JP4835001B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池は、通常、複数のセルが積層された構成となっている。そして、単セルは、例えば、電解質膜の両側に空気極と燃料極とが配置され、さらに、これらが、酸化剤ガスや燃料ガスの通路を兼ねたセパレータによって狭持された構成となっている。通常、酸化剤ガスとしては、空気が用いられ、燃料ガスとして水素ガスが用いられている。

また、燃料電池の出力は、燃料電池に供給される空気中の酸素濃度によって決まる。したがって、燃料電池の出力を向上させるためには、供給される空気中の酸素濃度を向上させれば良い。

そして、従来では、燃料電池に供給される空気中の酸素濃度を向上させる方法として、何らかの手段を用いて純酸素を生成し、この生成した純酸素を空気に加える方法（例えば、特許文献１、２参照）や、空気供給量を増加させる方法（例えば、特許文献３参照）がある。
特開２００３−２２９１６５号公報 特開平１０−３２１２４９号公報 特開２００３−２１７６２４号公報

しかし、上記した前者の方法では、純酸素を生成するための手段が複雑であったり、この手段の搭載スペースを確保する必要が生じたりするという問題が生じる。一方、上記した後者の方法では、空気供給量を増加させるためにコンプレッサ等の消費電力を増加させる必要が生じ、燃料電池システム全体の効率が低下するという問題が生じる。

なお、セルの空気通路内を流れる空気中の酸素濃度は、セルの空気通路内では空気出口近傍が最も低い。これは、空気が空気通路内を入口から出口に向かって流れる際に、空気中の酸素が発電のために消費されることから、空気中の酸素が次第に減少し、一方、発電により生成した水が水蒸気となって、空気通路内を流れる空気に含まれることから、空気中に含まれる水蒸気量が次第に増加するためである。

したがって、燃料電池の出力向上を図るには、空気通路内の空気出口近傍での空気中の酸素濃度を向上させることが効果的であると考えられる。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池システムへの特別な機器の追加や、燃料電池システム全体の消費電力の増加をしない場合であっても、燃料電池の出力を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１〜５に記載の発明では、電解質と、電解質の一方の面に配置された燃料極と、電解質の他方の面に配置された空気極と、燃料極および空気極を両側から挟み込むセパレータと、燃料極側に配置されたセパレータの燃料極と接する側の面に設けられ、燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、空気極側に配置されたセパレータの空気極と接する側の面に設けられ、空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）と、空気極側に配置されたセパレータの空気極と接する側の面とは反対側の面に設けられ、冷媒が流れる冷媒通路（２５）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段（５、６）と、判定手段（３２）と、出力手段（３３）とを備えることを特徴としている。

判定手段（３２）は、空気通路（２４）内の空気出口（２２ｅ）近傍における空気の酸素濃度を向上させることが必要か否かを判定し、出力手段（３３）は、判定手段（３２）が必要と判定した場合に、空気通路（２４）の空気出口（２２ｅ）近傍の温度が空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、冷媒の温度を変更する旨の指示信号を、冷媒温度調整手段（５、６）に向けて出力するようになっている。

これにより、空気通路内の出口近傍において、空気中の水蒸気を凝縮させ、空気中に含まれる水蒸気の量を減少させることができる。この場合、空気中の酸素のモル数が変わらなくても、空気全体を構成する気体のモル数が減少するので、空気通路内の出口近傍における空気中を占める酸素の濃度を向上させることができる。

また、本発明では、冷媒温度調整手段として、従来の燃料電池システムが有するものをそのまま用いることができる。

したがって、本発明によれば、従来の燃料電池システムが有する冷媒温度小生手段を用いることで、燃料電池システムへの特別な機器の追加や、燃料電池システム全体の消費電力の増加をしない場合であっても、燃料電池の出力を向上させることができる。

判定手段は、請求項１〜５に示すように、判定することができる。

すなわち、請求項１に示すように、セル（２０）のうち、空気通路（２４）の出口近傍の領域（２７）における発電電流を測定する局所電流測定手段（１１）を有する場合では、判定手段（３２）は、局所電流測定手段（１１）の局所電流測定値が電流しきい値より小さい場合、あるいは、局所電流測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することができる。

また、請求項２に示すように、複数のセル（２０）の総発電電流を測定する総電流測定手段（１２）を有する場合では、判定手段（３２）は、総電流測定手段（１２）の総電流測定値が電流しきい値より小さい場合、あるいは、総電流測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することができる。

また、請求項３に示すように、セル（２０）の発電電圧を測定するセル電圧測定手段（１３）を有する場合では、判定手段（３２）は、セル電圧測定手段（１３）のセル電圧測定値が電圧しきい値より小さい場合、あるいは、セル電圧測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することができる。

また、請求項４に示すように、複数のセル（２０）の総発電電圧を測定する総電圧測定手段（１４）を有する場合では、判定手段（３２）は、総電圧測定手段（１４）の総電圧測定値が電圧しきい値より小さい場合、あるいは、総電圧測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することができる。

また、請求項５に示すように、車両の走行負荷状態予測手段（１５）を有する場合では、 判定手段（３２）は、走行負荷状態予測手段（１５）が走行負荷の上昇を予測した場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することができる。

走行負荷状態予測手段としては、例えば、カーナビゲーションシステムを用いることができる。

請求項６に記載の発明では、セル（２０）内において、冷媒通路（２５）の上流側部分（２５ａ）が、空気通路（２４）の下流側部分（２４ａ）に対向して配置されていることを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明では、セル（２０）内において、冷媒通路（２５）の冷媒入口（２２ｃ）が、空気通路（２４）の空気入口（２２ｂ）よりも空気出口（２２ｅ）に近い位置に配置されていることを特徴としている。

これにより、空気通路の下流側部分、すなわち、空気出口近傍を他の部位よりも優先して冷却することができる。この結果、本発明によれば、冷媒通路の冷媒入口が、空気通路の空気出口から離れた位置に配置されている場合と比較して、空気通路の空気出口近傍での温度制御を容易に実行することができる。

したがって、例えば、空気通路の出口近傍の温度を空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度にしたい場合に、冷媒によって、空気通路の出口近傍の温度を凝縮可能な温度に制御することが容易となる。

また、常にこのような位置関係でなくてもよく、少なくとも、空気通路の出口近傍の温度を凝縮可能な温度とするように、通常温度よりも低温とされた冷媒が燃料電池内に投入される場合に、このような位置関係となっていればよい。例えば、発明の詳細な説明の欄で説明するように、通常運転時では、このような位置関係でなくても、空気通路の出口近傍の温度を凝縮可能な温度とするように、通常温度よりも低温とされた冷媒が燃料電池内に投入される場合に、冷媒経路に設けられた切替バルブやウォーターポンプによって、冷媒の流れる向きを変えることで、このような位置関係とすることもできる。

