の下で運転されて、る状態（図 7に示す状態 1 )の燃料電池 11の温度 Tcellを、温度制御装置 19の動作を制御することにより（図 7に示す操作 1)、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致するまで低下させる (ステップ Sl、及び、図 7に示す状態 2)。又、制御装置 20は、この図 7に示す状態 2において、燃料電池 11の放電時の出力電流密度を、上述した状態 1における放電時の出力電流密度以下にまで低下させる (ステップ S2、及び、図 7に示す操作 2)。この図 7に示す操作 2によって、燃料電池 11の出力電圧 Vfcが上昇すると共に、燃料電池 11における発電に伴！、生成する水の生成量が減少する。

[0086] 次いで、制御装置 20は、露点センサ 21a及び温度センサ 22の出力信号に基づき、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致したカゝ否かを判定する (ステツプ S3)。そして、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致したと判定された場合には (ステップ S3で YES)、制御装置 20は、温度制御装置 19の冷却動作を停止させて (ステップ S4、及び、図 7に示す操作 3)、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達するまで、燃料電池システム 100の運転状態を維持させる（図 7に示す状態 3)。この図 7に示す状態 3において、燃料電池 11の高分子電解質膜は、燃料ガス及び酸化剤ガスに含まれる水分が用いられて十分に加湿される。

[0087] 次いで、制御装置 20は、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達したか否かを判定する (ステップ S5)。そして、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 (ステップ S5で YES)、制御装置 20は、燃料電池 1 1と外部負荷との電気的な接続を切断して放電を停止させ (ステップ S6、及び、図 7 に示す操作 4)、燃料電池 11を開回路状態とする（図 7に示す状態 4)。

[0088] その後、制御装置 20は、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17の動作を停止させた後、高分子電解質膜の乾燥を防止するための上述した所定の処置を施して、燃料電池システム 100の発電運転に係る全ての動作を停止させる。

[0089] このように、本実施の形態では、低加湿運転条件の下で燃料電池 11を運転させている状態から発電運転を停止させる際、制御装置 20が、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させ、燃料電池 11の温度 Tcellが燃料ガスの露点 Tdaと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。又、制御装置 20は、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させている際に、燃料電池 11の放電時の出力電流密度を発電運転時における出力電流密度以下にまで低下させる。これにより、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させている際の水の生成量を減少させることができるので、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させる際に発生する可能性があるフラッデイングによる流路の水詰まりを効果的に抑制することが可能になる。

[0090] 又、燃料電池システムでは、通常、燃料電池の温度が低下するにつれて、アノード及び力ソードにおける反応抵抗が大きくなる。つまり、燃料電池システムでは、放電時の出力電流密度を一定に保持した状態で燃料電池の温度を低下させると、燃料電池の出力電圧が 0ボルト以下になる、いわゆる転極現象が発生する。この転極現象が発生すると、燃料電池の発電性能は著しく低下する。し力しながら、本実施の形態では、燃料電池 11の温度 Tcellを低下させる際に、燃料電池 11の放電時の出力電流密度を発電運転時における出力電流密度以下にまで低下させるので、燃料電池 1 1が転極状態に陥ることを効果的に抑制することが可能になる。これにより、燃料電池 11の発電性能の低下を防止することが可能になる。

[0091] 尚、その他の点については、実施の形態 1の場合と同様である。

[0092] (実施の形態 3)

先ず、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの構成について、図 8を参照しながら説明する。

[0093] 本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの構成は、図 2に示す加湿器 18に代えて露点制御装置を備えている点を除き、図 1及び図 2に示す実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成と同様である。従って、ここでは、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成と実施の形態 1に係る燃料電池システムの構成との相違点について説明することとして、共通する部分に関する説明は省略する。

[0094] 図 8は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図 8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。

[0095] 図 8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 200は、露点制御装置 24を備えている。この露点制御装置 24は、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17から供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点を必要に応じて各々制御する。この燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点は、露点制御装置 2 4が備える加湿器 18a及び加湿器 18cにより実質的に制御される。これらの加湿器 1 8a及び加湿器 18cの動作は、露点制御装置 24が有する制御器 23により制御される。そして、露点が各々制御された燃料ガス及び酸化剤ガスは、実施の形態 1に係る燃料電池システム 100の場合と同様、露点センサ 21a及び露点センサ 21cの検出ボイントを通って燃料電池 11に供給される。尚、この制御器 23の動作は、燃料電池システム 200が有する制御装置 20により制御される。

