JP7523412B2 - 燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法に関するものである。

燃料電池として、固体高分子形燃料電池が知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の一面にアノード電極が接合され、他面にカソード電極が接合されてなる膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）が用いられる。燃料電池のアノード電極に臨むアノード側内部通路には燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード電極に臨むカソード側内部通路には空気等の酸化剤ガスが供給される。アノード側内部通路に供給された水素ガスとカソード側内部通路に供給された酸化剤ガスの酸素は、膜電極接合体を通して電気化学的に反応し、このとき電力を発生する。

また、この種の燃料電池として、カソード電極に、窒素等の不純物を含む空気ではなく純粋な酸素ガスを供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池を用いる燃料電池システムは、アノード側内部通路に水素ガスの循環通路が接続され、カソード側の内部通路に酸素ガスの循環通路が接続されている。水素ガスの循環通路は、アノード側内部通路の一端側に接続された水素ガスの供給通路部と、アノード側内部通路の他端側に接続された未反応ガスの戻し通路部と、から成る。未反応の水素ガスは戻し通路部から供給通路部に戻され、再度アノード側内部通路に供給される。酸素ガスの循環通路は、カソード側内部通路の一端側に接続された酸素ガスの供給通路部と、カソード側内部通路の他端側に接続された未反応ガスの戻し通路部と、から成る。未反応の酸素ガスは戻し通路部ら供給通路部に戻され、再度カソード側内部通路に供給される。水素ガスの循環通路は、水素タンク等の水素供給源に接続され、酸素ガスの循環通路は、酸素タンク等の酸素供給源に接続されている。

特開２００８－２５１３１２号公報

この種の燃料電池システムでは、カソード電極で生成される生成水が膜電極接合体の電極面の加湿に用いられる。このため、カソード側内部通路に適度な水分が残存することは好ましいことであるが、カソード側内部通路の一部に多量の水分が偏って滞留すると、膜電極接合体での発電効率が低下してしまう。

特に、カソード電極に純粋な酸素ガスを供給する燃料電池システムでは、カソード側内部通路を通して水素ガスが膜電極接合体で消費されると、カソード側内部通路内の生成水を出口側に押し出す窒素等の不純物がないことから、生成水がカソード側内部通路の下流側に偏って滞留し易くなる。このため、カソード側内部通路内での生成水の偏った滞留を抑制することができる燃料電池システムの案出が望まれている。

そこで本発明は、カソード側内部通路内での生成水の偏った滞留を抑制することができる燃料電池システム、及び、燃料電池システムの運転方法を提供しようとするものである。

本発明に係る燃料電池システムは、上記課題を解決するために、以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態の固体高分子電解質膜１１ａ）の一面にアノード電極（例えば、実施形態のアノード電極１１ｂ）が接合されるとともに、他面にカソード電極（例えば、実施形態のカソード電極１１ｃ）が接合されてなる膜電極接合体（例えば、実施形態の膜電極接合体１１）と、前記膜電極接合体の前記アノード電極に臨むアノード側内部通路（例えば、実施形態のアノード側内部通路１２）と、前記膜電極接合体の前記カソード電極に臨むカソード側内部通路（例えば、実施形態のカソード側内部通路１４）と、前記アノード側内部通路に水素ガスを供給する水素供給部（例えば、実施形態の水素供給部３）と、前記カソード側内部通路に酸素ガスを供給する酸素供給部（例えば、実施形態の酸素供給部４）と、前記酸素供給部の酸素ガスの流れを制御する制御装置（例えば、実施形態の制御装置５）と、を備え、前記膜電極接合体を通した水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムであって、前記酸素供給部は、前記カソード側内部通路の一端側と他端側に接続されるガス循環通路（例えば、実施形態のガス循環通路２６）と、前記ガス循環通路に接続される酸素供給源（例えば、実施形態の酸素タンク２４）と、前記ガス循環通路において、酸素ガスを一方向と他方向のいずれかの方向に循環して流すガス循環装置（例えば、実施形態のポンプ装置２８）と、を備え、前記制御装置は、前記膜電極接合体の前記カソード電極の水分の分布状態に応じて、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えることを特徴とする。

上記の構成により、酸素供給部のガス循環通路内を酸素ガスが一方向に流れ、その酸素ガスがカソード電極に供給されると、酸素ガスは、膜電極接合体において、アノード電極側の水素ガスと電気化学的に反応する。このとき、カソード電極とアノード電極の間で電力が取り出され、カソード電極では生成水が発生する。この生成水は、基本的にカソード側内部通路からガス循環通路内に排出されるが、発電が継続されると、カソード側内部通路の下流側に次第に偏って滞留するようになる。このとき、制御装置は、膜電極接合体のカソード電極の水分の分布状態に応じて、ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換える。これにより、カソード側内部通路を酸素ガスが逆向きに流れ、カソード側内部通路での生成水の偏った滞留が解消される。

