JP2014044872A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程で、各単位セルの電解質膜が乾燥することを可及的に抑制することができ、燃料電池全体の出力性能を良好に維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、第１セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体２６ａ、第２セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体２６ｂ及び第３セパレータ３０を備える。燃料電池１０の運転方法は、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電位差を検出する工程と、前記電位差が所定の範囲以上であると判断された際、第１酸化剤ガス流路５０及び第２酸化剤ガス流路５４に供給される前の空気の湿度が高くなるように湿度調整する工程と、を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを備えるとともに、複数の単位セル毎に冷却媒体流路が設けられる間引き冷却構造を採用する燃料電池の運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持して単位セルを構成している。

単位セルでは、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、互いに隣接するセパレータ間には、発電面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。

その際、燃料電池では、冷却媒体流路を複数組みの単位セル毎に設ける、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある（特許文献１）。このため、冷却媒体流路の数を減少させることにより、セパレータ数を削減させることができ、燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図ることが可能になる。

特開２００９−１３４９９６号公報

ところで、上記の間引き冷却構造が適用される燃料電池では、特に低負荷運転や低加湿運転を行う際に、酸化剤ガス流路の裏面に冷却媒体流路が設けられていない一方の単位セルは、前記酸化剤ガス流路の裏面に前記冷却媒体流路が設けられている他方の単位セルに比べて熱引き（冷却）が少なくなる。従って、一方の単位セルでは、固体高分子電解質膜が乾燥されてしまい、抵抗上昇及び性能低下が惹起され易くなるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、各単位セルの電解質膜が乾燥することを可及的に抑制することができ、燃料電池全体の出力性能を良好に維持することが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられる第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体と、前記第１電解質膜・電極構造体に隣接し、該第１電解質膜・電極構造体の一方の電極に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成される第１セパレータと、前記第１電解質膜・電極構造体と前記第２電解質膜・電極構造体との間に配設され、該第１電解質膜・電極構造体の他方の電極に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路、及び該第２電解質膜・電極構造体の一方の電極に前記一方の反応ガスを供給する第３反応ガス流路が形成される第２セパレータと、前記第２電解質膜・電極構造体に隣接し、該第２電解質膜・電極構造体の他方の電極に前記他方の反応ガスを供給する第４反応ガス流路、及び互いに隣接する前記第１セパレータとの間に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される第３セパレータと、を有する燃料電池の運転方法に関するものである。

この運転方法は、第１電解質膜・電極構造体を含む第１単位セルと、第２電解質膜・電極構造体を含む第２単位セルとの電位差を検出する工程と、検出された前記電位差が所定の範囲外であると判断された際、第１反応ガス流路に供給される前の一方の反応ガス又は第２反応ガス流路に供給される前の他方の反応ガスの湿度を調整する工程と、を有している。

また、この運転方法では、燃料電池は、一方の反応ガスである酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給路に加湿器を設けるとともに、前記加湿器をバイパスするバイパス流路を有し、湿度の調整は、前記加湿器をバイパスする前記酸化剤ガスのバイパス量を調整することにより行われることが好ましい。

さらに、この運転方法では、燃料電池は、他方の反応ガスである燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路を有し、湿度の調整は、前記燃料ガス供給路に水分を供給することにより行われることが好ましい。

さらにまた、この運転方法では、湿度の調整は、定格出力の約１５％以下の低負荷時に行うことが好ましい。

本発明では、第１電解質膜・電極構造体と第２電解質膜・電極構造体との電位差を検出している。このため、例えば、第２電解質膜・電極構造体が乾燥により出力低下した際、検出される電位差は、所定の範囲以上（範囲外）となる。従って、電解質膜の乾燥が容易に検出され、一方の反応ガス又は他方の反応ガスの湿度が高くなるように湿度調整をすることにより、出力低下を解消することができる。

これにより、簡単な工程で、各単位セルの電解質膜が乾燥することを可及的に抑制することが可能になり、燃料電池全体の出力性能を良好に維持することができる。

本発明の第１の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記運転方法を説明するフローチャートである。 第１単位セル及び第２単位セルの湿度とセル電圧との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。 前記運転方法を説明するフローチャートである。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池１０は、例えば、燃料電池電気自動車等に搭載される車載用燃料電池システム１２に組み込まれる。

