燃料电池系统及其运行方法转让专利
申请号 : CN200680039298.0
文献号 : CN101292385B
文献日 : 2010-12-15
发明人 : 牟田葵 , 辻庸一郎 , 玄番美穗
申请人 : 松下电器产业株式会社
摘要 :
本发明提供一种燃料电池系统以及其运行方法，该燃料电池系统具备燃料电池、燃料气体供给装置和氧化剂气体供给装置、以及控制装置，还具备燃料电池的温度控制装置和加湿供给燃料电池的燃料气体以及氧化剂气体的加湿装置。在上述燃料电池系统中，通常根据情况切断燃料电池与负载的电连接而停止运行，但是经过长时间，燃料电池的发电性能会有随时间推移而劣化等的问题。本发明是通过在上述燃料电池系统中具备控制装置等来解决上述问题，该控制装置在切断燃料电池与负载的电连接之前，控制温度控制装置、加湿装置、燃料电池以及燃料气体供给装置中的至少任意一个，使燃料电池的温度(Tcell)与燃料气体的露点(Tda)以及氧化剂气体的露点(Tdc)中的至少一者相一致，之后，切断燃料电池与负载的电连接。
权利要求 :
1.一种燃料电池系统，其特征在于：
具备：
使用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池，将所述燃料气体供给所述燃料电池的燃料气体供给装置，将所述氧化剂气体供给所述燃料电池的氧化剂气体供给装置，至少控制所述燃料电池、所述燃料气体供给装置以及所述氧化剂气体供给装置的控制装置；
进一步具备下述装置中的至少任意一个装置：控制所述燃料电池温度的温度控制装置，以及对供给所述燃料电池的所述燃料气体以及所述氧化剂气体的至少一方进行加湿的加湿装置；
所述控制装置根据所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点或者与露点有关的信息，控制所述温度控制装置、所述加湿装置、所述燃料电池以及所述燃料气体供给装置中的至少任意一个，在使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致之前，控制所述燃料气体和所述氧化剂气体的露点使其低于所述燃料电池的温度，使所述燃料电池发电，在切断所述燃料电池与负载的电连接之前，使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致，之后，切断所述燃料电池与所述负载的电连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置控制所述温度控制装置而降低所述燃料电池的温度，从而使该燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体的较低露点一方的露点相一致。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置在进行所述降低时，将所述燃料电池的输出电流密度控制在所述发电时的输出电流密度以下。
5.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置控制所述温度控制装置内的冷却介质的流量和温度中的至少一者而使燃料电池的温度降低。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置控制所述加湿装置而使所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点上升，从而使所述燃料电池的温度与该燃料气体和该氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体的较低露点一方的露点相一致。
8.如权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置在进行所述上升时，将所述燃料电池的输出电流密度控制在所述发电时的输出电流密度以下。
9.如权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：所述控制装置利用所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的流量和温度中的至少一者控制所述加湿装置内的加湿器的温度，从而使所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点上升。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述与露点有关的信息是所述燃料气体供给装置中的蒸汽碳比和水蒸气重整反应的反应温度。
11.一种燃料电池系统的运行方法，其特征在于：驱动：
使用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池，将所述燃料气体供给所述燃料电池的燃料气体供给装置，将所述氧化剂气体供给所述燃料电池的氧化剂气体供给装置，以及至少控制所述燃料电池、所述燃料气体供给装置和所述氧化剂气体供给装置的控制装置；
进一步驱动下述装置中的至少任意一个装置：控制所述燃料电池的温度的温度控制装置，以及对供给所述燃料电池的所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者进行加湿的加湿装置；
所述控制装置根据所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点或者与露点有关的信息，驱动所述温度控制装置、所述加湿装置、所述燃料电池以及所述燃料气体供给装置中的至少任意一个，在使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致之前，控制所述燃料气体和所述氧化剂气体的露点使其低于所述燃料电池的温度，使所述燃料电池发电，在切断所述燃料电池与负载的电连接之前，使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致，之后，切断所述燃料电池与所述负载的电连接。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置控制所述温度控制装置而降低所述燃料电池的温度，从而使该燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的较低露点一方的露点相一致。
14.如权利要求12所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置在进行所述降低时，将所述燃料电池的输出电流密度控制在所述发电时的输出电流密度以下。
15.如权利要求12所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置控制所述温度控制装置内的冷却介质的流量和温度中的至少一者，从而降低燃料电池的温度。
16.如权利要求11所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置控制所述加湿装置而使所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点上升，从而使所述燃料电池的温度与该燃料气体和该氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
17.如权利要求16所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置使所述燃料电池的温度与所述燃料气体和所述氧化剂气体中的较低露点一方的露点相一致。
18.如权利要求16所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置在进行所述上升时，将所述燃料电池的输出电流密度控制在所述发电时的输出电流密度以下。
19.如权利要求16所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述控制装置利用所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的流量和温度中的至少一者控制所述加湿装置内的加湿器的温度，从而使所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少一者的露点上升。
20.如权利要求11所述的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：作为所述与露点有关的信息，所述控制装置利用所述燃料气体供给装置中的蒸汽碳比和水蒸气重整反应的反应温度。
说明书 :
技术领域
本发明涉及利用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体来进行发电的燃料电池系统及其运行方法。
背景技术
目前，可进行高效率的小规模发电的燃料电池系统容易进行为了利用在发电时所产生的热能而进行的系统构筑，所以作为能够实现高的能量利用效率的分散型的发电系统，正在不断进行着开发。
燃料电池系统具备燃料电池作为其发电部的主体。作为该燃料电池，例如使用磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、碱性水溶液型燃料电池或者高分子电解质型燃料电池。在这些燃料电池中，高分子电解质型燃料电池可以在130℃～150℃程度的比较低的温度下进行发电，同时，具有输出密度高并且寿命长的特征。因此，高分子电解质型燃料电池被期待应用于要求高输出特性和短时间启动的电动汽车的动力电源以及要求具有长期可靠性的家庭用热电联供系统等。
在高分子电解质型燃料电池中，在发电运行时，向阳极侧供给包含氢的燃料气体，同时向阴极侧供给包含氧的氧化剂气体。这样，在高分子电解质型燃料电池的阳极上，所供给的氢被转换成电子和质子。在阳极上所产生的电子经由连接于燃料电池系统的外部负载到达高分子电解质型燃料电池的阴极。还有，在阳极上所产生的质子通过高分子电解质膜而到达阴极。另一方面，在高分子电解质型燃料电池的阴极上，经过外部负载而到达的电子和通过高分子电解质膜而到达的质子以及供给阴极侧的氧被利用而生成水。还有，燃料气体例如由从甲烷通过水蒸气重整反应而生成氢的燃料气体供给装置所供给。另外，氧化剂气体是由例如由西洛克风扇从大气中取入空气的氧化剂气体供给装置而供给的。
但是，在具备高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统中，为了确保从阳极侧到阴极侧的质子的传导性，有必要将高分子电解质膜维持在湿润状态。因此，在该燃料电池系统中，将被加湿的燃料气体以及被加湿的氧化剂气体分别供给阳极侧以及阴极侧。还有，在该燃料电池系统中，为了充分确保在将化学反应的自由能变化转换成电能时的能量的转换效率，例如，在把燃料气体的露点设定为Tda、把氧化剂气体的露点设定为Tdc、把高分子电解质型燃料电池的温度设定为Tcell的情况下，在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的运行条件(以下称该运行条件为“低加湿运行条件”)之下运行高分子电解质型燃料电池。由此，燃料电池系统经过长时间稳定发挥指定的发电性能(例如参照专利文献1)。
另外，在燃料电池系统的发电运行中，在燃料电池系统生成的电能以及热能的任何一个都不需要的情况下，没有必要进行发电运行，所以通常根据情况采用启动或者停止高分子电解质型燃料电池的发电运行的启动停止型的运行方法。该在启动停止型的运行方法中，在电能以及热能的任何一个都不需要的情况下，燃料电池系统的控制装置使燃料气体供给装置以及氧化剂气体供给装置的动作停止，之后，切断高分子电解质型燃料电池和外部负载的电连接。由此，高分子电解质型燃料电池成为开路状态。于是，控制装置为了防止高分电解质膜的干燥，将加湿了的惰性气体封入高分子电解质型燃料电池的内部。或者，控制装置切断高分子电解质型燃料电池与燃料气体供给装置以及氧化剂气体供给装置的连接，密闭燃料气体用流路以及氧化剂气体用流路。由此，燃料电池系统防止经过长时间而产生的高分子电解质膜的干燥(例如，参照专利文献2、3、4)。
专利文献1：日本特愿平04-502749号公报
专利文献2：日本特开平06-251788号公报
专利文献3：日本特开2004-163037号公报
专利文献4：日本特开2004-006166号公报
燃料电池系统具备燃料电池作为其发电部的主体。作为该燃料电池，例如使用磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、碱性水溶液型燃料电池或者高分子电解质型燃料电池。在这些燃料电池中，高分子电解质型燃料电池可以在130℃～150℃程度的比较低的温度下进行发电，同时，具有输出密度高并且寿命长的特征。因此，高分子电解质型燃料电池被期待应用于要求高输出特性和短时间启动的电动汽车的动力电源以及要求具有长期可靠性的家庭用热电联供系统等。
在高分子电解质型燃料电池中，在发电运行时，向阳极侧供给包含氢的燃料气体，同时向阴极侧供给包含氧的氧化剂气体。这样，在高分子电解质型燃料电池的阳极上，所供给的氢被转换成电子和质子。在阳极上所产生的电子经由连接于燃料电池系统的外部负载到达高分子电解质型燃料电池的阴极。还有，在阳极上所产生的质子通过高分子电解质膜而到达阴极。另一方面，在高分子电解质型燃料电池的阴极上，经过外部负载而到达的电子和通过高分子电解质膜而到达的质子以及供给阴极侧的氧被利用而生成水。还有，燃料气体例如由从甲烷通过水蒸气重整反应而生成氢的燃料气体供给装置所供给。另外，氧化剂气体是由例如由西洛克风扇从大气中取入空气的氧化剂气体供给装置而供给的。
但是，在具备高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统中，为了确保从阳极侧到阴极侧的质子的传导性，有必要将高分子电解质膜维持在湿润状态。因此，在该燃料电池系统中，将被加湿的燃料气体以及被加湿的氧化剂气体分别供给阳极侧以及阴极侧。还有，在该燃料电池系统中，为了充分确保在将化学反应的自由能变化转换成电能时的能量的转换效率，例如，在把燃料气体的露点设定为Tda、把氧化剂气体的露点设定为Tdc、把高分子电解质型燃料电池的温度设定为Tcell的情况下，在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的运行条件(以下称该运行条件为“低加湿运行条件”)之下运行高分子电解质型燃料电池。由此，燃料电池系统经过长时间稳定发挥指定的发电性能(例如参照专利文献1)。
另外，在燃料电池系统的发电运行中，在燃料电池系统生成的电能以及热能的任何一个都不需要的情况下，没有必要进行发电运行，所以通常根据情况采用启动或者停止高分子电解质型燃料电池的发电运行的启动停止型的运行方法。该在启动停止型的运行方法中，在电能以及热能的任何一个都不需要的情况下，燃料电池系统的控制装置使燃料气体供给装置以及氧化剂气体供给装置的动作停止，之后，切断高分子电解质型燃料电池和外部负载的电连接。由此，高分子电解质型燃料电池成为开路状态。于是，控制装置为了防止高分电解质膜的干燥，将加湿了的惰性气体封入高分子电解质型燃料电池的内部。或者，控制装置切断高分子电解质型燃料电池与燃料气体供给装置以及氧化剂气体供给装置的连接，密闭燃料气体用流路以及氧化剂气体用流路。由此，燃料电池系统防止经过长时间而产生的高分子电解质膜的干燥(例如，参照专利文献2、3、4)。
专利文献1：日本特愿平04-502749号公报
专利文献2：日本特开平06-251788号公报
专利文献3：日本特开2004-163037号公报
专利文献4：日本特开2004-006166号公报
发明内容
然而，在上述的现有技术的燃料电池系统中，尽管利用封入加湿的惰性气体或者密闭燃料气体用流路以及氧化剂气体用流路来防止经过长时间而产生的高分子电解质膜的干燥，但是存在着高分子电解质膜的劣化持续进行从而高分子电解质型燃料电池的发电性能随着时间而降低的问题。这是因为，在燃料电池系统停止发电运行的时候，在低加湿运行条件之下运行的高分子电解质型燃料电池被切断与外部负载的电连接，从而成为开路状态。
本发明是为了解决上述课题而做出的，目的在于，提供可防止以低加湿运行条件进行运行的高分子电解质型燃料电池过渡到开路状态时的高分子电解质膜的劣化并且具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法。
本发明人为了达到上述目的经过反复专心研究，其结果是，基于以下事实：在低加湿运行条件之下运行燃料电池系统的情况下，由在该低加湿运行条件进行运行的状态到停止发电运行时，由高分子电解质膜的干燥引起的劣化特别容易进行，从而发现：在停止高分子电解质型燃料电池的放电前，一边将输出电压保持在比开路电压更低的指定的范围内，一边调节高分子电解质膜的含水量，这对达到上述目的是极为有效的，从而完成了本发明。
即，本发明所涉及的燃料电池系统具备：使用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池，将上述燃料气体供给上述燃料电池的燃料气体供给装置，将上述氧化剂气体供给上述燃料电池的氧化剂气体供给装置，至少控制上述燃料电池、上述燃料气体供给装置以及上述氧化剂气体供给装置的控制装置；进一步具备控制上述燃料电池温度的温度控制装置以及对供给上述燃料电池的上述燃料气体以及上述氧化剂气体的至少之一进行加湿的加湿装置中的至少任意一个；上述控制装置在切断上述燃料电池与负载的电连接之前，根据上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一的露点或者与露点有关的信息，控制上述温度控制装置、上述加湿装置、上述燃料电池以及上述燃料气体供给装置中的至少任意一个；使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体的至少之一的露点相一致，之后，切断上述燃料电池与上述负载的电连接。
另外，本发明所涉及的燃料电池系统的运行方法为，驱动：使用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池，将上述燃料气体供给上述燃料电池的燃料气体供给装置，将上述氧化剂气体供给上述燃料电池的氧化剂气体供给装置，至少控制上述燃料电池、上述燃料气体供给装置以及上述氧化剂气体供给装置的控制装置；进一步驱动：控制上述燃料电池温度的温度控制装置以及对供给上述燃料电池的上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一进行加湿的加湿装置中的至少任意一个；上述控制装置在切断上述燃料电池与负载的电连接之前，根据上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一的露点或者与露点有关的信息，控制上述温度控制装置、上述加湿装置、上述燃料电池以及上述燃料气体供给装置中的至少任意一个；使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一的露点相一致，其后切断上述燃料电池与上述负载的电连接。
根据这种构成，在使燃料电池系统的状态从发电运行状态向发电运行停止状态过渡的过程中，控制装置在控制温度控制装置和加湿装置的至少一个而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少之一的露点相一致之后，切断燃料电池与负载的电连接，所以可以相对地提高高分子电解质膜的含水量，可以抑制高分子电解质膜的劣化。于是，由此，可以提供具备优良的耐久性的燃料电池系统。
另外，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置控制上述温度控制装置而使上述燃料电池的温度降低，从而使该燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体的至少之一的露点相一致。