前記ガス循環装置は、正逆回転可能なポンプ装置（例えば、実施形態のポンプ装置２８）によって構成することが望ましい。

この場合、ポンプ装置の回転方向を切り換えるだけで、カソード側内部通路内の酸素ガスの流れ方向を変えることができる。このため、複雑な配管や流路切換弁等を用いることなく、簡単な構成によって酸素ガスの流れ方向を切り換えることができる。したがって、本構成を採用した場合には、燃料電池システムの構造の簡素化を図ることができる。

前記制御装置は、基準時点からの累積発電量が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えるようにしても良い。

この場合、発電が継続されると、累積発電量の増加に応じて生成水量も増加する。このため、基準時点からの累積発電量が閾値以上になったときに、酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路の片側に生成水が偏って滞留するのを抑制することができる。

燃料電池システムは、基準時点からの累積発電量を検出する発電量検出部（例えば、実施形態の発電量検出部５０）と、前記ガス循環通路に介装され、前記カソード側内部通路から流出した生成水を貯留する生成水貯留タンク（例えば、実施形態の第１の気液分離器２９）と、前記生成水貯留タンクに貯留された生成水の流量を検出する生成水量検出装置（例えば、実施形態の水位センサ３５）と、をさらに備え、前記制御装置は、前記発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、前記生成水量検出装置によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えるようにしても良い。

この場合、発電が継続されると、累積発電量の増加に応じて生成水量も増加する。膜電極接合体のカソード電極側で発生した生成水の大半はカソード側内部通路から生成水貯留タンクに流れ込み、残余の生成水はカソード側内部通路に滞留する。このため、発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と生成水貯留タンクに貯留される生成水量の差を求めることにより、カソード側内部通路内に滞留している生成水の量を把握することができる。したがって、推定生成水量と生成水量検出装置によって検出される実際の生成水量との差が閾値以上となったタイミングで酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路での生成水の滞留を効率良く抑制することができる。

燃料電池システムは、基準時点からの累積発電量を検出する発電量検出部（例えば、実施形態の発電量検出部５０）と、前記カソード側内部通路の他端側に接続される前記ガス循環通路の第２通路部（例えば、実施形態の第２通路部２６ｂ）に介装され、酸素ガスが前記ガス循環通路内を一方向に循環して流れるときに、前記カソード側内部通路から流出した生成水を貯留する第１の生成水貯留タンク（例えば、実施形態の第１の気液分離器２９）と、前記第１の生成水貯留タンクに貯留された生成水の流量を検出する第１の生成水量検出装置（例えば、実施形態の水位センサ３５）と、前記カソード側内部通路の一端側に接続される前記ガス循環通路の第１通路部（例えば、実施形態の第１通路部２６ａ）に介装され、酸素ガスが前記ガス循環通路内を他方向に循環して流れるときに、前記カソード側内部通路から流出した生成水を貯留する第２の生成水貯留タンク（例えば、実施形態の第２の気液分離器３２）と、前記第２の生成水貯留タンクに貯留された生成水の流量を検出する第２の生成水量検出装置（例えば、実施形態の水位センサ３６）と、をさらに備え、前記制御装置は、酸素ガスが前記ガス循環通路内を一方向に循環して流れているときに、前記発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、前記第１の生成水量検出装置によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れを他方向に切り換え、酸素ガスが前記ガス循環通路内を他方向に循環して流れているときに、前記発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、前記第２の生成水量検出装置によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れを一方向に切り換えるようにしても良い。

この場合、発電が継続されると、累積発電量の増加に応じて生成水量も増加する。酸素ガスがガス循環通路内を一方向に循環して流れているときであれば、膜電極接合体のカソード電極側で発生した生成水の大半はカソード側内部通路から第１の生成水貯留タンクに流れ込み、残余の生成水はカソード側内部通路に滞留する。一方、酸素ガスがガス循環通路内を他方向に循環して流れているときであれば、膜電極接合体のカソード電極側で発生した生成水の大半はカソード側内部通路から第２の生成水貯留タンクに流れ込み、残余の生成水はカソード側内部通路に滞留する。このため、推定生成水量と、酸素ガスの流れ方向に応じた生成水貯留タンクの生成水貯留量との差が閾値以上となったタイミングで酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路での生成水の滞留を効率良く抑制することができる。

燃料電池システムは、前記カソード電極と前記アノード電極の間の電圧を検出する電圧検出部（例えば、実施形態の電圧センサ４５）をさらに備え、前記制御装置は、前記電圧検出部によって検出される電圧が運転条件に応じた想定電圧よりも閾値以上低くなったときに、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えるようにしても良い。

この場合、カソード側内部通路内に生成水が滞留すると、生成水の滞留量に応じて膜電極接合体での発電効率が低下し、それに伴ってカソード電極とアノード電極の間の電圧も低下する。このため、電圧検出部によって検出される実際の電圧が運転条件に応じた想定電圧よりも閾値以上低くなったタイミングで酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路での生成水の滞留を効率良く抑制することができる。

