燃料電池システム及びその運転方法
【課題】別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる燃料電池システム及びその運転方法の提供。
【解決手段】燃料電池システムの運転方法は、非発電状態のときに、少なくとも酸化剤極へ改質ガスを供給し、電解質膜を加湿するステップＳ１０と、燃料極よりも酸化剤極が高電位となるように電圧を印加し、酸化剤極側の改質ガス中の水素を、電解質膜を介して燃料極へ移動させるステップＳ２０と、電圧の印加後に酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するステップＳ３０と、を備える。
【解決手段】燃料電池システムの運転方法は、非発電状態のときに、少なくとも酸化剤極へ改質ガスを供給し、電解質膜を加湿するステップＳ１０と、燃料極よりも酸化剤極が高電位となるように電圧を印加し、酸化剤極側の改質ガス中の水素を、電解質膜を介して燃料極へ移動させるステップＳ２０と、電圧の印加後に酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するステップＳ３０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものであり、特に、起動時に燃料電池を加湿するための運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般的には原料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとを用い、電気化学的な反応により電気を発生させるものである。この種の燃料電池システムは、発電効率が高く、しかも、排出ガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ない。そのため、近年では、発電用電源や低公害の自動車用電源など、種々の用途への利用が期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムの場合、一般に、プロトン導電性のある高分子電解質膜を備えており、該高分子電解質膜の両主面に対向するようにして、一対の電極を成す燃料極と酸化剤極とが高分子電解質膜を挟んで設けられる。このようにして、高分子電解質膜とこれを挟む一対の電極とによって電極接合体が構成され、該電極接合体をセパレータで挟持して成る単セルが、燃料電池における最小の発電単位となっている。
【０００４】
燃料電池システムを発電運転する際には、燃料極へは改質ガス（例えば、水素含有ガス）を供給し、酸化剤極へは酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。すると、燃料極に担持された触媒により、改質ガスが電子及びプロトン（水素イオン）へと変換される。このうち電子は、燃料極から外部へ取り出されて電流となり、外部負荷を経由して再び酸化剤極へ到達する。また、プロトンは、燃料極から高分子電解質膜を通過して酸化剤極へ到達し、上記のように外部負荷を経由して同じく酸化剤極へ到達した電子と反応し、水が生成される。
【０００５】
ところで、上記のような燃料電池システムでは、燃料極から酸化剤極への高分子電解質膜を介したプロトンの伝導度を向上させるために、高分子電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。そのため、加湿された改質ガスを燃料極へ供給すると共に、加湿された酸化剤ガスを酸化剤極へ供給することにより、高分子電解質膜を加湿している。このように改質ガス及び酸化剤ガスを加湿するため、加湿器が備えられている。一般的にこの加湿器は、燃料電池から排出される改質ガスのオフガスと酸化剤ガスのオフガスとを反応させて水を生成し、この水を、各電極へ供給される改質ガス及び酸化剤ガスへ供給する。
【０００６】
しかしながら、このような加湿器の設置は、燃料電池システムの大型化及び製造コストの上昇を招いてしまい、好ましくない。
【０００７】
一方、燃料電池システムにおいて加湿器を備えない場合、起動時に高分子電解質膜を加湿することが困難であり、非常に乾燥した状態で発電運転を開始しなければならない。この場合、低加湿に起因して高分子電解質膜のプロトンの伝導度が低くなるだけでなく、高分子電解質膜の機械劣化及び化学劣化が進行する可能性もある。即ち、上述したように発電時には酸化剤極にて水が生成されるため、高分子電解質膜は、乾燥した状態から急激に加湿状態へと変化する。すると、運転及び停止を繰り返すたび、高分子電解質膜は膨潤と乾燥による収縮とが繰り返されるため、機械劣化の進行が早まる可能性がある。また、低湿度状態ではヒドロキシラジカルの生成が促進されるため、これによる高分子電解質膜の分解といった化学劣化が生じる可能性もある。
【０００８】
上記のような事情を鑑みて、様々のシステム構成が提案されている（特許文献１〜４参照）。このうち特許文献１に記載されたシステムでは、起動時に、加湿した原料ガスを用いて燃料電池を加湿する構成を採用している。より具体的には、水蒸気で加湿した原料ガスを、低温状態の改質器を通過させて燃料電池へ供給している。そして、所定量の加湿原料ガスを供給した時点で改質器を昇温することで、原料ガスを改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池へ供給するようにしている。
【０００９】
特許文献２に記載されたシステムの場合は、停止時に加湿された改質ガスを酸化剤極に封入し、起動時にはこの改質ガスを不活性ガスである原料ガスに置換することとしている。これにより、停止中の電解質膜の乾燥を抑制しつつ、起動時には、改質ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが直接的に接触して燃焼が起きるのを防止できるようになっている。
【００１０】
また、この他にも、システムの停止時に水を電気分解して生成した水素（パージ用ガス）により酸化剤極を満たすという技術思想（特許文献３）や、システムの停止中に燃料極から電解質膜を介して酸化剤極へ透過した水素を除去するために、起動時に、燃料極に対して酸化剤極が正となるように電圧を印加するという技術思想（特許文献４）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２０９３６２号公報
【特許文献２】特開２００３−９３１１５号公報
【特許文献３】特開２００２−９３４４８号公報
【特許文献４】特開２００９−１７０３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１のシステムの場合、結果的に加湿器を必要とするものであると共に、低温の原料ガスを加湿するものであるため、原料ガスの含水量を高めることが困難であって、加湿効率を十分に高めることができないと考えられる。
【００１３】
また、特許文献２のシステムの場合は、停止中は加湿された改質ガスを封入しているものの、起動時には乾燥した原料ガスが導入されるため、発電開始時に電解質膜が低加湿状態になってしまう。
【００１４】
一方、特許文献３に記載されたシステムは、電解質膜を加湿するための技術思想を開示するものではない。しかも、発電開始の時点で供給される酸化剤ガスが、酸化剤極に残存するパージ用ガスである水素と反応して燃焼が生じ、触媒を劣化させる可能性がある。また、特許文献４のシステムも同様に、電解質膜を加湿するための技術思想を開示するものではない。そして、このシステムの場合は、電圧を印加して酸化剤極の水素を除去する際に、酸化剤極に生じる負圧によって、酸化剤極へ外部の空気が浸入してくる可能性がある。
【００１５】
本発明は上述したような事情を鑑みてなされたものであり、別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、電解質膜を挟んで位置する燃料極及び酸化剤極のうち、燃料極へ水素含有の改質ガスを供給し、且つ酸化剤極へ酸化剤ガスを供給することにより、発電を行う燃料電池システムの運転方法であって、非発電状態のときに、少なくとも前記酸化剤極へ改質ガスを供給して前記電解質膜を加湿し、前記燃料極よりも前記酸化剤極が高電位となるように電圧を印加し、前記酸化剤極側の改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記燃料極へ移動させ、前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始する。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、並びに、前記燃料極及び前記酸化剤極間に挟まれた電解質膜、を有する燃料電池スタックと、前記燃料極に連通して改質ガスを通す改質ガスラインと、前記酸化剤極に連通して酸化剤ガスを通す酸化剤ガスラインと、前記酸化剤極に連通して改質ガスを通す改質ガス分配ラインと、前記燃料極及び前記酸化剤極間に電圧を印加する電圧印加装置と、非発電状態のときに、前記改質ガス分配ラインを通じて改質ガスを前記酸化剤極へ供給して前記電解質膜を加湿し、前記電圧印加装置により、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるように電圧を印加して、改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記酸化剤極側から前記燃料極側へ移動させ、前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するように制御する制御装置と、を備える。
【００１８】
このような構成とすることにより、酸化剤極へ加湿ガスを供給するための専用の加湿器を設けなくても、水蒸気改質により加湿された改質ガスを酸化剤極へ供給することで、酸化剤極側から電解質膜を加湿することができる。また、酸化剤極へ供給した改質ガス中の水素は、印加電圧により、電解質膜を介して燃料極へと移動させる。従って、発電開始時に酸化剤極へ供給する酸化剤ガス中の酸素と残留水素とが燃焼して触媒が劣化するのを防止することができる。
【００１９】
また、前記制御装置は、前記酸化剤極内のガス圧に応じて、前記改質ガス分配ラインを通じた前記酸化剤極への改質ガスの供給と、前記電圧印加装置による電圧の印加とを制御するように構成されていてもよい。
【００２０】
また、前記制御装置は、改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、電圧印加後、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合には、電圧印加を中断すると共に前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ改質ガスを補充するよう構成されていてもよい。
【００２１】
また、前記制御装置は、前記ガス圧が前記第１閾値以上であることを検知した場合の電圧印加と、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合の改質ガスの補充とを、繰り返し実行するよう構成されていてもよい。
【００２２】
また、前記制御装置は、電圧印加後、前記ガス圧が前記第２閾値以上である状態が所定時間継続した場合に、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されていてもよい。
【００２３】
また、前記制御装置は、改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、電圧印加後、前記酸化剤極内のＣＯ２濃度が所定値以上になった場合に、電圧印加を終了すると共に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されていてもよい。
【００２４】
また、前記制御装置は、前記酸化剤極への改質ガスの供給を、供給開始から所定時間を経過するまで、又は、前記電解質膜の電気抵抗が所定値以下になるまで継続するように構成されていてもよい。
【００２５】
また、前記改質ガスラインは、前記燃料極を経ずに該燃料極の上流位置と下流位置とを接続するバイパスラインを有し、前記制御装置は、前記改質器内が所定温度未満の場合には、改質ガスを前記燃料極へ通さず、前記バイパスラインを通じて前記改質器が有する加熱器へ供給し、前記改質器内が所定温度以上の場合には、改質ガスを前記燃料極へ供給して前記電解質膜を加湿するように構成されていてもよい。
【００２６】
また、前記制御装置は、前記改質器内の温度にかかわらず、改質ガスを、前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ供給するように構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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示す模式的なブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転方法を示す他のフローチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転方法を示す更に他のフローチャートである。
