(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電運転の開始前に、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる、燃料電池の運転方法及びその運転方法を利用した燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードガス流路、カソードガス流路及び伝熱媒体流路は互いに上下流域相対構造に構成されていて、伝熱媒体流路は主入口と出口とを結んで延び、かつ伝熱媒体流路の下流側領域に接続する副入口が形成されている、燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池スタックの発電運転の開始前に、伝熱媒体供給部によって伝熱媒体を主入口及び副入口に分流させて分散供給する分散供給ステップＳ１と、分散供給ステップＳ１後、伝熱媒体供給部によって副入口への伝熱媒体の供給を遮断し、主入口からのみの供給に移行する移行ステップＳ２と、を有する、燃料電池システムの運転方法。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間に還元剤流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間に酸化剤流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池の外面同士間に伝熱媒体流路が構成された燃料電池スタックと、
前記伝熱媒体流路に伝熱媒体を供給する伝熱媒体供給部と、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに上下流域相対構造に構成されていて、
前記伝熱媒体流路は主入口と出口とを結んで延び、かつ前記伝熱媒体流路の下流側領域に接続する副入口が形成されている、燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの発電運転の開始前に、前記伝熱媒体供給部によって伝熱媒体を前記主入口及び前記副入口に分流させて分散供給する分散供給ステップと、
前記分散供給ステップ後、前記伝熱媒体供給部によって前記副入口への伝熱媒体の供給を遮断し、前記主入口からのみの供給に移行する移行ステップと、を有する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記伝熱媒体流路はサーペンタイン状流路であって、前記副入口は、前記伝熱媒体流路の反転部に接続している、請求項１の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記燃料電池スタックは、前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路が互いに並行流構造に構成されている燃料電池スタックである、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された排出側温度検出器と、
前記伝熱媒体供給部に配設された供給側温度検出器と、をさらに有し、
前記移行ステップを、前記分散供給ステップにおける前記供給側温度検出器と前記排出側温度検出器との検出温度差に基づいて開始する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された温度検出器と、をさらに有し、
前記移行ステップを、前記分散供給ステップにおける前記温度検出器の検出温度に基づいて開始する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記分散供給ステップにおいて、伝熱媒体の全体の供給流量に占める、前記副入口への供給流量の比率が５０％以上８０％以下となるように分散供給する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記副入口が複数形成されている、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記燃料電池スタックは、全ての前記主入口に接続する主供給マニホールドと、全ての前記副入口に接続する副供給マニホールドとを有し、
前記伝熱媒体供給部は、前記副供給マニホールド側に供給される伝熱媒体の流量を調整する流量調整具を有し、
前記流量調整具によって前記分散供給ステップ及び前記移行ステップを行う、燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記流量調整具は、弁と、異径管及びオリフィスの少なくともいずれかと、を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量が前記主供給マニホールドへの流量に対して一定の比率となるように構成されている、請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記流量調整具は、開度調整可能な弁を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量を調整可能に構成されている、請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間に還元剤流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間に酸化剤流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池の外面同士間に伝熱媒体流路が構成された燃料電池スタックと、
前記伝熱媒体流路に伝熱媒体を供給する伝熱媒体供給部と、
制御装置と、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに上下流域相対構造に構成されていて、
前記伝熱媒体流路は主入口と出口とを結んで延び、かつ前記伝熱媒体流路の下流側領域に接続する副入口が形成されている、燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの発電運転の開始前に、前記伝熱媒体供給部を制御して、伝熱媒体を前記主入口及び前記副入口に分流させて分散供給し、
前記分散供給後、前記伝熱媒体供給部を制御して、前記副入口への伝熱媒体の供給を遮断し、前記主入口からのみの供給に移行する、燃料電池システム。
【請求項１２】
前記伝熱媒体流路はサーペンタイン状流路であって、前記副入口は、前記伝熱媒体流路の反転部に接続している、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックは、前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路が互いに並行流構造に構成されている燃料電池スタックである、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された排出側温度検出器と、
前記伝熱媒体供給部に配設された供給側温度検出器と、をさらに有し、
前記制御装置は、前記移行を、前記供給側温度検出器と前記排出側温度検出器との検出温度差に基づいて開始する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された温度検出器と、をさらに有し、
前記制御装置は、前記移行の開始を、前記温度検出器の検出温度に基づいて開始する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記制御装置は、前記伝熱媒体供給部を制御して、伝熱媒体の全体の供給流量に占める、前記副入口への供給流量の比率が５０％以上８０％以下となるように分散供給する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記副入口が複数形成されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池スタックは、全ての前記主入口に接続する主供給マニホールドと、全ての前記副入口に接続する副供給マニホールドとを有し、
前記伝熱媒体供給部は、前記副供給マニホールド側に供給される伝熱媒体の流量を調整する流量調整具を有し、