根据这种构成，因为控制温度控制装置而使燃料电池的温度降低，所以可以容易使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少之一的露点相一致。
在该情况下，上述控制装置使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的较低露点侧的露点相一致。
根据这种构成，因为使得燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的较低露点侧的露点相一致，所以可以进一步提高高分子电解质膜的含水量，可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
另外，在此情况下，上述控制装置在进行上述降低时，把上述燃料电池的输出电流密度控制在上述发电时的输出电流密度以下。
根据这种构成，因为在使燃料电池的温度降低时，将燃料电池的输出电流密度控制在发电时的输出电流密度以下，所以能够抑制伴随发电所生成的水的生成量。由此，可以在燃料电池中防止发生流路闭塞。
另外，在该情况下，上述控制装置控制上述温度控制装置内的制冷剂的流量以及温度中的至少一者从而降低上述燃料电池的温度。
根据这种构成，因为控制温度控制装置内的制冷剂的流量以及温度中的至少一者，所以可以容易地降低燃料电池的温度。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置控制上述加湿装置从而提高上述燃料气体以及上述氧化剂气体中的至少一者的露点，使得上述燃料电池的温度与该燃料气体以及该氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
根据这种构成，因为控制加湿装置而提高燃料气体以及氧化剂气体中的至少一者的露点，所以可以容易地使燃料电池的温度与燃料气体以及氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
在此情况下，上述控制装置使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体的较低露点侧的露点相一致。
根据这种构成，因为使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体的较低露点侧的露点相一致，所以可以进一步提高高分子电解质膜的含水量，可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
还有，在此情况下，上述控制装置在进行所述提高的时候，将上述燃料电池的输出电流密度控制在上述发电时的输出电流密度以下。
根据这种构成，在提高燃料气体和氧化剂气体的至少一者的露点的时候，将燃料电池的输出电流密度控制在发电时的输出电流密度以下，所以能够抑制伴随着发电所生成的水的生成量。由此，可以防止在燃料电池中发生流路闭塞。
另外，在此情况下，上述控制装置根据上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者的流量和温度中的至少一者控制上述加湿装置内的加湿器的温度，从而提高上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者。
根据这种构成，因为根据燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的流量和温度的至少一者来控制加湿装置内的加湿器的温度，所以可以容易地提高燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，与上述露点相关的信息是上述燃料气体供给装置的动作条件，利用上述燃料气体供给装置的动作条件作为与上述露点相关的信息。
根据这种构成，可以不使用露点传感器而分别检测燃料气体和氧化剂气体的露点。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，与上述露点相关的信息是上述燃料电池和上述加湿装置中的至少任意一个的动作条件，利用上述燃料电池和上述加湿装置中的至少任意一个的动作条件作为与上述露点相关的信息。
根据这种构成，可以不使用露点传感器而分别检测燃料气体和氧化剂气体的露点。
另外，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置在使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致之前，将上述燃料气体的露点控制成低于上述燃料电池的温度。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置在使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致之前，将上述氧化剂气体的露点控制成低于上述燃料电池的温度。
本发明用如上所述的手段进行实施，可以提供在低加湿运行条件下运行的高分子电解质型燃料电池能够防止在过渡到开路状态时的高分子电解质膜的劣化的具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法。
本发明是为了解决上述课题而做出的，目的在于，提供可防止以低加湿运行条件进行运行的高分子电解质型燃料电池过渡到开路状态时的高分子电解质膜的劣化并且具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法。
本发明人为了达到上述目的经过反复专心研究，其结果是，基于以下事实：在低加湿运行条件之下运行燃料电池系统的情况下，由在该低加湿运行条件进行运行的状态到停止发电运行时，由高分子电解质膜的干燥引起的劣化特别容易进行，从而发现：在停止高分子电解质型燃料电池的放电前，一边将输出电压保持在比开路电压更低的指定的范围内，一边调节高分子电解质膜的含水量，这对达到上述目的是极为有效的，从而完成了本发明。
即，本发明所涉及的燃料电池系统具备：使用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池，将上述燃料气体供给上述燃料电池的燃料气体供给装置，将上述氧化剂气体供给上述燃料电池的氧化剂气体供给装置，至少控制上述燃料电池、上述燃料气体供给装置以及上述氧化剂气体供给装置的控制装置；进一步具备控制上述燃料电池温度的温度控制装置以及对供给上述燃料电池的上述燃料气体以及上述氧化剂气体的至少之一进行加湿的加湿装置中的至少任意一个；上述控制装置在切断上述燃料电池与负载的电连接之前，根据上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一的露点或者与露点有关的信息，控制上述温度控制装置、上述加湿装置、上述燃料电池以及上述燃料气体供给装置中的至少任意一个；使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体的至少之一的露点相一致，之后，切断上述燃料电池与上述负载的电连接。
另外，本发明所涉及的燃料电池系统的运行方法为，驱动：使用包含氢的燃料气体以及包含氧的氧化剂气体进行发电的燃料电池，将上述燃料气体供给上述燃料电池的燃料气体供给装置，将上述氧化剂气体供给上述燃料电池的氧化剂气体供给装置，至少控制上述燃料电池、上述燃料气体供给装置以及上述氧化剂气体供给装置的控制装置；进一步驱动：控制上述燃料电池温度的温度控制装置以及对供给上述燃料电池的上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一进行加湿的加湿装置中的至少任意一个；上述控制装置在切断上述燃料电池与负载的电连接之前，根据上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一的露点或者与露点有关的信息，控制上述温度控制装置、上述加湿装置、上述燃料电池以及上述燃料气体供给装置中的至少任意一个；使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少之一的露点相一致，其后切断上述燃料电池与上述负载的电连接。
根据这种构成，在使燃料电池系统的状态从发电运行状态向发电运行停止状态过渡的过程中，控制装置在控制温度控制装置和加湿装置的至少一个而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少之一的露点相一致之后，切断燃料电池与负载的电连接，所以可以相对地提高高分子电解质膜的含水量，可以抑制高分子电解质膜的劣化。于是，由此，可以提供具备优良的耐久性的燃料电池系统。
另外，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置控制上述温度控制装置而使上述燃料电池的温度降低，从而使该燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体的至少之一的露点相一致。
根据这种构成，因为控制温度控制装置而使燃料电池的温度降低，所以可以容易使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少之一的露点相一致。
在该情况下，上述控制装置使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的较低露点侧的露点相一致。
根据这种构成，因为使得燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的较低露点侧的露点相一致，所以可以进一步提高高分子电解质膜的含水量，可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
另外，在此情况下，上述控制装置在进行上述降低时，把上述燃料电池的输出电流密度控制在上述发电时的输出电流密度以下。
根据这种构成，因为在使燃料电池的温度降低时，将燃料电池的输出电流密度控制在发电时的输出电流密度以下，所以能够抑制伴随发电所生成的水的生成量。由此，可以在燃料电池中防止发生流路闭塞。
另外，在该情况下，上述控制装置控制上述温度控制装置内的制冷剂的流量以及温度中的至少一者从而降低上述燃料电池的温度。
根据这种构成，因为控制温度控制装置内的制冷剂的流量以及温度中的至少一者，所以可以容易地降低燃料电池的温度。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置控制上述加湿装置从而提高上述燃料气体以及上述氧化剂气体中的至少一者的露点，使得上述燃料电池的温度与该燃料气体以及该氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
根据这种构成，因为控制加湿装置而提高燃料气体以及氧化剂气体中的至少一者的露点，所以可以容易地使燃料电池的温度与燃料气体以及氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。
在此情况下，上述控制装置使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体的较低露点侧的露点相一致。
根据这种构成，因为使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体的较低露点侧的露点相一致，所以可以进一步提高高分子电解质膜的含水量，可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
还有，在此情况下，上述控制装置在进行所述提高的时候，将上述燃料电池的输出电流密度控制在上述发电时的输出电流密度以下。
根据这种构成，在提高燃料气体和氧化剂气体的至少一者的露点的时候，将燃料电池的输出电流密度控制在发电时的输出电流密度以下，所以能够抑制伴随着发电所生成的水的生成量。由此，可以防止在燃料电池中发生流路闭塞。
另外，在此情况下，上述控制装置根据上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者的流量和温度中的至少一者控制上述加湿装置内的加湿器的温度，从而提高上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者。
根据这种构成，因为根据燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的流量和温度的至少一者来控制加湿装置内的加湿器的温度，所以可以容易地提高燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，与上述露点相关的信息是上述燃料气体供给装置的动作条件，利用上述燃料气体供给装置的动作条件作为与上述露点相关的信息。
根据这种构成，可以不使用露点传感器而分别检测燃料气体和氧化剂气体的露点。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，与上述露点相关的信息是上述燃料电池和上述加湿装置中的至少任意一个的动作条件，利用上述燃料电池和上述加湿装置中的至少任意一个的动作条件作为与上述露点相关的信息。
根据这种构成，可以不使用露点传感器而分别检测燃料气体和氧化剂气体的露点。
另外，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置在使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致之前，将上述燃料气体的露点控制成低于上述燃料电池的温度。
还有，在本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法中，上述控制装置在使上述燃料电池的温度与上述燃料气体和上述氧化剂气体中的至少一者的露点相一致之前，将上述氧化剂气体的露点控制成低于上述燃料电池的温度。
本发明用如上所述的手段进行实施，可以提供在低加湿运行条件下运行的高分子电解质型燃料电池能够防止在过渡到开路状态时的高分子电解质膜的劣化的具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的燃料电池的截面构造的截面图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的框图。
图3是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
图4是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图5是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图6是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
图7是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图8是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造的框图。
图9是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
图10是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图11是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图12是示意性地表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构造的框图。
图13是示意性地表示每个水蒸气重整反应的反应温度的燃料气体供给装置生成的燃料气体的露点与S/C的关系的相关图。
图14是示意性地表示用于算出由全换热器进行加湿的氧化剂气体的露点的构造的解说图。
图15是示意性地表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池系统的构造的框图。
图16是示意性地表示用于算出由温水加湿器进行加湿的氧化剂气体的露点的构造的解说图。
符号的说明
1高分子电解质膜
2a，2c催化剂反应层
3a，3c气体扩散层
4a阳极
4c阴极
5MEA(膜/电极组件)
6a燃料气体流路
6c氧化剂气体流路
7a，7c隔板
8a，8c冷却水流路
9a，9c密封垫(gasket)
10密封垫
11燃料电池(高分子电解质型燃料电池)
12燃料气体供给部
13氧化剂气体供给部
14燃料气体排出部
15氧化剂气体排出部
16燃料气体供给装置
17氧化剂气体供给装置
18加湿器
18a，18c加湿器
19温度控制装置
20控制装置
21a，21c露点传感器
22温度传感器
23控制器
24露点控制装置
25三通阀
26全换热器
27温水加湿器
101燃料电池(主要部分)
102单电池(cell)
100～400燃料电池系统
图2是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的框图。
图3是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
图4是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图5是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图6是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
图7是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图8是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造的框图。
图9是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
图10是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图11是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
图12是示意性地表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构造的框图。
图13是示意性地表示每个水蒸气重整反应的反应温度的燃料气体供给装置生成的燃料气体的露点与S/C的关系的相关图。
图14是示意性地表示用于算出由全换热器进行加湿的氧化剂气体的露点的构造的解说图。
图15是示意性地表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池系统的构造的框图。
图16是示意性地表示用于算出由温水加湿器进行加湿的氧化剂气体的露点的构造的解说图。
符号的说明
1高分子电解质膜
2a，2c催化剂反应层
3a，3c气体扩散层
4a阳极
4c阴极
5MEA(膜/电极组件)
6a燃料气体流路
6c氧化剂气体流路
7a，7c隔板
8a，8c冷却水流路
9a，9c密封垫(gasket)
10密封垫
11燃料电池(高分子电解质型燃料电池)
12燃料气体供给部
13氧化剂气体供给部
14燃料气体排出部
15氧化剂气体排出部
16燃料气体供给装置
17氧化剂气体供给装置
18加湿器
18a，18c加湿器
19温度控制装置
20控制装置
21a，21c露点传感器
22温度传感器
23控制器
24露点控制装置
25三通阀
26全换热器
27温水加湿器
101燃料电池(主要部分)
102单电池(cell)
