(57)【要約】【課題】氷点以下の低温状態での円滑な起動を可能とし、通常運転時のフラッディングも解消する。【解決手段】固体高分子電解質膜１の両側に電極触媒４を配置し、アノード極に供給される水素を含む燃料ガスとカソード極に供給される酸素含有ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池において、固体高分子電解質膜１の内部に流体流路２を形成し、流体流路２の内壁面の少なくとも一部に吸水材３を設ける。燃料電池システムは、このような構成の燃料電池を備え、燃料電池の流体流路２に湿度調節用流体を供給する流体供給手段と、流体流路２の入口側と出口側の差圧を調節する差圧調節手段を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に電極触媒を配置し、アノード極に供給される水素を含む燃料ガスとカソード極に供給される酸素含有ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池であって、
前記固体高分子電解質膜の内部に流体流路が形成されるとともに、当該流体流路の内壁面の少なくとも一部に吸水材が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記吸水材は、無機多孔質粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
水素を含む燃料ガスが供給されるアノード極と酸素含有ガスが供給されるカソード極とが、両側に電極触媒が配置された固体高分子電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流体流路の入口側が連通されるマニホールドと、前記流体流路の出口側が連通されるマニホールドとを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
固体高分子電解質膜の両側に電極触媒を配置し、アノード極に供給される水素を含む燃料ガスとカソード極に供給される酸素含有ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池であって、前記固体高分子電解質膜の内部に流体流路が形成されるとともに、当該流体流路の内壁面の少なくとも一部に吸水材が設けられてなる燃料電池を備え、
前記流体流路に湿度調節用流体を供給する流体供給手段と、前記流体流路の入口側と出口側の差圧を調節する差圧調節手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、流体流路の入口側が連通されるマニホールドと、前記流体流路の出口側が連通されるマニホールドとを有し、
前記湿度調節用流体は、これらマニホールドから供給・排出されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
氷点下からの起動に備えて前記流体流路内の吸水材を乾燥させておくことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記吸水材の乾燥度合いを測定する計測手段と、前記燃料電池の温度又は外気の温度を測定する計測手段とを有し、氷点以下になる前に前記吸水材の含水乾燥状態を計測し、それに応じて前記湿度調節用流体を流すパージ時間を決定することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記吸水材の乾燥度合いを測定する計測手段と、前記燃料電池の温度又は外気の温度を測定する計測手段とを有し、氷点以下になる前に前記吸水材の含水乾燥状態を計測し、所定の含水乾燥状態となるまで前記湿度調節用流体によるパージを行うことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスが供給されるアノード極と酸素含有ガスが供給されるカソード極とが、両側に電極触媒が配置された固体高分子電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
高周波インピーダンス測定器を備え、前記吸水材の含水乾燥状態を前記発電セル間の高周波インピーダンスにより計測することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
