JP2009043687A

JP2009043687A - 燃料電池システムの起動方法

Info

Publication number: JP2009043687A
Application number: JP2007210496A
Authority: JP
Inventors: Takashi Naka; 敬史仲
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池を含み、空冷かつ無加湿の燃料電池システムにおいて、起動時において安定な発電を行うことができる上に、起動から短時間で高負荷運転を行い得る起動方法を提供すること。
【解決手段】本発明の起動方法によれば、燃料電池システムの起動後は、膜含水率増加ステップによって、固体高分子電解質膜の現状含水率において出力可能な範囲内の大きさの電流を燃料電池から出力させるので、乾燥状態にある固体高分子電解質膜であっても安定に運転させることができ、燃料電池からの電流の出力に伴って生じる水によって固体高分子電解質膜を加湿することができる。特に、膜含水率増加ステップでは、固体高分子電解質膜の含水率において出力可能である最大電流を出力させるので、固体高分子電解質膜の含水率を、短期間で必要含水率に到達させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む燃料電池システムの起動方法に関する。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸素極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）とカソード電極へ供給される酸化ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。

具体的には、固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極及びカソード電極でそれぞれ生じる以下の電極反応の結果として、全体として、水素と酸素とによる水生成反応が進行して起電力を発生する。

アノード電極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード電極：（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ

かかる固体高分子型燃料電池を安定に動作させるためには、両電極及び固体高分子電解質膜からなる膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の保湿及び冷却が必要である。よって、固体高分子型燃料電池を使用する従来の燃料電池システムは、加湿器や冷却器（ラジエター）などの補器を設ける構成が一般的であり、これらの補器の存在がシステムの小型化に対する大きな阻害要因の１つとされている。

これに対し、特許文献１には、固体高分子型燃料電池におけるカソード電極へ酸化ガスとして供給される空気を、冷却剤としても機能させることによって、冷却器を不要とした燃料電池装置（即ち、空冷式の燃料電池システム）が提案されている。

また、この特許文献１に記載される燃料電池装置では、燃料電池の電極として極端な保水性を有する電極を採用しており、かかる電極の保水性によって、運転中には、発電によって生成した水を利用して固体高分子電解質膜が保湿（加湿）され、加湿器に頼ることなく安定な発電を行うことができる。このように、特許文献１に記載される燃料電池装置によれば、固体高分子型燃料電池を含む燃料電池システムとして、空冷かつ無加湿のシステム構成を実現することができる。
特表２００３−５２９１９５

しかしながら、燃料電池の起動時における固体高分子電解質膜は乾燥状態にあるので、特許文献１に記載される燃料電池装置では、起動時に安定な発電を行うことが困難であるという問題点があった。特に、高負荷発電を行う場合の起動が困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池を含み、空冷かつ無加湿の燃料電池システムにおいて、起動時において安定な発電を行うことができる上に、起動から短時間で高負荷運転を行い得る起動方法を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の起動方法（燃料電池システムの起動方法）は、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムを起動する方法であって、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池から出力される電流量を制御する制御手段を備えており、前記燃料電池システムの起動が指示されてから、前記燃料電池による要求出力での出力が可能となるまでの間において、前記固体高分子電解質膜の現状における含水率である現状含水率又は該現状含水率の指標を取得する膜状態取得ステップと、その膜状態取得ステップにより取得された前記現状含水率又は該現状含水率の指標が、前記要求出力に対して必要とされる前記固体高分子電解質膜の含水率である必要含水率を満たす値であるか否かを判断する判断ステップと、その判断ステップにより、前記現状含水率又は該現状含水率の指標が前記必要含水率に対して不足する値であると判断された場合に、前記燃料電池から出力させる電流を、該燃料電池が前記現状含水率又は該現状含水率の指標において出力可能である最大電流となるよう、前記制御手段による制御を行う膜含水率増加ステップと、を備えている。

請求項２記載の起動方法は、請求項１記載の起動方法において、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池の発電環境下における温度を測定する温度測定手段と、前記燃料電池の発電環境下における湿度を測定する湿度測定手段と、前記燃料電池の発電環境下における温度及び湿度に基づいて前記現状含水率又は該現状含水率の指標を算出可能な第１のマップとを備えており、前記燃料電池システムの起動が指示された場合に、前記温度測定手段及び前記湿度測定手段により、それぞれ、前記温度及び前記湿度を測定する測定ステップを備え、前記膜状態取得ステップは、前記測定ステップにより測定された前記温度及び前記湿度を用いて、前記第１のマップを参照して、前記固体高分子電解質膜の現状含水率又は該現状含水率の指標の初期値を取得する初期値取得ステップを含む。

請求項３記載の起動方法は、請求項１又は２に記載の起動方法において、前記燃料電池システムは、さらに、前記現状含水率に基づいて、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率を算出可能な第２のマップを備え、前記膜含水率増加ステップは、前記膜状態取得ステップにより取得された前記現状含水率又はその指標を用いて、前記第２のマップを参照して、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率を算出し、算出された膜抵抗値又は膜電導率おいて前記燃料電池が出力可能である最大電流を決定する出力量決定ステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動方法。

請求項４記載の起動方法は、請求項１から３のいずれかに記載の起動方法において、前記燃料電池における酸素極は、前記固体高分子電解質膜に当接する反応層と前記空気供給手段から供給された空気を拡散する拡散層とを含んで構成されるものであり、前記拡散層は、前記反応層において生じた水を該拡散層内に吸い出し、該拡散層内に液体水として保持する部材から構成されるものである。