前記制御装置は、前記流量調整具を制御して、前記分散供給及び前記移行を行う、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記流量調整具は、弁と、異径管及びオリフィスの少なくともいずれかと、を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量が前記主供給マニホールドへの流量に対して一定の比率となるように構成されている、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記流量調整具は、開度調整可能な弁を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量を調整可能に構成されている、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池（以下、Polymer Electrolyte Fuel CellをＰＥＦＣと略称する）を用いた燃料電池システムの運転方法、及びその運転方法を利用した燃料電池システムに関する。特に、複数の単電池が積層され、隣接する単電池間に伝熱媒体流路が構成されているＰＥＦＣを用いた燃料電池システムの運転方法、及びその運転方法を利用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＦＣでは、一般的には、導電体からなるアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板と、そのアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板に挟まれているＭＥＡ（Membrane-Electrode-Assembly）とを有する単電池（cell）が複数積層されている。単電池においては、アノードセパレータ板とＭＥＡとの間に形成された還元剤流路に還元剤が供給され、カソードセパレータ板とＭＥＡとの間に形成された酸化剤流路に酸化剤が供給され、電気化学反応を起こさせる構造となっている。また、単電池の積層によって互いに接触するアノードセパレータ板の外面及びカソードセパレータ板の外面の間には、単電池の加熱及び冷却が可能なように伝熱媒体流路が構成されている。
【０００３】
このような構造のＰＥＦＣを用いた燃料電池システムにおいては、発電運転の開始前に伝熱媒体を利用して、単電池を電気化学反応に適した温度、例えば、ＭＥＡに用いられる触媒が白金触媒の場合は約５０〜９０℃、に予熱する予熱運転を行うことが一般的であり、この予熱運転を短時間で行うことによって、燃料電池システムの機動性を向上させることができる。予熱の温度はシステム設計により異なるが、触媒活性および供給加湿ガスの結露による流路水詰まり（いわゆるフラッディング現象）の防止の観点から設定される。
【０００４】
例えば、特許文献１の図５及び第２実施形態には、伝熱媒体流路の途中の分岐点からＰＥＦＣ外に排出し、かつ加熱器に伝熱媒体を戻すバイパス流路が構成された燃料電池システムが開示されている。そして、燃料電池システムの予熱運転において、このバイパス路から伝熱媒体を排出させる技術、すなわち、伝熱媒体流路の上流側領域にのみ伝熱媒体を流通させる技術が開示されている。より具体的に言えば、特許文献１に開示されている技術は、燃料電池システムの予熱運転においては、酸化剤流路の出口領域部分２２に位置する上記分岐点より下流側の内部流路１６を通過することなく伝熱媒体を外部に排出する技術である。
【０００５】
また、特許文献２には、伝熱媒体流路の入口（供給連通孔）及び出口（排出連通孔）とは別に設けられた伝熱媒体流路の入口（導入口）を有するＰＥＦＣが開示され、燃料電池システムの予熱運転において、伝熱媒体をこの導入口から伝熱媒体流路に供給し、排出連通孔から排出する技術が開示されている。より具体的に言えば、特許文献１に開示されている技術は、カソードセパレータにおいて酸化剤流路出口近傍の裏面に伝熱媒体を集中的に流通させ（同文献［請求項３］、図３及び段落［００４４］参照）、その後、酸化剤流路出口近傍における発電に伴う発熱によって、単電池全体が予熱される技術である（同文献段落［００４５］及び［００４７］参照）。
【０００６】
一方で、一般的にＰＥＦＣの発電運転状態においては、特許文献３段落［００１５］に開示されているように、単電池における酸化剤及び伝熱媒体の温度分布が近似していることが好ましい。したがって、カソードセパレータ板において、酸化剤流路及び伝熱媒体流路の上流側領域同士が相互に背面に位置し、酸化剤流路及び伝熱媒体流路の下流側領域同士が相互に背面に位置する構造（以下、上下流域相対構造という）が好ましい。さらには、上下流域相対構造においても、酸化剤及び伝熱媒体の流通方向が並行している構造、あるいはサーペンタイン（serpentine）状流路の場合は酸化剤の全体的な流通方向と伝熱媒体の全体的な流通方向とが並行している構造（以下、これらを総称して並行流構造という）がより好ましい。
【特許文献１】特開２００３−３０３６０７号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０８７６号公報
【特許文献３】特開２００１−１４８２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び２は、燃料電池システムの予熱の時間を短縮するため、伝熱媒体流路の一部のみを先に予熱し、予熱された一部近傍における発電を優先させる技術であった。換言すれば、伝熱媒体流路全体をより不均等に予熱する技術であった。そして、発電運転開始後に、発電に伴う発熱を利用して残りの部分を加熱する技術であった。したがって、燃料電池システムの発電運転において、予熱がなされていない部分、すなわち酸化剤流路上流側部分、が伝熱媒体からの伝熱及び単電池の発熱により電気化学反応に適した温度にまで昇温するには時間がかかる。このため、酸化剤流路の上流部分ではフラッディングが起こり易くなり、燃料電池システムの発電出力が安定せず、結局、燃料電池システムの発電出力が安定するまでには時間がかかるおそれがあった。特に、ＰＥＦＣシステムが発電運転開始後に低出力発電運転を継続する場合においては、単電池からの発熱量が小さいので、燃料電池システムの発電出力が安定しないおそれがあった。
【０００８】
なお、特許文献１の技術では、図５の空気流路２１（酸化剤流路）及び内部流路１６（伝熱媒体流路）の構造、及び実施形態の説明から明らかなように、空気流路の出口領域部分２２のみを予熱する。このため、特許文献１の技術の構造は、必然的に、カソードセパレータ板において酸化剤流路の上流側領域の背面に伝熱媒体流路の下流側領域が位置し、酸化剤流路の下流側領域の背面に伝熱媒体の上流側領域が位置する構造（以下、上下流域交差構造という）となる。更に言えば、上下流域交差構造においても、酸化剤の流通方向と伝熱媒体の流通方向が相互に逆方向の構造、あるいはサーペンタイン状流路の場合は酸化剤の全体的な流通方向と伝熱媒体の全体的な流通方向とが逆方向の構造（以下、これらを総称して対向流構造という）となってしまい、改善の余地があった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池システムの発電運転の開始前に、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる、燃料電池の運転方法及びその運転方法を利用した燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、第１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間に還元剤流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間に酸化剤流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池の外面同士間に伝熱媒体流路が構成された燃料電池スタックと、
前記伝熱媒体流路に伝熱媒体を供給する伝熱媒体供給部と、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに上下流域相対構造に構成されていて、
前記伝熱媒体流路は主入口と出口とを結んで延び、かつ前記伝熱媒体流路の下流側領域に接続する副入口が形成されている、燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックの発電運転の開始前に、前記伝熱媒体供給部によって伝熱媒体を前記主入口及び前記副入口に分流させて分散供給する分散供給ステップと、
前記分散供給ステップ後、前記伝熱媒体供給部によって前記副入口への伝熱媒体の供給を遮断し、前記主入口からのみの供給に移行する移行ステップと、を有する、燃料電池システムの運転方法である。
【００１１】
このように構成すると、燃料電池システムの発電運転の開始前に、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる。
【００１２】
ここで、「下流側領域」とは、伝熱媒体流路の出口側の流路領域をいう。より正確には、入口あるいは主入口から出口まで延びる伝熱媒体流路において、出口からの流路長が全体流路長の半分程度になるまでの流路領域をいう。また、入口あるいは主入口からの流路長が全体流路長の半分程度になるまでの入口側あるいは主入口側の流路領域を「上流側領域」という。
【００１３】
「上下流相対構造」とは、還元剤流路、酸化剤流路及び伝熱媒体流路の上流側領域同士が相互に背面に位置し、還元剤流路、酸化剤流路及び伝熱媒体流路の下流側領域同士が相互に背面に位置する構造をいう。
【００１４】