燃料電池システム１２は、燃料電池１０に酸化剤ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池１０に燃料ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、前記燃料電池システム１２全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。

図２に示すように、燃料電池１０は、複数のセルユニット２２を水平方向（矢印Ａ方向）又は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して構成される。セルユニット２２は、第１セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６ａ、第２セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６ｂ及び第３セパレータ３０を設ける。

第２セパレータ２８、第２電解質膜・電極構造体２６ｂ及び第３セパレータ３０により、第１単位セル３１ａが構成される。第１セパレータ２４、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２セパレータ２８により、第２単位セル３１ｂが構成される。

第１セパレータ２４、第２セパレータ２８及び第３セパレータ３０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ２４、第２セパレータ２８及び第３セパレータ３０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ２４、第２セパレータ２８及び第３セパレータ３０は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。

第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。

アノード電極３４は、固体高分子電解質膜３２及びカソード電極３６よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差ＭＥＡを構成している。なお、アノード電極３４とカソード電極３６とは、同一の平面寸法を有していてもよい。固体高分子電解質膜３２、アノード電極３４及びカソード電極３６は、それぞれ矢印Ｂ方向両端部上下に切り欠きが設けられているが、これに限定されるものではない。

アノード電極３４及びカソード電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。

セルユニット２２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガス（水素ガス等）を供給するための燃料ガス入口連通孔４２ａが設けられる。

セルユニット２２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが設けられる。

セルユニット２２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４４ａが設けられる。セルユニット２２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４４ｂが設けられる。

第１セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２６ａに向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとを連通する第１燃料ガス流路４６が形成される。第１燃料ガス流路４６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。

第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとを連通する冷却媒体流路４８の一部が形成される。冷却媒体流路４８の一部は、第１燃料ガス流路４６の裏面形状である。

第２セパレータ２８の第１電解質膜・電極構造体２６ａに向かう面２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第２セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２６ｂに向かう面２８ｂには、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５２が形成される。第２燃料ガス流路５２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。

第３セパレータ３０の第２電解質膜・電極構造体２６ｂに向かう面３０ａには、酸化剤ガス入口連通孔４０ａと酸化剤ガス出口連通孔４０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５４が形成される。第２酸化剤ガス流路５４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第３セパレータ３０の面３０ｂには、冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとを連通する冷却媒体流路４８の一部が形成される。冷却媒体流路４８は、第１燃料ガス流路４６及び第２酸化剤ガス流路５４の裏面形状（波形状）の重ね合わせにより形成される。

第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第２セパレータ２８の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形されるとともに、第３セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第３セパレータ３０の外周端縁部を周回して第３シール部材６０が一体成形される。

第１シール部材５６、第２シール部材５８及び第３シール部材６０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

第１セパレータ２４には、燃料ガス入口連通孔４２ａと第１燃料ガス流路４６とを連通する入口側連結流路６２ａ、及び燃料ガス出口連通孔４２ｂと前記第１燃料ガス流路４６とを連通する出口側連結流路６２ｂが設けられる。

第２セパレータ２８には、燃料ガス入口連通孔４２ａと第２燃料ガス流路５２とを連通する入口側連結流路６４ａ、及び燃料ガス出口連通孔４２ｂと前記第２燃料ガス流路５２とを連通する出口側連結流路６４ｂが設けられる。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ６６を備え、前記エアポンプ６６が空気供給流路６８に配設される。空気供給流路６８には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器７０が配設されるとともに、前記空気供給流路６８は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する。空気供給流路６８には、加湿器７０をバイパスするバイパス流路７２が設けられ、前記バイパス流路７２には、流量調整弁７４が配設される。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する空気排出流路７６を備える。空気排出流路７６は、加湿器７０の加湿媒体通路（図示せず）に連通する。空気排出流路７６には、エアポンプ６６から空気供給流路６８を通って燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁７８が設けられる。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ₂タンク）８０を備える。水素タンク８０は、水素供給流路８２を介して燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通する。この水素供給流路８２には、レギュレータ８３、遮断弁８４及びエゼクタ８６が設けられる。レギュレータ８３は、酸化剤ガス供給装置１４における酸化剤ガスの供給圧に対応して圧力調整される。