【図５】図５は、実施の形態２に係る燃料電池システムの他の運転方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、実施の形態２に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式的なブロック図である。
【図８】図８は、実施の形態３に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す模式的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の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ついて、図面を参照しつつ説明する。なお、燃料電池システムは、水素を含む改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電するものであれば特に限定されないが、頻繁に起動及び停止できるもの（例えば、高分子電解質形燃料電池）に対して、本発明を好適に適用することができる。
【００３０】
また、燃料電池システムの運転態様としては、定格電位を出力可能な発電状態、全ての機能が停止状態にある停止状態、該停止状態から発電状態へ移行する起動状態、及び発電運転状態から待機状態へ移行させる停止移行状態があり、以下では各状態を区別する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの構成を示す模式的なブロック図である。図１に示すように、この燃料電池システム１Ａは、水素を含む改質ガスが供給される燃料極（アノード）３と、酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極（カソード）４と、これら燃料極３及び酸化剤極４の間に挟まれた電解質膜５とを有する燃料電池スタック２を備えている。
【００３２】
このうち電解質膜５には、イオン導電性を有する高分子膜が用いるが、その種類は特に限定されない。また、燃料極３及び酸化剤極４の夫々は、例えば、白金等の貴金属をカーボン粒子に担持させた触媒を含む触媒層と、カーボンクロス等のガスが拡散可能な多孔質材料から成る拡散層との二層により構成されている。そして、このような電解質膜５を燃料極３及び酸化剤極４で挟み込んだ電極接合体を、更にセパレータにより外側から挟み込むことで、上記燃料電池スタック２が構成されている。
【００３３】
また、燃料電池システム１Ａは、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器７、該改質器７へ原料ガスを供給する原料供給器８、及び、改質器７へ改質水を供給する改質水供給器９を備えている。
【００３４】
改質器７は、改質触媒等を収容する反応容器（図示せず）と、この反応容器を加熱する加熱器７ａとを備えている。反応容器は、例えば、改質部、変成部、及びＣＯ除去部を含んで構成される。このうち改質部は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。変成部は、改質部にて生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。ＣＯ除去部は、変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに低減するように処理する。一方、加熱器７ａは、例えば、改質ガスのオフガス又は原料ガス等の燃焼用ガスと空気とを燃焼反応させるバーナ（burner）により構成することができる。なお、この加熱器７ａでは、燃料電池スタック２で発電された電力により、着火及び空気の供給等の処理が行われるようになっている。
【００３５】
このような構成の改質器７には、原料供給器８から原料ガスラインＬ１を介して原料ガスが供給され、改質水供給器９から改質水ラインＬ２を介して改質水が供給される。また、原料ガスラインＬ１及び改質水ラインＬ２の夫々には、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が設けられており、原料ガス及び改質水の供給量を調整可能になっている。
【００３６】
原料供給器８は、例えば都市ガスインフラ等の原料供給源に接続されており、制御装置１１からの制御信号による開閉弁Ｖ１の駆動により、原料供給量が調整されながら原料を供給する。また、改質水供給器９は、例えば市水や回収水等を水源とし、制御装置１１からの制御信号による開閉弁Ｖ２の駆動により、給水量が調整されながら水を供給する。なお、原料供給器８から供給する原料ガスとしては、水蒸気改質により水素含有ガスを生成できるものであればよく、例えば、メタン、エタン、プロパン、又はブタン等を含む天然ガスや、ＬＰガスを採用できる。
【００３７】
改質器７は、原料供給器８からの原料ガスと改質水供給器９からの改質水とを用い、水蒸気改質反応により、水素含有ガスから成る改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、改質ガスラインＬ３を介して送出される。なお、開閉弁Ｖ１により原料ガスの供給量を調整することにより、改質器７での改質ガスの生成量を適宜調整することができ、開閉弁Ｖ２により改質水の供給量を調整することにより、改質ガスの加湿度を適宜調整することができる。
【００３８】
改質ガスラインＬ３は、改質器７から燃料電池スタック２の燃料極３の入口へ至り、更に燃料極３の出口から改質器７の加熱器７ａへ至る経路として構成されている。従って、改質器７から送出された改質ガスは燃料極３へ送られ、そこで一部の水素が発電のための反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）に使用される。その結果、生成された電子（電流）は図示しない外部負荷へ送られ、発電反応に使用されなかった改質ガス（オフガス）は、改質ガスラインＬ３を介して改質器７の加熱器７ａへ供給される。
【００３９】
また、改質ガスラインＬ３における燃料極３の入口上流位置には、開閉弁Ｖ３が設けられている。従って、開閉弁Ｖ３の開度を調整することにより、改質ガスの燃料極３への供給量を適宜調整することができる。
【００４０】
酸化剤極４には酸化剤ガスラインＬ４が接続されている。より具体的に説明すると、酸化剤ガスラインＬ４は、大気開放された上流端から酸化剤極４の入口へ至り、更に酸化剤極４の出口から下流端へと延びている。この酸化剤ガスラインＬ４における、酸化剤極４の上流位置と下流位置との夫々には、三方弁Ｖ４，Ｖ５が設けられている。更に、酸化剤ガスラインＬ４の上流端から三方弁Ｖ４へ至る経路の途中にはブロワ１３が設けられている。
【００４１】
従って、ブロワ１３を駆動し、三方弁Ｖ４，Ｖ５を介して酸化剤ガスラインＬ４に酸化剤ガスとしての空気を通流させることにより、酸化剤極４へ酸化剤ガスを供給することができる。酸化剤極４へ供給された酸化剤ガスは、その一部が発電のための反応（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）に使用される。そして、この発電反応に使用されなかった酸化剤ガス（オフガス）は、酸化剤ガスラインＬ４の下流端から本システム１Ａの外部へ排出される。
【００４２】
また、上述した改質ガスラインＬ３には、その上流端（改質器７との接続箇所）から開閉弁Ｖ３へ至る経路の途中に分岐点が設けられ、該分岐点と上記三方弁Ｖ４の残り１ポートとの間は改質ガス分配ラインＬ５によって接続されている。更に、改質ガスラインＬ３には、燃料極３の出口から下流端８（加熱器７ａとの接続箇所）へ至る経路の途中に分岐点（合流点）が設けられ、該分岐点と上記三方弁Ｖ５の残り１ポートとの間は改質ガス回収ラインＬ６によって接続されている。
【００４３】
従って、三方弁Ｖ４，Ｖ５のポート間の接続態様を適宜調整することにより、酸化剤極４に対し、ブロワ１３を介した酸化剤ガスの供給、及び、改質ガス分配ラインＬ５を介した改質ガスの供給を、択一的に行うことができる。また、酸化剤極４へ改質ガスを供給した場合には、そのオフガスを、改質ガス回収ラインＬ６を介して加熱器７ａへ戻すことができる。
【００４４】
なお、図１では各ラインＬ３〜Ｌ６を区別しやすいように、各ラインを示すのに太線と細線とを用いている（後述の図５，７，９も同じ）。具体的には、通常の発電時に使用されるライン、即ち、発電時に改質ガスが通流する改質ガスラインＬ３と、酸化剤ガスが通流する酸化剤ガスラインＬ４とを太い実線で示している。そして、その他のライン（本実施の形態１では、改質ガス分配ラインＬ５及び改質ガス回収ラインＬ６）は細い実線で示している。
【００４５】
本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、上述した構成に加えて更に、電解質膜５の電気抵抗を測定する抵抗測定器２０、酸化剤極４内のガス圧を測定するガス圧測定器２１、燃料極３及び酸化剤極４の間に電圧を印加する電圧印加装置２２、及び、計時手段３０ａを機能の１つとして有する制御装置３０を備えている。
【００４６】
抵抗測定器２０は、電気抵抗を測定することのできる公知のセンサであり、電解質膜５の両主面（燃料極３に接する主面、及び酸化剤極４に接する主面）間の抵抗値を、本システム１Ａの状態（起動状態、発電状態等）に拘わらず、直接的に又は間接的に測定できるようになっている。また、この測定値は、制御装置３０へ送信される。
【００４７】
ガス圧測定器２１は、標準大気圧の前後数ｋＰａ（例えば９５〜１００ｋＰａ）を測定範囲に含む、気体の静圧を測定することのできるものであればよく、その測定値は、制御装置３０へ送信される。また、ガス圧測定器２１は、酸化剤極４内のガス圧を直接的に測定するようにしてもよいが、酸化剤ガスラインＬ４における酸化剤極４の上流近傍位置を通流するガス圧を測定することで、酸化剤極４内のガス圧を間接的に測定するようにしてもよい。
【００４８】
電圧印加装置２２は、燃料極３に対して酸化剤極４が高電位となるように所定の電圧を印加するものであり、少なくとも１ボルト程度の電圧を印加できる構成であればよい。
【００４９】
制御装置３０は、ＣＰＵ等のプロセッサを用いて構成することができ、機能の１つとして、経過時間を測定する計測手段３０ａを備えている。また、制御装置３０は、上述した各弁Ｖ１〜Ｖ５の開度調整、加熱器７ａの着火、ブロワ１３及び電圧印加装置２２の動作等を制御し、抵抗測定器２０及びガス圧測定器２１の測定値を受信することができる。
【００５０】
［運転方法１］
次に、上記燃料電池システム１Ａの運転方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの運転方法を示すフローチャートである。なお、このフローチャートに示す処理の実行は、燃料電池システム１Ａが非発電状態にあるときに、制御装置３０が各部を制御することによって開始される。
【００５１】
図２に示すように、非発電状態にある燃料電池システム１Ａは、改質器７で生成した改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給し、これらを電解質膜５と共に加湿する（ステップＳ１０）。具体的には、開閉弁Ｖ３を開放する一方、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して改質ガス分配ラインＬ５から酸化剤ガスラインＬ４を経て改質ガス回収ラインＬ６へ至る経路を連通させる。これにより、改質器７からの改質ガスを、燃料極３及び酸化剤極４へ供給できるため、加湿された改質ガスによって各極３，４及び電解質膜５を加湿することができる。
【００５２】
続いて、電圧印加装置２２を駆動して、燃料極３よりも酸化剤極４の方が高電位となるように所定の電圧を印加する（ステップＳ２０）。これにより、酸化剤極４内の改質ガスに含まれる水素（より正確には、酸化剤極４でプロトンになった水素イオン）を、電解質膜５を介して燃料極３側へ移動させる。なお、電圧を印加する際には、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作することにより、酸化剤極４を封止して改質ガスが供給されないようにしておく。
【００５３】
このようにして酸化剤極４内の水素を燃料極３へ移動させた後、酸化剤極４への改質ガスの供給を終了し、これに換えて酸化剤ガスを酸化剤極４へ供給する（ステップＳ３０）。具体的には、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作し、酸化剤ガスラインＬ４と改質ガス分配ラインＬ５及び改質ガス回収ラインＬ６との間を遮断すると共に、酸化剤ガスラインＬ４の上流端から下流端までを連通状態とする。そして、ブロワ１３を駆動して酸化剤ガスラインＬ４へ酸化剤ガスを通流させる。これにより、燃料極３へは改質ガスが供給され、酸化剤極４へは酸化剤ガスが供給されるため、発電が開始される。
【００５４】