請求項５記載の起動方法（燃料電池システムの起動方法）は、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムを起動する方法であって、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池から出力される電流量を制御する制御手段を備えており、前記燃料電池システムの起動が指示されてから、前記燃料電池による要求出力での出力が可能となるまでの間において、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率を取得する膜状態取得ステップと、その膜状態取得ステップにより取得された前記膜抵抗値又は膜電導率が、前記要求出力に対して許容されるか否かを判断する判断ステップと、その判断ステップにより、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率が、前記燃料電池に対する要求出力に対して不可とされる値であると判断された場合に、前記燃料電池から出力させる電流を、該燃料電池が前記膜抵抗値又は膜電導率において出力可能である最大電流となるよう、前記制御手段による制御を行う膜含水率増加ステップと、を備えている。

請求項１記載の起動方法（燃料電池システムの起動方法）によれば、固体高分子電解質膜を含む固体高分子型燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、該燃料電池に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システム、即ち、空冷式の燃料電池システムの起動が指示されてから、燃料電池に対する要求出力での出力が可能となるまでの間において、固体高分子電解質膜の現状含水率（現状における含水率）又は該現状含水率の指標が、膜状態取得ステップにより取得される。

膜状態取得ステップにより固体高分子電解質の現状含水率又はその指標が取得されると、その取得された現状含水率又はその指標が固体高分子電解質膜の必要含水率（燃料電池に対する要求出力に対して必要とされる固体高分子電解質膜の含水率）を満たす値であるか否かが、判断ステップにより判断される。

ここで、判断ステップによって、現状含水率又はその指標が必要含水率に対して不足する値であると判断された場合には、膜含水率増加ステップが行われる。この膜含水率増加ステップは、燃料電池から出力させる電流を、該燃料電池が現状含水率又はその指標において出力可能である最大電流となるよう、制御手段による制御を行うステップである。

よって、燃料電池システムの起動後は、膜含水率増加ステップによって、固体高分子電解質膜の現状含水率において出力可能な範囲内の大きさの電流を燃料電池から出力させるので、乾燥状態にある固体高分子電解質膜であっても安定に運転させることができ、燃料電池からの電流の出力（即ち、発電）に伴って生じる水によって固体高分子電解質膜を加湿することができる。

従って、空冷式の燃料電池システムであっても、加湿装置を要することなく、固体高分子電解質膜の含水率を次第に増加させることができ、最終的に、固体高分子電解質膜の含水率を、燃料電池に対する要求出力に対して必要とされる含水率（必要含水率）に到達させることができるという効果がある。

請求項２記載の起動方法によれば、請求項１記載の起動方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池システムの起動が指示された場合には、測定ステップにより、燃料電池の発電環境下における温度及び燃料電池の発電環境下における湿度がそれぞれ温度測定手段及び湿度測定手段によって測定される。そして、測定ステップにより温度及び湿度が測定されると、測定された温度及び湿度を用いて第１のマップを参照し、固体高分子電解質膜の現状含水率又は該現状含水率の指標の初期値が、初期値取得ステップ（膜状態取得ステップの一部）から取得される。

よって、発電を開始する前に、起動時点における固体高分子電解質膜の現状含水率を把握することができ、乾燥状態にある固体高分子電解質膜であっても安定な発電を行うことができるという効果がある。

請求項３記載の起動方法によれば、請求項１又は２に記載の起動方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。膜状態取得ステップにより現状含水率又はその指標が取得されると、出力量決定ステップ（膜含水率増加ステップの一部）によって、得られた現状含水率又はその指標及び第２のマップから、固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率が算出され、算出された膜抵抗値又は膜電導率おいて燃料電池が出力可能である最大電流が決定される。

よって、燃料電池システムが起動されてから、固体高分子電解質膜の現状含水率に応じた最大電流を常時出力させることができ、固体高分子電解質膜の含水率が必要含水率に到達するまでの期間を効率的に短縮し得るという効果がある。

請求項４記載の起動方法によれば、請求項１から３のいずれかに記載の起動方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池における拡散層が、反応層において生じた水を該拡散層内に吸い出し、該拡散層内に液体水として保持する部材から構成されているので、酸素極へ供給された空気によって拡散層外へ持ち去られる水分量を少なくすることができる。

よって、低負荷運転であっても固体高分子電解質膜の含水率を増加させ易く、固体高分子電解質膜の含水率を、短期間で必要含水率に到達させることを可能にするという効果がある。また、固体高分子電解質膜の乾燥を高度に防ぐことができるので、空冷式の燃料電池を長時間運転させることができるという効果がある。

請求項５記載の起動方法（燃料電池システムの起動方法）によれば、固体高分子電解質膜を含む固体高分子型燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、該燃料電池に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システム、即ち、空冷式の燃料電池システムの起動が指示されてから、燃料電池に対する要求出力での出力が可能となるまでの間において、固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率が、膜状態取得ステップにより取得される。

膜状態取得ステップにより固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率が取得されると、その取得された膜抵抗値又は膜電導率が燃料電池に対する要求出力に対して許容されるか否かが、判断ステップにより判断される。

ここで、判断ステップによって、固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率が要求出力に対して不可とされる値であると判断された場合には、膜含水率増加ステップが行われる。この膜含水率増加ステップは、燃料電池から出力させる電流を、該燃料電池が現状における膜抵抗値又は膜電導率において出力可能である最大電流となるよう、制御手段による制御を行うステップである。

よって、燃料電池システムの起動後は、膜含水率増加ステップによって、固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率において出力可能な範囲内の大きさの電流を燃料電池から出力させるので、乾燥状態にある固体高分子電解質膜であっても安定に運転させることができ、燃料電池からの電流の出力（即ち、発電）に伴って生じる水によって固体高分子電解質膜を加湿することができる。

従って、空冷式の燃料電池システムであっても、加湿装置を要することなく、固体高分子電解質膜の含水率を次第に増加させることができ、最終的に、固体高分子電解質膜の膜抵抗値又は膜電導率を、燃料電池に対する要求出力を許容する値に到達させることができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の起動方法を適用する燃料電池システム１００の一実施形態を示す系統図である。この燃料電池システム１００は、空冷式である燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック４０へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を燃料電池スタック４０へ供給するための空気供給系６０と、制御装置７０と、二次電池やキャパシタなどの蓄電装置９０とを備えている。