エゼクタ８６は、水素タンク８０から供給される水素ガスを、水素供給流路８２を通って燃料電池１０に供給するとともに、燃料電池１０で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路８８から吸引して、再度、前記燃料電池１０に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４２ｂには、オフガス流路９０が連通する。オフガス流路９０の途上には、水素循環路８８が連通するとともに、前記オフガス流路９０には、パージ弁９２が接続される。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池１０に設けられる冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池１０に循環させる冷却媒体循環路９４を備える。冷却媒体循環路９４には、ラジエータ９６及び冷媒ポンプ９８が接続される。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ６６を介し、空気供給流路６８に酸化剤ガスとして、例えば、空気が送られる。この空気は、加湿器７０を通って加湿された後、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給される。

図２に示すように、空気は、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ２８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ３０の第２酸化剤ガス流路５４に導入される。この空気は、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体２６ａのカソード電極３６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５４に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体２６ｂのカソード電極３６に供給される。

一方、図１に示すように、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁８４が開放されることにより、水素タンク８０からレギュレータ８３により減圧された水素ガスが、水素供給流路８２に供給される。この水素ガスは、水素供給流路８２を通って燃料電池１０の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。

図２に示すように、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ２４に形成された入口側連結流路６２ａを通って第１燃料ガス流路４６に導入される。このため、水素ガスは、第１燃料ガス流路４６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体２６ａのアノード電極３４に供給される。

また、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第２セパレータ２８に形成された入口側連結流路６４ａを通って第２燃料ガス流路５２に導入される。従って、水素ガスは、第２燃料ガス流路５２に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体２６ｂのアノード電極３４に供給される。

これにより、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂでは、カソード電極３６に供給される空気中の酸素と、アノード電極３４に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂの各カソード電極３６に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

使用済みの空気は、図１に示すように、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから空気排出流路７６に排出され、加湿器７０に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁７８を介して外部に排出される。

図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂの各アノード電極３４に供給されて消費された水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂに排出される。使用済みの水素ガスは、図１に示すように、燃料ガス出口連通孔４２ｂから水素循環路８８を介してエゼクタ８６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池１０に供給される。

一方、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ９８の作用下に、冷却媒体循環路９４から冷却媒体入口連通孔４４ａを通って燃料電池１０内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ２４と第３セパレータ３０との間に形成された冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂから冷却媒体循環路９４に排出される。

次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。この第１の実施形態では、湿度の調整は、一方の反応ガスである酸化剤ガスを燃料電池１０に供給する空気供給流路（酸化剤ガス供給路）６８に設けられる加湿器７０のバイパス量を調整することにより行う。

先ず、コントローラ２０により、燃料電池システム１２の加湿制御が開始される（ステップＳ１）。燃料電池１０では、定格出力の約１５％以下の低負荷運転が行われており、コントローラ２０は、第１単位セル３１ａ及び第２単位セル３１ｂの出力電圧を、所定の時間間隔で検出処理している。定格出力の１５％を超えると、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が小さくなり、検出が困難になるからである。

そして、第１単位セル３１ａの検出電圧（以下、第１セル電圧という）と第２単位セル３１ｂの検出電圧（以下、第２セル電圧という）との電圧差が検出される。コントローラ２０では、第１セル電圧と第２セル電圧との電圧差が、所定の範囲α以上であるか否かが判断される（ステップＳ２）。

ここで、図２に示すように、第１単位セル３１ａは、第２酸化剤ガス流路５４の裏面側に冷却媒体流路４８が設けられており、第２単位セル３１ｂは、第１酸化剤ガス流路５０の裏面側に第１燃料ガス流路４６が設けられている。すなわち、第２単位セル３１ｂでは、第１酸化剤ガス流路５０の裏面側に冷却媒体流路が設けられておらず、第１単位セル３１ａに比べて熱引き（冷却）が少なくなる。

このため、図４に示すように、燃料電池（ＦＣ）入口湿度（供給空気湿度）が低くなると、第２単位セル３１ｂの膜乾燥が進んでしまう。従って、第２単位セル３１ｂの出力電圧（第２セル電圧）は、第１単位セル３１ａの出力電圧（第１セル電圧）よりも大きく低下する。一方、膜乾燥とは逆の膜湿潤が進行すると、出力性能が向上するものの、耐久性が膜乾燥時に比べて低下し易い。

