(57)【要約】【課題】零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、膜電極構造体をセパレータで挟持したセルを、所定の出力が得られる数分積層し、燃料極（アノード）および酸化剤極（カソード）にそれぞれ供給される燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（酸素）の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１１１と、アノードに水素を供給する水素供給系と、カソードに空気を供給する空気供給系と、を備える燃料電池システムにおいて、アノード酸素供給ポンプ１５１により、燃料極に酸素を含むガスを混合して供給する。【選択図】図１
2007242449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、
前記電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、
前記膜電極構造体を前記セパレータで挟持したセルを、所定の出力が得られる数分積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料極に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段と、
前記温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定する温度判定手段と、
前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を検知する第１の膜湿潤状態検知手段と、
前記燃料電池から負荷を取り出す前に、前記温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、前記アノード酸素供給手段により、前記燃料極に前記第１の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させるガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段と、
前記温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定する温度判定手段と、
前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を検知する第２の膜湿潤状態検知手段と、
前記燃料電池が発電中に、前記温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、前記アノード酸素供給手段により、前記燃料極に前記第２の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給させるガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の膜湿潤状態検知手段または前記第２の膜湿潤状態検知手段により検知された膜湿潤状態が予め設定された閾値に基づく乾燥状態であるか否かを判定する膜湿潤状態判定手段を有し、
前記ガス供給制御手段は、前記膜湿潤状態判定手段により乾燥状態であると判定された場合にのみ、前記アノード酸素供給手段により、前記燃料極に酸素を含むガスを混合して供給させることを特徴とする請求項２または請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の運転停止時における停止運転条件を記録する記録手段を有し、
前記第１の膜湿潤状態検知手段は、前記記録手段に記録された前回の停止運転条件に基づき前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項２または請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の膜湿潤状態検知手段または前記第２の膜湿潤状態検知手段は、前記燃料極に燃料ガス、前記酸化剤極に酸化剤ガスをそれぞれ供給させて前記燃料電池の開放端電圧をモニタし、該開放端電圧と前記固体高分子電解質膜のガス透過係数および含水率の関係に基づき前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の膜湿潤状態検知手段または前記第２の膜湿潤状態検知手段は、前記固体高分子電解質膜の電気抵抗の変化を測定または推定することにより前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス供給制御手段は、前記温度判定手段により所定温度を超えたと判定されたとき、前記アノード酸素供給手段による前記燃料極への酸素を含むガスの混合供給を停止させることを特徴とする請求項２〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給経路と前記酸化剤ガス供給手段の酸化剤ガス供給経路とを連通する連通経路を有し、
前記アノード酸素供給手段は、前記酸化剤ガス供給手段のエアコンプレッサであることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記連通経路に設置される調圧弁を有し、
