JP2012182096A

JP2012182096A - 燃料電池システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP2012182096A
Application number: JP2011045939A
Authority: JP
Inventors: Sho Usami; 祥宇佐美; Ryoichi Nanba; 良一難波; Yasushi Araki; 康荒木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、制御部２００と、アノードガス供給部３００と、アノードガス循環部３５０と、カソードガス供給部４００とを備える。燃料電池１００では、水素と酸素とが電解質膜１の面に沿って互いに対向し合う方向に流れる。制御部２００は、燃料電池１００の運転温度が第１の閾値以上であるときに、アノードガス循環部３５０が不活性ガス排出処理（ステップＳ２０）を実行する頻度を増加させる（ステップＳ４０）。また、制御部２００は、燃料電池１００の運転温度が、第１の閾値よりも高い第２の閾値以上であるときに、燃料電池１００におけるアノードガスの流量を増大させる（ステップＳ６０）。
【選択図】図５

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池システムには、固体高分子形燃料電池を備えるものがある（下記特許文献１等）。固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）では通常、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜が用いられるため、その発電の際には、燃料電池内部の湿潤状態が良好に保持されることが好ましい。ここで、燃料電池の内部の水分が不足する場合には、電解質膜の一部の領域が乾燥してしまい、当該一部の領域が発電不能に陥り、その発電性能が低下してしまう、いわゆるドライアップが発生する場合がある。特に、燃料電池が高温（例えば８０℃以上）で運転しているときに、このドライアップが生じて、発電性能が低下した場合には、その回復が困難であった。これまで、こうしたドライアップの発生を抑制し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することについて十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

特開２００５−１００８２７号公報特開２００９−０３２５８６号公報特開２００６−３０９９７７号公報特開２００５−２０３１４３号公報

本発明は、電解質膜の乾燥に起因する燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備え、燃料ガスと酸化ガスとが前記電解質膜の面に沿って互いに対向し合う方向に流れるように供給される燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池から排出された燃料ガスと不活性ガスとを含む排ガスを前記燃料電池に循環させ、所定の条件に従って、前記排ガスを外部へと排出することにより、前記排ガス中の不活性ガスの濃度を低減させる排ガス排出処理を実行する燃料ガス循環部と、前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス循環部とを制御して、前記燃料電池における燃料ガスの流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、
（ｉ）前記温度計測部の計測値が第１の閾値以上であるときに、前記燃料ガス循環部が前記排ガス排出処理を実行する頻度が、前記計測値が前記第１の閾値よりも小さいときよりも増加するように、前記所定の条件を変更する第１の制御処理と、
（ｉｉ）前記計測値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であるときに、前記燃料電池における燃料ガスの流量が、前記計測値が前記第２の閾値より小さいときよりも増大するように制御する第２の制御処理と、
を実行する、燃料電池システム。
燃料電池において、燃料ガスと酸化ガスとを電解質膜の面に沿って互いに対向し合う方向に流す場合には、燃料ガスの流量を増大させることにより、燃料ガスの上流側（酸化ガスの下流側）の水分を、乾燥しやすい燃料ガスの下流側（酸化ガスの上流側）に誘導することができる。従って、燃料ガスの流量を制御することにより、電解質膜の酸化ガスの上流側の領域が乾燥して、燃料電池の発電性能が低下してしまうことを抑制することができる。
ここで、燃料電池が高温運転をしているときに、電解質膜の酸化ガスの上流側の領域が乾燥してしまうと、その乾燥状態を解消することが困難となる。これに対して、この燃料電池システムでは、燃料電池が高温となる前段階に実行される第１の制御処理において、不活性ガスの濃度を低減させることによって、燃料ガスを供給する際の圧力損失を予め低減させる。従って、燃料電池が高温となったときに実行される第２の制御処理において、圧力損失が低減された状態で燃料ガスの流量を効率的に増大させることができる。即ち、適用例１の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転温度が高くなり、回復困難な電解質膜の乾燥が生じる可能性が高くなったときに、迅速に燃料ガスの流量制御を行うことができ、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記第２の制御処理は、前記燃料電池の運転温度の上昇に応じて前記燃料電池における燃料ガスの流量が増大するように制御する処理を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転温度が高いほど、燃料ガスの流量を増大させて、燃料ガス下流側へと移動する水分量を増大させることができる。従って、より確実に電解質膜の乾燥に起因する燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。

［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス循環部は、前記排ガス中の燃料ガス濃度を計測する燃料ガス濃度計測部を備え、前記燃料ガス循環部は、前記燃料ガス濃度計測部の計測値が所定の閾値より小さくなったときに、前記排ガス排出処理を実行し、前記第１の制御処理は、前記所定の閾値をより大きい値に再設定する処理を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、排ガス中の燃料ガス濃度を確実に制御することができる。即ち、燃料電池の運転温度が第１の閾値より低い通常の運転状態では、排ガス排出処理において不活性ガスとともに燃料ガスが排出される量が低減されるように、燃料ガス濃度を、燃料電池の運転に支障がない程度の比較的低い濃度にしておくことができる。また、運転温度が第１の閾値以上となったときには、第２の制御処理に備えて、燃料ガス濃度を確実に低減させておくことができる。

［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、
（ｉｉｉ）前記第１の制御処理を実行した後に、前記温度検出部の計測値が前記第１の閾値よりも小さくなったときには、前記燃料ガス循環部が前記排ガス排出処理を実行する頻度が、前記第１の制御処理を実行しているときよりも増加するように、前記所定の条件を変更する第３の制御処理と、
（ｉｖ）前記第２の制御処理を実行した後に、前記温度検出部の計測値が前記第２の閾値よりも小さくなったときには、前記第２の制御処理を実行していたときよりも、前記燃料電池における燃料ガスの流量が低下するように制御する第４の制御処理と、
を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転温度が上下に変動する場合に、燃料電池が高温に近づいたときにのみ、燃料ガスの供給制御の態様が、第１と第２の制御処理に切り替えられる。従って、より効率的に燃料ガスの供給制御が行われ、燃料電池の発電性能の低下が抑制される。