第２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記伝熱媒体流路はサーペンタイン状流路であって、前記副入口は、前記伝熱媒体流路の反転部に接続しているとよい。
【００１５】
このように構成すると、反転部において伝熱媒体の混合が促進され、伝熱媒体の温度の均一化が促進される。
【００１６】
ここで「サーペンタイン状流路」とは、入口あるいは主入口から出口にかけて蛇行（serpentine）している流路をいい、流路を反転させる反転部を少なくとも１つ有する流路をいう。
【００１７】
第３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池スタックは、前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路が互いに並行流構造に構成されている燃料電池スタックであるとよい。
【００１８】
このように構成すると、燃料電池スタックに供給される還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の温度がほぼ等しい運転状態において、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体同士の熱交換がさらに抑制され、還元剤流路及び酸化剤流路における結露がさらに抑制される。
【００１９】
ここで、「並行流構造」とは、上下流相対構造に属する構造であって、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の流通方向が並行している構造、あるいはサーペンタイン状流路の場合は還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の全体的な流通方向が並行している構造をいう。
【００２０】
第４の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された排出側温度検出器と、
前記伝熱媒体供給部に配設された供給側温度検出器と、をさらに有し、
前記移行ステップを、前記分散供給ステップにおける前記供給側温度検出器と前記排出側温度検出器との検出温度差に基づいて開始するとよい。
【００２１】
このように構成すると、本発明を的確に実行することができる。
【００２２】
第５の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された温度検出器と、をさらに有し、
前記移行ステップを、前記分散供給ステップにおける前記温度検出器の検出温度に基づいて開始するとよい。
【００２３】
このように構成すると、より簡素な構造で、本発明を実行することができる。
【００２４】
第６の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記分散供給ステップにおいて、伝熱媒体の全体の供給流量に占める、前記副入口への供給流量の比率が５０％以上８０％以下となるように分散供給するとよい。
【００２５】
このように構成すると、還元剤流路及び酸化剤流路の上流側領域の予熱と下流側領域の予熱とをより良くバランスさせることができる。
【００２６】
第７の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記副入口が複数形成されているとよい。
【００２７】
このように構成すると、伝熱媒体流路への伝熱媒体の供給位置をより多く分散させることができるので、伝熱媒体流路の全体をより均等に予熱することができる。すなわち、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができる。
【００２８】
第８の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池スタックは、全ての前記主入口に接続する主供給マニホールドと、全ての前記副入口に接続する副供給マニホールドとを有し、
前記伝熱媒体供給部は、前記副供給マニホールド側に供給される伝熱媒体の流量を調整する流量調整具を有し、
前記流量調整具によって前記分散供給ステップ及び前記移行ステップを行うとよい。
【００２９】
このように構成すると、流量調整具によって分散供給ステップ及び移行ステップを的確に実行することができる。
【００３０】
第９の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記流量調整具は、弁と、異径管及びオリフィスの少なくともいずれかと、を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量が前記主供給マニホールドへの流量に対して一定の比率となるように構成されているとよい。
【００３１】
このように構成すると、主供給マニホールド及び副供給マニホールドへのより好適な流量配分を実現することができる。
【００３２】
第１０の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記流量調整具は、開度調整可能な弁を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量を調整可能に構成されているとよい。
【００３３】
このように構成すると、より簡素な構造で、本発明を実行することができる。
第１１の本発明の燃料電池システムは、ＭＥＡ、ならびに、該ＭＥＡを挟んで配設された一対のアノードセパレータ板及びカソードセパレータ板、を有し、かつ、前記ＭＥＡと前記アノードセパレータ板との間に還元剤流路、ならびに、前記ＭＥＡと前記カソードセパレータ板との間に酸化剤流路が構成された、単電池と、
前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池の外面同士間に伝熱媒体流路が構成された燃料電池スタックと、
前記伝熱媒体流路に伝熱媒体を供給する伝熱媒体供給部と、
制御装置と、を有し、
前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路は互いに上下流域相対構造に構成されていて、
前記伝熱媒体流路は主入口と出口とを結んで延び、かつ前記伝熱媒体流路の下流側領域に接続する副入口が形成されている、燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの発電運転の開始前に、前記伝熱媒体供給部を制御して、伝熱媒体を前記主入口及び前記副入口に分流させて分散供給し、
前記分散供給後、前記伝熱媒体供給部を制御して、前記副入口への伝熱媒体の供給を遮断し、前記主入口からのみの供給に移行する、燃料電池システムである。
【００３４】
このように構成すると、燃料電池システムの発電運転の開始前に、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる。
【００３５】
第１２の本発明の燃料電池システムは、前記伝熱媒体流路はサーペンタイン状流路であって、前記副入口は、前記伝熱媒体流路の反転部に接続しているとよい。
【００３６】
このように構成すると、反転部において伝熱媒体の混合が促進され、伝熱媒体の温度の均一化が促進される。
【００３７】
第１３の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、前記アノードガス流路、前記カソードガス流路及び前記伝熱媒体流路が互いに並行流構造に構成されている燃料電池スタックであるであるとよい。
【００３８】
このように構成すると、燃料電池スタックに供給される還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の温度がほぼ等しい運転状態において、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体同士の熱交換がさらに抑制され、還元剤流路及び酸化剤流路における結露がさらに抑制される。
【００３９】
第１４の本発明の燃料電池システムは、前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された排出側温度検出器と、
前記伝熱媒体供給部に配設された供給側温度検出器と、をさらに有し、
前記制御装置は、前記移行を、前記供給側温度検出器と前記排出側温度検出器との検出温度差に基づいて開始するとよい。
【００４０】
このように構成すると、本発明を的確に実行することができる。
【００４１】
第１５の本発明の燃料電池システムは、前記伝熱媒体流路出口に接続される伝熱媒体排出路と、
前記伝熱媒体排出路に配設された温度検出器と、をさらに有し、
前記制御装置は、前記移行の開始を、前記温度検出器の検出温度に基づいて開始するとよい。
【００４２】
このように構成すると、より簡素な構造で、本発明を実行することができる。
【００４３】
第１６の本発明の燃料電池システムは、前記制御装置は、前記伝熱媒体供給部を制御して、伝熱媒体の全体の供給流量に占める、前記副入口への供給流量の比率が５０％以上８０％以下となるように分散供給するとよい。
【００４４】
