JP5005701B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電運転を行う燃料電池システムに関し、特に、負荷の電力需要に応じて発電運転を行う燃料電池システムに関する。

従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である小規模な発電装置として、発電効率及び総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」と記す）が注目されている。

燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池積層体（スタック）を備えている。この燃料電池積層体としては、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池積層体、アルカリ水溶液形燃料電池積層体、リン酸形燃料電池積層体、高分子電解質形燃料電池積層体等が用いられる。これらの燃料電池積層体の内、リン酸形燃料電池積層体や高分子電解質形燃料電池積層体は、発電運転の際の動作温度が他の燃料電池積層体の動作温度と比べて低いため、燃料電池システムを構成する燃料電池積層体として用いられることが多い。特に、高分子電解質形燃料電池積層体は、出力密度が高く、かつ長期信頼性に優れているため、燃料電池システムにおいて好適に用いられる。

以下、高分子電解質形燃料電池積層体を備える燃料電池システムの一般的な構成及びその動作について概説する。尚、以下の説明では、「燃料電池積層体」を「燃料電池」として「高分子電解質形燃料電池積層体」を単に「高分子電解質形燃料電池」と記す。

先ず、高分子電解質形燃料電池の構成について説明する。

高分子電解質形燃料電池は、単電池（セル）を備えている。単電池は、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜電極接合体は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極とを備えている。一方、高分子電解質膜の周囲には、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏洩及びそれらの混合を防止するために、一対のガスケットが配設されている。そして、電解質膜電極接合体及び一対のガスケットは、一対の導電性セパレータにより挟持されている。導電性セパレータのアノード側は、電解質膜電極接合体に燃料ガスを供給すると共に、余剰の燃料ガス及び水蒸気を排出するための燃料ガス流路を備えている。導電性セパレータのカソード側は、電解質膜電極接合体に酸化剤ガスを供給すると共に、余剰の酸化剤ガス及び発電に伴い生成される水を排出するための酸化剤ガス流路を備えている。

又、この高分子電解質形燃料電池では、数十個から数百個の単電池と、それらの単電池を冷却媒体流路に供給される冷却媒体により冷却する冷却器とが、交互に、或いは、数個の単電池に対して１個の冷却器の割合で積層されている。又、数十個から数百個の単電池と冷却器との積層体は、その両端に集電板及び絶縁板を介して端板が配設されて、締結ロッドにより強固に締結されている。そして、隣接する一方の単電池と他方の単電池とが電気的に接続されていると共に、隣接する単電池と冷却器とが電気的に接続されている。つまり、高分子電解質形燃料電池では、数十個から数百個の単電池が、冷却器を介して、電気的に直列に接続されている。

次に、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。

図８は、高分子電解質形燃料電池を備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

図８に示すように、従来の燃料電池システム２００は、その発電部の本体としての高分子電解質形燃料電池１０１と、温度検出器１０２とを備えている。高分子電解質形燃料電池１０１は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に供給されると共に、冷却媒体流路に冷却媒体が供給されると、燃料ガスが含有する水素と酸化剤ガスが含有する酸素とを用いる電気化学反応を進行させることにより、電力と熱とを生成する。又、温度検出器１０２は、高分子電解質形燃料電池１０１の温度を検出する。

又、この燃料電池システム２００は、燃料ガス生成装置１０３と、経路切替器１０４及び迂回経路１０９及び経路切替器１０５と、酸化剤ガス供給装置１０６と、冷却媒体循環装置１０７と、制御装置１０８とを備えている。燃料ガス生成装置１０３は、都市ガス等の原燃料と水とを用いて、水素を含有する燃料ガスを生成する。経路切替器１０４は、燃料ガス生成装置１０３で生成された燃料ガスの供給先を、高分子電解質形燃料電池１０１の燃料ガス流路と迂回経路１０９との間で切り替える。経路切替器１０５は、燃料ガス生成装置１０３の燃焼装置（図示せず）に供給する可燃性ガスの供給元を、高分子電解質形燃料電池１０１の燃料ガス流路と迂回経路１０９との間で切り替える。酸化剤ガス供給装置１０６は、燃料電池システム２００の外部から酸化剤ガスを導入して、これを高分子電解質形燃料電池１０１の酸化剤ガス流路に供給する。冷却媒体循環装置１０７は、高分子電解質形燃料電池１０１の冷却媒体流路との間で冷却媒体を循環させる。制御装置１０８は、燃料電池システム２００の各構成要素の動作を各々制御して、燃料電池システム２００の全体動作を制御する。

次に、高分子電解質形燃料電池を備える燃料電池システムの動作について説明する。

燃料電池システム２００では、都市ガス等の原燃料と水とが供給されると、燃料ガス生成装置１０３は燃料ガスの生成を開始する。燃料ガスの生成開始当初、燃料ガス生成装置１０３で生成される燃料ガスは、高濃度の一酸化炭素を含有している。そのため、燃料ガス生成装置１０３で生成された燃料ガスは、高分子電解質形燃料電池１０１に供給されることなく、経路切替器１０４及び迂回経路１０９及び経路切替器１０５を介して、燃料ガス生成装置１０３の燃焼装置（図示せず）に供給される。

一酸化炭素が低減された燃料ガスの供給が可能になると、燃料ガス生成装置１０３から高分子電解質形燃料電池１０１の燃料ガス流路に燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置１０６から酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給される。すると、高分子電解質形燃料電池１０１の電解質膜電極接合体では、燃料ガスが含有する水素と酸化剤ガスが含有する酸素とが用いられる電気化学反応が進行する。この電気化学反応により、高分子電解質形燃料電池１０１は、電力と熱とを同時に生成する。この際、高分子電解質形燃料電池１０１が備える冷却器の冷却媒体流路には、冷却媒体が供給される。冷却媒体は、単電池が生成した熱を受け取り、この受け取った熱を高分子電解質形燃料電池１０１の外部に運搬する。これにより、高分子電解質形燃料電池１０１において、水素と酸素とが用いられる電気化学反応が好適に進行する。

尚、電気化学反応に用いられなかった余剰の燃料ガスは、余剰の水蒸気と共に高分子電解質形燃料電池１０１から排出され、燃料ガス生成装置１０３の燃焼装置（図示せず）に供給される。又、電気化学反応に用いられなかった余剰の酸化剤ガスは、発電に伴い生成される水と共に高分子電解質形燃料電池１０１から排出され、その後、燃料電池システム２００の外部に廃棄される。又、高分子電解質形燃料電池１０１から排出された冷却媒体は、冷却媒体循環装置１０７で冷却された後、再び、高分子電解質形燃料電池１０１に供給される。

ところで、燃料電池システムでは、通常、燃料ガス生成装置及び酸化剤ガス供給装置から燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて燃料電池が電力を生成する発電運転と、発電運転及びそれに関わるその他の運転が停止される待機運転とが行われる。又、燃料電池システムでは、これらの発電運転及び待機運転に加えて、燃料電池システムの運転状態を待機運転から発電運転へと移行させるための起動運転と、燃料電池システムの運転状態を発電運転から待機運転へと移行させるための停止運転とが行われる。そして、一般家庭用の燃料電池システムでは、ランニングコストが浪費されること等を防止するために、通常、負荷の電力消費量が少ない時間帯では発電運転が行われず、負荷の電力消費量が多い時間帯では発電運転が行われるよう、負荷の電力需要に応じたＤＳＳ運転が行われる。

さて、ＤＳＳ運転が行われる際、燃料電池システムが備える燃料電池の温度は、待機運転が行われている期間において、環境温度と概ね同等の温度にまで低下する。一方、電力の生成に係る電気化学反応は、燃料電池の温度が所定の温度範囲内である場合には好適に進行するが、燃料電池の温度が所定の温度未満である場合には殆ど進行しない。ここで、燃料電池では、発電運転の際には発電に伴い熱が生成されるが、停止運転、待機運転、及び、起動運転の際には熱は一切生成されない。従って、燃料電池システムにより発電運転の開始直後から所望の電力を確実に得るためには、燃料電池システムの起動運転が行われている期間において、燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで予め上昇させておく必要がある。

そこで、水素と空気とが供給されて発電するセルと、このセルの温度を調整する熱媒層と、この熱媒層を加熱する燃焼層とが積層されてなる燃料電池を備え、燃焼層が水素の触媒燃焼により発生する熱を用いて燃料電池の温度を上昇させることが可能な燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

尚、その他の燃料電池システムとしては、冷却水を貯蔵する冷却水タンクと、冷却水を加熱するヒータとを備え、冷却水タンクに貯蔵されている冷却水をヒータによって加熱して、温度上昇した冷却水を供給することにより燃料電池の温度を上昇させることが可能な燃料電池システムが提案されている。

又、その他の燃料電池システムとしては、熱交換器と燃焼器とを備え、燃焼器から可燃性ガスの燃焼熱が供給される熱交換器によって冷却水を加熱して、温度上昇した冷却水を供給することにより燃料電池の温度を上昇させることが可能な燃料電池システムが提案されている。
特開２００４−３１９３６３号公報

しかしながら、燃料電池がセルと熱媒層と燃焼層とを備える従来の提案では、セルに加えて熱媒層と燃焼層とを更に備える必要があるため、燃料電池の構成が複雑化すると共に大型化する。そのため、燃料電池システムの構成が複雑化すると共に大型化する。

又、この従来の提案では、熱媒層と燃焼層とを更に備える必要があるため、燃料電池の熱容量が増大する。そのため、燃料電池システムの起動運転の際、燃料電池の温度を所定の温度にまで確実に上昇させることができない場合がある。

又、この従来の提案では、燃焼層において水素の触媒燃焼を進行させるが、この触媒燃焼による発熱は局所的な発熱であるため、熱媒層を均一にかつ十分に昇温させることができない場合がある。そのため、燃料電池の温度をその全体に渡り均一にかつ十分に上昇させることができない場合がある。

更には、この従来の提案では、加熱等のために利用可能なエネルギーを豊富に含む水素を用いて燃料電池の予熱という付加的な操作が行われるので、省エネルギーの観点においては改善の余地が生じる場合がある。そのため、エネルギーを有効に利用することが可能な燃料電池システムを好適に構築できない場合がある。

つまり、上述した従来の提案では、ＤＳＳ運転に適した高効率の燃料電池システムを一般家庭に向けて幅広く普及させることは困難である。

尚、冷却水をヒータにより加熱する従来の提案では、ヒータを駆動するための電力が必要になるため、燃料電池システムの発電効率が低下する。これは、燃料電池システムの優位性を低下させる。又、冷却水を燃焼器及び熱交換器により加熱する従来の提案では、燃焼器及び熱交換器自体の熱損失の影響や、環境温度の影響を受けるため、冷却水の加熱速度が変動する場合がある。これは、燃料電池システムの利便性を悪化させる。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、簡易でありかつ小規模な構成により起動運転中にエネルギーを浪費することなく燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで確実に上昇させ、発電運転の開始直後から所望の電力を確実に得ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