また、請求項８に記載の発明では、セル（２０）は、冷媒通路（２５）に冷媒が導入される冷媒入口（２２ｃ）を複数有し、複数の冷媒入口（２２ｃ）のうちの１つは、空気通路（２４）の空気入口（２２ｂ）よりも空気出口（２２ｅ）に近い位置に配置され、複数の冷媒入口（２２ｃ）のうちの他の１つは、空気通路（２４）の空気出口（２２ｅ）よりも空気入口（２２ｂ）に近い位置に配置されており、複数の冷媒入口（２２ｃ）から、空気通路（２４）の空気出口（２２ｅ）近傍の温度を空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、通常温度よりも低温とされた冷媒が導入されるようになっていることを特徴としている。

これにより、空気通路の空気入口近傍も、空気出口と同様に、他の部位に優先して冷却することができる。これにより、空気通路の空気入口近傍において、飽和蒸気圧を下げることで、空気の相対湿度を上昇させることができる。この結果、空気入口近傍において、電解質が乾燥するのを抑制することができる。

また、請求項９に示すように、空気通路（２４）のレイアウトを、互いに平行な複数の第１の通路（４１〜４４）を有し、空気入口（２２ｂ）から導入された空気が、複数の第１の通路（４１〜４４）内を、空気出口（２２ｅ）に向かって、同一方向に空気が流れるレイアウトとする。一方、冷媒通路（２５）のレイアウトを、空気通路（２４）の第１の通路（４１〜４４）と平行である複数の第２の通路（５１〜６０）を有し、冷媒入口（２２ｃ）から導入された冷媒が、複数の第２の通路（５１〜６０）内を、空気の流れる方向と反対方向に流れるレイアウトとすることもできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池としての燃料電池スタック１と、制御部２と、冷却水経路３とを備えている。

また、図示しないが、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給される水素ガスが流れる水素供給経路と、燃料電池スタック１から排出された水素ガスが流れる水素排出経路と、燃料電池スタック１に供給される空気が流れる空気供給経路と、燃料電池スタック１から排出された空気が流れる空気排出経路とを備えている。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１として、例えば、固体高分子電解質型の燃料電池を用いている。

冷却水経路３は、燃料電池スタック１の内部を冷却する冷媒としての冷却水が流れる経路である。冷却水経路３は、燃料電池スタック１の冷却水入口１ｃと冷却水出口１ｆに接続されている。

冷却水経路３には、ウォーターポンプ４と、ラジエータ５と、ファン６と、ラジエータバイパス経路７と、第１の温度センサ８と、第２の温度センサ９とが配置されている。

ウォーターポンプ４によって、冷却水が燃料電池スタック１内に循環供給され、ラジエータ５、ファン６によって、冷却水経路３を流れる冷却水の温度が調整されるようになっている。ウォーターポンプ４、ファン６は、制御部２から作動指示信号が入力され、この作動指示信号を受けて作動するようになっている。なお、ラジエータ５、ファン６が本発明の冷媒温度調整手段に相当する。

ラジエータバイパス経路７は、冷却水経路３内に配置された温調弁１０を介して、冷却水経路３に接続されている。ラジエータバイパス経路７は、冷却水を特に冷却する必要がない場合に、利用される。

第１の温度センサ８は、冷却水経路３のうち、燃料電池スタック１の冷却水入口１ｃの近傍に配置されており、燃料電池スタック１に投入される冷却水の温度を測定するものである。第２の温度センサ９は、冷却水経路３のうち、燃料電池スタック１の冷却水出口１ｆの近傍に配置されており、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を測定するものである。第１、第２の温度センサ８、９は、制御部２に向けて、測定結果を出力するようになっている。

次に、図２（ａ）に燃料電池スタック１の斜視図を示し、図２（ｂ）にこの燃料電池スタック１を構成する単セルの分解斜視図を示す。

燃料電池スタック１は、図２（ａ）に示すように、基本単位となる単セル２０が複数積層されたスタック構造となっている。積層されたセル２０は、電気的に直列接続されている。

そして、燃料電池スタック１の一方の側面には、燃料電池スタック１の内部に水素、空気、冷却水をそれぞれ導入するための水素入口１ａ、空気入口１ｂ、冷却水入口１ｃと、燃料電池スタック１の内部から外部に水素、空気、冷却水をそれぞれ排出するための水素出口１ｄ、空気出口１ｅ、冷却水出口１ｆとが設けられている。

水素入口１ａ、空気入口１ｂ、水素出口１ｄ、空気出口１ｅのそれぞれに、水素供給経路、空気供給経路、水素排出経路、空気排出経路が接続されている。また、冷却水入口１ｃおよび冷却水出口１ｆに冷却水経路３が接続されている。

セル２０は、図２（ｂ）に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode assembly）２１とこれを両側から挟み込むセパレータ２２とから構成されている。

セパレータ２２は、ガスが透過しない導電性部材、例えば、カーボン材で形成されている。また、セパレータ２２は、セル２０の内部に、水素、空気、冷却水をそれぞれ導入するための水素入口２２ａ、空気入口２２ｂ、冷却水入口２２ｃと、セル２０の内部から外部に水素、空気、冷却水をそれぞれ排出するための水素出口２２ｄ、空気出口２２ｅ、冷却水出口２２ｆとが設けられている。冷却水入口２２ｃが本発明の冷媒入口に相当する。

なお、セパレータ２２の空気出口２２ｅと冷却水入口２２ｃとの位置関係については、冷却水入口２２ｃは、空気出口２２ｅに隣接して配置されている。

また、セパレータ２２には、燃料電池スタック１に供給された水素、空気、冷却水がそれぞれ流れる水素通路、空気通路、冷却水通路が設けられている。

ここで、図３（ａ）に、セパレータ２２に設けられている空気通路２４を示し、図３（ｂ）に、セパレータ２２に設けられている冷却水通路２５を示す。なお、図３（ａ）は、セパレータの空気極側の面を示す図であり、図３（ｂ）は、セパレータの空気極側の面とは反対側の面に設けられた冷却水通路を、セパレータの空気極側の面から示した図である。

水素通路は、セパレータ２２の燃料極と接する側の面に設けられた溝により、構成されている。そして、図示しないが、水素通路は、水素入口２２ａから水素出口２２ｄに向かって、水素ガスが流れるように、レイアウトされている。