[0096] 又、図 8に示すように、露点制御装置 24は三方弁 25を備えている。この三方弁 25 は、燃料ガス供給装置 16から供給される燃料ガスの露点を調整する必要がな、場合、その燃料ガスを加湿器 18aに供給することなく露点センサ 21aに直接供給するよう機能する。

[0097] 次に、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの動作について、図 8〜図 1 0を参照しながら説明する。尚、ここでは、燃料電池システムの発電運転中、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcが Tdaく Tdcなる相互関係を満たしているものと仮定する。

[0098] 図 9は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。尚、図 9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。

[0099] 又、図 10は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの特徴的な動作における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。尚、図 10では、本発明を説明するために必要となる操作のみを図示しており、その他の操作については図示を省略している。

[0100] 燃料電池システム 200の発電運転を停止する際、制御装置 20は、先ず、 Tcell>T da、かつ、 Tcell>Tdcなる相互関係を満たす低加湿運転条件の下で燃料電池 11 が運転されている状態（図 10に示す状態 1)において、露点制御装置 24の動作を制御することにより（図 10に示す操作 1)、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致するまで、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcを上昇させる (ステップ Sl、及び、図 10に示す状態 2)。この図 10に示す状態 2において、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断することなぐ燃料電池 11 の放電を継続させる。

[0101] 次いで、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させながら、露点センサ 21c及び温度センサ 22の出力信号に基づいて、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致したカゝ否かを判定する (ステップ S2)。

[0102] 具体的には、このステップ S2において、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致しないと判定された場合 (ステップ S2で NO)、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させたまま、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致するまで、図 9のステップ S1に示す制御を継続する。一方、ステップ S2において、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致したと判定された場合 (ステツプ S2で YES)、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させながら露点制御装置 24による露点 Tda及び Tdcの上昇を停止させ (ステップ S3、及び、図 10に示す操作 2)、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達するまで、燃料電池システム 200の運転状態を維持させる (ステップ S4、及び、図 10に示す状態 3)。この図 10に示す状態 3において、燃料電池 11の高分子電解質膜は、主に酸化剤ガスに含まれる水分が用いられることにより、高分子電解質膜の劣化を防止可能な状態にまで十分に加湿される。

[0103] 具体的には、制御装置 20は、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達した力否かを判定する (ステップ S4)。

[0104] このステップ S4にお、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 S4で NO)、制御装置 20は、燃料電池 11の放電を継続させたまま、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達するまで、燃料電池システム 200の運転状態を更に維持させる。一方、ステップ S4において、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達したと判定された場合 (ステップ S4で YES)、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断して (図 10に示す操作 3)、燃料電池 11の放電を停止させ (ステップ S 5)、燃料電池 11を開回路状態とする（図 10に示す状態 4)。

[0105] その後、制御装置 20は、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17の動作を停止させる。又、高分子電解質膜の乾燥を防止するために、実施の形態 1の場合と同様、加湿した不活性ガスを燃料電池 11の内部に封入する。そして、制御装置 20は、燃料電池システム 200の発電運転に係る全ての動作を停止させる。

[0106] このように、本実施の形態では、 Tcell>Tda、かつ、 Tcell>Tdcなる相互関係を満たす低加湿運転条件の下で燃料電池 11を運転させて!/ヽる状態から発電運転を停止させる際に、制御装置 20が、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcを上昇させ、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致するまで燃料電池 11の放電を継続させ、酸化剤ガスの露点 Tdcが燃料電池 11の温度 Tcellと一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池 11が外部負荷への放電を停止した開回路状態において Tcell≤Td_C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。

[0107] 次に、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの動作の変形例について、図 8及び図 9、図 11を参照しながら説明する。

[0108] 本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの動作の変形例では、 Tcell=Td cの条件に代えて Tcell=Tdaの条件が満たされた後に燃料電池の放電を停止させる点でのみ、上述した燃料電池システムの動作と異なっている。即ち、本変形例に係るフローチャートは、図 9に示すフローチャートを、ステップ S2において Tcell=Tda の条件が満たされた力否かを判定するよう修正したものである。