前記制御装置は、システムの停止時に、出力を通常運転時よりも抑制した状態で前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えるようにしても良い。

この場合、システムの停止時に、出力量を抑制した状態で酸素ガスの流れ方向を切り換えると、カソード側内部通路内の片側に滞留していた生成水がカソード側内部通路の全域にほぼ均一に拡散する。この結果、膜電極接合体のカソード電極の全域が適度な湿度に保たれ、次回の発電を円滑に行うことが可能になる。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態の固体高分子電解質膜１１ａ）の一面にアノード電極（例えば、実施形態のアノード電極１１ｂ）が接合されるとともに、他面にカソード電極（例えば、実施形態のカソード電極１１ｃ）が接合されてなる膜電極接合体（例えば、実施形態の膜電極接合体１１）と、前記膜電極接合体の前記アノード電極に臨むアノード側内部通路（例えば、実施形態のアノード側内部通路１２）と、前記膜電極接合体の前記カソード電極に臨むカソード側内部通路（例えば、実施形態のカソード側内部通路１４）と、前記アノード側内部通路に水素ガスを供給する水素供給部（例えば、実施形態の水素供給部３）と、前記カソード側内部通路に酸素ガスを供給する酸素供給部（例えば、実施形態の酸素供給部４）と、を備え、前記膜電極接合体を通した水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムであり、かつ、前記酸素供給部が、前記カソード側内部通路の一端側と他端側に接続されるガス循環通路（例えば、実施形態のガス循環通路２６）と、前記ガス循環通路に接続される酸素供給源（例えば、実施形態の酸素タンク２４）と、を有する燃料電池システムの運転方法において、前記膜電極接合体の前記カソード電極の水分の分布状態に応じて、前記ガス循環通路を流れる酸素ガスの流れを逆向きに切り換えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムは、制御装置が、膜電極接合体のカソード電極の水分の分布状態に応じて、ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えるため、カソード側内部通路内での生成水の偏った滞留を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、膜電極接合体のカソード電極の水分の分布状態に応じて、ガス循環通路を流れる酸素ガスの流れを逆向きに切り換えるため、カソード側内部通路内での生成水の偏った滞留を抑制することができる。

実施形態の燃料電池システムの全体構成図。 酸素ガスの循環方向の切換手法１を説明するためタイミング図。 酸素ガスの循環方向の切換手法２を説明するためタイミング図。 酸素ガスの循環方向の切換手法３を説明するためタイミング図。 酸素ガスの循環方向の切換手法４を説明するためタイミング図。 酸素ガスの循環方向の切換手法６を説明するためタイミング図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の燃料電池システム１の全体構成図である。
燃料電池システム１は、複数の燃料電池セル１０が積層されて成る燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２内の各燃料電池セル１０に水素ガスを供給する水素供給部３と、燃料電池スタック２内の各燃料電池セル１０に酸素ガスを供給する酸素供給部４と、燃料電池スタック２、水素供給部３、及び、酸素供給部４の各部を制御する制御装置５と、燃料電池スタック２を冷却するための冷却装置６と、を備えている。

燃料電池スタック２の各燃料電池セル１０は、固体高分子形の燃料電池であり、膜電極接合体１１（MEA: Membrane Electrode Assembly）を有する。膜電極接合体１１は、固体高分子電解質膜１１ａと、固体高分子電解質膜１１ａの一面に接合されたアノード電極１１ｂと、固体高分子電解質膜１１ａの他面に接合されたカソード電極１１ｃと、を有する。アノード電極１１ｂとカソード電極１１ｃは、いずれも多孔質のガス拡散層と触媒層とを接合して構成されている。

固体高分子電解質膜１１ａの一面側には、アノード電極１１ｂに臨むアノード側内部通路１２が設けられている。アノード側内部通路１２は、アノード電極１１ｂとセパレータ１３の間に形成されている。固体高分子電解質膜１１ａの他面側には、カソード電極１１ｃに臨むカソード側内部通路１４が設けられている。カソード側内部通路１４は、カソード電極１１ｃとセパレータ１３の間に形成されている。

水素供給部３は、高圧の水素ガスが充填された水素タンク１５（水素供給源）と、水素タンク１５から流出した水素ガスを燃料電池スタック２内の各燃料電池セル１０のアノード側内部通路１２に供給する供給通路１６と、各燃料電池セル１０の膜電極接合体１１で消費されなかった未反応水素ガスを供給通路１６に戻す戻し通路１７と、を備えている。戻し通路１７には、未反応水素ガスを供給通路１６に送り出すためのポンプ装置１８が介装されている。ポンプ装置１８は、電動モータ１９によって一方向に回転駆動される。また、戻し通路１７のポンプ装置１８よりも上流側には、各アノード側内部通路１２から排出された未反応水素ガス中の水分をガスから分離するための気液分離器２０が介装されている。気液分離器２０で分離された水分は気液分離器２０内に一旦貯留され、適宜のタイミングで排出通路２１を通して外部に排出される。
なお、図中の符号２２は、排出通路２１に介装された開閉バルブである。気液分離器２０内に一旦貯留された水分は、開閉バルブ２２が開かれることによって排出通路２１から外部に排出される。また、図中の符号２３は、水素タンク１５からの水素ガスの供給を止めるための閉止バルブである。