空気通路２４は、セパレータ２２の空気極側の面、すなわち、空気極と接する側の面に設けられた溝により、構成されている。そして、空気通路２４は、図３（ａ）に示すように、空気入口２２ｂから空気出口２２ｅに向かって、空気が流れるように、レイアウトされている。

また、冷却水通路２５は、セパレータ２２の空気極側の面とは反対側の面に設けられた溝により構成されている。この冷却水通路２５が本発明の冷媒通路に相当する。そして、冷却水通路２５は、図３（ｂ）に示すように、冷却水入口２２ｃから冷却水出口２２ｆに向かって、冷却水が流れるように、レイアウトされている。なお、冷却水通路２５のうち上流側部分２５ａは、空気通路２４の下流側部分２４ａに対向して配置されている。

したがって、水素供給経路を流れる水素ガスは、燃料電池スタック１の水素入口１ａから燃料電池スタック１内に流入し、各セル２０の水素入口２２ａを積層方向に貫通するとともに、各セル２０の水素入口２２ａから水素通路を流れる。そして、水素ガスは、水素通路から各セル２０の水素出口２２ｄを介して、燃料電池スタック１の水素出口１ｄから水素排出経路に流出するようになっている。

同様に、空気供給経路を流れる空気は、燃料電池スタック１の空気入口１ｂから燃料電池スタック１内に流入し、各セル２０の空気入口２２ｂを積層方向に貫通するとともに、各セル２０の空気入口２２ｂから空気通路２４を流れる。そして、空気は、各セル２０の空気出口２２ｅを介して、燃料電池スタック１の空気出口１ｅから空気排出経路に流出するようになっている。

同様に、冷却水経路３を流れる冷却水は、燃料電池スタック１の冷却水入口１ｂから燃料電池スタック１内に流入し、各セル２０の冷却水入口２２ｃを積層方向に貫通するとともに、各セル２０の冷却水入口２２ｃから冷却水通路２５を流れる。そして、冷却水は、各セル２０の冷却水出口２２ｆを介して、燃料電池スタック１の冷却水出口１ｆから冷却水経路３に流出するようになっている。

セル２０のＭＥＡ２１は、図示しないが、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極（正極）として構成され、他方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極（負極）として構成されている。

空気極に酸素を含む空気が供給され、燃料極に水素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。また、このとき、空気極側では、水が生成する。
（燃料極）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（空気極）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２ ＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
また、図１、２（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の各セル２０間に、電流センサ板１１が配置されている。この電流センサ板１１が本発明の局所電流測定手段に相当する。電流センサ板１１は、セル２０の面の各領域における発電電流、すなわち、局所電流を測定するものである。本実施形態では、電流センサ板１１は、図３（ａ）に示すように、空気出口２２ｅの近傍の領域２７におけるセル２０の発電電流を測定するようになっている。

電流センサ板１１は、例えば、導電体により構成され、セルとセルとの間に、セル間を電気的に接続するように配置される導電部と、導電部を流れる電流を測定する電流センサにより構成される。そして、電流センサは、測定結果を制御部２に出力するようになっている。

制御部２は、上記したウォーターポンプ４、ファン６、温調弁１０を制御するものであり、図１に示すように、これらに対して、作動指示信号を出力する。また、制御部２は、図１に示すように、第１の温度センサ８、第２の温度センサ９から測定結果が入力されるようになっている。

また、制御部２は、後述する冷却水温度制御処理を実行するところである。制御部２は、図示しないが、記憶手段としてのメモリ部を備えている。このメモリ部には、後述の電流しきい値が記憶されている。なお、制御部２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路により構成されている。

次に、制御部２が実行する冷却水温度制御処理について説明する。図４に、制御部２が実行する冷却水温度制御処理のフローチャートを示す。この冷却水温度制御処理は、燃料電池スタック１の運転が開始されたときに、処理が開始され、所定の周期で実行される。なお、本実施形態と本発明の対応関係について、ステップ３２とステップ３３とが、それぞれ、本発明の判定手段と、出力手段とに相当する。

電流センサ板１１がセル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流を測定する。ステップ３１では、その測定結果が、電流センサ板１１から制御部２に入力される。

続いて、ステップ３２では、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、小さいか否かが判定される。なお、この電流しきい値は、あらかじめ、調査しておいたセル２０のＩＶ特性のマップから決定される。例えば、セル２０の全体における平均電流密度が０．７Ａ／ｃｍ^２のとき、電流しきい値を０．３Ａ／ｃｍ^２とすることができる。

空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍において空気中の酸素濃度が低下すると、セル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流量が低下する。この場合に、酸素濃度を向上させて、セル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流量を増加させる必要がある。

そこで、本実施形態では、このステップ３２で、セル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流が、電流しきい値よりも低いか否かを判定させることにより、空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるか、すなわち、セル２０における空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍の領域での出力を現時点よりも向上させることが必要か否かを、制御部２に判定させるようにしている。

そして、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、小さい（ＹＥＳ）と判断された場合、ステップ３３に進み、小さくない（ＮＯ）と判断された場合、本処理が終了される。

ステップ３３では、冷却水の温度を、通常温度Ｔ１から凝縮可能温度Ｔ２まで下げる旨の作動指示信号が、ファン６、温調弁１０に対して出力される。このとき、第１の温度センサ８から入力された測定温度を考慮して、ファン６に対して、制御部２から作動指示信号が出力される。

ここで、冷却水の通常温度Ｔ１とは、燃料電池スタック１の定常運転時の際に、通常、電解質膜が耐熱温度を超えないように、燃料電池スタック１内を所定の作動温度に維持するための温度である。通常温度Ｔ１は、例えば、８０℃である。

一方、凝縮可能温度Ｔ２とは、燃料電池スタック１の作動温度に対して、空気通路２４内の空気中に水蒸気が飽和している場合では、燃料電池スタック１の作動温度よりも単に低い温度である。すなわち、通常温度Ｔ１よりも低い温度である。また、燃料電池スタック１の作動温度に対して、空気通路２４内の空気中に水蒸気が飽和していない場合では、空気中の水蒸気が飽和の状態となる温度よりも低い温度である。

具体的には、凝縮可能温度Ｔ２を、第２の温度センサ９から入力された測定温度よりも、例えば、２０℃低い温度とすることができる。例えば、第２の温度センサ９が測定した温度が８０℃のとき、凝縮可能温度Ｔ２を６０℃とすることができる。

