JP2003331892A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池システムの起動の際、燃料電池スタッ
クの暖気及び加湿を効率的に行い、燃料電池システムの
起動時間を短縮する。 【解決手段】制御部１８と、燃料電池スタック３と、電
流調整部１２，１３とを具備する燃料電池システムを用
いる。燃料電池スタック３は、酸化ガスと燃料ガスとを
供給されている。電流調整部１２，１３は、燃料電池ス
タック３に電気的に接続されている。制御部１８は、燃
料電池スタック３の昇温時に、燃料電池スタック３にス
タック電流を流すように電流調整部１２，１３を制御す
る。スタック電流は、実質的な定電流や、燃料電池スタ
ック３の開放電圧に対する割合が予め設定された値にな
るスタック電流等である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
及び燃料電池システムの起動方法に関し、特に、燃料電
池スタックの起動にかかる時間を短縮する燃料電池シス
テム及び燃料電池システムの起動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型の燃料電池スタックに燃料
ガスと酸化ガスとを供給して発電する場合、起動時は、
燃料電池スタックの温度が低い（常温）ため、十分な出
力が得られない。これは、（１）電極触媒の温度が低
く、触媒活性が低いこと、（２）電解質膜の温度が低い
ため、電解質膜（イオン交換膜）の抵抗が高いこと、
（３）燃料電池スタックの温度が低いため、水蒸気を含
むガス（燃料ガス及び酸化ガス）を供給しても、水蒸気
が凝縮してしまい、電解質膜に達することが出来ず、電
解質膜を加湿することができないため、電解質膜の抵抗
が高い、等の理由による。

【０００３】燃料電池スタックの起動時の昇温方法とし
ては、発電時に燃料電池スタックで発生する熱を逃がす
ために燃料電池スタック内を流通する冷却水を、起動時
に所定の方法（例示：冷却水のラインに加熱装置を設け
る）で加熱し、これを燃料電池スタックに通じて燃料電
池スタックを加熱する方法が知られている。また、加湿
方法としては、酸化ガス及び燃料ガスを加湿して供給す
ることにより、電解質膜を加湿する方法が知られてい
る。

【０００４】冷却水は、燃料電池スタックのセパレータ
内部に設けられた通路内を流れる。冷却水の熱は、セパ
レータを暖めた後、燃料電池セルを暖めることになる。
従って、冷却水の熱が燃料電池セルまで伝わるのに、遅
れがある。また、燃料ガスや酸化ガスも加熱して供給さ
れるが、ガスであるため熱量が小さいので、燃料電池ス
タックの加熱には時間を要する。また、加湿した燃料ガ
ス及び酸化ガスにより電解質膜を加湿するが、燃料電池
スタックの温度が低いため途中で水蒸気が凝縮し易い。
また、電極部に多孔質のカーボン材が用いられ、電解質
膜全面を覆っているので、水蒸気が電解質膜にまで到達
するのに時間を要する。

【０００５】車両用の燃料電池スタックなどは、起動か
ら運転までの時間が出来るだけ短いことが期待されてい
る。燃料電池システムの起動時間を短縮する技術が望ま
れている。燃料電池システムにおける燃料電池スタック
の加熱時間を短縮する技術が求められている。燃料電池
スタック中の燃料電池セルの加湿時間を短縮する技術が
求められている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、起動にかかる時間を短縮することが可能な燃料電池
システム及び燃料電池システムの起動方法を提供するこ
とである。

【０００７】また、本発明の他の目的は、燃料電池スタ
ックの加熱時間を短縮することが可能な燃料電池システ
ム及び燃料電池システムの起動方法を提供することであ
る。

【０００８】本発明の更に他の目的は、燃料電池スタッ
ク中の燃料電池セルの加湿時間を短縮することが可能な
燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法を提
供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応
関係を明らかにするために括弧付きで付加されたもので
ある。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範
囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いて
はならない。

【００１０】従って、上記課題を解決するために、本発
明の燃料電池システムは、制御部（１８）と、燃料電池
スタック（３）と、第１燃料ガス流量制御部（７）と、
第２燃料ガス流量制御部（８）と、第１酸化ガス流量制
御部（９）とを具備する。第１燃料ガス流量制御部
（７）は、燃料電池スタック（３）のアノード側へ供給
される燃料ガスとしての第１燃料ガス（Ｑ）の流量を制
御する。第２燃料ガス流量制御（８）部は、燃料電池ス
タック（３）のカソード側へ供給されるその燃料ガスと
しての第２燃料ガス（Ｑ’）の流量を制御する。第１酸
化ガス流量制御部（９）は、そのカソード側へ供給され
る酸化ガスとしての第１酸化ガス（Ｐ）の流量を制御す
る。そして、制御部（１８）は、燃料電池スタック
（３）を昇温する際に、そのカソード側に、第２燃料ガ
ス（Ｑ’）と第１酸化ガス（Ｐ）とが予め設定された割
合で供給されるように第２燃料ガス流量量制御部（８）
と第１酸化ガス流量制御部（９）とを制御する。

【００１１】また、本発明の燃料電池システムは、制御
部（１８）と、燃料電池スタック（３）と、第１燃料ガ
ス流量制御部（７）と、第１酸化ガス流量制御部（９）
と、第２酸化ガス流量制御部（１０）とを具備する。第
１燃料ガス流量制御部（７）は、燃料電池スタック
（３）のアノード側へ供給される燃料ガスとしての第１
燃料ガス（Ｑ）の流量を制御する。第１酸化ガス流量制
御部（９）は、燃料電池スタック（３）のカソード側へ
供給される酸化ガスとしての第１酸化ガス（Ｐ）の流量
を制御する。第２酸化ガス流量制御部（１０）は、その
アノード側へ供給されるその酸化ガスとしての第２酸化
ガス（Ｐ’）の流量を制御する。そして、制御部（１
８）は、燃料電池スタック（３）を昇温する際に、その
アノード側へ、第１燃料ガス（Ｑ）と第２酸化ガス
（Ｐ’）とが予め設定された割合で供給されるように第
１燃料ガス流量量制御部（７）と第２酸化ガス流量制御
部（１０）とを制御する。

【００１２】更に、本発明の燃料電池システムは、燃料
電池スタック（３）内を流れる水を加熱する加熱部
（５）を更に具備する。そして、制御部（１８）は、燃
料電池スタック（３）を昇温する際に、その加熱を行う
ように加熱部（５）を制御する。

【００１３】上記課題を解決するための、本発明の燃料
電池システムの起動方法は、燃料電池スタック（３）の
アノード側へ、燃料ガスとしての第１燃料ガス（Ｑ）を
供給するステップと、燃料電池スタック（３）のカソー
ド側へ、酸化ガスとしての第１酸化ガス（Ｐ）を供給す
るステップと、燃料電池スタック（３）を昇温する際
に、そのカソード側へ、その燃料ガスとしての第２燃料
ガス（Ｑ’）を供給するステップとを具備する。

【００１４】また、本発明の燃料電池システムの起動方
法は、燃料電池スタック（３）のアノード側へ、燃料ガ
スとしての第１燃料ガス（Ｑ）を供給するステップと、
燃料電池スタック（３）のカソード側へ、酸化ガスとし
ての第１酸化ガス（Ｐ）を供給するステップと、燃料電
池スタック（３）を昇温する際に、そのアノード側へ、
その酸化ガスとしての第２酸化ガス（Ｐ’）を供給する
ステップとを具備する。

【００１５】また、本発明の燃料電池システムの起動方
法は、燃料電池スタック（３）への供給前に、第１燃料
ガス（Ｑ）及び第１酸化ガス（Ｐ）を加湿するステップ
を更に具備する。

【００１６】また、本発明の燃料電池システムの起動方
法は、燃料電池スタック（３）の発電の停止中に、燃料
電池スタック（３）のカソード側へ、燃料電池スタック
（３）の運転に用いる酸化ガス（Ｐ）と比較して乾燥し
ているガスとしての前処理ガスを供給するステップと、
燃料電池スタック（３）を昇温する際に、そのカソード
側へ、酸化ガス（Ｐ）を供給するステップと、燃料電池
スタック（３）のアノード側へ、酸化ガス（Ｐ）の圧力
（Ａ_０）よりも高い圧力（Ａ_１）で燃料ガス（Ｑ）を供
給するステップとを具備する。

【００１７】更に、本発明の燃料電池システムの起動方
法は、燃料電池スタック（３）の発電の停止中に、燃料
電池スタック（３）のカソード側へ、燃料電池スタック
（３）の運転に用いる酸化ガス（Ｐ）と比較して乾燥し
ているガスとしての前処理ガスを供給するステップと、
燃料電池スタック（３）を昇温する際に、燃料電池スタ
ック（３）のアノード側へ、燃料ガス（Ｑ）を供給する
ステップと、そのカソード側へ、燃料ガス（Ｑ）の圧力
（Ａ_０）よりも高い圧力（Ａ_１）で酸化ガス（Ｐ）を供
給するステップとを具備する。