燃料電池スタック４０は、図３を参照して後述する燃料電池用単セル１０（以下、単に「燃料電池１０」と称する）を積層した構成とされており、図示されない空気流路の上流側には、空気を燃料電池スタック４０の空気流路内に導入するための空気マニホールド４１が設けられている。一方、空気流路の下流側には、過剰空気を排気するための空気ダクト４２が設けられている。

空気ダクト４２には、排気の温度を測定するための温度センサ４３が設けられており、温度センサ４３は、制御装置７０に接続されている。温度センサ４３は、空気ダクト４２から排気された空気の温度を感知し、感知した温度に関する信号を制御装置７０へ出力する。

空気マニホールド４１には、供給空気の湿度を測定するための湿度センサ４４が設けられており、この湿度センサ４４もまた、制御装置７０に接続されている。湿度センサ４４は、空気マニホールド４１内の空気の湿度（相対湿度）を感知し、感知した湿度に関する信号を制御装置７０へ出力する。

また、空気供給系６０には、外気を取り入れるためのシロッコファンやターボファンなどの送風機６１が設けられており、供給管６２を介して空気マニホールド４１に接続されている。送風機６１は、全圧約３０ｋＰａの能力を有している。なお、燃料電池システム１００において、空気供給系６０に加湿器は含まれていない。即ち、燃料電池スタック４０は、無加湿状態にて運転される。

水素供給系５０には、水素源となる水素ボンベ５１が調整弁５２〜５６を介して燃料電池スタック４０における図示されない水素ガス流路に接続されている。また、燃料電池スタック４０から排出された未反応水素ガスを、水素ガス供給流路に戻して循環できるように水素ポンプ５８と循環弁５７とが設けられている。

以上のように構成された燃料電池システム１００を駆動させる場合には、水素供給系５０の調整弁５２〜５６を調整して所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。

一方で、空気供給系６０の送風機６１を駆動して、空気を空気マニホールド４１から燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給する。その結果、燃料電池スタック４０を構成する各燃料電池１０にて水素と酸素とによる水生成反応が行われ、生じた電流が負荷８０へ流れる。

なお、起動時に燃料電池スタック４０によって発電された余剰の電力は、蓄電装置９０に蓄電され、蓄電装置９０に蓄電された電力を図示されない他の動力機関の作動に使用することによって余剰電力を無駄なく利用できるように構成されている。

また、燃料電池システム１００における制御装置７０は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成され、空気供給系６０に設けられた送風機６１の制御や、起動時における燃料電池スタック４０の出力の制御を行う装置である。

具体的には、制御装置７０は、温度センサ４３から出力された温度に関する信号に基づいて、温度センサ４３が感知した温度と設定温度とを比較し、感知温度が設定温度よりも高い場合には、送風機６１の出力を上げる。その結果、空気の流量（供給量）が多くなるので、燃料電池スタック４０を空冷することができる。その一方で、感知温度が設定温度よりも低い場合には、制御装置７０は、送風機６１の出力を下げる。その結果、空気の流量が少なくなるので、燃料電池スタック４０の温度を上昇させることができる。

また、この制御装置７０は、燃料電池システム１００の起動時に、湿度センサ４４及び温度センサ４３からそれぞれ出力された湿度（相対湿度）及び温度に関する信号に基づいて、短期間で高負荷運転が可能となるように、燃料電池スタック４０の出力制御（即ち、負荷８０の変動制御）を行う。

この制御装置７０内の図示されないＲＯＭには、かかる起動時の制御において使用するマップとして、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａ（図２（ａ）参照）と、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂ（図２（ｂ）参照）とが記憶されている。

図２（ａ）は、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａの内容を示す模式図である。この相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａは、相対湿度と高分子電解質膜１１の膜含水率との相関関係を示すマップであり、高分子電解質膜１１に対する予備試験に基づいて作成されたものである。ここで、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａにおいて、横軸は、相対湿度ＲＨ（単位：％）を示し、縦軸は、高分子電解質膜１１の含水率の指標となるλ、即ち、高分子電解質膜１１のイオン交換基数に対する吸着した水の数（Ｎ（Ｈ_２Ｏ）／Ｎ（ＳＯ_３Ｈ））を示し、相対湿度とλとの相関が曲線７２１によって表されている。

図２（ｂ）は、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂの内容を示す模式図である。この膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂは、高分子電解質膜１１の膜含水率との相関関係を示すマップであり、上述した相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａと同様に、高分子電解質膜１１に対する予備試験に基づいて作成されたものである。ここで、膜含水率換算−比電導率マップ７２ｂにおいて、横軸は、高分子電解質膜１１の膜含水率の指標となるλを示し、縦軸は、高分子電解質膜１１の比電導率（単位：Ｓ／ｃｍ）を示し、λと比電導率との相関が直線７２２によって表されている。

なお、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａ及び膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂは、共に、温度毎のマップが準備されており、温度センサ４３によって感知された現状の温度に応じたマップが選択される。

これらのマップ７２ａ，７２ｂを有していることにより、温度センサ４３及び湿度センサ４４によって感知された温度及び相対湿度に基づいて、現状の高分子電解質膜１１におけるλの値及び比電導率を取得（算出）することができる。即ち、現状における高分子電解質膜１１の膜含水率（現状含水率）及び膜抵抗値を取得することができる。

詳細は図４を参照して後述するが、燃料電池システム１００の起動時には、制御装置７０は、温度センサ４３及び湿度センサ４４によって感知された温度及び相対湿度に基づいて、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａ及び膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂから、高分子電解質膜１１の現状含水率及び膜抵抗値を取得する。