本願の発明者らは、燃料ガスを化学反応によってその内部で生成する燃料電池システムは、一酸化炭素を高濃度に含有する燃料ガスの燃焼熱を利用する構成、例えば、燃料電池システムの起動運転の際に生成される燃料ガスを燃焼して上記化学反応のための触媒を加熱する構成を有してはいるが、そのような低品質の燃料ガス自体の熱を利用する構成を有してはいないことに着目した。

そして、本願の発明者らは、近年の技術改良により高分子電解質形燃料電池の起動可能温度が５０℃程度から２０℃程度の温度にまで低下したことを受けて、燃料電池システムの起動運転時に生成される低品質の燃料ガス自体の熱（少量の潜熱）を利用して高分子電解質形燃料電池を効果的に予熱する構成について詳細に検討した。

その結果、本願の発明者らは、燃料電池システムの起動運転の際に燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで確実に上昇させるための構成として、起動運転の際に生成される低品質の燃料ガス自体の熱を有効に利用することができる特徴的な構成を見出した。

即ち、上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料及び水並びに燃焼用燃料が供給され該燃焼用燃料の燃焼熱を利用して水素を含有する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、前記燃料ガス生成装置で生成された前記燃料ガスがその燃料ガス経路に供給されかつ酸化剤ガスがその酸化剤ガス経路に供給されて発電する燃料電池と、前記燃料ガス生成装置で生成された前記燃料ガスが前記燃料ガス経路に代えて供給されその少なくとも一部が前記燃料電池を通るように形成された加熱媒体経路と、前記燃料ガス生成装置で生成された前記燃料ガスの供給先を前記燃料ガス経路と前記加熱媒体経路との間で切り替える経路切替器と、制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記燃料ガス生成装置の暖機運転時には該燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスが前記加熱媒体経路に供給された後に前記燃焼用燃料として前記燃料ガス生成装置に供給され、前記燃料ガス生成装置の暖機運転後には該燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスが前記加熱媒体経路に代えて前記燃料ガス経路に供給された後に前記燃焼用燃料として前記燃料ガス生成装置に供給されるよう前記経路切替器を制御するように構成されている。

かかる構成とすることにより、簡易でありかつ小規模な構成により起動運転中にエネルギーを浪費することなく燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで確実に上昇させ、発電運転の開始直後から所望の電力を確実に得ることが可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。

又、かかる構成とすることにより、燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスの供給先を燃料電池システムの起動運転、発電運転、停止運転、待機運転に応じて瞬時に切り替えることが可能になる。又、燃料ガス生成装置と燃料電池との間に複数の配管を配設する必要がなく、燃料電池システムの構成をより一層簡略化することが可能になる。

この場合、冷却媒体が通流されその少なくとも一部が前記燃料電池を通るように形成された冷却媒体経路を更に備え、前記冷却媒体経路の少なくとも一部と前記加熱媒体経路の少なくとも一部とが近接している。

かかる構成とすることにより、冷却媒体経路の一部を流れる冷却媒体と加熱媒体経路の一部を流れる加熱媒体としての燃料ガスとの間での熱交換が可能になる。これにより、加熱媒体としての燃料ガスから燃料電池への熱伝達だけではなく、加熱媒体としての燃料ガスから冷却媒体への熱伝達が可能になるので、燃料電池を効果的にかつ均一に昇温させることが可能になる。

この場合、前記冷却媒体経路の少なくとも一部が冷却媒体供給マニホールドを備え、前記加熱媒体経路の少なくとも一部が加熱媒体貫通流路を備え、前記冷却媒体供給マニホールドと前記加熱媒体貫通流路とが並列している。

かかる構成とすることにより、加熱媒体としての燃料ガスから冷却媒体への熱伝達が更に効果的に行われるので、燃料電池を更に効果的にかつ更に均一に昇温させることが可能になる。

この場合、前記加熱媒体貫通流路の壁部が凹部及び凸部の少なくとも何れかを備え、前記冷却媒体供給マニホールドと前記凹部及び凸部の少なくとも何れかを備える加熱媒体貫通流路とが並列している。

かかる構成とすることにより、加熱媒体貫通流路の熱交換面積が増大するので、燃料電池をより一層効果的に昇温させることが可能になる。

又、上記の場合、前記燃料電池は電解質膜及び該電解質膜を挟む一対のガス拡散電極を有する電解質膜電極接合体と該電解質膜電極接合体を挟む一対の導電性セパレータとを備える単電池が積層されてなり、前記単電池は前記ガス拡散電極の外側に前記冷却媒体を通流させるマニホールド孔と前記燃料ガスを通流させる貫通孔とを備え、前記マニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記冷却媒体供給マニホールドが構成され、前記貫通孔が前記積層方向に連結されて前記加熱媒体貫通流路が構成されている。

かかる構成とすることにより、起動運転の際に燃料ガス生成装置で生成される一酸化炭素を多く含有する燃料ガスが燃料電池に直接供給される場合であっても、燃料ガスがガス拡散電極に直接接触することはない。従って、電解質膜電極接合体の性能を劣化させることなく、燃料電池を確実に昇温させることが可能になる。

又、上記の場合、前記冷却媒体経路の少なくとも一部が冷却媒体供給マニホールドと該冷却媒体供給マニホールドに接続する冷却媒体流路と該冷却媒体流路に接続する冷却媒体排出マニホールドとを備え、前記加熱媒体経路の少なくとも一部が加熱媒体供給マニホールドと該加熱媒体供給マニホールドに接続する加熱媒体流路と該加熱媒体流路に接続する加熱媒体排出マニホールドとを備え、前記冷却媒体供給マニホールドと前記加熱媒体供給マニホールドとが並列し、前記冷却媒体流路と前記加熱媒体流路とが近接し、更に、前記冷却媒体排出マニホールドと前記加熱媒体排出マニホールドとが並列している。

かかる構成とすることにより、加熱媒体としての燃料ガスから冷却媒体への熱伝達がより一層効果的に行われるので、燃料電池をより一層効果的にかつより一層均一に昇温させることが可能になる。

この場合、前記冷却媒体流路及び前記加熱媒体流路がサーペンタイン状の形状を備え、前記サーペンタイン状の形状を備える冷却媒体流路及び加熱媒体流路がサーペンタイン状に並列している。

かかる構成とすることにより、燃料電池における加熱媒体流路長が増大するので、燃料電池をより一層効果的に昇温させることが可能になる。

又、上記の場合、前記加熱媒体流路が第１の加熱媒体流路と第２の加熱媒体流路とを備え、前記冷却媒体流路が前記第１の加熱媒体流路と前記第２の加熱媒体流路とにより包囲されている。

かかる構成とすることによっても、燃料電池における加熱媒体流路長が増大するので、燃料電池をより一層効果的に昇温させることが可能になる。

又、上記の場合、前記燃料電池は電解質膜及び該電解質膜を挟む一対のガス拡散電極を有する電解質膜電極接合体と該電解質膜電極接合体を挟む一対の導電性セパレータとを備える単電池が積層されてなり、前記単電池は前記ガス拡散電極の外側に前記冷却媒体を通流させる第１のマニホールド孔と前記燃料ガスを通流させる第２のマニホールド孔と前記冷却媒体を更に通流させる第３のマニホールド孔と前記燃料ガスを更に通流させる第４のマニホールド孔とを備え、前記第１のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記冷却媒体供給マニホールドが構成され、前記第２のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記加熱媒体供給マニホールドが構成され、更に、前記第３のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記冷却媒体排出マニホールドが構成され、前記第４のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記加熱媒体排出マニホールドが構成されている。

かかる構成とすることにより、起動運転の際に燃料ガス生成装置で生成される一酸化炭素を多く含有する燃料ガスが燃料電池に直接供給される場合であっても、燃料ガスがガス拡散電極に直接接触することはない。従って、電解質膜電極接合体の性能を劣化させることなく、燃料電池を確実に昇温させることが可能になる。

本発明は、以上に述べたような手段において実施され、簡易でありかつ小規模な構成により起動運転中にエネルギーを浪費することなく燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで確実に上昇させ、発電運転の開始直後から所望の電力を確実に得ることが可能な燃料電池システムを提供することが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る燃料電池システムの構成上の特徴点は、燃料電池システムが、従来から備える燃料ガス経路、酸化剤ガス経路、及び、冷却媒体経路に加えて、加熱媒体として用いる燃料ガスを通流させるための加熱媒体経路を更に備えている点である。

又、本発明に係る燃料電池システムの運転上の特徴点は、その起動運転の際に、燃料ガス生成装置から燃料電池システムの加熱媒体経路に加熱媒体としての低品質な燃料ガスを通流させて、これにより、高分子電解質形燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで確実に上昇させる点である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について、図面を参照しながら更に詳細に説明する。

（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての高分子電解質形燃料電池１と、温度検出器２とを備えている。高分子電解質形燃料電池１は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスが供給されると共に、所定の冷却媒体が供給されると、燃料ガスが含有する水素と酸化剤ガスが含有する酸素とを用いる所定の電気化学反応を進行させることにより、電力と熱とを安定して生成する。温度検出器２は、高分子電解質形燃料電池１の温度を検出する。ここで、図１に示すように、この高分子電解質形燃料電池１は、燃料ガスが供給される燃料ガス経路の一部１ａと、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス経路の一部１ｂと、所定の冷却媒体が供給される冷却媒体経路の一部１ｃとを備えている。そして、この高分子電解質形燃料電池１は、加熱媒体として用いられる燃料ガスが供給される加熱媒体経路の一部１ｄを更に備えている。この加熱媒体経路の一部１ｄの構成については、後に詳細に説明する。

又、この燃料電池システム１００は、燃料ガス生成装置３と、配管ａと、経路切替器４と、配管ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２と、経路切替器５と、配管ｄとを更に備えている。

燃料ガス生成装置３は、少なくとも水素及び炭素からなる有機化合物を含む原燃料（例えば、都市ガス、プロパンガス等の炭化水素系の原燃料、又は、メタノール等のアルコール系の原燃料）と水とを用いて、水素を豊富に含有する燃料ガスを生成する。そして、この燃料ガス生成装置３は、生成した燃料ガスを高分子電解質形燃料電池１に供給する。ここで、燃料ガス生成装置３は、図１では図示しないが、改質部と変成部と酸化部とを備えている。改質部は、原燃料と水とを用いる水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスを生成する。又、変成部は、一酸化炭素と水とを用いる水性シフト反応により、改質部で生成された燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を低減する。又、酸化部は、一酸化炭素と酸素とを用いる酸化反応により、変成部から排出された燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を更に低減する。