通常運転時には、前記差圧調節手段により前記高分子固体電解質膜の含水乾燥状態を調節することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜に調湿機構を設けた新規な燃料電池に関するものであり、さらには、かかる燃料電池を用いた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う高分子固体電解質型燃料電池は、水素イオン（プロトン）を伝導する高分子固体電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極触媒とカソード側電極触媒とを配し、さらにその外側を一対のガス拡散層とセパレータによって挟持することにより発電セルが構成されている。
このような構成の燃料電池の発電セルにおいて、アノード極に供給された水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、高分子固体電解質膜を介してカソード極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード極には、酸素が供給されているため、このカソード極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。この発電セルの電圧は  通常運転時においては０．５Ｖから１Ｖ程度であるので、電池電圧を上げるために、発電セルを直列に積層したスタック構造が採用され、車両等に搭載されている。
【０００３】
ところで、高分子固体電解質型の燃料電池では、氷点下の低温状態で起動すると、発電セル内に残留している水が凍結しているので、反応ガスの電極触媒反応部への到達を阻害するという問題がある。すなわち、氷点下のような低温環境下から燃料電池を起動する際、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せずに、燃料電池を起動できないという問題がある。
【０００４】
この問題を解決する方法はいくつか提案されている。先ず、発電セルや燃料電池スタックを氷点以上に暖めれば生成水は凍結しないので、発電セルや燃料電池スタックを暖める方法がある。ただし、外部からヒータを用いて暖める方法は、例えば車両に搭載することを考えた場合、ヒータに供給するための電力を別途必要とするので、そのための大容量バッテリが必要になり現実的ではない。
【０００５】
そこで、氷点下の状態にある発電セルや燃料電池スタックに反応ガスと酸素含有ガスを供給し、発電に伴って生ずる熱を利用する自己加熱方法が提案されている（例えば、非特許文献１等を参照）。水素と酸素の反応エンタルピーのうち、発電に使われないエネルギーが熱に変換されるので、変換された熱によって燃料電池は暖められ、所定時間の後に氷点以上になる。
【０００６】
一方、氷点以上での運転においては、ガスの利用率（発電で消費されるガスの量／供給するガスの量）が低い状態で運転を行うと、発電により生成した水が結露したまま残留し易く、この液体の水が電極反応面を覆って電極反応面への反応ガス供給を阻害するフラッディング現象が生じ、セル電圧低下を招くという問題がある。
【０００７】
そこで、この対策として、セルの内部に吸水材を設けることが提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献４等を参照）。これら特許文献記載の技術では、吸水材としてはシリカゲルやゼオライトが用いられ、膜表面、ガス拡散層、膜内、セパレータに設けられたガス流路内にこれら吸水材を配置する方式が採用されている。これらの方法を採用すれば、触媒部に乾燥したガスを供給できるので、フラッディングが発生し難いという利点がある。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｋ．  Ｗｅｉｓｂｒｏｄ  ｅｔ  ａｌ，  アメリカＤＯＥ  ＦＹ２０００  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｒｅｐｏｒｔ，  ｐ８５
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２７０１９９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平１０−２８９７２３号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開平９−２５１８５７号公報
【００１２】
【特許文献４】