［適用例５］
燃料電池システムにおいて、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備える燃料電池に対する燃料ガスの供給を制御する方法であって、
（ａ）前記燃料電池の前記膜電極接合体に、燃料ガスと酸化ガスとを供給し、前記電解質膜の面に沿って互いに対向し合う方向に流す工程と、
（ｂ）前記燃料電池から排出された燃料ガスと不活性ガスとを含むアノード排ガスを前記燃料電池に循環させ、所定の条件に従って、前記アノード排ガスを外部へと排出することにより、前記アノード排ガス中の不活性ガスの濃度を低減させる排ガス排出処理を実行する工程と、
（ｃ）前記燃料電池の運転温度を計測する工程と、
（ｄ）前記運転温度の計測値が第１の閾値以上であるときに、前記排ガス排出処理が実行される頻度を、前記計測値が前記第１の閾値よりも小さいときよりも増加するように、前記所定の条件を変更する工程と、
（ｅ）前記運転温度の計測値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であるときに、前記燃料電池における燃料ガスの流量を、前記計測値が前記第２の閾値より小さいときよりも増大させる工程と、
を備える、方法。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両、その燃料電池システムを制御するための制御装置や制御プログラム、その制御プログラムが記録された記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。燃料電池が備える膜電極接合体の構成を示す概略図。燃料電池の発電性能と燃料電池のアノード側における水素の体積流量との関係を示す説明図。電解質膜における３つの湿潤状態を説明するための模式図。燃料電池に対するアノードガスの供給制御の処理手順を示す説明図。インジェクタの駆動周期を決定するためのマップの一例を示す説明図。アノードガス中における不活性ガス（窒素）の濃度と、燃料電池におけるアノードガスの圧力損失との関係を説明するための説明図。アノード排ガスの循環流量を決定するためのマップの一例を示す説明図。

A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、制御部２００と、アノードガス供給部３００と、アノードガス循環部３５０と、カソードガス供給部４００と、カソードガス排出部４５０と、冷媒供給部５００とを備える。

燃料電池１００は、反応ガスとして、水素（燃料ガス）を含有するアノードガスと、酸素（酸化ガス）を含有するカソードガスとの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１０は、発電体である膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を狭持する２枚のセパレータ２１，２２とを有する。

制御部２００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部２００は、外部からの出力要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する燃料電池システム１０００の各構成部を制御し、燃料電池１００に発電させる。

アノードガス供給部３００は、水素タンク３０１と、アノードガス配管３０２と、開閉弁３１１と、レギュレータ３１２と、インジェクタ３１３と、圧力計測部３２０とを備える。水素タンク３０１は、アノードガス配管３０２を介して燃料電池１００のアノード側の供給用マニホールドと接続されており、タンク内に充填された高圧水素をアノードガスとして燃料電池１００に供給する。なお、燃料電池システム１０００は、水素タンク３０１に換えて、炭化水素系の燃料を改質して水素を生成する改質部と、改質部によって生成された水素リッチガスを送り出すポンプとを水素の供給源として備えているものとしても良い。

開閉弁３１１と、レギュレータ３１２と、インジェクタ３１３と、圧力計測部３２０とはそれぞれ、アノードガス配管３０２の途中に、上流側（水素タンク３０１側）から、この順序で設けられている。開閉弁３１１は、制御部２００からの指令により開閉し、水素タンク３０１からインジェクタ３１３の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ３１２は、インジェクタ３１３の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２００によって制御されている。

インジェクタ３１３は、制御部２００によって設定された駆動周期に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２００は、インジェクタ３１３の駆動周期を制御することによって、燃料電池１００に供給される水素量を制御する。圧力計測部３２０は、燃料電池１００のアノード側の圧力を計測して、制御部２００に送信する。制御部２００は、この圧力の計測値を用いて、燃料電池１００に対するアノードガスの供給量を調整する。

アノードガス循環部３５０は、アノード排ガス配管３５１と、循環配管３５２と、排水配管３５３と、気液分離部３６０と、ポンプ３６２と、水素濃度センサ３７０と、排出弁３８０とを備える。アノード排ガス配管３５１は、燃料電池１００のアノード側の排出用マニホールドと気液分離部３６０とを接続する配管である。アノード排ガス配管３５１は、発電反応に用いられることのなかった水素や、不活性ガスである窒素、発電反応によって生じた水分などを含むアノード排ガスを気液分離部３６０へと誘導する。

気液分離部３６０は、アノード排ガス中の気体成分と水分とを分離する。気液分離部３６０は、循環配管３５２と、排水配管３５３とに接続されており、分離した気体成分については循環配管３５２側へと誘導し、水分については排水配管３５３側へと誘導する。循環配管３５２は、アノードガス配管３０２のインジェクタ３１３より下流に接続されている。また、循環配管３５２の途中には、ポンプ３６２が設けられている。

気液分離部３６０において分離された水素を含む気体成分は、ポンプ３６２の駆動によって、アノードガス配管３０２へと循環される。このように、この燃料電池システム１０００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１００に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

排水配管３５３は、気液分離部３６０において分離された水分を燃料電池システム１０００の外部へと排出するための配管である。排水配管３５３には、制御部２００からの指令に応じて開閉する排出弁３８０が設けられている。制御部２００は、通常、排出弁３８０を閉じておき、アノード排ガスから分離された水分を気液分離部３６０の貯水部（図示せず）に貯水させる。そして、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排出弁３８０を開き、それらの排出処理を実行する。

カソードガス供給部４００は、カソードガス配管４０１と、エアコンプレッサ４１０と、開閉弁４３０とを備える。エアコンプレッサ４１０は、カソードガス配管４０１を介して、燃料電池１００のカソード側の供給用マニホールドに接続されている。カソードガス供給部４００は、エアコンプレッサ４１０が外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１００に供給する。

開閉弁４３０は、カソードガス配管４０１のエアコンプレッサ４１０と燃料電池１００との間に設けられている。開閉弁４３０は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ４１０から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管４０１に供給されたときに開く。なお、エアコンプレッサ４１０の上流側には、エアコンプレッサ４１０が取り込む外気の量を計測して、制御部２００に送信するエアフロメータが設けられているが、その図示および説明は省略する。