前記ガス供給制御手段は、前記エアコンプレッサの出口圧が前記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給経路の圧力よりも高くなるよう前記エアコンプレッサを運転制御し、前記調圧弁の開度を調整することにより、前記燃料極への酸素を含むガスの混合供給を制御することを特徴とする請求項９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】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で燃料ガスの水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で酸化剤ガス（空気）中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池システムを搭載した車両においては、車両を低温環境下で停止したとき、燃料電池内や反応ガス経路内に存在している水分が凍結する場合があり、凍結による電解質膜への反応ガスの進行・到達の阻害、反応ガス経路の目詰まりおよび循環手段のロック等により燃料電池システムを起動できないという問題がある。なお、零下発電を行うと電気化学反応によって生じた水が酸化剤ガスの触媒への供給を妨げてしまうため、発電は生成水が触媒へガス供給を遮断するまでの間だけ可能である。
【０００５】
そこで、このような問題に対処するべく、例えば、米国特許公報ＵＳ５，７９８，１８６では、燃料電池スタックの昇温手段として外部回路（主に電気抵抗体)を設置して、該外部回路に燃料電池スタックを接続して電力を供給することで、該外部回路の発熱によって燃料電池スタックを昇温させるという手法が提案されている。
【特許文献１】米国特許公報ＵＳ５，７９８，１８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術によっても、零下雰囲気からの発電では、燃料電池スタックから電流を取り出す際に、燃料電池スタックの温度が上昇して供給ガスによる加湿および拡散移動水量が大きくなるまで、取り出し電流を制限（即ち、出力制限）する必要があり、例えば自動車に搭載する車両用燃料電池システムの場合には、十分な暖機運転を要するなどの事情があった。
【０００７】
つまり、固体高分子電解質膜は膜に十分な水を含んでいないと、プロトン伝導度が低下して、その結果燃料電池スタック性能が低下するが、零下発電において燃料極をドライアウトさせないためには電気浸透水を小さくする他に方法がなく、電気浸透水量は移動するプロトン量と比例することから、取り出し電流を非常に小さくしなくてはならないのである。
【０００８】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を解決するため、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、前記電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、前記膜電極構造体を前記セパレータで挟持したセルを、所定の出力が得られる数分積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料極に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムでは、アノード酸素供給手段により燃料極に酸素を含むガスを混合して供給できるので、零下雰囲気といった膜へ水を供給しがたい条件においても固体高分子電解質膜へ水を供給することができ、相対的に取り出し電流の制限を緩和することができ、結果として零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システム１００は、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１１１を備える。
【００１３】
また、水素供給系（水素供給手段）として、水素高圧タンク１１５、水素調圧弁１２８、水素供給経路、三方弁１１７、酸素濃度センサ１５２、水素循環流路、燃料循環ポンプ１１６および出口配管１２５を備え、空気供給系（空気供給手段）として、エアフィルタ１１２、エアコンプレッサ１１３、空気供給経路１２６、加湿器１１４およびバイパスライン１２７を備え(ライン切替バルブは図示を省略)、冷却系２００として、冷媒循環経路、冷媒循環ポンプ１１９、冷却ファン１２２、冷媒熱交換器１２３、冷媒入口温度センサ（温度検知手段）１２０および冷媒出口温度センサ（温度検知手段）１２１を備えている。
【００１４】
なお、アノード（燃料極）に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段としてアノード酸素供給ポンプ１５１を備えており、アノード酸素供給ポンプ１５１の供給配管は水素供給系の水素供給経路に連通している。
【００１５】
また、燃料電池スタック１１１には燃料電池温度センサ（温度検知手段）１２４が付設されており、燃料電池スタック１１１から取り出される電流は外部回路１３１へ供給される。さらに、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給系、空気供給系、冷却系２００および外部回路１３１の各種センサや他の各種センサからの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系２００および外部回路１３１の各構成要素の制御を行うシステム制御装置１４１を備えた構成である。
【００１６】
燃料電池スタック１１１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード（燃料極）と酸化剤ガスである空気が供給されるカソード（酸化剤極）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１１１の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１７】
燃料電池スタック１１１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１８】