このように構成すると、還元剤流路及び酸化剤流路の上流側領域の予熱と下流側領域の予熱とをより良くバランスさせることができる。
【００４５】
第１７の本発明の燃料電池システムは、前記副入口が複数形成されているとよい。
【００４６】
このように構成すると、伝熱媒体流路への伝熱媒体の供給位置をより多く分散させることができるので、伝熱媒体流路の全体をより均等に予熱することができる。すなわち、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができる。
【００４７】
第１８の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックは、全ての前記主入口に接続する主供給マニホールドと、全ての前記副入口に接続する副供給マニホールドとを有し、
前記伝熱媒体供給部は、前記副供給マニホールド側に供給される伝熱媒体の流量を調整する流量調整具を有し、
前記制御装置は、前記流量調整具を制御して、前記分散供給及び前記移行を行うとよい。
【００４８】
このように構成すると、流量調整具によって分散供給ステップ及び移行ステップを的確に実行することができる。
【００４９】
第１９の本発明の燃料電池システムは、前記流量調整具は、弁と、異径管及びオリフィスの少なくともいずれかと、を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量が前記主供給マニホールドへの流量に対して一定の比率となるように構成されているとよい。
【００５０】
このように構成すると、主供給マニホールド及び副供給マニホールドへのより好適な流量配分を実現することができる。
【００５１】
第２０の本発明の燃料電池システムは、前記流量調整具は、開度調整可能な弁を有し、前記副供給マニホールドへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ前記副供給マニホールドへの流量を調整可能に構成されているとよい。
【００５２】
このように構成すると、より簡素な構造で、本発明を実行することができる。
【発明の効果】
【００５３】
以上のように、本発明の燃料電池の運転方法及びその運転方法を利用した燃料電池システムは、燃料電池システムの発電運転の開始前に、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明を行う。
【００５５】
（第１実施形態）
まず、本実施形態のＰＥＦＣ本体（燃料電池スタック）９９の構成を説明する。
【００５６】
図１は、本発明の第１実施形態の単電池及びＰＥＦＣ本体の積層構造を模式的に例示する部分分解斜視図である。
【００５７】
一般的には、ＰＥＦＣは、単電池（セル）１０が複数積層されたＰＥＦＣ本体（スタック）９９と、還元剤供給マニホールド９２Ｉと、酸化剤マニホールド９３Ｉと、水主供給マニホールド（主供給マニホールド）９４Ｉと、水副供給マニホールド（副供給マニホールド）９４Ｗと、還元剤排出マニホールド９２Ｅと、酸化剤排出マニホールド９３Ｅと、水排出マニホールド９４Ｅと、を有して構成されている。本実施形態では、図１に示すように、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ，９４Ｗ，９２Ｅ，９３Ｅ，９４ＥがＰＥＦＣ本体９９に一体化されて構成されている。本実施形態のＰＥＦＣは、いわゆる内部マニホールド型のＰＥＦＣである。
【００５８】
そして、単電池１０はＭＥＡ５を挟んで対向するアノードセパレータ板９Ａ及びカソードセパレータ板９Ｃ（両者をセパレータと総称する）を有する。より正確には、単電池１０は、ＭＥＡ部材７が一対のセパレータ板９Ａ、９Ｃで挟まれて構成されている。
【００５９】
また、本実施形態では、全てのセパレータ板９Ａ、９Ｃ及びＭＥＡ部材７には、それぞれ厚さ方向に貫通するマニホールド孔が相互に積層するように形成されており、複数のセパレータ板９Ａ、９Ｃ及びＭＥＡ部材７の積層によって還元剤供給マニホールド９２Ｉ、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ、伝熱媒体主供給マニホールド９４Ｉ、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗ、還元剤排出マニホールド９２Ｅ、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅが単電池１０の積層方向に沿って延伸して形成されている。
【００６０】
具体的には、平面視において、セパレータ板９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、ボルト孔１５、２５，３５、還元剤供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、還元剤排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、酸化剤供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、酸化剤排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、伝熱媒体主供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、伝熱媒体副供給マニホールド孔１４Ｗ、２４Ｗ、３４Ｗ、および伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、それぞれの主面を貫通するようにして形成されている。還元剤供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、および還元剤排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、還元剤供給マニホールド９２Ｉおよび還元剤排出マニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、酸化剤供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、および酸化剤排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、酸化剤供給マニホールド９３Ｉおよび酸化剤排出マニホールド９３Ｅを形成する。さらに、同様にして、伝熱媒体主供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、伝熱媒体副供給マニホールド孔１４Ｗ、２４Ｗ、３４Ｗ、および伝熱媒体排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、伝熱媒体主供給マニホールド９４Ｉ、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗ、及び伝熱媒体排出マニホールド９４Ｅを形成する。
【００６１】
セパレータ板９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。例えば、黒鉛板、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板、金属板からなる。また、アノードセパレータ板９Ａの内面には、還元剤供給マニホールド孔（入口）２２Ｉと還元剤排出マニホールド孔（出口）２２Ｅとの間を結ぶようにして還元剤流路溝２１が形成されている。また、還元剤流路溝２１は、アノードセパレータ板９Ａの内面の中心部全面に亘ってサーペンタイン（serpentine）状に形成されている。
【００６２】
同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの内面には、酸化剤供給マニホールド孔（入口）３３Ｉと酸化剤排出マニホールド孔（出口）３３Ｅとの間を結ぶようにして酸化剤流路溝３１が形成されている。また、酸化剤流路溝３１は、カソードセパレータ板９Ｃの内面の中心部全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。ここで、サーペンタイン状とは、入口あるいは主入口から出口にかけて蛇行している流路の形態をいい、流路を反転させる反転部を少なくとも１つ有する流路の形態をいう。
【００６３】
これによって、セル１０組立状態において、ＭＥＡ５が還元剤流路溝２１及び酸化剤流路溝３１の溝蓋となる。換言すれば、還元剤流路溝２１と酸化剤流路溝３１とは、ＭＥＡ５によって隔離されて、還元剤流路溝２１が還元剤流路２１となり、酸化剤流路溝３１が酸化剤流路３１となる（なお、後述する水流路溝２６，３６を含め、これら流路溝２１，３１，２６，３６を適宜、「流路」と略称する）。ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ板９Ａとの間には、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉと還元剤排出マニホールド孔２２Ｅとを結んで延びる還元剤流路２１が構成される。また、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ板９Ｃとの間には、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉと酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅとを結んで延びる酸化剤流路３１が構成される。