カソードガス排出部４５０は、カソード排ガス配管４５１と、調圧弁４６０と、圧力計測部４７０とを備える。カソード排ガス配管４５１は、燃料電池１００のカソード側の排出用マニホールドに接続されており、カソード排ガスを燃料電池システム１０００の外部へと排出する。調圧弁４６０は、制御部２００からの指令に応じて、カソード排ガス配管４５１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１００の背圧）を調整する。圧力計測部４７０は、調圧弁４６０の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２００に送信する。

冷媒供給部５００は、冷媒用配管５０１と、ラジエータ５１０と、冷媒循環用ポンプ５２０と、２つの温度計測部５３１，５３２とを備える。冷媒用配管５０１は、燃料電池１００に設けられた冷媒の供給用マニホールドと排出用マニホールドとを連結する配管であり、燃料電池１００を冷却するための冷媒を循環供給させるための配管である。ラジエータ５１０は、冷媒用配管５０１の途中に設けられており、冷媒用配管５０１を流れる冷媒を、外気と熱交換させることによって冷却する。

冷媒循環用ポンプ５２０は、冷媒用配管５０１において、ラジエータ５１０より下流側に設けられており、ラジエータ５１０において冷却された冷媒を燃料電池１００に送り出す。２つの温度計測部５３１，５３２はそれぞれ、冷媒用配管５０１において、燃料電池１００の冷媒出口の近傍と、冷媒入口の近傍とに設けられており、計測値を制御部２００へと送信する。

制御部２００は、２つの温度計測部５３１，５３２のそれぞれの計測値の差から燃料電池１００の運転温度を検出する。制御部２００は、検出された燃料電池１００の運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ５２０が送り出す冷媒量を制御し、燃料電池１００運転温度を調整する。また、制御部２００は、検出された燃料電池１００の運転温度に基づき、燃料電池１００におけるアノードガスの供給制御も行うが、その詳細については後述する。

図２（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池１００が備える膜電極接合体１０の構成および膜電極接合体１０における反応ガスの流れを示す概略図である。図２（Ａ）は、膜電極接合体１０のアノード側の面を示す正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における膜電極接合体１０の概略断面図である。膜電極接合体１０は、電解質膜１の両面に２つの電極（アノード２およびカソード３）が配置された発電体である。

電解質膜１は、例えば、フッ素樹脂系のイオン交換膜など、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜によって構成することができる。アノード２およびカソード３は、ガス拡散性およびガス透過性を有する導電性部材によって構成することができる。なお、アノード２およびカソード３の電解質膜１側には、燃料電池の発電反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が配置されている。

ここで、膜電極接合体１０には、反応ガスなどの流体の漏洩を防止するシール部１２が、アノード２およびカソード３の外周を囲むように形成されている。シール部１２は、例えば樹脂部材を電解質膜１の外周に射出成形することによって形成することができる。膜電極接合体１０では、このシール部１２に囲まれた領域１１に反応ガスが供給され、発電が行われる。以後、本明細書では、膜電極接合体１０において、このシール部１２によって囲まれた領域１１を「発電領域１１」と呼ぶ。

シール部１２には、燃料電池１００に供給される反応ガスや冷媒などの流体のためのマニホールド１３１〜１３６が貫通孔として形成されている。ここで、膜電極接合体１０では、各流体の供給用マニホールド１３１，１３３，１３５と排出用マニホールド１３２，１３４，１３６とは、発電領域１１を挟んで互いに反対の側に設けられている。具体的に、各マニホールド１３１〜１３６の形成位置は以下の通りである。

アノードガス（水素）の供給用マニホールド１３１と、冷媒の供給用のマニホールド１３５と、カソードガス（酸素）の排出用マニホールド１３４とは、発電領域１１に対して同じ側に、この順序で直列に配列されている。そして、アノードガスの排出用マニホールド１３２およびカソードガスの供給用マニホールド１３３はそれぞれ、アノードガスの供給用マニホールド１３１およびカソードガスの排出用マニホールド１３４と、発電領域１１を挟んで対角する位置に形成されている。冷媒の排出用マニホールド１３６は、カソードガスの供給用マニホールド１３３とアノードガスの排出用マニホールド１３２との間に形成されている。

アノードガスおよびカソードガスは、それぞれの供給用マニホールド１３１，１３３から、アノードセパレータ２１またはカソードセパレータ２２（図１）に形成されたガス流路を介して発電領域１１へと流入し発電に用いられる。また、アノード排ガスおよびカソード排ガスは、発電領域１１からアノードセパレータ２１またはカソードセパレータ２２に形成されたガス流路を介して、それぞれの排出用マニホールド１３２，１３４へと流出する。冷媒は、供給用マニホールド１３５から、アノードセパレータ２１とカソードセパレータ２２との間に形成された発電領域１１を跨ぐ冷媒流路を介して、排出用マニホールド１３６へと流れる。なお、各セパレータ２１，２２に形成された各流体のための流路の構成の詳細については、説明を省略する。

ここで、図２（Ｂ）には、発電領域１１における水素および酸素のそれぞれの流れ方向を示す矢印を図示してある。燃料電池１００では、その発電の際に、各膜電極接合体１０の発電領域１１において、アノード側の水素の流れ方向と、カソード側の酸素の流れ方向とが、電解質膜１の面に沿って互いに対向し合う。このように、発電領域１１における水素の流れ方向と酸素の流れ方向とを互いに対向させることにより、発電領域１１における反応ガスの供給量分布の偏りを改善し、発電分布の偏りを低減することができる。

ところで、前記したとおり、膜電極接合体１０の電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。そのため、燃料電池１００の発電時には、各膜電極接合体１０の発電領域１１における水分が適切に保持されていることが好ましい。一般に、固体高分子形燃料電池の運転では、加湿部によって加湿された反応ガスを燃料電池に供給することにより、電解質膜の湿潤状態を良好に保持する場合がある。しかし、本実施例の燃料電池システム１０００では、アノードガス供給部３００やカソードガス供給部４００に、そうした反応ガスを加湿するための構成部が設けられていない。