【００１８】更に、本発明の燃料電池システムの起動方
法は、前処理ガスを供給するステップが、その発電の停
止中に、そのカソード側の代わりにそのアノード側へ、
酸化ガス（Ｐ）の代わりに燃料ガス（Ｑ）と比較して乾
燥しているその前処理ガスを供給するステップを具備す
る。

【００１９】更に、本発明の燃料電池システムの起動方
法は、燃料電池スタック（３）内を流れる水を加熱し、
燃料電池スタック（３）へ供給するステップを更に具備
する。

【００２０】上記課題を解決するための本発明に関わる
プログラムは、燃料電池スタック（３）のアノード側
へ、燃料ガスとしての第１燃料ガス（Ｑ）を供給するス
テップと、燃料電池スタック（３）のカソード側へ、酸
化ガスとしての第１酸化ガス（Ｐ）を供給するステップ
と、燃料電池スタック（３）を昇温する際に、そのカソ
ード側へ、その燃料ガスとしての第２燃料ガス（Ｑ’）
を供給するステップとを具備する方法をコンピュータに
実行させる。

【００２１】また、本発明に関わるプログラムは、燃料
電池スタック（３）のアノード側へ、燃料ガスとしての
第１燃料ガス（Ｑ）を供給するステップと、燃料電池ス
タック（３）のカソード側へ、酸化ガスとしての第１酸
化ガス（Ｐ）を供給するステップと、燃料電池スタック
（３）を昇温する際に、そのアノード側へ、その酸化ガ
スとしての第２酸化ガス（Ｐ’）を供給するステップと
を具備する方法をコンピュータに実行させる。

【００２２】更に、本発明に関わるプログラムは、燃料
電池スタック（３）の発電の停止中に、燃料電池スタッ
ク（３）のカソード側へ、燃料電池スタック（３）の運
転に用いる酸化ガス（Ｐ）と比較して乾燥しているガス
としての前処理ガスを供給するステップと、燃料電池ス
タック（３）を昇温する際に、そのカソード側へ、酸化
ガス（Ｐ）を供給するステップと、燃料電池スタック
（３）のアノード側へ、酸化ガス（Ｐ）の圧力（Ａ_０）
よりも高い圧力（Ａ_１）で燃料ガス（Ｑ）を供給するス
テップとを具備する方法をコンピュータに実行させる。

【００２３】更に、本発明に関わるプログラムは、燃料
電池スタック（３）の発電の停止中に、燃料電池スタッ
ク（３）のカソード側へ、燃料電池スタック（３）の運
転に用いる酸化ガス（Ｐ）と比較して乾燥しているガス
としての前処理ガスを供給するステップと、燃料電池ス
タック（３）を昇温する際に、燃料電池スタック（３）
のアノード側へ、燃料ガス（Ｑ）を供給するステップ
と、そのカソード側へ、燃料ガス（Ｑ）の圧力（Ａ_０）
よりも高い圧力（Ａ_１）で酸化ガス（Ｐ）を供給するス
テップとを具備する方法をコンピュータに実行させる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明である燃料電池シス
テムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明す
る。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には
同一の符号を付して説明する。

【００２５】（実施例１）先ず、本発明である燃料電池
システムの第１の実施の形態における構成について説明
する。図１は、本発明である燃料電池システムの第１の
実施の形態における構成を示す図である。燃料電池シス
テムは、燃料ガス供給部１、酸化ガス供給部２、燃料電
池スタック３、加熱部５、冷却部６、第１燃料ガス流量
制御弁７、第２燃料ガス流量制御弁８、第１酸化ガス流
量制御弁９、第２酸化ガス流量制御弁１０、燃料ガス逆
止弁１１、酸化ガス逆止弁１２、ダイオード１３、出力
スイッチ１４、電圧センサ１５、ポンプ１７、制御部１
８を具備する。そして、負荷装置４に接続され、負荷装
置４へ電力を供給している。そして、第１燃料ガス用の
配管である第１燃料ガス配管２１−１〜２１−３、第２
燃料ガス用の配管である第２燃料ガス配管２３−１〜２
３−３、第１酸化ガス用の配管である第１酸化ガス配管
２２−１〜２２−３、第２酸化ガス用の配管である第２
酸化ガス配管２４−１〜２４−３、冷却水用の配管であ
る冷却水配管２０−１〜２０−４を有する。また、電気
用の配線である配線２５−１〜２５−２を備える。

【００２６】燃料ガス供給部１は、加湿部を有する。第
１燃料ガス配管２１−１−第１燃料ガス流量制御弁７−
第１燃料ガス配管２１−２を介して燃料電池スタック３
のアノード側（燃料極）へ燃料ガスとしての第１燃料ガ
スの供給を行う。ここで、燃料ガスは、水素、又はメタ
ノールやメタン等の炭化水素系材料を改質して得られる
水素リッチガスに例示される水素を含むガスであり、Ｃ
Ｏ濃度は所定の量未満であり、加湿されている。ただ
し、燃料ガスが、炭化水素系材料であれば、内部に改質
部、ＣＯ変成部を含む。また、燃料ガス供給部１は、第
１燃料ガス配管２１−１（の途中）−第２燃料ガス配管
２３−１−第２燃料ガス流量制御弁８−第２燃料ガス配
管２３−２−燃料ガス逆止弁１１−第２燃料ガス配管２
３−３−第１酸化ガス配管２２−２（の途中）を介し
て、燃料電池スタック３のカソード側（空気極）へ燃料
ガスとしての第２燃料ガスの供給を行う。

【００２７】酸化ガス供給部２は、内部に加湿部を有す
る。第１酸化ガス配管２２−１−第１酸化ガス流量制御
弁９−第１酸化ガス配管２２−２を介して燃料電池スタ
ック３のカソード側（空気極）へ酸化ガスとしての第１
酸化ガスを供給する。ここで、酸化ガスは、酸素、又は
空気に例示される酸素を含むガスであり、加湿されてい
る。また、酸化ガス供給部２は、第１酸化ガス配管２２
−１（の途中）−第２酸化ガス配管２４−１−第２酸化
ガス流量制御弁１０−第２酸化ガス配管２４−２−酸化
ガス逆止弁１２−第２酸化ガス配管２４−３−第１燃料
ガス配管２１−３（の途中）を介して、燃料電池スタッ
ク３のアノード側（燃料極）へ酸化ガスとしての第２酸
化ガスの供給を行う。

【００２８】燃料電池スタック３は、第１燃料ガス中の
水素と第１酸化ガス中の酸素とを用いて発電を行う燃料
電池セルの集合体（燃料電池セルを一つ又は直列に複数
個接続したスタック）である。詳細は後述する。ここ
で、燃料電池スタック３は、単独のスタックの場合だけ
でなく、複数のスタックを直列に接続する場合（出力電
圧を高くすることが出来る）や、並列に接続する場合
（出力電流を多くすることが出来る）などが有る。ま
た、燃料電池セルとしては、固体高分子型の他、リン酸
型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の燃料電池に例示さ
れる（ただし、実施例２では、固体高分子型である）。

【００２９】第１燃料ガス流量制御部としての第１燃料
ガス流量制御弁７は、第１燃料ガス配管２１−１と第１
燃料ガス配管２１−２との間にあり、燃料ガス供給部１
から燃料電池スタック３のアノード側へ供給する第１燃
料ガスの流量（供給量）を制御する。第２燃料ガス流量
制御部としての第２燃料ガス流量制御弁８は、第２燃料
ガス配管２３−１と第２燃料ガス配管２３−２との間に
あり、燃料ガス供給部１から燃料電池スタック３のカソ
ード側へ供給する第２燃料ガスの流量（供給量）を制御
する。燃料ガス逆止弁１１は、第２燃料ガス配管２３−
２と第２燃料ガス配管２３−３との間にあり、第１酸化
ガス配管２２−２の第１酸化ガスが、第１燃料ガス配管
２１−１側へ逆流するのを防止する。

【００３０】第１酸化ガス流量制御部としての第１酸化
ガス流量制御弁９は、第１酸化ガス配管２２−１と第１
酸化ガス配管２２−２との間にあり、酸化ガス供給部２
から燃料電池スタック３のカソード側へ供給する第１酸
化ガスの流量（供給量）を制御する。第２酸化ガス流量
制御部としての第２酸化ガス流量制御弁１０は、第２酸
化ガス配管２４−１と第２酸化ガス配管２４−２との間
にあり、酸化ガス供給部２から燃料電池スタック３のア
ノード側へ供給する第２酸化ガスの流量（供給量）を制
御する。酸化ガス逆止弁１２は、第２酸化ガス配管２４
−２と第２酸化ガス配管２４−３との間にあり、第１燃
料ガス配管２１−２の第１燃料ガスが、第１酸化ガス配
管２２−１側へ逆流するのを防止する。

【００３１】加熱部５は、起動時において、通常運転時
に燃料電池スタック３を冷却するために循環させる水
（冷却水）を冷却水配管２０−１経由で供給され、燃料
電池スタック３を加熱するために加熱する。そして、加
熱された冷却水を冷却水配管２０−２経由で燃料電池ス
タック３へ供給する。加熱は、燃料ガス供給部１から燃
料ガス、酸化ガス供給部２から酸化ガスの供給を受け
て、それを燃焼する方法や、電気ヒータでの加熱などの
方法を用いて行う。なお、燃料電池スタック３の起動時
以外は、加熱を行わない。