100～400燃料电池系统
具体实施方式
以下对用于实施本发明的最佳方式，参照附图加以详细说明。还有，在用于实施本发明的最佳方式中，将具备高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统简单记载为“燃料电池系统”。另外，在此，把高分子电解质型燃料电池简单记载为“燃料电池”。还有，在此，将膜/电极组件简单记载为“MEA”。
(实施方式1)
首先，就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造，参照图1以及图2进行说明。
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的燃料电池的截面构造的截面图。还有，在图1中，为了简明扼要地说明燃料电池的基本构造，仅仅图示了燃料电池的主要部分。
如图1所示，在燃料电池101中，MEA5将密封垫9a以及密封垫9c配置于其周缘部并用隔板7a以及隔板7c夹持着。由此，在燃料电池101中，构成有单电池102(以下把“单电池”称作为“电池单元(cell)”)。该电池单元102串联层叠多个而构成燃料电池101。
更加详细说明的话，如图1所示，MEA5具备拥有质子传导性的高分子电解质膜1。该高分子电解质膜1在含水状态下选择性地输送质子。该高分子电解质膜1的质子输送能通过电离在含水状态下固定于高分子电解质膜1的固定电荷，同时使作为该固定电荷的抗衡离子进行作用的氢进行离子化而使其可移动，来实现的。并且，如图1所示，在该高分子电解质膜1的两面的中央部上，以各个相对的方式，设置有以担载了铂类的金属催化剂的碳粉末作为主成分的催化剂反应层2a以及催化剂反应层2c。在这些催化剂反应层之中，在催化剂反应层2a中，来自于从图1中未图示的燃料气体供给装置供给的燃料气体的氢以如化学式(1)所示的方式转换成电子和质子。在催化剂反应层2a中生成的电子经过连接于燃料电池系统的图1中未图示的外部负载，到达催化剂反应层2c。还有，在催化剂反应层2a中生成的质子通过高分子电解质膜1而到达催化剂反应层2c。另一方面，在燃料电池101的催化反应层2c中，经由外部负载而到达的电子、通过高分子电解质膜1而到达的质子以及来自于从在图1中未图示的氧化剂气体供给装置供给的氧化剂气体的氧被用来以如化学式(2)所示的方式生成水。根据该一系列的化学反应，燃料电池101在输出电力的同时产生热。
H2→2H++2e-…化学式(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…化学式(2)
另外，如图1所示，在催化剂反应层2a以及催化剂反应层2c的没有接触高分子电解质膜1的面上，分别以相对的方式配设有气体扩散层3a以及气体扩散层3c。这些气体扩散层3a以及气体扩散层3c兼备燃料气体和氧化剂气体的透气性和导电性，并且各自以电连接的方式设置于催化剂反应层2a以及催化剂反应层2c的表面。
于是，在燃料电池101中，由催化剂反应层2a和气体扩散层3a构成了阳极4a。还有，在燃料电池101中，由催化剂反应层2c和气体扩散层3c构成了阴极4c。另外，在燃料电池101中，由高分子电解质膜1和阳极4a以及阴极4c构成了MEA5。
另外一方面，如图1所示，MEA5的高分子电解质膜1是由电绝缘性的密封垫9a以及密封垫9c夹持着的，还有，这些密封垫9a以及密封垫9c是由导电性的隔板7a以及隔板7c夹持着的。由此，在燃料电池101中构成了电池单元102。在该电池单元102中，燃料气体流路6a凹陷地设置于隔板7a的与气体扩散层3a相接触的面上。该燃料气体流路6a把从燃料气体供给装置供给的燃料气体供给MEA5的气体扩散层3a，同时把由催化剂反应所产生的气体以及剩余的燃料气体排出到电池单元102的外部。另外，在该电池单元102中，氧化剂气体流路6c被凹陷设置于隔板7c的与气体扩散层3c相接触的面上。该氧化剂气体流路6c把从氧化剂气体供给装置供给的氧化剂气体供给MEA5的气体扩散层3c，同时把由催化剂反应所产生的气体以及剩余的氧化剂气体排出到电池单元102的外部。另外，隔板7a和气体扩散层3a是电连接的，隔板7c和气体扩散层3c也是电连接的。
并且，如图1所示，电串连地层叠多个电池单元102从而构成了燃料电池101。在该燃料电池101中，一个电池单元102的隔板7a与另一个电池单元102的隔板7c电连接，电串连地层叠多个电池单元102以得到所要求的输出电压。另外，在该燃料电池101中，互相相对的凹部被形成于隔板7a的与隔板7c相接触的面和隔板7c的与隔板7a相接触的面上，由此，构成了冷却水流路8a以及冷却水流路8c。另外，为了防止在这些冷却水流路8a以及冷却水流路8c中流通的冷却水的泄漏，在隔板7a和隔板7c之间配设了密封垫10。从图1中未图示的冷却水供给装置向冷却水流路8a以及冷却水流路8c中供给冷却水，该冷却水在发电运行时冷却发热的燃料电池101。还有，利用冷却水从燃料电池101中回收的热能例如可以使用于供应热水。
图2是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构成的框图。还有，在图2中，仅图示了为了说明本发明而必要的构成要素，关于其他的构成要素省略了图示。
如图2所示，本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统100，作为其发电部的主体，具备供给燃料气体和氧化剂气体而发电的燃料电池11。另外，该燃料电池系统100具备：分别生成用于供给燃料电池11的燃料气体和氧化剂气体的燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17，在中途将从该氧化剂气体供给装置17向燃料电池11供给的氧化剂气体进行加湿的加湿器18，分别检测该加湿器18以及上述的燃料气体供给装置16所供给的燃料气体和氧化剂气体的露点温度(以下简称为“露点”)的露点传感器21a以及露点传感器21c。还有，该燃料电池系统100具备：由冷却介质控制供给燃料气体和氧化剂气体并发电的时候的燃料电池11的温度的温度控制装置19，以及检测在该温度控制装置19和上述的燃料电池11之间作循环的冷却介质的温度的温度传感器22。再有，该燃料电池系统100还具备适当控制上述的燃料电池11、燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17、温度控制装置19的动作的控制装置20。
更加详细地进行说明的话，如图2所示，燃料电池11具备燃料气体供给部12以及氧化剂气体供给部13和燃料气体排出部14以及氧化剂气体排出部15。在燃料电池系统100发电运行的时候，燃料气体供给装置16所生成的燃料气体在其露点被露点传感器21a检测后，被供给了燃料电池11的燃料气体供给部12。然后，在燃料电池11中剩余的燃料气体从燃料电池11的燃料气体排出部14被排出。还有，来自于氧化剂气体供给装置17的氧化剂气体通过加湿器18被加湿并且露点被露点传感器21c检测后，被供给了燃料电池11的氧化剂气体供给部13。然后，在燃料电池11中剩余的氧化剂气体从燃料电池11的氧化剂气体排出部15被排出。
燃料气体供给装置16例如使用城市燃气或者丙烷气体等的原料，通过水蒸气重整反应，从而生成含有丰富氢的燃料气体。该燃料气体在水蒸气重整反应的时候被加湿，在含有水蒸气的状态下被供给了燃料电池11。如此，含有水蒸气的燃料气体从燃料气体供给装置16被供给了燃料电池11，由此，使燃料电池11的在图2中未图示的高分子电解质膜维持在湿润状态。还有，在本实施方式中虽然没有例示，但是作为燃料气体使用充填于氢气瓶中的纯氢的情况下，为了对该纯氢进行加湿，而在燃料气体供给装置16和露点传感器21a之间配设加湿器。
氧化剂气体供给装置17例如由西洛克风扇从大气中取入作为氧化剂气体的空气。然后，将该所取入的空气供给燃料电池11。还有，从大气中取入的空气通常不含有为了湿润燃料电池11的高分子电解质膜所必需量的水蒸气。因此，如图2所示，在燃料电池系统100中，在氧化剂气体供给装置17和露点传感器21c之间配设了加湿器18。该加湿器18在加湿氧化剂气体供给装置17所排出的空气之后，将其供给燃料电池11。如此，从氧化剂气体供给装置17向燃料电池11供给由加湿器18加湿的空气，由此同样使燃料电池11的高分子电解质膜维持于湿润状态。
露点传感器21a检测从燃料气体供给装置16供给燃料电池11的燃料气体的露点。还有，露点传感器21c检测从氧化剂气体供给装置17供给燃料电池11的氧化剂气体的露点。在本实施方式中，将由这些露点传感器21a以及露点传感器21c检测的燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点视作为燃料电池11内部中的燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc。还有，作为这些露点传感器21a以及露点传感器21c，只要是具备相对于燃料气体和氧化剂气体的类型的耐久性并且具备温度耐久性的露点传感器，那么可以使用任何露点传感器。另外，燃料气体的露点Tda依赖于燃料气体供给装置16(正确地说是，燃料气体供给装置16所具有的重整器)的性能，氧化剂气体的露点Tdc依赖于加湿器18的性能。因此，也可以形成如下的构成：使用根据重整器的动作条件计算出的露点作为燃料气体的露点Tda，使用根据加湿器18的动作条件计算出的露点或者加湿器18的温度(实测值)作为氧化剂气体的露点Tdc。还有，关于不使用这些露点传感器21a、21c而检测燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc的方式，将在后面作详细说明。
温度控制装置19是由例如使冷却介质循环的循环泵和使循环的冷却介质放热的放热器(冷却散热片、换热器等)构成的。该温度控制装置19例如把由水形成的冷却介质供给燃料电池11，同时从燃料电池11中回收由伴随着发电而产生的热而被加热并升温的冷却介质。然后，温度控制装置19在冷却该温度上升了的冷却介质之后，再供给燃料电池11。或者，温度控制装置19通过改变冷却介质的流量和温度之中的至少1个条件来使燃料电池11的温度降低。例如，可以通过增加温度控制装置19内的冷却介质的流量，来降低燃料电池11的温度。还有，可以通过降低冷却介质的温度，来降低燃料电池11的温度。由此，温度控制装置19把燃料电池11的温度维持在一定的温度。还有，由冷却介质从燃料电池11中回收的热能例如使用于热水的供应。
温度传感器检测22检测从燃料电池11往温度控制装置19排出的冷却介质的温度。在本实施方式中，把由该温度传感器22所检测的冷却介质的温度视作燃料电池11的温度Tcell。还有，燃料电池11的温度Tcell作为在燃料电池11中最高的温度。作为其检测方法，考虑有测定供给燃料电池11的冷却介质的温度的方法、由热电偶直接测定构成燃料电池11的图2中未图示的隔板的温度的方法以及测定从燃料电池11排出的冷却介质的温度的方法等。另外，因为从入口供给的冷却介质与燃料电池11进行热交换并从出口排出，所以设想在燃料电池11中的温度最高的部分为在燃料电池11中的冷却介质的出口部分。因此，在本实施方式中构成为，由温度传感器22检测从燃料电池11向温度控制装置19排出的冷却介质的温度。
还有，低加湿运行条件可以是，例如，在燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tda＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)并且燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)的运行条件。如此情况，即使燃料电池的内部的至少一部分处于低加湿运行条件的情况下，也能够取得本发明的效果。
另外，低加湿运行条件也可以是，例如，Tda＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度并且Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度的运行条件。在该情况下，燃料电池的内部的基本上全体变成了低加湿运行条件，从而能够更加显著地获得本发明的效果。
根据上述，低加湿运行条件可以是，例如，在燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tda＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)并且Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度的运行条件。另外，低加湿运行条件可以是，例如，Tda＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度并且燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)的运行条件。如此情况下，即使是燃料电池的内部的至少一部分为低加湿运行条件的情况下，也能够获得本发明的效果。
另外，控制装置20至少适当控制燃料电池11、燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17、温度控制装置19的动作。该控制装置20具备例如MPU以及存储器，根据预先储存在存储器中的数据，至少适当控制燃料电池11、燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17、温度控制装置19的动作。
以下是就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的动作，参照图2～图4加以说明。还有，在此，假定在燃料电池系统的的发电运行中，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＜Tdc的相互关系。
本实施方式所涉及的燃料电池系统的动作除了在切断低加湿运行条件下运行的燃料电池和外部负载的电连接(也就是说，燃料电池为开路状态)之前加湿高分子电解质膜这一点之外，其余都是与现有的燃料电池系统的动作相同的。因此，在下述中，仅仅就本实施方式所涉及的燃料电池系统的特征性的动作进行详细说明。
图3是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。还有，在图3中，仅图示了为了说明本发明所必要的步骤，至于其他的步骤就省略了其图示。
另外，图4是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。还有，在图4中，仅图示了为了说明本发明所必要的操作，至于其他的操作就省略了其图示。
在停止燃料电池系统100的发电运行时，控制装置20首先通过控制温度控制装置19的动作(图4所示的操作1)，从而降低在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下运行的状态(图4所示的状态1)的燃料电池11的温度Tcell，直到燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致(步骤S1以及图4所示的状态2)。在该图4所表示的状态2中，控制装置20不切断燃料电池11与外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电，一边根据露点传感器21c以及温度传感器22的输出信号，判定燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc是否一致(步骤S2)。
在步骤S2中，在判定了燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc不相一致的情况下(在步骤S2中为NO)，控制装置20在使燃料电池11继续放电的状态下，继续步骤S1所表示的控制直至燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致为止。另一方面，在步骤S2中，在判定了燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致的情况下(在步骤S2中为YES)，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边使温度控制装置19的冷却动作停止(步骤S3以及图4所表示的操作2)，维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(步骤S4以及图4所表示的状态3)。在由该图4所表示的状态3中，燃料电池11的高分子电解质膜主要是通过利用氧化剂气体中所含有的水分而被充分地加湿，直至能够防止高分子电解质膜的劣化的状态为止。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。
在步骤S4中，在判定了测量时间Tm没有到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为NO)，控制装置20在使燃料电池11继续放电的状态下，进一步维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止。另一方面，在步骤S4中，在判定了测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11和外部负载的电连接(图4所表示的操作3)，使燃料电池11停止放电(步骤S5)，使燃料电池11处于开路状态(图4所表示的状态4)。
在该图4所表示的状态4中，由于成为了开路状态，燃料电池11的输出电压Vfc虽然如图4那样上升，但是燃料电池11的高分子电解质膜的湿润状态高于发电运行中的高分子电解质膜的湿润状态。
之后，控制装置20停止燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17的动作。另外，为了防止高分子电解质膜的干燥，例如，将加湿了的惰性气体封入燃料电池11的内部。然后，控制装置20停止燃料电池系统100的发电运行所涉及的全部的动作。
如此，在本实施方式中，从在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行时，控制装置20使燃料电池11的温度Tcell降低，使燃料电池11继续放电直至燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致为止，在燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致之后，停止对外部负载的放电。由此，在燃料电池11停止对外部负载的放电的开路状态下实现Tcell≤Tdc的相互关系，高分子电解质膜被充分地加湿，所以可以抑制高分子电解质膜的劣化，可以充分确保燃料电池11的耐久性。
以下就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的动作的变形例，参照图2、图3以及图5加以说明。
在本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的动作的变形例中，仅在代替Tcell＝Tdc的条件而在满足Tcell＝Tda的条件之后停止燃料电池放电这一点上，与上述燃料电池系统的动作不同。即，本变形例所涉及的流程图是将图3所表示的流程图修正为在步骤S2中判定Tcell＝Tda的条件是否满足而得到的流程图。
图5是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