このとき、取得された現状含水率が要求出力に対して必要とされる含水率（必要含水率）より不足している場合、あるいは、取得された膜抵抗値が要求出力に対して許容される膜抵抗値より大きい場合には、制御装置７０は、現状含水率又は現状の膜抵抗値において発電可能な最大電流が燃料電池スタック４０から出力されるように負荷８０の変動制御を行う。

例えば、燃料電池スタック４０に要求される要求出力に対する高分子電解質膜１１の必要含水率（要求出力に対して必要とされる含水率）が相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａにおける点Ｂに位置することに対し、温度センサ４３及び湿度センサ４４による測定結果が示す起動時における高分子電解質膜１１の含水率（起動時における現状含水率）が点Ａに位置する場合には、起動時における高分子電解質膜１１の含水率が必要含水率に比べて大きく不足した乾燥状態にあることを示す。

ここで、高分子電解質１１の起動時における現状含水率と必要含水率は、それぞれ、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂにおける点Ａ及び点Ｂに位置する。膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂが示すように、起動時における高分子電解質膜１１の比電導率は必要含水率が示す比電導率よりかなり小さい、即ち、起動時における高分子電解質膜１１の膜抵抗値は必要含水率が示す膜抵抗値よりかなり大きい。そのため、乾燥状態にある高分子電解質膜１１では、燃料電池スタック４０の起動後直ちに要求出力を満たす電流を出力させることはできない。

本発明の起動方法によれば、起動時における高分子電解質膜１１の含水率が必要含水率に比べて大きく不足した乾燥状態にある場合には、まず、現状含水率にある高分子電解質膜１１において発電可能な最大の電流を燃料電池スタック４０から出力させる（発電させる）。燃料電池スタック４０を構成する各燃料電池１０は、発電（電極反応）の結果として水を生成するので、その生成水を利用して高分子電解質膜１１を加湿し、高分子電解質膜１１の現状含水率を増加させることができる。

かかる生成水を利用した加湿により、高分子電解質膜１１の現状含水率を、一旦、点Ｃ（相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａ，膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂ）に到達させる。膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂから明らかなように、現状含水率が点Ａから点Ｃへ上昇したことにより、発電可能となる最大電流値も上昇する。燃料電池１０における生成水量は発電量（出力電流量）に比例して増大するので、高分子電解質膜１１の現状含水率において発電可能な最大電流を常時出力させることにより、高分子電解質膜１１の含水率を短期間で効率よく必要含水率に到達させることができる。

次に、図３を参照して、燃料電池１０（燃料電池単セル）の構成について説明する。図３は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池１０の主要部分を模式的に示す断面図である。

図３に示すように、燃料電池１０は、燃料電池１０は、高分子電解質膜１１と、その高分子電解質膜１１の一方の面に当接する酸素極１２と、高分子電解質膜１１の他方の面に当接する燃料極１３と、酸素極１２及び燃料極１３の外側から図示されない取付治具により圧接された、ガス流路が形成されたセパレータ１４，１５とから構成されている。

高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。

酸素極１２は、拡散層基材１２ａと、その拡散層基材１２ａにおける高分子電解質膜１１側の面に形成された第１マイクロポーラス層１２ｂと、拡散層基材１２ａにおける１マイクロポーラス層１２ｂとは反対側の面に形成された第２マイクロポーラス層１２ｃと、第１マイクロポーラス層１２ｂにおける高分子電解質膜１１側の面に形成された反応層１２ｄとから構成されている。

燃料極１３は、拡散層基材１３ａと、その拡散層基材１３ａにおける高分子電解質膜１１側の面に形成された第１マイクロポーラス層１３ｂと、拡散層基材１３ａにおける１マイクロポーラス層１３ｂとは反対側の面に形成された第２マイクロポーラス層１３ｃと、第１マイクロポーラス層１３ｂにおける高分子電解質膜１１側の面に形成された反応層１３ｄとから構成されている。

反応層１２ｄ、１３ｄとしては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とを含んで構成された反応層（触媒層）を採用することができる。

拡散層基材１２ａ，１３ａは、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。

第１マイクロポーラス層１２ｂ，１３ｂおよび第２マイクロポーラス層１２ｃ，１３ｃは、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含み、多数の細孔を有する多孔性の層である。なお、第１マイクロポーラス層１２ｂ、１３ｂは、それぞれ、拡散基材層１２ａ，１３ａより小さな細孔径に構成されることが好ましい。また、第２マイクロポーラス層１２ｃ、１３ｃは、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径に構成されることが好ましい。

具体的には、第１マイクロポーラス層１２ｂ，１３ｂ、および第２マイクロポーラス層１２ｃ，１３ｃの細孔径は、０．１５μｍ以下であることが好ましい。なお、この「細孔径」とは、マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃに存在する細孔のうち、外部と連通する細孔径のことを意味する。このような細孔径は、ポロシメータによって測定することができる。

一般的に、マイクロポーラス層の細孔径が小さいほど、水がマイクロポーラス層を通過する場合に必要とされる水圧が大きくなるので、水が透過し難くなる。マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの細孔径を０．１５μｍ以下とすることによって、反応ガスに加湿をせず、空冷式の燃料電池の拡散層として用いたとしても、電圧降下を小さくでき、発電効率を良好とすることができる。

第１マイクロポーラス層１２ｂ，１３ｂおよび第２マイクロポーラス層１２ｃ，１３ｃは、撥水性樹脂粉末とカーボン粉末との混合物から構成される。撥水性樹脂粉末としては、例えば、フルオロカーボン系ポリマー（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等）を使用することができる。また、カーボン粉末としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等を使用することができる。