そのため、本実施例の燃料電池システム１０００では、電解質膜１を湿潤状態は、燃料電池１００における発電反応により生じる水分と、アノードガス循環部３５０によって燃料電池１００に再循環されるアノード排ガス中の水分とで保持されることとなる。即ち、本実施例の燃料電池システム１０００では、電解質膜１の湿潤状態は、その発電状態や、アノード２側におけるアノード排ガスの循環流量（即ち、アノードガスの流量）の影響を大きく受けることとなる。

図３は、本発明の発明者の実験によって得られた燃料電池１００の発電性能と、燃料電池１００のアノード側におけるアノードガスの体積流量との関係を示す説明図である。図３には、横軸をアノード平均体積流量とし、紙面左右の２つの縦軸をそれぞれセル電圧および抵抗とするグラフが図示されている。ここで、「アノード平均体積流量」とは、各単セル１１０ごとのアノード２側の発電領域１１における単位面積あたりのアノードガスの体積流量を平均した値を意味する。また、「セル電圧」は、燃料電池１００における各単セル１１０の電圧の平均であり、「抵抗」は、燃料電池１００の内部抵抗である。

本願発明の発明者は、燃料電池システム１０００と同様な反応ガスの供給方法により、燃料電池１００に一定電流（１．０〜１．２Ａ／ｃｍ²程度）での出力を、一定の運転温度（８０〜９０℃）で継続させた。そして、燃料電池１００のアノード平均体積流量を変化させ、燃料電池１００のセル電圧と抵抗とを測定した。

なお、アノード平均体積流量は、燃料電池１００のアノード側に再循環されるアノード排ガスを流入させるために用いたポンプの駆動力（回転数）に基づいて求めた。燃料電池１００の抵抗は、いわゆる交流インピーダンス法によって計測した。なお、図３のグラフでは、セル電圧についてのグラフＧ_Vを実線で示し、抵抗についてのグラフＧ_Rを破線で図示してある。

燃料電池１００のセル電圧についてのグラフＧ_Vは、アノード平均体積流量の増加に従ってセル電圧が上昇する領域と、アノード平均体積流量の増加に伴ってセル電圧が下降する領域とを有する、上に凸の変化を示す曲線グラフとなった。一方、燃料電池１００の抵抗についてのグラフＧ_Rは、アノード平均体積流量が比較的少ない領域では、下降と上昇の変動を示し、アノード平均体積流量が比較的多い領域では、なだらかに上昇する曲線グラフを示した。

ここで、この実験から、本願発明の発明者は、アノード平均体積流量に対して、電解質膜１の湿潤状態が、概ね以下の３つの状態ＷＳ１〜ＷＳ３に区分けできることを見出した。なお、図３のグラフでは、それらの状態ＷＳ１〜ＷＳ３のときのアノード平均体積流量の領域を破線により区分けして図示してある。より具体的には、アノード平均体積流量が小さい紙面左側から順に第１の湿潤状態ＷＳ１と、第２の湿潤状態ＷＳ２と、第３の湿潤状態ＷＳ３とに区分けして図示してある。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、電解質膜１における３つの湿潤状態ＷＳ１〜ＷＳ３をそれぞれ説明するための模式図である。図４（Ａ）は、第１の湿潤状態ＷＳ１のときの膜電極接合体１０の様子を示す模式図である。図４（Ａ）は、膜電極接合体１０における水分の移動を模式的に示す矢印が追加されている点と、電解質膜１が乾燥している領域（「乾燥領域ＤＡ」と呼ぶ）が破線で図示されている点以外は、図２（Ｂ）とほぼ同じである。

なお、図４（Ａ）では、アノード２側における水分移動を示す矢印を一点鎖線で図示し、カソード３側における水分の移動を示す矢印を実線で図示してある。また、図４（Ａ）では、アノード２側においてアノード排ガスとして外部に排出された水分が再循環されていることを破線矢印によって図示してある。

この第１の湿潤状態ＷＳ１のときには、アノード２における水素の入口側（紙面左側）では、発電反応によってカソード側において生成された水分が電解質膜１へと移動する。また、アノード排ガスの再循環によって水素とともにアノード２側に供給される水分も電解質膜１へと移動する。そのため、電解質膜１のアノードガスの上流側（カソードガスの下流側）では、電解質膜１は良好な湿潤状態となる。

しかし、第１の湿潤状態ＷＳ１では、アノード平均体積流量が少ないため、アノードガスの流れによって、水素の出口側（紙面右側）まで十分な水分を到達させることができない。そのため、膜電極接合体１０では、水素の出口側の領域での発電量が減少し、水分の生成量が減少する。そして、カソード３における排気に伴って、カソード３における酸素の出口側（紙面右側）が乾燥し始め、乾燥領域ＤＡが生じる。即ち、第１の湿潤状態ＷＳ１では、カソード３の下流側で、いわゆるドライアップが生じる。

ここで、この乾燥領域ＤＡは発電不能な領域である。そのため、第１の湿潤状態ＷＳ１のときには、各単セル１１０では、発電領域１１における発電分布が不均一となり、図３のグラフに示されたように、セル電圧が比較的低い状態となる。なお、図３のグラフでは、第１の湿潤状態ＷＳ１のときには、燃料電池１００のセル電圧は、アノード平均体積流量の増加にともなって急激に増大し、燃料電池１００の抵抗は下降したのちに上昇を示している。

図４（Ｂ）は、第２の湿潤状態ＷＳ２のときの膜電極接合体１０の様子を示す模式図である。図４（Ｂ）は、水分の移動を模式的に示す矢印が異なる点と、電解質膜１の乾燥領域ＤＡが図示されていない点以外は、図４（Ａ）とほぼ同じである。第２の湿潤状態ＷＳ２のときには、第１の湿潤状態ＷＳ１のとき（図４（Ａ））よりもアノード平均体積流量が多い。そのため、アノード２におけるアノードガスの流れによって、水分を水素の出口側まで十分に到達させることができる。

その結果、乾燥領域ＤＡの発生が抑制され、発電反応による生成水分と、アノード排ガスの再循環によってアノード２に流入する水分とで、電解質膜１の湿潤状態が適切に保持される。即ち、この第２の湿潤状態のときに、電解質膜１は、発電領域１１の全体に渡って良好な湿潤状態となる。なお、図３のグラフでは、第２の湿潤状態ＷＳ２のときには、燃料電池１００のセル電圧は、緩やかな上に凸の変化を示しており、燃料電池１００の抵抗は緩やかな上昇を示している。