在停止燃料电池系统100的发电运行时，控制装置20通过控制温度控制装置19的动作(图5所表示的操作1)，而降低在低加湿运行条件之下运行的状态(图5所表示的状态1)的燃料电池11的温度Tcell，直至燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致为止(步骤S 1以及图5所表示的状态2)。在该图5所表示的状态2中，控制装置20不切断燃料电池11和外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电，一边根据露点传感器21a以及温度传感器22的输出信号，判定燃料电池11的温度Tcell是否与燃料气体的露点Tda相一致(步骤S2)。然后，如果判定燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致(在步骤S2中为YES)，则控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边停止温度控制装置19的冷却动作(步骤S3以及图5所表示的操作2)，维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(步骤S4以及图5所表示的状态3)。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。然后，在判定测量时间Tm到达了预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11和外部负载的电连接(图5所表示的操作3)，停止燃料电池11的放电(步骤S5)，使其为开路状态(图5所表示的状态4)。
如此，在本变形例中，从在低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行的时候，控制装置20降低燃料电池11的温度Tcell，使燃料电池11继续放电直至燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致为止，在燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致之后，停止对外部负载进行放电。由此，燃料电池11在对外部负载停止放电的开路状态下实现Tcell≤Tda＜Tdc的相互关系，高分子电解质膜被进一步加湿，所以可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
还有，在本实施方式中，关于由露点传感器21c(或者露点传感器21a)以及温度传感器22实际测定燃料电池11的温度Tcell以及氧化剂气体的露点Tdc(或者燃料气体的露点Tda)从而停止发电运行的方式作了说明，但是并不限定于该方式，也可以是根据表示预先测定的Tcell以及Tdc(或者Tda)的关系的时间图而停止发电运行的方式。这种方式也能够得到与本实施方式中获得的效果相同的效果。
另外，在本实施方式中，关于在测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd之后切断燃料电池11和外部负载的电连接的方式作了说明，但是并不限定于该方式，也可以是在燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda和氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点相一致之后立即切断燃料电池11和外部负载的电连接的方式。这种方式也能够得到与本实施方式获得的效果相同的效果。
另外，在本实施方式中，假定了在燃料电池系统100的发电运行中，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＜Tdc的相互关系，但是并不限定于该相互关系，也可以满足Tda＞Tdc或者Tda＝Tdc的相互关系。在此，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＞Tdc的相互关系的情况下，可以通过使燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致来抑制高分子电解质膜的劣化，而通过使燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致，能够更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。另外，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＝Tdc的相互关系的情况下，通过使燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc相一致，可以抑制高分子电解质膜的劣化。也就是说，本发明是通过使燃料电池11的温度与燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点相一致而实现的。
(实施方式2)
本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的构造是与图1以及图2所表示的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造相同的。因此，在此，省略关于本实施方式所涉及的燃料电池系统的构造的说明。
关于本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的动作，参照图2、图6以及图7加以说明。
图6是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
还有，图7是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
在停止燃料电池系统100的发电运行时，控制装置20通过控制温度控制装置19的动作(图7所表示的操作1)，而降低在低加湿运行条件之下运行的状态(图7所表示的状态1)的燃料电池11的温度Tcell，直至使燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致为止(步骤S 1以及图7所表示的状态2)。另外，在该图7所表示的状态2下，控制装置20降低燃料电池11的放电时的输出电流密度直至在上述的状态1下的放电时的输出电流密度以下为止(步骤S2以及图7所表示的操作2)。根据该图7所表示的操作2，燃料电池11的输出电压Vfc上升，同时减少伴随燃料电池11中的发电而产生的水的生成量。
接着，控制装置20根据露点传感器21a以及温度传感器22的输出信号，判定燃料电池11的温度Tcell是否与燃料气体的露点Tda相一致(步骤S3)。然后，在判定燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致的情况下(在步骤S3中为YES)，控制装置20停止温度控制装置19的冷却动作(步骤S4以及图7所表示的操作3)，维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(图7所表示的状态3)。在该图7所表示的状态3中，利用燃料气体和氧化剂气体中所含有的水分充分地加湿燃料电池11的高分子电解质膜。
接着，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S5)。然后，在判定测量时间Tm到达了预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S5中为YES)，控制装置20切断燃料电池11与外部负载的电连接并停止放电(步骤S6以及图7所表示的操作4)，从而使燃料电池11处于开路状态(图7所表示的状态4)。
之后，控制装置20在使燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17的动作停止之后，实施用于防止高分子电解质膜的干燥的上述的规定措施，停止燃料电池系统100的发电运行所涉及的全部动作。
如此，在本实施方式中，从在低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行的时候，控制装置20降低燃料电池11的温度Tcell，在燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致之后，停止对外部负载进行放电。另外，控制装置20在使燃料电池11的温度Tcell降低时，把燃料电池11的放电时的输出电流密度降低至发电运行时的输出电流密度以下为止。由此，因为能够减少使燃料电池11的温度Tcell降低时的水的生成量，所以可以有效抑制由于在使燃料电池11的温度Tcell降低时有可能发生的液泛而引起的流路的水阻塞。
另外，在燃料电池系统中，通常伴随着燃料电池的温度的下降，在阳极以及阴极上的反应电阻会变大。也就是说，在燃料电池系统中，若在将放电时的输出电流密度保持一定的状态下降低燃料电池的温度，那么会发生燃料电池的输出电压变成0伏以下的所谓的换极现象。如果发生该换极现象，那么燃料电池的发电性能会显著下降。但是，在本实施方式中，因为在使燃料电池11的温度Tcell降低的时候，使燃料电池11的放电时的输出电流密度降低至发电运行时的输出电流密度以下为止，所以可以有效地抑制燃料电池11陷入换极的状态。由此，可以防止燃料电池11的发电性能的降低。
另外，关于其他方面，与实施方式1的情况相同。
(实施方式3)
首先，就本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造，参照图8加以说明。
本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造除了代替图2所表示的加湿器18而具备露点控制装置这一点以外，其余都与图1以及图2所表示的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造相同。因此，在此，对本实施方式所涉及的燃料电池系统的构造与实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造的不同点进行说明，省略有关共通的部分的说明。
图8是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造的框图。在图8中，仅仅图示了为了说明本发明而必要的构造要素，省略了有关其他的构成要素的图示。
如图8所示，本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统200具备露点控制装置24。该露点控制装置24根据需要分别控制从燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17供给的燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点。该燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点实质上是由露点控制装置24所具备的加湿器18a以及加湿器18c控制的。这些加湿器18a以及加湿器18c的动作是由露点控制装置24所具有的控制器23来控制的。然后，与实施方式1所涉及的燃料电池系统100的情况同样，露点分别被控制的燃料气体和氧化剂气体通过露点传感器21a以及露点传感器21c的检测点而被供给燃料电池11。还有，该控制器23的动作是被燃料电池系统200所具有的控制装置20所控制的。
另外，如图8所示，露点控制装置24具备三通阀25。该三通阀25的功能是：在没有必要调节从燃料气体供给装置16供给的燃料气体的露点的情况下，不将该燃料气体供给加湿器18a而是直接供给露点传感器21a。
以下就本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的动作，参照图8～图10加以说明。还有，在此，假定在燃料电池系统的发电运行中满足燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc为Tda＜Tdc的相互关系。
图9是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。还有，在图9中，仅仅图示了为了说明本发明所必要的步骤，省略了有关其他的步骤的图示。
另外，图10是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。还有，在图10中，仅仅图示了为了说明本发明所必要的操作，省略了有关其他的操作的图示。
在停止燃料电池系统200的发电运行时，控制装置20首先在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下运行燃料电池11的状态下(图10所表示的状态1)，通过控制露点控制装置24的动作(图10所表示的操作1)，使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc上升直至氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致为止(步骤S1以及图10所表示的状态2)。在该图10所表示的状态2中，控制装置20不切断燃料电池11和外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边根据露点传感器21c以及温度传感器22的输出信号，判定氧化剂气体的露点Tdc是否与燃料电池11的温度Tcell相一致(步骤S2)。
具体是，在该步骤S2中，在判定氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell不相一致的情况下(在步骤S2中为NO)，在控制装置20使燃料电池11继续放电的状态下，继续图9的步骤S1所表示的控制直至氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致为止。另一方面，在步骤S2中，在判定氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致的情况下(在步骤S2中为YES)，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边停止利用露点控制装置24进行的露点Tda以及Tdc的上升(步骤S3以及图10所表示的操作2)，维持燃料电池系统200的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指点时间Tpd为止(步骤S4以及图10所表示的状态3)。在该图10所表示的状态3中，燃料电池11的高分子电解质膜主要通过利用氧化剂气体中所含有的水分，而被充分加湿直至能够防止高分子电解质膜的劣化的状态。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。
在步骤S4中，在判定测量时间Tm没有到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为NO)，控制装置20在使燃料电池11继续放电的状态下，进一步维持燃料电池系统200的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止。另一方面，在步骤S4中，在判定测量时间Tm到达了预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11与外部负载的电连接(图10所表示的操作3)，使燃料电池11停止放电(步骤S5)，使燃料电池11处于开路状态(图10所表示的状态4)。
之后，控制装置20停止燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17的动作。另外，为了防止高分子电解质膜的干燥，与实施方式1的情况相同，将加湿了的惰性气体封入燃料电池11的内部。然后，控制装置20停止燃料电池系统200的发电运行所涉及的全部的动作。
如此，在本实施方式中，从在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下使燃料电池11进行运行的状态到停止发电运行时，控制装置20使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc上升，使燃料电池11继续放电直至氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致为止，在氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致之后停止对外部负载的放电。由此，在燃料电池11停止对外部负载的放电的开路状态下实现Tcell≤Tdc的相互关系，高分子电解质膜被充分地加湿，所以可以充分确保燃料电池11的耐久性。
以下就本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的动作的变形例，参照图8、图9以及图11加以说明。
在本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的动作的变形例中，仅在代替Tcell＝Tdc的条件而满足Tcell＝Tda的条件之后停止燃料电池放电这一点上，与上述燃料电池系统的动作不同。即，本变形例所涉及的流程图是将图9所表示的流程图修正为在步骤S2中判定是否满足Tcell＝Tda的条件而得到的流程图。
图11是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
在停止燃料电池系统200的发电运行时，在低加湿运行条件之下运行燃料电池11的状态(图11所表示的状态1)下，控制装置20通过控制露点控制装置24的动作(图11所表示的操作1)，使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc上升直至燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致为止(步骤S1以及图11所表示的状态2)。在该图11所表示的状态2下，控制装置20不切断燃料电池11与外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电，一边根据露点传感器21a以及温度传感器22的输出信号，判定燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell是否相一致(步骤S2)。然后，在判定燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致的情况下(在步骤S2中为YES)，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边停止利用露点控制装置24进行的露点Tda以及Tdc的提高(步骤S3以及图11所表示的操作2)，维持燃料电池系统200的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(步骤S4以及图11所表示的状态3)。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。然后，在判定测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11与外部负载的电连接(图11所表示的操作3)，停止燃料电池11的放电(步骤S5)，从而使其为开路状态(图11所表示的状态4)。