これにより、ファン６および温調弁１０によって、冷却水経路３を流れる冷却水の温度が、例えば、６０℃となる。

なお、凝縮可能温度Ｔ２は、温度が低すぎると、燃料電池スタック１の発電効率が低下してしまうため、空気通路２４内の空気中の水蒸気が凝縮する温度であって、かつ、燃料電池スタック１の発電効率が低下しすぎない温度であることが好ましい。そこで、凝縮可能温度Ｔ２の上限、下限を、それぞれ、例えば、６０℃、３０℃として、凝縮可能温度Ｔ２を３０℃〜６０℃の間の任意の温度とすることが好ましい。

ステップ３４では、再度、電流センサ板１１がセル２０の空気出口２２ｅ近傍の領域２７における発電電流を測定し、その測定結果が、電流センサ板１１から制御部２に入力される。

続いて、ステップ３５では、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、大きいか否かが判定される。

そして、入力された発電電流値が、あらかじめメモリ部に記憶されている電流しきい値よりも、大きい（ＹＥＳ）と判断された場合、ステップ３７に進み、大きくない（ＮＯ）と判断された場合、ステップ３６に進む。

ステップ３６では、一定時間待機される。その後、ステップ３４に戻る。

一方、ステップ３７では、冷却水の温度を、凝縮可能温度Ｔ２から通常温度Ｔ１に戻す旨の作動指示信号が、ファン６、温調弁１０に対して出力される。例えば、ファン６の作動を弱くしたり、温調弁１０により、ラジエータバイパス経路７に冷却水を流したりする旨の作動指示信号が出力される。これにより、燃料電池スタック１に投入される冷却水の温度が通常温度Ｔ１に戻され、冷却水温度制御処理の１つの周期が終了する。

次に本実施形態の主な特徴について説明する。

（１）以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、制御部２と、冷却水経路３とを備えている。燃料電池スタック１は、セル２０が複数積層されており、セル２０を構成するセパレータ２２には、空気通路２４と冷却水通路２５とが設けられている。また、冷却水経路３には、冷却水温度を調整するために、ラジエータ５、ファン６、第１の温度センサ８、ラジエータバイパス経路７、温調弁１０が配置されている。

そして、制御部２は、冷却水温度制御処理を実行するようになっており、ステップ３２で、電流センサ板１１が測定したセルの空気出口２２ｅの近傍領域２７における測定値がしきい値よりも小さいか否か判定し、小さいと判定した場合に、ステップ３３で、冷却水の温度を、通常温度Ｔ１から凝縮可能温度Ｔ２まで下げる旨の作動指示信号を出力するようになっている。このステップ３３によって、冷却水経路３を流れる冷却水の温度が凝縮可能温度Ｔ２となり、この温度の冷却水が燃料電池スタック１に投入されることとなる。

これにより、空気通路２４内の空気の温度を凝縮可能温度Ｔ２まで下げることができる。このように、空気通路２４内の空気の温度を、燃料電池スタック１の定常運転時の作動温度よりも、強制的に下げることで、空気の飽和蒸気圧を下げることができ、空気中に含まれる水蒸気を凝縮させることができる。

ここで、空気中の水蒸気量と、空気の酸素濃度との関係について説明する。図５に、酸素濃度を説明するための概念図を示す。空気中には主に酸素と窒素と水蒸気とが含まれている。そして、空気中の酸素のモル濃度は、酸素、窒素、水蒸気の総モル数に対する酸素のモル数である。

そして、図５に示すように、空気通路２４内の空気の温度が、例えば、８０℃から６０℃になった場合、水蒸気の一部が凝縮し、空気中の水蒸気のモル数が減少する。この場合、酸素のモル数が変わらなくても、空気全体を構成する気体のモル数が減少するので、空気中の酸素のモル濃度は、増加する。

したがって、本実施形態によれば、空気通路２４内の空気出口２２ｅの近傍における空気の酸素濃度を向上させることができる。このため、空気通路２４からＭＥＡ２１への酸素拡散性を向上させることができ、セル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７での発電電流を向上させることができる。

このことから、本実施形態によれば、セパレータ２２に設けられている空気通路２４内を流れる空気中の酸素濃度が、空気出口２２ｅ近傍において、低下することで、セル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７での出力が低下した場合に、セル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７での出力を向上させることができる。

なお、参考として、図６に、本実施形態の燃料電池システムにおいて、ステップ３３を実行したときにおけるセル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７での電流密度の測定結果を示す。図６に示すように、ステップ３３の実行後では、ステップ３３を実行しない従来と比較して、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍での酸素濃度が向上するため、セル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７での電流密度が増加していた。

（２）また、冷却水経路３、ラジエータ５、ファン６は、従来の燃料電池システムにおいても、備えられているものである。本実施形態では、これらを用いて、冷却水の温度を制御している。また、本実施形態では、空気の供給量を増加させなくても良い。

したがって、本実施形態によれば、従来の燃料電池システムに対して、酸素生成手段等の特別な機器を追加したり、コンプレッサ等を使用することによって燃料電池システム全体の消費電力を増加させたりすることなく、燃料電池スタック１の出力を向上させることができる。

（３）また、本実施形態では、セル２０内において、冷却水入口２２ｃが空気出口２２ｅに隣接して、かつ、冷却水通路２５のうちの上流側部分２５ａが、空気通路２４の下流側部分２４ａに対向して、セパレータ２２に配置されている。

これにより、空気通路２４の下流側部分２４ａ、すなわち、空気通路２４内の空気出口２２ｅの近傍を、空気通路２４の他の部位よりも優先して、冷却水により、冷却することができる。このため、本実施形態と異なり、冷却水入口２２ｃが、例えば、空気入口２２ｂに隣接している場合のように、空気出口２２ｅから離れた位置に配置されている場合と比較して、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍における温度制御を容易に実行することができる。

したがって、本実施形態によれば、冷却水入口２２ｃが空気出口２２ｅから離れた位置に配置されている場合と比較して、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍を、冷却水によって、凝縮可能な温度に容易に制御することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、セパレータ２２に設けられる冷却水入口２２ｃの数を１つとする場合を例として説明したが、本実施形態のように、冷却水入口２２ｃの数を２つにすることもできる。

図７（ａ）に、本実施形態におけるセパレータ２２に設けられている空気通路２４を示し、図７（ｂ）に、セパレータ２２に設けられている冷却水通路２５を示す。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図３（ａ）、（ｂ）に対応する図である。なお、図７（ａ）、（ｂ）では、図３（ａ）、（ｂ）と同様の構成部に、図３（ａ）、（ｂ）と同一の符号を付している。

本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、２つの冷却水入口２２ｃのうちの１つを、第１実施形態で説明したように、空気出口２２ｅに隣接させ、もう１つを空気入口２２ｂに隣接させて配置している。