本実施例の燃料電池スタック１１１の燃料電池単セル１０の構成の概略を図２に示す。 固体高分子電解質膜１２を電極触媒層（アノード触媒層１３およびカソード触媒層１４）ではさんで、さらに外側からガス拡散層（アノードガス拡散層１５およびカソードガス拡散層１６）ではさみ、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１を形成し、アノード（燃料極）側には水素（燃料ガス）供給用のガス流路を表面に設けたアノードセパレータ１７、カソード（酸化剤極）側には空気（酸化剤ガス）供給用のガス流路を表面に設けたカソードセパレータ１８が取り付けられている。
【００１９】
なお本実施例では燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を使用した。また、固体高分子電解質膜１２としてパーフルオロスルホン酸膜を使用しているため、接合性を考慮し残留水保持機構においてもパーフルオロスルホン酸ポリマーを使用した。
【００２０】
また、燃料電池スタック１１１の各発電セルの電圧は、セル電圧モニタ（図示せず）によってモニタリングされており、その情報が燃料電池システム１００全体の動作制御を司るシステム制御装置１４１に送られている。また、燃料電池スタック１１１には、当該燃料電池スタック１１１の温度を検出する燃料電池温度センサ１２４が設置されており、その出力がシステム制御装置１４１に送られている。システム制御装置１４１は、これらセル電圧モニタからの情報や燃料電池温度センサ１２４からの出力により、燃料電池スタック１１１の発電状態や温度状態を監視している。
【００２１】
燃料電池スタック１１１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気をそれぞれ各発電セルのアノード（燃料極）やカソード（酸化剤極）に供給する必要があり、燃料電池システム１００では、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。
【００２２】
空気供給系では、燃料電池スタック１１１からの電力供給によって駆動されている電気モータおよびエアコンプレッサ１１３によって圧縮された空気は、空気供給経路１２６を介して加湿装置１１４に送られ、加湿装置１１４によって加湿された後、燃料電池スタック１１１のカソードに送られる。なお、加湿装置１１４は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。
【００２３】
また、水素供給系では、高圧水素タンク１１５によって供給された水素は、水素供給経路を通り、水素調圧弁１２８で所望の圧力に調圧され、水素循環ポンプ１１６により循環している排水素と合流した後、燃料電池スタック１１１のアノードに送られる。
【００２４】
特に本実施例では、所定の条件下（燃料電池数タック１１１の温度が所定温度未満の場合）に、燃料電池スタック１１１のアノードへ供給する水素に、アノード酸素供給ポンプ１５１による適量の酸素を混合させて燃料電池スタック１１１に供給する。このとき、燃料電池スタック１１１のアノード触媒層１３では、混合した酸素と水素とが反応して水を生成し、固体高分子電解質膜１２へ吸収される。つまり、アノード側での膜の水収支のバランスがとられるように酸素が供給される。
【００２５】
また、冷却系２００では、燃料電池スタック１１１の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池スタック１１１を適温に保つ。 冷媒循環ポンプ１１９によって圧送された冷却水（冷媒）は、燃料電池スタック１１１を通って熱を吸収した後、冷却水循環経路を通り、冷媒熱交換器１２３でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水循環ポンプ１１９で燃料電池スタック１１１へ圧送される。また冷媒入口温度センサ１２０や冷媒出口温度センサ１２１等で冷却水温度をモニタしながら、冷却水循環ポンプ１１９により冷媒循環流量を制御して、燃料電池スタック１１１の発電に適正な温度に調整される。
【００２６】
さらに、システム制御装置１４１は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、水素供給系、空気供給系、冷却機構および外部回路１３１の各種センサや他の各種センサからの検知信号を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システム１００の各部における動作を制御する。
【００２７】
システム制御装置１４１は、構成要素として温度判定手段、第１の膜湿潤状態検知手段、第２の膜湿潤状態検知手段およびガス供給制御手段を備えているが、これらはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。また、燃料電池システム１００の運転停止時における停止運転条件を記録する記録手段は、ＰＲＯＭ等（書き込み可能な不揮発性記録媒体であれば何でもよい）で実現されている。
【００２８】
温度判定手段は、温度検知手段（燃料電池温度センサ１２４または冷媒入口温度センサ１２０および冷媒出口温度センサ１２１）により検知した燃料電池スタック１１１の温度が所定温度以下であるか否かを判定する。なお、燃料電池スタック１１１の温度検知は、本実施例のように、燃料電池温度センサ１２４による実際の温度の検出、或いは、冷媒入口温度センサ１２０およびまたは冷媒出口温度センサ１２１による温度の推定によってもよいし、これらのセンサが設置されていない場合には外気温センサにより推定してもよい。ここで、推定温度は、燃料電池スタック１１１の構造仕様や前回運転時の運転時間および前回運転終了時から現在までの経過時間等に基づく補正式により算出可能である。
【００２９】
また、第１の膜湿潤状態検知手段および第２の膜湿潤状態検知手段は、それぞれ固体高分子電解質膜の湿潤状態を検知する。