特開平１０−１７２５８６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば氷点以下の低温状態での起動を考えた場合、前記非特許文献１記載の発明のように、高分子個体電解質型燃料電池において自己加熱の方法により起動すると、発電により生成した水が燃料電池スタック内部で凍結し始めるという問題が残る。カソード極において生成した水は、はじめに高分子固体電解質膜に吸収され、逆拡散によってアノード方向に運ばれるが、やがて吸水の限界に達し、触媒部に水が溢れ出してくる。溢れ出した水は、触媒部の表面で凍結し、反応ガスを触媒に供給することができなくなり、電気化学反応が妨げられ、電圧低下を招く。
【００１４】
一方、氷点以上の通常運転を考えた場合、例えば氷点以上になった後、通常運転に移行する際に、吸水材が保水した水を排出する必要がある。ここで、例えば特許文献１〜特許文献４等に記載されるように、ガス拡散層や高分子固体電解質膜の表面等に吸水材を配置した場合には、５０℃程度に暖まるまでは外部からドライガスを流しても飽和水蒸気圧が低いので、吸収した水を排出する前に吸水材の吸水能力が限界に達し、触媒層に水が溢れ出してフラッディングが起こり易いという問題がある。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消するために提案されたものであり、氷点以下の低温状態での起動においても円滑な起動が可能であり、通常の運転状態へと移行し得る燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、通常運転に移行した後に、吸収材の吸水能力が限界に達して吸水材から水が溢れ出してきた場合にも、例えば触媒層等を経由せずに溢れ出した水を速やかに排出することが可能で、フラッディングの発生を抑制し得る燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に電極触媒を配置し、アノード極に供給される水素を含む燃料ガスとカソード極に供給される酸素含有ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池であり、固体高分子電解質膜の内部に流体流路が形成されるとともに、当該流体流路の内壁面の少なくとも一部に吸水材が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
氷点以下での起動においては、起動できない状態になる前に燃料電池を氷点以上に暖めるとともに、氷点以上になるまでに生成する水を吸収する必要がある。本発明に係る燃料電池では、この生成水を吸収するために、固体高分子電解質膜の内部に流体流路を形成するとともに、流体流路の内壁面の少なくとも一部に吸水材を設けている。このような構成とすることで、本発明に係る燃料電池においては、氷点以上になるまでに生成する水は、この吸水材によって吸収され、触媒層等に溢れ出すことがない。
【００１８】
一方、氷点以上の通常運転においては、吸水材が保水した水を排出する必要がある。本発明に係る燃料電池では、高分子固体電解質膜の内部に吸水材を配置し生成する水を吸水するが、吸水材の吸水能力が限界に達し水が溢れ出した時には、流体流路によって、例えば触媒層等を経由せずに速やかに排出されることになる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムは、前述の構成の燃料電池を備え、燃料電池の流体流路に湿度調節用流体を供給する流体供給手段と、前記流体流路の入口側と出口側の差圧を調節する差圧調節手段を有することを特徴としている。
【００２０】
先にも述べたように、氷点以下での起動においては、固体高分子電解質膜内部の流体流路に配された吸水材により生成する水を吸収する。このとき、吸水材を単に配置するだけでなく、吸水材の含水量（湿潤状態）を調節できるようにすることが好ましい。例えば、吸水能力が飽和に達した吸水材は、それ以上吸水することができないので、氷点以下で起動する際に吸水能力を高めておく必要がある。そこで、本発明の燃料電池システムでは、流体流路に湿度調節用流体を供給し、氷点下からの起動に備えて前記流体流路内の吸水材を乾燥させておく。
【００２１】