そして、図７（ｂ）に示すように、冷却水通路２５を、セパレータ２２の図中上半分側を流れる通路と、図中下半分側を流れる通路に分けている。セパレータ２２の図中上半分側を流れる通路と、図中下半分側を流れる通路とは、各冷却水入口２２ｃから冷却水経路３を流れる冷却水が投入され、１つの冷却水出口２２ｆに向かって、冷却水が流れるレイアウトとなっている。このとき、各冷却水入口２２ｃに投入される冷却水の温度は、凝縮可能温度Ｔ２である。

具体的には、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、冷却水通路２５の図中下半分側の通路では、冷却水通路２５のうち上流側部分２５ａが、空気通路２４の上流側部分２４ｂに対向して配置されている。なお、図７（ａ）に示すように、本実施形態の空気通路２４は、図３（ａ）に示す空気通路２４のレイアウトに対して、冷却水入口２２ｃが追加されたことに伴って、わずかに変形されているが、図３（ａ）に示す空気通路２４とほぼ同様のレイアウトである。

このように、空気出口２２ｅだけでなく、空気入口２２ｂにも隣接させて、冷却水入口２２ｃを配置し、冷却水通路２５のうち上流側部分２５ａを、空気通路２４の上流側部分２４ｂに対向して配置することで、空気通路２４の空気入口２２ｂの近傍も、燃料電池スタック１の作動温度よりも低くして、飽和蒸気圧を下げることができ、空気中の水蒸気が凝縮温度にすることができる。

これにより、空気通路２４の空気入口２２ｂの近傍において、水蒸気を凝縮させ、空気の相対湿度を高めることができる。この結果、ＭＥＡ２１中の電解質膜の空気入口２２ｂ近傍の領域を湿潤状態に保ち、電解質膜の乾燥を防止することができる。

なお、本実施形態では、冷却水入口２２ｃの数を２つにした場合を例として説明したが、３つ以上の複数とすることもできる。この場合、複数の冷却水入口２２ｃのうちの少なくとも２つを、それぞれ、空気出口２２ｅと、空気入口２２ｂとに隣接させた配置とする。

（第３実施形態）
上記した各実施形態では、空気通路２４のレイアウトを、空気入口２２ｂから空気出口２２ｅまでの通路が１つであるレイアウトとする場合を例として説明したが、本実施形態のように空気入口２２ｂから空気出口２２ｅまでの通路を複数とすることもできる。

図８（ａ）に、本実施形態の第１の例におけるセパレータ２２に設けられている空気通路２４を示し、図８（ｂ）に、セパレータ２２に設けられている冷却水通路２５を示す。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図３（ａ）、（ｂ）に対応する図である。なお、図８（ａ）、（ｂ）では、図３（ａ）、（ｂ）と同様の構成部に、図３（ａ）、（ｂ）と同一の符号を付している。

図８（ａ）に示すように、空気通路２４は、互いに平行な４つの通路４１、４２、４３、４４を有し、これらの４つの通路４１〜４４に対して、それぞれ、空気入口２２ｂが設けられ、４つの空気入口２２ｂから導入された空気が、それら４つの通路４１〜４４内を、１つの空気出口２２ｅに向かって、同一方向に流れるレイアウトとなっている。

なお、４つの通路４１〜４４と、空気出口２２ｅとの間には、バッファ領域４５が設けられており、４つの通路４１〜４４を流れる空気は、バッファ領域４５で合流して、空気出口２２ｅに流れるようになっている。これらの４つの通路４１〜４４が本発明の複数の第１の通路に相当する。

空気通路２４をこのようなレイアウトとすることで、図３（ａ）に示す空気通路２４と比較して、空気通路２４で生じる圧力損失を小さくすることができる。これにより、燃料電池スタック１に空気を供給するための補機動力が同じである場合に、空気通路２４を流れる空気の流量を増加させることが可能となる。この結果、空気通路２４内の空気量、すなわち、酸素量を増加させることができ、セルの発電効率を向上させることができる。

空気通路２４をこのようなレイアウトとした場合では、冷却水通路２５を、図８（ｂ）に示すように、空気通路２４の４つの通路４１〜４４に平行である複数の通路５１〜６０を有し、冷却水入口２２ｃから導入された冷却水が、これらの複数の通路５１〜６０内を、４つの通路４１〜４４を流れる空気と正反対の方向に流れるレイアウトとすることができる。これらの複数の通路５１〜６０が本発明の複数の第２の通路に相当する。

また、本実施形態では、冷却水入口２２ｃは１つであり、冷却水出口２２ｆは２つである。冷却水入口２２ｃと複数の通路５１〜６０との間には、入口側バッファ領域６１が設けられており、冷却水入口２２ｃから導入された冷却水は、入口側バッファ領域６１から、複数の通路５１〜６０のそれぞれに分配される。また、複数の通路５１〜６０と２つの冷却水出口２２ｆとの間には、出口側バッファ領域６２が設けられており、複数の通路５１〜６０を流れる冷却水は、出口側バッファ領域６２で合流して、２つの冷却水出口２２ｆに分配されるようになっている。

また、本実施形態においても、冷却水入口２２ｃが、空気出口２２ｅに隣接して配置されている。さらに、複数の通路５１〜６０の上流側部分２５ａが、空気通路２４の下流側部分２４ａに対向して配置されている。このため、本実施形態においても、上記した各実施形態と同様の効果を有している。

なお、本実施形態では、図８（ａ）に示すように、空気入口２２ｂの数を４つとする場合を例として説明したが、空気入口２２ｂの数を１つとすることもできる。

図９（ａ）に、本実施形態の第２の例におけるセパレータ２２に設けられている空気通路２４を示し、図９（ｂ）に、セパレータ２２に設けられている冷却水通路２５を示す。なお、図９（ａ）、（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）に対応する図であり、図８（ａ）、（ｂ）と同様の構成部には、図８（ａ）、（ｂ）と同一の符号を付している。

空気入口２２ｂの数を１つとする場合では、図９（ａ）に示すように、空気入口２２ｂと４つの通路４１〜４４との間に、入口側バッファ領域４６を設け、空気入口２２ｂから導入された空気が、入口側バッファ領域４６から、４つの通路４１〜４４に分配されるようにする。

これにより、図８（ａ）に示す空気通路２４と比較して、空気通路２４で生じる空気の圧損のばらつきを抑えることができる。

また、入口側バッファ領域４６をできるだけ広い容積とすることで、４つの通路４１〜４４における空気流れの圧損のばらつきを、より低減することができる。

（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、制御部２が、ステップ３２で、セルの空気出口近傍領域のある時点での電流測定値を、電流しきい値と比較する場合を例として説明したが、電流測定値の単位時間あたりの低下量を算出し、その算出結果と、低下量しきい値とを比較することもできる。