以上に説明したような運転方法によれば、加湿された改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４の夫々へ直接供給するため、効率的に各極３，４及び電解質膜５を加湿することができる。また、酸化剤極４へ供給された改質ガス中には水素が含まれるが、電圧を印加することにより、発電前に燃料極３側へ移動させるため、発電開始時に供給される酸化剤ガス中の酸素と燃焼するのを防止することができる。
【００５５】
［運転方法２］
ここでは、燃料電池システム１Ａのより詳細な運転方法について説明する。図３は、実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの他の運転方法を示すフローチャートである。なお、図３に示す処理において、図２を用いて説明した処理と同様の内容のものには同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
図３に示すように、非発電状態にある燃料電池システム１Ａは、改質器７で生成した改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給し、これらを電解質膜５と共に加湿する（ステップＳ１０）。次に、制御装置３０は、酸化剤極４のガス圧が所定の第１閾値ＰＨ（例えば、１００ｋＰａ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。即ち、制御装置３０は、ガス圧測定器２１から受信した測定値に基づき、この判断を行う。その結果、酸化剤極４のガス圧がＰＨ未満であれば（ステップＳ１２：ＮＯ）、改質ガスの供給を継続する。
【００５７】
一方、酸化剤極４のガス圧がＰＨ以上であると判断すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して酸化剤極４を封止すると共に、電圧印加装置２２を駆動し、燃料極３よりも酸化剤極４の方が高電位となるように所定の電圧を印加する（ステップＳ２０）。これにより、酸化剤極４内の水素を、電解質膜５を介して燃料極３へ移動させる。また、この際、水素の移動に伴って、封止された酸化剤極４内の圧力は低下していく。
【００５８】
続いて制御装置３０は、ガス圧測定器２１から受信した測定値に基づき、酸化剤極４内のガス圧が所定の第２閾値ＰＬ（例えば、９５ｋＰａ）以上の状態が所定時間（例えば、１０秒間）以上継続したか否かを判断する（ステップＳ２１）。そして、ガス圧がＰＬ以上である状態の継続時間が所定時間未満であったと判断した場合は（ステップＳ２１：ＮＯ）、再びステップＳ１０からの処理を繰り返す。即ち、この場合は酸化剤極４内が第２閾値ＰＬ未満の負圧の状態であり、この状態のときには改質ガスの供給と、電圧印加による水素の移動とを再度実行する。
【００５９】
一方、ガス圧がＰＬ以上である状態の継続時間が所定時間以上になったと判断した場合は（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、電圧の印加を停止した上で、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作しブロワ１３を駆動して酸化剤ガスを酸化剤極４へ供給し（ステップＳ３０）、発電を開始する。
【００６０】
以上に説明したような運転方法によれば、上記運転方法１の場合と同様に、各極３，４及び電解質膜５の効率的な加湿と、発電開始時における燃焼の防止とを実現することができる。また、これに加えて、発電開始前の酸化剤極４を所定のガス圧の不活性ガスによって満たすことができる。即ち、電圧の印加によって酸化剤極４内の改質ガスに含まれる水素のみを燃料極３へ移動させるため、酸化剤極４内には、改質ガスに含まれる他の成分である不活性ガス（ＣＯ２）が残留する。そして、上記ステップＳ１０からステップＳ２１までの処理を繰り返すことにより、酸化剤極４内を高密度の不活性ガスで満たすことができる。その結果、発電開始時の燃焼をより確実に防止することができる。
【００６１】
［運転方法３］
ここでは、燃料電池システム１Ａのより詳細な運転方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの更に他の運転方法を示すフローチャートである。なお、図４に示す処理において、図２又は図３を用いて説明した処理と同様の内容のものには同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
図４に示すように、この運転方法では、図３に示したステップＳ１０の処理とステップＳ１２の処理との間にステップＳ１１に示す処理を実行する。具体的には、改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給しはじめた後に、制御装置３０は、抵抗測定器２０から受信した測定値に基づいて電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒ以下になったか否かを判断する（ステップＳ１１）。即ち、改質ガスの供給によって電解質膜５が加湿されるにつれ、電解質膜５の電気抵抗値は低下するため、この電気抵抗値が発電開始に適した所定値Ｒ以下に到達したか否かを判断する。
【００６３】
そして、電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒより大きいと判断した場合は（ステップＳ１１：ＮＯ）、改質ガスの供給により引き続き低下する電気抵抗値を測定し、同様の判断を繰り返す。一方、電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒ以下と判断した場合は（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、上記運転方法２で既に説明したのと同様にして、ステップＳ１２以降の処理を実行する。
【００６４】
以上に説明した運転方法によれば、上記運転方法１，２の場合と同様の作用効果を奏することができるのに加え、発電開始時（ステップＳ３０）の電解質膜５を、確実に発電開始に適した電気抵抗値とすることができる。
【００６５】
なお、図４のステップＳ１１に示すように、ステップＳ１２へ以降するタイミングを測る判断基準を、電解質膜５の電気抵抗値に換えて、酸化剤極４への改質ガスの供給開始時点からの経過時間に基づいて判断するようにしてもよい。この場合は、酸化剤極４への改質ガスの供給時間として、実質的に電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒ以下となるのに必要な所定時間を設定しておき、この所定時間を経過したか否かに基づき、ステップＳ１２へ以降するタイミングを判断するようにすればよい。
【００６６】
更に、電解質膜５の電気抵抗値と電解質膜５の湿度との間には相関関係がある。従って、ステップＳ１１での判断基準を、電解質膜５の電気抵抗値に替えて露点にしてもよい。この場合、例えば改質ガスラインＬ３における燃料電池スタック２の下流位置に露点計（図示せず）を設けておき、露点計の測定値を制御装置３０へ送信するようにしておく。そして、制御装置３０が、露点計から受信した測定値
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂの構成を示す模式的なブロック図である。以下、本実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂについて、上述した燃料電池システム１Ａと同様の構成部分については同一符号を付してその詳細説明は省略し、異なる構成について主に説明する。
【００６７】
図５に示す燃料電池システム１Ｂは、既に説明した燃料電池システム１Ａに対して、酸化剤極４内の二酸化炭素濃度を測定することのできるＣＯ２濃度測定器２３を更に備えた構成になっている。このＣＯ２濃度測定器２３は、例えばＣＯ２ガスによる赤外線の減衰量から濃度を測定するものなど、公知の原理を用いた測定器を採用することができる。また、測定値は制御装置３０へ送信されるようになっている。
【００６８】
［運転方法４］
次に、燃料電池システム１Ｂの運転方法について説明する。図６は、実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂの運転方法を示すフローチャートである。なお、図６を見れば分かるように、この運転方法で実行する処理は、図４に示した運転方法３で実行する処理のうち、ステップＳ２１の処理をステップＳ２２に示す処理に置き換えたものとなっている。従って以下では、図６に示す処理において、図４を用いて説明した処理と同様の内容のものには同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６９】
図６に示す運転方法の場合、制御装置３０は、図４に示した処理と同様に、改質ガスの各極３，４への供給による加湿（ステップＳ１０）、電解質膜５の電気抵抗値に基づく判定処理（ステップＳ１１）、酸化剤極４のガス圧に基づく判定処理（ステップＳ１２）を行う。そして、酸化剤極４のガス圧がＰＨ以上であれば、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して酸化剤極４を封止した状態で各極３，４間に電圧を印加する（ステップＳ２０）。
【００７０】
制御装置３０は、電圧印加を開始した後、ＣＯ２濃度測定器２３から受信した測定値に基づき、ＣＯ２濃度が所定値Ｄ以上になったか否かを判断する（ステップＳ２２）。即ち、各極３，４間に電圧を印加することにより、酸化剤極４内の水素が燃料極３へ移動するため、酸化剤極４内の改質ガス中のＣＯ２濃度が次第に高くなっていく。従って、制御装置３０は、この高くなっていくＣＯ２濃度が所定値Ｄ以上になったか否かを継続的に判断する。その結果、ＣＯ２濃度が所定値Ｄ以上になると（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、電圧の印加を停止した上で、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作しブロワ１３を駆動して酸化剤ガスを酸化剤極４へ供給し（ステップＳ３０）、発電を開始する。
【００７１】
以上に説明したような運転方法によれば、上記運転方法３の場合と同様に、各極３，４及び電解質膜５の効率的な加湿と、発電開始時における燃焼の防止とを実現することができる。また、発電開始前の酸化剤極４を不活性ガスで満たし、発電開始時に供給される酸化ガスと残留水素との燃焼反応を防止することができる。特に、本運転方法４では、酸化剤極４内の不活性ガスである残留ＣＯ２濃度を測定することにより、上記燃焼反応をより確実に防止することができる。
【００７２】
なお、この運転方法４を実行するに際し、図４のステップＳ２１の処理を組み合わせることとしてもよい。例えば、各極３，４間へ電圧印加を開始（ステップＳ２０）した後、酸化剤極４のガス圧がＰＬ以上の状態が所定時間以上継続したか否かを判定する（図４のステップＳ２１参照）。ここで判定結果が「ＮＯ」であればステップＳ１０からの処理を繰り返し、「ＹＥＳ」であればＣＯ２濃度に基づく判定処理（ステップＳ２２）を実行するようにしてもよい。
【００７３】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃの構成を示す模式的なブロック図である。以下、本実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃについて、上述した燃料電池システム１Ａ，１Ｂと同様の構成部分については同一符号を付してその詳細説明は省略し、異なる構成について主に説明する。
【００７４】
図７に示す燃料電池システム１Ｃは、既に説明した燃料電池システム１Ｂに対して、改質ガスラインＬ３に燃料極３を迂回して改質ガスを通流させる改質ガスバイパスラインＬ７を設けた構成になっている。より具体的には、改質ガスラインＬ３と改質ガス分配ラインＬ５との分岐点から燃料極３の入口へ至る間に、図１に示す開閉弁Ｖ３に替えて三方弁Ｖ６が設けられている。また、燃料極３の出口から、改質ガスラインＬ３と改質ガス回収ラインＬ６との分岐点（合流点）へ至る間には、別の三方弁Ｖ７が設けられている。このように、燃料極３の上流位置と下流位置との夫々に三方弁Ｖ６，Ｖ７が設けられており、これら三方弁Ｖ６，Ｖ７を接続するように改質ガスバイパスラインＬ７が設けられている。
【００７５】
従って、三方弁Ｖ６，Ｖ７の連通方向を調整することにより、改質ガスを燃料極３へ供給する状態と、改質ガスを燃料極３へ供給せずに改質ガスバイパスラインＬ７を介して加熱器７ａへ供給する状態とで、切り換えることができる。
【００７６】
更に、図７の燃料電池システム１Ｃは、改質器７（正確には、その反応容器）の温度を測定する温度測定器２４を備えている。この温度測定器２４は、燃料電池システム１Ｃの状態に拘わらず改質器７の温度を測定することができ、その測定値は制御装置３０へ送られるようになっている。
【００７７】