【００３２】冷却部６は、通常運転時に、燃料電池スタ
ック３を通過して加熱された冷却水を、冷却水配管２０
−３経由で供給され、熱交換等の手法等により冷却す
る。そして、冷却された冷却水を冷却水配管２０−４経
由でポンプ１７へ送出する。燃料電池スタック３の起動
時には、冷却を行わない。

【００３３】ポンプ１７は、冷却された冷却水を冷却水
配管２０−４から供給され、冷却水配管２０−１へ吐出
する。ポンプ１７により、冷却水は、冷却水配管２０−
１〜２０−４を介して、ポンプ１７−加熱部５−燃料電
池スタック３−冷却部６−ポンプ１７の順で循環する。

【００３４】ダイオード１３は、燃料電池スタック３の
電流としてのスタック電流Ｉｓの向きを一方向に制限す
る。配線２５−１の途中に直列に接続している。出力ス
イッチ１４は、スイッチＯＮ／ＯＦＦにより、燃料電池
スタック３と負荷装置４との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦ
する。起動時には、ＯＦＦになっている。

【００３５】電圧センサ１５は、燃料電池スタック３の
電圧であるスタック電圧Ｖｓを測定する。一方の端子
を、燃料電池スタック３から電力を取り出す配線２５−
１に、他方の端子を配線２５−２へ接続している。測定
されたスタック電圧Ｖｓは、制御部１８へ出力される。

【００３６】制御部１８は、燃料電池システム全体（燃
料ガス供給部１、酸化ガス供給部２、燃料電池スタック
３、加熱部５、冷却部６、第１燃料ガス流量制御弁７、
第２燃料ガス流量制御弁８、第１酸化ガス流量制御弁
９、第２酸化ガス流量制御弁１０、出力スイッチ１４、
電圧センサ１５、ポンプ１７を含む）を制御する。ま
た、記憶部（図示せず）に、図４に示すタイムスケジュ
ールや、温度と開放電圧との関係を示すテーブルを有す
る。

【００３７】負荷装置４は、車両用燃料電池システムの
場合には、車両駆動用のインバータ、モータ等である。
据置型の燃料電池システムの場合には、商用インバータ
等である。

【００３８】次に、図２を参照して、燃料電池セルにつ
いて説明する。図２は、燃料電池セル３０及びセパレー
タ３４を説明する断面図である。固体高分子型燃料電池
は、基本構造として２つのセパレータ３４と、それらに
挟まれた燃料電池セル３０とを備える。

【００３９】燃料電池セル３０は、燃料極３２、空気極
３３、電解質膜３１を有する。電解質膜３１は、燃料極
３２及び空気極３３に挟まれ、これら電極経由で供給さ
れる第１燃料ガス中の水素および第１酸化ガス中の酸素
を用いて、電気化学反応（電池反応）により発電を行
う。電解質膜３１は、パーフルオロスルホン酸膜のよう
なイオン交換樹脂の膜に例示される。燃料極３２及び空
気極３３は、それぞれ第１燃料ガス及び第１酸化ガスを
流通させ、第１燃料ガス中の水素と第１酸化ガス中の酸
素とによる電気化学反応を媒介する。電池反応に伴う電
子の通路でもある。燃料極３２及び空気極３３は、発電
した電力を取り出すための集電層及び、電池反応に関わ
る反応層（触媒層）を含む。また、燃料電池スタック３
の起動時には、燃料極３２及び空気極３３は、酸化ガス
と燃料ガスとを同時に供給され、燃料ガスの酸化反応に
より発熱し、水を生成する。

【００４０】セパレータ３４は、一方の面において燃料
電池セル３０のアノード側へ第１燃料ガスを供給する燃
料ガス通路３５と、他方の面において燃料電池セル３０
のカソード側へ酸化ガスを供給する酸化ガス通路３６と
を有する。また、燃料ガス通路３５と酸化ガス通路３６
との間に設けられ、燃料電池スタック３を冷却する（起
動時には加熱する）冷却水を供給する冷却水通路３７を
有する。また、各燃料電池セル３０同士を電気的に接合
する。セパレータ３４の材質は、カーボン（グラファイ
ト）コンポジット等に例示される。また、燃料電池スタ
ック３の起動時には、燃料ガス通路３５は、第１燃料ガ
スと第２酸化ガスをと流通する。又は、酸化ガス通路３
６は、第２燃料ガスと第１酸化ガスとを流通する。

【００４１】次に、燃料電池スタックの構成について図
３を参照して説明する。図３は、燃料電池スタック３の
構成を示す斜視図である。燃料電池スタック３は、セパ
レータ３４−１〜３４−ｎ（ｎは２以上の自然数、以下
同じ）、燃料電池セル３０−１〜３０−ｎ−１、発電部
３９、集電プレート４０、絶縁プレート４１、エンドプ
レート４２、集電プレート４６、絶縁プレート４７、エ
ンドプレート４８、燃料ガス導入口４３、冷却水導入口
４４、酸化ガス導入口４５、酸化ガス排出口４９、冷却
水排出口５０、燃料ガス排出口５１を具備する。

【００４２】発電部３９は、燃料電池スタック３におい
て、発電を行う部分であり、燃料電池セル３０−ｓ（ｓ
＝１〜ｎ−１、自然数、以下同じ）が、セパレータ３４
−ｒ（ｒ＝ｓ及びｒ＝ｓ＋１）を介して直列に接続され
ている。セパレータ３４−ｒ（ｒ＝ｓ及びｒ＝ｓ＋１）
は、燃料電池セル３０−ｓの両側に配設され、隣接する
燃料電池セル３０同士を電気的に接続する。セパレータ
３４−ｒ及び燃料電池セル３０−ｓは、図２での説明の
通りである。

【００４３】集電プレート４０及び集電プレート４６
は、燃料電池セル３０−１〜３０−ｎ−１で発電された
電力を集電し、外部へ取り出すための電極である。絶縁
プレート４１及び絶縁プレート４７は、集電プレート４
０及び集電プレート４６と、エンドプレート４２及びエ
ンドプレート４８とを絶縁する。エンドプレート４２及
びエンドプレート４８は、発電部３９を両側から挟みこ
む。また、エンドプレート４２には燃料ガス導入口４
３、冷却水導入口４４及び酸化ガス導入口４５が設けら
れている。燃料電池スタック３へ、それぞれ燃料ガス
（燃料電池スタック３起動時は、燃料ガスと酸化ガ
ス）、冷却水及び酸化ガス（燃料電池スタック３起動時
は、燃料ガスと酸化ガス）を供給する。同様にエンドプ
レート４８には、酸化ガス排出口４９、冷却水排出口５
０及び燃料ガス排出口５１が設けられている。燃料電池
スタック３から、それぞれ酸化ガス、冷却水及び燃料ガ
スを排出する。

【００４４】次に、本発明である燃料電池システムの第
１の実施の形態における動作（燃料電池システムの起動
方法）について、図１、図４、図７を参照して説明す
る。

【００４５】まず、図７について説明する。図７（ａ）
は、本発明の燃料電池システムの起動方法の原理を示す
図である。電解質膜３１と燃料極３２と空気極３３とを
有する燃料電池セル３０において、アノード側（燃料極
３２）に第１燃料ガス（図中、Ｈ_２）に加えて第２酸化
ガス（図中、Ｏ_２）を供給する。そうすることにより、
燃料極３２の触媒層上で第１燃料ガスの酸化反応（Ｈ_２
＋１／２・Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ）により、生成水と反応熱が発
生する。同様に、カソード側（空気極３３）に第１酸化
ガス（図中、Ｏ_２）に加えて第２燃料ガス（図中、
Ｈ_２）を供給する。そうすることにより、空気極３３の
触媒層上で第２燃料ガスの酸化反応（Ｈ_２＋１／２・Ｏ
_２→Ｈ_２Ｏ）により、生成水と反応熱が発生する。そし
て、その生成水で電解質膜３１が加湿される。また、反
応熱で燃料電池セル３０が加熱され、結果として燃料電
池スタック３が加熱される。すなわち、起動時の加熱及
び加湿を行なうことが可能となる。この加熱及び加湿
は、加熱及び加湿が必要な場所で行えるので、非常に効
率的で短時間に昇温及び加湿を達成することが出来る。

【００４６】次に、図４について説明する。

【００４７】図４は、燃料電池システムの起動時の動作
を示すタイミングチャートである。ここで、（ａ）燃料
電池スタック３の温度Ｔと時間ｔとの関係、（ｂ）燃料
電池スタック３のアノード側に供給される第１燃料ガス
Ｑ及び第２酸化ガスＰ’の流量と時間ｔとの関係、
（ｃ）燃料電池スタック３のカソード側に供給される第
１酸化ガスＰ及び第２燃料ガスＱ’の流量と時間ｔとの
関係、である。縦軸は、それぞれ（ａ）燃料電池スタッ
ク３の温度Ｔ、（ｂ）第１燃料ガスＱと第２酸化ガス
Ｐ’の流量（供給量）、（ｃ）第１酸化ガスＰと第２燃
料ガスＱ’の流量（供給量）、であり、横軸は、時間ｔ
である。