【００３０】
また、ガス供給制御手段は、燃料電池から負荷を取り出す前に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ１５１（アノード酸素供給手段）により、アノード（燃料極）に第１の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させ、また、燃料電池スタック１１１の発電中に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ１５１（アノード酸素供給手段）により、アノード（燃料極）に第２の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給させる。
【００３１】
次に、本実施例の燃料電池システムの起動時の動作説明を行う前に、図３および図４を参照して、従来の課題と本発明による対処法について原理的な説明をしておく。ここで、図３は従来の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図であり、図４は本発明の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図である。
【００３２】
固体高分子電解質膜１２は膜に十分な水を含んでいないと、プロトン伝導度が低下してその結果燃料電池スタック性能が低下する。従って、固体高分子電解質膜１２の中の水をコントロールすることが燃料電池スタック設計として肝要である。
【００３３】
図３に示すように、固体高分子電解質膜１２内の水移動現象は、大別すると以下の２つである。すなわち、第１に、水濃度勾配による拡散移動（流束Ｑｒ）であり、第２に、プロトン移動時にプロトンが引き連れていくために起こる電気浸透（流束Ｑｄ）である。また、この他にも、アノードガスと膜との移動（流束Ｑａ）およびカソードガスと膜との移動（流束Ｑｃ）があり、これらが合わさって水バランスが取られている。
【００３４】
常温運転時には、固体高分子電解質膜１２中の水拡散量（流束Ｑｒ）が比較的多く、また、アノードに加湿した水素（燃料ガス）を供給することも可能であるため、電気浸透によってアノードから失われる水量（流束Ｑｄ）を、カソードからアノードへの拡散水量（流束Ｑｒ）、加湿ガスによる加湿水量（流束Ｑａ）を釣り合わせることで、発電を行うことができる。
【００３５】
しかしながら、零下発電時（例えば−３０℃といった場合)には、本実施例で使用するパーフルオロスルホン酸ポリマー膜で膜中の拡散係数を測定したところ、常温に比べて著しく拡散水量（流束Ｑｒ）が低下することが分かっている。 また供給するガス温度が低いので飽和蒸気圧が低く、アノードへ加湿ガスによって供給する水量はほとんど期待できない。すなわち、零下発電においては、アノードをドライアウトさせないためには電気浸透水を小さくする他に方法がなく、電気浸透水量（流束Ｑｄ）は移動するプロトン量と比例することから、取り出し電流を非常に小さくしなくてはならないことと同意である。
【００３６】
このため、零下雰囲気からの発電においては、燃料電池スタック１１１の温度が上昇して、供給ガスによる加湿（流束Ｑａ）および拡散移動水量（流束Ｑｒ）が大きくなるまで、取り出し電流を制限（即ち、出力制限）しなくてはならず、自動車向けに搭載した場合、十分な暖機運転を要するなどの事情があった。
【００３７】
そこで、本発明では、所定の条件下で、燃料電池スタック１１１のアノードへ供給する水素に、アノード酸素供給ポンプ１５１による適量の酸素を混合させて燃料電池スタック１１１に供給するようにし、図４に示すように、燃料電池スタック１１１のアノード触媒層１３では、混合した酸素と水素とが反応して水を生成し、固体高分子電解質膜１２へ吸収されるようにしている。つまり、アノード触媒層１３での水生成反応によって生成された水量（流束Ｑｐ）により、アノード側での膜の水収支のバランスがとられることとなり、零下雰囲気といった膜へ水を供給しがたい条件においても固体高分子電解質膜へ水を供給して、相対的に取り出し電流の制限（即ち、出力制限）を緩和することができる。
【００３８】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの起動時の動作について、図５を参照しながら説明する。ここで、図５は、本実施例の燃料電池システムにおける起動制御を説明するフローチャートである。
【００３９】
図５に示す制御フローは負荷取り出しの前後で２つに大別することができる。1つは、起動前に固体高分子電解質膜１２の含水状態から、そのままでは所望の電流を取り出すことが出来ないほど乾燥している場合に、負荷を取り出す前にアノードへ所定量の酸素を含んだ水素（燃料ガス）を供給してアノードを加湿するアノード加湿シーケンス（ステップＳ１０１〜Ｓ１０７）であり、もう1つは、燃料電池スタック１１１の温度が所定温度未満（零下）の状態で発電を継続的に行っているときに、アノード側がドライアウトしそうな場合に、負荷に応じた酸素をアノードへ供給するドライアウト防止シーケンス（ステップＳ１０８〜Ｓ１１３）である。
【００４０】
まず、燃料電池スタック１１１が起動されると、起動開始シーケンスを実行する（ステップＳ１０１）。
【００４１】
次に、温度判定手段により燃料電池スタック１１１の温度が所定温度未満かどうかを判定する（ステップＳ１０２）。 ここで、燃料電池スタック１１１の温度は、燃料電池温度センサ１２４による実際の温度検出、或いは冷媒出口温度センサ１２１の検出値に基づく推定により得る。燃料電池スタック１１１の温度が所定温度を超えている場合は通常起動シーケンス（ステップＳ１０３）に移行し。 所定温度未満の場合はステップＳ１０４に進む。
【００４２】