【００６４】
ここで、還元剤流路溝２１の還元剤排出マニホールド孔２２Ｅ側（出口側）の流路領域を下流側領域２１Ｄといい、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉ側（入口側）の流路領域を上流側領域２１Ｕという。また、酸化剤流路溝３１の酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅ側（出口側）の流路領域を下流側領域３１Ｄといい、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉ側（入口側）の流路領域を上流側領域３１Ｕという。より正確には、下流側領域２１Ｄ、３１Ｄは、還元剤流路溝２１及び酸化剤流路溝３１それぞれにおいて、出口２２Ｅ，３３Ｅからの流路長が全体流路長の半分程度になるまでの流路領域をいう。また、上流側領域２１Ｕ、３１Ｕは、入口２２Ｉ，３３Ｉからの流路長が全体流路長の半分程度になるまでの流路領域をいう。
【００６５】
図２は、図１の単電池の構造を示す要部断面図である。
【００６６】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜１に密着して、高分子電解質膜１を挟み込むようにして構成された枠体６と、を有して構成されている。したがって、枠体６の中央開口部（枠内）の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、枠体６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、ガスケットの機能を有している。枠体６の材質の例示としては、フッ素系ゴムが好適である。
【００６７】
ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。アノード側の電極層は、高分子電解質膜１の一方の面に配設されたアノード側触媒層２Ａと、アノード側触媒層２Ａの外面に配設されたアノード側ガス拡散層４Ａとを備えて構成されている。カソード側の電極層は、高分子電解質膜１の他方の面に配設されたカソード側触媒層２Ｃと、カソード側触媒層２Ｃの外面に配設されたカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、触媒層２Ａ、２Ｃは白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。
【００６８】
高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜１上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、ＭＥＡの市販品を利用することもできる。
【００６９】
ガス拡散層４Ａは、単電池１０組立状態において、アノードセパレータ板９Ａの内面の還元剤流路溝２１を覆う。カソード側ガス拡散層４Ｃは、カソードセパレータ板９Ｃの内面の酸化剤流路溝３１を覆う。
【００７０】
アノードセパレータ板９Ａの還元剤流路溝２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、還元剤流路溝２１内を流通する還元剤は、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの酸化剤流路溝３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、酸化剤流路溝３１内を流通する酸化剤は、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。セパレータ板９Ａ、９Ｃは導電性材料からなるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ板９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。
【００７１】
図３は、図１のＰＥＦＣ本体の単電池間の積層構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【００７２】
図３に示すように、アノードセパレータ板９Ａの外面には、伝熱媒体主供給マニホールド孔（主入口）２４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔（出口）２４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝２６が形成されている。伝熱媒体流路溝２６は、アノードセパレータ板９Ａの外面全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの外面には、伝熱媒体主供給マニホールド孔３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして伝熱媒体流路溝３６が形成されている。伝熱媒体流路溝３６は、カソードセパレータ板９Ｃの外面全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。また、ＰＥＦＣ本体９９においては、伝熱媒体流路溝２６と伝熱媒体流路溝３６とが接合するように形成されている。すなわち、単電池１０積層状態において伝熱媒体流路溝２６，３６は一体化し、積層された単電池１０の外面同士の間には伝熱媒体主供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉと伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅ，３４Ｅとを結んで延びる伝熱媒体流路２６，３６が構成される。これによって、発電運転時にはＰＥＦＣ本体９９の反応熱を除熱し、また、発電運転開始前にはＰＥＦＣ本体９９を予熱することができる。
【００７３】
ここで、伝熱媒体流路溝２６，３６の伝熱媒体排出マニホールド孔２４Ｅ、３４Ｅ側（出口側）の流路領域を下流側領域２６Ｄ，３６Ｄといい、伝熱媒体主供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉ側（入口側）の流路領域を上流側領域２６Ｕ、３６Ｕという。また、伝熱媒体流路溝２６，３６の伝熱媒体排出マニホールド孔３３Ｅ側（出口側）の流路領域を下流側領域３１Ｄといい、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉ側（入口側）の流路領域を上流側領域３１Ｕという。より正確には、下流側領域２６Ｄ、３６Ｄは、伝熱媒体流路溝２６、３６において、出口２４Ｅ，３４Ｅからの流路長が全体流路長の半分程度になるまでの流路領域をいう。また、上流側領域２６Ｕ、３６Ｕは、入口２４Ｉ，３４Ｉからの流路長が全体流路長の半分程度になるまでの流路領域をいう。
【００７４】
ここで、図２及び図３を照合するとわかるように、ＰＥＦＣ本体９９は、還元剤流路２１、酸化剤流路３１及び伝熱媒体流路２６，３６の上流側領域２１Ｕ、３１Ｕ、２６Ｕ、３６Ｕ同士が相互に背面に位置し、還元剤流路２１、酸化剤流路３１及び伝熱媒体流路２６，３６の下流側領域同士２１Ｄ、３１Ｄ、２６Ｄ，３６Ｄが相互に背面に位置する構造となっている。このような構造を上下流相対構造という。これによって、ＰＥＦＣ本体９９に供給される還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の温度がほぼ等しい運転状態において、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体同士の熱交換が抑制され、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１における結露が抑制される。
【００７５】
また、さらに詳しくは、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の流通方向は全て、図において上から下に向かって蛇行して構成されている。すなわち、サーペンタイン状流路である還元剤流路２１、酸化剤流路３１及び伝熱媒体流路２６，３６同士が、その全体的な流通方向が並行している。このような構造を並行流構造という。並行流構造は上下流相対構造に属している。これによって、ＰＥＦＣ本体９９に供給される還元剤、酸化剤及び伝熱媒体の温度がほぼ等しい運転状態において、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体同士の熱交換がさらに抑制され、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１における結露がさらに抑制される。