【００４８】この図４のような燃料電池システムの起動
時の動作を示すタイミングチャートを示すデータ、及び
温度と開放電圧との関係を示すデータ（テーブル）は、
制御部１８の記憶部（図示せず）に格納され、制御部１
８の制御に用いられる。

【００４９】以下に動作を説明する。本実施例では、燃
料ガスとして水素、酸化ガスとして空気を用いるものと
する。

【００５０】（１）ステップＳ０１（時間０） 燃料ガス供給部１は、水素を第１及び第２燃料ガスとし
て供給可能な状態である。このとき、第１燃料ガスＱの
流量（図４（ｂ））＝０、第２燃料ガスＱ’の流量（図
４（ｃ））＝０、である。

【００５１】酸化ガス供給部２は、空気を第１及び第２
酸化ガスとして供給可能な状態である。このとき、第１
酸化ガスＰの流量（図４（ｃ））＝０、第２酸化ガス
Ｐ’の流量（図４（ｂ））＝０、である。

【００５２】冷却水の循環するライン（冷却水配管２０
−１〜２０−４、以下、冷却水循環ライン）では、冷却
水の循環は行っていない。加熱部５の温度は室温であ
る。

【００５３】燃料電池スタック３は、温度Ｔ（図４
（ａ））＝室温（Ｒ．Ｔ．）、である。出力スイッチ１
４は、ＯＦＦ状態である。

【００５４】（２）ステップＳ０２（時間０〜ｔ_１１） ユーザー等は、燃料電池システムをＯＮにする。制御部
１８は、燃料電池システムの起動を開始する。制御部１
８は、第１燃料ガス流量制御弁７の制御により、燃料ガ
ス供給部１から、第１燃料ガスＱを燃料電池スタック３
のアノード側へ供給する。その際、流量は、徐々に増加
させ、最終的にＱ_０にする。このとき、第１燃料ガスＱ
の流量（図４（ｂ））＝０〜Ｑ_０、第２燃料ガスＱ’の
流量（図４（ｃ））＝０、である。

【００５５】制御部１８は、第１酸化ガス流量制御弁９
の制御により、酸化ガス供給部２から、第１酸化ガスＰ
を燃料電池スタック３のカソード側へ供給する。その
際、流量は、徐々に増加させ、最終的にＰ_０にする。こ
のとき、第１酸化ガスＰの流量（図４（ｃ））＝０〜Ｐ
_０、第２酸化ガスＰ’の流量（図４（ｂ））＝０、であ
る。

【００５６】制御部１８は、ポンプ１７を定常運転さ
せ、冷却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させてい
る。また、制御部１８は、加熱部５をＯＮにし、冷却水
を加熱する。加熱された冷却水は、冷却水循環ラインを
循環している。

【００５７】燃料電池スタック３は、加熱された冷却水
の供給を受けて、徐々に加熱されている。温度Ｔは、室
温（Ｒ．Ｔ．）から徐々に高くなっている（図４
（ａ））。出力スイッチ１４は、ＯＦＦ状態である。

【００５８】（３）ステップＳ０３（時間ｔ_１１〜ｔ
_１２） 制御部１８は、所定の時間ｔ_１１経過後において、第１
燃料ガス流量制御弁７の制御により、燃料ガス供給部１
から、第１燃料ガスＱを燃料電池スタック３のアノード
側へ流量Ｑ_０で供給している。同時に、制御部１８は、
第２燃料ガス流量制御弁８の制御により、燃料ガス供給
部１から、第２燃料ガスＱ’を燃料電池スタック３のカ
ソード側へ供給する。その際、流量は、徐々に増加さ
せ、最終的にＱ_０’にする。このとき、第１燃料ガスＱ
の流量（図４（ｂ））＝Ｑ_０、第２燃料ガスＱ’の流量
（図４（ｃ））＝０〜Ｑ_０’、である。ただし、水素の
空気中の爆発限界が４〜７５％なので、安全のために第
２燃料ガスＱ’の最大流量Ｑ_０’は、第１酸化ガスＰの
流量Ｐ_０に対し，Ｑ_０’／（Ｐ _０＋Ｑ_０’）＜４％とす
る。また、第２燃料ガスＱ’の割合が小さいと、加熱及
び加湿の効果が少なくなる。従って、１％≦Ｑ_０’／
（Ｐ_０＋Ｑ_０’）＜４％、が好ましい。より好ましく
は、３．０％≦Ｑ_０’／（Ｐ_０＋Ｑ_０’）≦３．５％、
である。

【００５９】制御部１８は、第１酸化ガス流量制御弁９
の制御により、酸化ガス供給部２から、第１酸化ガスＰ
を燃料電池スタック３のカソード側へ流量Ｐ_０で供給し
ている。同時に、制御部１８は、第２酸化ガス流量制御
弁１０の制御により、酸化ガス供給部２から、第２酸化
ガスＰ’を燃料電池スタック３のアノード側へ供給す
る。その際、流量は、徐々に増加させ、最終的にＰ_０’
にする。このとき、第１酸化ガスＰの流量（図４
（ｃ））＝Ｐ_０、第２酸化ガスＰ’の流量（図４
（ｂ））＝０〜Ｐ_０’、である。ただし、水素の空気中
の爆発限界が４〜７５％なので、安全のために第２酸化
ガスＰ’の最大流量Ｐ_０’は、第１燃料ガスＱの流量Ｑ
_０に対し，７５％＜Ｑ_０／（Ｑ_０＋Ｐ_０’）とする。ま
た、第２酸化ガスＰ’の割合が小さいと、加熱及び加湿
の効果が少なくなる。従って、７５％＜Ｑ_０／（Ｑ_０＋
Ｐ_０’）＜９９％、が好ましい。より好ましくは、８０
％≦Ｑ_０／（Ｑ_０＋Ｐ_０’）≦９５％、である。

【００６０】制御部１８は、ポンプ１７を定常運転さ
せ、冷却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させてい
る。また、加熱部５では、冷却水の加熱を行っている。
加熱された冷却水は、冷却水循環ラインを循環してい
る。

【００６１】燃料電池スタック３のアノード側には、第
１燃料ガスＱと第２酸化ガスＰ’とが供給される。そし
て、燃料極３２の触媒層上における、第１燃料ガスＱ
（水素）と第２酸化ガスＰ’（空気）との酸化反応（発
熱反応）により、反応熱と反応生成物としての水（生成
水）とが生成される。すなわち、反応熱により燃料電池
セル３０を直接加熱することが出来る。それと同時に、
生成水により、電解質膜３１を直接加湿することが出来
る。

【００６２】同時に、燃料電池スタック３のカソード側
には、第１酸化ガスＰと第２燃料ガスＱ’とが供給され
る。そして、空気極３３の触媒層上における、第１酸化
ガスＰ（空気）と第２燃料ガスＱ’（水素）との酸化反
応（発熱反応）により、反応熱と生成水が生成される。
すなわち、反応熱により燃料電池セル３０を直接加熱す
ることが出来る。それと同時に、生成水により、電解質
膜３１を直接加湿することが出来る。

【００６３】燃料電池スタック３は、加熱された冷却水
の供給に加えて、反応熱により、徐々に更に加熱されて
いる。温度Ｔは、室温（Ｒ．Ｔ．）から徐々に高くなっ
ている（図４（ａ））。出力スイッチ１４は、ＯＦＦ状
態である。

【００６４】（４）ステップＳ０４（時間ｔ_１２〜ｔ
_１３） 制御部１８は、第１燃料ガス流量制御弁７の制御によ
り、燃料ガス供給部１から、第１燃料ガスＱを燃料電池
スタック３のアノード側へ流量Ｑ_０で供給している。同
時に、制御部１８は、第２燃料ガス流量制御弁８の制御
により、燃料ガス供給部１から、第２燃料ガスＱ’を燃
料電池スタック３のカソード側へ流量Ｑ_０’で供給して
いる。このとき、第１燃料ガスＱの流量（図４（ｂ））
＝Ｑ_０、第２燃料ガスＱ’の流量（図４（ｃ））＝
Ｑ_０’、である。

【００６５】制御部１８は、第１酸化ガス流量制御弁９
の制御により、酸化ガス供給部２から、第１酸化ガスＰ
を燃料電池スタック３のカソード側へ流量Ｐ_０で供給し
ている。同時に、制御部１８は、第２酸化ガス流量制御
弁１０の制御により、酸化ガス供給部２から、第２酸化
ガスＰ’を燃料電池スタック３のアノード側へ流量
Ｐ_０’で供給している。このとき、第１酸化ガスＰの流
量（図４（ｃ））＝Ｐ_０、第２酸化ガスＰ’の流量（図
４（ｂ））＝Ｐ_０’、である。

【００６６】制御部１８は、ポンプ１７を定常運転さ
せ、冷却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させてい
る。また、加熱部５では、冷却水の加熱を行っている。
加熱された冷却水は、冷却水循環ラインを循環してい
る。