そして、図１に示すように、燃料電池システム１００では、燃料ガス生成装置３の燃料ガス排出口と経路切替器４の燃料ガス導入口とが、配管ａにより相互に接続されている。又、経路切替器４の一方の燃料ガス排出口と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された燃料ガス経路の一部１ａの燃料ガス導入口とが配管ｂ１により相互に接続され、経路切替器４の他方の燃料ガス排出口と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された加熱媒体経路の一部１ｄの燃料ガス導入口とが配管ｂ２により相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された燃料ガス経路の一部１ａの燃料ガス排出口と経路切替器５の一方の燃料ガス導入口とが配管ｃ１により相互に接続され、高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された加熱媒体経路の一部１ｄの燃料ガス排出口と経路切替器５の他方の燃料ガス導入口とが配管ｃ２により相互に接続されている。更に、経路切替器５の燃料ガス排出口と燃料ガス生成装置３の燃焼装置（図示せず）の可燃性ガス導入口とが、配管ｄにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、燃料ガスの給排系統が構成されている。

尚、本実施の形態では、燃料ガス経路の一部１ａの燃料ガス排出口と経路切替器５の一方の燃料ガス導入口とが配管ｃ１により相互に接続され、加熱媒体経路の一部１ｄの燃料ガス排出口と経路切替器５の他方の燃料ガス導入口とが配管ｃ２により相互に接続され、経路切替器５の燃料ガス排出口と燃料ガス生成装置３の燃焼装置の可燃性ガス導入口とが配管ｄにより相互に接続された構成を例示しているが、このような構成に限定されることはない。例えば、経路切替器５を配設することなく、配管ｃ１上に逆止弁を設け、この逆止弁の燃料ガス排出口と配管ｃ２と配管ｄとを接続する構成としてもよい。

又、この燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給装置６と、配管ｅと、配管ｆとを備えている。

酸化剤ガス供給装置６は、シロッコファン等の送風機器を駆動させて、燃料電池システム１００の外部からその内部に酸化剤ガス（例えば、空気）を導入する。そして、この酸化剤ガス供給装置６は、導入した酸化剤ガスを高分子電解質形燃料電池１に供給する。ここで、酸化剤ガス供給装置６は、図１では図示しないが、酸化剤ガスの清浄部を更に備えている。この酸化剤ガスの清浄部は、酸化剤ガス中に浮遊する粉塵を除去可能なフィルタにより、燃料電池システム１００の外部からその内部に導入した空気等の酸化剤ガスを適宜清浄する。又、酸化剤ガス供給装置６は、図１では図示しないが、酸化剤ガスを加湿するための加湿器を更に備えている。この加湿器は、酸化剤ガス供給装置６により導入された酸化剤ガスを、所定の露点を有するように加湿する。この加湿された酸化剤ガスが、高分子電解質形燃料電池１に供給される。

そして、図１に示すように、燃料電池システム１００では、酸化剤ガス供給装置６の酸化剤ガス排出口と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された酸化剤ガス経路の一部１ｂの酸化剤ガス導入口とが、配管ｅにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された酸化剤ガス経路の一部１ｂの酸化剤ガス排出口には、配管ｆの一端が接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、酸化剤ガスの給排系統が構成されている。

又、この燃料電池システム１００は、冷却媒体循環装置７と、配管ｇと、配管ｈとを備えている。

冷却媒体循環装置７は、送水ポンプ等の送水機器を駆動させて、高分子電解質形燃料電池１との間で冷却媒体（例えば、水）を循環させる。ここで、冷却媒体循環装置７は、図１では図示しないが、貯蔵タンク及び冷却装置を備えている。貯蔵タンクは、冷却媒体を適宜貯蔵する。又、冷却装置は、冷却媒体の熱を燃料電池システム１００の外部へ放散可能な放熱器により、温度上昇した冷却媒体を適宜冷却する。

そして、図１に示すように、燃料電池システム１００では、冷却媒体循環装置７の冷却媒体排出口と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された冷却媒体経路の一部１ｃの冷却媒体導入口とが、配管ｇにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された冷却媒体経路の一部１ｃの冷却媒体排出口と冷却媒体循環装置７の冷却媒体導入口とが、配管ｈにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、冷却媒体の給排系統が構成されている。

更に、この燃料電池システム１００は、制御装置８を備えている。

制御装置８は、マイコン等の演算装置及びメモリー等を備えている。そして、この制御装置８は、燃料電池システム１００の各構成要素の動作を各々制御することにより、燃料電池システム１００の全体動作（運転状態）を適宜制御する。ここで、本明細書では、制御装置８は、単独の制御装置に限定されることはなく、複数の制御装置が協働して所定の制御を実行する制御装置郡であってもよい。又、制御装置８は、複数の制御装置が分散されていて、それらが協働して所定の制御を実行する制御装置群であってもよい。

次に、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の特徴的な内部構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図２（ａ）は、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体貫通流路と冷却媒体供給マニホールドと冷却媒体流路と冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。尚、図２（ａ）では、各給排マニホールド、加熱媒体貫通流路、及び、冷却媒体流路の配置及び構成を理解容易にするために、両端部及び中央部の単電池のみを図示している。又、図２（ａ）では、各給排マニホールド、加熱媒体貫通流路、及び、冷却媒体流路の配置及び構成を理解容易にするために、高分子電解質形燃料電池の一部を透視していると共に、各給排マニホールド、加熱媒体貫通流路、及び、冷却媒体流路を実線により表示している。更に、図２（ａ）では、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池の特徴的な内部構成を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。

図２（ａ）に示すように、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１は、単電池１０を備えている。この単電池１０が、図２（ａ）では図示を省略しているが、数十個から数百個積層され、かつその積層体の両端に集電板及び絶縁板を介して端板が各々配設され、更に締結ロッドにより強固に締結されて、高分子電解質形燃料電池１が構成されている。そして、この高分子電解質形燃料電池１では、隣接する一方の単電池と他方の単電池とが、相互に電気的に接続されている。即ち、高分子電解質形燃料電池１では、数十個から数百個の単電池が電気的に直列に接続されている。

又、図２（ａ）に示すように、高分子電解質形燃料電池１は、冷却媒体供給マニホールド１１及び冷却媒体排出マニホールド１２を備えている。そして、冷却媒体供給マニホールド１１と冷却媒体排出マニホールド１２とは、高分子電解質形燃料電池１を構成する各単電池１０が備えるサーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗを介して、相互に接続されている。つまり、冷却媒体供給マニホールド１１と、冷却媒体流路Ｐｗの各々と、冷却媒体排出マニホールド１２とにより、図１に示す冷却媒体経路の一部１ｃが構成されている。

冷却媒体供給マニホールド１１は、冷却媒体循環装置７から配管ｇを介して供給される冷却媒体を、高分子電解質形燃料電池１を構成する各単電池１０の冷却媒体流路Ｐｗに分配する。一方、冷却媒体排出マニホールド１２は、高分子電解質形燃料電池１を構成する各単電池１０の冷却媒体流路Ｐｗから排出される冷却媒体を集めて、その集めた冷却媒体を高分子電解質形燃料電池１の外部へ排出する。尚、排出された冷却媒体は、配管ｈを介して、冷却媒体循環装置７に戻される。

本実施の形態では、図２（ａ）ではその一部を省略しているが、冷却媒体供給マニホールド１１は、高分子電解質形燃料電池１において、一端の単電池１０から他端の単電池１０に渡るようにして、略直線状に構成されている。一方、冷却媒体排出マニホールド１２は、冷却媒体供給マニホールド１１の場合と同様にしてその一部を省略しているが、高分子電解質形燃料電池１において、一端の単電池１０から他端の単電池１０に渡るようにして、略直線状に構成されている。そして、図２（ａ）に示すように、冷却媒体供給マニホールド１１と冷却媒体排出マニホールド１２とは、各単電池１０が備える冷却媒体流路Ｐｗの冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の配設位置に応じて、対角状にかつ略平行状に設けられている。

そして、図２（ａ）に示すように、この高分子電解質形燃料電池１は、本発明を特徴付ける加熱媒体貫通流路１３ａを備えている。ここで、この加熱媒体貫通流路１３ａは、図１に示す加熱媒体経路の一部１ｄに相当する。そして、この加熱媒体貫通流路１３ａは、燃料電池システム１００の配管ｂ２から配管ｃ２に向けて、燃料ガス生成装置３が生成した燃料ガスを高分子電解質形燃料電池１の内部で通流させる。

本実施の形態では、加熱媒体貫通流路１３ａは、高分子電解質形燃料電池１において、一端の単電池１０から他端の単電池１０にかけてそれらを貫通するようにして、略直線状に構成されている。そして、この加熱媒体貫通流路１３ａは、一端の単電池１０から他端の単電池１０に渡り、冷却媒体供給マニホールド１１と所定の間隔を隔てて略平行にかつその近傍に設けられている。即ち、本実施の形態において、この加熱媒体貫通流路１３ａは、配管ｂ２から供給される加熱媒体としての燃料ガスを熱源として、高分子電解質形燃料電池１、及び、冷却媒体供給マニホールド１１に供給される冷却媒体の各々を逐次効果的に加熱することが可能に設けられている。

尚、図２（ａ）に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、冷却媒体供給マニホールド１１の冷却媒体導入口には配管ｇの一端が接続されており、その一方で、冷却媒体排出マニホールド１２の冷却媒体排出口には配管ｈの一端が接続されている。又、図２（ａ）に示すように、加熱媒体貫通流路１３ａの加熱媒体導入口には配管ｂ２の一端が接続されており、その一方で、加熱媒体貫通流路１３ａの加熱媒体排出口には配管ｃ２の一端が接続されている。

図２（ｂ）は、高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。

図２（ｂ）に示すように、単電池１０は、導電性セパレータ１０ａと、電解質膜電極接合体１０ｂと、導電性セパレータ１０ｃとを備えている。これらの導電性セパレータ１０ａ、電解質膜電極接合体１０ｂ、導電性セパレータ１０ｃは、各々、略平板状の形状を有している。又、これらの導電性セパレータ１０ａ、電解質膜電極接合体１０ｂ、導電性セパレータ１０ｃは、各々、高分子電解質形燃料電池１の積層方向から見た場合、矩形状の同一形状を有している。そして、単電池１０では、これらの導電性セパレータ１０ａ、電解質膜電極接合体１０ｂ、導電性セパレータ１０ｃが、この順で積層されている。

より具体的に説明すると、導電性セパレータ１０ａは、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗと、この冷却媒体流路Ｐｗの裏側に配設された図２（ｂ）では隠れている酸化剤ガス流路Ｐｏと、マニホールド孔Ｈｗａ１及びＨｗａ２と、マニホールド孔Ｈｏａ１及びＨｏａ２と、マニホールド孔Ｈｆａ１及びＨｆａ２と、貫通孔Ｈａとの各々を備えている。そして、この導電性セパレータ１０ａでは、冷却媒体流路Ｐｗの一端がマニホールド孔Ｈｗａ１に接続されており、その一方で、冷却媒体流路Ｐｗの他端がマニホールド孔Ｈｗａ２に接続されている。又、図２（ｂ）では隠れているが、酸化剤ガス流路Ｐｏの一端がマニホールド孔Ｈｏａ１に接続されており、その一方で、酸化剤ガス流路Ｐｏの他端がマニホールド孔Ｈｏａ２に接続されている。