【００７６】
また、伝熱媒体流路溝２６，３６には、伝熱媒体副供給マニホールド孔（副入口）２４Ｗ、３４Ｗから下流側領域２６Ｄ、３６Ｄに接続する流路が形成されている。
【００７７】
図４は、図３のカソードセパレータ板の外面の伝熱媒体流路の合流領域近傍を拡大して例示する模式図である。なお、カソードセパレータ板９Ｃの外面の構造とアノードセパレータ板９Ａの外面の構造とは、図において左右対称構造である。したがって、アノードセパレータ板９Ａの合流領域の説明は、図４に基づくカソードセパレータ板９Ｃの合流領域３６Ｍの説明に同じであるので、省略する。
【００７８】
図４に示すように、伝熱媒体副供給マニホールド孔（副入口）３４Ｗからの流路３６Ｌと伝熱媒体流路溝３６との接合部には合流領域３６Ｍが形成されている。本実施形態では、サーペンタイン状の反転部において、並行する複数の流路溝が合流して、その結果、拡幅された溝内に複数の柱３６Ｎがマトリクス状に点在している。これによって、伝熱媒体は柱３６Ｎの周囲を縫うように流通し、伝熱媒体主供給マニホールド孔３４Ｉから流れてきた伝熱媒体と、伝熱媒体副供給マニホールド孔３４Ｗから流れてきた伝熱媒体とが攪拌され混合が促進される。
【００７９】
また、合流領域３６Ｍは、伝熱媒体流路溝３６が進行方向を反転する反転部に形成されている。これによって、伝熱媒体主供給マニホールド孔３４Ｉから流れてきた伝熱媒体は慣性力によって、反転部の外側に寄る。また、伝熱媒体副供給マニホールド孔３４Ｗから流れてきた伝熱媒体は反転部の外側から反転部の内側に向けて流入する。したがって、伝熱媒体主供給マニホールド孔３４Ｉから流れてきた伝熱媒体と、伝熱媒体副供給マニホールド孔３４Ｗから流れてきた伝熱媒体との混合が促進され、伝熱媒体の温度の均一化が促進される。
【００８０】
図５は、図１のＰＥＦＣ本体の端部の構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【００８１】
ＰＥＦＣ本体９９は、単電池１０の積層方向の両端に一対の端部材が配設されて構成されている。すなわち、単電池１０の両端の最外層には、単電池１０と同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，端板７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，端板７０，７１の４隅にはボルト孔５５，６５，７５が形成されている。
【００８２】
集電板５０，５１は銅金属等導電性材料からなり、それぞれ端子５６が形成されている。そして、一方の集電板５０には、その主面を貫通する供給孔及び排出孔が形成されている。具体的には、集電板５０に当接するカソードセパレータ板９ＣＥ、すなわち、積層された単電池１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ板９ＣＥの伝熱媒体主供給マニホールド孔３４Ｉに連通する伝熱媒体主供給孔５４Ｉ、伝熱媒体副供給マニホールド孔３４Ｗに連通する伝熱媒体副供給孔５４Ｗ、伝熱媒体排出マニホールド孔３４Ｅに連通する伝熱媒体排出孔５４Ｅ、還元剤供給マニホールド孔３２Ｉに連通する還元剤供給孔５２Ｉ、還元剤排出マニホールド孔３２Ｅに連通する還元剤排出孔５２Ｅ、酸化剤供給孔３３Ｉに連通する酸化剤供給孔５３Ｉ、および酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅに連通する酸化剤排出孔５３Ｅが形成されている。
【００８３】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。そして、一方の絶縁板６０には、集電板５０に形成された供給孔及び排出孔５２Ｉ，５２Ｅ，５３Ｉ，５３Ｅ，５４Ｉ，５４Ｗ、５４Ｅにそれぞれ連通する還元剤供給孔６２Ｉ、還元剤排出孔６２Ｅ、酸化剤供給孔６３Ｉ、酸化剤排出孔６３Ｅ、伝熱媒体主供給孔６４Ｉ、伝熱媒体副供給孔６４Ｗ、及び伝熱媒体排出孔６４Ｅが形成され、一方の端板７０には、絶縁板６０に形成された供給孔及び排出孔６２Ｉ，６２Ｅ，６３Ｉ，６３Ｅ，６４Ｉ，６４Ｗ，６４Ｅにそれぞれ連通する還元剤供給孔７２Ｉ、還元剤排出孔７２Ｅ、酸化剤供給孔７３Ｉ、酸化剤排出孔７３Ｅ、伝熱媒体主供給孔７４Ｉ、伝熱媒体副供給孔７４Ｗ、及び伝熱媒体排出孔７４Ｅが形成されている。そして、端板７０外面側の供給孔及び排出孔７２Ｉ，７２Ｅ，７３Ｉ，７３Ｅ，７４Ｉ，７４Ｗ、７４Ｅにはそれぞれ還元剤供給ノズル１０２Ｉ、還元剤排出ノズル１０２Ｅ、酸化剤供給ノズル１０３Ｉ、酸化剤排出ノズル１０３Ｅ、伝熱媒体主供給ノズル１０４Ｉ、伝熱媒体副供給ノズル１０４Ｗ、及び伝熱媒体排出ノズル１０４Ｅが装着されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，および端板７１はこれら供給孔及び排出孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，端板７０と同じ構成である。これによって、ＰＥＦＣ本体９９内には、還元剤、酸化剤及び伝熱媒体それぞれについて、供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ、５４Ｉ、６４Ｉ、７４Ｉ、５４Ｗ、６４Ｗ、７４Ｗ、及び供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉを経て、供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ、９４Ｗから各単電池１０、あるいは単電池１０の外面同士の間、の流路溝２１，３１，２６，３６に分流して、排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅで合流して、排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅから排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅに至る流路が形成される。
【００８４】
そして、締結部材によって、一対の端部材間が締結されている。ここでは、ボルト８０が、ボルト孔１５、２５，３５、５５，６５，７５に挿通されて、ＰＥＦＣ本体９９の両端間を貫通している。そして、ボルト８０の両端に座金８１とナット８２が装着されて、一対の端板７０，７１間がボルト８０と座金８１とナット８２とによって締結されて構成されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2程度の力で締結されている。
【００８５】
なお、積層された単電池１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ板９ＣＥの外面には伝熱媒体流路溝３６は形成されていない。また、図示しないが、他方の端面を構成するアノードセパレータの外面にも伝熱媒体流路溝２６は形成されていない。
【００８６】
図1乃至図４の説明から明らかなように、ＰＥＦＣ本体９９においては、伝熱媒体主供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉが伝熱媒体流路の主入口となり、伝熱媒体副供給マニホールド孔２４Ｗ、３４Ｗが伝熱媒体流路の副入口となる。
【００８７】
図６は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【００８８】
図６に示すように、ＰＥＦＣ本体９９の還元剤供給ノズル１０２Ｉには、還元剤供給路１１２Ｉが接続され、還元剤供給路１１２Ｉは還元剤供給部１４２に接続されている。
【００８９】
本実施形態では、還元剤には水素を含有する水素ガスが用いられている。還元剤供給部１４２は一般的な構造を利用しているので詳細は図示しないが、水素ガスを供給する装置を有して構成されている。例えば、還元剤供給部１４２は、水素ガスを貯留する水素ガスボンベと、水素ガスの供給圧あるいは流量を調節する圧力調整弁あるいは弁開度調整弁とを有して構成されている。あるいは、還元剤供給部１４２は、天然ガス等の炭化水素系燃料を供給する供給インフラと、供給インフラから供給される炭化水素系燃料を原料にして水蒸気改質反応等により水素ガスを生成かつ供給する水素製造供給システムとを有して構成されていてもよい。
【００９０】
また、還元剤排出ノズル１０２Ｅには、還元剤排出路１１２Ｅが接続されている。還元剤排出路１１２Ｅの大気開放端、すなわち還元剤の流通方向において下流端には還元剤排出路１１２Ｅ内の気体を焼却処分することができる燃焼装置（図示せず）が構成されている。
【００９１】
酸化剤供給ノズル１０３Ｉには、酸化剤供給路１１３Ｉが接続され、酸化剤供給路１１３Ｉは酸化剤供給部１４３に接続されている。
【００９２】