通常運転時には、前記流体流路に差圧を設けて高分子固体電解質の乾燥度合いを調節する。すなわち、０℃以上の通常運転時には、前記流体流路に湿度を調節したガス、乾燥ガス、あるいは水等の湿度調節用流体を前記差圧により供給する。前記吸水材が吸収した水は、流体流路を通じて外部に排出され、フラッディングの発生が防止される。また、流体流路内の吸水材の湿潤度合い、さらには高分子固体電解質の湿潤度合いが調節され、円滑な電池反応の進行が実現される。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池によれば、氷点下から起動した時に発生した水を例えば触媒層へ溢れ出させることなく吸水材により吸水できるので、触媒層での凍結を防止することができる。また、氷点以上になったとき、高分子固体電解質膜内に流体流路が形成されているので、吸水材の吸水能力が限界に達して吸水材から水が溢れ出してきた場合でも、この流体流路から速やかに排出することができる。したがって、氷点以下の低温環境においても始動時に円滑に発電を行うことができ、通常運転に移行することができる。また、通常運転時にも、フラッディング等を抑制することができ、円滑な運転が可能である。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池システムによれば、流体流路に湿度調節用流体を供給し、氷点下からの起動に備えて前記流体流路内の吸水材を乾燥させておくことで、氷点下から起動した時に発生した水を吸水材により確実に吸水することができるので、凍結を確実に防止することができる。また、通常運転時には、流体流路の前後（入口側と出口側）で差圧を設け、湿度を調節した湿度調節用流体を供給することにより、高分子固体電解質膜の湿潤度を調節することができる。
【００２４】
従来技術のようにガス拡散層表面やセパレータ内に吸水材を配置した場合、燃料ガスや酸素含有ガスを加湿しなければならず、ガス供給と独立に吸水材（すなわち高分子固体電解質膜）の湿潤状態を調節することはできない。これに対して、本発明の燃料電池及び燃料電池システムでは、ガス供給と独立に吸水材や高分子固体電解質膜の湿潤状態を調節することができ、例えば各電極に乾燥ガスを供給することも可能であるので、電極表面でのフラッディングを確実に抑制することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池及び燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
本実施形態は、燃料電池に関する実施形態である。本実施形態の燃料電池は、水素を含む燃料ガスが供給されるアノード極と酸素含有ガスが供給されるカソード極とが、両側に電極触媒が配置された固体高分子電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されており、各発電セルの固体高分子電解質膜の内部には流体流路が形成されて、この流体流路の内壁面の少なくとも一部に吸水材が設けられている。本実施形態の燃料電池が備える高分子固体電解質膜１の構造を、図１に模式的に示す。
【００２７】
本実施形態の燃料電池の高分子固体電解質膜１においては、膜面に対して平行に複数の流体流路２が水・ガスチャネルとして形成されている。これら流体流路２は、本例では高分子固体電解質膜１を前後方向に貫通する貫通孔として形成されており、例えば、湿度を調節したガスや乾燥ガス、水等の流体を必要に応じて流通させることが可能である。
【００２８】
また、前記流体流路２の内壁面には、吸水材３が形成されている。ここで、吸水材３を流体流路２内の断面積全てに配置してしまうと、例えば流体流路２の入口側、出口側の間に差圧をかけた際、水を排出し難くなってしまうので、流体流路２には水やガスが通過できるだけのチャネル断面積を確保する必要がある。したがって、本例では、流体流路２の一部のみを、具体的には流体流路２の内壁面に沿って中空状態が維持されるように吸水材３で覆っている。
【００２９】
ここで、吸水材３としては、プロトン導電機能を持つ高分子固体電解質膜１や水素、空気、水等と反応して性能の劣化を引き起こさない材料で、運転温度として氷点下から水の沸点まで吸水能力を持つ材料であることが好ましく、例えば多孔質シリカゲルに代表される無機多孔質粒子が好ましい。なお、吸水材３は、前記条件を満たす吸水能力に優れる材料であれば任意の材料を使用することができ、多孔質シリカゲルに限定されるものではない。
【００３０】
なお、高分子固体電解質膜１も吸水能力を持っているが、無機多孔質粒子の方が格段に優れる。  高分子固体電解質膜１として例えば商品名ナフィオン（デュポン社製）を用いた場合、質量比でせいぜい０．２倍の水しか吸水することができない。これに対して、無機多孔質であるマクロ孔の多孔質シリカゲルは、質量比で１００倍の水を吸水することができるので、圧倒的に吸水材３の方が吸水能に優れると言える。また、密度は、高分子固体電解質膜１では１．８ｇ／ｃｍ３、多孔質シリカゲルでは２．３ｇ／ｃｍ３とほぼ同じであるので、単位体積当たり吸水できる能力は、無機多孔質粒子のような吸水材３を配置することにより向上することができる。