次に、燃料電池システム１Ｃの運転方法について説明する。この運転方法は、基本的には既に説明した運転方法１〜４（図２，３，４，６参照）の何れかと同じであるが、各運転方法に含まれるステップＳ１０の加湿処理について、その詳細例を開示するものである。図８は、実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃの運転方法を示すフローチャートであり、（ａ）は、運転方法１〜４にて実行するステップＳ１０の処理例の詳細を、（ｂ）は別の処理例の詳細を示している。
【００７８】
［運転方法５］
まず、図８（ａ）に示す加湿処理について説明する。ここでは、はじめに制御装置３０が三方弁Ｖ６，Ｖ７及び三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して、改質器７と燃料極３及び酸化剤極４との間を遮断する（ステップＳ１０−１）。即ち、三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して、改質ガスラインＬ３を改質ガスバイパスラインＬ７に連通させことにより、燃料極３を封止して改質器７から遮断する。また、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して、改質ガス分配ラインＬ５及び酸化剤ガスラインＬ４間を遮断すると共に、改質ガス回収ラインＬ６及び酸化剤ガスラインＬ４間を遮断することにより、酸化剤極４を改質器７から遮断する。
【００７９】
この状態で改質器７を作動する（ステップＳ１０−２）。即ち、加熱器７ａを着火すると共に、原料供給器８及び改質水供給器９から原料ガス及び水を改質器７へ供給する。これにより、改質器７が低温の状態のときに生成した改質ガスは、燃料極３及び酸化剤極４へ供給されず、加熱器７ａへ供給される。低温の改質器７で生成される改質ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）が高濃度で含まれるため、上記のようにすることにより、ＣＯによる各極３，４の触媒が被毒するのを防止することができる。一方、改質器７を継続的に運転することにより、改質器７の温度は次第に上昇し、改質ガス中のＣＯの濃度は低くなっていく。
【００８０】
次に、制御装置３０は、温度測定器２４から受信した測定値に基づいて、改質器７の改質部が所定温度（例えば、５００度）以上になったか否かを判断する（ステップＳ１０−３）。なお、この所定温度としては、改質器７で生成される改質ガス中に含まれるＣＯ濃度が、燃料電池スタック２の触媒被毒の観点で支障がない程度となる温度を適宜設定することができる。そして、そのようなＣＯ濃度としては、一例として２０ｐｐｍ以下の値を採用することができる。
【００８１】
改質器７が所定温度未満であると判断した場合（ステップＳ１０−３：ＮＯ）はこの判断処理を繰り返し実行し、所定温度以上になったと判断した場合（ステップＳ１０−３：ＹＥＳ）は、改質器７と燃料極３及び酸化剤極４との間を開放し、改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給する（ステップＳ１０−４）。これにより、燃料電池スタック２の加湿が開始される。
【００８２】
即ち、制御装置３０は、三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して改質ガスバイパスラインＬ７を遮断し、改質ガスが改質ガスラインＬ３を通じて燃料極３へ供給されるようにする。また、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作し、改質ガス分配ラインＬ５及び酸化剤ガスラインＬ４間を開放すると共に、改質ガス回収ラインＬ６及び酸化剤ガスラインＬ４間も開放し、酸化剤極４へ改質ガスが供給されるようにする。
【００８３】
以上に説明したような運転方法によれば、低温の改質ガス中のＣＯによる触媒の被毒を防止しつつ、ＣＯ濃度が低下した加湿改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給でき、燃料電池スタック２を加湿することができる。
【００８４】
［運転方法６］
次に、図８（ｂ）に示す加湿処理について説明する。ここでは、はじめに制御装置３０が三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して、改質器７と燃料極３との間を遮断する（ステップＳ１０−５）。なお、図８（ａ）の場合と異なり、改質器７と酸化剤極４との間は連通状態としておく。そして、この状態で改質器７を作動する（ステップＳ１０−６）。その結果、低温の改質ガスは酸化剤極４へのみ供給され、燃料極３へは供給されない。
【００８５】
制御装置３０は、運転の継続に伴って上昇する改質器７の温度を、温度測定器２４から取得し、改質器７が所定温度以上になったか否かを判断する（ステップＳ１０−７）。そして、改質器７が所定温度未満であると判断した場合（ステップＳ１０−７：ＮＯ）はこの判断処理を繰り返し実行し、所定温度以上になったと判断した場合（ステップＳ１０−７：ＹＥＳ）は、三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して改質器７と燃料極３との間を開放し、改質ガスを燃料極３へも供給する（ステップＳ１０−８）。
【００８６】
以上に説明したような運転方法によれば、早期に改質ガスを酸化剤極４へ供給できるため、酸化剤極４及び電解質膜５の加湿を効率的に行うことができる。また、低温の改質ガス中のＣＯによる燃料極３側の触媒被毒を防止することができる。なお、酸化剤極４側の触媒は、低温の改質ガス中のＣＯにより被毒されるが、発電開始後に供給される酸化剤ガス中の酸素によってＣＯはＣＯ２に変わるため、被毒の拡大を抑制することができる。
【００８７】
なお、図８（ａ），（ｂ）の各ステップＳ１０−３，Ｓ１０−６では、改質器７の温度に基づいて判定処理を行う態様を例示したが、これに替えて、改質ガス中のＣＯ濃度に基づいて判定処理を行う態様を採用してもよい。この場合、改質器７又は改質ガスラインＬ３の適所にＣＯ濃度測定器（図示せず）を設け、その測定値を制御装置３０が取得するようにする。そして、測定値が所定値（例えば、２０ｐｐｍ）未満になったことを検知した場合には、次の処理へ移行するようにすればよい。
【００８８】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１Ｄの構成を示す模式的なブロック図である。以下、本実施の形態４に係る燃料電池システム１Ｄについて、上述した燃料電池システム１Ａ〜１Ｃと同様の構成については同一符号を付してその詳細説明は省略し、異なる構成について主に説明する。
【００８９】
図９に示す燃料電池システム１Ｄは、燃料電池システム１Ａ（図１参照）から改質ガス分配ラインＬ５を除外する一方、改質器７と三方弁Ｖ４との間を接続する改質ガス分配ラインＬ８を、改質ガスラインＬ３とは別個に設けた構成となっている。
【００９０】
このような構成とすることにより、燃料極３及び酸化剤極４への改質ガスの供給量を互いに独立して調整することができる。また、例えばシステムの停止時に、三方弁Ｖ４を通じて酸化剤ガスが燃料極３側へ漏洩するのを防止することができる。また、この燃料電池システム１Ｄの運転方法としては、例えば、燃料電池システム１Ａと同様の運転方法１〜３を採用することができる。
【００９１】
なお、燃料電池システム１Ｂ，１Ｃについても、改質ガス分配ラインＬ５を除外する一方、改質器７と三方弁Ｖ４との間を接続する改質ガス分配ラインＬ８を、改質ガスラインＬ３とは別個に設けた構成とすることができる。そしてその場合、本実施の形態４に係る燃料電池システム１Ｄと同様の上記作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる燃料電池システム及びその運転方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１Ａ〜１Ｄ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 燃料極
４ 酸化剤極
５ 電解質膜
７ 改質器
８ 原料供給器
９ 改質水供給器
２０ 抵抗測定器
２１ ガス圧測定器
２２ 電圧印加装置
２３ ＣＯ２濃度測定器
２４ 温度測定器
３０ 制御装置
Ｌ３ 改質ガスライン
Ｌ４ 酸化剤ガスライン
Ｌ５ 改質ガス分配ライン
Ｌ６ 改質ガス回収ライン
Ｌ７ 改質ガスバイパスライン
Ｌ８ 改質ガス分配ライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものであり、特に、起動時に燃料電池を加湿するための運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般的には原料ガスを改質した改質ガスと酸化剤ガスとを用い、電気化学的な反応により電気を発生させるものである。この種の燃料電池システムは、発電効率が高く、しかも、排出ガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ない。そのため、近年では、発電用電源や低公害の自動車用電源など、種々の用途への利用が期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムの場合、一般に、プロトン導電性のある高分子電解質膜を備えており、該高分子電解質膜の両主面に対向するようにして、一対の電極を成す燃料極と酸化剤極とが高分子電解質膜を挟んで設けられる。このようにして、高分子電解質膜とこれを挟む一対の電極とによって電極接合体が構成され、該電極接合体をセパレータで挟持して成る単セルが、燃料電池における最小の発電単位となっている。
【０００４】
燃料電池システムを発電運転する際には、燃料極へは改質ガス（例えば、水素含有ガス）を供給し、酸化剤極へは酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する。すると、燃料極に担持された触媒により、改質ガスが電子及びプロトン（水素イオン）へと変換される。このうち電子は、燃料極から外部へ取り出されて電流となり、外部負荷を経由して再び酸化剤極へ到達する。また、プロトンは、燃料極から高分子電解質膜を通過して酸化剤極へ到達し、上記のように外部負荷を経由して同じく酸化剤極へ到達した電子と反応し、水が生成される。
【０００５】
ところで、上記のような燃料電池システムでは、燃料極から酸化剤極への高分子電解質膜を介したプロトンの伝導度を向上させるために、高分子電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。そのため、加湿された改質ガスを燃料極へ供給すると共に、加湿された酸化剤ガスを酸化剤極へ供給することにより、高分子電解質膜を加湿している。このように改質ガス及び酸化剤ガスを加湿するため、加湿器が備えられている。一般的にこの加湿器は、燃料電池から排出される改質ガスのオフガスと酸化剤ガスのオフガスとを反応させて水を生成し、この水を、各電極へ供給される改質ガス及び酸化剤ガスへ供給する。
【０００６】
しかしながら、このような加湿器の設置は、燃料電池システムの大型化及び製造コストの上昇を招いてしまい、好ましくない。
【０００７】
一方、燃料電池システムにおいて加湿器を備えない場合、起動時に高分子電解質膜を加湿することが困難であり、非常に乾燥した状態で発電運転を開始しなければならない。この場合、低加湿に起因して高分子電解質膜のプロトンの伝導度が低くなるだけでなく、高分子電解質膜の機械劣化及び化学劣化が進行する可能性もある。即ち、上述したように発電時には酸化剤極にて水が生成されるため、高分子電解質膜は、乾燥した状態から急激に加湿状態へと変化する。すると、運転及び停止を繰り返すたび、高分子電解質膜は膨潤と乾燥による収縮とが繰り返されるため、機械劣化の進行が早まる可能性がある。また、低湿度状態ではヒドロキシラジカルの生成が促進されるため、これによる高分子電解質膜の分解といった化学劣化が生じる可能性もある。
【０００８】
上記のような事情を鑑みて、様々のシステム構成が提案されている（特許文献１〜４参照）。このうち特許文献１に記載されたシステムでは、起動時に、加湿した原料ガスを用いて燃料電池を加湿する構成を採用している。より具体的には、水蒸気で加湿した原料ガスを、低温状態の改質器を通過させて燃料電池へ供給している。そして、所定量の加湿原料ガスを供給した時点で改質器を昇温することで、原料ガスを改質した水素リッチな改質ガスを燃料電池へ供給するようにしている。
【０００９】
特許文献２に記載されたシステムの場合は、停止時に加湿された改質ガスを酸化剤極に封入し、起動時にはこの改質ガスを不活性ガスである原料ガスに置換することとしている。これにより、停止中の電解質膜の乾燥を抑制しつつ、起動時には、改質ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが直接的に接触して燃焼が起きるのを防止できるようになっている。
【００１０】
また、この他にも、システムの停止時に水を電気分解して生成した水素（パージ用ガス）により酸化剤極を満たすという技術思想（特許文献３）や、システムの停止中に燃料極から電解質膜を介して酸化剤極へ透過した水素を除去するために、起動時に、燃料極に対して酸化剤極が正となるように電圧を印加するという技術思想（特許文献４）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２０９３６２号公報