酸素供給部４は、高圧の酸素ガスが充填された酸素タンク２４（酸素供給源）と、酸素タンク２４に接続された供給通路２５と、供給通路２５に接続されたガス循環通路２６と、を備えている。ガス循環通路２６は、燃料電池スタック２内の各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４の一端側に接続される第１通路部２６ａと、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４の他端側に接続される第２通路部２６ｂと、を有し、第２通路部２６ｂの燃料電池スタック２（カソード側内部通路１４）と逆側の端部が第１通路部２６ａに接続されている。供給通路２５からガス循環通路２６に導入された水素ガスは、ガス循環通路２６の第１通路部２６ａ、若しくは、第２通路部２６ｂを通して各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４に供給される。

第２通路部２６ｂには正逆回転可能なポンプ装置２８が介装されている。ポンプ装置２８は、正逆回転可能な電動モータ２７によって駆動される。正逆回転可能なポンプ装置２８は、ガス循環通路２６において、酸素ガスを一方向と他方向のいずれかの方向に循環して流すガス循環装置を構成している。

ポンプ装置２８は一方向に駆動されると、ガス循環通路２６内の酸素ガスが第１通路部２６ａから各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４の一端側（図１中の上端側）に供給される。このとき、酸素ガスの大半は、各燃料電池セル１０の膜電極接合体１１での電気化学反応に供され、残余の酸素ガス（未反応の酸素ガス）は、カソード側内部通路１４の他端側（図１中の下端側）から第２通路部２６ｂに戻される。

また、ポンプ装置２８は、他方向に駆動されると、ガス循環通路２６内の酸素ガスが第２通路部２６ｂから各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４の他端側（図１中の下端側）に供給される。このとき、酸素ガスの大半は、各燃料電池セル１０の膜電極接合体１１での電気化学反応に供され、残余の酸素ガス（未反応の酸素ガス）は、カソード側内部通路１４の一端側（図１中の上端側）から第１通路部２６ａに戻される。

第２通路部２６ｂのポンプ装置２８よりも燃料電池スタック２側には、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４から排出された未反応酸素ガス中の水分（生成水）をガスから分離するための第１の気液分離器２９が介装されている。第１の気液分離器２９で分離された水分は第１の気液分離器２９内に一旦貯留され、適宜のタイミングで排出通路３０を通して外部に排出される。第１の気液分離器２９には、酸素ガスがガス循環通路２６内を一方向（図１中の実線矢印の方向）に循環して流れるときに、各カソード側内部通路１４から排出された生成水が貯留される。本実施形態では、第１の気液分離器２９が第１の生成水貯留タンクを構成している。
なお、図中の符号３１は、排出通路３０に介装された開閉バルブである。第１の気液分離器２９内に一旦貯留された水分は、開閉バルブ３１が開かれることによって排出通路３０から外部に排出される。また、図中の符号３５は、第１の気液分離器２９に貯留された生成水の水位（貯留量）を検出するための水位センサである。水位センサ３５によって検出された水位情報（貯留量情報）は、制御装置５に入力される。本実施形態では、水位センサ３５が第１の生成水量検出装置を構成している。

また、第１通路部２６ａには、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４から排出された未反応酸素ガス中の水分（生成水）をガスから分離するための第２の気液分離器３２が介装されている。第２の気液分離器３２で分離された水分は第２の気液分離器３２内に一旦貯留され、適宜のタイミングで排出通路３３を通して外部に排出される。第２の気液分離器３２には、酸素ガスがガス循環通路２６内を他方向（図１中の点線矢印の方向）に循環して流れるときに、各カソード側内部通路１４から排出された生成水が貯留される。本実施形態では、第２の気液分離器３２が第２の生成水貯留タンクを構成している。
図中の符号３４は、排出通路３３に介装された開閉バルブである。第２の気液分離器３２内に一旦貯留された水分は、開閉バルブ３４が開かれることによって排出通路３３から外部に排出される。図中の符号３６は、第２の気液分離器３２に貯留された生成水の水位（貯留量）を検出するための水位センサである。水位センサ３６によって検出された水位情報（貯留量情報）は、制御装置５に入力される。本実施形態では、水位センサ３６が第２の生成水量検出装置を構成している。