一方、電解質膜電極接合体１０ｂは、高分子電解質膜Ｍと、一対のガス拡散電極Ｅ１及びＥ２と、マニホールド孔Ｈｗｂ１及びＨｗｂ２と、マニホールド孔Ｈｏｂ１及びＨｏｂ２と、マニホールド孔Ｈｆｂ１及びＨｆｂ２と、貫通孔Ｈｂとを備えている。ここで、本実施の形態では、高分子電解質膜Ｍは、水素イオンを選択的に輸送可能なパーフルオロスルホン酸膜である。又、ガス拡散電極Ｅ１及びＥ２は、図２（ｂ）では図示しないが、各々、主に白金カーボンからなる導電性の触媒層と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性のガス拡散層とを備えている。そして、高分子電解質膜Ｍの一方の主面における所定の領域には、その高分子電解質膜Ｍに導電性触媒層が接触した状態で、ガス拡散電極Ｅ１が接合されている。又、高分子電解質膜Ｍの他方の主面における所定の領域には、その高分子電解質膜Ｍに導電性触媒層が接触した状態で、ガス拡散電極Ｅ２が接合されている。これにより、単電池１０において、電解質膜電極接合体１０ｂが構成されている。

又、導電性セパレータ１０ｃは、燃料ガス流路Ｐｆと、マニホールド孔Ｈｗｃ１及びＨｗｃ２と、マニホールド孔Ｈｏｃ１及びＨｏｃ２と、マニホールド孔Ｈｆｃ１及びＨｆｃ２と、貫通孔Ｈｃとを備えている。そして、この導電性セパレータ１０ｃでは、燃料ガス流路Ｐｆの一端がマニホールド孔Ｈｆｃ１に接続されており、その一方で、燃料ガス流路Ｐｆの他端がマニホールド孔Ｈｆｃ２に接続されている。

本実施の形態では、単電池１０の導電性セパレータ１０ａ及び１０ｃは、金属又はカーボンを主原料とする導電性材料により構成されている。そして、電解質膜電極接合体１０ｂにおける高分子電解質膜Ｍの周囲が導電性セパレータ１０ａ及び１０ｃの周縁部により一対のガスシール材又はガスケット（図示せず）を介して挟持され、かつ電解質膜電極接合体１０ｂにおけるガス拡散電極Ｅ１及びＥ２の所定領域が導電性セパレータ１０ａ及び１０ｃの所定領域により導電状態で挟持されて、単電池１０が構成されている。

そして、本実施の形態では、単電池１０のマニホールド孔Ｈｗａ１とマニホールド孔Ｈｗｂ１とマニホールド孔Ｈｗｃ１とにより、冷却媒体供給マニホールド１１の一部が構成されている。そして、単電池１０が数十個から数百個積層され、マニホールド孔Ｈｗａ１とマニホールド孔Ｈｗｂ１とマニホールド孔Ｈｗｃ１とからなるマニホールド孔の集合体が数十個から数百個連結されて、図２（ａ）に示す冷却媒体供給マニホールド１１が構成されている。又、本実施の形態では、単電池１０のマニホールド孔Ｈｗａ２とマニホールド孔Ｈｗｂ２とマニホールド孔Ｈｗｃ２とにより、冷却媒体排出マニホールド１２の一部が構成されている。そして、単電池１０が数十個から数百個積層され、マニホールド孔Ｈｗａ２とマニホールド孔Ｈｗｂ２とマニホールド孔Ｈｗｃ２とからなるマニホールド孔の集合体が数十個から数百個連結されて、図２（ａ）に示す冷却媒体排出マニホールド１２が構成されている。更に、本実施の形態では、単電池１０の貫通孔Ｈａと貫通孔Ｈｂと貫通孔Ｈｃとにより、加熱媒体貫通流路１３ａの一部が構成されている。そして、単電池１０が数十個から数百個積層され、貫通孔Ｈａと貫通孔Ｈｂと貫通孔Ｈｃとからなる貫通孔の集合体が数十個から数百個連結されて、図２（ａ）に示す加熱媒体貫通流路１３ａが構成されている。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、内部マニホールド型の高分子電解質形燃料電池１を備えている。

ここで、本実施の形態では、配管ｂ２から供給される加熱媒体としての燃料ガスは、ガス拡散電極Ｅ１及びＥ２に接触することなく加熱媒体貫通流路１３ａの内部を流れ、その後、配管ｃ２に向けて排出される。

尚、図２（ａ）及び図２（ｂ）では図示しないが、単電池１０のマニホールド孔Ｈｆａ１とマニホールド孔Ｈｆｂ１とマニホールド孔Ｈｆｃ１とからなるマニホールド孔の集合体が連結されてなる燃料ガス供給マニホールドの燃料ガス導入口には、配管ｂ１の一端が接続されている。又、単電池１０のマニホールド孔Ｈｆａ２とマニホールド孔Ｈｆｂ２とマニホールド孔Ｈｆｃ２とからなるマニホールド孔の集合体が連結されてなる燃料ガス排出マニホールドの燃料ガス排出口には、配管ｃ１の一端が接続されている。更に、単電池１０のマニホールド孔Ｈｏａ１とマニホールド孔Ｈｏｂ１とマニホールド孔Ｈｏｃ１とからなるマニホールド孔の集合体が連結されてなる酸化剤ガス供給マニホールドの酸化剤ガス導入口には、配管ｅの一端が接続されている。又、単電池１０のマニホールド孔Ｈｏａ２とマニホールド孔Ｈｏｂ２とマニホールド孔Ｈｏｃ２とからなるマニホールド孔の集合体が連結されてなる酸化剤ガス排出マニホールドの酸化剤ガス排出口には、配管ｆの一端が接続されている。

又、図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る単電池１０の導電性セパレータ１０ａは、シールＳ１を備えている。このシールＳ１は、導電性セパレータ１０ａにおいて、貫通孔Ｈａと、マニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗとの全体を取り囲むように、かつ、貫通孔Ｈａとマニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗとの間に渡るように配設されている。このシールＳ１により、貫通孔Ｈａを通流する燃料ガスが冷却媒体流路Ｐｗを通流する冷却媒体に混入することが確実に防止される。

次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、ここでは、燃料電池システムの一般的な動作に関する説明は省略し、その特徴的な動作に関して説明する。

本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料ガス生成装置３及び酸化剤ガス供給装置６から高分子電解質形燃料電池１に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて負荷に向けて電力を出力する発電運転と、この発電運転及びそれに関わるその他の運転が停止される待機運転とが行われる。又、この燃料電池システム１００では、これらの発電運転及び待機運転に加えて、燃料電池システム１００の運転状態を待機運転から発電運転へと移行させるための起動運転と、燃料電池システム１００の運転状態を発電運転から待機運転へと移行させるための停止運転とが行われる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動運転時の動作を模式的に示す流れ図である。

図３に示すように、負荷の電力需要に応じて燃料電池システム１００の起動運転が開始されると（ステップＳ１）、制御装置８は、先ず、経路切替器４及び経路切替器５を制御することにより、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池１の加熱媒体経路の一部１ｄに供給されるよう、配管ａと配管ｂ２とを相互に接続しかつ配管ｃ２と配管ｄとを相互に接続する（ステップＳ２）。

次いで、燃料電池システム１００では、制御装置８の制御により、燃料ガス生成装置３への原燃料及びその他の物資の供給が開始される。つまり、燃料ガス生成装置３の暖機運転が開始される。これにより、燃料ガス生成装置３で生成された加熱媒体としての燃料ガスの加熱媒体経路の一部１ｄへの供給が開始される（ステップＳ３）。

燃料ガス生成装置３に供給された原燃料及び水は、その改質部に供給される。燃料ガス生成装置３の改質部は、原燃料と水とを用いる水蒸気改質反応により、水素を含む燃料ガスを生成する。改質部で生成された燃料ガスは、燃料ガス生成装置３の変成部に供給される。変成部は、一酸化炭素と水とを用いる水性シフト反応により、改質部で生成された燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を低減する。変成部で一酸化炭素の濃度が低減された燃料ガスは、その後、燃料ガス生成装置３の酸化部に供給される。酸化部は、一酸化炭素と酸素とを用いる酸化反応により、変成部から排出された燃料ガスの一酸化炭素含有濃度を更に低減する。

図３に示すステップＳ３において、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスは、配管ａ、経路切替器４、及び、配管ｂ２を経て、高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された加熱媒体経路の一部１ｄに供給される。そして、加熱媒体経路の一部１ｄに供給された燃料ガスは、その後、配管ｃ２、経路切替器５、及び、配管ｄを経て、燃料ガス生成装置３の燃焼装置（図示せず）に供給される。尚、燃焼装置は、配管ｄを介して供給される可燃性ガスを燃焼する。

一方、ステップＳ３と同時に、若しくは、ステップＳ３の直後、制御装置８の制御により、冷却媒体循環装置７と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された冷却媒体経路の一部１ｃとの間での冷却媒体の循環が開始される（ステップＳ４）。

そして、このように、燃料ガス生成装置３から高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された加熱媒体経路の一部１ｄへの燃料ガスの供給が開始されると共に、冷却媒体循環装置７と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された冷却媒体経路の一部１ｃとの間での冷却媒体の循環が開始されることにより、燃料電池システム１００において、高分子電解質形燃料電池１の加熱が開始される（ステップＳ５）。

具体的には、燃料ガス生成装置３で生成される燃料ガスの水素含有濃度は、変成部及び酸化部における変成触媒及び酸化触媒の温度が上昇するにつれて上昇する。又、変成触媒及び酸化触媒の温度上昇に伴い、燃料ガス生成装置３から排出される燃料ガスの温度が次第に上昇する。そして、この次第に温度上昇する燃料ガスが加熱媒体経路の一部１ｄに供給されることにより、つまり、燃料ガスが加熱媒体貫通流路１３ａに供給されることにより、高分子電解質形燃料電池１が燃料ガスにより加熱されて、高分子電解質形燃料電池１の温度が次第に上昇する。ここで、燃料ガス生成装置３から高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された加熱媒体経路の一部１ｄに供給される燃料ガスは、最終的には、温度が７０℃〜１００℃となり、かつ、露点が６０℃〜７０となる。従って、本実施の形態によれば、燃料ガスの顕熱及び潜熱を用いて、高分子電解質形燃料電池１の温度を発電運転のための所定の温度にまで確実に上昇させることができる。