そこで、耐久性の向上と出力性能の向上とを両立させることができるように加湿制御を行うため、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が、所定の範囲αに設定される。電位差が範囲α以上であれば、加湿を行うように制御される。

なお、燃料電池１０は、それぞれ複数の第１単位セル３１ａ及び第２単位セル３１ｂを備えている。このため、それぞれの第１セル電圧の平均値及びそれぞれの第２セル電圧の平均値を採用してもよい。また、燃料電池１０では、セル積層方向の中央部分の第１単位セル３１ａ及び第２単位セル３１ｂを使用することが好ましい。

第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が、所定の範囲α以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、加湿器７０をバイパスする空気の流量の減量幅が算出される。さらに、ステップＳ４に進んで、加湿器７０をバイパスする空気流量が算出され、流量調整弁７４の開度が算出されて前記流量調整弁７４が駆動される（ステップＳ５）。

従って、加湿器７０に供給される空気流量が増量され、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに導入される水分量が増量される。これにより、燃料電池１０内では、各セルユニット２２を構成する第１酸化剤ガス流路５０及び第２酸化剤ガス流路５４に一層加湿された空気が供給され、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂを加湿することができる。

このため、特に乾燥し易い第２単位セル３１ｂを良好に加湿することが可能になり、前記第２単位セル３１ｂの出力低下を解消することができるという効果が得られる。

一方、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が、所定の範囲α未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、加湿器７０をバイパスする空気の流量の増量幅が算出される。さらに、ステップＳ４に進んで、加湿器７０をバイパスする空気流量が算出され、流量調整弁７４の開度が算出されて前記流量調整弁７４が駆動される（ステップＳ５）。

従って、加湿器７０に供給される空気流量が減量され、燃料電池１０の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに導入される水分量が減量される。これにより、燃料電池１０内では、各セルユニット２２を構成する第１酸化剤ガス流路５０及び第２酸化剤ガス流路５４に湿度が低下した空気が供給され、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂを除湿することが可能になる。このため、特に膜湿潤し易い第１単位セル３１ａでは、湿度が低下されて耐久性を維持することができる。

従って、第１の実施形態では、簡単な工程で、膜乾燥及び膜湿潤を可及的に抑制することが可能になり、燃料電池１０全体の出力性能及び耐久性を良好に維持することができるという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システム１００の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１００は、バイパス流路７２及び流量調整弁７４に代えて、水素供給流路８２の途上に、エゼクタ８６の上流に位置して配置される水供給装置、例えば、インジェクタ１０２を備える。インジェクタ１０２には、給水流路１０４が接続され、水素供給流路８２を流通する水素ガスに加湿用の水を供給する。なお、水素循環路８８内の水分を気液分離器（図示せず）で補足した液水を用いてもよく、外部から純水を供給してもよい。

このように構成される燃料電池システム１００において、本発明の第２の実施形態に係る運転方法は、図６に示すフローチャートに沿って行われる。この第２実施形態では、湿度の調整は、他方の反応ガスである水素ガスを燃料電池１０に供給する水素供給流路（燃料ガス供給路）８２に水分を供給することにより行われる。

先ず、燃料電池１０が低負荷運転され、加湿制御が開始される（ステップＳ１０１）。第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が、所定の範囲α以上であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、水素供給流路８２を流通する水素ガスを加湿する加湿水量の増量幅が算出される。

さらに、ステップＳ１０４に進んで、水素ガスの加湿水量が算出される。この算出された加湿水量に応じて、インジェクタ１０２の開度が算出されて前記インジェクタ１０２が駆動される（ステップＳ１０５）。このため、水素供給流路８２を流通する水素ガスが加湿され、この加湿された水素ガスは、各セルユニット２２を構成する第１燃料ガス流路４６及び第２燃料ガス流路５２に供給される。従って、一層加湿された水素ガスにより、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂを加湿することができる。

一方、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が、所定の範囲α未満であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＮＯ）、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、水素供給流路８２を流通する水素ガスを加湿する加湿水量の減量幅が算出される。