如此，在本变形例中，从在低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行的时候，控制装置20提高燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc，使燃料电池11继续放电直至燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致为止，在燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致之后，停止对外部负载进行放电。由此，燃料电池11在对外部负载停止放电的开路状态下实现Tcell≤Tda＜Tdc的相互关系，高分子电解质膜被进一步加湿，所以可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
也就是说，在本实施方式中，通过使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点与燃料电池11的温度Tcell相一致，从而能够获得与实施方式1的情况相同的效果。
在本实施方式中，对在停止燃料电池系统200的发电运行时提高燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc二者的方式作了说明，但是并不限定于该方式，也可以是提高燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点的方式。例如，在仅仅提高氧化剂气体的露点Tdc的情况下，控制装置20通过控制三通阀而把从燃料气体供给装置16所供给的燃料气体直接供给露点传感器21a。还有，在仅仅提高燃料气体的露点Tda的情况下，控制装置20通过控制控制器23从而控制加湿器18c的动作，由此不调节从氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体的露点而供给露点传感器21c。这种方式也能够获得与本实施方式得到的效果相同的效果。
另外，在本实施方式中，设想并说明了利用商用电力等的外部电力控制露点控制装置24所具备的加湿器的温度从而控制燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的方式，但是并不限定于这样的方式。例如，也可以是以下方式：通过改变从燃料气体供给装置16供给燃料电池11的燃料气体的流量和温度中的至少1个条件，而控制露点控制装置24的加湿器的温度，由此控制燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者。另外，同样可以是以下方式：通过改变从氧化剂气体供给装置17供给燃料电池11的氧化剂气体的流量和温度中的至少1个条件，而控制露点控制装置24的加湿器的温度，由此，控制燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者。还有，也可以是改变燃料气体和氧化剂气体的二者的流量和温度中的至少1个条件的方式。这种方式也能够获得与本实施方式得到的效果相同的效果。
还有，关于其他的要点，与实施方式1～2的情况相同。
以上，根据本发明，在低加湿运行条件之下运行的燃料电池系统在停止发电运行时，在切断与外部负载的电连接而成为开路状态之前充分加湿了燃料电池的高分子电解质膜，所以能够解决燃料电池的发电性能随着时间推移而降低的问题。由此，能够提供可以防止以低加湿运行条件运行的高分子电解质型燃料电池在向开路状态过渡时的高分子电解质膜的劣化的具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法。
还有，在实施方式1～3中，说明了在切断燃料电池与负载的电连接之前控制装置控制温度控制装置以及露点控制装置中的任意一者而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式。但是，并不限定于如此的方式。例如可以是以下方式，在切断燃料电池与负载的电连接之前，控制装置控制温度控制装置以及露点控制装置二者而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。根据这样的方式，可以大幅度地缩短直至使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致为止的待机时间。
另外，在控制装置控制温度控制装置而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式中，优选燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点各自不会随着时间而发生变化。根据这种方式，可以缩短直至使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致为止的待机时间。在此，作为露点控制装置的加湿器，可以使用起泡器(bubbler)。所谓的起泡器是将燃料气体或者氧化剂气体通过温水中进行加湿的加湿器。在该起泡器中，燃料气体或者氧化剂气体被加湿成具有与温水的温度相同的露点。作为用于驱动起泡器的热源，可以使用冷却燃料电池的冷却介质、加热器以及重整器的燃烧废气。于是，通过使用起泡器作为露点控制装置的加湿器，容易使燃料气体的露点保持恒定，同时容易使氧化剂气体的露点保持恒定。由此，在相对比较简单的构成之下，容易缩短直至使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致为止的待机时间。
这样，在实施方式1～3中，关于本发明所涉及的燃料电池系统100、200的基本构成以及其特征性的动作，作了详细说明。
具体是，在实施方式1～3中，说明了利用露点传感器21a和露点传感器21c检测燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点的方式。另外，在实施方式1～3中，说明了：利用温度控制装置19降低燃料电池11的温度而使燃料电池11的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式，以及利用露点控制装置24分别提高燃料气体和氧化剂气体的露点而使燃料电池11的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式。
可是，通过在燃料电池系统100、200中构筑恰当的构造，可以不配设露点传感器21a和露点传感器21c而准确地检测燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点。另外，通过在燃料电池系统100、200中构筑恰当的构造，可以不配设露点控制装置24而准确地提高燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点。
以下分别就支持实施方式1～3的用于检测露点的其他的方式以及用于控制露点的其他的方式进行说明。
(实施方式4)
图12是示意性地表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构造的框图。还有，在图12中，仅图示了为了说明本发明而必要的构成要素，省略了关于其他的构成要素的图示。
如图12所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统300的构造在不具备露点传感器21a、21c这一点上，与实施方式1所表示的燃料电池系统100的构造不同。另外，如图12所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统300的构造在具备将从氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体利用从燃料电池11的氧化剂气体排出部15所排出的剩余的氧化剂气体(以下把该剩余的氧化剂气体称作为“排出的氧化剂气体”)进行加湿的全换热器26代替加湿器18这一点上，不同于实施方式1所表示的燃料电池系统100的构造。还有，关于其他的要点，燃料电池系统300的构造与实施方式1所表示的燃料电池系统100的构造相同。
首先分别就用于检测燃料气体的露点Tda的方式以及用于控制燃料气体的露点Tda的方式进行说明。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，供给燃料电池11的燃料气体的露点Tda是根据燃料气体供给装置16的动作条件计算出来的。
具体说明，就是在本实施方式中，预先将表示S/C(蒸汽碳比)和水蒸气重整反应的反应温度以及燃料气体的露点Tda之间关系的数据存储到燃料电池系统300中的控制装置20的存储器中。在此，S/C根据燃料电池系统300的运行条件，预先设定于控制装置20中。因此，根据本实施方式，利用现有的温度检测器检测燃料气体供给装置16中的水蒸气重整反应的反应温度(重整催化剂的温度)，由此不使用图1所表示的露点传感器21a就能够容易地计算出燃料气体的露点Tda。
另一方面，在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，在考虑转化率等的同时改变燃料气体供给装置16中的S/C，从而能够任意地控制供给燃料电池11的燃料气体的露点Tda。
图13是示意性地表示每个水蒸气重整反应的反应温度下的燃料气体供给装置中生成的燃料气体的露点与S/C的关系的相关图。
如图13所示，通过改变燃料气体供给装置16中的S/C，可以任意地控制在该燃料气体供给装置16中生成的燃料气体的露点Tda。例如，在将水蒸气重整反应的反应温度控制在660℃的情况下，通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在2可以将燃料气体的露点Tda控制在大约30℃；通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在5可以将燃料气体的露点Tda控制在大约77℃。另外，在将水蒸气重整反应的反应温度控制在630℃的情况下，通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在2可以将燃料气体的露点Tda控制在大约42℃；通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在5可以将燃料气体的露点Tda控制在大约79℃。在此，燃料气体供给装置16中的S/C的控制是根据基于燃料气体供给装置16的动作条件而计算出的燃料气体的露点Tda和燃料电池的温度Tcell的比较而适当进行的。
以下分别说明用于检测氧化剂气体的露点Tdc的方式以及用于控制氧化剂气体的露点Tdc的方式。
图14是示意性地表示用于计算出由全换热器进行加湿的氧化剂气体的露点的构成的解说图。
如图12以及图14所示，在本实施方式中，在全换热器26中，在由氧化剂气体供给装置17所供给的氧化剂气体和从燃料电池11的氧化剂气体排出部15排出的排出的氧化剂气体之间进行全热交换。在此，如图14所示，把从燃料电池11的氧化剂气体排出部15排出的排出的氧化剂气体的水蒸汽量作为P1，把在全换热器26中用于氧化剂气体的加湿的排出的氧化剂气体的水蒸汽量作为P2。另外，把由氧化剂气体供给装置17所供给的氧化剂气体的水蒸汽量作为P3，把在全换热器26中被加湿的氧化剂气体的水蒸汽量作为P4。再有，把通过全换热器26的图14中未图示的全热交换膜的水量作为W1，把燃料电池11中生成的水量作为Wg。
在燃料电池11的氧化剂气体侧所生成的水量Wg的一部分透过高分子电解质膜而向燃料气体侧反向扩散。即，在燃料电池内追加于燃料气体侧的水量(燃料气体侧生成水量)Wga是作为Wg和θ(反向扩散率)之积来计算出的，在燃料电池内追加于氧化剂气体侧的水量(氧化剂气体侧生成水量)Wgc是作为Wg和(1-θ)之积来计算出的。还有，θ(反向扩散率)根据使用于燃料电池11中的高分子电解质膜的性质而不同，但是可以将预先测定的值作为常数来使用。
在此情况下，如图14的(1)式所示，水蒸汽量P1是作为水蒸汽量P4和氧化剂气体侧生成水量Wgc之和来计算出的。即，如(1)式所示，水蒸汽量P1是作为水蒸汽量P3、通过水量W1以及生成水量Wg与(1-θ)之积的和来计算出的。另外，如图14的(2)式所示，水蒸汽量P2是作为水蒸汽量P1与通过水量W1之差来计算出的。即，如(2)式所示，水蒸汽量P2是作为水蒸汽量P3与氧化剂气体侧生成水量Wgc之和来计算出的。还有，如图14的(3)式所示，水蒸汽量P3严格地来说应该使用实测值，但是基于室温中的饱和水蒸汽量非常少的情况，所以近似于常数α。还有，如图14的(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3与通过水量W1之和来计算出的。在此，通过水量W1是作为常数β(加湿器的全热交换膜的面积)、常数γ(水蒸汽透过系数)以及对数平均水蒸汽分压差D之积来计算出的。即，如(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3加上常数β、常数γ以及对数平均水蒸汽分压差D之积的和来计算出的。
因此，在本实施方式所涉及的燃料电池300中，供给燃料电池11的氧化剂气体的水蒸汽量P4是由(1)式～(4)式、常数α以及生成水量Wg(可以由燃料电池11的运行条件计算出生成水量Wg)计算出的。在此，生成水量Wg例如使用高分子电解质膜的面积和电流密度计算出来。于是，根据本实施方式，基于该计算出的水蒸汽量P4，可以不使用图1所表示的露点传感器21c而容易地计算出供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。
另一方面，在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，通过控制电流密度而改变燃料电池11中的生成水量Wg，能够任意地控制供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。还有，通过控制装置20控制连接于燃料电池11的逆变器(inverter)，能够容易地控制电流密度。
另外，关于其他的要点，与实施方式1～3的情况相同。
(实施方式5)
图15是示意性地表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池系统的构造的框图。在图15中，仅图示了为了说明本发明所必要的构成要素，省略了关于其他的构成要素的图示。
如图15所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统400的构造在不具备露点传感器21a、21c这一点上，与实施方式1所示的燃料电池系统100的构造不同。另外，如图15所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统400的构造在具备将从氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体利用从燃料电池11排出的冷却介质(以下设该冷却介质为“冷却水”)进行加湿的温水加湿器27来替换加湿器18这一点上，不同于实施方式1所示的燃料电池系统100的构造。还有，关于其他的要点，燃料电池系统400的构成与实施方式1所示的燃料电池系统100的构成相同。
在本实施方式中，用于检测燃料气体的露点Tda的方式以及用于控制燃料气体的露点Tda的方式分别与实施方式4所示的方式相同。因此，在此，省略有关用于检测燃料气体的露点Tda的方式以及用于控制燃料气体的露点Tda的方式的说明。
以下分别就用于检测氧化剂气体的露点Tdc的方式以及用于控制氧化剂气体的露点Tdc的方式进行说明。
图16是示意性地表示用于计算出由温水加湿器进行加湿的氧化剂气体的露点的构成的解说图。
如图15以及图16所示，在本实施方式中，在温水加湿器27中，由氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体被从燃料电池11排出的冷却水加湿。在此，如图16所示，把从燃料电池11排出的冷却水的温度T1下的饱和水蒸汽量作为P1，把在温水加湿器27中用于氧化剂气体的加湿的冷却水的温度T2下的饱和水蒸汽量作为P2。还有，把由氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体的水蒸汽量作为P3，把在温水加湿器27中加湿的氧化剂气体的水蒸汽量作为P4。再有，把通过温水加湿器27的在图16中未图示的加湿膜的水量作为W1，把燃料电池11的冷却水的出口处的冷却水的温度作为T1，把燃料电池11的冷却水的入口处的冷却水的温度作为T2。
在此情况下，如图16的(1)式以及(2)式所示，水蒸汽量P1以及水蒸汽量P2可作为温度T1下的饱和水蒸汽量S1以及温度T2下的饱和水蒸汽量S2来进行测定。还有，如图16的(3)式所示，水蒸汽量P3虽然与实施方式4的情况同样严格地来说应该使用实测值，但是基于室温下的饱和水蒸汽量非常少的情况，近似于常数α。另外，如图16的(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3与通过水量W1之和来计算出的。在此，与实施方式4的情况相同，通过水量W1是作为常数β(加湿器的全热交换膜的面积)、常数γ(水蒸汽透过系数)以及对数平均水蒸汽分压差D之积来计算出的。即，如(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3与常数β、常数γ以及对数平均水蒸汽分压差D之积的和来计算出的。
因此，在本实施方式所涉及的燃料电池系统400中，供给燃料电池11的氧化剂气体的水蒸汽量P4是由(1)式～(4)式、常数α、温度T1以及温度T2(温度T1、T2可以测定)计算出的。于是，根据本实施方式，基于该计算出的水蒸汽量P4，可以不使用图1所表示的露点传感器21c而能够容易地计算出供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。
还有，与实施方式4的情况相同，如图14的(2)式所示，水蒸汽量P2可以作为水蒸汽量P1与透过水量W1之差来计算出。即，如图14的(2)式所示，水蒸汽量P2可以作为水蒸汽量P3与氧化剂气体侧生成水量Wgc之和来计算出。由此，供给燃料电池11的氧化剂气体的水蒸汽量P4是由(1)式～(4)式、常数α以及温度T1计算出的。
另一方面，在本实施方式所涉及的燃料电池400中，通过控制冷却水的流量、放热器上的放热量以及电流密度而改变从燃料电池11排出的冷却水的温度T1，能够任意地控制供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。还有，电流密度与实施方式4的情况相同，通过控制装置20控制连接于燃料电池11的逆变器，能够容易地进行控制。
另外，关于其他的要点，与实施方式1～4的情况相同。
以上，根据实施方式4和5，可以不配设图1所表示的露点传感器21a和露点传感器21c而准确地检测燃料气体的露点Tda和氧化剂气体的露点Tdc。另外，根据实施方式4和5，可以不配设图1所表示的露点控制装置24而准确地提高燃料气体的露点Tda和氧化剂气体的露点Tdc。还有，在实施方式4和5中，例示了由全换热器26或者温水加湿器27加湿从氧化剂气体供给装置供给的氧化剂气体的方式，但是并不限定于这样的方式。例如，可以是由全换热器26或者温水加湿器27加湿从燃料气体供给装置16供给的燃料气体的方式。还有，可以是由全换热器26或者温水加湿器27分别加湿从燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17供给的燃料气体和氧化剂气体二者的方式。在该情况下，只要将氧化剂气体的水蒸气量P3(常数α)换成燃料气体的水蒸气量P3(常数α)即可。还有，只要把氧化剂气体侧生成水量Wgc换作燃料气体侧生成水量Wga即可。