又、図２（ａ）に示すように、本実施の形態では、加熱媒体貫通流路１３ａは、冷却媒体供給マニホールド１１の近傍に配設されている。従って、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池１の加熱媒体貫通流路１３ａに供給されることにより、冷却媒体供給マニホールド１１に供給される冷却媒体が効果的に加熱される。これにより、冷却媒体供給マニホールド１１を流れる冷却媒体の温度が効果的に上昇する。そして、高分子電解質形燃料電池１では、冷却媒体供給マニホールド１１から供給される温度上昇した冷却媒体は、各単電池１０の冷却媒体流路Ｐｗを流れた後、冷却媒体排出マニホールド１２に供給される。このように、温度上昇した冷却媒体が各単電池１０の冷却媒体流路Ｐｗに供給されることにより、高分子電解質形燃料電池１の温度がより一層効果的に上昇する。

一方、燃料電池システム１００では、図３に示すステップＳ５以降、温度検出器２及び制御装置８により高分子電解質形燃料電池１の温度Ｔｄが逐次検出される。又、この燃料電池システム１００では、制御装置８により、燃料ガス生成装置３で生成される燃料ガスの状態Ｓｄが高分子電解質形燃料電池１に供給可能な状態Ｓｐｄとなったか否か、即ち、燃料ガスの状態が一酸化炭素の含有濃度が十分に低減された状態となったか否かが、逐次判定される。そして、高分子電解質形燃料電池１の温度Ｔｄが所定の温度Ｔｐｄに到達したと判定され、かつ燃料ガス生成装置３で生成される燃料ガスの状態Ｓｄが発電運転に適する一酸化炭素が極低濃度にまで低減された状態Ｓｐｄとなったと判定されると（ステップＳ６でＹＥＳ）、制御装置８は、燃料電池システム１００の起動運転を終了させるよう制御する（ステップＳ７）。尚、高分子電解質形燃料電池１の温度Ｔｄが所定の温度Ｔｐｄに到達していないと判定される場合、又は、燃料ガス生成装置３で生成される燃料ガスの状態Ｓｄが発電運転に適する一酸化炭素が極低濃度にまで低減された状態Ｓｐｄとなっていないと判定される場合、制御装置８は、燃料電池システム１００の起動運転が更に継続されるよう制御する（ステップＳ６でＮＯ）。

ここで、本実施の形態において、燃料ガスの状態Ｓｄが高分子電解質形燃料電池１に供給可能な状態Ｓｐｄとなったか否かの判定は、例えば、燃料ガス生成装置３の改質部の温度が所定の温度に到達したか否かにより行われる。或いは、この判定は、例えば、燃料ガス生成装置３から排出された燃料ガスの一酸化炭素含有濃度が所定の濃度にまで低減したか否かにより行われる。尚、燃料ガスの状態Ｓｄに係る上記判定は、例えば、燃料ガス生成装置３の積算運転時間に基づいて行われてもよく、燃料ガス生成装置３に供給した原燃料の積算供給量に基づいて行われてもよい。

そして、制御装置８は、経路切替器４及び経路切替器５を制御することにより、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された燃料ガス経路の一部１ａに供給されるよう、配管ａと配管ｂ１とを相互に接続しかつ配管ｃ１と配管ｄとを相互に接続する（ステップＳ８）。つまり、制御装置８は、燃料電池システム１００における配管の接続状態を元に戻すよう制御する。これにより、燃料電池システム１００は、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスを高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された燃料ガス経路の一部１ａに供給可能な状態となる。

さて、燃料電池システム１００の起動運転が終了されると、制御装置８の制御により、燃料電池システム１００の発電運転が開始される。

燃料電池システム１００の発電運転では、燃料ガス生成装置３及び酸化剤ガス供給装置６から高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された燃料ガス経路の一部１ａ及び酸化剤ガス経路の一部１ｂに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。この際、燃料ガス生成装置３で生成される燃料ガスは、不純物である一酸化炭素の含有濃度が極低濃度にまで低減された燃料ガスである。より具体的には、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスは、配管ａ、経路切替器４、及び、配管ｂ１を経て、燃料ガス供給マニホールドにより図２に示す単電池１０の各々の燃料ガス流路Ｐｆに分配される。一方、酸化剤ガス供給装置６から供給された酸化剤ガスは、配管ｅを経て、酸化剤ガス供給マニホールドにより図２に示す単電池１０の各々の酸化剤ガス流路Ｐｏに分配される。

燃料ガス生成装置３から各単電池１０の燃料ガス流路Ｐｆに向けて燃料ガスが供給されると共に、酸化剤ガス供給装置６から各単電池１０の酸化剤ガス流路Ｐｏに向けて酸化剤ガスが供給されると、各単電池１０の電解質膜電極接合体１０ｂにおいて、燃料ガスが含有する水素と酸化剤ガスが含有する酸素とが用いられる電気化学反応が進行する。この電気化学反応の進行により、燃料電池システム１００の高分子電解質形燃料電池１は、電力と熱とを同時に生成する。この際、高分子電解質形燃料電池１の各単電池１０における冷却媒体流路Ｐｗには、配管ｇ及び冷却媒体供給マニホールド１１を介して、冷却媒体循環装置７から冷却媒体が供給される。すると、冷却媒体は、各単電池１０が生成した熱を受け取り、この受け取った熱を高分子電解質形燃料電池１の外部に運搬する。冷却媒体流路Ｐｗから排出された冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド１２及び配管ｈを介して、冷却媒体循環装置７に戻される。尚、電気化学反応に用いられなかった余剰の燃料ガスは、余剰の水蒸気と共に各単電池１０の燃料ガス流路Ｐｆから排出された後、燃料ガス排出マニホールド、配管ｃ１、経路切替器５、及び、配管ｄを経て、燃料ガス生成装置３の燃焼装置（図示せず）に供給される。又、電気化学反応に用いられなかった余剰の酸化剤ガスは、発電に伴い生成された水と共に各単電池１０の酸化剤ガス流路Ｐｏから排出され、その後、酸化剤ガス排出マニホールド及び配管ｆを介して、燃料電池システム１００の外部へ廃棄される。

尚、燃料電池システム１００の停止運転では、制御装置８の制御により、燃料ガス及び酸化剤ガスの高分子電解質形燃料電池１への供給が停止される。又、この燃料電池システム１００の停止運転では、例えば、制御装置８により経路切替器４及び経路切替器５の各々が制御されて、配管ａと配管ｂ２とが相互に接続されると共に、配管ｃ２と配管ｄとが相互に接続される。そして、燃料電池システム１００の待機運転では、燃料電池システム１００の発電運転及びそれに関する全ての動作が停止される。このように、ＤＳＳ運転が行われる燃料電池システム１００では、負荷の電力消費量が少ない時間帯では発電運転が行われず、負荷の電力消費量が多い時間帯では発電運転が行われるよう、起動運転、発電運転、停止運転、及び、待機運転が負荷の電力需要に応じて繰り返し行われる。

以上、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、その起動運転の際に、簡易でありかつ小規模な構成により、エネルギーを浪費することなく、高分子電解質形燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで再現性良く確実に上昇させることが可能になる。これにより、発電運転の開始直後から所望の電力を確実に得ることが可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。

例えば、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成によれば、温度が７０℃であり露点が６０℃である流量６Ｌ／分の燃料ガスの温度を３０分間で２０℃まで低下させた場合に得られる熱量（水蒸気の凝縮熱）は概ね１０ｋｃａｌであるから、高分子電解質形燃料電池の熱容量が３ｋｃａｌ程度である場合には、高分子電解質形燃料電池の温度を最大で３℃程度上昇させることが可能となる。これにより、高分子電解質形燃料電池の温度が待機運転中に１７℃程度にまで低下した場合でも、その温度を燃料電池システムの起動運転中に起動可能な温度である２０℃程度にまで確実に上昇させることが可能になる。

又、従来の燃料電池システムでは、起動運転の際に燃料ガス生成装置から排出される燃料ガスは、高分子電解質形燃料電池に供給されることなく、燃料ガス生成装置の燃焼装置に供給されていた。つまり、燃料ガス自体が有する熱は、有効に利用されることなく、実質的には廃棄されていた。一方、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、起動運転の際に燃料ガス生成装置から排出される燃料ガス自体の熱が、高分子電解質形燃料電池を加熱するために有効に利用される。これにより、高分子電解質形燃料電池を加熱するためのヒータ等の加熱装置が不要になると共に、加熱のための電力消費が削減されるので、発電効率及び総合効率が更に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。即ち、本発明によれば、省エネルギー性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。

又、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス生成装置から排出される燃料ガスを加熱媒体として用い、その加熱媒体としての燃料ガスにより高分子電解質形燃料電池を直接的に加熱する。これにより、燃料ガスにより冷却媒体を加熱して、その加熱された冷却媒体を用いて高分子電解質形燃料電池を加熱する構成、即ち、燃料ガスにより高分子電解質形燃料電池を間接的に加熱する構成と比べて、高分子電解質形燃料電池の加熱効率が大幅に改善される。つまり、本実施の形態によれば、燃料電池システムの起動運転の時間を短縮することが可能になるので、利便性が更に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。

又、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、高分子電解質形燃料電池の各単電池を通って加熱媒体貫通流路を設けるので、高分子電解質形燃料電池を軽量化することが可能になる。これにより、燃料電池システムを軽量化することが可能になる。一方、高分子電解質形燃料電池における各単電池に加熱媒体貫通流路を設けることにより、高分子電解質形燃料電池の熱容量を低減することが可能になる。これにより、燃料電池システムの起動運転の時間を更に短縮することが可能になるので、より一層利便性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。

又、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、起動運転の際に燃料ガス生成装置から排出される燃料ガスを、触媒燃焼等させることなく、そのままの状態で、高分子電解質形燃料電池を加熱するための加熱媒体として利用する。これにより、高分子電解質形燃料電池を加熱するための構成を簡略化することができるので、燃料電池システムの構成を簡略化することが可能になる。これは、燃料電池システムのコストダウンに貢献する。

更には、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の際、高分子電解質形燃料電池の加熱媒体貫通流路が２つの経路切替器により封止される。この場合、封止された加熱媒体貫通流路が断熱手段として機能するので、保温効果及び断熱効果を得ることができる。これにより、環境温度の影響を受け難い、安定した発電動作を呈する好適な燃料電池システムを提供することが可能になる。

尚、加熱媒体貫通流路を備える高分子電解質形燃料電池は、各導電性セパレータ及び各電解質膜電極接合体に加熱媒体貫通流路を構成するための貫通孔を単に設けることで、容易に構成可能である。従って、本発明を実施するに当たって、燃料電池システムの生産性が損なわれることはない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成は、図１に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。従って、ここでは、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成に関する説明は省略する。

以下、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の内部構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図４（ａ）は、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び冷却媒体供給マニホールドと、加熱媒体流路及び冷却媒体流路と、加熱媒体排出マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。

尚、図４（ａ）では、各給排マニホールド、加熱媒体流路、及び、冷却媒体流路の配置及び構成を理解容易にするために、両端部及び中央部の単電池のみを図示している。又、図４（ａ）では、各給排マニホールド、加熱媒体流路、及び、冷却媒体流路の配置及び構成を理解容易にするために、高分子電解質形燃料電池の一部を透視していると共に、各給排マニホールド、加熱媒体流路、及び、冷却媒体流路を実線により表示している。更に、図４（ａ）では、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の特徴的な内部構成を説明するために必要となる構成要素のみを図示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。