【００６７】燃料電池スタック３のアノード側での酸化
反応による反応熱と生成水とにより、燃料電池セル３０
を直接加熱することが出来、同時に、電解質膜３１を直
接加湿することが出来る。

【００６８】同時に、燃料電池スタック３のカソード側
での酸化反応による反応熱と生成水とにより、燃料電池
セル３０を直接加熱することが出来、同時に、電解質膜
３１を直接加湿することが出来る。

【００６９】燃料電池スタック３は、加熱された冷却水
と反応熱により、加熱されている。温度Ｔは、最終的に
運転温度Ｔ_０へ達する。（図４（ａ））。出力スイッチ
１４は、ＯＦＦ状態である。

【００７０】（５）ステップＳ０５（時間ｔ_１３〜） 制御部１８は、電池スタックに取り付けた温度センサー
に基づいて、運転温度Ｔ_０であることを確認する。そし
て、第２燃料ガス流量制御弁８を閉止し、第２燃料ガス
Ｑ’を０とする。それと同時に、燃料ガス供給部１か
ら、加湿された第１燃料ガスＱを燃料電池スタック３の
アノード側へ流量Ｑ_０で供給する。なお、燃料電池スタ
ック３の運転条件により、流量を変更しても良い。この
とき、第１燃料ガスＱの流量（図４（ｂ））＝Ｑ_０、第
２燃料ガスＱ’の流量（図４（ｃ））＝０、である。

【００７１】制御部１８は、第２燃料ガスＱ’を０にす
るのと同時に、第２酸化ガス流量制御弁１０を閉止し、
第２酸化ガスＰ’を０とする。それと同時に、酸化ガス
供給部２から、加湿された第１酸化ガスＰを燃料電池ス
タック３のカソード側へ流量Ｐ_０で供給する。なお、燃
料電池スタック３の運転条件により、流量を変更しても
良い。このとき、第１酸化ガスＰの流量（図４（ｃ））
＝Ｐ_０、第２酸化ガスＰ’の流量（図４（ｂ））＝０、
である。

【００７２】制御部１８は、加熱部５をＯＦＦにして、
冷却水の加熱を終了する。ただし、ポンプ１７による冷
却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させる動作は継
続する。そして、発電が開始された場合には、冷却部６
をＯＮにして、冷却部６での冷却水の冷却を開始する。

【００７３】燃料電池スタック３のアノード側及びカソ
ード側での酸化反応は終了する。そして、反応熱と生成
水とによる燃料電池セル３０の直接加熱及び電解質膜３
１の直接加湿を終了する。燃料電池スタック３は、運転
温度Ｔ_０であり、電解質膜３１の加湿状態も十分であ
る。制御部１８は、出力スイッチ１４をＯＮにして、負
荷装置４に対して、燃料電池スタック３の電力の供給を
開始する。

【００７４】燃料電池スタック３の発電で発生する熱
は、冷却水により持ち去られる。発熱する熱の大きさ
（燃料電池スタック３通過後の冷却水の水温で検出）に
より、制御部１８は、ポンプ１７の吐出量や、冷却部６
の冷却能力の調節を行う。温度Ｔは、燃料電池スタック
３の運転温度Ｔ_０を維持される（図４（ａ））。

【００７５】上記のステップＳ０１〜ステップＳ０４に
より、燃料電池システムの起動（運転温度への昇温、電
解質膜の加湿）が終了する。そして、ステップＳ０５の
ようにして、通常の運転状態となる。

【００７６】本実施例では、アノード側及びカソード側
の両方へ燃料ガス及び酸化ガスを供給して酸化反応を起
こさせている。ただし、一方の側だけに酸化反応を起こ
させるだけでも、本発明の燃料電池システムの起動は可
能である。その場合、流量制御弁や逆止弁及びその配管
が不要となり、システムがコンパクト化できる。

【００７７】本実施例では、電解質膜３１の加湿を酸化
反応による生成水のみで行っているが、加湿された第１
燃料ガスＱ及び第１酸化ガスＰを燃料電池スタック３へ
供給することにより、加湿を行うことも可能である。そ
の場合、加湿にかかる時間が短縮される。

【００７８】本実施例では、加熱部５を用いた冷却水の
加熱による燃料電池スタック３の加熱を同時に行ってい
る。ただし、加熱部５を用いない場合でも、酸化反応は
室温で触媒層上において起きるので、本発明による燃料
電池スタック３の運転温度への加熱は可能である。その
場合、加熱部５を省略することが出来る。

【００７９】また、本実施例では、燃料ガスとして水素
を用いているが、炭化水素系のガスを改質した水素を含
む燃料ガスを用いることも可能である。

【００８０】本発明においては、燃料電池スタックのセ
パレータ内部に設けられた通路内を流れる冷却水による
加熱、及び、燃料ガスや酸化ガスによる加熱を用いるだ
けでなく、燃料電池スタック３の燃料電池セル３０の燃
料極３２上及び空気極３３上での酸化反応に伴う反応熱
を用いて加熱を行っている。すなわち、燃料電池スタッ
ク３（の燃料電池セル３０）自身で発生する熱により加
熱するので、加熱の効率が非常に高い。そのため、非常
に短時間での昇温が可能となる。

【００８１】また、酸化反応の際、反応により生成する
生成水を用いて、電解質膜３１を加湿している。すなわ
ち、燃料電池スタック３（の燃料電池セル３０）上に水
が供給されることになり、加湿の効率が非常に高くな
る。そのため、非常に短時間での加湿が可能となる。

【００８２】本発明により、燃料電池システム起動時
に、燃料電池スタックの燃料極及び空気極上で酸化反応
を起こし、燃料電池セルで発熱及び生成水を発生させる
ことにより、直接燃料電池セルを暖気、加湿することが
出来る。そして、燃料電池システム全体の起動時間を大
幅に短縮することが可能となる。

【００８３】（実施例２）次に、本発明である燃料電池
システムの第２の実施の形態における構成について説明
する。図５は、本発明である燃料電池システムの第２の
実施の形態における構成を示す図である。燃料電池シス
テムは、燃料ガス供給部１、酸化ガス供給部２、燃料電
池スタック３、加熱部５、冷却部６、第１燃料ガス流量
制御弁７、第１酸化ガス流量制御弁９、ダイオード１
３、出力スイッチ１４、電圧センサ１５、燃料ガス圧力
計１６、酸化ガス圧力計１９、ポンプ１７、制御部１８
を具備する。そして、負荷装置４に接続され、負荷装置
４へ電力を供給している。そして、第１燃料ガス用の配
管である第１燃料ガス配管２１−１〜２１−３、第１酸
化ガス用の配管である第１酸化ガス配管２２−１〜２２
−３、冷却水用の配管である冷却水配管２０−１〜２０
−４を有する。また、電気用の配線である配線２５−１
〜２５−２を備える。

【００８４】本実施例では、アノード側の燃料ガスを、
乾燥した電解質膜中へ拡散（透過）させ、空気極上で酸
化反応を起こさせる点が実施例１と異なる。酸化反応で
生成した反応熱で燃料電池セルを加熱し、生成水で、電
解質膜を加湿する。加湿により、電解質膜のガス透過率
が低下し、燃料ガスの電解質中への拡散は自動停止す
る。また、本実施例では、アノード側への酸化ガスの供
給、カソード側への燃料ガスの供給は行わない。そのた
め、それに関連した構成は用いない。

【００８５】燃料ガス圧力計１６は、第１燃料ガス配管
２１−１〜２１−２を介して燃料電池スタック３のアノ
ード側へ供給される燃料ガスの圧力を、第１燃料ガス配
管２１−２において測定する。測定結果は制御部１８へ
出力される。酸化ガス圧力計１９は、第１酸化ガス配管
２２−１〜２２−２を介して燃料電池スタック３のカソ
ード側へ供給される酸化ガスの圧力を、第１酸化ガス配
管２２−２において測定する。測定結果は制御部１８へ
出力される。

【００８６】その他の構成は、実施例１と同様であるの
で、その説明を省略する。

【００８７】次に、本発明である燃料電池システムの第
２の実施の形態における動作（燃料電池システムの起動
方法）について、図５、図６、図７を参照して説明す
る。

【００８８】まず、図７について説明する。図７（ｂ）
は、本発明の燃料電池システムの起動方法の原理を示す
図である。電解質膜３１は、起動時において乾燥し、内
部の水分が減少しているためガス透過性を有する。アノ
ード側（燃料極３２）に燃料ガス（図中、Ｈ_２）、カソ
ード側（空気極３３）に酸化ガス（図中、Ｏ_２）を供給
する。燃料ガスの圧力＞酸化ガスの圧力とする。電解質
膜３１は、ガス透過性があるため、アノード側の燃料ガ
スは、電解質膜３１を透過し、空気極３３へ達する。そ
して、拡散してきた燃料ガスは、空気極３３の触媒層上
でカソード側の酸化ガスと酸化反応（Ｈ_２＋１／２・Ｏ
_２→Ｈ_２Ｏ）を起し、生成水と反応熱を発生する。そし
て、その生成水で電解質膜３１が加湿される。また、反
応熱で燃料電池セル３０が加熱され、結果として燃料電
池スタック３が加熱される。すなわち、起動時の加熱及
び加湿を行なうことが可能となる。この加熱及び加湿
は、加熱及び加湿が必要な場所で行えるので、非常に効
率的で短時間に昇温及び加湿を達成することが出来る。