【００３１】
以上のように高分子固体電解質膜１に流体流路２を形成し、その内壁面に吸水材３を配置することで、高分子固体電解質膜１の湿潤状態を燃料ガスや酸素含有ガス等のガス供給とは独立に制御することができ、氷点下から起動した時に発生する水を溢れ出させることなく吸水することができる。また、本実施形態のように流体流路２の吸水材３を配置することにより強度を高めることができ、例えば発電セルを構成する際に高分子固体電解質膜１が押し付けられても流体流路２が押しつぶされることなく、その形状を保つことができる。
【００３２】
以上の構成を有する高分子固体電解質膜１において、膜の内部に水・水蒸気チャネルである流体流路２を形成する方法としては、例えばポリビニルアルコールの水溶性の糸を混ぜて膜を作成し、その後、水に浸して糸を取り除くという方法が採用可能である。図２に、本実施形態における流体流路２の形成方法を模式的に示す。
【００３３】
高分子固体電解質膜１の膜内部に流体流路２を形成する場合、先ず、例えば厚さ１５μｍ程度の高分子固体電解質膜１ａ，１ｂを上下配置し、中央に短冊状の厚さ３０μｍ程度の高分子固体電解質膜１ｃを配置する。そして、中央の隙間に、高分子固体電解質材料である商品名ナフィオンの溶液と、例えば粒子径５μｍ，平均細孔径４ｎｍの多孔質シリカゲルＳ、水溶性のポリビニルアルコール糸Ｐ（例えば２５μｍ径程度）とを混合したものを塗布・配置した後、ホットプレスを行う。
【００３４】
ホットプレスの条件は、電解質膜／電極複合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）作成時のカーボン担持白金と高分子固体電解質膜１のホットプレスと同様に、例えば、温度は高分子固体電解質膜１のガラス転移温度以上である１２０℃で、１分間、１００ｋｇ／ｃｍ２なる押し付け圧で行う。ナフィオン溶液は吸水材３を高分子固体電解質膜１の内部に接着する接着剤の役割も果たす。
【００３５】
次いで、熱水中でポリビニルアルコール糸を溶出除去する。このようにして高分子固体電解質膜１内に水・ガスチャネルである流体流路２を形成させ、例えば、流体流路２の断面積の約１０％を吸水材３が占めるようにする。このようにして製作した高分子固体電解質膜１の両面に電極触媒（カーボン担持白金）を塗布して電極触媒塗布部４を形成し、電解質膜／電極複合体（以下、ＭＥＡと称する。）を作製する。
【００３６】
ここで、以上のように作成されるＭＥＡの吸水性能及び水排出性能について、吸水材を配置しない従来のＭＥＡと比較しながら説明する。
【００３７】
作成したＭＥＡの膜構造は次の通りである。すなわち、高分子固体電解質膜１の面サイズを２０ｃｍ×２５ｃｍ、流体流路２形成後の厚さ６０μｍとし、流体流路２は１ｍｍ×３０μｍの断面積として１ｃｍ間隔に２０本配置した。端部には電極触媒塗布部４がないため流体流路２を配置しなかった。また、触媒を塗布した電極面積は、１５ｃｍ×２０ｃｍの３００ｃｍ２とした。
【００３８】
次に、前述のようにして製作した吸水材３を配置したＭＥＡと、吸水材を配置しないＭＥＡとを、湿度１００％の加湿ガスにより水を含ませた状態から乾燥させ、その重量変化を調べた。この結果、吸水材を配置しなかったＭＥＡでは３５０ｍｇの水を吸水したのに対し、吸水材（多孔質シリカゲル）３を配置したＭＥＡでは８５０ｍｇの水を吸収することができた。
【００３９】
次に、流体流路２の出口の圧力を３０Ｐａ程度の真空にして差圧を１００ｋＰａとした状態で空気ガスを供給しガスの流量を計測すると、１Ｌ／分の流量で流すことができた。また  液水を供給し水の流量を計測すると、５ｃｃ／分の割合で排出することができた。すなわち、高分子固体電解質膜１内において十分な水を吸収することができ、高分子固体電解質膜１を乾燥するのに十分な流量のガスを流すことができ、また十分な流量の水を排出できることが確かめられ、  流体流路２を設けて吸水材３を配したことによる効果を確認することができた。
【００４０】
（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態で作製したＭＥＡを用いて燃料電池の発電セルを構成し、この発電セルを用いて燃料電池システムを構成した例である。
【００４１】