[0109] 図 11は、本発明の実施の形態 3に係る燃料電池システムの特徴的な動作の変形例における燃料電池の温度 Tcell、燃料ガスの露点 Tda、酸化剤ガスの露点 Tdc、及び、燃料電池の出力電圧 Vfcの変化を模式的に示すタイムチャートである。

[0110] 燃料電池システム 200の発電運転を停止する際、制御装置 20は、低加湿運転条件の下で燃料電池 11が運転されている状態（図 11に示す状態 1)において、露点制御装置 24の動作を制御することにより（図 11に示す操作 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及び酸化剤ガスの露点 Tdcを上昇させる (ステップ Sl、及び、図 11に示す状態 2)。この図 11に示す状態 2において、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断することなぐ燃料電池 11の放電を継続させる。

[0111] 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の出力信号に基づき、燃料ガスの露点 Tdaが燃料電池 11の温度 T cellと一致したカゝ否かを判定する (ステップ S2)。そして、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 S2で YES)、制御装置 2 0は、燃料電池 11の放電を継続させながら露点制御装置 24による露点 Tda及び Td cの上昇を停止させ (ステップ S3、及び、図 11に示す操作 2)、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達するまで、燃料電池システム 200の運転状態を維持させる (ステップ S4、及び、図 11に示す状態 3)。

[0112] 具体的には、制御装置 20は、計測時間 Tmが予め設定された所定時間 Tpdに到達した力否かを判定する (ステップ S4)。そして、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 (ステップ S4で YES)、制御装置 20は、燃料電池 11と外部負荷との電気的な接続を切断して（図 11に示す操作 3)、燃料電池 11の放電を停止させ (ステップ S5)、これを開回路状態とする（図 11に示す状態 4)。

[0113] このように、本変形例では、低加湿運転条件の下で燃料電池 11を運転させている状態から発電運転を停止させる際に、制御装置 20が、燃料ガスの露点 Tda及び酸ィ匕剤ガスの露点 Tdcを上昇させ、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と一致した後に外部負荷への放電を停止させる。これにより、燃料電池 11 が外部負荷への放電を停止した開回路状態において Tcell≤Tda<Tdcなる相互関係が実現され、高分子電解質膜が更に加湿されるので、高分子電解質膜の劣化を更に効果的に抑制することが可能となる。

[0114] つまり、本実施の形態では、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcの少なくとも一方の露点を燃料電池 11の温度 Tcellと一致させることにより、実施の形態 1 の場合と同様の効果を得ることを可能とする。

[0115] 本実施の形態では、燃料電池システム 200の発電運転を停止する際に燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcの両方を上昇させる形態について説明したが、この形態に限定されることはなぐ燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcの少なくとも一方の露点を上昇させる形態としてもよい。例えば、酸化剤ガスの露点 Td cのみを上昇させる場合、制御装置 20は、三方弁 25を制御することにより、燃料ガス供給装置 16から供給される燃料ガスを露点センサ 21aに直接供給する。又、燃料ガスの露点 Tdaのみを上昇させる場合、制御装置 20は、制御器 23を制御して加湿器 1 8cの動作を制御することにより、酸化剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスの露点を調整することなく露点センサ 21cに供給する。力かる形態としても、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。

[0116] 又、本実施の形態では、露点制御装置 24が備える加湿器の温度を商用電力等の外部電力により制御して燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcの少なくとも一方を制御する形態を想定して説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料ガス供給装置 16から燃料電池 11に供給する燃料ガスの流量及び温度の少なくとも 1つの条件を変化させることにより、露点制御装置 24の加湿器の温度を制御して、これにより、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcの少なくとも一方を制御する形態としてもよい。又、同様にして、酸化剤ガス供給装置 17から燃料電池 11に供給する酸化剤ガスの流量及び温度の少なくとも 1つの条件を変化させることにより、露点制御装置 24の加湿器の温度を制御して、これにより、燃料ガスの露点 Tda及び酸化剤ガスの露点 Tdcの少なくとも一方を制御する形態としてもよい。又、燃料ガス及び酸化剤ガスの両方の流量及び温度の少なくとも 1つの条件を変ィ匕させる形態としてもよい。カゝかる形態としても、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。