又、図４（ｂ）は、高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１は、基本的には、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１の構成と同様の構成を備えている。しかしながら、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成は、各単電池１０が加熱媒体流路Ｐｍを備えている点と、加熱媒体貫通流路１３ａに代えて加熱媒体供給マニホールド１３ｂが構成されかつ加熱媒体排出マニホールド１４を更に備えている点で、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１の構成とは異なっている。尚、その他の点については、実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池１の構成と実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成とは同様である。

より具体的には、図４（ａ）に示すように、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１は、図２（ａ）に示す加熱媒体貫通流路１３ａに代えて加熱媒体供給マニホールド１３ｂを備えていると共に、加熱媒体流路Ｐｍと、加熱媒体排出マニホールド１４とを更に備えている。そして、加熱媒体供給マニホールド１３ｂと加熱媒体排出マニホールド１４とは、高分子電解質形燃料電池１を構成する各単電池１０が備えるＬ字状の加熱媒体流路Ｐｍを介して、相互に接続されている。つまり、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１では、加熱媒体供給マニホールド１３ｂと、加熱媒体流路Ｐｍの各々と、加熱媒体排出マニホールド１４とにより、図１に示す加熱媒体経路の一部１ｄが構成されている。

本実施の形態において、加熱媒体供給マニホールド１３ｂは、燃料ガス生成装置３から配管ａ及び経路切替器４及び配管ｂ２を介して供給される燃料ガスを、高分子電解質形燃料電池１を構成する各単電池１０の加熱媒体流路Ｐｍに分配する。一方、加熱媒体排出マニホールド１４は、高分子電解質形燃料電池１を構成する各単電池１０の加熱媒体流路Ｐｍから排出される燃料ガスを回収して、その回収した燃料ガスを高分子電解質形燃料電池１の外部へ排出する。尚、排出された燃料ガスは、配管ｃ２及び経路切替器５及び配管ｄを介して、燃料ガス生成装置３の燃焼装置（図示せず）に供給される。

又、本実施の形態では、加熱媒体排出マニホールド１４は、高分子電解質形燃料電池１における一端の単電池１０から他端の単電池１０にかけてそれらを貫通するようにして、略直線状に構成されている。又、この加熱媒体排出マニホールド１４は、所定の間隔を隔てて、一端の単電池１０から他端の単電池１０に渡り、冷却媒体排出マニホールド１２と略平行にかつその近傍に設けられている。つまり、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、加熱媒体供給マニホールド１３ｂと加熱媒体排出マニホールド１４とは、各単電池１０が備える加熱媒体流路Ｐｍの加熱媒体導入口及び加熱媒体排出口の配設位置に応じて、対角状にかつ略平行状に設けられている。

尚、図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、加熱媒体供給マニホールド１３ｂの加熱媒体導入口には配管ｂ２の一端が接続されており、加熱媒体排出マニホールド１４の加熱媒体排出口には配管ｃ２の一端が接続されている。

一方、図４（ｂ）に示すように、導電性セパレータ１０ａは、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗと、この冷却媒体流路Ｐｗの裏側に配設された図４（ｂ）では隠れている酸化剤ガス流路Ｐｏと、Ｌ字状の形状を有しかつ冷却媒体流路Ｐｗに近接する加熱媒体流路Ｐｍと、マニホールド孔Ｈｗａ１及びＨｗａ２と、マニホールド孔Ｈｏａ１及びＨｏａ２と、マニホールド孔Ｈｆａ１及びＨｆａ２と、マニホールド孔Ｈａ１及びＨａ２とを備えている。そして、この導電性セパレータ１０ａでは、加熱媒体流路Ｐｍの一端はマニホールド孔Ｈａ１に接続されており、その一方で、加熱媒体流路Ｐｍの他端はマニホールド孔Ｈａ２に接続されている。

又、電解質膜電極接合体１０ｂは、マニホールド孔Ｈｗｂ１及びＨｗｂ２、マニホールド孔Ｈｏｂ１及びＨｏｂ２、マニホールド孔Ｈｆｂ１及びＨｆｂ２に加えて、マニホールド孔Ｈｂ１及びＨｂ２を備えている。又、導電性セパレータ１０ｃは、燃料ガス流路Ｐｆと、マニホールド孔Ｈｗｃ１及びＨｗｃ２と、マニホールド孔Ｈｏｃ１及びＨｏｃ２と、マニホールド孔Ｈｆｃ１及びＨｆｃ２と、マニホールド孔Ｈｃ１及びＨｃ２とを備えている。

そして、本実施の形態では、単電池１０のマニホールド孔Ｈａ１とマニホールド孔Ｈｂ１とマニホールド孔Ｈｃ１とにより、加熱媒体供給マニホールド１３ｂの一部が構成されている。そして、単電池１０が数十個から数百個積層され、マニホールド孔Ｈａ１とマニホールド孔Ｈｂ１とマニホールド孔Ｈｃ１とからなる貫通孔の集合体が数十個から数百個連結されて、図４（ａ）に示す加熱媒体供給マニホールド１３ｂが構成されている。又、単電池１０のマニホールド孔Ｈａ２とマニホールド孔Ｈｂ２とマニホールド孔Ｈｃ２とにより、加熱媒体排出マニホールド１４の一部が構成されている。そして、単電池１０が数十個から数百個積層され、マニホールド孔Ｈａ２とマニホールド孔Ｈｂ２とマニホールド孔Ｈｃ２とからなる貫通孔の集合体が数十個から数百個連結されて、図４（ａ）に示す加熱媒体排出マニホールド１４が構成されている。

尚、図４（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る導電性セパレータ１０ａは、シールＳ２を備えている。このシールＳ２は、導電性セパレータ１０ａにおいて、マニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗ、マニホールド孔Ｈａ１，Ｈａ２及び加熱媒体流路Ｐｍを取り囲むように、かつ、マニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗと、マニホールド孔Ｈａ１，Ｈａ２及び加熱媒体流路Ｐｍとの間に渡るように、配設されている。このシールＳ２により、加熱媒体流路Ｐｍを通流する燃料ガスが冷却媒体流路Ｐｗを通流する冷却媒体に混入することが確実に防止される。ここで、本実施の形態では、シールＳ２を、マニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗ、マニホールド孔Ｈａ１，Ｈａ２及び加熱媒体流路Ｐｍを取り囲むように、かつ、マニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗと、マニホールド孔Ｈａ１，Ｈａ２及び加熱媒体流路Ｐｍとの間に渡るように配設する構成を例示しているが、このような構成に限定されることはない。例えば、シールＳ２が、マニホールド孔Ｈａ１，Ｈａ２及び加熱媒体流路Ｐｍと、マニホールド孔Ｈｗａ１，Ｈｗａ２及び冷却媒体流路Ｐｗとを別々に取り囲む構成としてもよい。

次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作について、図面を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る燃料電池システムにおいても、実施の形態１の場合と同様、燃料ガス生成装置３から高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された加熱媒体経路の一部１ｄへの燃料ガスの供給が開始されると共に、冷却媒体循環装置７と高分子電解質形燃料電池１の内部に配置された冷却媒体経路の一部１ｃとの間での冷却媒体の循環が開始されることにより、高分子電解質形燃料電池１の加熱が開始される。

具体的には、燃料ガス生成装置３から高分子電解質形燃料電池１の加熱媒体供給マニホールド１３ｂを介して各単電池１０の加熱媒体流路Ｐｍに燃料ガスが供給されることにより、高分子電解質形燃料電池１が燃料ガスにより加熱されて、高分子電解質形燃料電池１の温度が次第に上昇する。ここで、図４（ａ）に示すように、本実施の形態では、加熱媒体供給マニホールド１３ｂは、冷却媒体供給マニホールド１１の近傍に配設されている。又、加熱媒体流路Ｐｍは、冷却媒体流路Ｐｗの近傍に配設されている。従って、燃料ガス生成装置３で生成された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池１の加熱媒体供給マニホールド１３ｂ及び加熱媒体流路Ｐｍに供給されることにより、冷却媒体供給マニホールド１１に供給される冷却媒体が効果的に加熱されると共に、冷却媒体流路Ｐｗを流れる冷却媒体が効果的に加熱される。これにより、冷却媒体供給マニホールド１１を流れる冷却媒体の温度が効果的に上昇すると共に、冷却媒体流路Ｐｗを流れる冷却媒体の温度低下が効果的に防止される。このように、温度上昇しかつ保温される冷却媒体が各単電池１０の冷却媒体流路Ｐｗに供給されることにより、高分子電解質形燃料電池１の温度がより一層迅速にかつ均一に上昇する。

尚、高分子電解質形燃料電池１の温度が所定の温度に到達しかつ燃料ガス生成装置３で生成される燃料ガスの状態が発電運転に適する一酸化炭素が極低濃度にまで低減された状態となったと判定されると、制御装置８は、燃料電池システムの起動運転を終了させるよう制御する。そして、制御装置８は、燃料電池システムの発電運転を開始させる。

以上、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、各単電池の加熱媒体流路に燃料ガスを供給することができるので、高分子電解質形燃料電池の昇温時間を短縮することが可能になる。又、本実施の形態に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、各単電池の加熱媒体流路に燃料ガスを供給するので、高分子電解質形燃料電池を均一に昇温させることが可能になる。

又、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、高分子電解質形燃料電池における各単電池に加熱媒体供給マニホールド及び加熱媒体流路及び加熱媒体排出マニホールドを設けるので、高分子電解質形燃料電池をより一層軽量化することが可能になる。これにより、燃料電池システムを更に軽量化することが可能になる。一方、高分子電解質形燃料電池における各単電池に加熱媒体供給マニホールド及び加熱媒体流路及び加熱媒体排出マニホールドを設けることにより、高分子電解質形燃料電池の熱容量を更に低減することが可能になる。これにより、燃料電池システムの起動運転の時間を更に短縮することが可能になるので、より一層利便性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。

更には、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、発電運転の際、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び加熱媒体流路及び加熱媒体排出マニホールドが２つの経路切替器により封止される。この場合、封止された加熱媒体供給マニホールド及び加熱媒体流路及び加熱媒体排出マニホールドが断熱手段として機能するので、より一層優れた保温効果及び断熱効果を得ることができる。これにより、環境温度の影響を受け難い、更に安定した発電動作を呈する好適な燃料電池システムを提供することが可能になる。

尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、図２（ａ）に示す高分子電解質形燃料電池１における加熱媒体貫通流路１３ａの変形例について説明する。

図５（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池が備える加熱媒体貫通流路の第１の構成を模式的に示す正面図である。一方、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池が備える加熱媒体貫通流路の第２の構成を模式的に示す断面図である。尚、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、便宜上、１つの単電池を抜粋して示し、その単電池の一部を拡大して示している。