燃料電池スタック２で発電される発電量の情報は制御装置５に入力される。制御装置５は、基準時点からの累積発電量を検出するための発電量検出部５０を備えている。なお、発電量検出部５０で累積発電量を検出する際の基準時点は、燃料電池スタック２の発電の開始時や、ポンプ装置２８の回転方向の切換時（ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向の切換時）である。

また、各燃料電池セル１０には、カソード電極１１ｃとアノード電極１１ｂの間の電圧を検出するための電圧センサ４５（電圧検出部）が設けられている。各電圧センサ４５で検出された電圧情報は制御装置５に入力される。

燃料電池システム１の運転中におけるガス循環通路２６内での酸素ガスの流れ方向は、制御装置５による制御によって適宜切り換えられる。制御装置５は、燃料電池セル１０内のカソード電極１１ｃの水分の分布状態に応じて、ポンプ装置２８の回転方向（ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向）を切り換える。制御装置５による酸素ガスの循環方向の具体的な切換手法については後に詳述する。

冷却装置６は、燃料電池スタック２内の図示しない冷却通路の入口側と出口側の端部に接続されたメイン通路５６と、メイン通路５６に冷却液を送り出すウォーターポンプ６０と、メイン通路５６の途中に介装されたラジエータ５５と、メイン通路５６のラジエータ５５の介在部を迂回するバイパス通路５７と、を備えている。バイパス通路５７には、開閉バルブ５８が介装されている。

外気温が規定温度よりも低くない状況では、冷却装置６のバイパス通路５７は開閉バルブ５８によって閉じられる。この状態でウォーターポンプ６０が作動すると、冷却水がラジエータ５５を流れ、ラジエータ５５において外気と熱交換された冷却液が燃料電池スタック２内の冷却通路を流れる。燃料電池スタック２内の冷却通路を流れた冷却液は、メイン通路５６のウォーターポンプ６０に戻される。この間、燃料電池スタック２は冷却通路を流れる冷却液によって冷却される。

また、外気温が規定温度以下の状況では、冷却装置６のバイパス通路５７は開閉バルブ５８によって開かれる。これにより、ウォーターポンプ６０によって送り出された冷却水は、ラジエータ５５を迂回して燃料電池スタック２内の冷却通路に流れ込むようになる。この結果、冷寒時における冷却水の過冷却が抑制される。

＜酸素ガスの循環方向の切換手法１＞
図２は、燃料電池スタック２（燃料電池セル１０）の基準時点からの累積発電量の変化（ａ）と、酸素供給部４のポンプ装置２８の回転方向の変化（ｂ）を併せて示したタイミング図である。
図２に示すように、制御装置５は、酸素供給部４のポンプ装置２８を正回転させ（一方向に回転させ）、基準時点からの累積発電量が閾値に達したときに、ポンプ装置２８を所定時間逆回転させ（他方向に回転させ）、所定時間が経過したとたところでポンプ装置２８を再び正回転させる。制御装置５は、この制御をシステムの運転中に繰り返す。

こうして、燃料電池システム１による発電が行われると、燃料電池スタック２（燃料電池セル１０）での累積発電量の増加に応じて各燃料電池セル１０のカソード電極１１ｃで発生する生成水も増加する。このため、ポンプ装置２８を正回転させ、累積発電量が閾値に達したところでポンプ装置２８を逆回転させることにより、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４の片側（排出側）に滞留し始めていた生成水がカソード側内部通路１４内を逆向きに流れる。この結果、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４内に生成水が均一に分散され、膜電極接合体１１の湿度が適度に保たれるようになるとともに、カソード側内部通路１４の片側に生成水が偏って滞留する事象が回避される。

＜酸素ガスの循環方向の切換手法２＞
図３は、燃料電池スタック２（燃料電池セル１０）の基準時点からの累積発電量の変化（ａ）と、酸素供給部４のポンプ装置２８の回転方向の変化（ｂ）を併せて示したタイミング図である。
図３に示すように、制御装置５は、酸素供給部４のポンプ装置２８を正回転させ（一方向に回転させ）、基準時点からの累積発電量が閾値に達したときに、ポンプ装置２８を逆回転させる（他方向に回転させる）。切換手法１では、ポンプ装置２８の逆回転運転を一定時間（短時間）行った後にポンプ装置２８を正転運転させている。これに対し、切換手法２では、ポンプ装置２８の逆回転運転の開始時を基準時点として、制御装置５の発電量検出部５０が累積発電量の検出を開始する。そして、基準時点からの累積発電量が閾値に達したときに、制御装置５は、ポンプ装置２８を正転方向の運転に切り換える。制御装置５は、この制御をシステムの運転中に繰り返す。

こうして、燃料電池システム１による発電が行われると、ガス循環通路２６内を酸素ガスが一方向と他方向のいずれの方向に流れる場合にも、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４内に生成水が必要以上に滞留する直前に酸素ガスの流れる方向が切り換えられることになる。したがって、切換手法２を用いた場合には、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留を抑制しつつ、膜電極接合体１１の湿度をより適切に維持することが可能になる。