空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、空気の酸素濃度が低下した場合、電流測定値の単位時間あたりの低下量が大きくなる。このため、制御部２に、単位時間あたりの低下量が、しきい値よりも大きいか否かを判定させることで、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるかを判定させることができる。

（２）第１実施形態では、制御部２が、セルの空気出口近傍領域のある時点での電流測定値を、電流しきい値と比較することで、酸素濃度を向上させる必要があるか否かを判定する場合を例として説明した。これに対して、空気通路２４内の空気の酸素濃度を算出し、算出した酸素濃度に基づいて、酸素濃度を向上させる必要があるか否かを制御部２に判定させることもできる。

例えば、制御部２に対して、供給空気量と、セル２０における総電流量とから、空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍での酸素濃度を算出させ、算出した酸素濃度をしきい値と比較させることもできる。

（３）図１０に、他の実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図１０では、図１と同様の構成部に、図１と同一の符号を付しているため、ここでは、図１と異なる点についてのみ説明する。

第１実施形態では、ステップ３１で、電流センサ板１１から測定結果が入力され、ステップ３２で、局所電流の測定値を電流しきい値と比較する場合を例として説明した。

これに対して、図１０に示すように、燃料電池システムが、複数のセル２０の総電流を測定する総電流測定手段としての電流センサ１２を備える場合では、局所電流の代わりに、この電流センサ１２が測定した総電流に基づいて、制御部２に、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるかを判定させることができる。空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、空気中の酸素濃度が低下した場合、各セル２０の発電電流量が低下することから、複数の総発電電流も低下するためである。

この場合においても、制御部２に対して、例えば、ある時点における複数のセル２０の総電流値をしきい値と比較させたり、単位時間あたりの低下量を算出させ、その算出結果と、低下量しきい値とを比較させたりすることもできる。

また、図１０に示すように、燃料電池システムが、各セル２０の発電電圧を測定するセル電圧測定手段としてのセルモニタ１３を備える場合では、局所電流の代わりに、このセルモニタ１３が測定したセル電圧に基づいて、制御部２に、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるかを判定させることができる。

また、図１０に示すように、燃料電池システムが、複数のセル２０の総発電電圧を測定する総電圧測定手段としての電圧センサ１４を備える場合では、局所電流の代わりに、この電圧センサ１４が測定した総電流に基づいて、制御部２に、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるかを判定させることができる。

これらは、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、空気中の酸素濃度が低下した場合、各セル２０の電圧が低下し、複数のセル２０の総電圧も低下するからである。これらの場合においても、制御部２に対して、例えば、ある時点における各セル２０の電圧値や複数のセル２０の総電圧値をしきい値と比較させたり、単位時間あたりの低下量を算出させ、その算出結果と、低下量しきい値とを比較させたりすることもできる。

なお、燃料電池システムが車両に搭載されている場合において、車両の走行中に、セル電圧および複数のセルの総電圧が低下する主な理由として、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍における空気の酸素濃度の低下が考えられる。このことから、セル電圧値や複数のセルの総電圧値に基づいて、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるかを判定することは可能である。

また、燃料電池システムが車両に搭載されている場合であって、図１０に示すように、車両に、カーナビゲーションに用いられる制御部１５が搭載されている場合では、その制御部１５からの走行負荷が上昇する旨の信号が入力されたか否かにより、制御部２に、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があるかを判定させることもできる。

車両の走行中においては、平坦な道か坂道か等の道路状態によって、走行負荷が変動する。例えば、上り坂では、車両の走行負荷が大きいため、燃料電池の出力を向上させる必要がある。

そこで、カーナビゲーション用の制御部１５が搭載されている場合では、制御部１５に、目的地や進行方向等から走行負荷の上昇の有無を予測させる。そして、制御部１５が走行負荷の上昇を予測した場合に、制御部２に、空気通路２４の空気出口２２ｅの近傍において、現時点よりも酸素濃度を向上させる必要があると判定させることが好ましい。なお、走行負荷の上昇予測を、燃料電池システムの制御部２で実行させることもできる。

（４）図１１に、他の実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。図１１では、図１と同様の構成部に、図１と同一の符号を付しているため、ここでは、図１と異なる点についてのみ説明する。

上記した各実施形態では、セパレータ２２に設けられている空気通路２４と、冷却水通路２５との位置関係において、冷却水入口２２ｃが空気出口２２ｅに隣接して配置され、冷却水通路２５の上流側部分２５ａが空気通路２４の下流側部分２４ａに対向して配置されている場合を例として説明した。

これに対して、上記した各実施形態と異なり、冷却水入口２２ｃが空気入口２２ｂに隣接して配置され、冷却水通路２５の上流側部分２５ａが空気通路２４の上流側部分２４ｂに対向して配置されている場合では、燃料電池システムを以下に説明する構成とする。

冷却水経路３には、冷却水が流れる方向を変更するための経路１６、１７および切替バルブ１８、１９が設けられている。

そして、制御部２は、冷却水温度制御処理において、ステップ３３を実行するとき、さらに、切替バルブ１８、１９に対して作動指示信号を出力するようになっている。

このため、制御部２がステップ３３を実行する前では、燃料電池スタック１のセル２０において、空気通路２４の空気入口２２ｂ側から冷却水が投入されているが、制御部２がステップ３３を実行することで、冷却水経路３を流れる冷却水の向きが反対となり、空気通路２４の空気出口２２ｅ側から冷却水が投入されるようになる。

このように、冷却水温度制御処理が実行されるときのみ、冷却水経路３を流れる冷却水の向きを変更することで、空気通路２４の空気出口２２ｅ側から冷却水が投入されるようにすることもできる。

これにより、空気通路２４の下流側部分２４ｂを他の部分よりも優先的に冷却することができ、空気通路２４の下流側部分２４ｂの空気温度を凝縮可能な温度に制御することが容易となる。

なお、冷却水経路３に、冷却水が流れる方向を変更するための経路１６、１７および切替バルブ１８、１９を設ける代わりに、図１に示す燃料電池システムにおいて、ウォーターポンプ４によって、冷却水の流れる向きを変更させることもできる。

また、上記した各実施形態と異なり、冷却水入口２２ｃが空気入口２２ｂに隣接して配置され、冷却水通路２５の上流側部分２５ａが空気通路２４の上流側部分２４ｂに対向して配置されており、セル２０において、空気通路２４の空気入口２２ｂ側から冷却水が投入される場合であっても、単に、制御部２に対して、図４に示す冷却水温度制御処理を実行させることもできる。