[0117] 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。

[0118] 以上、本発明によれば、低加湿運転条件の下で運転される燃料電池システムが発電運転を停止する際、外部負荷との電気的な接続が切断されて開回路状態となる前に燃料電池の高分子電解質膜が十分に加湿されるので、燃料電池の発電性能が経時的に低下するという問題を解消することが可能になる。これにより、低加湿運転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が可能になる。

[0119] 尚、実施の形態 1〜3では、燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前、制御装置が温度制御装置及び露点制御装置の何れか一方を制御して燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる形態について説明した。しかし、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料電池と負荷との電気的な接続を切断する前、制御装置が温度制御装置及び露点制御装置の両方を制御して燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる形態としてもよい。このような形態とすれば、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るまでの待機時間を大幅に短縮することが可能になる。

[0120] 又、制御装置が温度制御装置を制御して燃料電池の温度と燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる形態では、燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が各々経時的に変化しないことが望ましい。力かる形態とすれば、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るまでの待機時間を短縮することが可能になる。ここで、露点制御装置の加湿器としては、バブラ一を用いることができる。バブラ一とは、温水中に燃料ガス又は酸化剤ガスを通じて加湿を行う加湿器である。このバブラ一では、燃料ガス又は酸化剤ガスは、温水の温度と同じ露点を有するように加湿される。バブラ一を駆動するための熱源としては、燃料電池を冷却する冷却媒体や、ヒーター、及び、改質器の燃焼排ガスを用いることが可能である。そして、露点制御装置の加湿器としてバブラ一を用いることにより、燃料ガスの露点を一定に保つことが容易になると共に、酸化剤ガスの露点を一定に保つことが容易になる。これにより、比較的簡易な構成の下、燃料電池の温度と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るまでの待機時間を短縮することが容易になる。 [0121] ところで、実施の形態 1〜3では、本発明に係る燃料電池システム 100, 200の基本的な構成及びその特徴的な動作について詳細に説明した。

[0122] 具体的には、実施の形態 1〜3では、燃料ガスの露点や酸化剤ガスの露点を露点センサ 21aや露点センサ 21cにより検出する形態について説明した。又、実施の形態 1〜3では、温度制御装置 19により燃料電池 11の温度を低下させて燃料電池 11 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る形態や、露点制御装置 24により燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を各々上昇させて燃料電池 11 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る形態について説明した。

[0123] し力しながら、燃料電池システム 100, 200において適切な構成を構築することにより、露点センサ 21aや露点センサ 21cを配設することなぐ燃料ガスの露点や酸化剤ガスの露点を的確に検出することが可能になる。又、燃料電池システム 100, 200において適切な構成を構築することにより、露点制御装置 24を配設することなぐ燃料ガスの露点や酸化剤ガスの露点を的確に上昇させることが可能になる。

[0124] 以下、実施の形態 1〜3を支持する露点を検出するための他の形態及び露点を制御するための他の形態について各々説明する。

[0125] (実施の形態 4)

図 12は、本発明の実施の形態 4に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図 12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。

[0126] 図 12に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム 300の構成は、露点センサ 21a, 21cを備えていない点で、実施の形態 1に示す燃料電池システム 100の構成とは異なっている。又、図 12に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム 300の構成は、酸化剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスを燃料電池 11の酸化剤ガス排出部 15から排出される余剰の酸化剤ガス（以下、この余剰の酸化剤ガスを「排酸化剤ガス」という）を利用して加湿する全熱交翻 26を加湿器 18に代えて備えて、る点で、実施の形態 1に示す燃料電池システム 100の構成とは異なってヽる。尚、その他の点については、燃料電池システム 300の構成は、実施の形態 1に示す燃料電池システム 100の構成と同様である。

[0127] 先ず、燃料ガスの露点 Tdaを検出するための形態、及び、燃料ガスの露点 Tdaを制御するための形態について各々説明する。

[0128] 本実施の形態に係る燃料電池システム 300では、燃料電池 11に供給される燃料ガスの露点 Tdaが、燃料ガス供給装置 16の動作条件に基づいて算出される。

[0129] 具体的に説明すると、本実施の形態では、燃料電池システム 300における制御装置 20のメモリに、予め、 SZC (スチームカーボン比）と水蒸気改質反応の反応温度と燃料ガスの露点 Tdaとの関係を示すデータテーブルが記憶されている。ここで、 S/ Cは、燃料電池システム 300の運転条件に応じて、予め、制御装置 20に設定されている。従って、本実施の形態によれば、燃料ガス供給装置 16における水蒸気改質反応の反応温度 (改質触媒の温度)を既存の温度検出器により検出することで、図 1に示す露点センサ 21aを用いることなぐ燃料ガスの露点 Tdaを容易に算出することができる。