＜酸素ガスの循環方向の切換手法３＞
図４は、累積発電量から求まる推定生成水量と第１の気液分離器２９に貯留される生成水の量の乖離状況（ａ）と、酸素供給部４のポンプ装置２８の回転方向の変化（ｂ）を併せて示したタイミング図である。
切換手法３では、ポンプ装置２８を正転させて発電を継続すると、カソード側内部通路１４内に滞留する生成水が次第に増加し、その分実際に第１の気液分離器２９に貯留される生成水の量が減少することに着目した手法である。

図４に示すように、制御装置５は、酸素供給部４のポンプ装置２８を正回転させ（一方向に回転させ）、累積発電量から求まる推定生成水量と、第１の気液分離器２９に貯留される生成水の量の差（乖離量）が閾値に達したときに、ポンプ装置２８を逆転させ（他方向に回転させ）、所定時間が経過したとたところでポンプ装置２８を再び正回転させる。制御装置５は、この制御をシステムの運転中に繰り返す。

こうして、燃料電池システム１による発電が行われると、実際にカソード側内部通路１４に滞留している生成水量に近いパラメータを用いて、ポンプ装置２８の回転方向（水素ガスの流れ方向）が切り換えられることになる。この結果、膜電極接合体１１の湿度が適切に維持され、かつ、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留が確実に抑制される。

＜酸素ガスの循環方向の切換手法４＞
図５は、推定生成水量と第１の気液分離器２９に貯留される生成水の量の乖離状況（ａ）と、酸素供給部４のポンプ装置２８の回転方向の変化（ｂ）と、推定生成水量と第２の気液分離器３２に貯留される生成水の量の乖離状況（ｃ）を併せて示したタイミング図である。
切換手法４では、ポンプ装置２８を正転運転しているときには、推定生成水量と第１の気液分離器２９の貯留生成水の量の差（乖離量）が閾値に達したときに、ポンプ装置２８を逆転運転に切り換え、ポンプ装置２８を逆転運転しているときには、推定生成水量と第２の気液分離器３２の貯留生成水量の差（乖離量）が閾値に達したときに、ポンプ装置２８を正転運転に切り換える。制御装置５は、この制御をシステムの運転中に繰り返す。

こうして、燃料電池システム１による発電が行われると、ガス循環通路２６内を酸素ガスが一方向と他方向のいずれの方向に流れる場合にも、各燃料電池セル１０のカソード側内部通路１４内に生成水が必要以上に滞留する直前に酸素ガスの流れを切り換えることが可能になる。したがって、切換手法４を用いた場合には、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留を抑制しつつ、膜電極接合体１１の湿度をより適切に維持することが可能になる。

＜酸素ガスの循環方向の切換手法５＞
切換手法５は、発電時に、カソード側内部通路１４内に生成水が規定量以上に滞留したときに、カソード電極１１ｃとアノード電極１１ｂの間の電圧（セル電圧）が低下することに着目した手法である。

制御装置５は、電圧センサ４５によって検出されるセル電圧が運転条件に応じた想定電圧よりも閾値以上低くなった場合に、ポンプ装置２８の運転方向を正転方向から逆転方向に、若しくは、逆転方向から正転方向に切り換える。制御装置５は、この制御をシステムの運転中に繰り返す。

こうして、燃料電池システム１による発電が行われると、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留が抑制されるとともに、膜電極接合体１１の湿度も適切に維持される。

＜酸素ガスの循環方向の切換手法６＞
図６は、燃料電池システム１の停止直前と直後の出力の変化（ａ）と、酸素供給部４のポンプ装置２８の回転方向の変化（ｂ）を併せて示したタイミング図である。
切換手法６では、燃料電池システム１の停止時における酸素ガスの循環方向の切換手法である。

制御装置５は、システムの停止時に、出力Ｐ２を通常運転時における出力Ｐ１よりも抑制した状態でポンプ装置２８の回転方向（酸素ガスの流れ方向）を切り換える。例えば、システムの停止直前にポンプ装置２８が正転方向に回転しているのであれば、システムの停止と同時に出力をＰ１からＰ２に低下させ、所定時間の経過後にポンプ装置２８の回転方向を正転方向から逆転方向に切り換える。
なお、システムの停止時おけるポンプ装置２８の回転方向の切り換えは、システムの停止と同時に行っても良い。また、システムの停止後におけるポンプ装置２８の回転方向の切り換え回数は、一回に限るものではなく２回以上であっても良い。

こうして、燃料電池システム１の停止時にポンプ装置２８の回転方向の切り換え（酸素ガスの流れ方向の切り換え）が行われると、システムの停止後におけるカソード側内部通路１４での生成水の偏った滞留が抑制される。
燃料電池システム１の停止時以外での酸素ガスの循環方向の切換は、上記の切換手法１～５のいずれを採用しても良い。