なお、これらのマイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃは、カーボン粒子間に生じる隙間によって細孔径が制御されていることが好ましい。カーボン粒子は、通常、細かい粒子が凝集して２次粒子を形成しており、この２次粒子には外部と連通する細孔（すなわち、カーボン粒子間に生じる隙間）が存在する。そして、この連通する細孔が小さいほど、水がマイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃを透過し難くなる。よって、マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの原料として用いたカーボンの細孔径は、マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの細孔径とほぼ一致する。従って、カーボン粒子間に生じる隙間を細孔とすることによって、マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの細孔径を制御することができる。

また、マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃには、撥水性樹脂が含まれているので、マイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃの水ぬれ性を低下させることができ、ガス透過性を妨げることなく、水の透過を抑制することができる。よって、酸素極１２側のマイクロポーラス層１２ｂ，１２ｃ及び燃料極１３側のマイクロポーラス層１３ｂ，１３ｃが撥水性樹脂を含むことによって、それぞれ、酸素極１２側の反応層１２ｄ及び燃料極１３側の反応層１３ｄへのガス供給性を妨げることなく、膜−電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の乾燥を防ぐことができる。

以上のように構成された燃料電池１０では、酸素極１２側の拡散層基材１２ａの反応層１２ｄ側に、拡散層基材１２ａよりもはるかに小さな細孔径を有する第１マイクロポーラス層１２ｂが設けられているので、水蒸気が透過しやすく、液体水は透過し難い。よって、酸化ガスの拡散を妨げる過剰な水を拡散層基材１２ａに排出でき、且つ、反応層１２ｄ及び高分子電解質膜１１の乾燥を防ぐことができる。

また、第２マイクロポーラス層１２ｃも、拡散層基材１２ａによりもはるかに小さい細孔径を有するので、ガスを通して液体を実質的には通さず、拡散層基材１２ａ内の水は、水蒸気の状態でしかセパレータ１４の流路（空気流路）側へ移動することができない。このため、反応層１２ｄで生成されて拡散層基材１２ａへ排出された水を、拡散層基材１２ａにおいて保持することができる。よって、反応層１２ｄが乾燥した際には、拡散層基材１２ａが保持している水を供給することができるので、高分子電解質膜１１の乾燥を高度に防ぐことができる。

さらに、燃料極１３にも、酸素極１２における第１マイクロポーラス層１２ｂと同様の第１マイクロポーラス層１３ｂと、第２マイクロポーラス層１２ｃと同様の第２マイクロポーラス層１３ｃとが形成されている。このため、酸素極１２から燃料極１３へ逆拡散した水のうち、燃料ガスによって持ち去られる水分量を少なくすることができる。よって、拡散層基材１３ａにおいても水分を保持することができるので、高分子電解質膜１１の乾燥をさらに高度に防ぐことができる。

次に、図４を参照して、本発明の起動方法について説明する。図４は、制御装置７０で実行される燃料電池システム１００の起動処理を示すフローチャートである。

この起動処理は、燃料電池スタック４０（燃料電池システム１００）の起動が指示された場合に開始され、まず、温度センサ４３及び湿度センサ４４から出力された信号に基づいて、発電環境下における温度及び相対湿度を測定する（Ｓ１）。

次いで、測定された温度及び相対湿度を用いて、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａを参照することによって、高分子電解質膜１１の現状における含水率（現状含水率）を算出すると共に、得られた高分子電解質膜１１の現状含水率を用いて、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂを参照して比電導率を求め、その比電導率から高分子電解質膜１１の膜抵抗値を算出する（Ｓ２）。

Ｓ２によれば、発電環境下における温度と相対湿度とを用い、相対湿度−膜含水率換算マップ７２ａを参照することによって、現状における高分子電解質膜１１の含水率を算出するので、起動時点における高分子電解質膜１１の現状含水率を把握することができる。よって、この後に説明するように含水率に応じた電流（発電可能な最大電流）を出力させることができ、乾燥状態にある高分子電解質膜１１であっても安定な発電を行うことができる。

また、発電環境下における温度と相対湿度とを用い、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂを参照することによって、現状における高分子電解質膜１１の膜抵抗値を算出するので、この後に説明するように高分子電解質膜１１の現状含水率に応じた最大電流を常時出力させることができ、高分子電解質膜１１の含水率が必要含水率に到達するまでの期間を効率的に短縮することができる。

Ｓ２の処理後、算出された高分子電解質膜１１の現状含水率（現状の膜抵抗値）が、燃料電池スタック４０に対する要求出力に必要な必要含水率を満たしているかを確認し（Ｓ３）、満たしていなければ（Ｓ３：Ｎｏ）、現状含水率と必要含水率との含水率差を算出する（Ｓ４）。

Ｓ４の処理後、現状含水率（現状の膜抵抗値）において発電可能な最大電流値を算出し（Ｓ５）、算出された発電可能な最大電流が出力されるよう、負荷８０を変動させる（Ｓ６）。なお、Ｓ６の処理により燃料電池スタック４０（燃料電池１０）の発電を行った結果として生じた電力は、余剰電力として蓄電装置９０へ蓄電する。

Ｓ６の処理によって燃料電池スタック４０から最大電流を出力させる際の出力時間は、Ｓ４において算出された含水率差に応じた時間とされ、その出力時間の経過後に、再度Ｓ３の処理へ戻り、高分子電解質膜１１の現状含水率が必要含水率を満たしているか否かの確認を行う。なお、高分子電解質膜１１の現状含水率は、燃料電池スタック４０の発電量と発電時間とに基づいて算出することができる。

そして、Ｓ３の処理により確認した結果、高分子電解質膜１１の現状含水率が必要含水率を満たしていれば（Ｓ３：Ｙｅｓ）、要求出力に応じた発電を行うための制御を行う発電処理へ移行する。

このように、本発明の起動方法では、Ｓ３〜Ｓ６の処理を繰り返し、常時、高分子電解質膜１１の現状含水率において発電可能な最大電流を出力させることにより、高分子電解質膜１１の含水率を短期間で必要含水率に到達させることができる。