先ず、燃料電池の発電セルの構造を図３に示す。この発電セル２０は、第１の実施形態で説明した方法で作成したＭＥＡ（電極触媒塗布部４が形成された固体高分子電解質膜１）の両側に、例えばカーボンペーパからなるガス拡散層５，５、水素ガス流路８及び空気流路９として機能する溝を形成したカーボングラファイト製のセパレータ６，７、及びステンレス製のエンドプレート１０，１１が配置され、これらがネジにより締め付けられた構成とされている。
【００４２】
ＭＥＡの周囲には、２重構造のシール材１２，１３が配され、これらのシール材１２，１３の間の空間にＭＥＡの高分子固体電解質膜１の両端部が臨み、流体流路２の入口側及び出口側の開口部が臨んでいる。したがって、シール材１２，１３の間の空間は、一方が流体流路２の流体供給マニホールド１４，他方が流体排出マニホールド１５として機能し、それぞれ流体供給口１６、または流体排出口１７が設けられている。
【００４３】
燃料電池の発電セル２０は、図４に示すように配置されて発電を行ない、電力を負荷に送る。すなわち、発電セル２０のアノードに水素含有ガス、ここでは水素を供給し、カソードに酸素含有ガス、ここでは空気を供給した。空気・水素は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２１，２２により流量を調節した。高分子固体電解質膜内の流体流路には、ガスの湿度を調節できる湿度調整器２３を通したガスあるいは液水の流体をマスフローコントローラ２４，２５により流量を調節してマニホールドに供給し、マニホールドから前記流体を高分子固体電解質膜内の流体流路に供給した。湿度調節器２３は、流通するガスの湿度を所望の湿度に調整できる装置とする。湿度調節器２３としては、例えば、バブラーやスチームを用いることができる。さらに、流体流路の出口には、差圧調節手段である真空ポンプ２６を配置して流体流路前後の差圧を調節できるようにした。なお、真空ポンプ２６としては液水を流せるタイプのものを用いた。
【００４４】
発電セル２０は、定電流制御回路２７、インバータ２８を介して負荷器２９と電気的に接続される。そして、図示しないコントローラにより所望の定電流を流すことができる。この電流はインバータにより交流に変換され、負荷器２９に電力が供給される。なお、発電セル２０のセパレータに温度計（熱電対）３０を挿入して発電セルの温度を計測し、また発電セル２０のアノード、カソードのセパレータに高周波インピーダンス測定器３１の端子を接続しセルの内部抵抗を測定した。また、発電セル２０の電圧を電圧計３２によりモニタした。
【００４５】
このような構成で燃料電池システムを起動し、通常起動モードで発電試験を行った。試験のフローを図５示す。この試験フローにおいては、先ず、ステップＳ１において発電セル２０の温度を計測し、ステップＳ２において氷点以上であるか否かを判別する。計測された温度が氷点以下である場合（ＮＯ）には、低温起動モードに移行する。計測された温度が氷点以上である場合（ＹＥＳ）には、通常モードに移行し、ステップＳ３において真空ポンプを作動させる。
【００４６】
次に、ステップＳ４において高周波インピーダンス（発電セル２０の抵抗）、各発電セル２０の温度、電流を測定し、流体流路に流す水、またはガスの湿度、流量、時間を決定する（ステップＳ５）。次いで、流体流路に湿度調節ガスの供給を開始し（ステップＳ６）、発電セル２０のアノードに水素を、カソードに空気を供給開始する（ステップＳ７）。
【００４７】
次に、各発電セル２０の電圧を計測し（ステップＳ８）、ステップＳ９において所定電圧以上であるか否かを判別する。ここで、発電セル２０の電圧が所定電圧未満である場合（ＮＯ）には、所定時間待機した後、再度ステップＳ８に戻り、発電セル２０の電圧を計測する。一方、発電セル２０の電圧が所定電圧以上である場合（ＹＥＳ）には、各発電セル２０から電流の取り出しを開始する（ステップＳ１０）。
【００４８】
運転開始後は、高周波インピーダンス（発電セル２０の抵抗）、発電セル２０の温度、電流を測定し（ステップＳ１１）、流体流路に流す水、またはガスの湿度、流量、時間を決定する（ステップＳ１２）。次いで、流体流路に湿度調節ガスの供給を開始し（ステップＳ１３）、所定時間待機後、再度ステップＳ１１に戻って高周波インピーダンス（発電セル２０の抵抗）、発電セル２０の温度、電流を測定する。これを繰り返して通常運転を継続する。
【００４９】