[0130] 一方、本実施の形態に係る燃料電池システム 300では、燃料電池 11に供給される燃料ガスの露点 Tdaを、転ィ匕率等を考慮しながら燃料ガス供給装置 16における SZ Cを変化させることにより、任意に制御することができる。

[0131] 図 13は、燃料ガス供給装置で生成される燃料ガスの露点と SZCとの関係を水蒸気改質反応の反応温度毎に模式的に示す相関図である。

[0132] 図 13に示すように、燃料ガス供給装置 16における SZCを変化させることにより、その燃料ガス供給装置 16で生成される燃料ガスの露点 Tdaを任意に制御することが可能である。例えば、水蒸気改質反応の反応温度を 660°Cに制御する場合には、燃料ガス供給装置 16〖こおける SZCを 2に設定することにより燃料ガスの露点 Tdaを約 30 °Cに制御することが可能となり、燃料ガス供給装置 16における SZCを 5に設定することにより燃料ガスの露点 Tdaを約 77°Cに制御することが可能となる。又、水蒸気改質反応の反応温度を 630°Cに制御する場合には、燃料ガス供給装置 16における S ZCを 2に設定することにより燃料ガスの露点 Tdaを約 42°Cに制御することが可能となり、燃料ガス供給装置 16における SZCを 5に設定することにより燃料ガスの露点 T daを約 79°Cに制御することが可能となる。ここで、燃料ガス供給装置 16における SZ Cの制御は、燃料ガス供給装置 16の動作条件に基づいて算出された燃料ガスの露点 Tdaと燃料電池の温度 Tcellとの比較に基づき適切に行われる。

[0133] 次に、酸化剤ガスの露点 Tdcを検出するための形態、及び、酸化剤ガスの露点 Td cを制御するための形態にっ、て各々説明する。

[0134] 図 14は、全熱交換器により加湿された酸化剤ガスの露点を算出するための構成を模式的に示す解説図である。

[0135] 図 12及び図 14に示すように、本実施の形態では、全熱交換器 26において、酸ィ匕剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスと燃料電池 11の酸化剤ガス排出部 15 力も排出される排酸化剤ガスとの間で全熱交換が行われる。ここで、図 14に示すように、燃料電池 11の酸化剤ガス排出部 15から排出される排酸化剤ガスの水蒸気量を P 1とし、全熱交換器 26において酸化剤ガスの加湿のために利用された排酸化剤ガスの水蒸気量を P2とする。又、酸化剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスの水蒸気量を P3とし、全熱交換器 26におヽて加湿された酸化剤ガスの水蒸気量を P4 とする。更に、全熱交翻26の図 14では図示しない全熱交換膜を通過した水量を W1とし、燃料電池 11にお、て生成した水量を Wgとする。

[0136] 燃料電池 11の酸化剤ガス側において生成した水量 Wgの一部は、高分子電解質膜を透過して燃料ガス側に逆拡散する。即ち、燃料電池内で燃料ガス側に追加される水量 (燃料ガス側生成水量) Wgaは、 Wgと Θ (逆拡散率)との積として算出され、燃料電池内で酸化剤ガス側に追加される水量 (酸化剤ガス側生成水量) Wgcは、 Wgと (1— 0 )との積として算出される。尚、 Θ (逆拡散率）は、燃料電池 11に用いられる高分子電解質膜の性質によっても異なるが、予め測定しておいた値を定数として用いることがでさる。