【００８９】また、燃料ガスの圧力＜酸化ガスの圧力と
することで、カソード側の酸化ガスは、電解質膜３１を
透過し、燃料極３２へ達する。そして、拡散してきた酸
化ガスは、燃料極３２の触媒層上でアノード側の酸化ガ
スと酸化反応（Ｈ_２＋１／２・Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ）を起し、
生成水と反応熱を発生する。その生成熱及び反応熱で電
解質膜３１が加湿され、燃料電池セル３０が加熱され、
結果として燃料電池スタック３が加熱される。

【００９０】次に、図６について説明する。

【００９１】図６は、燃料電池システムの起動時の動作
を示すタイミングチャートである。ここで、（ａ）燃料
電池スタック３の温度Ｔと時間ｔとの関係、（ｂ）燃料
電池スタック３のアノード側に供給される燃料ガスＱの
流量と時間ｔとの関係、（ｃ）燃料電池スタック３のカ
ソード側に供給される酸化ガスＰの流量と時間ｔとの関
係、（ｄ）燃料ガスＱの圧力及び酸化ガスＰの圧力と時
間ｔとの関係、である。縦軸は、それぞれ（ａ）燃料電
池スタック３の温度Ｔ、（ｂ）燃料ガスＱの流量（供給
量）、（ｃ）酸化ガスＰの流量（供給量）、（ｄ）燃料
ガスＱの圧力及び酸化ガスＰの圧力、であり、横軸は時
間ｔである。

【００９２】この図４のような燃料電池システムの起動
時の動作を示すタイミングチャートを示すデータは、予
め実験的に決定される。そして、制御部１８の記憶部
（図示せず）に格納され、制御部１８の制御に用いられ
る。

【００９３】本実施例では、燃料ガスの原料となる原燃
料ガスとして水素、酸化ガスとして空気を用いるものと
する。 （１）ステップＳ１１（時間ｔ_２０〜ｔ_２１） 燃料ガス供給部１は、燃料電池スタック３のアノード側
へ水素を燃料ガスとして供給している。このとき、燃料
ガスＱの流量（図６（ｂ））＝Ｑ_０、燃料ガスＱの圧力
Ａ（Ｑ）＝Ａ_０、である。

【００９４】酸化ガス供給部２は、燃料電池スタック３
のカソード側へ空気を酸化ガスとして供給している。こ
のとき、酸化ガスＰの流量（図６（ｃ））＝Ｐ_０、酸化
ガスＰの圧力Ａ（Ｐ）＝Ａ_０、である。

【００９５】冷却水の循環するライン（冷却水配管２０
−１〜２０−４、以下、冷却水循環ライン）では、冷却
部６及びポンプ１７はＯＮであり、冷却水の循環を行っ
ている。加熱部５はＯＦＦである。

【００９６】燃料電池スタック３は、温度Ｔ（図６
（ａ））＝Ｔ_０（運転温度）である。出力スイッチ１４
は、ＯＮ状態である。

【００９７】（２）ステップＳ１２（時間ｔ_２１〜ｔ
_２２） ユーザー等は、燃料電池システムをＯＦＦにする。制御
部１８は、燃料電池システムの停止動作を開始する。制
御部１８の制御により、燃料ガス供給部１は、燃料電池
スタック３のアノード側への燃料ガスの供給を停止す
る。このとき、燃料ガスＱの流量（図６（ｂ））＝０、
燃料ガスＱの圧力Ａ（Ｑ）＝Ａ_０（燃料ガスの供給は行
わないが、内部に燃料ガスが存在）、である。

【００９８】制御部１８の制御により、酸化ガス供給部
２は、燃料電池スタック３のカソード側へ空気を酸化ガ
スとして供給している。ただし、このときの酸化ガスＰ
は、加湿を行っていない酸化ガスを供給する。加湿を行
っていない酸化ガスとは、燃料電池スタック３の運転時
に使用する際に行う加湿を行っていない（ボンベや大気
中から取りこまれたままの）酸化ガスである。すなわ
ち、燃料電池スタック３の運転時に使用する酸化ガス
（加湿済み）に比較して乾燥している。この乾燥した酸
化ガスの供給により、電解質膜３１中の水分が乾燥した
酸化ガスに奪われて、乾燥して行く。ガス透過性が全く
無かった電解質膜３１は、乾燥によりクロスオーバーと
呼ばれるガス透過性を有するようになる。なお、乾燥し
た酸化ガスの流量や供給時間、供給時の燃料電池セルの
温度は、実験により決定される。このとき、酸化ガスＰ
の流量（図６（ｃ））＝Ｐ_０、酸化ガスＰの圧力Ａ
（Ｐ）＝Ａ_０、である。

【００９９】冷却水の循環するライン（冷却水配管２０
−１〜２０−４、以下、冷却水循環ライン）では、冷却
部６及びポンプ１７はＯＮであり、冷却水の循環を行っ
ている。加熱部５はＯＦＦである。

【０１００】制御部１８の制御により、燃料電池スタッ
ク３は、発電を停止される。それにより、温度Ｔは徐々
に低下する。温度Ｔ（図６（ａ））＝Ｔ_０〜Ｔ_０’であ
る。出力スイッチ１４は、ＯＦＦ状態である。

【０１０１】（３）ステップＳ１３（時間ｔ_２２〜ｔ
_２３） 燃料ガス供給部１は、燃料電池スタック３のアノード側
への燃料ガスの供給を停止している。このとき、燃料ガ
スＱの流量（図６（ｂ））＝０、燃料ガスＱの圧力Ａ
（Ｑ）＝Ａ_０（燃料ガスの供給は行わないが、内部に燃
料ガスが存在）、である。なお、内部のガスは、不活性
ガスに置換しても良い。その場合、安全性が向上する。

【０１０２】制御部１８の制御により、酸化ガス供給部
２は、燃料電池スタック３のカソード側への燃料ガスの
供給を停止する。このとき、第１酸化ガスＰの流量（図
４（ｃ））＝０、酸化ガスＰの圧力Ａ（Ｐ）＝Ａ_０（酸
化ガスの供給は行わないが、内部に酸化ガスが存在）、
である。

【０１０３】冷却水の循環するライン（冷却水配管２０
−１〜２０−４、以下、冷却水循環ライン）では、冷却
部６及びポンプ１７は、燃料電池スタック３の温度が室
温になった後、ＯＦＦとなる。加熱部５はＯＦＦであ
る。

【０１０４】燃料電池スタック３は、発電を停止してい
る。温度Ｔは徐々に低下し、温度Ｔ（図６（ａ））＝Ｔ
_０’〜０（又は、室温でも可）である。出力スイッチ１
４は、ＯＦＦ状態である。

【０１０５】（４）ステップＳ１４（時間ｔ_２３〜ｔ
_２４） ユーザー等は、燃料電池システムをＯＮにする。制御部
１８は、燃料電池システムの起動を開始する。制御部１
８は、第１燃料ガス流量制御弁７の制御により、燃料ガ
ス供給部１から加湿を行っていない燃料ガスＱを燃料電
池スタック３のアノード側へ供給する。その際、流量
は、徐々に増加させ、最終的にＱ_０にする。また、制御
部１８は、その圧力を所定の値Ａ_１になるように燃料ガ
ス供給部１を制御する。その圧力Ａ_１は、カソード側の
圧力（Ａ（Ｐ）＝Ａ_０）以上の値とすることが好まし
い。それにより、燃料ガス中の水素が、乾燥した電解質
膜３１中をカソード側へ透過し易くなる。ここで、圧力
Ａ_１の上限は、アノード側の圧力とカソード側の圧力と
の差により、電解質膜３１が破損しない最大の圧力であ
り、圧力Ａ_１の下限は、カソード側の水素がアノード側
へ拡散可能な最小の圧力である。ただし、水素の拡散に
より生成される（後述）水によりガス透過性が低下する
ため、十分な加湿及び加熱を行うためには、ある程度高
目の圧力Ａ_１が要求される。その値は、実験的に決定さ
れる。水素のカソード側への拡散により、空気極３３の
触媒層上で酸化反応が発生する。その反応熱により燃料
電池セル３０を加熱することが出来る。また、酸化反応
の際に生成する水により、電解質膜３１を加湿すること
が出来る。このとき、第１燃料ガスＱの流量（図６
（ｂ））＝０〜Ｑ_０、燃料ガスＱの圧力Ａ（Ｑ）＝Ａ_０
〜Ａ_１、である。

【０１０６】制御部１８は、第１酸化ガス流量制御弁９
の制御により、酸化ガス供給部２から、加湿を行ってい
ない酸化ガスＰを燃料電池スタック３のカソード側へ供
給する。その際、流量は、徐々に増加させ、最終的にＰ
_０にする。このとき、酸化ガスＰの流量（図６（ｃ））
＝０〜Ｐ_０、酸化ガスＰの圧力Ａ（Ｐ）＝Ａ_０、であ
る。