【特許文献２】特開２００３−９３１１５号公報
【特許文献３】特開２００２−９３４４８号公報
【特許文献４】特開２００９−１７０３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１のシステムの場合、結果的に加湿器を必要とするものであると共に、低温の原料ガスを加湿するものであるため、原料ガスの含水量を高めることが困難であって、加湿効率を十分に高めることができないと考えられる。
【００１３】
また、特許文献２のシステムの場合は、停止中は加湿された改質ガスを封入しているものの、起動時には乾燥した原料ガスが導入されるため、発電開始時に電解質膜が低加湿状態になってしまう。
【００１４】
一方、特許文献３に記載されたシステムは、電解質膜を加湿するための技術思想を開示するものではない。しかも、発電開始の時点で供給される酸化剤ガスが、酸化剤極に残存するパージ用ガスである水素と反応して燃焼が生じ、触媒を劣化させる可能性がある。また、特許文献４のシステムも同様に、電解質膜を加湿するための技術思想を開示するものではない。そして、このシステムの場合は、電圧を印加して酸化剤極の水素を除去する際に、酸化剤極に生じる負圧によって、酸化剤極へ外部の空気が浸入してくる可能性がある。
【００１５】
本発明は上述したような事情を鑑みてなされたものであり、別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、電解質膜を挟んで位置する燃料極及び酸化剤極のうち、燃料極へ水素含有の改質ガスを供給し、且つ酸化剤極へ酸化剤ガスを供給することにより、発電を行う燃料電池システムの運転方法であって、非発電状態のときに、少なくとも前記酸化剤極へ改質ガスを供給して前記電解質膜を加湿し、前記燃料極よりも前記酸化剤極が高電位となるように電圧を印加し、前記酸化剤極側の改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記燃料極へ移動させ、前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始する。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、並びに、前記燃料極及び前記酸化剤極間に挟まれた電解質膜、を有する燃料電池スタックと、前記燃料極に連通して改質ガスを通す改質ガスラインと、前記酸化剤極に連通して酸化剤ガスを通す酸化剤ガスラインと、前記酸化剤極に連通して改質ガスを通す改質ガス分配ラインと、前記燃料極及び前記酸化剤極間に電圧を印加する電圧印加装置と、非発電状態のときに、前記改質ガス分配ラインを通じて改質ガスを前記酸化剤極へ供給して前記電解質膜を加湿し、前記電圧印加装置により、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるように電圧を印加して、改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記酸化剤極側から前記燃料極側へ移動させ、前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するように制御する制御装置と、を備える。
【００１８】
このような構成とすることにより、酸化剤極へ加湿ガスを供給するための専用の加湿器を設けなくても、水蒸気改質により加湿された改質ガスを酸化剤極へ供給することで、酸化剤極側から電解質膜を加湿することができる。また、酸化剤極へ供給した改質ガス中の水素は、印加電圧により、電解質膜を介して燃料極へと移動させる。従って、発電開始時に酸化剤極へ供給する酸化剤ガス中の酸素と残留水素とが燃焼して触媒が劣化するのを防止することができる。
【００１９】
また、前記制御装置は、前記酸化剤極内のガス圧に応じて、前記改質ガス分配ラインを通じた前記酸化剤極への改質ガスの供給と、前記電圧印加装置による電圧の印加とを制御するように構成されていてもよい。
【００２０】
また、前記制御装置は、改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、電圧印加後、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合には、電圧印加を中断すると共に前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ改質ガスを補充するよう構成されていてもよい。
【００２１】
また、前記制御装置は、前記ガス圧が前記第１閾値以上であることを検知した場合の電圧印加と、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合の改質ガスの補充とを、繰り返し実行するよう構成されていてもよい。
【００２２】
また、前記制御装置は、電圧印加後、前記ガス圧が前記第２閾値以上である状態が所定時間継続した場合に、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されていてもよい。
【００２３】
また、前記制御装置は、改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、電圧印加後、前記酸化剤極内のＣＯ２濃度が所定値以上になった場合に、電圧印加を終了すると共に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されていてもよい。
【００２４】
また、前記制御装置は、前記酸化剤極への改質ガスの供給を、供給開始から所定時間を経過するまで、又は、前記電解質膜の電気抵抗が所定値以下になるまで継続するように構成されていてもよい。
【００２５】
また、前記改質ガスラインは、前記燃料極を経ずに該燃料極の上流位置と下流位置とを接続するバイパスラインを有し、前記制御装置は、前記改質器内が所定温度未満の場合には、改質ガスを前記燃料極へ通さず、前記バイパスラインを通じて前記改質器が有する加熱器へ供給し、前記改質器内が所定温度以上の場合には、改質ガスを前記燃料極へ供給して前記電解質膜を加湿するように構成されていてもよい。
【００２６】
また、前記制御装置は、前記改質器内の温度にかかわらず、改質ガスを、前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ供給するように構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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示す模式的なブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転方法を示す他のフローチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転方法を示す更に他のフローチャートである。
【図５】図５は、実施の形態２に係る燃料電池システムの他の運転方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、実施の形態２に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式的なブロック図である。
【図８】図８は、実施の形態３に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す模式的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の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ついて、図面を参照しつつ説明する。なお、燃料電池システムは、水素を含む改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電するものであれば特に限定されないが、頻繁に起動及び停止できるもの（例えば、高分子電解質形燃料電池）に対して、本発明を好適に適用することができる。
【００３０】
また、燃料電池システムの運転態様としては、定格電位を出力可能な発電状態、全ての機能が停止状態にある停止状態、該停止状態から発電状態へ移行する起動状態、及び発電運転状態から待機状態へ移行させる停止移行状態があり、以下では各状態を区別する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの構成を示す模式的なブロック図である。図１に示すように、この燃料電池システム１Ａは、水素を含む改質ガスが供給される燃料極（アノード）３と、酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極（カソード）４と、これら燃料極３及び酸化剤極４の間に挟まれた電解質膜５とを有する燃料電池スタック２を備えている。
【００３２】
このうち電解質膜５には、イオン導電性を有する高分子膜が用いるが、その種類は特に限定されない。また、燃料極３及び酸化剤極４の夫々は、例えば、白金等の貴金属をカーボン粒子に担持させた触媒を含む触媒層と、カーボンクロス等のガスが拡散可能な多孔質材料から成る拡散層との二層により構成されている。そして、このような電解質膜５を燃料極３及び酸化剤極４で挟み込んだ電極接合体を、更にセパレータにより外側から挟み込むことで、上記燃料電池スタック２が構成されている。
【００３３】
また、燃料電池システム１Ａは、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器７、該改質器７へ原料ガスを供給する原料供給器８、及び、改質器７へ改質水を供給する改質水供給器９を備えている。
【００３４】
改質器７は、改質触媒等を収容する反応容器（図示せず）と、この反応容器を加熱する加熱器７ａとを備えている。反応容器は、例えば、改質部、変成部、及びＣＯ除去部を含んで構成される。このうち改質部は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。変成部は、改質部にて生成された改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減するように処理する。ＣＯ除去部は、変成部を通過した改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに低減するように処理する。一方、加熱器７ａは、例えば、改質ガスのオフガス又は原料ガス等の燃焼用ガスと空気とを燃焼反応させるバーナ（burner）により構成することができる。なお、この加熱器７ａでは、燃料電池スタック２で発電された電力により、着火及び空気の供給等の処理が行われるようになっている。
【００３５】
このような構成の改質器７には、原料供給器８から原料ガスラインＬ１を介して原料ガスが供給され、改質水供給器９から改質水ラインＬ２を介して改質水が供給される。また、原料ガスラインＬ１及び改質水ラインＬ２の夫々には、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が設けられており、原料ガス及び改質水の供給量を調整可能になっている。
【００３６】
原料供給器８は、例えば都市ガスインフラ等の原料供給源に接続されており、制御装置１１からの制御信号による開閉弁Ｖ１の駆動により、原料供給量が調整されながら原料を供給する。また、改質水供給器９は、例えば市水や回収水等を水源とし、制御装置１１からの制御信号による開閉弁Ｖ２の駆動により、給水量が調整されながら水を供給する。なお、原料供給器８から供給する原料ガスとしては、水蒸気改質により水素含有ガスを生成できるものであればよく、例えば、メタン、エタン、プロパン、又はブタン等を含む天然ガスや、ＬＰガスを採用できる。
【００３７】
改質器７は、原料供給器８からの原料ガスと改質水供給器９からの改質水とを用い、水蒸気改質反応により、水素含有ガスから成る改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、改質ガスラインＬ３を介して送出される。なお、開閉弁Ｖ１により原料ガスの供給量を調整することにより、改質器７での改質ガスの生成量を適宜調整することができ、開閉弁Ｖ２により改質水の供給量を調整することにより、改質ガスの加湿度を適宜調整することができる。
【００３８】
改質ガスラインＬ３は、改質器７から燃料電池スタック２の燃料極３の入口へ至り、更に燃料極３の出口から改質器７の加熱器７ａへ至る経路として構成されている。従って、改質器７から送出された改質ガスは燃料極３へ送られ、そこで一部の水素が発電のための反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）に使用される。その結果、生成された電子（電流）は図示しない外部負荷へ送られ、発電反応に使用されなかった改質ガス（オフガス）は、改質ガスラインＬ３を介して改質器７の加熱器７ａへ供給される。