なお、本実施形態において、請求項１記載の膜状態取得ステップとしては、Ｓ２の処理及びＳ６の処理後に「燃料電池スタック４０の発電量と発電時間とに基づいて高分子電解質膜１１の現状含水率を算出すること」が該当し、請求項１記載の判断ステップとしては、Ｓ３の処理が該当し、請求項１記載の膜含水率増加ステップとしては、Ｓ４〜Ｓ６の処理が該当する。また、本実施形態において、請求項２記載の測定ステップとしては、Ｓ１の処理が該当し、請求項２記載の初期値取得ステップとしては、Ｓ２の処理が該当する。また、本実施形態において、請求項３記載の出力量決定ステップとしては、Ｓ５の処理が該当する。

以上説明したように、本発明の起動方法によれば、高分子電解質膜１１の現状含水率において出力可能な範囲内の大きさの電流が燃料電池から出力させるので、起動時において乾燥状態にある固体高分子電解質膜であっても安定に運転することができる。よって、燃料電池スタック４０（燃料電池１０）からの電流の出力（即ち、発電）に伴って生じる水によって固体高分子電解質膜を加湿することができる。

本発明の起動方法では、特に、常時、高分子電解質膜１１の現状含水率において発電可能な最大電流を出力させるので、固体高分子電解質膜の含水率を、短期間で必要含水率に到達させることができる。従って、空冷式の燃料電池スタック４０であっても、加湿装置を要することなく、固体高分子電解質膜の含水率を、短期間で、燃料電池に対する要求出力に対して必要とされる含水率（必要含水率）に到達させることができる。

また、燃料電池１０では、拡散層として、拡散層基材（１２ａ，１３ａ）の両面にマイクロポーラス層（１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃ）を形成したものを採用した。かかる構成の拡散層は、反応層（１２ｄ，１３ｃ）において生じた水を該拡散層内に吸い出し、該拡散層内に液体水として保持することができる。よって、空気（酸化ガス）や水素ガス（燃料ガス）によって拡散層から持ち去られる水分量を少なくすることができる。

よって、低負荷運転であっても高分子電解質膜１１の含水率を増加させ易く、高分子電解質膜１１の含水率を、短期間で必要含水率に到達させることを可能にする。また、高分子電解質膜１１の乾燥が高度に防止されるので、空冷式の燃料電池スタック４０（燃料電池１０）を長時間運転させることを可能にする。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記実施形態では、起動処理（図４参照）のＳ６の処理によって発電可能な最大電流の出力を開始した後、Ｓ４において算出された含水率差に応じた出力時間だけ出力した後、Ｓ３の処理へ戻るものとしたが、発電可能な最大電流の出力を開始した後、予め規定された出力時間だけ経過した後にＳ３の処理へ戻る構成であってもよい。このとき、予め規定された出力時間としては、定期的な出力時間としてもよいし、可変な出力期間（現状含水率（膜抵抗値）に応じた出力期間）としてもよい。

また、上記実施形態では、Ｓ６からＳ３へ戻った場合における現状含水率を燃料電池スタック４０の発電量と発電時間とに基づいて算出するとしたが、その都度、発電環境下における温度及び相対湿度を温度センサ４３及び湿度センサ４４によって測定し、湿度−膜含水率換算マップ７２ａを参照して得るように構成してもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ４３及び湿度センサ４４によって温度及び相対湿度を測定し、湿度−膜含水率換算マップ７２ａを参照して高分子電解質膜１１の含水率を算出し、算出された含水率を用いて、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂを参照して高分子電解質膜１１の比電導率及び膜抵抗値を算出する構成とした。これに対し、相対湿度と比電導率との相関関係を示すマップを温度に応じて準備し、相対湿度及び温度から比電導率や膜抵抗を算出するものとしてもよい。

また、上記実施形態では、高分子電解質膜１１のイオン交換基数に対する吸着した水の数（Ｎ（Ｈ_２Ｏ）／Ｎ（ＳＯ_３Ｈ））を縦軸とする湿度−膜含水率換算マップ７２ａ（図２（ａ）参照）を使用したが、この縦軸を、質量％で表される高分子電解質膜１１の含水率としてもよい。同様に、膜含水率−比電導率換算マップ７２ｂ（図２（ｂ）参照）における縦軸を比電導度としたが、膜抵抗値を縦軸とするマップを使用してもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ４３を空気ダクト４２に配置し、湿度センサ４４を空気マニホールド４１に配置する構成としたが、温度センサ４３及び湿度センサ４４の配置はこれらに限定されず、発電環境の温度及び湿度を測定可能な位置であればよい。なお、湿度センサ４４は、絶対湿度を検出（測定）するものであってもよい。

また、上記実施形態では、酸素極１２及び燃料極１３の両方とも、拡散層基材（１２ａ，１３ａ）の両面にマイクロポーラス層（１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃ）を形成した拡散層を採用したが、かかる拡散層は少なくとも酸素極１２に採用されていればよい。即ち、燃料極１３は、拡散層基材１３ａと反応層１３ｄとから構成されるものであってもよい。上記拡散層を少なくとも酸素極１２に採用することによって、発電（電極反応）の結果として反応層１２ｄにおいて生成された水を拡散層内へ吸い出し、その水を拡散層内にて保持することができる。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。

［実施例１〜３，比較例１］
実施例１〜３及び比較例１の燃料電池単セル（燃料電池）を以下のように作製した。

（実施例１）
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末をカーボンブラック粉末（一次粒子径１６ｎｍ）に対して３５重量部％となるように混合したものを溶媒に溶かし、自立膜に成型する。その後、平織りのカーボンクロスを準備し、これを上記の自立膜２枚で挟んで３４５℃で熱圧着させて一体化した。