＜実施形態の効果＞
本実施形態の燃料電池システム１は、制御装置５が、膜電極接合体１１のカソード電極１１ｃの水分の分布状態に応じて、ポンプ装置２８（ガス循環装置）によって酸素ガスの流れ方向を切り換えるため、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留を抑制することができる。
そして、上述の燃料電池システム１の運転方法は、膜電極接合体１１のカソード電極１１ｃの水分の分布状態に応じて、ガス循環通路２６を流れる酸素ガスの流れを逆向きに切り換えるため、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、酸素ガスを循環させるガス循環装置が、正逆回転可能なポンプ装置２８によって構成されている。このため、ポンプ装置２８の回転方向を切り換えるだけで、カソード側内部通路１４内の酸素ガスの流れ方向を変えることができる。したがって、本構成を採用した場合には、複雑な配管や流路切換弁等を用いることなく、簡単な構成によって酸素ガスの流れ方向を切り換えることができ、酸素供給部４の構造の簡素化を図ることができる。

また、上述の切換手法１または２を採用する実施形態に係る燃料電池システム１は、基準時点からの累積発電量が閾値以上になったときに、制御装置５がポンプ装置２８（ガス循環装置）による酸素ガスの流れの方向を切り換える。このため、制御装置５による簡単な制御により、カソード側内部通路１４の片側での生成水の偏った滞留を抑制することができる。

また、上述の切換手法３を採用する実施形態に係る燃料電池システム１は、発電量検出部５０によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、水位センサ３５（第１の生成水量検出装置）によって検出される生成水量との差が閾値以上になったときに、制御装置５がポンプ装置２８（ガス循環装置）による酸素ガスの流れ方向を切り換える。このため、推定生成水量と水位センサ３５（第１の生成水量検出装置）によって検出される実際の生成水量との差が閾値以上となったタイミングで酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路１４での生成水の滞留を効率良く抑制することができる。したがって、上述の切換手法３を用いた場合には、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留を抑制しつつ、膜電極接合体１１の湿度をより適切に維持することが可能になる。

また、上述の切換手法４を採用する実施形態に係る燃料電池システム１は、酸素ガスがガス循環通路２６内を一方向に循環して流れているときには、発電量検出部５０によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、水位センサ３５（第１の生成水量検出装置）によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、制御装置５がポンプ装置２８（ガス循環装置）による酸素ガスの流れ方向を他方向に切り換える。また、酸素ガスがガス循環通路２６内を他方向に循環して流れているときには、発電量検出部５０によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、水位センサ３６（第２の生成水量検出装置）によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、制御装置５がポンプ装置２８（ガス循環装置）による酸素ガスの流れ方向を一方向に切り換える。このため、本実施形態の燃料電池システム１では、推定生成水量と、酸素ガスの流れ方向に応じた気液分離器（生成水貯留タンク）の生成水貯留量との差が閾値以上となったタイミングで酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路１４での生成水の滞留を効率良く抑制することができる。したがって、上述の切換手法４を用いた場合には、膜電極接合体１１の湿度をより適切に維持し、かつ、カソード側内部通路１４内での生成水の偏った滞留を抑制することができる。

さらに、上述の切換手法５を採用する実施形態に係る燃料電池システム１は、電圧センサ４５（電圧検出部）によって検出されるセル電圧が運転条件に応じた想定電圧よりも閾値以上低くなったときに、制御装置５がポンプ装置２８（ガス循環装置）による酸素ガスの流れ方向を切り換える。このため、上述の切換手法５を用いた場合も、電圧センサ４５によって検出される実際の電圧が運転条件に応じた想定電圧よりも閾値以上低くなったタイミングで酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路１４での生成水の滞留を効率良く抑制することができる。

また、上述の切換手法６を採用する実施形態に係る燃料電池システム１は、システムの停止時に、制御装置５が、出力を通常運転時よりも抑制した状態でポンプ装置２８（ガス循環装置）による酸素ガスの流れ方向を切り換える。このため、システムの停止時には、出力を抑制した状態で酸素ガスの流れ方向を切り換えることにより、カソード側内部通路１４内の片側に滞留していた生成水をカソード側内部通路１４の全域にほぼ均一に拡散させることができる。したがって、上述の切換手法６を用いた場合には、膜電極接合体１１のカソード電極１１ｃの全域を適度な湿度に保ち、次回の発電開始を円滑に実行させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。
例えば、上記の実施形態では、第１の気液分離器２９と第２の気液分離器３２が生成水貯留タンクを構成しているが、気液分離器で分離された水分（生成水）を貯留する生成水貯留タンクを別に設けることも可能である。
また、上記の実施形態では、水素供給部３において、戻し通路１７内の水素ガスを供給通路１６に戻すための装置としてポンプ装置１８を採用しているが、ポンプ装置１８に代えてエゼクターを採用することも可能である。
また、上記の実施形態では、水素供給部３の酸素供給源として酸素タンク２４を採用しているが、酸素タンク２４に代えて酸素貯蔵材料を用いることも可能である。