[0137] この場合、図 14の（1)式に示すように、水蒸気量 P1は、水蒸気量 P4と酸化剤ガス側生成水量 Wgcとの和として算出される。即ち、（1)式に示すように、水蒸気量 P1は、水蒸気量 P3と通過水量 W1と生成水量 Wgと（1 Θ )との積との和として算出される。又、図 14の（2)式に示すように、水蒸気量 P2は、水蒸気量 P1と通過水量 W1との差として算出される。即ち、（2)式に示すように、水蒸気量 P2は、水蒸気量 P3と酸ィ匕剤ガス側生成水量 Wgcとの和として算出される。又、図 14の（3)式に示すように、水蒸気量 P3は、厳密には実測値を用いるべきではある力室温における飽和水蒸気量が非常に少ないことに基づき、定数 αと近似される。又、図 14の (4)式に示すように、水蒸気量 Ρ4は、水蒸気量 Ρ3と通過水量 W1との和として算出される。ここで、通過水量 W1は、定数 (加湿器の全熱交換膜の面積)と定数 γ (水蒸気透過係数）と対数平均水蒸気分圧差 Dとの積として算出される。即ち、（4)式に示すように、水蒸気量 Ρ4は、水蒸気量 Ρ3と定数 β及び定数 y及び対数平均水蒸気分圧差 Dの積との和として算出される。

[0138] 従って、本実施の形態に係る燃料電池システム 300では、燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの水蒸気量 Ρ4は、 ( 1)式〜 (4)式と定数 aと生成水量 Wg (生成水量 Wgは燃料電池 11の運転条件力も算出することが可能）とから算出される。ここで、生成水量 Wgは、例えば、高分子電解質膜の面積と電流密度とを用いて算出する。そして、本実施の形態によれば、この算出された水蒸気量 P4に基づき、図 1に示す露点センサ 21cを用いることなく、燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの露点 Tdcを容易に算出することができる。

[0139] 一方、本実施の形態に係る燃料電池システム 300では、燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの露点 Tdcを、電流密度を制御して燃料電池 11における生成水量 Wgを変化させることにより、任意に制御することができる。尚、電流密度は、制御装置 20が燃料電池 11に接続されて!、るインバータを制御することにより、容易に制御可能である。

[0140] 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。

[0141] (実施の形態 5)

図 15は、本発明の実施の形態 5に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図 15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。

[0142] 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 400の構成は、露点センサ 21a, 21cを備えていない点で、実施の形態 1に示す燃料電池システム 100の構成とは異なっている。又、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 400の構成は、酸化剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスを燃料電池 11から排出される冷却媒体 (以下、この冷却媒体を「冷却水」とする）を利用して加湿する温水加湿器 27を加湿器 18に代えて備えてヽる点で、実施の形態 1に示す燃料電池システム 100の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム 400の構成は、実施の形態 1に示す燃料電池システム 100の構成と同様である。

[0143] 本実施の形態では、燃料ガスの露点 Tdaを検出するための形態及び燃料ガスの露点 Tdaを制御するための形態は、実施の形態 4で示した形態と各々同様である。従つて、ここでは、燃料ガスの露点 Tdaを検出するための形態及び燃料ガスの露点 Tda を制御するための形態に関する説明は省略する。

[0144] 以下、酸化剤ガスの露点 Tdcを検出するための形態、及び、酸化剤ガスの露点 Td cを制御するための形態にっ、て各々説明する。

[0145] 図 16は、温水加湿器により加湿された酸化剤ガスの露点を算出するための構成を模式的に示す解説図である。

[0146] 図 15及び図 16に示すように、本実施の形態では、温水加湿器 27において、酸ィ匕剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスが燃料電池 11から排出される冷却水により加湿される。ここで、図 16に示すように、燃料電池 11から排出される冷却水の温度 T1における飽和水蒸気量を P1とし、温水加湿器 27におヽて酸化剤ガスの加湿のために利用された冷却水の温度 T2における飽和水蒸気量を P2とする。又、酸ィ匕剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスの水蒸気量を P3とし、温水加湿器 2 7において加湿された酸化剤ガスの水蒸気量を P4とする。更に、温水加湿器 27の図 16では図示しない加湿膜を通過した水量を W1とし、燃料電池 11の冷却水の出口における冷却水の温度を T1とし、燃料電池 11の冷却水の入口における冷却水の温度を T2とする。