燃料電池スタック１１１の温度が所定温度未満の場合は、第１の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を検知して、膜がそのまま所望の負荷電流を取り出せるだけ湿潤しているかどうかを判定する（ステップＳ１０４）。固体高分子電解質膜１２の湿潤状態に応じて、予め実測によって求めた湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定されたならステップＳ１０５へ進み、湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定されたなら負荷の取り出しを開始する零下起動シーケンス（ステップＳ１０８）へ進む。
【００４３】
ここで、第１の膜湿潤状態検知手段による固体高分子電解質膜１２の湿潤状態の検知方法としては、以下の方法がある。
【００４４】
第１の方法は、ＰＲＯＭ等（書き込み可能な不揮発性記憶媒体）に記録した前回運転停止時のオペレーション条件や停止期間中の外気温の温度履歴などから固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を推定する方法である。
【００４５】
第２の方法は、アノードに水素（燃料ガス）、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ供給させて燃料電池スタック１１１の開放端電圧をモニタし、該開放端電圧と固体高分子電解質膜１２のガス透過係数および含水率の関係に基づき固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を推定する方法である。つまり、固体高分子電解質膜１２はガスの透過と膜含水率(湿潤状態)と比例関係があることから、ガス供給を行って、開放端電圧値（ＯＣＶ）の高さから検知するものである。例えば、開放端電圧値（ＯＣＶ）が低い場合は、ガスの透過量が多いため膜は湿潤状態であり、開放端電圧値（ＯＣＶ）が高い場合は、相対的に膜は乾燥状態にあると判断できる。
【００４６】
第３の方法は、固体高分子電解質膜１２の電気抵抗の変化を測定または推定することにより固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定する方法である。固体高分子電解質１２の電気抵抗の変化から膜の湿潤状態を検知するもので、例えば、固体高分子電解質膜１２の電気抵抗が低い場合には膜は湿潤状態であり、電気抵抗が高い場合は、相対的に膜は乾燥状態にあると判断できる。
【００４７】
ステップＳ１０４において、第１の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜１２が湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定された場合には、負荷取り出し前に該湿潤状態閾値に達するまで固体高分子電解質膜１２をぬらすために、ガス供給制御手段によりアノード酸素供給ポンプ１５１を作動して、乾燥状態に応じた時間だけアノードへ水素（燃料ガス）に酸素を混合して供給する（ステップＳ１０５〜Ｓ１０７）。
【００４８】
ここで、酸素の混合供給時間は、第１の湿潤状態検知手段によって検知された値に応じて決める。つまり、アノード酸素供給ポンプ１５１（ポンプの駆動動力＝単位時間あたり供給量が既知）を供給時間だけ作動して、検知した膜湿潤状態に応じた酸素量分を供給するようにする。なお、固体高分子電解質膜１２の湿潤状態推定方法として、第２の方法（開放端電圧値から推定）または第３の方法（電気抵抗の変化から推定）を用いる場合には、混合供給しながら固体高分子電解質膜１２の湿潤状態の変化を検知できるので、湿潤状態の検知毎に供給時間をカウントダウンさせるようにしてもよい。
【００４９】
図５では、まず、乾燥状態に応じた供給時間ｔ１を設定し（ステップＳ１０５）、アノードへの酸素混合供給する（ステップＳ１０６）。次に、アノードへの酸素混合供給を開始して（供給開始時刻ｔ０）から供給時間ｔ１に達したか否かを判断し（ステップＳ１０７）、供給時間ｔ１に達していれば、負荷の取り出しを開始する零下起動シーケンス（ステップＳ１０８）に進み、供給時間ｔ１に達していなければ、ステップＳ１０６に戻ってアノードへの酸素混合供給を継続するようにしている。
【００５０】
なお、酸素の混合供給量を増やすことで供給時間を短縮してもよく、その場合は（酸素濃度センサ１５２で確認しながら）酸素濃度を増やすか、或いはアノードへの供給量を増やすかすると良い。また、酸素の混合供給量を、上述のようにアノード酸素供給ポンプ１５１の駆動動力から決めても良いし、酸素濃度センサ１５２を水素供給経路に設けて、所望の濃度になるようにアノード酸素供給ポンプ１５１を制御しても良い。
【００５１】
以上のシーケンス（ステップＳ１０１〜Ｓ１０７）によって、固体高分子電解質膜１２の乾燥しすぎによる、負荷取り出し時の大幅なセル電圧低下によるフェールを防ぐことができる。
【００５２】
次に零下起動シーケンスの説明に移る。負荷取り出し前にアノードを湿潤状態にしておいても、固体高分子電解質膜１２の水移動特性（零下での水拡散係数や電気浸透係数）、取り出し電流密度、所定温度に達するまでの時間、或いは電極面内での発電分布によっては、アノード触媒層１３近傍の固体高分子電解質膜１２がドライアウトすることは十分に考えられる。
【００５３】
したがって、本実施例では、負荷取り出し開始後の発電中においても、固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を検知することにより、アノードでのドライアウト傾向を判断し、ドライアウト傾向にあると判断されるときには酸素の供給を行うこととしている。
【００５４】