図４（Ｃ）は、第３の湿潤状態ＷＳ３のときの膜電極接合体１０の様子を示す模式図である。図４（Ｃ）は、水分の移動を模式的に示す矢印が異なる点と、電解質膜１の乾燥領域ＤＡが図示されている点以外は、図４（Ｂ）とほぼ同じである。第３の湿潤状態ＷＳ３のときには、第２の湿潤状態ＷＳ２のとき（図４（Ｂ））よりもアノード平均体積流量がさらに多い。そのため、アノード２における水素の入口側の領域でのアノードガスの流速が高く、アノード２における水素の入口側の領域が乾燥傾向となって乾燥領域ＤＡが生じる。

ここで、この乾燥領域ＤＡの電解質膜１を挟んだ反対側の領域（カソード３における酸素の出口側の領域）には、カソード３側の排水が十分に存在する。そのため、そのカソード３の下流側の水分によって、乾燥領域ＤＡの乾燥の度合いは低減されやすい。なお、図３のグラフでは、第３の湿潤状態ＷＳ３のときには、燃料電池１００のセル電圧は下降を示しているが、第１の湿潤状態ＷＳ１のときよりも変化の度合いが緩やかである。また、燃料電池１００の抵抗はほぼ一定の値を示している。

ところで、図３で説明した実験では、燃料電池１００の運転温度を一定にして行った。しかし、燃料電池１００を、例えば８０℃以上の高い運転温度で運転したとき（以下、「高温運転時」とも呼ぶ）には、図３のグラフに示されたアノード平均体積流量とセル電圧との関係が変化してしまう。より具体的には、燃料電池１００の高温運転時には、第１の湿潤状態ＷＳ１のときに、アノード平均体積流量を増大させても、図３のグラフのようにセル電圧は上昇せず、セル電圧が上昇しない状態が継続されてしまう。

即ち、燃料電池１００の高温運転時に、膜電極接合体１０において、カソード３の酸素の入口側が乾燥してセル電圧が低下したときには、その回復が困難となる。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、アノードガス供給部３００およびアノードガス循環部３５０によるアノードガスの供給制御を、以下に説明する処理手順で実行し、そうした発電性能の低下を抑制する。

図５は、制御部２００が実行する燃料電池１００に対するアノードガスの供給制御の処理手順を示すフローチャートである。ここで、本実施例の燃料電池システム１０００では、制御部２００は、冷媒供給部５００における２つの温度計測部５３１，５３２の計測値に基づいて、燃料電池１００の運転温度を検出する。そして、燃料電池１００の運転温度が通常の運転温度（例えば、５０〜７０℃程度）のときと、それより高い運転温度のときとで異なる基準でアノードガスの供給制御を実行する。以下では、まず、通常の運転温度のときのアノードガスの供給制御を説明する。

ステップＳ１０では、制御部２００は、外部負荷ＥＬの要求に応じて、燃料電池１００が出力する目標電流値を決定する。そして、制御部２００は、その目標電流値に対するアノードガスの供給量を決定し、その供給量に応じてアノードガス供給部３００のインジェクタ３１３の駆動周期を決定する。

図６は、ステップＳ１０において制御部２００がインジェクタ３１３の駆動周期を決定するために用いるマップの一例を示す説明図である。本実施例では、インジェクタ３１３の駆動周期を決定するためのマップＭ_IT（「駆動周期決定マップＭ_IT」とも呼ぶ）は、横軸を目標電流値Ｉ_tとし、縦軸をインジェクタ３１３の駆動周期Ｔとするグラフによって表される。具体的には、駆動周期決定マップＭ_ITは、目標電流値Ｉ_tの増加に対して、駆動周期Ｔの値が略階段状に増加するように設定されている。なお、駆動周期決定マップＭ_ITは、目標電流値Ｉ_tと駆動周期Ｔとが他の対応関係を有するように設定されているものとしても良い。

制御部２００は、アノードガス供給部３００に、駆動周期決定マップＭ_ITによって決定された駆動周期Ｔでインジェクタ３１３を駆動させる。そして、アノードガス循環部３５０には、ポンプ３６２を所定の一定の駆動力で駆動させ、アノード排ガスを燃料電池１００に循環させる。なお、このときのポンプ３６２は、燃料電池１００の膜電極接合体１０の湿潤状態が第２の湿潤状態ＷＳ２となる程度のアノード平均体積流量（図３，図４（Ｂ））が得られるように駆動されることが好ましい。

ステップＳ２０では、制御部２００は、所定の条件が満たされたときに、アノードガス循環部３５０に窒素の排出処理を実行させる。ここで、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソードガス供給部４００がエアコンプレッサ４１０によって外気を取り込んだ圧縮空気をカソードガスとして燃料電池１００に供給している。そのカソードガスに含まれる窒素などの不活性ガスの一部は、電解質膜１を介してアノード２へと移動する。

そのため、アノードガス循環部３５０によってアノード排ガスの再循環を繰り返していると、アノードガス中における不活性ガスの濃度が増大し、アノードガス中における水素の濃度が低下してしまう。そこで、制御部２００は、水素濃度センサ３７０が検出するアノード排ガス中の水素濃度が所定の値より低くなったときに、排出弁３８０を開弁し、気液分離部３６０に貯水された排水とともに、アノード排ガス中の不活性ガスも排出する。なお、制御部２００は、気液分離部３６０における貯水量が所定の量より多くなったときにも排出弁３８０を開弁するものとしても良い。

ステップＳ３０では、制御部２００は、検出された燃料電池１００の運転温度の判定を実行する。制御部２００は、燃料電池１００の運転温度が予め設定された第１の基準値Ｔ₁（例えば７５℃程度）より低い場合には、燃料電池１００が通常の運転温度であるものとして、上述したステップＳ１０〜Ｓ３０の処理を繰り返す。