次に、市販の白金担持カーボン（白金含有量６０ｗｔ％）１ｇに、ナフィオン（登録商標）の溶液（５ｗｔ％水／イソプロパノール溶液）２ｇ〜２００ｇを加え、ハイブリッドミキサーで攪拌し、触媒ペーストとし、上記の方法によって一体化した膜の表面にＰｔ担持量が０．０１〜２ｍｇ／ｃｍ^２となるように印刷して、乾燥し、反応層付拡散層を得た。

なお、拡散層の上に印刷して反応層を形成する替わりに、ポリテトラフルオロエチレン製のシート上に上記触媒ペーストを印刷し、乾燥後、剥離させて自立した反応層膜を作製し、これを拡散層と熱圧着させて反応層付拡散層を形成しても良い。

以上のようにして作製した反応層付拡散層を２枚準備し、各反応層付拡散層における反応層で、ナフィオン（登録商標）からなる高分子電解質膜の両側を挟み、ホットプレスによって圧着し、圧着体を得た。そして、得られた圧着体の両面に酸素及び水素（燃料）のガス供給路を形成して、燃料電池単セルを作製した。

（実施例２）
実施例２では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が３５ｎｍのカーボンブラックを用いた。その他は実施例１の燃料電池単セルと同様であり、説明を省略する。

（実施例３）
実施例３では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が４８ｎｍのカーボンブラックを用いた。その他は実施例１の燃料電池単セルと同様であり、説明を省略する。

（比較例１）
比較例１では、反応層側にのみマイクロポーラス層を形成し、反応層の反対側（プレート側）にはマイクロポーラス層を形成しなかった。その他は実施例３の燃料電池単セルと同様であり、説明を省略する。

図５は、実施例１〜３および比較例１の各々について、マイクロポーラス層の細孔分布を、ポロシメータにより測定した結果を示すグラフである。図５に示すグラフにおいて、横軸はマイクロポーラス層の細孔径Ｄを示し、縦軸は微分細孔容積を示す。

＜評価＞
上記のように作製した実施例１〜３及び比較例１の燃料電池単セル（燃料電池）の発電性能を評価した。なお、この評価は、図６に示す簡易的な燃料電池システムを用いて行った。図６は、発電性能の評価に使用した燃料電池システムのブロック図である。

実施例１〜３及び比較例１の燃料電池単セルの空気極側セパレータのガス流路に、エアポンプ３１と、エアの温度及びエアの湿度を調節する制御装置３２とを接続した。さらに、燃料極側セパレータのガス流路に、水素ガス供給装置３３を接続した。そして、燃料極側セパレータのガス流路に、水素ガス供給装置３３から乾燥した水素ガスを導入すると共に、酸素側セパレータのガス流路に、空気を供給した。このとき、空気の供給は、供給空気のストイキ比が３０となるように制御装置３２にて制御しながら行った。セル温度を６０℃とし、様々な露点におけるセル電圧を測定した。

その結果を、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。図７（ａ）は、２Ａ（アンペア）で連続通電を行った場合における、導入空気の露点とセル電圧との関係を示すグラフであり、図７（ｂ）は、６Ａで連続通電を行った場合における、導入空気の露点とセル電圧との関係を示すグラフである。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、横軸は酸素極へ供給される空気の露点を示し、縦軸はセル電圧を示す。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、実施例１〜３では、低い露点においても高いセル電圧を示し、特に、マイクロポーラス層に一次粒子径が１６ｎｍという最も細かいカーボンを用いた実施例１では、最も高い値を示した。これに対し、比較例１の燃料電池セルではセル電圧が低い。これは、実施例１〜３では、酸素極側の拡散層基材に水蒸気は透過しやすく、水は透過し難いマイクロポーラス層が形成されているため、空気流路に供給された空気中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなるからである。また、以上の結果から、実施例１〜３の燃料電池セルでは、ＭＥＡの乾燥を高度に防ぐことができ、供給空気を無加湿とし、燃料ガスとして乾いた水素を用いた空冷式の固体高分子電解質型燃料電池であっても、優れた発電性能を奏し得ることが分かった。

［実施例４，比較例２］
実施例４として、本発明の起動方法に従った場合におけるセル電圧を測定した。一方、比較例２として、起動後、本発明の起動方法を行うことなく直ちに高負荷運転を行った場合のセル電圧を測定した。なお、実施例４及び比較例２は両方とも、実施例１の燃料電池単セルを使用し、起動方法（起動時における通電電流の制御）以外は同じ条件で実験を行った。なお、環境条件は、大気雰囲気（３０℃、５０％ＲＨ）とし、空気極への空気流量は、１１１０Ｌ／ｍｉｎとした。また、水素極へ燃料を封入する際の封入圧は０．１ＭＰａとし、３０ｓｅｃ毎に１回排気を行った。

その結果を図８に示す。図８は、セル電圧の経時変化を示すグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は、起動後に開回路電圧が発生してからの運転時間（単位：ｍｉｎ）を示し、縦軸は、セル電圧（単位：Ｖ）を示す。

また、実施例４と比較例２において通電した電流値（単位：Ａ）と、そのときの平均セル電圧値（単位：Ｖ）とを、表１に示す。なお、表１におけるＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、図８のグラフにおけるＰ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する。

図８（破線）及び表１に示したように、起動後に約１Ｖの開回路電圧が発生してから直ちに高負荷運転（２４Ａ又は４２Ａ）を行う比較例２の場合には、セル電圧の急激な降下が生じ、発電不可という結果が得られた。

これに対し、図８（実線）及び表１に示したように、実施例４では、まず、起動後に開回路電圧が発生した後、まず、１４Ａの低負荷運転（Ｐ１）を行った。この場合、約３．５分間にわたり、平均セル電圧０．６５Ｖの発電を行うことができた。次いで、負荷を上げて通電電流を２８Ａとした（Ｐ２）。この場合には、約１分間にわたって平均セル電圧０．６１Ｖの発電を行うことができた。さらに、負荷を上げて通電電流を４２Ａとしたところ（Ｐ３）、平均セル電圧０．５８Ｖの発電を行うことができた。