酸化剤には酸素を含有する酸素ガスが一般的に用いられ、本実施形態では空気が用いられている。酸化剤供給部１４３は、公知の構造を利用しているので詳細は図示しないが、一般的にはシロッコファン等の送風器、空気中の硫黄分を排除するフィルタ、及び酸化剤を予熱しながら加湿する加湿器を有して構成されている。
【００９３】
酸化剤排出ノズル１０３Ｅには、酸化剤排出路１１３Ｅが接続されている。酸化剤排出路１１３Ｅは、還元剤の流通方向において下流端は大気開放されていて、余剰の酸化剤を大気中に放出する排気口（図示せず）が構成されている。
【００９４】
伝熱媒体主供給ノズル１０４Ｉには、伝熱媒体主供給路１１４Ｉが接続され、伝熱媒体主供給路１１４Ｉは伝熱媒体供給部１４４の送出側に接続されている。
【００９５】
伝熱媒体供給部１４４は、ポンプ１３２と、熱交換器１３３とを有して構成されている。伝熱媒体供給部１４４の吸い込み側は、外部の伝熱媒体供給源に接続されている。ここでは、伝熱媒体供給部１４４の吸い込み側は、伝熱媒体排出路１１４Ｅに接続され、伝熱媒体が燃料電池システム内で循環するように構成されている。なお、伝熱媒体には水、シリコンオイルのように伝熱性に優れ、セパレータ板９Ａ、９Ｃ等への腐食性が低い液体又は気体の物質を利用することができる。
【００９６】
伝熱媒体排出ノズル１０４Ｅには、伝熱媒体排出路１１４Ｅが接続されている。本実施形態では、伝熱媒体排出路１１４Ｅは、伝熱媒体供給部１４４の熱交換器に接続されている。また、伝熱媒体排出路１１４Ｅには、温度検出器（排出側温度検出器）２０１Ｅが配設されている。
【００９７】
伝熱媒体副供給ノズル１０４Ｗには、伝熱媒体副供給路１１４Ｗが接続され、伝熱媒体副供給路１１４Ｗは伝熱媒体供給部１４４の送出側に接続されている。また、伝熱媒体供給部１４４内の伝熱媒体副供給路１１４Ｗには弁（流量調整具）１３１が配設されている。弁１３１は、弁開度調整機能を有する。
【００９８】
また、伝熱媒体供給部１４４には、送出する伝熱媒体の温度を検出する温度検出器（供給側温度検出器）２０１Ｉが配設されている。
【００９９】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びＣＲＴ、プリンター等によって構成されている表示部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、温度検出器２０１Ｉ、２０１Ｅの情報を取得し、かつ、伝熱媒体供給部１４４を制御するように構成されている。例えば、制御装置３００は、熱交換器１３３の熱交換能力を調整したり，ポンプ１３２の吐出流量を調整したり、弁１３１の弁開度を調整したりするように構成されている。
【０１００】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して各供給部や弁類を制御するように構成されていてもよい。例えば、表示部３０３は、通信端末で構成され、制御部３０４が通信機能を有し、制御部３０４から送信されてくる情報を通信端末に表示するように構成することもできる。
【０１０１】
次に、本実施形態の燃料電池システムの予熱運転における動作を説明する。
【０１０２】
「予熱運転」とは、燃料電池システムの発電運転の開始前の運転であって、燃料電池スタックを昇温させる運転をいう。
【０１０３】
図７は、図６の燃料電池システムの予熱運転における動作例を示すフローチャートである。これらの動作は制御装置３００が各構成要素を制御することによって遂行される。
【０１０４】
ＰＥＦＣ本体９９の予熱運転は、制御部３０４が指令信号を取得することによって開始される。当該指令信号は、図示しないが、一般的には、燃料電池システムの起動スイッチのＯＮ操作、電気負荷側からの発電要求、燃料電池本体の温度、外気温度等に基づいて適宜発信される。
【０１０５】
図７に示すように、スタート後、まず、ステップ（分散供給ステップ）Ｓ１において、弁１３１が適当な弁開度で開放されて、伝熱媒体の分散供給が開始される。これによって、伝熱媒体は、伝熱媒体主供給マニホールド９４Ｉ及び伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗの双方から伝熱媒体流路２６，３６に分散供給される。
【０１０６】
ここで、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗに供給される伝熱媒体は、合流領域３６Ｍにおいて、上流側領域２６Ｕ、３６Ｕにおいて冷却された伝熱媒体に冷却されてしまう。したがって、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗに供給される伝熱媒体は、伝熱媒体主供給マニホールド９４Ｉに供給される伝熱媒体よりも多い方が良い。具体的には、伝熱媒体の全体の供給流量に占める、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへの供給流量の比率は、５０％以上８０％以下とすると好適である。これによって、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の上流側領域２１Ｕ、３１Ｕの予熱と下流側領域２１Ｄ、３１Ｄの予熱とをより良くバランスさせることができる。
【０１０７】
また、弁（流量調整具）１３１は伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへの流量を調整可能に構成されている。したがって、燃料電池システムの構成に応じて伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへの流路抵抗を調整することができるので、伝熱媒体主供給マニホールド９４Ｉ及び伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへのより好適な流量配分を実現することができる。
【０１０８】
なお、供給される伝熱媒体の温度は、熱交換器１３３において調整される。
【０１０９】
ステップＳ２において、温度検出器２０１Ｉの供給側検出温度ＴI及び温度検出器２０１Ｅの排出側検出温度ＴEを取得して、検出温度差ΔＴ＝ＴI−ＴEを算出して、検出温度差ΔＴを移行温度差ΔＴ0と対比する。伝熱媒体によって燃料電池本体９９の予熱が進むに従い、検出温度差ΔＴは小さくなる。検出温度差ΔＴが移行温度差ΔＴ0以下になると、ステップＳ３に進む。
【０１１０】
ここで、移行温度差ΔＴ0は、送出する伝熱媒体の温度、すなわち供給側検出温度ＴIを基準にして、伝熱媒体排出マニホールド（出口）９４Ｅの伝熱媒体の温度が単電池１０の電気化学反応に適した温度となるように設定されている。具体的には、供給側検出温度ＴIが７０℃となるように伝熱媒体供給部１４４が制御され、移行温度差ΔＴ0は、２乃至３℃程度に設定されている。なお、伝熱媒体排出マニホールド（出口）９４Ｅから温度検出器２０１Ｅの配設位置までの伝熱媒体の温度降下が無視できない場合、移行温度差ΔＴ0は、この温度降下も考慮して設定される。
【０１１１】
このようなステップＳ２の判断によって、本発明を的確に実行することができる。しかし、ステップＳ２の判断を便宜的な判断に置換することもできる。例えば、時間計測によって、所定の時間経過を判断するように構成することもできる。
【０１１２】
ステップ（移行ステップ）Ｓ３において、弁１３１が閉鎖される。これによって、伝熱媒体の供給は、伝熱媒体副供給マニホールド（副入口）９４Ｗへの伝熱媒体の供給が遮断され、伝熱媒体主供給マニホールド（主入口）９４Ｉからのみの供給に移行し、予熱運転は終了する。
【０１１３】
燃料電池の発電運転においては、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１においては、電気化学反応による反応熱及び生成水により還元剤及び酸化剤が加熱及び加湿され、下流側ほど還元剤及び酸化剤は高温多湿となる。したがって、下流側領域２６Ｄ、３６Ｄに伝熱媒体が追加して供給されると、下流側領域２１Ｄ、３１Ｄの還元剤及び酸化剤が却って冷却され、下流側領域２１Ｄ、３１Ｄにおいて、結露が生じるおそれがある。そこで、移行ステップＳ３によって、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１における結露のおそれを防止し、発電運転に適した伝熱媒体の流れに戻すことができる。すなわち、移行ステップＳ３によって、発電運転に適した伝熱媒体の流れに円滑に移行させることができる。
【０１１４】
そして、還元剤供給部１４２及び酸化剤供給部１４３から適宜、還元剤及び酸化剤が供給され、燃料電池システムの発電運転へと移行する。
【０１１５】