[0147] この場合、図 16の（1)式及び（2)式に示すように、水蒸気量 P1及び水蒸気量 P2 は、温度 T1における飽和水蒸気量 S1及び温度 T2における飽和水蒸気量 S2として測定可能である。又、図 16の（3)式に示すように、水蒸気量 P3は、実施の形態 4の場合と同様に厳密には実測値を用いるべきではあるが、室温における飽和水蒸気量が非常に少ないことに基づき、定数 αと近似される。又、図 16の (4)式に示すように、水蒸気量 Ρ4は、水蒸気量 Ρ3と通過水量 W1との和として算出される。ここで、実施の形態 4の場合と同様にして、通過水量 W1は、定数 |8 (加湿器の全熱交換膜の面積）と定数 0 (水蒸気透過係数)と対数平均水蒸気分圧差 Dとの積として算出される。即ち、（4)式に示すように、水蒸気量 P4は、水蒸気量 P3と定数 |8及び定数 γ及び対数平均水蒸気分圧差 Dの積との和として算出される。

[0148] 従って、本実施の形態に係る燃料電池システム 400では、燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの水蒸気量 Ρ4は、 (1)式〜 (4)式と定数 aと温度 T1及び温度 T2 (温度 Tl, T2は測定可能）とから算出される。そして、本実施の形態によれば、この算出された水蒸気量 P4に基づき、図 1に示す露点センサ 21cを用いることなぐ燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの露点 Tdcを容易に算出することができる。

[0149] 尚、実施の形態 4の場合と同様に、図 14の（2)式に示すように、水蒸気量 P2は、水蒸気 P1と透過水量 W1との差として算出してもよい。即ち、図 14の（2)式に示すように、水蒸気量 P2は、水蒸気量 P3と酸化剤ガス側生成水量 Wgcとの和として算出してもよい。これにより、燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの水蒸気量 P4は、（1)式〜 (4)式と定数 aと温度 Tlとから算出される。

[0150] 一方、本実施の形態に係る燃料電池システム 400では、燃料電池 11に供給される酸化剤ガスの露点 Tdcを、冷却水の流量、放熱器での放熱量、及び、電流密度を制御して燃料電池 11から排出される冷却水の温度 T1を変化させることにより、任意に制御することができる。尚、電流密度は、実施の形態 4の場合と同様、制御装置 20が燃料電池 11に接続されて!、るインバータを制御することにより、容易に制御可能である。

[0151] 尚、その他の点については、実施の形態 1〜4の場合と同様である。

[0152] 以上、実施の形態 4及び 5によれば、図 1に示す露点センサ 21aや露点センサ 21c を配設することなぐ燃料ガスの露点 Tdaや酸化剤ガスの露点 Tdcを的確に検出することが可能になる。又、実施の形態 4及び 5によれば、図 1に示す露点制御装置 24を配設することなぐ燃料ガスの露点 Tdaや酸化剤ガスの露点 Tdcを的確に上昇させることが可能になる。尚、実施の形態 4及び 5では、酸化剤ガス供給装置 17から供給される酸化剤ガスを全熱交換器 26又は温水加湿器 27により加湿する形態を例示しているが、このような形態に限定されることはない。例えば、燃料ガス供給装置 16から供給される燃料ガスを全熱交 26又は温水加湿器 27により加湿する形態としてもよい。又、燃料ガス供給装置 16及び酸化剤ガス供給装置 17から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの双方を全熱交換器 26又は温水加湿器 27により各々加湿する形態としてもよい。この場合、酸化剤ガスの水蒸気量 Ρ3 (定数 α )を燃料ガスの水蒸気量 Ρ3 (定数 a )と読み替えればよ!/ヽ。更に、酸化剤ガス側生成水量 Wgcを燃料ガス側生成水量 Wgaと読み替えればよ、。

[0153] 尚、燃料ガス供給装置 16として実施の形態 4と同様の水素生成装置を用い、生成した燃料ガスを全熱交換機 26又は温水加湿器 27により更に加湿する場合は、燃料ガスの水蒸気量 P3は、実施の形態 4と同様に、燃料ガス供給装置の動作条件に基づいて算出できる。又、燃料ガス供給装置 16として水素ボンべを用い、燃料ガスを全熱交換機 26又は温水加湿器 27により加湿する場合は、燃料ガスの水蒸気量 P3をゼロとして近似してもよい。

産業上の利用可能性

[0154] 本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、低加湿運転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として産業上利用することが可能である。

[0155] 又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、高出力特性と同時に短時間起動が要求される電気自動車の動力電源や、長期信頼性が要求される家庭用コジェネレーションシステム等の用途において、産業上利用することが可能である。