还有，使用与实施方式4相同的氢生成装置作为燃料气体供给装置16并由全换热器26或者温水加湿器27进一步加湿生成的燃料气体的情况下，与实施方式4同样，燃料气体的水蒸气量P3可以基于燃料气体供给装置的动作条件计算出。另外，使用氢气瓶作为燃料气体供给装置16并由全换热器26或者温水加湿器27加湿燃料气体的情况下，可以把燃料气体的水蒸气量P3近似为零。
产业上的可利用性
本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法作为能够防止以低加湿运行条件运行的高分子电解质型燃料电池在向开路状态过渡时的高分子电解质膜的劣化的具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法，可以在产业上利用。
另外，本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法在要求高输出特性的同时要求短时间启动的电动汽车的动力电源和要求长期可靠性的家庭用热电联供系统等的用途方面，可以在产业上利用。
(实施方式1)
首先，就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造，参照图1以及图2进行说明。
图1是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的燃料电池的截面构造的截面图。还有，在图1中，为了简明扼要地说明燃料电池的基本构造，仅仅图示了燃料电池的主要部分。
如图1所示，在燃料电池101中，MEA5将密封垫9a以及密封垫9c配置于其周缘部并用隔板7a以及隔板7c夹持着。由此，在燃料电池101中，构成有单电池102(以下把“单电池”称作为“电池单元(cell)”)。该电池单元102串联层叠多个而构成燃料电池101。
更加详细说明的话，如图1所示，MEA5具备拥有质子传导性的高分子电解质膜1。该高分子电解质膜1在含水状态下选择性地输送质子。该高分子电解质膜1的质子输送能通过电离在含水状态下固定于高分子电解质膜1的固定电荷，同时使作为该固定电荷的抗衡离子进行作用的氢进行离子化而使其可移动，来实现的。并且，如图1所示，在该高分子电解质膜1的两面的中央部上，以各个相对的方式，设置有以担载了铂类的金属催化剂的碳粉末作为主成分的催化剂反应层2a以及催化剂反应层2c。在这些催化剂反应层之中，在催化剂反应层2a中，来自于从图1中未图示的燃料气体供给装置供给的燃料气体的氢以如化学式(1)所示的方式转换成电子和质子。在催化剂反应层2a中生成的电子经过连接于燃料电池系统的图1中未图示的外部负载，到达催化剂反应层2c。还有，在催化剂反应层2a中生成的质子通过高分子电解质膜1而到达催化剂反应层2c。另一方面，在燃料电池101的催化反应层2c中，经由外部负载而到达的电子、通过高分子电解质膜1而到达的质子以及来自于从在图1中未图示的氧化剂气体供给装置供给的氧化剂气体的氧被用来以如化学式(2)所示的方式生成水。根据该一系列的化学反应，燃料电池101在输出电力的同时产生热。
H2→2H++2e-…化学式(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…化学式(2)
另外，如图1所示，在催化剂反应层2a以及催化剂反应层2c的没有接触高分子电解质膜1的面上，分别以相对的方式配设有气体扩散层3a以及气体扩散层3c。这些气体扩散层3a以及气体扩散层3c兼备燃料气体和氧化剂气体的透气性和导电性，并且各自以电连接的方式设置于催化剂反应层2a以及催化剂反应层2c的表面。
于是，在燃料电池101中，由催化剂反应层2a和气体扩散层3a构成了阳极4a。还有，在燃料电池101中，由催化剂反应层2c和气体扩散层3c构成了阴极4c。另外，在燃料电池101中，由高分子电解质膜1和阳极4a以及阴极4c构成了MEA5。
另外一方面，如图1所示，MEA5的高分子电解质膜1是由电绝缘性的密封垫9a以及密封垫9c夹持着的，还有，这些密封垫9a以及密封垫9c是由导电性的隔板7a以及隔板7c夹持着的。由此，在燃料电池101中构成了电池单元102。在该电池单元102中，燃料气体流路6a凹陷地设置于隔板7a的与气体扩散层3a相接触的面上。该燃料气体流路6a把从燃料气体供给装置供给的燃料气体供给MEA5的气体扩散层3a，同时把由催化剂反应所产生的气体以及剩余的燃料气体排出到电池单元102的外部。另外，在该电池单元102中，氧化剂气体流路6c被凹陷设置于隔板7c的与气体扩散层3c相接触的面上。该氧化剂气体流路6c把从氧化剂气体供给装置供给的氧化剂气体供给MEA5的气体扩散层3c，同时把由催化剂反应所产生的气体以及剩余的氧化剂气体排出到电池单元102的外部。另外，隔板7a和气体扩散层3a是电连接的，隔板7c和气体扩散层3c也是电连接的。
并且，如图1所示，电串连地层叠多个电池单元102从而构成了燃料电池101。在该燃料电池101中，一个电池单元102的隔板7a与另一个电池单元102的隔板7c电连接，电串连地层叠多个电池单元102以得到所要求的输出电压。另外，在该燃料电池101中，互相相对的凹部被形成于隔板7a的与隔板7c相接触的面和隔板7c的与隔板7a相接触的面上，由此，构成了冷却水流路8a以及冷却水流路8c。另外，为了防止在这些冷却水流路8a以及冷却水流路8c中流通的冷却水的泄漏，在隔板7a和隔板7c之间配设了密封垫10。从图1中未图示的冷却水供给装置向冷却水流路8a以及冷却水流路8c中供给冷却水，该冷却水在发电运行时冷却发热的燃料电池101。还有，利用冷却水从燃料电池101中回收的热能例如可以使用于供应热水。
图2是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构成的框图。还有，在图2中，仅图示了为了说明本发明而必要的构成要素，关于其他的构成要素省略了图示。
如图2所示，本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统100，作为其发电部的主体，具备供给燃料气体和氧化剂气体而发电的燃料电池11。另外，该燃料电池系统100具备：分别生成用于供给燃料电池11的燃料气体和氧化剂气体的燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17，在中途将从该氧化剂气体供给装置17向燃料电池11供给的氧化剂气体进行加湿的加湿器18，分别检测该加湿器18以及上述的燃料气体供给装置16所供给的燃料气体和氧化剂气体的露点温度(以下简称为“露点”)的露点传感器21a以及露点传感器21c。还有，该燃料电池系统100具备：由冷却介质控制供给燃料气体和氧化剂气体并发电的时候的燃料电池11的温度的温度控制装置19，以及检测在该温度控制装置19和上述的燃料电池11之间作循环的冷却介质的温度的温度传感器22。再有，该燃料电池系统100还具备适当控制上述的燃料电池11、燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17、温度控制装置19的动作的控制装置20。
更加详细地进行说明的话，如图2所示，燃料电池11具备燃料气体供给部12以及氧化剂气体供给部13和燃料气体排出部14以及氧化剂气体排出部15。在燃料电池系统100发电运行的时候，燃料气体供给装置16所生成的燃料气体在其露点被露点传感器21a检测后，被供给了燃料电池11的燃料气体供给部12。然后，在燃料电池11中剩余的燃料气体从燃料电池11的燃料气体排出部14被排出。还有，来自于氧化剂气体供给装置17的氧化剂气体通过加湿器18被加湿并且露点被露点传感器21c检测后，被供给了燃料电池11的氧化剂气体供给部13。然后，在燃料电池11中剩余的氧化剂气体从燃料电池11的氧化剂气体排出部15被排出。
燃料气体供给装置16例如使用城市燃气或者丙烷气体等的原料，通过水蒸气重整反应，从而生成含有丰富氢的燃料气体。该燃料气体在水蒸气重整反应的时候被加湿，在含有水蒸气的状态下被供给了燃料电池11。如此，含有水蒸气的燃料气体从燃料气体供给装置16被供给了燃料电池11，由此，使燃料电池11的在图2中未图示的高分子电解质膜维持在湿润状态。还有，在本实施方式中虽然没有例示，但是作为燃料气体使用充填于氢气瓶中的纯氢的情况下，为了对该纯氢进行加湿，而在燃料气体供给装置16和露点传感器21a之间配设加湿器。
氧化剂气体供给装置17例如由西洛克风扇从大气中取入作为氧化剂气体的空气。然后，将该所取入的空气供给燃料电池11。还有，从大气中取入的空气通常不含有为了湿润燃料电池11的高分子电解质膜所必需量的水蒸气。因此，如图2所示，在燃料电池系统100中，在氧化剂气体供给装置17和露点传感器21c之间配设了加湿器18。该加湿器18在加湿氧化剂气体供给装置17所排出的空气之后，将其供给燃料电池11。如此，从氧化剂气体供给装置17向燃料电池11供给由加湿器18加湿的空气，由此同样使燃料电池11的高分子电解质膜维持于湿润状态。
露点传感器21a检测从燃料气体供给装置16供给燃料电池11的燃料气体的露点。还有，露点传感器21c检测从氧化剂气体供给装置17供给燃料电池11的氧化剂气体的露点。在本实施方式中，将由这些露点传感器21a以及露点传感器21c检测的燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点视作为燃料电池11内部中的燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc。还有，作为这些露点传感器21a以及露点传感器21c，只要是具备相对于燃料气体和氧化剂气体的类型的耐久性并且具备温度耐久性的露点传感器，那么可以使用任何露点传感器。另外，燃料气体的露点Tda依赖于燃料气体供给装置16(正确地说是，燃料气体供给装置16所具有的重整器)的性能，氧化剂气体的露点Tdc依赖于加湿器18的性能。因此，也可以形成如下的构成：使用根据重整器的动作条件计算出的露点作为燃料气体的露点Tda，使用根据加湿器18的动作条件计算出的露点或者加湿器18的温度(实测值)作为氧化剂气体的露点Tdc。还有，关于不使用这些露点传感器21a、21c而检测燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc的方式，将在后面作详细说明。
温度控制装置19是由例如使冷却介质循环的循环泵和使循环的冷却介质放热的放热器(冷却散热片、换热器等)构成的。该温度控制装置19例如把由水形成的冷却介质供给燃料电池11，同时从燃料电池11中回收由伴随着发电而产生的热而被加热并升温的冷却介质。然后，温度控制装置19在冷却该温度上升了的冷却介质之后，再供给燃料电池11。或者，温度控制装置19通过改变冷却介质的流量和温度之中的至少1个条件来使燃料电池11的温度降低。例如，可以通过增加温度控制装置19内的冷却介质的流量，来降低燃料电池11的温度。还有，可以通过降低冷却介质的温度，来降低燃料电池11的温度。由此，温度控制装置19把燃料电池11的温度维持在一定的温度。还有，由冷却介质从燃料电池11中回收的热能例如使用于热水的供应。
温度传感器检测22检测从燃料电池11往温度控制装置19排出的冷却介质的温度。在本实施方式中，把由该温度传感器22所检测的冷却介质的温度视作燃料电池11的温度Tcell。还有，燃料电池11的温度Tcell作为在燃料电池11中最高的温度。作为其检测方法，考虑有测定供给燃料电池11的冷却介质的温度的方法、由热电偶直接测定构成燃料电池11的图2中未图示的隔板的温度的方法以及测定从燃料电池11排出的冷却介质的温度的方法等。另外，因为从入口供给的冷却介质与燃料电池11进行热交换并从出口排出，所以设想在燃料电池11中的温度最高的部分为在燃料电池11中的冷却介质的出口部分。因此，在本实施方式中构成为，由温度传感器22检测从燃料电池11向温度控制装置19排出的冷却介质的温度。
还有，低加湿运行条件可以是，例如，在燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tda＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)并且燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)的运行条件。如此情况，即使燃料电池的内部的至少一部分处于低加湿运行条件的情况下，也能够取得本发明的效果。
另外，低加湿运行条件也可以是，例如，Tda＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度并且Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度的运行条件。在该情况下，燃料电池的内部的基本上全体变成了低加湿运行条件，从而能够更加显著地获得本发明的效果。
根据上述，低加湿运行条件可以是，例如，在燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tda＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)并且Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度的运行条件。另外，低加湿运行条件可以是，例如，Tda＜燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度并且燃料电池11中的冷却介质的入口部分的温度≤Tdc＜燃料电池11中的冷却介质的出口部分的温度(Tcell)的运行条件。如此情况下，即使是燃料电池的内部的至少一部分为低加湿运行条件的情况下，也能够获得本发明的效果。
另外，控制装置20至少适当控制燃料电池11、燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17、温度控制装置19的动作。该控制装置20具备例如MPU以及存储器，根据预先储存在存储器中的数据，至少适当控制燃料电池11、燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17、温度控制装置19的动作。
以下是就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的动作，参照图2～图4加以说明。还有，在此，假定在燃料电池系统的的发电运行中，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＜Tdc的相互关系。
本实施方式所涉及的燃料电池系统的动作除了在切断低加湿运行条件下运行的燃料电池和外部负载的电连接(也就是说，燃料电池为开路状态)之前加湿高分子电解质膜这一点之外，其余都是与现有的燃料电池系统的动作相同的。因此，在下述中，仅仅就本实施方式所涉及的燃料电池系统的特征性的动作进行详细说明。
图3是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。还有，在图3中，仅图示了为了说明本发明所必要的步骤，至于其他的步骤就省略了其图示。
另外，图4是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。还有，在图4中，仅图示了为了说明本发明所必要的操作，至于其他的操作就省略了其图示。
在停止燃料电池系统100的发电运行时，控制装置20首先通过控制温度控制装置19的动作(图4所示的操作1)，从而降低在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下运行的状态(图4所示的状态1)的燃料电池11的温度Tcell，直到燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致(步骤S1以及图4所示的状态2)。在该图4所表示的状态2中，控制装置20不切断燃料电池11与外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电，一边根据露点传感器21c以及温度传感器22的输出信号，判定燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc是否一致(步骤S2)。
在步骤S2中，在判定了燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc不相一致的情况下(在步骤S2中为NO)，控制装置20在使燃料电池11继续放电的状态下，继续步骤S1所表示的控制直至燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致为止。另一方面，在步骤S2中，在判定了燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致的情况下(在步骤S2中为YES)，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边使温度控制装置19的冷却动作停止(步骤S3以及图4所表示的操作2)，维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(步骤S4以及图4所表示的状态3)。在由该图4所表示的状态3中，燃料电池11的高分子电解质膜主要是通过利用氧化剂气体中所含有的水分而被充分地加湿，直至能够防止高分子电解质膜的劣化的状态为止。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。
在步骤S4中，在判定了测量时间Tm没有到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为NO)，控制装置20在使燃料电池11继续放电的状态下，进一步维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止。另一方面，在步骤S4中，在判定了测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11和外部负载的电连接(图4所表示的操作3)，使燃料电池11停止放电(步骤S5)，使燃料电池11处于开路状态(图4所表示的状态4)。
在该图4所表示的状态4中，由于成为了开路状态，燃料电池11的输出电压Vfc虽然如图4那样上升，但是燃料电池11的高分子电解质膜的湿润状态高于发电运行中的高分子电解质膜的湿润状态。
之后，控制装置20停止燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17的动作。另外，为了防止高分子电解质膜的干燥，例如，将加湿了的惰性气体封入燃料电池11的内部。然后，控制装置20停止燃料电池系统100的发电运行所涉及的全部的动作。
如此，在本实施方式中，从在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行时，控制装置20使燃料电池11的温度Tcell降低，使燃料电池11继续放电直至燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致为止，在燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致之后，停止对外部负载的放电。由此，在燃料电池11停止对外部负载的放电的开路状态下实现Tcell≤Tdc的相互关系，高分子电解质膜被充分地加湿，所以可以抑制高分子电解质膜的劣化，可以充分确保燃料电池11的耐久性。
以下就本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的动作的变形例，参照图2、图3以及图5加以说明。
在本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的动作的变形例中，仅在代替Tcell＝Tdc的条件而在满足Tcell＝Tda的条件之后停止燃料电池放电这一点上，与上述燃料电池系统的动作不同。即，本变形例所涉及的流程图是将图3所表示的流程图修正为在步骤S2中判定Tcell＝Tda的条件是否满足而得到的流程图。