以上の結果から明らかなように、燃料電池システムの起動後、まず、１４Ａの低負荷運転を行うことにより、２４Ａでの運転が可能となり、さらには、４２Ａでの運転が可能となることを示している。

この結果は、起動時に乾燥状態にある高分子電解質膜が、その含水率において発電可能な電流において発電を行うことにより、発電による生成水によって高分子電解質膜の含水率を上昇させることができ、最終的に、高分子電解質膜の含水率が４２Ａの高負荷運転に必要な含水率に達したことによると考えられる。

ここで、Ｐ１における電流値を、起動時における高分子電解質膜１１（本実施例では、ナフィオン（登録商標））の含水率において発電可能な最大電流値とすることにより、２８Ａでの発電（Ｐ２）が早期に可能となる。さらに、Ｐ１における電流値を、そのときにおける高分子電解質膜１１の現状含水率において発電可能な最大電流値とすることにより、最終的に目標とする４２Ａでの発電が早期に実現される。

このように、本発明の起動方法によれば、常時、高分子電解質膜１１の現状含水率において発電可能な最大電流を出力させることにより、高分子電解質膜１１の含水率を短期間で、最も好適には、最短期間で必要含水率に到達させることができる。

本発明の起動方法を適用する燃料電池システムの一実施形態を示す系統図である。（ａ）は、湿度−膜含水率換算マップの内容を示す模式図であり、（ｂ）は、膜含水率−比電導率換算マップの内容を示す模式図である。燃料電池の主要部分を模式的に示す断面図である。制御装置で実行される燃料電池システムの起動処理を示すフローチャートである。実施例１〜３および比較例１の各々について、マイクロポーラス層に用いたカーボンの粒度分布曲線である。発電性能の評価に使用した燃料電池システムのブロック図である。（ａ）は、２Ａで連続通電を行った場合における、導入空気の露点とセル電圧との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、６Ａで連続通電を行った場合における、導入空気の露点とセル電圧との関係を示すグラフである。セル電圧の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１０燃料電池
１１高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１２酸素極
１２ａ拡散層基材（拡散層の一部）
１２ｂ第１マイクロポーラス層（拡散層の一部）
１２ｃ第２マイクロポーラス層（拡散層の一部）
１２ｄ反応層
１３燃料極
４３温度センサ（温度測定手段）
４４湿度センサ（湿度測定手段）
５０水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０空気供給系（空気供給手段）
７０制御装置（制御手段）
７２ａ湿度−膜含水率換算マップ（第１のマップ）
７２ｂ膜含水率−比電導率換算マップ（第２のマップ）
１００燃料電池システム

Claims

固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池から出力される電流量を制御する制御手段を備えており、
前記燃料電池システムの起動が指示されてから、前記燃料電池による要求出力での出力が可能となるまでの間において、前記固体高分子電解質膜の現状における含水率である現状含水率又は該現状含水率の指標を取得する膜状態取得ステップと、
その膜状態取得ステップにより取得された前記現状含水率又は該現状含水率の指標が、前記要求出力に対して必要とされる前記固体高分子電解質膜の含水率である必要含水率を満たす値であるか否かを判断する判断ステップと、
その判断ステップにより、前記現状含水率又は該現状含水率の指標が前記必要含水率に対して不足する値であると判断された場合に、前記燃料電池から出力させる電流を、該燃料電池が前記現状含水率又は該現状含水率の指標において出力可能である最大電流となるよう、前記制御手段による制御を行う膜含水率増加ステップと、を備えていることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池の発電環境下における温度を測定する温度測定手段と、前記燃料電池の発電環境下における湿度を測定する湿度測定手段と、前記燃料電池の発電環境下における温度及び湿度に基づいて前記現状含水率又は該現状含水率の指標を算出可能な第１のマップとを備えており、
前記燃料電池システムの起動が指示された場合に、前記温度測定手段及び前記湿度測定手段により、それぞれ、前記温度及び前記湿度を測定する測定ステップを備え、
前記膜状態取得ステップは、前記測定ステップにより測定された前記温度及び前記湿度を用いて、前記第１のマップを参照して、前記固体高分子電解質膜の現状含水率又は該現状含水率の指標の初期値を取得する初期値取得ステップを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
前記燃料電池システムは、さらに、前記現状含水率に基づいて、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率を算出可能な第２のマップを備え、
前記膜含水率増加ステップは、前記膜状態取得ステップにより取得された前記現状含水率又はその指標を用いて、前記第２のマップを参照して、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率を算出し、算出された膜抵抗値又は膜電導率おいて前記燃料電池が出力可能である最大電流を決定する出力量決定ステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動方法。
前記燃料電池における酸素極は、前記固体高分子電解質膜に当接する反応層と前記空気供給手段から供給された空気を拡散する拡散層とを含んで構成されるものであり、
前記拡散層は、前記反応層において生じた水を該拡散層内に吸い出し、該拡散層内に液体水として保持する部材から構成されるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法。
固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段とを備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池から出力される電流量を制御する制御手段を備えており、
前記燃料電池システムの起動が指示されてから、前記燃料電池による要求出力での出力が可能となるまでの間において、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率を取得する膜状態取得ステップと、
その膜状態取得ステップにより取得された前記膜抵抗値又は膜電導率が、前記要求出力に対して許容されるか否かを判断する判断ステップと、
その判断ステップにより、前記固体高分子電解質膜の現状における膜抵抗値又は膜電導率が、前記燃料電池に対する要求出力に対して不可とされる値であると判断された場合に、前記燃料電池から出力させる電流を、該燃料電池が前記膜抵抗値又は膜電導率において出力可能である最大電流となるよう、前記制御手段による制御を行う膜含水率増加ステップと、を備えていることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。