JP3924198B2 - 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

Description

【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（１８）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２燃料ガス用の配管である第２燃料ガス配管２３−１〜２３−３、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、ＣＯ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２３−３−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３６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４０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４３、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５０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１８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１４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３１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１３、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１４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、ＯＦＦ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_{２ 6}〜）
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１８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３１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 (10)

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前に、前記燃料電池スタックの電解質膜が乾燥するように前記カソード側へ前記燃料電池スタックの運転に用いる場合よりも乾燥している前記第１酸化ガスが供給され、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第１酸化ガスが供給され、前記アノード側へ前記第１酸化ガスの圧力よりも高い圧力で前記第１燃料ガスが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. 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、
   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前に、前記燃料電池スタックの電解質膜が乾燥するように前記カソード側へ前記燃料電池スタックの運転に用いる場合よりも乾燥している前記第１酸化ガスが供給され、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燃料ガスが供給され、前記カソード側へ前記第１燃料ガスの圧力よりも高い圧力で前記第１酸化剤ガスが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１酸化ガス流量制御部とを制御する、
   燃料電池システム。
3. 前記制御部は、
   前記燃料電池スタックを昇温する前に、前記カソード側の代わりに前記アノード側へ、前記第１酸化ガスの代わりに前記燃料電池スタックの運転に用いる場合よりも乾燥している前記第１燃料ガスが供給されるように前記第１燃料ガス流量制御部と前記第１酸化ガス流量制御部とを制御する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動方法。
4. 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乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 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電解質膜が乾燥するように、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。
6. 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電解質膜が乾燥するように、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。
7. 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５又は６に記載の燃料電池システムの起動方法。
8. 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５乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システムの起動方法。
9. 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電解質膜が乾燥するように、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。
10. 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電解質膜が乾燥するように、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。

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