图5是示意性地表示本发明的实施方式1所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
在停止燃料电池系统100的发电运行时，控制装置20通过控制温度控制装置19的动作(图5所表示的操作1)，而降低在低加湿运行条件之下运行的状态(图5所表示的状态1)的燃料电池11的温度Tcell，直至燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致为止(步骤S 1以及图5所表示的状态2)。在该图5所表示的状态2中，控制装置20不切断燃料电池11和外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电，一边根据露点传感器21a以及温度传感器22的输出信号，判定燃料电池11的温度Tcell是否与燃料气体的露点Tda相一致(步骤S2)。然后，如果判定燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致(在步骤S2中为YES)，则控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边停止温度控制装置19的冷却动作(步骤S3以及图5所表示的操作2)，维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(步骤S4以及图5所表示的状态3)。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。然后，在判定测量时间Tm到达了预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11和外部负载的电连接(图5所表示的操作3)，停止燃料电池11的放电(步骤S5)，使其为开路状态(图5所表示的状态4)。
如此，在本变形例中，从在低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行的时候，控制装置20降低燃料电池11的温度Tcell，使燃料电池11继续放电直至燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致为止，在燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致之后，停止对外部负载进行放电。由此，燃料电池11在对外部负载停止放电的开路状态下实现Tcell≤Tda＜Tdc的相互关系，高分子电解质膜被进一步加湿，所以可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
还有，在本实施方式中，关于由露点传感器21c(或者露点传感器21a)以及温度传感器22实际测定燃料电池11的温度Tcell以及氧化剂气体的露点Tdc(或者燃料气体的露点Tda)从而停止发电运行的方式作了说明，但是并不限定于该方式，也可以是根据表示预先测定的Tcell以及Tdc(或者Tda)的关系的时间图而停止发电运行的方式。这种方式也能够得到与本实施方式中获得的效果相同的效果。
另外，在本实施方式中，关于在测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd之后切断燃料电池11和外部负载的电连接的方式作了说明，但是并不限定于该方式，也可以是在燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda和氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点相一致之后立即切断燃料电池11和外部负载的电连接的方式。这种方式也能够得到与本实施方式获得的效果相同的效果。
另外，在本实施方式中，假定了在燃料电池系统100的发电运行中，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＜Tdc的相互关系，但是并不限定于该相互关系，也可以满足Tda＞Tdc或者Tda＝Tdc的相互关系。在此，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＞Tdc的相互关系的情况下，可以通过使燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致来抑制高分子电解质膜的劣化，而通过使燃料电池11的温度Tcell与氧化剂气体的露点Tdc相一致，能够更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。另外，燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc满足Tda＝Tdc的相互关系的情况下，通过使燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc相一致，可以抑制高分子电解质膜的劣化。也就是说，本发明是通过使燃料电池11的温度与燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点相一致而实现的。
(实施方式2)
本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的构造是与图1以及图2所表示的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造相同的。因此，在此，省略关于本实施方式所涉及的燃料电池系统的构造的说明。
关于本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的动作，参照图2、图6以及图7加以说明。
图6是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。
还有，图7是示意性地表示本发明的实施方式2所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
在停止燃料电池系统100的发电运行时，控制装置20通过控制温度控制装置19的动作(图7所表示的操作1)，而降低在低加湿运行条件之下运行的状态(图7所表示的状态1)的燃料电池11的温度Tcell，直至使燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致为止(步骤S 1以及图7所表示的状态2)。另外，在该图7所表示的状态2下，控制装置20降低燃料电池11的放电时的输出电流密度直至在上述的状态1下的放电时的输出电流密度以下为止(步骤S2以及图7所表示的操作2)。根据该图7所表示的操作2，燃料电池11的输出电压Vfc上升，同时减少伴随燃料电池11中的发电而产生的水的生成量。
接着，控制装置20根据露点传感器21a以及温度传感器22的输出信号，判定燃料电池11的温度Tcell是否与燃料气体的露点Tda相一致(步骤S3)。然后，在判定燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致的情况下(在步骤S3中为YES)，控制装置20停止温度控制装置19的冷却动作(步骤S4以及图7所表示的操作3)，维持燃料电池系统100的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(图7所表示的状态3)。在该图7所表示的状态3中，利用燃料气体和氧化剂气体中所含有的水分充分地加湿燃料电池11的高分子电解质膜。
接着，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S5)。然后，在判定测量时间Tm到达了预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S5中为YES)，控制装置20切断燃料电池11与外部负载的电连接并停止放电(步骤S6以及图7所表示的操作4)，从而使燃料电池11处于开路状态(图7所表示的状态4)。
之后，控制装置20在使燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17的动作停止之后，实施用于防止高分子电解质膜的干燥的上述的规定措施，停止燃料电池系统100的发电运行所涉及的全部动作。
如此，在本实施方式中，从在低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行的时候，控制装置20降低燃料电池11的温度Tcell，在燃料电池11的温度Tcell与燃料气体的露点Tda相一致之后，停止对外部负载进行放电。另外，控制装置20在使燃料电池11的温度Tcell降低时，把燃料电池11的放电时的输出电流密度降低至发电运行时的输出电流密度以下为止。由此，因为能够减少使燃料电池11的温度Tcell降低时的水的生成量，所以可以有效抑制由于在使燃料电池11的温度Tcell降低时有可能发生的液泛而引起的流路的水阻塞。
另外，在燃料电池系统中，通常伴随着燃料电池的温度的下降，在阳极以及阴极上的反应电阻会变大。也就是说，在燃料电池系统中，若在将放电时的输出电流密度保持一定的状态下降低燃料电池的温度，那么会发生燃料电池的输出电压变成0伏以下的所谓的换极现象。如果发生该换极现象，那么燃料电池的发电性能会显著下降。但是，在本实施方式中，因为在使燃料电池11的温度Tcell降低的时候，使燃料电池11的放电时的输出电流密度降低至发电运行时的输出电流密度以下为止，所以可以有效地抑制燃料电池11陷入换极的状态。由此，可以防止燃料电池11的发电性能的降低。
另外，关于其他方面，与实施方式1的情况相同。
(实施方式3)
首先，就本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造，参照图8加以说明。
本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造除了代替图2所表示的加湿器18而具备露点控制装置这一点以外，其余都与图1以及图2所表示的实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造相同。因此，在此，对本实施方式所涉及的燃料电池系统的构造与实施方式1所涉及的燃料电池系统的构造的不同点进行说明，省略有关共通的部分的说明。
图8是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的构造的框图。在图8中，仅仅图示了为了说明本发明而必要的构造要素，省略了有关其他的构成要素的图示。
如图8所示，本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统200具备露点控制装置24。该露点控制装置24根据需要分别控制从燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17供给的燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点。该燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点实质上是由露点控制装置24所具备的加湿器18a以及加湿器18c控制的。这些加湿器18a以及加湿器18c的动作是由露点控制装置24所具有的控制器23来控制的。然后，与实施方式1所涉及的燃料电池系统100的情况同样，露点分别被控制的燃料气体和氧化剂气体通过露点传感器21a以及露点传感器21c的检测点而被供给燃料电池11。还有，该控制器23的动作是被燃料电池系统200所具有的控制装置20所控制的。
另外，如图8所示，露点控制装置24具备三通阀25。该三通阀25的功能是：在没有必要调节从燃料气体供给装置16供给的燃料气体的露点的情况下，不将该燃料气体供给加湿器18a而是直接供给露点传感器21a。
以下就本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的动作，参照图8～图10加以说明。还有，在此，假定在燃料电池系统的发电运行中满足燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc为Tda＜Tdc的相互关系。
图9是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的流程图。还有，在图9中，仅仅图示了为了说明本发明所必要的步骤，省略了有关其他的步骤的图示。
另外，图10是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。还有，在图10中，仅仅图示了为了说明本发明所必要的操作，省略了有关其他的操作的图示。
在停止燃料电池系统200的发电运行时，控制装置20首先在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下运行燃料电池11的状态下(图10所表示的状态1)，通过控制露点控制装置24的动作(图10所表示的操作1)，使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc上升直至氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致为止(步骤S1以及图10所表示的状态2)。在该图10所表示的状态2中，控制装置20不切断燃料电池11和外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边根据露点传感器21c以及温度传感器22的输出信号，判定氧化剂气体的露点Tdc是否与燃料电池11的温度Tcell相一致(步骤S2)。
具体是，在该步骤S2中，在判定氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell不相一致的情况下(在步骤S2中为NO)，在控制装置20使燃料电池11继续放电的状态下，继续图9的步骤S1所表示的控制直至氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致为止。另一方面，在步骤S2中，在判定氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致的情况下(在步骤S2中为YES)，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边停止利用露点控制装置24进行的露点Tda以及Tdc的上升(步骤S3以及图10所表示的操作2)，维持燃料电池系统200的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指点时间Tpd为止(步骤S4以及图10所表示的状态3)。在该图10所表示的状态3中，燃料电池11的高分子电解质膜主要通过利用氧化剂气体中所含有的水分，而被充分加湿直至能够防止高分子电解质膜的劣化的状态。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。
在步骤S4中，在判定测量时间Tm没有到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为NO)，控制装置20在使燃料电池11继续放电的状态下，进一步维持燃料电池系统200的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止。另一方面，在步骤S4中，在判定测量时间Tm到达了预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11与外部负载的电连接(图10所表示的操作3)，使燃料电池11停止放电(步骤S5)，使燃料电池11处于开路状态(图10所表示的状态4)。
之后，控制装置20停止燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17的动作。另外，为了防止高分子电解质膜的干燥，与实施方式1的情况相同，将加湿了的惰性气体封入燃料电池11的内部。然后，控制装置20停止燃料电池系统200的发电运行所涉及的全部的动作。
如此，在本实施方式中，从在满足Tcell＞Tda并且Tcell＞Tdc的相互关系的低加湿运行条件之下使燃料电池11进行运行的状态到停止发电运行时，控制装置20使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc上升，使燃料电池11继续放电直至氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致为止，在氧化剂气体的露点Tdc与燃料电池11的温度Tcell相一致之后停止对外部负载的放电。由此，在燃料电池11停止对外部负载的放电的开路状态下实现Tcell≤Tdc的相互关系，高分子电解质膜被充分地加湿，所以可以充分确保燃料电池11的耐久性。
以下就本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的动作的变形例，参照图8、图9以及图11加以说明。
在本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的动作的变形例中，仅在代替Tcell＝Tdc的条件而满足Tcell＝Tda的条件之后停止燃料电池放电这一点上，与上述燃料电池系统的动作不同。即，本变形例所涉及的流程图是将图9所表示的流程图修正为在步骤S2中判定是否满足Tcell＝Tda的条件而得到的流程图。
图11是示意性地表示本发明的实施方式3所涉及的燃料电池系统的特征性的动作的变形例中的燃料电池的温度Tcell、燃料气体的露点Tda、氧化剂气体的露点Tdc以及燃料电池的输出电压Vfc的变化的时间图。
在停止燃料电池系统200的发电运行时，在低加湿运行条件之下运行燃料电池11的状态(图11所表示的状态1)下，控制装置20通过控制露点控制装置24的动作(图11所表示的操作1)，使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc上升直至燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致为止(步骤S1以及图11所表示的状态2)。在该图11所表示的状态2下，控制装置20不切断燃料电池11与外部负载的电连接，而使燃料电池11继续放电。
接着，控制装置20一边使燃料电池11继续放电，一边根据露点传感器21a以及温度传感器22的输出信号，判定燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell是否相一致(步骤S2)。然后，在判定燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致的情况下(在步骤S2中为YES)，控制装置20一边使燃料电池11继续放电一边停止利用露点控制装置24进行的露点Tda以及Tdc的提高(步骤S3以及图11所表示的操作2)，维持燃料电池系统200的运行状态直至测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd为止(步骤S4以及图11所表示的状态3)。
具体是，控制装置20判定测量时间Tm是否到达预先设定的指定时间Tpd(步骤S4)。然后，在判定测量时间Tm到达预先设定的指定时间Tpd的情况下(在步骤S4中为YES)，控制装置20切断燃料电池11与外部负载的电连接(图11所表示的操作3)，停止燃料电池11的放电(步骤S5)，从而使其为开路状态(图11所表示的状态4)。