ここで、燃料電池１００の運転温度が第１の基準値Ｔ₁以上であるときには、制御部２００は、通常の運転温度のときと異なる基準での制御を開始する。ステップＳ３０において、燃料電池１００の運転温度が第１の基準値Ｔ₁以上であった場合には、燃料電池１００が高温運転となる温度領域に近づいているものとして、まずステップＳ４０を実行する。

ステップＳ４０では、制御部２００は、上述したアノードガス循環部３５０における不活性ガスの排出処理（ステップＳ３０）が実行される頻度が増加するように、その処理の開始条件を緩やかにする。より具体的には、不活性ガスの排出処理の実行開始条件となる水素濃度の閾値をより高い値に再設定する。なお、以下では、ステップＳ４０で再設定される前の閾値を「通常基準の閾値」とも呼び、再設定された閾値を「高温運転時基準の閾値」とも呼ぶ。

ステップＳ５０では、制御部２００は、再度、燃料電池１００の運転温度の判定を実行する。制御部２００は、燃料電池１００の運転温度が予め設定された第２の基準値Ｔ₂（例えば８０℃程度）より低い場合には、燃料電池１００がまだ高温運転を行っていないものとして、上述したステップＳ１０〜Ｓ３０の処理を繰り返す。

ここで、ステップＳ４０を経た後に、ステップＳ１０〜Ｓ３０が繰り返される際には、ステップＳ４０で、高温運転時基準の閾値が設定されているため、ステップＳ２０における不活性ガスの排出処理が実行される頻度が増大する。そして、燃料電池１００に供給されるアノードガス中の不活性ガスの濃度が低減する。

図７は、アノードガス中における不活性ガス（窒素）の濃度と、燃料電池１００におけるアノードガスの圧力損失との関係を説明するための説明図である。図７には、横軸を燃料電池１００におけるアノードガスの流量とし、縦軸を燃料電池１００に供給されるアノードガスの圧力損失とするグラフが、アノードガスに含まれる窒素濃度ごとに図示されている。具体的には、窒素濃度が２０％であるときのグラフＧ１を実線で示し、窒素濃度が１０％であるときのグラフＧ２を一点鎖線で示し、窒素濃度が０％のときのグラフＧ３を二点鎖線で示してある。

各グラフＧ１〜Ｇ３は、アノードガスの流量が増大すると、燃料電池１００におけるアノードガスの圧力損失が比例的に増大することを示している。そして、アノードガスに含まれる不活性ガスである窒素の濃度が高いほど、流量の増大に伴って圧力損失が増大する度合い（各グラフＧ１〜Ｇ３の勾配）が大きくなることを示している。これは、窒素は水素に比較して流量係数が大きいため、その濃度が増大すると、燃料電池１００におけるアノードガスの圧力損失が顕著に増大してしまうためである。

ここで、図７のグラフには、ポンプ３６２の出力流量に対する最大圧力（定格圧力）を示すグラフの一例が破線グラフＧＰとして図示してある。破線グラフＧＰの上側の領域は、ポンプ３６２によって出力不能な流量を示す領域である。即ち、燃料電池１００に流量Ｑｔのアノード排ガスを循環させる場合を想定したときに、アノード排ガス中の窒素の濃度によっては、ポンプ３６２がその目標値である流量Ｑｔを出力できない場合が生じる。なお、図７には、アノードガス中の窒素の濃度が２０％以上であるときには、ポンプ３６２によって出力できない流量Ｑｔが例示してある。

図７のグラフが示すように、アノードガスにおける不活性ガスの濃度が低いほど、燃料電池１００におけるアノードガスの圧力損失を低減することができる。従って、ステップＳ４０（図５）以降のアノードガスの供給処理では、燃料電池１００におけるアノードガスの流量の制御の効率が向上する。

なお、アノードガス循環部３５０における不活性ガスの排出処理では、不活性ガスとともに水素も排出されることになる。従って、無駄に水素が排出されてしまうことを抑制するために、燃料電池１００が通常の運転温度であるときには、アノードガス中の不活性ガスの濃度が２０〜３０％程度となる頻度で、不活性ガスの排出処理が実行されていることが好ましい。

ステップＳ５０（図５）において、燃料電池１００の運転温度が第２の基準値Ｔ₂以上であった場合には、制御部２００は、燃料電池１００が高温運転をしているものとして、ステップＳ６０の処理を実行する。ステップＳ６０では、制御部２００は、燃料電池１００におけるアノードガスの流量が通常より増大するように、以下に説明するマップを用いて燃料電池１００に循環されるアノード排ガスの流量を増大させる。

図８は、ステップＳ６０において制御部２００がアノード排ガスの循環流量を決定するために用いるマップの一例を示す説明図である。本実施例では、アノード排ガスの循環流量を決定するためのマップＭ_QR（「循環流量決定マップＭ_QR」とも呼ぶ）は、横軸を運転温度Ｔ_FCとし、縦軸をアノード排ガスの循環流量Ｑ_Rとするグラフによって表される。なお、図８のグラフでは、運転温度が第２の基準値Ｔ₂以下であるときには、アノード排ガスの循環流量が一定量Ｑ_RSに保持されていることを破線で図示してある。以後、運転温度がＴ₂以下の時のアノード排ガスの循環流量Ｑ_RSを「通常基準の循環流量Ｑ_RS」と呼ぶ。

循環流量決定マップＭ_QRでは、燃料電池１００の運転温度Ｔ_FCが第２の基準値Ｔ₂以上となったときに、アノード排ガスの循環流量が通常基準の循環流量Ｑ_RSよりも増大するように設定されている。具体的には、本実施例の循環流量決定マップＭ_QRでは、アノード排ガスの循環流量Ｑ_Rが、通常基準の循環流量Ｑ_RSから、運転温度Ｔ_FCの上昇に伴って増大するように設定されている。

制御部２００は、この循環流量決定マップＭ_QRによって、燃料電池１００に循環されるアノード排ガスの循環流量Ｑ_Rを決定し、その流量Ｑ_Rに基づいてポンプ３６２を駆動する。そして、アノード排ガスの循環流量が増大された状態で、再び、ステップＳ１０以降のアノードガスの供給制御処理を繰り返す。