【０１０７】制御部１８は、ポンプ１７を定常運転さ
せ、冷却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させてい
る。また、制御部１８は、加熱部５をＯＮにし、冷却水
を加熱する。加熱された冷却水は、冷却水循環ラインを
循環している。

【０１０８】燃料電池スタック３は、加熱された冷却水
の供給、及び、電解質膜３１中をカソード側へ拡散した
水素の空気極３３上での酸化反応を受けて、徐々に加熱
されている。温度Ｔは、室温（Ｒ．Ｔ．）から徐々に高
くなっている（図６（ａ））。出力スイッチ１４は、Ｏ
ＦＦ状態である。

【０１０９】（５）ステップＳ１５（時間ｔ_２４〜ｔ
_２５） 制御部１８は、燃料ガス供給部１から、安定的に燃料ガ
スＱを燃料電池スタック３のアノード側へ流量Ｑ_０で供
給している。このとき、燃料ガスＱの流量（図６
（ｂ））＝Ｑ_０、燃料ガスＱの圧力Ａ（Ｑ）＝Ａ_１、で
ある。

【０１１０】制御部１８は、酸化ガス供給部２から、安
定的に酸化ガスＰを燃料電池スタック３のカソード側へ
流量Ｐ_０で供給している。このとき、第１酸化ガスＰの
流量（図４（ｃ））＝Ｐ_０、酸化ガスＰの圧力Ａ（Ｐ）
＝Ａ_０、である。

【０１１１】制御部１８は、ポンプ１７を定常運転さ
せ、冷却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させてい
る。また、加熱部５では、冷却水の加熱を行っている。
加熱された冷却水は、冷却水循環ラインを循環してい
る。

【０１１２】燃料電池スタック３のアノード側には、燃
料ガスＱが供給される。燃料ガスＱの一部は、電解質膜
３１中を拡散し、空気極３３の触媒層へ達する。一方、
カソード側には、酸化ガスＰが供給される。酸化ガスＰ
は、空気極３３の触媒層へ達する。そして、空気極３３
の触媒層上において、燃料ガスＱ（水素）と酸化ガスＰ
（空気）とが酸化反応（発熱反応）を行い、反応熱と反
応生成物としての水（生成水）とが生成される。すなわ
ち、反応熱により燃料電池セル３０を直接加熱すること
が出来る。それと同時に、生成水により、電解質膜３１
を直接加湿することが出来る。時間ｔ_２４〜ｔ_２５は、
実験的に決定されている。

【０１１３】燃料電池スタック３は、加熱された冷却水
の供給に加えて、反応熱により、徐々に更に加熱されて
いる。温度Ｔは、室温（Ｒ．Ｔ．）から徐々に高くな
り、運転温度Ｔ_０に近付く（図６（ａ））。出力スイッ
チ１４は、ＯＦＦ状態である。

【０１１４】（６）ステップＳ１６（時間ｔ_２５〜ｔ
_２６） 制御部１８は、電池スタックに取り付けた温度センサー
に基づいて、運転温度Ｔ_０に近づいたことを検出する。
そして、燃料ガス供給部１を制御して、アノード側の燃
料ガスＱの圧力をＡ_０に戻す。このとき、燃料ガスＱの
流量（図６（ｂ））＝Ｑ_０、燃料ガスＱの圧力Ａ（Ｑ）
＝Ａ_１〜Ａ_０、である。

【０１１５】制御部１８は、第１酸化ガス流量制御弁９
の制御により、酸化ガス供給部２から、酸化ガスＰを燃
料電池スタック３のカソード側へ流量Ｐ_０で供給してい
る。このとき、酸化ガスＰの流量（図６（ｃ））＝
Ｐ_０、酸化ガスＰの圧力Ａ（Ｐ）＝Ａ_０、である。

【０１１６】制御部１８は、ポンプ１７を定常運転さ
せ、冷却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させてい
る。また、加熱部５では、冷却水の加熱を行っている。
加熱された冷却水は、冷却水循環ラインを循環してい
る。

【０１１７】燃料電池スタック３のカソード側での酸化
反応による反応熱と生成水とにより、燃料電池セル３０
を直接加熱することが出来、同時に、電解質膜３１を直
接加湿することが出来る。加湿が進むと、電解質膜３１
のガス透過性能が低下して、燃料ガスが通り難くなる。
そして、最終的にガスが通らなくなった時点で加湿が終
了となる。燃料ガスＱの流量Ｑ_０及び圧力Ａ_１は、加湿
の終了が、ｔ_２５〜ｔ_２６の間に来るように実験的に決
定される。

【０１１８】燃料電池スタック３は、加熱された冷却水
と反応熱により、加熱されている。温度Ｔは、最終的に
運転温度Ｔ_０へ達する。（図４（ａ））。出力スイッチ
１４は、ＯＦＦ状態である。

【０１１９】（７）ステップＳ１７（時間ｔ_２6〜） 温度Ｔは、運転温度Ｔ_０となる。制御部１８は、電池ス
タックに取り付けた温度センサーで確認する。制御部１
８は、燃料ガス供給部１から、加湿された第１燃料ガス
Ｑを燃料電池スタック３のアノード側へ流量Ｑ_０で供給
する。なお、燃料電池スタック３の運転条件により、流
量を変更しても良い。このとき、第１燃料ガスＱの流量
（図４（ｂ））＝Ｑ_０、燃料ガスＱの圧力Ａ（Ｑ）＝Ａ
_０、である。

【０１２０】制御部１８は、酸化ガス供給部２から、加
湿された第１酸化ガスＰを燃料電池スタック３のカソー
ド側へ流量Ｐ_０で供給する。なお、燃料電池スタック３
の運転条件により、流量を変更しても良い。このとき、
第１酸化ガスＰの流量（図４（ｃ））＝Ｐ_０、酸化ガス
Ｐの圧力Ａ（Ｐ）＝Ａ_０、である。

【０１２１】制御部１８は、加熱部５をＯＦＦにして、
冷却水の加熱を終了する。ただし、ポンプ１７による冷
却水循環ラインに冷却水を定常的に循環させる動作は継
続する。そして、発電が開始された場合には、冷却部６
をＯＮにして、冷却部６での冷却水の冷却を開始する。

【０１２２】燃料電池スタック３のアノード側及びカソ
ード側での酸化反応は終了する。そして、反応熱と生成
水とによる燃料電池セル３０の直接加熱及び電解質膜３
１の直接加湿が終了する。燃料電池スタック３は、運転
温度Ｔ_０であり、電解質膜３１の加湿状態も十分であ
る。制御部１８は、出力スイッチ１４をＯＮにして、負
荷装置４に対して、燃料電池スタック３の電力の供給を
開始する。

【０１２３】燃料電池スタック３の発電で発生する熱
は、冷却水により持ち去られる。発熱する熱の大きさ
（燃料電池スタック３通過後の冷却水の水温で検出）に
より、制御部１８は、ポンプ１７の吐出量や、冷却部６
の冷却能力の調節を行う。温度Ｔは、燃料電池スタック
３の運転温度Ｔ_０を維持される（図６（ａ））。

【０１２４】上記のステップＳ１１〜ステップＳ１６に
より、燃料電池システムの起動（運転温度への昇温、電
解質膜の加湿）が終了する。そして、ステップＳ１７の
ようにして、通常の運転状態となる。

【０１２５】本実施例では、アノード側の燃料ガスをカ
ソード側へ透過させて酸化反応を起こさせている。ただ
し、カソード側の酸化ガスをアノード側へ透過させて酸
化反応を起こさせ、その反応熱及び生成水を用いること
も可能である。その場合、ステップＳ１４〜Ｓ１５（時
間ｔ_２３〜ｔ_２５）において、燃料ガスＱの圧力ではな
く、酸化ガスＰの圧力を高くすることにより実施するこ
とが出来る。

【０１２６】また、本実施例において、ステップＳ１２
では、乾燥した酸化ガスを流しているが、乾燥した燃料
ガスを流しても良い。また、乾燥した燃料ガスと酸化ガ
スとを同時に流すことも可能である。

【０１２７】本実施例では、電解質膜３１の加湿を酸化
反応による生成水のみで行っているが、加湿された燃料
ガスＱ及び酸化ガスＰを燃料電池スタック３へ供給する
ことにより、加湿を行うことも可能である。その場合、
加湿にかかる時間が短縮される。

【０１２８】本実施例では、加熱部５を用いた冷却水の
加熱による燃料電池スタック３の加熱を同時に行ってい
る。ただし、加熱部５を用いない場合でも、酸化反応は
室温で触媒層上において起きるので、本発明による燃料
電池スタック３の運転温度への加熱は可能である。その
場合、加熱部５を省略することが出来る。