如此，在本变形例中，从在低加湿运行条件之下使燃料电池11运行的状态到停止发电运行的时候，控制装置20提高燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc，使燃料电池11继续放电直至燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致为止，在燃料气体的露点Tda与燃料电池11的温度Tcell相一致之后，停止对外部负载进行放电。由此，燃料电池11在对外部负载停止放电的开路状态下实现Tcell≤Tda＜Tdc的相互关系，高分子电解质膜被进一步加湿，所以可以更加有效地抑制高分子电解质膜的劣化。
也就是说，在本实施方式中，通过使燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点与燃料电池11的温度Tcell相一致，从而能够获得与实施方式1的情况相同的效果。
在本实施方式中，对在停止燃料电池系统200的发电运行时提高燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc二者的方式作了说明，但是并不限定于该方式，也可以是提高燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的露点的方式。例如，在仅仅提高氧化剂气体的露点Tdc的情况下，控制装置20通过控制三通阀而把从燃料气体供给装置16所供给的燃料气体直接供给露点传感器21a。还有，在仅仅提高燃料气体的露点Tda的情况下，控制装置20通过控制控制器23从而控制加湿器18c的动作，由此不调节从氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体的露点而供给露点传感器21c。这种方式也能够获得与本实施方式得到的效果相同的效果。
另外，在本实施方式中，设想并说明了利用商用电力等的外部电力控制露点控制装置24所具备的加湿器的温度从而控制燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者的方式，但是并不限定于这样的方式。例如，也可以是以下方式：通过改变从燃料气体供给装置16供给燃料电池11的燃料气体的流量和温度中的至少1个条件，而控制露点控制装置24的加湿器的温度，由此控制燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者。另外，同样可以是以下方式：通过改变从氧化剂气体供给装置17供给燃料电池11的氧化剂气体的流量和温度中的至少1个条件，而控制露点控制装置24的加湿器的温度，由此，控制燃料气体的露点Tda以及氧化剂气体的露点Tdc中的至少一者。还有，也可以是改变燃料气体和氧化剂气体的二者的流量和温度中的至少1个条件的方式。这种方式也能够获得与本实施方式得到的效果相同的效果。
还有，关于其他的要点，与实施方式1～2的情况相同。
以上，根据本发明，在低加湿运行条件之下运行的燃料电池系统在停止发电运行时，在切断与外部负载的电连接而成为开路状态之前充分加湿了燃料电池的高分子电解质膜，所以能够解决燃料电池的发电性能随着时间推移而降低的问题。由此，能够提供可以防止以低加湿运行条件运行的高分子电解质型燃料电池在向开路状态过渡时的高分子电解质膜的劣化的具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法。
还有，在实施方式1～3中，说明了在切断燃料电池与负载的电连接之前控制装置控制温度控制装置以及露点控制装置中的任意一者而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式。但是，并不限定于如此的方式。例如可以是以下方式，在切断燃料电池与负载的电连接之前，控制装置控制温度控制装置以及露点控制装置二者而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致。根据这样的方式，可以大幅度地缩短直至使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致为止的待机时间。
另外，在控制装置控制温度控制装置而使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式中，优选燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点各自不会随着时间而发生变化。根据这种方式，可以缩短直至使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致为止的待机时间。在此，作为露点控制装置的加湿器，可以使用起泡器(bubbler)。所谓的起泡器是将燃料气体或者氧化剂气体通过温水中进行加湿的加湿器。在该起泡器中，燃料气体或者氧化剂气体被加湿成具有与温水的温度相同的露点。作为用于驱动起泡器的热源，可以使用冷却燃料电池的冷却介质、加热器以及重整器的燃烧废气。于是，通过使用起泡器作为露点控制装置的加湿器，容易使燃料气体的露点保持恒定，同时容易使氧化剂气体的露点保持恒定。由此，在相对比较简单的构成之下，容易缩短直至使燃料电池的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致为止的待机时间。
这样，在实施方式1～3中，关于本发明所涉及的燃料电池系统100、200的基本构成以及其特征性的动作，作了详细说明。
具体是，在实施方式1～3中，说明了利用露点传感器21a和露点传感器21c检测燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点的方式。另外，在实施方式1～3中，说明了：利用温度控制装置19降低燃料电池11的温度而使燃料电池11的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式，以及利用露点控制装置24分别提高燃料气体和氧化剂气体的露点而使燃料电池11的温度与燃料气体和氧化剂气体中的至少一者的露点相一致的方式。
可是，通过在燃料电池系统100、200中构筑恰当的构造，可以不配设露点传感器21a和露点传感器21c而准确地检测燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点。另外，通过在燃料电池系统100、200中构筑恰当的构造，可以不配设露点控制装置24而准确地提高燃料气体的露点以及氧化剂气体的露点。
以下分别就支持实施方式1～3的用于检测露点的其他的方式以及用于控制露点的其他的方式进行说明。
(实施方式4)
图12是示意性地表示本发明的实施方式4所涉及的燃料电池系统的构造的框图。还有，在图12中，仅图示了为了说明本发明而必要的构成要素，省略了关于其他的构成要素的图示。
如图12所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统300的构造在不具备露点传感器21a、21c这一点上，与实施方式1所表示的燃料电池系统100的构造不同。另外，如图12所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统300的构造在具备将从氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体利用从燃料电池11的氧化剂气体排出部15所排出的剩余的氧化剂气体(以下把该剩余的氧化剂气体称作为“排出的氧化剂气体”)进行加湿的全换热器26代替加湿器18这一点上，不同于实施方式1所表示的燃料电池系统100的构造。还有，关于其他的要点，燃料电池系统300的构造与实施方式1所表示的燃料电池系统100的构造相同。
首先分别就用于检测燃料气体的露点Tda的方式以及用于控制燃料气体的露点Tda的方式进行说明。
在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，供给燃料电池11的燃料气体的露点Tda是根据燃料气体供给装置16的动作条件计算出来的。
具体说明，就是在本实施方式中，预先将表示S/C(蒸汽碳比)和水蒸气重整反应的反应温度以及燃料气体的露点Tda之间关系的数据存储到燃料电池系统300中的控制装置20的存储器中。在此，S/C根据燃料电池系统300的运行条件，预先设定于控制装置20中。因此，根据本实施方式，利用现有的温度检测器检测燃料气体供给装置16中的水蒸气重整反应的反应温度(重整催化剂的温度)，由此不使用图1所表示的露点传感器21a就能够容易地计算出燃料气体的露点Tda。
另一方面，在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，在考虑转化率等的同时改变燃料气体供给装置16中的S/C，从而能够任意地控制供给燃料电池11的燃料气体的露点Tda。
图13是示意性地表示每个水蒸气重整反应的反应温度下的燃料气体供给装置中生成的燃料气体的露点与S/C的关系的相关图。
如图13所示，通过改变燃料气体供给装置16中的S/C，可以任意地控制在该燃料气体供给装置16中生成的燃料气体的露点Tda。例如，在将水蒸气重整反应的反应温度控制在660℃的情况下，通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在2可以将燃料气体的露点Tda控制在大约30℃；通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在5可以将燃料气体的露点Tda控制在大约77℃。另外，在将水蒸气重整反应的反应温度控制在630℃的情况下，通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在2可以将燃料气体的露点Tda控制在大约42℃；通过把燃料气体供给装置16中的S/C设定在5可以将燃料气体的露点Tda控制在大约79℃。在此，燃料气体供给装置16中的S/C的控制是根据基于燃料气体供给装置16的动作条件而计算出的燃料气体的露点Tda和燃料电池的温度Tcell的比较而适当进行的。
以下分别说明用于检测氧化剂气体的露点Tdc的方式以及用于控制氧化剂气体的露点Tdc的方式。
图14是示意性地表示用于计算出由全换热器进行加湿的氧化剂气体的露点的构成的解说图。
如图12以及图14所示，在本实施方式中，在全换热器26中，在由氧化剂气体供给装置17所供给的氧化剂气体和从燃料电池11的氧化剂气体排出部15排出的排出的氧化剂气体之间进行全热交换。在此，如图14所示，把从燃料电池11的氧化剂气体排出部15排出的排出的氧化剂气体的水蒸汽量作为P1，把在全换热器26中用于氧化剂气体的加湿的排出的氧化剂气体的水蒸汽量作为P2。另外，把由氧化剂气体供给装置17所供给的氧化剂气体的水蒸汽量作为P3，把在全换热器26中被加湿的氧化剂气体的水蒸汽量作为P4。再有，把通过全换热器26的图14中未图示的全热交换膜的水量作为W1，把燃料电池11中生成的水量作为Wg。
在燃料电池11的氧化剂气体侧所生成的水量Wg的一部分透过高分子电解质膜而向燃料气体侧反向扩散。即，在燃料电池内追加于燃料气体侧的水量(燃料气体侧生成水量)Wga是作为Wg和θ(反向扩散率)之积来计算出的，在燃料电池内追加于氧化剂气体侧的水量(氧化剂气体侧生成水量)Wgc是作为Wg和(1-θ)之积来计算出的。还有，θ(反向扩散率)根据使用于燃料电池11中的高分子电解质膜的性质而不同，但是可以将预先测定的值作为常数来使用。
在此情况下，如图14的(1)式所示，水蒸汽量P1是作为水蒸汽量P4和氧化剂气体侧生成水量Wgc之和来计算出的。即，如(1)式所示，水蒸汽量P1是作为水蒸汽量P3、通过水量W1以及生成水量Wg与(1-θ)之积的和来计算出的。另外，如图14的(2)式所示，水蒸汽量P2是作为水蒸汽量P1与通过水量W1之差来计算出的。即，如(2)式所示，水蒸汽量P2是作为水蒸汽量P3与氧化剂气体侧生成水量Wgc之和来计算出的。还有，如图14的(3)式所示，水蒸汽量P3严格地来说应该使用实测值，但是基于室温中的饱和水蒸汽量非常少的情况，所以近似于常数α。还有，如图14的(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3与通过水量W1之和来计算出的。在此，通过水量W1是作为常数β(加湿器的全热交换膜的面积)、常数γ(水蒸汽透过系数)以及对数平均水蒸汽分压差D之积来计算出的。即，如(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3加上常数β、常数γ以及对数平均水蒸汽分压差D之积的和来计算出的。
因此，在本实施方式所涉及的燃料电池300中，供给燃料电池11的氧化剂气体的水蒸汽量P4是由(1)式～(4)式、常数α以及生成水量Wg(可以由燃料电池11的运行条件计算出生成水量Wg)计算出的。在此，生成水量Wg例如使用高分子电解质膜的面积和电流密度计算出来。于是，根据本实施方式，基于该计算出的水蒸汽量P4，可以不使用图1所表示的露点传感器21c而容易地计算出供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。
另一方面，在本实施方式所涉及的燃料电池系统300中，通过控制电流密度而改变燃料电池11中的生成水量Wg，能够任意地控制供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。还有，通过控制装置20控制连接于燃料电池11的逆变器(inverter)，能够容易地控制电流密度。
另外，关于其他的要点，与实施方式1～3的情况相同。
(实施方式5)
图15是示意性地表示本发明的实施方式5所涉及的燃料电池系统的构造的框图。在图15中，仅图示了为了说明本发明所必要的构成要素，省略了关于其他的构成要素的图示。
如图15所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统400的构造在不具备露点传感器21a、21c这一点上，与实施方式1所示的燃料电池系统100的构造不同。另外，如图15所示，本实施方式所涉及的燃料电池系统400的构造在具备将从氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体利用从燃料电池11排出的冷却介质(以下设该冷却介质为“冷却水”)进行加湿的温水加湿器27来替换加湿器18这一点上，不同于实施方式1所示的燃料电池系统100的构造。还有，关于其他的要点，燃料电池系统400的构成与实施方式1所示的燃料电池系统100的构成相同。
在本实施方式中，用于检测燃料气体的露点Tda的方式以及用于控制燃料气体的露点Tda的方式分别与实施方式4所示的方式相同。因此，在此，省略有关用于检测燃料气体的露点Tda的方式以及用于控制燃料气体的露点Tda的方式的说明。
以下分别就用于检测氧化剂气体的露点Tdc的方式以及用于控制氧化剂气体的露点Tdc的方式进行说明。
图16是示意性地表示用于计算出由温水加湿器进行加湿的氧化剂气体的露点的构成的解说图。
如图15以及图16所示，在本实施方式中，在温水加湿器27中，由氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体被从燃料电池11排出的冷却水加湿。在此，如图16所示，把从燃料电池11排出的冷却水的温度T1下的饱和水蒸汽量作为P1，把在温水加湿器27中用于氧化剂气体的加湿的冷却水的温度T2下的饱和水蒸汽量作为P2。还有，把由氧化剂气体供给装置17供给的氧化剂气体的水蒸汽量作为P3，把在温水加湿器27中加湿的氧化剂气体的水蒸汽量作为P4。再有，把通过温水加湿器27的在图16中未图示的加湿膜的水量作为W1，把燃料电池11的冷却水的出口处的冷却水的温度作为T1，把燃料电池11的冷却水的入口处的冷却水的温度作为T2。
在此情况下，如图16的(1)式以及(2)式所示，水蒸汽量P1以及水蒸汽量P2可作为温度T1下的饱和水蒸汽量S1以及温度T2下的饱和水蒸汽量S2来进行测定。还有，如图16的(3)式所示，水蒸汽量P3虽然与实施方式4的情况同样严格地来说应该使用实测值，但是基于室温下的饱和水蒸汽量非常少的情况，近似于常数α。另外，如图16的(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3与通过水量W1之和来计算出的。在此，与实施方式4的情况相同，通过水量W1是作为常数β(加湿器的全热交换膜的面积)、常数γ(水蒸汽透过系数)以及对数平均水蒸汽分压差D之积来计算出的。即，如(4)式所示，水蒸汽量P4是作为水蒸汽量P3与常数β、常数γ以及对数平均水蒸汽分压差D之积的和来计算出的。
因此，在本实施方式所涉及的燃料电池系统400中，供给燃料电池11的氧化剂气体的水蒸汽量P4是由(1)式～(4)式、常数α、温度T1以及温度T2(温度T1、T2可以测定)计算出的。于是，根据本实施方式，基于该计算出的水蒸汽量P4，可以不使用图1所表示的露点传感器21c而能够容易地计算出供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。
还有，与实施方式4的情况相同，如图14的(2)式所示，水蒸汽量P2可以作为水蒸汽量P1与透过水量W1之差来计算出。即，如图14的(2)式所示，水蒸汽量P2可以作为水蒸汽量P3与氧化剂气体侧生成水量Wgc之和来计算出。由此，供给燃料电池11的氧化剂气体的水蒸汽量P4是由(1)式～(4)式、常数α以及温度T1计算出的。
另一方面，在本实施方式所涉及的燃料电池400中，通过控制冷却水的流量、放热器上的放热量以及电流密度而改变从燃料电池11排出的冷却水的温度T1，能够任意地控制供给燃料电池11的氧化剂气体的露点Tdc。还有，电流密度与实施方式4的情况相同，通过控制装置20控制连接于燃料电池11的逆变器，能够容易地进行控制。
另外，关于其他的要点，与实施方式1～4的情况相同。
以上，根据实施方式4和5，可以不配设图1所表示的露点传感器21a和露点传感器21c而准确地检测燃料气体的露点Tda和氧化剂气体的露点Tdc。另外，根据实施方式4和5，可以不配设图1所表示的露点控制装置24而准确地提高燃料气体的露点Tda和氧化剂气体的露点Tdc。还有，在实施方式4和5中，例示了由全换热器26或者温水加湿器27加湿从氧化剂气体供给装置供给的氧化剂气体的方式，但是并不限定于这样的方式。例如，可以是由全换热器26或者温水加湿器27加湿从燃料气体供给装置16供给的燃料气体的方式。还有，可以是由全换热器26或者温水加湿器27分别加湿从燃料气体供给装置16以及氧化剂气体供给装置17供给的燃料气体和氧化剂气体二者的方式。在该情况下，只要将氧化剂气体的水蒸气量P3(常数α)换成燃料气体的水蒸气量P3(常数α)即可。还有，只要把氧化剂气体侧生成水量Wgc换作燃料气体侧生成水量Wga即可。
还有，使用与实施方式4相同的氢生成装置作为燃料气体供给装置16并由全换热器26或者温水加湿器27进一步加湿生成的燃料气体的情况下，与实施方式4同样，燃料气体的水蒸气量P3可以基于燃料气体供给装置的动作条件计算出。另外，使用氢气瓶作为燃料气体供给装置16并由全换热器26或者温水加湿器27加湿燃料气体的情况下，可以把燃料气体的水蒸气量P3近似为零。
产业上的可利用性
本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法作为能够防止以低加湿运行条件运行的高分子电解质型燃料电池在向开路状态过渡时的高分子电解质膜的劣化的具备优良的耐久性的燃料电池系统以及其运行方法，可以在产业上利用。
另外，本发明所涉及的燃料电池系统以及其运行方法在要求高输出特性的同时要求短时间启动的电动汽车的动力电源和要求长期可靠性的家庭用热电联供系统等的用途方面，可以在产业上利用。