【００３９】
また、改質ガスラインＬ３における燃料極３の入口上流位置には、開閉弁Ｖ３が設けられている。従って、開閉弁Ｖ３の開度を調整することにより、改質ガスの燃料極３への供給量を適宜調整することができる。
【００４０】
酸化剤極４には酸化剤ガスラインＬ４が接続されている。より具体的に説明すると、酸化剤ガスラインＬ４は、大気開放された上流端から酸化剤極４の入口へ至り、更に酸化剤極４の出口から下流端へと延びている。この酸化剤ガスラインＬ４における、酸化剤極４の上流位置と下流位置との夫々には、三方弁Ｖ４，Ｖ５が設けられている。更に、酸化剤ガスラインＬ４の上流端から三方弁Ｖ４へ至る経路の途中にはブロワ１３が設けられている。
【００４１】
従って、ブロワ１３を駆動し、三方弁Ｖ４，Ｖ５を介して酸化剤ガスラインＬ４に酸化剤ガスとしての空気を通流させることにより、酸化剤極４へ酸化剤ガスを供給することができる。酸化剤極４へ供給された酸化剤ガスは、その一部が発電のための反応（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）に使用される。そして、この発電反応に使用されなかった酸化剤ガス（オフガス）は、酸化剤ガスラインＬ４の下流端から本システム１Ａの外部へ排出される。
【００４２】
また、上述した改質ガスラインＬ３には、その上流端（改質器７との接続箇所）から開閉弁Ｖ３へ至る経路の途中に分岐点が設けられ、該分岐点と上記三方弁Ｖ４の残り１ポートとの間は改質ガス分配ラインＬ５によって接続されている。更に、改質ガスラインＬ３には、燃料極３の出口から下流端８（加熱器７ａとの接続箇所）へ至る経路の途中に分岐点（合流点）が設けられ、該分岐点と上記三方弁Ｖ５の残り１ポートとの間は改質ガス回収ラインＬ６によって接続されている。
【００４３】
従って、三方弁Ｖ４，Ｖ５のポート間の接続態様を適宜調整することにより、酸化剤極４に対し、ブロワ１３を介した酸化剤ガスの供給、及び、改質ガス分配ラインＬ５を介した改質ガスの供給を、択一的に行うことができる。また、酸化剤極４へ改質ガスを供給した場合には、そのオフガスを、改質ガス回収ラインＬ６を介して加熱器７ａへ戻すことができる。
【００４４】
なお、図１では各ラインＬ３〜Ｌ６を区別しやすいように、各ラインを示すのに太線と細線とを用いている（後述の図５，７，９も同じ）。具体的には、通常の発電時に使用されるライン、即ち、発電時に改質ガスが通流する改質ガスラインＬ３と、酸化剤ガスが通流する酸化剤ガスラインＬ４とを太い実線で示している。そして、その他のライン（本実施の形態１では、改質ガス分配ラインＬ５及び改質ガス回収ラインＬ６）は細い実線で示している。
【００４５】
本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、上述した構成に加えて更に、電解質膜５の電気抵抗を測定する抵抗測定器２０、酸化剤極４内のガス圧を測定するガス圧測定器２１、燃料極３及び酸化剤極４の間に電圧を印加する電圧印加装置２２、及び、計時手段３０ａを機能の１つとして有する制御装置３０を備えている。
【００４６】
抵抗測定器２０は、電気抵抗を測定することのできる公知のセンサであり、電解質膜５の両主面（燃料極３に接する主面、及び酸化剤極４に接する主面）間の抵抗値を、本システム１Ａの状態（起動状態、発電状態等）に拘わらず、直接的に又は間接的に測定できるようになっている。また、この測定値は、制御装置３０へ送信される。
【００４７】
ガス圧測定器２１は、標準大気圧の前後数ｋＰａ（例えば９５〜１００ｋＰａ）を測定範囲に含む、気体の静圧を測定することのできるものであればよく、その測定値は、制御装置３０へ送信される。また、ガス圧測定器２１は、酸化剤極４内のガス圧を直接的に測定するようにしてもよいが、酸化剤ガスラインＬ４における酸化剤極４の上流近傍位置を通流するガス圧を測定することで、酸化剤極４内のガス圧を間接的に測定するようにしてもよい。
【００４８】
電圧印加装置２２は、燃料極３に対して酸化剤極４が高電位となるように所定の電圧を印加するものであり、少なくとも１ボルト程度の電圧を印加できる構成であればよい。
【００４９】
制御装置３０は、ＣＰＵ等のプロセッサを用いて構成することができ、機能の１つとして、経過時間を測定する計測手段３０ａを備えている。また、制御装置３０は、上述した各弁Ｖ１〜Ｖ５の開度調整、加熱器７ａの着火、ブロワ１３及び電圧印加装置２２の動作等を制御し、抵抗測定器２０及びガス圧測定器２１の測定値を受信することができる。
【００５０】
［運転方法１］
次に、上記燃料電池システム１Ａの運転方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの運転方法を示すフローチャートである。なお、このフローチャートに示す処理の実行は、燃料電池システム１Ａが非発電状態にあるときに、制御装置３０が各部を制御することによって開始される。
【００５１】
図２に示すように、非発電状態にある燃料電池システム１Ａは、改質器７で生成した改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給し、これらを電解質膜５と共に加湿する（ステップＳ１０）。具体的には、開閉弁Ｖ３を開放する一方、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して改質ガス分配ラインＬ５から酸化剤ガスラインＬ４を経て改質ガス回収ラインＬ６へ至る経路を連通させる。これにより、改質器７からの改質ガスを、燃料極３及び酸化剤極４へ供給できるため、加湿された改質ガスによって各極３，４及び電解質膜５を加湿することができる。
【００５２】
続いて、電圧印加装置２２を駆動して、燃料極３よりも酸化剤極４の方が高電位となるように所定の電圧を印加する（ステップＳ２０）。これにより、酸化剤極４内の改質ガスに含まれる水素（より正確には、酸化剤極４でプロトンになった水素イオン）を、電解質膜５を介して燃料極３側へ移動させる。なお、電圧を印加する際には、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作することにより、酸化剤極４を封止して改質ガスが供給されないようにしておく。
【００５３】
このようにして酸化剤極４内の水素を燃料極３へ移動させた後、酸化剤極４への改質ガスの供給を終了し、これに換えて酸化剤ガスを酸化剤極４へ供給する（ステップＳ３０）。具体的には、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作し、酸化剤ガスラインＬ４と改質ガス分配ラインＬ５及び改質ガス回収ラインＬ６との間を遮断すると共に、酸化剤ガスラインＬ４の上流端から下流端までを連通状態とする。そして、ブロワ１３を駆動して酸化剤ガスラインＬ４へ酸化剤ガスを通流させる。これにより、燃料極３へは改質ガスが供給され、酸化剤極４へは酸化剤ガスが供給されるため、発電が開始される。
【００５４】
以上に説明したような運転方法によれば、加湿された改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４の夫々へ直接供給するため、効率的に各極３，４及び電解質膜５を加湿することができる。また、酸化剤極４へ供給された改質ガス中には水素が含まれるが、電圧を印加することにより、発電前に燃料極３側へ移動させるため、発電開始時に供給される酸化剤ガス中の酸素と燃焼するのを防止することができる。
【００５５】
［運転方法２］
ここでは、燃料電池システム１Ａのより詳細な運転方法について説明する。図３は、実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの他の運転方法を示すフローチャートである。なお、図３に示す処理において、図２を用いて説明した処理と同様の内容のものには同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
図３に示すように、非発電状態にある燃料電池システム１Ａは、改質器７で生成した改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給し、これらを電解質膜５と共に加湿する（ステップＳ１０）。次に、制御装置３０は、酸化剤極４のガス圧が所定の第１閾値ＰＨ（例えば、１００ｋＰａ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。即ち、制御装置３０は、ガス圧測定器２１から受信した測定値に基づき、この判断を行う。その結果、酸化剤極４のガス圧がＰＨ未満であれば（ステップＳ１２：ＮＯ）、改質ガスの供給を継続する。
【００５７】
一方、酸化剤極４のガス圧がＰＨ以上であると判断すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して酸化剤極４を封止すると共に、電圧印加装置２２を駆動し、燃料極３よりも酸化剤極４の方が高電位となるように所定の電圧を印加する（ステップＳ２０）。これにより、酸化剤極４内の水素を、電解質膜５を介して燃料極３へ移動させる。また、この際、水素の移動に伴って、封止された酸化剤極４内の圧力は低下していく。
【００５８】
続いて制御装置３０は、ガス圧測定器２１から受信した測定値に基づき、酸化剤極４内のガス圧が所定の第２閾値ＰＬ（例えば、９５ｋＰａ）以上の状態が所定時間（例えば、１０秒間）以上継続したか否かを判断する（ステップＳ２１）。そして、ガス圧がＰＬ以上である状態の継続時間が所定時間未満であったと判断した場合は（ステップＳ２１：ＮＯ）、再びステップＳ１０からの処理を繰り返す。即ち、この場合は酸化剤極４内が第２閾値ＰＬ未満の負圧の状態であり、この状態のときには改質ガスの供給と、電圧印加による水素の移動とを再度実行する。
【００５９】
一方、ガス圧がＰＬ以上である状態の継続時間が所定時間以上になったと判断した場合は（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、電圧の印加を停止した上で、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作しブロワ１３を駆動して酸化剤ガスを酸化剤極４へ供給し（ステップＳ３０）、発電を開始する。
【００６０】
以上に説明したような運転方法によれば、上記運転方法１の場合と同様に、各極３，４及び電解質膜５の効率的な加湿と、発電開始時における燃焼の防止とを実現することができる。また、これに加えて、発電開始前の酸化剤極４を所定のガス圧の不活性ガスによって満たすことができる。即ち、電圧の印加によって酸化剤極４内の改質ガスに含まれる水素のみを燃料極３へ移動させるため、酸化剤極４内には、改質ガスに含まれる他の成分である不活性ガス（ＣＯ２）が残留する。そして、上記ステップＳ１０からステップＳ２１までの処理を繰り返すことにより、酸化剤極４内を高密度の不活性ガスで満たすことができる。その結果、発電開始時の燃焼をより確実に防止することができる。
【００６１】
［運転方法３］
ここでは、燃料電池システム１Ａのより詳細な運転方法について説明する。図４は、実施の形態１に係る燃料電池システム１Ａの更に他の運転方法を示すフローチャートである。なお、図４に示す処理において、図２又は図３を用いて説明した処理と同様の内容のものには同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
図４に示すように、この運転方法では、図３に示したステップＳ１０の処理とステップＳ１２の処理との間にステップＳ１１に示す処理を実行する。具体的には、改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給しはじめた後に、制御装置３０は、抵抗測定器２０から受信した測定値に基づいて電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒ以下になったか否かを判断する（ステップＳ１１）。即ち、改質ガスの供給によって電解質膜５が加湿されるにつれ、電解質膜５の電気抵抗値は低下するため、この電気抵抗値が発電開始に適した所定値Ｒ以下に到達したか否かを判断する。
【００６３】
そして、電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒより大きいと判断した場合は（ステップＳ１１：ＮＯ）、改質ガスの供給により引き続き低下する電気抵抗値を測定し、同様の判断を繰り返す。一方、電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒ以下と判断した場合は（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、上記運転方法２で既に説明したのと同様にして、ステップＳ１２以降の処理を実行する。
【００６４】
以上に説明した運転方法によれば、上記運転方法１，２の場合と同様の作用効果を奏することができるのに加え、発電開始時（ステップＳ３０）の電解質膜５を、確実に発電開始に適した電気抵抗値とすることができる。
【００６５】