図５（ａ）に示すように、本実施の形態に係る第１の構成において、導電性セパレータ１０ａの貫通孔Ｈａは、実施の形態１ではその直径がＤ２である直管状の貫通孔であるのに対して、その直径がＤ１（Ｄ１＜Ｄ２；Ｄ２＝貫通孔Ｈｂの直径）である直管状の貫通孔の周囲にその直径がＤ３（Ｄ３＞Ｄ２）となるように放射状のスリットが形成された構成を備えている。換言すれば、この貫通孔Ｈａでは、実施の形態１ではその外周が直径Ｄ２の円弧状の形状を有するように構成されているのに対して、その外周が直径Ｄ１と直径Ｄ３との間でジグザグ状の形状を有するように構成されている。つまり、この第１の構成では、直径Ｄ２の貫通孔が正面視において凹部（直径Ｄ１）及び凸部（直径Ｄ３）を有するようにして、貫通孔Ｈａが構成されている。そして、図５（ａ）では図示しないが、かかる形状の貫通孔Ｈａ，貫通孔Ｈｃを備える単電池１０が複数積層されることにより、正面視において特徴的な凹凸形状を有する加熱媒体貫通流路１３ａが構成される。

一方、図５（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る第２の構成では、導電性セパレータ１０ａ及び導電性セパレータ１０ｃの貫通孔Ｈａ及び貫通孔Ｈｃは、実施の形態１では各々直径がＤ２である直管状の貫通孔であるのに対して、直径がＤ１（Ｄ１＜Ｄ２；Ｄ２＝貫通孔Ｈｂの直径）である直管状の第１の貫通孔と直径がＤ３（Ｄ３＞Ｄ２）である直管状の第２の貫通孔との複合体として構成されている。換言すれば、貫通孔Ｈａ及び貫通孔Ｈｃは、実施の形態１では各々の直径が軸方向において直径Ｄ２を維持するように構成されているのに対して、各々の直径が直径Ｄ１と直径Ｄ３との間でジグザグ状に変化するように構成されている。つまり、この第２の構成では、直径Ｄ２の貫通孔が断面視において凹部（直径Ｄ１）及び凸部（直径Ｄ３）を有するようにして、貫通孔Ｈａ及び貫通孔Ｈｃが構成されている。そして、図５（ｂ）では図示しないが、かかる形状の貫通孔Ｈａ，貫通孔Ｈｃを備える単電池１０が複数積層されることにより、断面視において特徴的な凹凸形状を有する加熱媒体貫通流路１３ａが構成される。

このように、高分子電解質形燃料電池１の加熱媒体貫通流路１３ａに凹部及び凸部を設けることで、加熱媒体貫通流路１３ａの内壁面の熱交換面積を大幅に増大させることが可能になる。これにより、加熱媒体貫通流路１３ａを通流する加熱媒体（燃料ガス）から導電性セパレータ１０ａ，導電性セパレータ１０ｃへの熱の移動効率が大幅に改善されるので、高分子電解質形燃料電池１の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで短時間で上昇させることが可能になる。

尚、本実施の形態において、加熱媒体貫通流路１３ａが備える凹部及び凸部の形状及びそれらの寸法（Ｄ１，Ｄ３）等は、高分子電解質形燃料電池１の構成（熱容量）や、加熱媒体貫通流路１３ａに供給する加熱媒体の流量、並びに、燃料電池システム１００の設置場所の環境温度等を考慮して適切に設定すればよい。又、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、図４に示す高分子電解質形燃料電池１における加熱媒体流路Ｐｍの変形例について説明する。

図６（ａ）は、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び冷却媒体供給マニホールドと、加熱媒体流路及び冷却媒体流路と、加熱媒体排出マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。一方、図６（ｂ）は、高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。尚、図６（ｂ）では、便宜上、図４（ｂ）に示すシールＳ２に相当するシールの図示を省略している。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池１は、基本的には、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成と同様の構成を備えている。しかし、本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池１の構成は、各単電池１０が加熱媒体流路Ｐｍをサーペンタイン状に備えている点で、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成とは異なっている。尚、その他の点については、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成と実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池１の構成とは同様である。

具体的に説明すると、図６（ａ）に示すように、本実施の形態に係る高分子電解質形燃料電池１は、加熱媒体供給マニホールド１３ｂと、サーペンタイン状の加熱媒体流路Ｐｍと、加熱媒体排出マニホールド１４とを備えている。そして、加熱媒体供給マニホールド１３ｂと加熱媒体排出マニホールド１４とは、サーペンタイン状の加熱媒体流路Ｐｍを介して、相互に接続されている。

一方、図６（ｂ）に示すように、導電性セパレータ１０ａは、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗと、サーペンタイン状の形状を有しかつ冷却媒体流路Ｐｗに沿って配設された加熱媒体流路Ｐｍと、マニホールド孔Ｈｗａ１及びＨｗａ２と、マニホールド孔Ｈｏａ１及びＨｏａ２と、マニホールド孔Ｈｆａ１及びＨｆａ２と、マニホールド孔Ｈａ１及びＨａ２とを備えている。そして、この導電性セパレータ１０ａでは、サーペンタイン状の加熱媒体流路Ｐｍの一端はマニホールド孔Ｈａ１に接続されており、その他端はマニホールド孔Ｈａ２に接続されている。又、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗの一端はマニホールド孔Ｈｗａ１に接続されており、その他端はマニホールド孔Ｈｗａ２に接続されている。

そして、実施の形態２の場合と同様、単電池１０のマニホールド孔Ｈａ１とマニホールド孔Ｈｂ１とマニホールド孔Ｈｃ１とにより、加熱媒体供給マニホールド１３ｂの一部が構成されている。又、単電池１０が複数積層され、マニホールド孔Ｈａ１とマニホールド孔Ｈｂ１とマニホールド孔Ｈｃ１とからなる貫通孔の集合体が複数連結されて、加熱媒体供給マニホールド１３ｂが構成されている。

又、実施の形態２の場合と同様、単電池１０のマニホールド孔Ｈａ２とマニホールド孔Ｈｂ２とマニホールド孔Ｈｃ２とにより、加熱媒体排出マニホールド１４の一部が構成されている。又、単電池１０が複数積層され、マニホールド孔Ｈａ２とマニホールド孔Ｈｂ２とマニホールド孔Ｈｃ２とからなる貫通孔の集合体が複数連結されて、加熱媒体排出マニホールド１４が構成されている。

このように、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗに沿って加熱媒体流路Ｐｍをサーペンタイン状に構成することで、導電性セパレータ１０ａにおける加熱媒体流路Ｐｍの流路長を大幅に増加させることが可能になると共に、加熱媒体流路Ｐｍと冷却媒体流路Ｐｗとをそれらの全長に渡り近接させることが可能になる。これにより、加熱媒体流路Ｐｍを通流する加熱媒体（燃料ガス）から導電性セパレータ１０ａ，導電性セパレータ１０ｃへの熱の移動効率を更に改善することが可能になると共に、加熱媒体流路Ｐｍを通流する加熱媒体から冷却媒体流路Ｐｗを通流する冷却媒体への熱の移動効率を更に改善することが可能になる。

尚、その他の点については、実施の形態２の場合と同様である。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、高分子電解質形燃料電池１の単電池１０が図４に示す加熱媒体流路Ｐｍを複数（本実施の形態では２本）備える形態について説明する。

図７（ａ）は、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び冷却媒体供給マニホールドと、加熱媒体流路及び冷却媒体流路と、加熱媒体排出マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。一方、図７（ｂ）は、高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。尚、図７（ｂ）においても、便宜上、図４（ｂ）に示すシールＳ２に相当するシールの図示を省略している。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態５に係る高分子電解質形燃料電池１も、基本的には、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成と同様の構成を備えている。しかしながら、本発明の実施の形態５に係る高分子電解質形燃料電池１の構成は、各単電池１０が各々Ｌ字状である一対の加熱媒体流路Ｐｍ１，Ｐｍ２を備えている点で、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成とは異なっている。尚、その他の点については、実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池１の構成と実施の形態５に係る高分子電解質形燃料電池１の構成とは同様である。

具体的に説明すると、図７（ａ）に示すように、本実施の形態に係る高分子電解質形燃料電池１は、一対の加熱媒体供給マニホールド１３ｂ，１３ｃと、各々Ｌ字状である一対の加熱媒体流路Ｐｍ１，Ｐｍ２と、一対の加熱媒体排出マニホールド１４ａ，１４ｂとを備えている。そして、加熱媒体供給マニホールド１３ｂと加熱媒体排出マニホールド１４ａとは、Ｌ字状の加熱媒体流路Ｐｍ１を介して、相互に接続されている。又、加熱媒体供給マニホールド１３ｃと加熱媒体排出マニホールド１４ｂとは、Ｌ字状の加熱媒体流路Ｐｍ２を介して、相互に接続されている。

一方、図７（ｂ）に示すように、導電性セパレータ１０ａは、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗと、各々Ｌ字状の形状を有しかつ冷却媒体流路Ｐｗを矩形状に取り囲むように配設された一対の加熱媒体流路Ｐｍ１，Ｐｍ２と、マニホールド孔Ｈｗａ１及びＨｗａ２と、マニホールド孔Ｈｏａ１，Ｈｏａ２，Ｈｆａ１，Ｈｆａ２と、マニホールド孔Ｈａ１及びＨａ２と、マニホールド孔Ｈｄ１及びＨｄ２とを備えている。そして、この導電性セパレータ１０ａでは、Ｌ字状の加熱媒体流路Ｐｍ１の一端はマニホールド孔Ｈａ１に接続されており、その他端はマニホールド孔Ｈａ２に接続されている。又、Ｌ字状の加熱媒体流路Ｐｍ２の一端はマニホールド孔Ｈｄ１に接続されており、その他端はマニホールド孔Ｈｄ２に接続されている。尚、実施の形態２の場合と同様、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗの一端はマニホールド孔Ｈｗａ１に接続されており、その他端はマニホールド孔Ｈｗａ２に接続されている。

そして、実施の形態２の場合と同様、単電池１０のマニホールド孔Ｈａ１とマニホールド孔Ｈｂ１とマニホールド孔Ｈｃ１とにより、加熱媒体供給マニホールド１３ｂの一部が構成されている。一方、本実施の形態では、単電池１０のマニホールド孔Ｈｄ１とマニホールド孔Ｈｅ１とマニホールド孔Ｈｆ１とにより、加熱媒体供給マニホールド１３ｃの一部が構成されている。そして、単電池１０が複数積層され、マニホールド孔Ｈａ１とマニホールド孔Ｈｂ１とマニホールド孔Ｈｃ１とからなる貫通孔の集合体が複数連結されて、加熱媒体供給マニホールド１３ｂが構成されている。又、マニホールド孔Ｈｄ１とマニホールド孔Ｈｅ１とマニホールド孔Ｈｆ１とからなる貫通孔の集合体が複数連結されて、加熱媒体供給マニホールド１３ｃが構成されている。