以上、本発明の分散供給ステップＳ１によって、下流側領域２６Ｄ、３６Ｄに予熱に適した温度の伝熱媒体が供給されるので、伝熱媒体流路２６，３６は上流側領域２６Ｕ、３６Ｕ及び下流側領域２６Ｄ、３６Ｄ双方ともを電気化学反応に適した温度に予熱することができる。しかも、燃料電池本体９９は上下流域相対構造であるので、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の上流側領域２６Ｕ、３６Ｕの昇温状況と、下流側領域２１Ｄ、３１Ｄの昇温状況との差異を小さくすることができる。そして、移行ステップＳ３によって燃料電池の発電運転に適した伝熱媒体流路に円滑に移行させることができる。すなわち、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる。特に、ＰＥＦＣシステムが発電運転の開始後に低出力発電運転を継続する場合においては、単電池からの発熱量が小さいので、燃料電池システムの発電出力を速やかに安定させることができる。ここで、「低出力発電運転」とは、発電出力が低く、単電池からの発熱量が燃料電池本体からの放熱量以下である状態の運転をいう。
【０１１６】
また、分散供給ステップＳ１及び移行ステップＳ３は、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗ側に供給される伝熱媒体の流量を調整する弁（流量調整具）１３１によって的確に実行することができる。
【０１１７】
なお、分散供給ステップＳ１から移行ステップＳ３への判断は変形例１のように構成することもできる。
【０１１８】
［変形例１］
図８は、図７のフローチャートの変形例である。
【０１１９】
図８は、図７のステップＳ２がステップＳ１２に置換されたフローチャートである。したがって、ステップ１２以外は図７と同じであるので説明を省略する。
【０１２０】
図８において、ステップ１２において、温度検出器２０１Ｅの排出側検出温度ＴEが移行温度Ｔ0と対比される。伝熱媒体によって燃料電池本体９９の予熱が進むに従い、排出側検出温度ＴEは高くなる。排出側検出温度ＴEが移行温度Ｔ0以上になると、ステップＳ３に進む。
【０１２１】
ここで、移行温度Ｔ0は、伝熱媒体排出マニホールド（出口）９４Ｅの伝熱媒体の温度が単電池１０の電気化学反応に適した温度となるように設定されている。本変形例では、移行温度Ｔ0は、６８℃に設定される。これによって、供給側の温度検出器２０１Ｉの検出温度ＴIを不要とすることができるので、運転制御の構造を簡素化することができる。
【０１２２】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。例えば、本実施形態では、内部マニホールド型のＰＥＦＣ本体９９を用いているが、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ，９４Ｗ，９２Ｅ，９３Ｅ，９４ＥがＰＥＦＣ本体９９とは別の部材によって構成されている構造（いわゆる外部マニホールド型の構造）においても、同様であり、本発明を適用できる。
【０１２３】
また、弁１３１の代わりに、弁開度調整機能を有しない弁と、異径管及びオリフィスの少なくともいずれかと、を有し、伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへの伝熱媒体の供給を遮断可能であって、かつ伝熱媒体副供給マニホールド９４Ｗへの流量が伝熱媒体主供給マニホールド９４Ｉへの流量に対して一定の比率となるように構成してもよい。これによって、燃料電池システムの運転制御を簡素化することができる。
【０１２４】
さらに、伝熱媒体副マニホールド（副入口）９４Ｗは複数形成されていてもよい。これにより、伝熱媒体流路２６，３６への伝熱媒体の供給位置をより多く分散させることができるので、伝熱媒体流路２６，３６の全体をより均等に予熱することができる。すなわち、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の全体をより均等に予熱することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、燃料電池システムの発電運転の開始前に、還元剤流路及び酸化剤流路の全体をより均等に予熱することができ、かつ、円滑に発電運転に移行することができる、燃料電池の運転方法及びその運転方法を利用した燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の第１実施形態の単電池及びＰＥＦＣ本体の積層構造を模式的に例示する部分分解斜視図である。
【図２】図１の単電池の構造を示す要部断面図である。
【図３】図１のＰＥＦＣ本体の単電池間の積層構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【図４】図３のカソードセパレータ板の外面の伝熱媒体流路の合流領域近傍を拡大して例示する模式図である。
【図５】図１のＰＥＦＣ本体の端部の構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【図６】第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。
【図７】図６の燃料電池システムの予熱運転における動作例を示すフローチャートである。
【図８】図７のフローチャートの変形例である。
【符号の説明】
【０１２７】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  ＭＥＡ
６  枠体
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ板
９Ｃ  カソードセパレータ板
１０  単電池
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  還元剤供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  還元剤排出マニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  酸化剤供給マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  酸化剤排出マニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  伝熱媒体主供給マニホールド孔
１４Ｗ、２４Ｗ、３４Ｗ  伝熱媒体副供給マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  伝熱媒体排出マニホールド孔
１５，２５，３５、５５，６５，７５  ボルト孔
２０、３０  ＭＥＡ当接領域
２１  還元剤流路溝
２６、３６  伝熱媒体流路溝
３１  酸化剤流路溝
２１Ｕ，２６Ｕ、３１Ｕ，３６Ｕ  上流側領域
２１Ｄ，２６Ｄ、３１Ｄ，３６Ｄ  下流側領域
３６Ｍ  合流領域
３６Ｎ  柱
３６Ｌ  流路
５０、５１  集電板
５６  端子
６０、６１  絶縁板
７０、７１  端板
５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  還元剤供給孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  還元剤排出孔
５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  酸化剤供給孔
５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  酸化剤排出孔
５４Ｉ、６４Ｉ，７４Ｉ  伝熱媒体主供給孔
５４Ｗ、６４Ｗ，７４Ｗ  伝熱媒体副供給孔
５４Ｅ、６４Ｅ，７４Ｅ  伝熱媒体排出孔
８０  ボルト
８１  座金
８２  ナット
９２Ｉ  還元剤供給マニホールド
９２Ｅ  還元剤排出マニホールド
９３Ｉ  酸化剤供給マニホールド
９３Ｅ  酸化剤排出マニホールド
９４Ｉ  伝熱媒体主供給マニホールド（主供給マニホールド）
９４Ｗ  伝熱媒体副供給マニホールド（副供給マニホールド）
９４Ｅ  伝熱媒体排出マニホールド
９９  ＰＥＦＣ本体
１０２Ｉ  還元剤供給ノズル
１０２Ｅ  還元剤排出ノズル
１０３Ｉ  酸化剤供給ノズル
１０３Ｅ  酸化剤排出ノズル
１０４Ｉ  伝熱媒体主供給ノズル
１０４Ｗ  伝熱媒体副供給ノズル
１０４Ｅ  伝熱媒体排出ノズル
１１２Ｉ  還元剤供給路
１１２Ｅ  還元剤排出路
１１３Ｉ  酸化剤供給路
１１３Ｅ  酸化剤排出路
１１４Ｉ  伝熱媒体主供給路
１１４Ｗ  伝熱媒体副供給路
１１４Ｅ  伝熱媒体排出路
１３１  弁
１３２  ポンプ
１３３  熱交換器
１４２  還元剤供給部
１４３  酸化剤供給部
１４４  伝熱媒体供給部
２０１Ｉ、２０１Ｅ  温度検出器
３００  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  表示部
３０４  制御部
Ｓ  ステップ
ＴI  供給側検出温度
ＴE  排出側検出温度
ΔＴ  検出温度差
Ｔ0  移行温度
ΔＴ0  移行温度差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008258113.tif 000009
【図８】
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