なお、図４のステップＳ１１に示すように、ステップＳ１２へ以降するタイミングを測る判断基準を、電解質膜５の電気抵抗値に換えて、酸化剤極４への改質ガスの供給開始時点からの経過時間に基づいて判断するようにしてもよい。この場合は、酸化剤極４への改質ガスの供給時間として、実質的に電解質膜５の電気抵抗が所定値Ｒ以下となるのに必要な所定時間を設定しておき、この所定時間を経過したか否かに基づき、ステップＳ１２へ以降するタイミングを判断するようにすればよい。
【００６６】
更に、電解質膜５の電気抵抗値と電解質膜５の湿度との間には相関関係がある。従って、ステップＳ１１での判断基準を、電解質膜５の電気抵抗値に替えて露点にしてもよい。この場合、例えば改質ガスラインＬ３における燃料電池スタック２の下流位置に露点計（図示せず）を設けておき、露点計の測定値を制御装置３０へ送信するようにしておく。そして、制御装置３０が、露点計から受信した測定値
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂの構成を示す模式的なブロック図である。以下、本実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂについて、上述した燃料電池システム１Ａと同様の構成部分については同一符号を付してその詳細説明は省略し、異なる構成について主に説明する。
【００６７】
図５に示す燃料電池システム１Ｂは、既に説明した燃料電池システム１Ａに対して、酸化剤極４内の二酸化炭素濃度を測定することのできるＣＯ２濃度測定器２３を更に備えた構成になっている。このＣＯ２濃度測定器２３は、例えばＣＯ２ガスによる赤外線の減衰量から濃度を測定するものなど、公知の原理を用いた測定器を採用することができる。また、測定値は制御装置３０へ送信されるようになっている。
【００６８】
［運転方法４］
次に、燃料電池システム１Ｂの運転方法について説明する。図６は、実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂの運転方法を示すフローチャートである。なお、図６を見れば分かるように、この運転方法で実行する処理は、図４に示した運転方法３で実行する処理のうち、ステップＳ２１の処理をステップＳ２２に示す処理に置き換えたものとなっている。従って以下では、図６に示す処理において、図４を用いて説明した処理と同様の内容のものには同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６９】
図６に示す運転方法の場合、制御装置３０は、図４に示した処理と同様に、改質ガスの各極３，４への供給による加湿（ステップＳ１０）、電解質膜５の電気抵抗値に基づく判定処理（ステップＳ１１）、酸化剤極４のガス圧に基づく判定処理（ステップＳ１２）を行う。そして、酸化剤極４のガス圧がＰＨ以上であれば、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して酸化剤極４を封止した状態で各極３，４間に電圧を印加する（ステップＳ２０）。
【００７０】
制御装置３０は、電圧印加を開始した後、ＣＯ２濃度測定器２３から受信した測定値に基づき、ＣＯ２濃度が所定値Ｄ以上になったか否かを判断する（ステップＳ２２）。即ち、各極３，４間に電圧を印加することにより、酸化剤極４内の水素が燃料極３へ移動するため、酸化剤極４内の改質ガス中のＣＯ２濃度が次第に高くなっていく。従って、制御装置３０は、この高くなっていくＣＯ２濃度が所定値Ｄ以上になったか否かを継続的に判断する。その結果、ＣＯ２濃度が所定値Ｄ以上になると（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、電圧の印加を停止した上で、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作しブロワ１３を駆動して酸化剤ガスを酸化剤極４へ供給し（ステップＳ３０）、発電を開始する。
【００７１】
以上に説明したような運転方法によれば、上記運転方法３の場合と同様に、各極３，４及び電解質膜５の効率的な加湿と、発電開始時における燃焼の防止とを実現することができる。また、発電開始前の酸化剤極４を不活性ガスで満たし、発電開始時に供給される酸化ガスと残留水素との燃焼反応を防止することができる。特に、本運転方法４では、酸化剤極４内の不活性ガスである残留ＣＯ２濃度を測定することにより、上記燃焼反応をより確実に防止することができる。
【００７２】
なお、この運転方法４を実行するに際し、図４のステップＳ２１の処理を組み合わせることとしてもよい。例えば、各極３，４間へ電圧印加を開始（ステップＳ２０）した後、酸化剤極４のガス圧がＰＬ以上の状態が所定時間以上継続したか否かを判定する（図４のステップＳ２１参照）。ここで判定結果が「ＮＯ」であればステップＳ１０からの処理を繰り返し、「ＹＥＳ」であればＣＯ２濃度に基づく判定処理（ステップＳ２２）を実行するようにしてもよい。
【００７３】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃの構成を示す模式的なブロック図である。以下、本実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃについて、上述した燃料電池システム１Ａ，１Ｂと同様の構成部分については同一符号を付してその詳細説明は省略し、異なる構成について主に説明する。
【００７４】
図７に示す燃料電池システム１Ｃは、既に説明した燃料電池システム１Ｂに対して、改質ガスラインＬ３に燃料極３を迂回して改質ガスを通流させる改質ガスバイパスラインＬ７を設けた構成になっている。より具体的には、改質ガスラインＬ３と改質ガス分配ラインＬ５との分岐点から燃料極３の入口へ至る間に、図１に示す開閉弁Ｖ３に替えて三方弁Ｖ６が設けられている。また、燃料極３の出口から、改質ガスラインＬ３と改質ガス回収ラインＬ６との分岐点（合流点）へ至る間には、別の三方弁Ｖ７が設けられている。このように、燃料極３の上流位置と下流位置との夫々に三方弁Ｖ６，Ｖ７が設けられており、これら三方弁Ｖ６，Ｖ７を接続するように改質ガスバイパスラインＬ７が設けられている。
【００７５】
従って、三方弁Ｖ６，Ｖ７の連通方向を調整することにより、改質ガスを燃料極３へ供給する状態と、改質ガスを燃料極３へ供給せずに改質ガスバイパスラインＬ７を介して加熱器７ａへ供給する状態とで、切り換えることができる。
【００７６】
更に、図７の燃料電池システム１Ｃは、改質器７（正確には、その反応容器）の温度を測定する温度測定器２４を備えている。この温度測定器２４は、燃料電池システム１Ｃの状態に拘わらず改質器７の温度を測定することができ、その測定値は制御装置３０へ送られるようになっている。
【００７７】
次に、燃料電池システム１Ｃの運転方法について説明する。この運転方法は、基本的には既に説明した運転方法１〜４（図２，３，４，６参照）の何れかと同じであるが、各運転方法に含まれるステップＳ１０の加湿処理について、その詳細例を開示するものである。図８は、実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃの運転方法を示すフローチャートであり、（ａ）は、運転方法１〜４にて実行するステップＳ１０の処理例の詳細を、（ｂ）は別の処理例の詳細を示している。
【００７８】
［運転方法５］
まず、図８（ａ）に示す加湿処理について説明する。ここでは、はじめに制御装置３０が三方弁Ｖ６，Ｖ７及び三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して、改質器７と燃料極３及び酸化剤極４との間を遮断する（ステップＳ１０−１）。即ち、三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して、改質ガスラインＬ３を改質ガスバイパスラインＬ７に連通させことにより、燃料極３を封止して改質器７から遮断する。また、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作して、改質ガス分配ラインＬ５及び酸化剤ガスラインＬ４間を遮断すると共に、改質ガス回収ラインＬ６及び酸化剤ガスラインＬ４間を遮断することにより、酸化剤極４を改質器７から遮断する。
【００７９】
この状態で改質器７を作動する（ステップＳ１０−２）。即ち、加熱器７ａを着火すると共に、原料供給器８及び改質水供給器９から原料ガス及び水を改質器７へ供給する。これにより、改質器７が低温の状態のときに生成した改質ガスは、燃料極３及び酸化剤極４へ供給されず、加熱器７ａへ供給される。低温の改質器７で生成される改質ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）が高濃度で含まれるため、上記のようにすることにより、ＣＯによる各極３，４の触媒が被毒するのを防止することができる。一方、改質器７を継続的に運転することにより、改質器７の温度は次第に上昇し、改質ガス中のＣＯの濃度は低くなっていく。
【００８０】
次に、制御装置３０は、温度測定器２４から受信した測定値に基づいて、改質器７の改質部が所定温度（例えば、５００度）以上になったか否かを判断する（ステップＳ１０−３）。なお、この所定温度としては、改質器７で生成される改質ガス中に含まれるＣＯ濃度が、燃料電池スタック２の触媒被毒の観点で支障がない程度となる温度を適宜設定することができる。そして、そのようなＣＯ濃度としては、一例として２０ｐｐｍ以下の値を採用することができる。
【００８１】
改質器７が所定温度未満であると判断した場合（ステップＳ１０−３：ＮＯ）はこの判断処理を繰り返し実行し、所定温度以上になったと判断した場合（ステップＳ１０−３：ＹＥＳ）は、改質器７と燃料極３及び酸化剤極４との間を開放し、改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給する（ステップＳ１０−４）。これにより、燃料電池スタック２の加湿が開始される。
【００８２】
即ち、制御装置３０は、三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して改質ガスバイパスラインＬ７を遮断し、改質ガスが改質ガスラインＬ３を通じて燃料極３へ供給されるようにする。また、三方弁Ｖ４，Ｖ５を操作し、改質ガス分配ラインＬ５及び酸化剤ガスラインＬ４間を開放すると共に、改質ガス回収ラインＬ６及び酸化剤ガスラインＬ４間も開放し、酸化剤極４へ改質ガスが供給されるようにする。
【００８３】
以上に説明したような運転方法によれば、低温の改質ガス中のＣＯによる触媒の被毒を防止しつつ、ＣＯ濃度が低下した加湿改質ガスを燃料極３及び酸化剤極４へ供給でき、燃料電池スタック２を加湿することができる。
【００８４】
［運転方法６］
次に、図８（ｂ）に示す加湿処理について説明する。ここでは、はじめに制御装置３０が三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して、改質器７と燃料極３との間を遮断する（ステップＳ１０−５）。なお、図８（ａ）の場合と異なり、改質器７と酸化剤極４との間は連通状態としておく。そして、この状態で改質器７を作動する（ステップＳ１０−６）。その結果、低温の改質ガスは酸化剤極４へのみ供給され、燃料極３へは供給されない。
【００８５】
制御装置３０は、運転の継続に伴って上昇する改質器７の温度を、温度測定器２４から取得し、改質器７が所定温度以上になったか否かを判断する（ステップＳ１０−７）。そして、改質器７が所定温度未満であると判断した場合（ステップＳ１０−７：ＮＯ）はこの判断処理を繰り返し実行し、所定温度以上になったと判断した場合（ステップＳ１０−７：ＹＥＳ）は、三方弁Ｖ６，Ｖ７を操作して改質器７と燃料極３との間を開放し、改質ガスを燃料極３へも供給する（ステップＳ１０−８）。
【００８６】
以上に説明したような運転方法によれば、早期に改質ガスを酸化剤極４へ供給できるため、酸化剤極４及び電解質膜５の加湿を効率的に行うことができる。また、低温の改質ガス中のＣＯによる燃料極３側の触媒被毒を防止することができる。なお、酸化剤極４側の触媒は、低温の改質ガス中のＣＯにより被毒されるが、発電開始後に供給される酸化剤ガス中の酸素によってＣＯはＣＯ２に変わるため、被毒の拡大を抑制することができる。
【００８７】
なお、図８（ａ），（ｂ）の各ステップＳ１０−３，Ｓ１０−６では、改質器７の温度に基づいて判定処理を行う態様を例示したが、これに替えて、改質ガス中のＣＯ濃度に基づいて判定処理を行う態様を採用してもよい。この場合、改質器７又は改質ガスラインＬ３の適所にＣＯ濃度測定器（図示せず）を設け、その測定値を制御装置３０が取得するようにする。そして、測定値が所定値（例えば、２０ｐｐｍ）未満になったことを検知した場合には、次の処理へ移行するようにすればよい。
【００８８】
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１Ｄの構成を示す模式的なブロック図である。以下、本実施の形態４に係る燃料電池システム１Ｄについて、上述した燃料電池システム１Ａ〜１Ｃと同様の構成については同一符号を付してその詳細説明は省略し、異なる構成について主に説明する。