又、実施の形態２の場合と同様、単電池１０のマニホールド孔Ｈａ２とマニホールド孔Ｈｂ２とマニホールド孔Ｈｃ２とにより、加熱媒体排出マニホールド１４ａの一部が構成されている。一方、本実施の形態では、単電池１０のマニホールド孔Ｈｄ２とマニホールド孔Ｈｅ２とマニホールド孔Ｈｆ２とにより、加熱媒体排出マニホールド１４ｂの一部が構成されている。そして、単電池１０が複数積層され、マニホールド孔Ｈａ２とマニホールド孔Ｈｂ２とマニホールド孔Ｈｃ２とからなる貫通孔の集合体が複数連結されて、加熱媒体排出マニホールド１４ａが構成されている。又、マニホールド孔Ｈｄ２とマニホールド孔Ｈｅ２とマニホールド孔Ｈｆ２とからなる貫通孔の集合体が複数連結されて、加熱媒体排出マニホールド１４ｂが構成されている。

尚、図７（ａ）に示すように、本実施の形態では、配管ｂ２から加熱媒体供給マニホールド１３ｂ及び加熱媒体供給マニホールド１３ｃの双方に加熱媒体を供給するために、配管ｂ２の一端（高分子電解質形燃料電池１側の端）が分岐されている。又、加熱媒体排出マニホールド１４ａ及び加熱媒体排出マニホールド１４ｂの双方から配管ｃ２に加熱媒体を排出するために、配管ｃ２の一端（高分子電解質形燃料電池１側の端）が分岐されている。

このように、サーペンタイン状の冷却媒体流路Ｐｗを矩形状に取り囲むように一対の加熱媒体流路Ｐｍ１，Ｐｍ２を配設することによっても、導電性セパレータ１０ａ，１０ｃにおける加熱媒体流路の総流路長を増加等させることが可能になる。従って、かかる構成によっても、加熱媒体流路を通流する加熱媒体から導電性セパレータへの熱の移動効率を改善することができると共に、加熱媒体流路を通流する加熱媒体から冷却媒体流路を通流する冷却媒体への熱の移動効率を改善することができる。

尚、その他の点については、実施の形態２の場合と同様である。

本発明に係る燃料電池システムは、簡易でありかつ小規模な構成により起動運転中にエネルギーを浪費することなく燃料電池の温度を電気化学反応の進行に適した所定の温度にまで確実に上昇させ、発電運転の開始直後から所望の電力を確実に得ることが可能な燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。

図１は、本発明の実施の形態１〜５に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体貫通流路と冷却媒体供給マニホールドと冷却媒体流路と冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。一方、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動運転時の動作を模式的に示す流れ図である。 図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び冷却媒体供給マニホールドと、加熱媒体流路及び冷却媒体流路と、加熱媒体排出マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。一方、図４（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。 図５（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池が備える加熱媒体貫通流路の第１の構成を模式的に示す正面図である。一方、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池が備える加熱媒体貫通流路の第２の構成を模式的に示す断面図である。 図６（ａ）は、本発明の実施の形態４に係る、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び冷却媒体供給マニホールドと、加熱媒体流路及び冷却媒体流路と、加熱媒体排出マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。一方、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。 図７（ａ）は、本発明の実施の形態５に係る、高分子電解質形燃料電池における加熱媒体供給マニホールド及び冷却媒体供給マニホールドと、加熱媒体流路及び冷却媒体流路と、加熱媒体排出マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドとの配置及び構成を模式的に示す斜視図である。一方、図７（ｂ）は、本発明の実施の形態５に係る高分子電解質形燃料電池が備える単電池の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。 図８は、高分子電解質形燃料電池を備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

１ 高分子電解質形燃料電池（燃料電池）
１ａ 燃料ガス経路の一部
１ｂ 酸化剤ガス経路の一部
１ｃ 冷却媒体経路の一部
１ｄ 加熱媒体経路の一部
２ 温度検出器
３ 燃料ガス生成装置
４，５ 経路切替器
６ 酸化剤ガス供給装置
７ 冷却媒体循環装置
８ 制御装置
１０ 単電池
１０ａ 導電性セパレータ
１０ｂ 電解質膜電極接合体
１０ｃ 導電性セパレータ
１１ 冷却媒体供給マニホールド
１２ 冷却媒体排出マニホールド
１３ａ 加熱媒体貫通流路
１３ｂ，１３ｃ 加熱媒体供給マニホールド
１４ 加熱媒体排出マニホールド
１４ａ，１４ｂ 加熱媒体排出マニホールド
１０１ 高分子電解質形燃料電池
１０２ 温度検出器
１０３ 燃料ガス生成装置
１０４，１０５ 経路切替器
１０６ 酸化剤ガス供給装置
１０７ 冷却媒体循環装置
１０８ 制御装置
１０９ 迂回経路
１００，２００ 燃料電池システム
ａ 配管
ｂ１，ｂ２ 配管
ｃ１，ｃ２ 配管
ｄ〜ｈ 配管
Ｐｆ 燃料ガス流路
Ｐｍ 加熱媒体流路
Ｐｍ１ 第１の加熱媒体流路
Ｐｍ２ 第２の加熱媒体流路
Ｐｏ 酸化剤ガス流路
Ｐｗ 冷却媒体流路
Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ 貫通孔
Ｈａ１，Ｈａ２ マニホールド孔
Ｈｂ１，Ｈｂ２ マニホールド孔
Ｈｃ１，Ｈｃ２ マニホールド孔
Ｈｄ１，Ｈｄ２ マニホールド孔
Ｈｅ１，Ｈｅ２ マニホールド孔
Ｈｆ１，Ｈｆ２ マニホールド孔
Ｈｗａ１，Ｈｗａ２ マニホールド孔
Ｈｗｂ１，Ｈｗｂ２ マニホールド孔
Ｈｗｃ１，Ｈｗｃ２ マニホールド孔
Ｈｏａ１，Ｈｏａ２ マニホールド孔
Ｈｏｂ１，Ｈｏｂ２ マニホールド孔
Ｈｏｃ１，Ｈｏｃ２ マニホールド孔
Ｈｆａ１，Ｈｆａ２ マニホールド孔
Ｈｆｂ１，Ｈｆｂ２ マニホールド孔
Ｈｆｃ１，Ｈｆｃ２ マニホールド孔
Ｅ１，Ｅ２ ガス拡散電極
Ｍ 高分子電解質膜（電解質膜）
Ｓ１，Ｓ２ シール

Claims (9)

1. 原燃料及び水並びに燃焼用燃料が供給され該燃焼用燃料の燃焼熱を利用して水素を含有する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置と、
   前記燃料ガス生成装置で生成された前記燃料ガスがその燃料ガス経路に供給されかつ酸化剤ガスがその酸化剤ガス経路に供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料ガス生成装置で生成された前記燃料ガスが前記燃料ガス経路に代えて供給されその少なくとも一部が前記燃料電池を通るように形成された加熱媒体経路と、
   前記燃料ガス生成装置で生成された前記燃料ガスの供給先を前記燃料ガス経路と前記加熱媒体経路との間で切り替える経路切替器と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置が、前記燃料ガス生成装置の暖機運転時には該燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスが前記加熱媒体経路に供給された後に前記燃焼用燃料として前記燃料ガス生成装置に供給され、前記燃料ガス生成装置の暖機運転後には該燃料ガス生成装置で生成された燃料ガスが前記加熱媒体経路に代えて前記燃料ガス経路に供給された後に前記燃焼用燃料として前記燃料ガス生成装置に供給されるよう前記経路切替器を制御するように構成されている、燃料電池システム。
2. 冷却媒体が通流されその少なくとも一部が前記燃料電池を通るように形成された冷却媒体経路を更に備え、
   前記冷却媒体経路の少なくとも一部と前記加熱媒体経路の少なくとも一部とが近接している、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却媒体経路の少なくとも一部が冷却媒体供給マニホールドを備え、
   前記加熱媒体経路の少なくとも一部が加熱媒体貫通流路を備え、
   前記冷却媒体供給マニホールドと前記加熱媒体貫通流路とが並列している、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記加熱媒体貫通流路の壁部が凹部及び凸部の少なくとも何れかを備え、
   前記冷却媒体供給マニホールドと前記凹部及び凸部の少なくとも何れかを備える加熱媒体貫通流路とが並列している、請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池は電解質膜及び該電解質膜を挟む一対のガス拡散電極を有する電解質膜電極接合体と該電解質膜電極接合体を挟む一対の導電性セパレータとを備える単電池が積層されてなり、
   前記単電池は前記ガス拡散電極の外側に前記冷却媒体を通流させるマニホールド孔と前記燃料ガスを通流させる貫通孔とを備え、
   前記マニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記冷却媒体供給マニホールドが構成され、前記貫通孔が前記積層方向に連結されて前記加熱媒体貫通流路が構成されている、請求項３記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却媒体経路の少なくとも一部が冷却媒体供給マニホールドと該冷却媒体供給マニホールドに接続する冷却媒体流路と該冷却媒体流路に接続する冷却媒体排出マニホールドとを備え、
   前記加熱媒体経路の少なくとも一部が加熱媒体供給マニホールドと該加熱媒体供給マニホールドに接続する加熱媒体流路と該加熱媒体流路に接続する加熱媒体排出マニホールドとを備え、
   前記冷却媒体供給マニホールドと前記加熱媒体供給マニホールドとが並列し、前記冷却媒体流路と前記加熱媒体流路とが近接し、更に、前記冷却媒体排出マニホールドと前記加熱媒体排出マニホールドとが並列している、請求項２記載の燃料電池システム。
7. 前記冷却媒体流路及び前記加熱媒体流路がサーペンタイン状の形状を備え、
   前記サーペンタイン状の形状を備える冷却媒体流路及び加熱媒体流路がサーペンタイン状に並列している、請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記加熱媒体流路が第１の加熱媒体流路と第２の加熱媒体流路とを備え、
   前記冷却媒体流路が前記第１の加熱媒体流路と前記第２の加熱媒体流路とにより包囲されている、請求項６記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池は電解質膜及び該電解質膜を挟む一対のガス拡散電極を有する電解質膜電極接合体と該電解質膜電極接合体を挟む一対の導電性セパレータとを備える単電池が積層されてなり、
   前記単電池は前記ガス拡散電極の外側に前記冷却媒体を通流させる第１のマニホールド孔と前記燃料ガスを通流させる第２のマニホールド孔と前記冷却媒体を更に通流させる第３のマニホールド孔と前記燃料ガスを更に通流させる第４のマニホールド孔とを備え、
   前記第１のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記冷却媒体供給マニホールドが構成され、前記第２のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記加熱媒体供給マニホールドが構成され、更に、前記第３のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記冷却媒体排出マニホールドが構成され、前記第４のマニホールド孔が前記積層方向に連結されて前記加熱媒体排出マニホールドが構成されている、請求項６記載の燃料電池システム。

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