ここで、前記したとおり、燃料電池１００の高温運転時に膜電極接合体１０の湿潤状態が第１の湿潤状態ＷＳ１（図４（Ａ））となり、カソード３の酸素の入口側が乾燥してセル電圧が低下したときには、その回復が困難となる。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００が高温運転の状態であるときには、運転温度が高温に到達していない通常の運転状態のときよりも燃料電池１００におけるアノードガスの流量を増大させる。

燃料電池１００におけるアノードガスの流量を増大させると、アノードガスの流れによってアノード２における水素の出口側の領域に到達する水分量を増大させることができる。そして、その領域の電解質膜１を挟んで反対側の領域であるカソード３における酸素の入口側の領域の湿潤度を向上させることができる。従って、膜電極接合体１０の湿潤状態が第１の湿潤状態ＷＳ１となり、カソード３における酸素の出口側の領域が乾燥してしまうことを未然に回避することができる。

また、前記したとおり、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の運転温度が、第２の基準値Ｔ₂よりも低い第１の基準値Ｔ₁に到達したときに、アノードガス中の不活性ガスの濃度が低減するように制御されている（ステップＳ４０）。そのため、ステップＳ６０において、ポンプ３６２の駆動力を増大させたときに、圧力損失が低減された状態で、即応的に燃料電池１００におけるアノードガスの流量を増大させることができる。従って、より確実に電解質膜１の乾燥が抑制される。

また、本実施例の循環流量決定マップＭ_QRでは、燃料電池１００の運転温度Ｔ_FCが高いほど、アノードガスの循環流量Ｑ_Rが高くなるように設定されている。従って、燃料電池１００の運転温度が高くなり、電解質膜１がより乾燥しやすくなっている場合であっても、アノードガスの流量が運転温度に応じて増大するため、電解質膜１の乾燥をより確実に抑制できる。

さらに、本実施例の循環流量決定マップＭ_QRでは、第２の基準値Ｔ₂近傍の運転温度の領域Ｔ_NRでは、アノード排ガスの循環流量が急峻に増大し、それより高い運転温度の領域では、アノード排ガスの循環流量の増加の度合いが緩やかとなるように設定されている。ここで、高温運転初期である第２の基準値Ｔ₂近傍の運転温度では、カソード３における酸素の入口側の領域が急速に乾燥しやすくなる。本実施例の循環流量決定マップＭ_QRによれば、その温度領域Ｔ_NRにおいてアノードガスの流量が急速に増大するように設定されているため、電解質膜１の乾燥の発生をより確実に回避することができる。なお、運転温度Ｔ₂近傍の温度領域Ｔ_NRは、例えば、温度Ｔ₂〜温度Ｔ₂＋５℃程度の温度領域であるものとしても良い。

なお、ステップＳ４０を実行した後に、燃料電池１００の運転温度が、第１の基準値Ｔ₁より低下した場合には（ステップＳ３０）、制御部２００は、不活性ガスの排出処理の開始条件である閾値を通常基準の閾値に戻す（ステップＳ３５）。また、ステップＳ６０を実行した後に、燃料電池１００の運転温度が、第２の基準値Ｔ₂より低下した場合には（ステップＳ３０）、制御部２００は、ポンプ３６２を一定の駆動力での制御に戻し、アノード排ガスの循環流量を通常基準の循環流量Ｑ_RSに戻す（ステップＳ３５）。

ところで、燃料電池１００において電解質膜１が第１の湿潤状態ＷＳ１になっているときには、燃料電池１００の抵抗値が比較的低下した状態となる（図３のグラフＧ_R）。従って、発電中の燃料電池１００の抵抗値に基づいて、電解質膜１が第１の湿潤状態ＷＳ１になっていることを検出することも可能である。

しかし、前記したとおり、燃料電池１００が高温運転をしているときに、電解質膜１が第１の湿潤状態ＷＳ１となったときには、電解質膜１をその状態から回復させることは困難である。これに対し、本実施例の燃料電池システム１０００であれば、燃料電池１００の運転温度に基づくアノードガスの供給制御により、電解質膜１が第１の湿潤状態ＷＳ１となることを未然に回避することができる。従って、より確実に、燃料電池１００の性能低下を抑制できる。

このように、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の運転温度が第１の基準値Ｔ₁以上とり、燃料電池１００が高温運転の状態になる可能性が高いときに、アノードガス中の不活性濃度が低減されるように制御する。そして、アノードガス中の不活性濃度を低減させた上で、燃料電池１００の運転温度が第２の基準値Ｔ₂以上となったときに燃料電池１００におけるアノードガスの流量を通常よりも増大させる。即ち、本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池１００の運転温度に基づいて、電解質膜１の乾燥を抑制するためのアノードガスについてのフィードフォワード制御を実行しているものと解釈することができる。従って、燃料電池１００の高温運転時に、電解質膜１の一部領域の乾燥の発生を未然に回避して、より確実に燃料電池１００の性能低下の発生を抑制することができる。

B．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

B1．変形例１：
上記実施例では、制御部２００は、駆動周期決定マップＭ_ITや、循環流量決定マップＭ_QRを用いて、インジェクタ３１３の駆動周期Ｔや、アノードガス循環部３５０が燃料電池１００に循環させるアノード排ガスの循環流量Ｑ_Rを決定していた。しかし、制御部は、それらのマップＭ_IT，Ｍ_QRに換えて、所定の関数や演算式によって、インジェクタ３１３の駆動周期Ｔや、アノード排ガスの循環流量Ｑ_Rを決定するものとしても良い。

B2．変形例２：
上記実施例では、アノードガス供給部３００やカソードガス供給部４００が供給ガスを加湿するための加湿部を備えていなかった。しかし、アノードガス供給部３００やカソードガス供給部４００は供給ガスを加湿するための加湿部を備えているものとしても良い。ただし、上記実施例の燃料電池システム１０００であれば、加湿部のような加湿機構を有していない分だけ小型化することができ、加湿部を駆動するための電力消費量を低減することができる。