そして、ステップＳ１０４に進んで、水素ガスの加湿水量が算出される。この算出された加湿水量に応じて、インジェクタ１０２の開度が算出されて前記インジェクタ１０２が駆動される（ステップＳ１０５）。

これにより、水素供給流路８２を流通する水素ガスの加湿量が減量され、この湿度が低下された水素ガスは、各セルユニット２２を構成する第１燃料ガス流路４６及び第２燃料ガス流路５２に供給される。このため、湿度が低下した水素ガスにより、第１電解質膜・電極構造体２６ａ及び第２電解質膜・電極構造体２６ｂを除湿することができる。

従って、第２の実施形態では、簡単な工程で、膜乾燥及び膜湿潤を可及的に抑制することが可能になり、燃料電池１０全体の出力性能及び耐久性を良好に維持することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、本発明の第３の実施形態に係る運転方法では、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差が、所定の範囲α以上であるか否かを判断しながら、ＰＩＤ系の加湿量をフィードバック制御する。

ここで、ＰＩＤ制御は、比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）及び微分制御（Ｄ）の各要素を組み合わせて湿度調整を行うことにより、第１単位セル３１ａと第２単位セル３１ｂとの電圧差を、設定値である範囲内に収束させる制御である。

これにより、第３の実施形態では、簡単な工程で、膜乾燥及び膜湿潤を可及的に抑制することが可能になり、燃料電池１０全体の出力性能及び耐久性を良好に維持することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １２、１００…燃料電池システム
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…コントローラ
２２…セルユニット ２４、２８、３０…セパレータ
２６ａ、２６ｂ…電解質膜・電極構造体
３１ａ、３１ｂ…単位セル ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード電極 ３６…カソード電極
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…燃料ガス入口連通孔 ４２ｂ…燃料ガス出口連通孔
４４ａ…冷却媒体入口連通孔 ４４ｂ…冷却媒体出口連通孔
４６、５２…燃料ガス流路 ４８…冷却媒体流路
５０、５４…酸化剤ガス流路 ６６…エアポンプ
６８…空気供給流路 ７０…加湿器
７２…バイパス流路 ７４…流量調整弁
７６…空気排出流路 ８０…水素タンク
８２…水素供給流路 ８６…エゼクタ
８８…水素循環路 ９４…冷却媒体循環路
１０２…インジェクタ

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられる第１電解質膜・電極構造体及び第２電解質膜・電極構造体と、前記第１電解質膜・電極構造体に隣接し、該第１電解質膜・電極構造体の一方の電極に一方の反応ガスを供給する第１反応ガス流路が形成される第１セパレータと、前記第１電解質膜・電極構造体と前記第２電解質膜・電極構造体との間に配設され、該第１電解質膜・電極構造体の他方の電極に他方の反応ガスを供給する第２反応ガス流路、及び該第２電解質膜・電極構造体の一方の電極に前記一方の反応ガスを供給する第３反応ガス流路が形成される第２セパレータと、前記第２電解質膜・電極構造体に隣接し、該第２電解質膜・電極構造体の他方の電極に前記他方の反応ガスを供給する第４反応ガス流路、及び互いに隣接する前記第１セパレータとの間に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される第３セパレータと、を有する燃料電池の運転方法であって、
   前記第１電解質膜・電極構造体を含む第１単位セルと、前記第２電解質膜・電極構造体を含む第２単位セルとの電位差を検出する工程と、
   検出された前記電位差が所定の範囲外であると判断された際、前記第１反応ガス流路に供給される前の前記一方の反応ガス又は前記第２反応ガス流路に供給される前の前記他方の反応ガスの湿度を調整する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池は、前記一方の反応ガスである酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給路に加湿器を設けるとともに、前記加湿器をバイパスするバイパス流路を有し、
   前記湿度の調整は、前記加湿器をバイパスする前記酸化剤ガスのバイパス量を調整することにより行われることを特徴とする燃料電池の運転方法。
3. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池は、前記他方の反応ガスである燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路を有し、
   前記湿度の調整は、前記燃料ガス供給路に水分を供給することにより行われることを特徴とする燃料電池の運転方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記湿度の調整は、定格出力の約１５％以内の低負荷時に行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。

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