１…燃料電池システム
３…水素供給部
４…酸素供給部
５…制御装置
１１…膜電極接合体
１１ａ…固体高分子電解質膜
１１ｂ…アノード電極
１１ｃ…カソード電極
１２…アノード側内部通路
１４…カソード側内部通路
２４…酸素タンク２４（酸素供給源）
２６…ガス循環通路
２６ａ…第１通路部
２６ｂ…第２通路部
２８…ポンプ装置（ガス循環装置）
２９…第１の気液分離器（第１の生成水貯留タンク）
３２…第２の気液分離器（第２の生成水貯留タンク）
３５…水位センサ（第１の生成水量検出装置）
３６…水位センサ（第２の生成水量検出装置）
４５…電圧センサ（電圧検出部）
５０…発電量検出部

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜の一面にアノード電極が接合されるとともに、他面にカソード電極が接合されてなる膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記アノード電極に臨むアノード側内部通路と、
   前記膜電極接合体の前記カソード電極に臨むカソード側内部通路と、
   前記アノード側内部通路に水素ガスを供給する水素供給部と、
   前記カソード側内部通路に酸素ガスを供給する酸素供給部と、
   前記酸素供給部の酸素ガスの流れを制御する制御装置と、を備え、
   前記膜電極接合体を通した水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムであって、
   前記酸素供給部は、
   前記カソード側内部通路の一端側と他端側に接続されるガス循環通路と、
   前記ガス循環通路に接続される酸素供給源と、
   前記ガス循環通路において、酸素ガスを一方向と他方向のいずれかの方向に循環して流すガス循環装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記膜電極接合体の前記カソード電極の水分の分布状態に応じて、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ガス循環装置は、正逆回転可能なポンプ装置によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、基準時点からの累積発電量が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 基準時点からの累積発電量を検出する発電量検出部と、
   前記ガス循環通路に介装され、前記カソード側内部通路から流出した生成水を貯留する生成水貯留タンクと、
   前記生成水貯留タンクに貯留された生成水の流量を検出する生成水量検出装置と、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、前記生成水量検出装置によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 基準時点からの累積発電量を検出する発電量検出部と、
   前記カソード側内部通路の他端側に接続される前記ガス循環通路の第２通路部に介装され、酸素ガスが前記ガス循環通路内を一方向に循環して流れるときに、前記カソード側内部通路から流出した生成水を貯留する第１の生成水貯留タンクと、
   前記第１の生成水貯留タンクに貯留された生成水の流量を検出する第１の生成水量検出装置と、
   前記カソード側内部通路の一端側に接続される前記ガス循環通路の第１通路部に介装され、酸素ガスが前記ガス循環通路内を他方向に循環して流れるときに、前記カソード側内部通路から流出した生成水を貯留する第２の生成水貯留タンクと、
   前記第２の生成水貯留タンクに貯留された生成水の流量を検出する第２の生成水量検出装置と、をさらに備え、
   前記制御装置は、
   酸素ガスが前記ガス循環通路内を一方向に循環して流れているときに、前記発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、前記第１の生成水量検出装置によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れを他方向に切り換え、
   酸素ガスが前記ガス循環通路内を他方向に循環して流れているときに、前記発電量検出部によって検出される累積発電量から推定される推定生成水量と、前記第２の生成水量検出装置によって検出される生成水量との差が閾値以上になった場合に、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れを一方向に切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
6. 前記カソード電極と前記アノード電極の間の電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記制御装置は、前記電圧検出部によって検出される電圧が運転条件に応じた想定電圧よりも閾値以上低くなったときに、前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御装置は、システムの停止時に、出力を通常運転時よりも抑制した状態で前記ガス循環装置による酸素ガスの流れ方向を切り換えることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 固体高分子電解質膜の一面にアノード電極が接合されるとともに、他面にカソード電極が接合されてなる膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記ア
   ノード電極に臨むアノード側内部通路と、
   前記膜電極接合体の前記カソード電極に臨むカソード側内部通路と、
   前記アノード側内部通路に水素ガスを供給する水素供給部と、
   前記カソード側内部通路に酸素ガスを供給する酸素供給部と、を備え、
   前記膜電極接合体を通した水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムであり、
   かつ、前記酸素供給部が、
   前記カソード側内部通路の一端側と他端側に接続されるガス循環通路と、
   前記ガス循環通路に接続される酸素供給源と、を有する燃料電池システムの運転方法において、
   前記膜電極接合体の前記カソード電極の水分の分布状態に応じて、前記ガス循環通路を流れる酸素ガスの流れを逆向きに切り換えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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