まず、第２の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を検知して、膜がそのまま所望の負荷電流を取り出せるだけ湿潤しているかどうかを判定する（ステップＳ１０９）。固体高分子電解質膜１２の湿潤状態に応じて、予め実測によって求めた湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定されたならステップＳ１１１へ進み、湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定されたならステップＳ１１０へ進む。
【００５５】
ここで、第２の膜湿潤状態検知手段による固体高分子電解質膜１２の湿潤状態の検知方法としては、第１の膜湿潤状態検知手段における第２または第３の方法を用いることができる。
【００５６】
ステップＳ１０９において、第２の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜１２が湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定された場合には、ガス供給制御手段によりアノード酸素供給ポンプ１５１を作動して、乾燥状態に応じた時間だけアノードへ水素（燃料ガス）に酸素を混合して供給する（ステップＳ１１０）。なお、ステップＳ１１０の酸素の混合供給は、フィードバック制御により湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定されるまで継続される。
【００５７】
ステップＳ１０９において、第２の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜１２が湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定された場合には、ガス供給制御手段により、アノード酸素供給ポンプ１５１による酸素混合供給を停止する（ステップＳ１１１）。
【００５８】
次に、温度判定手段により燃料電池スタック１１１の温度が所定温度未満かどうかを判定する（ステップＳ１１２）。燃料電池スタック１１１の温度が所定温度を超えている場合は零下起動を終了（ステップＳ１１３）して、通常運転（ステップＳ１１４）に移行し。 所定温度未満の場合はステップＳ１０９に戻り、暖機運転により燃料電池スタック１１１の温度が所定温度に達するのを待つ。
【００５９】
なお、ステップＳ１１０の酸素の混合供給における供給量は、上述のように第１の膜湿潤状態検知手段における第２または第３の方法を用いたフィードバック制御によれば精度よく供給制御可能であるが、より簡便に行う場合には、外部回路１３１に取り出している電流値に比例した供給量を供給するようにしてもよい。
【００６０】
以上のシーケンス（ステップＳ１０８〜Ｓ１１３）により、固体高分子電解質膜１２のドライアウトを防ぎながら発電を継続していくことで、発電による発熱によって燃料電池スタック１１１は昇温されて通常運転に移行することができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜１２と、固体高分子電解質膜１２を挟む電極触媒層１３，１４およびガス拡散層１５，１６と、を含む膜電極構造体１１と、電極触媒層の燃料極１３に水素を含む燃料ガスを、電極触媒層の酸素極１４に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータ１７，１８と、を有し、膜電極構造体１１をセパレータ１７，１８で挟持したセル１０を、所定の出力が得られる数分積層し、燃料極（アノード）および酸化剤極（カソード）にそれぞれ供給される燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（酸素）の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１１１と、アノード（燃料極）に水素（燃料ガス）を供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）と、カソード（酸化剤極）に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）と、を備える燃料電池システムにおいて、アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）１５１により、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３に酸素を含むガスを混合して供給するようにしている。
【００６２】
このように、アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）１５１により燃料極に酸素を含むガスを混合して供給できるので、零下雰囲気といった固体高分子電解質膜１２へ水を供給しがたい条件においても固体高分子電解質膜１２へ水を供給することができ、相対的に取り出し電流の制限を緩和することができ、結果として零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムを実現することができる。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１１１の温度を、燃料電池温度センサ１２４または冷媒入口温度センサ１２０および冷媒出口温度センサ１２１（温度検知手段）により検出または推定し、システム制御装置１４１において、温度判定手段により、温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定し、第１の膜湿潤状態検知手段により、固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を検知し、ガス供給制御手段では、燃料電池スタック１１１から負荷を取り出す前に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）１５１により、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３に第１の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させる。