なお、この場合、セル２０において、空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍の温度を、冷却水により、凝縮可能な温度とする場合、空気通路２４の空気入口２２ｂ近傍の温度が、空気出口２２ｅよりも低くなってしまう。このため、セル２０の全体の温度が低くなり、発電効率が低下してしまうため、好ましくない。

また、この場合では、空気通路２４の空気入口２２ｂ近傍の方が、空気出口２２ｅ近傍よりも温度が低くなることから、空気入口２２ｂ近傍の方が、空気出口２２ｅ近傍よりも飽和蒸気圧が低い。このため、空気入口２２ｂ近傍の方が、空気出口２２ｅ近傍よりも空気の酸素濃度が高く、空気通路２４内において、酸素濃度に偏りが生じ、セル２０の電流密度分布において、偏りが生じてしまう。

したがって、これらの問題を解消するためには、セパレータ２２に設けられた空気通路２４および冷却水通路２５のレイアウトにおいて、冷却水通路２５の上流側部分２５ａを空気通路２４の下流側部分２４ａに対向して配置させるか、少なくとも、制御部２が冷却水温度制御処理を実行する際では、空気通路２４の下流側部分２４ａを優先的に冷却する構成とすることが好ましい。

（５）上記した各実施形態では、ステップ３２のように、制御部２が、空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍の酸素濃度を向上させる必要があるか否かを判定し、制御部２が、必要があると判定した場合に、ステップ３３で、冷却水の温度を凝縮可能な温度に制御する場合を例として説明した。

これに対して、制御部２が空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍の酸素濃度を向上させる必要があるか否かを判定することを省略することもできる。すなわち、常に、冷却水経路３を流れる冷却水の温度を、空気通路２４の空気出口２２ｅ近傍において、水蒸気が凝縮可能な温度に維持させることもできる。

例えば、セパレータ２２に設けられた空気通路２４と、冷却水通路２５のレイアウトを、図３に示すレイアウトとし、冷却水経路３の冷却水温度が、６０℃となるように、ラジエータ５、ファン６により調整する。

（６）上記した各実施形態では、冷却水入口２２ｃを空気出口２２ｅに隣接して配置した場合を例として説明したが、必ずしも、隣接していなくても、空気通路２４の下流側部分２４ａを上流側部分２４ｂよりも優先的に冷却できる位置であれば、他の位置に冷却水入口２２ｃを配置することもできる。冷却水入口２２ｃの配置場所を、空気入口２２ｂよりも空気出口２２ｅに近い、空気出口２２ｅに対応する位置とすることができる。

（７）上記した各実施形態では、上記した各レイアウトの冷却水通路２５を有する燃料電池スタック１が、各実施形態の燃料電池システムに適用される場合を例として説明したが、各実施形態の燃料電池スタック１を、上記冷却水温度制御処理を実行する制御部２を有しない他の燃料電池システムに適用することもできる。

（８）上記した各実施形態では、冷媒として、冷却水を用いる場合を例として説明したが、冷却水に限らず、液体、気体等の他の周知の冷媒物質を用いることもできる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 （ａ）は、図１中の燃料電池スタック１の斜視図であり、（ｂ）は、燃料電池スタック１を構成する単セルの分解斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、セパレータの空気極側の面を示す図であり、（ａ）は空気通路、（ｂ）は、セパレータの空気極側の面とは反対側の面に設けられた冷却水通路を示す図である。 制御部２が実行する冷却水温度制御処理のフローチャートである。 各温度における空気の酸素濃度を説明するための概念図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、ステップ３３を実行したときにおけるセル２０の空気出口２２ｅの近傍領域２７での電流密度の測定結果である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態におけるセパレータの空気極側の面を示す図であり、（ａ）はセパレータの空気極側の面に設けられた空気通路、（ｂ）は、セパレータの空気極側の面とは反対側の面に設けられた冷却水通路を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態の第１の例におけるセパレータの空気極側の面を示す図であり、（ａ）はセパレータの空気極側の面に設けられた空気通路、（ｂ）は、セパレータの空気極側の面とは反対側の面に設けられた冷却水通路を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態の第２の例におけるセパレータの空気極側の面を示す図であり、（ａ）はセパレータの空気極側の面に設けられた空気通路、（ｂ）は、セパレータの空気極側の面とは反対側の面に設けられた冷却水通路を示す図である。 本発明の他の実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 本発明の他の実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…制御部、３…冷却水経路、
４…ウォーターポンプ、５…ラジエータ、６…ファン、７…ラジエータバイパス経路、
８…第１の温度センサ、９…第２の温度センサ、１０…温調弁、
１１…電流センサ板、１２…電流センサ、１３…セルモニタ、１４…電圧センサ、
２０…セル、２１…ＭＥＡ、２２…セパレータ、
２２ｂ…空気入口、２２ｃ…冷却水入口、２２ｅ…空気出口、２２ｆ…冷却水出口、
２４…空気通路、２４ａ…空気通路の下流側部分、２４ｂ…空気通路の上流側部分、
２５…冷却水通路、２５ａ…冷却水通路の上流側部分、
２７…セルの局所電流測定領域。

Claims (9)