【００８９】
図９に示す燃料電池システム１Ｄは、燃料電池システム１Ａ（図１参照）から改質ガス分配ラインＬ５を除外する一方、改質器７と三方弁Ｖ４との間を接続する改質ガス分配ラインＬ８を、改質ガスラインＬ３とは別個に設けた構成となっている。
【００９０】
このような構成とすることにより、燃料極３及び酸化剤極４への改質ガスの供給量を互いに独立して調整することができる。また、例えばシステムの停止時に、三方弁Ｖ４を通じて酸化剤ガスが燃料極３側へ漏洩するのを防止することができる。また、この燃料電池システム１Ｄの運転方法としては、例えば、燃料電池システム１Ａと同様の運転方法１〜３を採用することができる。
【００９１】
なお、燃料電池システム１Ｂ，１Ｃについても、改質ガス分配ラインＬ５を除外する一方、改質器７と三方弁Ｖ４との間を接続する改質ガス分配ラインＬ８を、改質ガスラインＬ３とは別個に設けた構成とすることができる。そしてその場合、本実施の形態４に係る燃料電池システム１Ｄと同様の上記作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、別途の加湿器を設けなくても、起動時に燃料電池スタックの電解質膜を効率的に加湿することができる燃料電池システム及びその運転方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１Ａ〜１Ｄ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 燃料極
４ 酸化剤極
５ 電解質膜
７ 改質器
８ 原料供給器
９ 改質水供給器
２０ 抵抗測定器
２１ ガス圧測定器
２２ 電圧印加装置
２３ ＣＯ２濃度測定器
２４ 温度測定器
３０ 制御装置
Ｌ３ 改質ガスライン
Ｌ４ 酸化剤ガスライン
Ｌ５ 改質ガス分配ライン
Ｌ６ 改質ガス回収ライン
Ｌ７ 改質ガスバイパスライン
Ｌ８ 改質ガス分配ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで位置する燃料極及び酸化剤極のうち、燃料極へ水素含有の改質ガスを供給し、且つ酸化剤極へ酸化剤ガスを供給することにより、発電を行う燃料電池システムの運転方法であって、
非発電状態のときに、少なくとも前記酸化剤極へ改質ガスを供給して前記電解質膜を加湿し、
前記燃料極よりも前記酸化剤極が高電位となるように電圧を印加し、前記酸化剤極側の改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記燃料極へ移動させ、
前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始する、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
原料ガスを水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、並びに、前記燃料極及び前記酸化剤極間に挟まれた電解質膜、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料極に連通して改質ガスを通す改質ガスラインと、
前記酸化剤極に連通して酸化剤ガスを通す酸化剤ガスラインと、
前記酸化剤極に連通して改質ガスを通す改質ガス分配ラインと、
前記燃料極及び前記酸化剤極間に電圧を印加する電圧印加装置と、
非発電状態のときに、前記改質ガス分配ラインを通じて改質ガスを前記酸化剤極へ供給して前記電解質膜を加湿し、
前記電圧印加装置により、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるように電圧を印加して、改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記酸化剤極側から前記燃料極側へ移動させ、
前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するように制御する制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記酸化剤極内のガス圧に応じて、前記改質ガス分配ラインを通じた前記酸化剤極への改質ガスの供給と、前記電圧印加装置による電圧の印加とを制御するように構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、
改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、
電圧印加後、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合には、電圧印加を中断すると共に前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ改質ガスを補充する
よう構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記ガス圧が前記第１閾値以上であることを検知した場合の電圧印加と、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合の改質ガスの補充とを、繰り返し実行するよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、電圧印加後、前記ガス圧が前記第２閾値以上である状態が所定時間継続した場合に、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されている、請求項３乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置は、
改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、
電圧印加後、前記酸化剤極内のＣＯ２濃度が所定値以上になった場合に、電圧印加を終了すると共に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されている、請求項３乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記酸化剤極への改質ガスの供給を、供給開始から所定時間を経過するまで、又は、前記電解質膜の電気抵抗が所定値以下になるまで継続するように構成されている、請求項２乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質ガスラインは、前記燃料極を経ずに該燃料極の上流位置と下流位置とを接続するバイパスラインを有し、
前記制御装置は、
前記改質器内が所定温度未満の場合には、改質ガスを前記燃料極へ通さず、前記バイパスラインを通じて前記改質器が有する加熱器へ供給し、
前記改質器内が所定温度以上の場合には、改質ガスを前記燃料極へ供給して前記電解質膜を加湿するように構成されている
請求項２乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記改質器内の温度にかかわらず、改質ガスを、前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ供給するように構成されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
電解質膜を挟んで位置する燃料極及び酸化剤極のうち、燃料極へ水素含有の改質ガスを供給し、且つ酸化剤極へ酸化剤ガスを供給することにより、発電を行う燃料電池システムの運転方法であって、
非発電状態のときに、少なくとも前記酸化剤極へ改質ガスを供給して前記電解質膜を加湿し、
前記燃料極よりも前記酸化剤極が高電位となるように電圧を印加し、前記酸化剤極側の改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記燃料極へ移動させ、
前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始する、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
原料ガスを水蒸気改質して水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、並びに、前記燃料極及び前記酸化剤極間に挟まれた電解質膜、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料極に連通して改質ガスを通す改質ガスラインと、
前記酸化剤極に連通して酸化剤ガスを通す酸化剤ガスラインと、
前記酸化剤極に連通して改質ガスを通す改質ガス分配ラインと、
前記燃料極及び前記酸化剤極間に電圧を印加する電圧印加装置と、
非発電状態のときに、前記改質ガス分配ラインを通じて改質ガスを前記酸化剤極へ供給して前記電解質膜を加湿し、
前記電圧印加装置により、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるように電圧を印加して、改質ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記酸化剤極側から前記燃料極側へ移動させ、
前記電圧の印加後に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するように制御する制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記酸化剤極内のガス圧に応じて、前記改質ガス分配ラインを通じた前記酸化剤極への改質ガスの供給と、前記電圧印加装置による電圧の印加とを制御するように構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、
改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、
電圧印加後、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合には、電圧印加を中断すると共に前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ改質ガスを補充する
よう構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記ガス圧が前記第１閾値以上であることを検知した場合の電圧印加と、前記ガス圧が第２閾値未満であることを検知した場合の改質ガスの補充とを、繰り返し実行するよう構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、電圧印加後、前記ガス圧が前記第２閾値以上である状態が所定時間継続した場合に、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されている、請求項３乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置は、
改質ガスの供給開始後、前記ガス圧が第１閾値以上であることを検知した場合には、改質ガスの供給を中断すると共に前記電圧印加装置を駆動し、前記燃料極よりも前記酸化剤極の方が高電位となるような電圧印加を開始し、
電圧印加後、前記酸化剤極内のＣＯ２濃度が所定値以上になった場合に、電圧印加を終了すると共に前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給して発電を開始するよう構成されている、請求項３乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記酸化剤極への改質ガスの供給を、供給開始から所定時間を経過するまで、又は、前記電解質膜の電気抵抗が所定値以下になるまで継続するように構成されている、請求項２乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記改質ガスラインは、前記燃料極を経ずに該燃料極の上流位置と下流位置とを接続するバイパスラインを有し、
前記制御装置は、
前記改質器内が所定温度未満の場合には、改質ガスを前記燃料極へ通さず、前記バイパスラインを通じて前記改質器が有する加熱器へ供給し、
前記改質器内が所定温度以上の場合には、改質ガスを前記燃料極へ供給して前記電解質膜を加湿するように構成されている
請求項２乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記改質器内の温度にかかわらず、改質ガスを、前記改質ガス分配ラインを通じて前記酸化剤極へ供給するように構成されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４８３２２（Ｐ２０１２−２４８３２２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７１６２（Ｐ２０１１−１１７１６２）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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