発電試験においては、発電性能として、一般に行われている水素と空気を加湿して発電セル２０に供給して流体流路２には流体を供給しない場合（従来の燃料電池システム）での発電性能との比較を行った。  試験方法としては、電流を一定にして十分な量の水素と酸素を供給し、空気の流量を下げていった。この結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
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利用率は、発電により消費されるガスの量を供給するガスの量で割ったもので定義される。表１において、○印は電圧の変動がなく電圧を維持できたことを示し、△印は電圧は変動したが電圧が維持できたことを示し、×印は電圧が維持できなく発電ができなくなったことを示す。すなわち、△印となった時点でフラッディング現象が始まったことを示している。表１から明らかなように、本発明の燃料電池システムでは、利用率を２％程度上げてもフラッディングが起きなかったことから、フラッディングが起き難いことを示していると考えられる。
【００５１】
（第３の実施形態）
図６に示すように、先の図３に示す発電セル２０を積層して１０セルの燃料電池スタックを組み立て、氷点下からの起動試験を行った。各発電セル２０の構造は図３に示すものと同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００５２】
燃料電池システムの構成も、図７に示すように、先の図４に示すものと同様である。すなわち、燃料電池スタックのアノードには水素、カソードには空気をマスフローコントローラ２１，２２を通して供給した。また、湿度調節を行った空気あるいは液水を燃料電池スタック内のマニホールドを通して高分子固体電解質膜内の流体流路に供給できるようにした。電流の取り出しは先の第２の実施形態の場合と同様である。電圧は燃料電池スタック全体の電圧を計測し、温度と高周波インピーダンスは、燃料電池スタックの端の方の１発電セルを選択し、計測を行った。
【００５３】
先ず、氷点下からの起動に備えて、図８（ａ）に示すフローに基づいて、高分子固体電解質膜の流体流路に湿度を調節したガスを流し、吸水材を乾燥させた。図８（ａ）に示すフローでは、高周波インピーダンス（発電セルの抵抗）、及び燃料電池スタックの温度を測定し（ステップＳ２１）、流体流路に流す水、またはガスの湿度、流量、時間を決定する（ステップＳ２２）。次いで、流体流路に湿度調節ガス（乾燥ガス）の供給を開始し（ステップＳ２３）、所定時間待機後、湿度調節ガスの供給を停止する（ステップＳ２４）。
【００５４】
このとき、高分子固体電解質膜の抵抗を高周波インピーダンス測定器により測定し、吸水材の乾燥の程度を計測した。図９に示すように、乾燥する時間とともに発電セルの抵抗が上昇することが確認された。吸水材と高分子固体電解質膜はほぼ平衡状態と考えられるので、図９に示す結果により吸水材が乾燥していることをモニタできたと言える。本実施形態では、このようにして吸水材の含水乾燥状態を計測し、それに応じてパージ時間を決めた。
【００５５】
乾燥方法としては、図８（ｂ）に示すように、所定の含水乾燥状態になるまでパージを続けて行っても構わない。すなわち、図８（ａ）のステップＳ２３の後、所定時間経過後、再度高周波インピーダンス（発電セルの抵抗）、及び燃料電池スタックの温度を測定し（ステップＳ２５）、ステップＳ２６において所定範囲内か否かを判別する。そして、所定範囲内に入っていない場合（ＮＯ）には、ステップＳ２２に戻る。所定範囲内に入っていた場合に、ステップＳ２７においてガスの供給を終了する。
【００５６】
なお、アノードやカソードのセパレータ流路内やガス拡散層、触媒層に残留している水分は、予め乾燥ガスにより取り除いた。
【００５７】
このように発電セルを乾燥し、吸水材を乾燥させることにより吸水材に吸水能力を持たせたあと、セルを冷却し、−２０℃の環境下にした。この環境下から、図１０のフローに従い燃料電池の起動を試みた。
【００５８】
図１０に示すように、氷点下からの起動では、ステップＳ３１において発電セルの温度を計測し、ステップＳ３２において氷点以上であるか否かを判別する。計測された温度が氷点以上である場合（ＹＥＳ）には、通常モードに移行し、計測された温度が氷点以下である場合（ＮＯ）には、低温起動モードに移行する。
【００５９】
低温起動モードでは、燃料電池のアノードに水素の供給を、カソードに空気の供給を開始し（ステップＳ３３）、燃料電池の電圧を計測し（ステップＳ３４）、ステップＳ３５において所定電圧以上であるか否かを判別する。所定電圧未満である場合（ＮＯ）には、所定時間待機した後、再度ステップＳ３４に戻り、燃料電池の電圧を計測する。所定電圧以上である場合（ＹＥＳ）には、燃料電池から電流の取り出しを開始する（ステップＳ３５）。