B3．変形例３：
上記実施例では、アノードガスの供給制御処理のステップＳ６０（図５）において、燃料電池１００の運転温度が高いほど、燃料電池１００におけるアノードガスの流量が増加するように制御されていた。しかし、燃料電池１００におけるアノードガスの流量は、燃料電池１００の運転温度に従って増加されなくとも良い。燃料電池１００におけるアノードガスの流量は、燃料電池１００の運転温度が第２の基準値Ｔ₂以下であるときよりも増大されるように制御されていれば良い。

B4．変形例４：
上記実施例では、不活性ガス排出処理（図５のステップＳ２０）は、水素濃度センサ３７０の計測値に基づいて実行されていた。しかし、不活性ガス排出処理は、他の条件に基づいて実行されるものとしても良い。例えば、不活性ガス排出処理は、一定の時間周期で実行されるものとしても良い。この場合には、ステップＳ４０では、その不活性ガス排出処理が実行される周期を短くする処理が実行されるものとしても良い。

B5．変形例５：
上記実施例では、燃料電池１００の運転温度が第１の基準値Ｔ₁以上となったときに、不活性ガス排出処理の開始条件を変更する第１の制御処理を実行し、さらに、燃料電池１００の運転温度が第２の基準値Ｔ₂以上となったときに、燃料電池１００におけるアノードガスの流量が増大するように制御する第２の制御処理とを実行していた。しかし、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００の運転温度が第２の基準値Ｔ₂以上となったときに、燃料電池１００におけるアノードガスの流量を増大させる第２の制御処理を実行しなくとも良い。このような構成であっても、燃料電池１００の運転温度に基づいて、第１の制御処理が実行され、アノードガスの圧力損失が低下するため、燃料電池１００におけるアノードガスの流量が第１の制御処理が実行される前よりも増大する。従って、膜電極接合体１０の湿潤状態が第１の湿潤状態ＷＳとなる可能性が低減され、電解質膜１の乾燥に起因する発電性能の低下が抑制される。

１…電解質膜
２…アノード
３…カソード
１０…膜電極接合体
１１…発電領域
１２…シール部
２０…制御部
２１…アノードセパレータ
２２…カソードセパレータ
１００…燃料電池
１１０…単セル
１３１〜１３６…マニホールド
２００…制御部
３００…アノードガス供給部
３０１…水素タンク
３０２…アノードガス配管
３１１…開閉弁
３１２…レギュレータ
３１３…インジェクタ
３２０…圧力計測部
３５０…アノードガス循環部
３５１…アノード排ガス配管
３５２…循環配管
３５３…排水配管
３６０…気液分離部
３６２…ポンプ
３７０…水素濃度センサ
３８０…排出弁
４００…カソードガス供給部
４０１…カソードガス配管
４１０…エアコンプレッサ
４３０…開閉弁
４５０…カソードガス排出部
４５１…カソード排ガス配管
４６０…調圧弁
４７０…圧力計測部
５００…冷媒供給部
５０１…冷媒用配管
５１０…ラジエータ
５２０…冷媒循環用ポンプ
５３１，５３２…温度計測部
１０００…燃料電池システム
ＤＡ…乾燥領域

Claims

燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備え、燃料ガスと酸化ガスとが前記電解質膜の面に沿って互いに対向し合う方向に流れるように供給される燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスと不活性ガスとを含む排ガスを前記燃料電池に循環させ、所定の条件に従って、前記排ガスを外部へと排出することにより、前記排ガス中の不活性ガスの濃度を低減させる排ガス排出処理を実行する燃料ガス循環部と、
前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス循環部とを制御して、前記燃料電池における燃料ガスの流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
（ｉ）前記温度計測部の計測値が第１の閾値以上であるときに、前記燃料ガス循環部が前記排ガス排出処理を実行する頻度が、前記計測値が前記第１の閾値よりも小さいときよりも増加するように、前記所定の条件を変更する第１の制御処理と、
（ｉｉ）前記計測値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であるときに、前記燃料電池における燃料ガスの流量が、前記計測値が前記第２の閾値より小さいときよりも増大するように制御する第２の制御処理と、
を実行する、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記第２の制御処理は、前記燃料電池の運転温度の上昇に応じて前記燃料電池における燃料ガスの流量が増大するように制御する処理を含む、燃料電池システム。
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環部は、前記排ガス中の燃料ガス濃度を計測する燃料ガス濃度計測部を備え、
前記燃料ガス循環部は、前記燃料ガス濃度計測部の計測値が所定の閾値より小さくなったときに、前記排ガス排出処理を実行し、
前記第１の制御処理は、前記所定の閾値をより大きい値に再設定する処理を含む、燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
（ｉｉｉ）前記第１の制御処理を開始した後に、前記温度検出部の計測値が前記第１の閾値よりも小さくなったときには、前記燃料ガス循環部が前記排ガス排出処理を実行する頻度が、前記第１の制御処理を実行しているときよりも減少するように、前記所定の条件を変更する第３の制御処理と、
（ｉｖ）前記第２の制御処理を開始した後に、前記温度検出部の計測値が前記第２の閾値よりも小さくなったときには、前記第２の制御処理を実行しているときよりも、前記燃料電池における燃料ガスの流量が低下するように制御する第４の制御処理と、
を実行する、燃料電池システム。
燃料電池システムにおいて、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備える燃料電池に対する燃料ガスの供給を制御する方法であって、
（ａ）前記燃料電池の前記膜電極接合体に、燃料ガスと酸化ガスとを供給し、前記電解質膜の面に沿って互いに対向し合う方向に流す工程と、
（ｂ）前記燃料電池から排出された燃料ガスと不活性ガスとを含むアノード排ガスを前記燃料電池に循環させ、所定の条件に従って、前記アノード排ガスを外部へと排出することにより、前記アノード排ガス中の不活性ガスの濃度を低減させる排ガス排出処理を実行する工程と、
（ｃ）前記燃料電池の運転温度を計測する工程と、
（ｄ）前記運転温度の計測値が第１の閾値以上であるときに、前記排ガス排出処理が実行される頻度を、前記計測値が前記第１の閾値よりも小さいときよりも増加するように、前記所定の条件を変更する工程と、
（ｅ）前記運転温度の計測値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であるときに、前記燃料電池における燃料ガスの流量を、前記計測値が前記第２の閾値より小さいときよりも増大させる工程と、
を備える、方法。