1. 電解質と、前記電解質の一方の面に配置された燃料極と、前記電解質の他方の面に配置された空気極と、前記燃料極および前記空気極を両側から挟み込むセパレータと、前記燃料極側に配置された前記セパレータの前記燃料極と接する側の面に設けられ、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面に設けられ、前記空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面とは反対側の面に設けられ、冷媒が流れる冷媒通路（２５）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
   前記冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段（５、６）と、
   前記空気通路（２４）内の空気出口（２２ｅ）近傍における空気の酸素濃度を、向上させることが必要か否かを判定する判定手段（３２）と、
   前記判定手段（３２）が必要と判定した場合に、前記空気通路（２４）の前記空気出口（２２ｅ）近傍の温度が空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、冷媒の温度を変更する旨の指示信号を、前記冷媒温度調整手段（５、６）に向けて出力する出力手段（３３）と、
   前記セル（２０）のうち、前記空気通路（２４）の出口近傍の領域（２７）における発電電流を測定する局所電流測定手段（１１）とを備え、
   前記判定手段（３２）は、前記局所電流測定手段（１１）の局所電流測定値が電流しきい値より小さい場合、あるいは、前記局所電流測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 電解質と、前記電解質の一方の面に配置された燃料極と、前記電解質の他方の面に配置された空気極と、前記燃料極および前記空気極を両側から挟み込むセパレータと、前記燃料極側に配置された前記セパレータの前記燃料極と接する側の面に設けられ、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面に設けられ、前記空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面とは反対側の面に設けられ、冷媒が流れる冷媒通路（２５）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
   前記冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段（５、６）と、
   前記空気通路（２４）内の空気出口（２２ｅ）近傍における空気の酸素濃度を、向上させることが必要か否かを判定する判定手段（３２）と、
   前記判定手段（３２）が必要と判断した場合に、前記空気通路（２４）の前記空気出口（２２ｅ）近傍の温度が空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、冷媒の温度を変更する旨の指示信号を、前記冷媒温度調整手段（５、６）に向けて出力する出力手段（３３）と、
   前記複数のセル（２０）の総発電電流を測定する総電流測定手段（１２）とを備え、
   前記判定手段（３２）は、前記総電流測定手段（１２）の総電流測定値が電流しきい値より小さい場合、あるいは、前記総電流測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することを特徴とする燃料電池システム。
3. 電解質と、前記電解質の一方の面に配置された燃料極と、前記電解質の他方の面に配置された空気極と、前記燃料極および前記空気極を両側から挟み込むセパレータと、前記燃料極側に配置された前記セパレータの前記燃料極と接する側の面に設けられ、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面に設けられ、前記空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面とは反対側の面に設けられ、冷媒が流れる冷媒通路（２５）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
   前記冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段（５、６）と、
   前記空気通路（２４）内の空気出口（２２ｅ）近傍における空気の酸素濃度を、向上させることが必要か否かを判定する判定手段（３２）と、
   前記判定手段（３２）が必要と判断した場合に、前記空気通路（２４）の前記空気出口（２２ｅ）近傍の温度が空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、冷媒の温度を変更する旨の指示信号を、前記冷媒温度調整手段（５、６）に向けて出力する出力手段（３３）と、
   前記セル（２０）の発電電圧を測定するセル電圧測定手段（１３）とを備え、
   前記判定手段（３２）は、前記セル電圧測定手段（１３）のセル電圧測定値が電圧しきい値より小さい場合、あるいは、前記セル電圧測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することを特徴とする燃料電池システム。
4. 電解質と、前記電解質の一方の面に配置された燃料極と、前記電解質の他方の面に配置された空気極と、前記燃料極および前記空気極を両側から挟み込むセパレータと、前記燃料極側に配置された前記セパレータの前記燃料極と接する側の面に設けられ、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面に設けられ、前記空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面とは反対側の面に設けられ、冷媒が流れる冷媒通路（２５）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
   前記冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段（５、６）と、
   前記空気通路（２４）内の空気出口（２２ｅ）近傍における空気の酸素濃度を、向上させることが必要か否かを判定する判定手段（３２）と、
   前記判定手段（３２）が必要と判断した場合に、前記空気通路（２４）の前記空気出口（２２ｅ）近傍の温度が空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、冷媒の温度を変更する旨の指示信号を、前記冷媒温度調整手段（５、６）に向けて出力する出力手段（３３）と、
   前記複数のセル（２０）の総発電電圧を測定する総電圧測定手段（１４）とを備え、
   前記判定手段（３２）は、前記総電圧測定手段（１４）の総電圧測定値が電圧しきい値より小さい場合、あるいは、前記総電圧測定値の単位時間あたりの低下量が低下量しきい値よりも大きい場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することを特徴とする燃料電池システム。
5. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   電解質と、前記電解質の一方の面に配置された燃料極と、前記電解質の他方の面に配置された空気極と、前記燃料極および前記空気極を両側から挟み込むセパレータと、前記燃料極側に配置された前記セパレータの前記燃料極と接する側の面に設けられ、前記燃料極に対して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路（２３）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面に設けられ、前記空気極に供給される空気が流れる空気通路（２４）と、前記空気極側に配置された前記セパレータの前記空気極と接する側の面とは反対側の面に設けられ、冷媒が流れる冷媒通路（２５）とを有するセル（２０）が、複数積層された燃料電池（１）と、
   前記冷媒の温度を調整する冷媒温度調整手段（５、６）と、
   前記空気通路（２４）内の空気出口（２２ｅ）近傍における空気の酸素濃度を、向上させることが必要か否かを判定する判定手段（３２）と、
   前記判定手段（３２）が必要と判断した場合に、前記空気通路（２４）の前記空気出口（２２ｅ）近傍の温度が空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度となるように、冷媒の温度を変更する旨の指示信号を、前記冷媒温度調整手段（５、６）に向けて出力する出力手段（３３）と、
   車両の走行負荷状態予測手段（１５）とを備え、
   前記判定手段（３２）は、前記走行負荷状態予測手段（１５）が走行負荷の上昇を予測した場合に、酸素濃度を向上させることが必要と判定することを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記セル（２０）内において、前記冷媒通路（２５）の上流側部分（２５ａ）が、前記空気通路（２４）の下流側部分（２４ａ）に対向して配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記セル（２０）内において、前記冷媒通路（２５）の冷媒入口（２２ｃ）が、前記空気通路（２４）の空気入口（２２ｂ）よりも空気出口（２２ｅ）に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記セル（２０）は、冷媒通路（２５）に冷媒が導入される冷媒入口（２２ｃ）を複数有し、
   前記複数の冷媒入口（２２ｃ）のうちの１つは、前記空気通路（２４）の空気入口（２２ｂ）よりも空気出口（２２ｅ）に近い位置に配置され、
   前記複数の冷媒入口（２２ｃ）のうちの他の１つは、前記空気通路（２４）の空気出口（２２ｅ）よりも空気入口（２２ｂ）に近い位置に配置されており、
   前記複数の冷媒入口（２２ｃ）から、前記空気通路（２４）の空気出口（２２ｅ）近傍の温度を空気通路内の水蒸気が凝縮可能な温度とするように、通常温度よりも低温とされた冷媒が導入されるようになっていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
9. 前記空気通路（２４）は、互いに平行な複数の第１の通路（４１〜４４）を有し、空気入口（２２ｂ）から導入された空気が、前記複数の第１の通路（４１〜４４）内を、空気出口（２２ｅ）に向かって、同一方向に空気が流れるレイアウトであり、
   前記冷媒通路（２５）は、前記空気通路（２４）の前記第１の通路（４１〜４４）と平行である複数の第２の通路（５１〜６０）を有し、冷媒入口（２２ｃ）から導入された冷媒が、前記複数の第２の通路（５１〜６０）内を、前記空気の流れる方向と反対方向に流れるレイアウトであることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。

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