【００６０】
燃料電池からの電流の取り出しの開始後、ステップＳ３６において発電セルの温度を計測し、ステップＳ３７において氷点以上であるか否かを判別する。計測された温度が氷点以下である場合（ＮＯ）には、所定時間待機後、ステップＳ３６に戻り再度温度を計測する。計測された温度が氷点以上である場合（ＹＥＳ）には、通常モードに移行し、ステップＳ３８において真空ポンプを作動させる。
【００６１】
次に、ステップＳ３９において高周波インピーダンス（発電セルの抵抗）、燃料電池スタックの温度、電流を測定し、流体流路に流す水、またはガスの湿度、流量、時間を決定する（ステップＳ４０）。次いで、流体流路に湿度調節ガスの供給を開始し（ステップＳ４１）、所定時間待機後、再度ステップＳ３９に戻って高周波インピーダンス（発電セルの抵抗）、燃料電池スタックの温度、電流を測定する。これを繰り返して通常運転を継続する。
【００６２】
氷点下の起動において、本実施形態の燃料電池システムでは、図１１（ａ）に示す通り、水素ガス及び空気を供給後、６０Ａの電流の取り出しを開始すると、発電セルが発熱するので徐々に温度が上昇していき、約２分後に温度が氷点を越えた。このあと真空ポンプを作動させ、高分子固体電解質膜内の流体流路前後に差圧を設けて乾燥ガスの供給を開始した。このとき、流体流路出口から水が排出し始めるのを観察した。  その後、発電セルの高周波インピーダンスをモニタしながら高分子固体電解質膜内の流体流路への供給ガスの湿度を調節を行った。そのまま電流を流し続け、温度が７０℃まで上昇したところで発電を終了した。この場合、図１１（ａ）に示す通り、途中で電圧が低下することなくスムーズに起動及び通常運転への移行を行うことができた。
【００６３】
比較実験として、流体流路のない高分子固体電解質膜を用いて発電セルを構成し、同様の実験を行ったが、図１１（ｂ）に示す通り、１０秒足らずで電圧が低下してしまった。これは発電セル内で氷つまりが生じてしまったためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】流体流路を形成した高分子固体電解質膜を用いて構成されたＭＥＡの概略斜視図である。
【図２】高分子固体電解質膜への流体流路及び吸水材の形成方法を示す概略斜視図である。
【図３】発電セルの一構成例を示す概略断面図である。
【図４】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態における発電試験のフローを示すフローチャートである。
【図６】発電セルを積層した燃料電池スタックの構成例を示す概略断面図である。
【図７】第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】（ａ）は氷点下からの起動に備えて高分子固体電解質膜の流体流路に湿度を調節したガスを流し吸水材を乾燥させるフローを示すフローチャートであり、（ｂ）は乾燥方法として所定の含水乾燥状態になるまでパージを続けて行う場合のフローを示すフローチャートである。
【図９】氷点下からの起動に備えて高分子固体電解質膜の流体流路に湿度を調節したガスを流し吸水材を乾燥させた時に、高分子固体電解質膜の抵抗を高周波インピーダンス測定器により測定し、吸水材の乾燥の程度を計測した結果を示す特性図である。
【図１０】氷点下からの起動におけるフローチャートである。
【図１１】氷点下からの起動の際の電流、電圧、燃料電池スタック温度の変化の様子を示す特性図であり、（ａ）は第３の実施形態の燃料電池システムの場合、（ｂ）は従来の燃料電池システム（流体流路のない高分子固体電解質膜を用いた燃料電池スタックを備えた燃料電池システム）の場合の測定結果を示すものである。
【符号の説明】
１  高分子固体電解質膜
２  流体流路
３  吸水材
４  電極触媒塗布部
２０  発電セル
２１，２２  シール材
１４  流体供給マニホールド
１５  流体排出マニホールド
２３  湿度調節器
２６  真空ポンプ
２７  定電流制御回路
２８  インバータ
２９  負荷器
３０  温度計
３１  高周波インピーダンス測定器
３２  電圧計
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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