【０１２９】また、本実施例では、燃料ガスとして水素
を用いているが、炭化水素系のガスを改質した水素を含
む燃料ガスを用いることも可能である。

【０１３０】本発明においては、燃料電池スタックのセ
パレータ内部に設けられた通路内を流れる冷却水による
加熱、及び、燃料ガスや酸化ガスによる加熱を用いるだ
けでなく、燃料電池スタック３の燃料電池セル３０空気
極３３上（又は、燃料極３２）での酸化反応に伴う反応
熱を用いて加熱を行っている。すなわち、燃料電池スタ
ック３（の燃料電池セル３０）自身で発生する熱により
加熱するので、加熱の効率が非常に高い。そのため、非
常に短時間での昇温が可能となる。

【０１３１】また、酸化反応の際、反応により生成する
生成水を用いて、電解質膜３１を加湿している。すなわ
ち、燃料電池スタック３（の燃料電池セル３０）上に水
が供給されることになり、加湿の効率が非常に高くな
る。そのため、非常に短時間での加湿が可能となる。

【０１３２】本発明により、燃料電池システム起動時
に、燃料電池スタックの燃料極及び空気極上で酸化反応
を起こし、燃料電池セルで発熱及び生成水を発生させる
ことにより、直接燃料電池セルを暖気、加湿することが
出来る。そして、燃料電池システム全体の起動時間を大
幅に短縮することが可能となる。

【０１３３】

【発明の効果】本発明により、燃料電池システムの起動
の際、燃料電池スタックの暖気及び加湿を効率的に行う
ことが出来、燃料電池システムの起動時間を短縮するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明である燃料電池システムの第１の実施の
形態における構成を示す図である。

【図２】燃料電池セル及びセパレータを説明する断面図
である。

【図３】燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。

【図４】燃料電池システムの起動時の動作を示すタイミ
ングチャートである。

【図５】本発明である燃料電池システムの第２の実施の
形態における構成を示す図である。

【図６】燃料電池システムの起動時の他の動作を示すタ
イミングチャートである。

【図７】（ａ）（ｂ）本発明の燃料電池システムの起動
方法の原理を示す図である。

【符号の説明】

１ 燃料ガス供給部 ２ 酸化ガス供給部 ３ 燃料電池スタック ４ 負荷装置 ５ 加熱部 ６ 冷却部 ７ 第１燃料ガス流量制御弁 ８ 第２燃料ガス流量制御弁 ９ 第１酸化ガス流量制御弁 １０ 第２酸化ガス流量制御弁 １１ 燃料ガス逆止弁 １２ 酸化ガス逆止弁 １３ ダイオード １４ 出力スイッチ １５ 電圧センサ １６ 燃料ガス圧力計 １７ ポンプ １８ 制御部 １９ 酸化ガス圧力計 ２０−１〜２０−４ 冷却水配管 ２１−１〜２１−３ 第１燃料ガス配管 ２２−１〜２２−３ 第１酸化ガス配管 ２３−１〜２３−３ 第２燃料ガス配管 ２４−１〜２４−３ 第２酸化ガス配管 ２５−１〜２５−２ 配線 ３０（−１〜ｎ−１） 燃料電池セル ３１ 電解質膜 ３２ 燃料極 ３３ 空気極 ３４（−１〜ｎ） セパレータ ３５ 燃料ガス通路 ３６ 酸化ガス通路 ３９ 発電部 ４０ 集電プレート ４１ 絶縁プレート ４２ エンドプレート ４３ 燃料ガス導入口 ４４ 冷却水導入口 ４５ 酸化ガス導入口 ４６ 集電プレート ４７ 絶縁プレート ４８ エンドプレート ４９ 酸化ガス排出口 ５０ 冷却水排出口 ５１ 燃料ガス排出口

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御部と、 燃料電池スタックと、 前記燃料電池スタックのアノード側へ供給される燃料ガ
   スとしての第１燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガス
   流量制御部と、 前記燃料電池スタックのカソード側へ供給される前記燃
   料ガスとしての第２燃料ガスの流量を制御する第２燃料
   ガス流量制御部と、 前記カソード側へ供給される酸化ガスとしての第１酸化
   ガスの流量を制御する第１酸化ガス流量制御部と、 を具備し、 前記制御部は、前記燃料電池スタックを昇温する際に、
   前記カソード側に、前記第２燃料ガスと前記第１酸化ガ
   スとが予め設定された割合で供給されるように前記第２
   燃料ガス流量量制御部と前記第１酸化ガス流量制御部と
   を制御する、 燃料電池システム。
2. 【請求項２】制御部と、 燃料電池スタックと、 前記燃料電池スタックのアノード側へ供給される燃料ガ
   スとしての第１燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガス
   流量制御部と、 前記燃料電池スタックのカソード側へ供給される酸化ガ
   スとしての第１酸化ガスの流量を制御する第１酸化ガス
   流量制御部と、 前記アノード側へ供給される前記酸化ガスとしての第２
   酸化ガスの流量を制御する第２酸化ガス流量制御部と、 を具備し、 前記制御部は、前記燃料電池スタックを昇温する際に、
   前記アノード側へ、前記第１燃料ガスと前記第２酸化ガ
   スとが予め設定された割合で供給されるように前記第１
   燃料ガス流量量制御部と前記第２酸化ガス流量制御部と
   を制御する、燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記燃料電池スタック内を流れる水を加熱
   する加熱部を更に具備し、 前記制御部は、前記燃料電池スタックを昇温する際に、
   前記加熱を行うように前記加熱部を制御する、 請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】燃料電池スタックのアノード側へ、燃料ガ
   スとしての第１燃料ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックのカソード側へ、酸化ガスとして
   の第１酸化ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記カソード側
   へ、前記燃料ガスとしての第２燃料ガスを供給するステ
   ップと、 を具備する、 燃料電池システムの起動方法。
5. 【請求項５】燃料電池スタックのアノード側へ、燃料ガ
   スとしての第１燃料ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックのカソード側へ、酸化ガスとして
   の第１酸化ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記アノード側
   へ、前記酸化ガスとしての第２酸化ガスを供給するステ
   ップと、 を具備する、 燃料電池システムの起動方法。
6. 【請求項６】前記燃料電池スタックへの供給前に、前記
   第１燃料ガス及び前記第１酸化ガスを加湿するステップ
   と、 を更に具備する、 請求項４又は５に記載の燃料電池システムの起動方法。
7. 【請求項７】燃料電池スタックの発電の停止中に、前記
   燃料電池スタックのカソード側へ、前記燃料電池スタッ
   クの運転に用いる酸化ガスと比較して乾燥しているガス
   としての前処理ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記カソード側
   へ、前記酸化ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックのアノード側へ、前記酸化ガスの
   圧力よりも高い圧力で燃料ガスを供給するステップと、 を具備する、 燃料電池システムの起動方法。
8. 【請求項８】燃料電池スタックの発電の停止中に、前記
   燃料電池スタックのカソード側へ、前記燃料電池スタッ
   クの運転に用いる酸化ガスと比較して乾燥しているガス
   としての前処理ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記燃料電池ス
   タックのアノード側へ、燃料ガスを供給するステップ
   と、 前記カソード側へ、前記燃料ガスの圧力よりも高い圧力
   で酸化ガスを供給するステップと、 を具備する、 燃料電池システムの起動方法。
9. 【請求項９】前処理ガスを供給するステップは、 前記発電の停止中に、前記カソード側の代わりに前記ア
   ノード側へ、前記酸化ガスの代わりに前記燃料ガスと比
   較して乾燥している前記前処理ガスを供給するステップ
   を具備する、 請求項７又は８に記載の燃料電池システムの起動方法。
10. 【請求項１０】前記燃料電池スタック内を流れる水を加
    熱し、前記燃料電池スタックへ供給するステップと、 を更に具備する、 請求項４乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システ
    ムの起動方法。
11. 【請求項１１】燃料電池スタックのアノード側へ、燃料
    ガスとしての第１燃料ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックのカソード側へ、酸化ガスとして
    の第１酸化ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記カソード側
    へ、前記燃料ガスとしての第２燃料ガスを供給するステ
    ップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプロ
    グラム。
12. 【請求項１２】燃料電池スタックのアノード側へ、燃料
    ガスとしての第１燃料ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックのカソード側へ、酸化ガスとして
    の第１酸化ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記アノード側
    へ、前記酸化ガスとしての第２酸化ガスを供給するステ
    ップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプロ
    グラム。
13. 【請求項１３】燃料電池スタックの発電の停止中に、前
    記燃料電池スタックのカソード側へ、前記燃料電池スタ
    ックの運転に用いる酸化ガスと比較して乾燥しているガ
    スとしての前処理ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記カソード側
    へ、前記酸化ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックのアノード側へ、前記酸化ガスの
    圧力よりも高い圧力で燃料ガスを供給するステップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプロ
    グラム。
14. 【請求項１４】燃料電池スタックの発電の停止中に、前
    記燃料電池スタックのカソード側へ、前記燃料電池スタ
    ックの運転に用いる酸化ガスと比較して乾燥しているガ
    スとしての前処理ガスを供給するステップと、 前記燃料電池スタックを昇温する際に、前記燃料電池ス
    タックのアノード側へ、燃料ガスを供給するステップ
    と、 前記カソード側へ、前記燃料ガスの圧力よりも高い圧力
    で酸化ガスを供給するステップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプロ
    グラム。