Claims

請求の範囲

[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、

前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れかを更に備えており、

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、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点又は露点と関連する情報に基づいて、前記温度制御装置、前記加湿装置、前記燃料電池、及び前記燃料ガス供給装置の少なくとも何れかを制御し、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、燃料電池システム。

[2] 前記制御装置が、前記温度制御装置を制御して前記燃料電池の温度を低下させて該燃料電池の温度と前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる、請求項 1記載の燃料電池システム。

[3] 前記制御装置が、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より低露点側の露点とを一致させる、請求項 2記載の燃料電池システム。

[4] 前記制御装置が、前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項 2記載の燃料電池システム。

[5] 前記制御装置が、前記温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度を低下させる、請求項 2記載の燃料電池システム。

[6] 前記制御装置が、前記加湿装置を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて前記燃料電池の温度と該燃料ガス及び該酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる、請求項 1記載の燃料電池システム。

[7] 前記制御装置が、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より低露点側の露点とを一致させる、請求項 6記載の燃料電池システム。

[8] 前記制御装置が、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項 6記載の燃料電池システム。

[9] 前記制御装置が、前記加湿装置内の加湿器の温度を前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる、請求項 6記載の燃料電池システム。

[10] 前記露点と関連する情報が、前記燃料ガス供給装置の動作条件である、請求項 1 記載の燃料電池システム。

[11] 前記露点と関連する情報が、前記燃料電池及び前記加湿装置の少なくとも何れかの動作条件である、請求項 1記載の燃料電池システム。

[12] 前記制御装置が、前記燃料電池の温度と、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点と、を一致させる前に、前記燃料ガスの露点が前記燃料電池の温度よりも低くなるように制御する、請求項 1記載の燃料電池システム。

[13] 前記制御装置が、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少なくとも一方の露点と、を一致させる前に、前記酸化剤ガスの露点が前記燃料電池の温度よりも低くなるように制御する、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、

を駆動し、

前記燃料電池の温度を制御する温度制御装置、並びに、前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置の少なくとも何れ力を更に駆動し、

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、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点又は露点と関連する情報に基づいて、前記温度制御装置、前記加湿装置、前記燃料電池、及び前記燃料ガス供給装置の少なくとも何れかを制御し、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、燃料電池システムの運転方法。

[15] 前記制御装置が、前記温度制御装置を制御して前記燃料電池の温度を低下させて該燃料電池の温度と前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる、請求項 14記載の燃料電池システムの運転方法。

[16] 前記制御装置が、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より低露点側の露点とを一致させる、請求項 15記載の燃料電池システムの運転方法。

[17] 前記制御装置が、前記低下させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項 15記載の燃料電池システムの運転方法。

[18] 前記制御装置が、前記温度制御装置内の冷媒の流量及び温度の少なくとも一方を制御して前記燃料電池の温度を低下させる、請求項 15記載の燃料電池システムの運転方法。

[19] 前記制御装置が、前記加湿装置を制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させて前記燃料電池の温度と該燃料ガス及び該酸化剤ガスの少なくとも一方の露点とを一致させる、請求項 14記載の燃料電池システムの運転方法。

[20] 前記制御装置が、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より低露点側の露点とを一致させる、請求項 19記載の燃料電池システムの運転方法。

[21] 前記制御装置が、前記上昇させる際に前記燃料電池の出力電流密度を前記発電時における出力電流密度以下に制御する、請求項 19記載の燃料電池システムの運転方法。

[22] 前記制御装置が、前記加湿装置内の加湿器の温度を前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量及び温度の少なくとも一方により制御して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を上昇させる、請求項 19記載の燃料電池システムの運転方法。

[23] 前記露点と関連する情報として、前記燃料ガス供給装置の動作条件を利用する、請求項 14記載の燃料電池システムの運転方法。

[24] 前記露点と関連する情報として、前記燃料電池及び前記加湿装置の少なくとも何れかの動作条件を利用する、請求項 14記載の燃料電池システムの運転方法。

[25] 前記制御装置が、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少なくとも一方の露点と、を一致させる前に、前記燃料ガスの露点が前記燃料電池の温度よりも低くなるように制御する、請求項 14記載の燃料電池システムの運転方法。

[26] 前記制御装置が、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少なくとも一方の露点と、を一致させる前に、前記酸化剤ガスの露点が前記燃料電池の温度よりも低くなるように制御する、請求項 14記載の燃料電池システムの運転方法。