【００６４】
このように、アノード触媒層１３へ固体高分子電解質膜１２の湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給するので、アノードへ過剰に酸素を供給してアノードフラッディングさせたりすることがなく、またフラッディングに至らなくても必要以上に酸素供給してしまうことによる燃費の悪化を防ぐことができる。
【００６５】
また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１１１の温度を、燃料電池温度センサ１２４または冷媒入口温度センサ１２０および冷媒出口温度センサ１２１（温度検知手段）により検出または推定し、システム制御装置１４１において、温度判定手段により、温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定し、第２の膜湿潤状態検知手段により、固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を検知し、ガス供給制御手段では、燃料電池スタック１１１が発電中に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）１５１により、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３に第２の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させる。
【００６６】
このように、第２の膜湿潤状態検知手段によって固体高分子電解質膜１２が乾燥傾向にあると判断されたときに、アノード触媒層１３へ固体高分子電解質膜１２の湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給するので、発電中にドライアウトして出力低下してしまうことを防ぐことができる。
【００６７】
また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置１４１において、膜湿潤状態判定手段により、第１の膜湿潤状態検知手段または第２の膜湿潤状態検知手段によって検知された膜湿潤状態が予め設定された閾値に基づく乾燥状態であるか否かを判定し、ガス供給制御手段においては、膜湿潤状態判定手段により乾燥状態であると判定された場合にのみ、アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）１５１により、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３に酸素を含むガスを混合して供給させる。
【００６８】
このように、膜湿潤状態判定手段によって予め設定された閾値よりも乾燥している場合のみアノード触媒層へ酸素を含むガスを混合して供給するので、固体高分子電解質膜１２へ水を供給する必要がないような場合には、酸素の混合供給のためのシーケンスを省略することができ、起動時間をより短くすることができる。 また必要のない酸素供給を行わないので燃費の悪化を防ぐことができる。
【００６９】
また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置１４１において、記録手段（ＰＲＯＭ等）に、燃料電池システムの運転停止時における停止運転条件を記録しておき、第１の膜湿潤状態検知手段により、記録手段に記録された前回の停止運転条件に基づき固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を推定する。このように、前回の燃料電池システム停止時の運転条件から固体高分子電解質膜１２の湿潤状態／乾燥状態を推定するので、乾燥状態に応じた供給量を決めることができ、結果としてアノードフラッディングさせたりすることがなく、また、フラッディングに至らなくても必要以上に酸素供給してしまうことによる燃費の悪化を防ぐことができる。
【００７０】
また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置１４１において、第１の膜湿潤状態検知手段または第２の膜湿潤状態検知手段では、アノード（燃料極）に水素（燃料ガス）、カソード（酸化剤極）に空気（酸化剤ガス）をそれぞれ供給させて燃料電池スタック１１１の開放端電圧をモニタし、該開放端電圧と固体高分子電解質膜１２のガス透過係数および含水率の関係に基づき固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を推定する。これにより、検知精度が高くなり、そのため酸素の供給可否判断や供給量も適切に判断することができる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置１４１において、第１の膜湿潤状態検知手段または第２の膜湿潤状態検知手段では、固体高分子電解質膜１２の電気抵抗の変化を測定または推定することにより固体高分子電解質膜１２の湿潤状態を推定する。これにより、発電中の固体高分子電解質膜１２の湿潤状態／乾燥状態をリアルタイムに検知することができ、負荷取り出し量が変動するなど、動的な要因があっても未然にドライアウトを確実に防ぐことができる。
【００７２】
また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置１４１において、ガス供給制御手段では、温度判定手段により所定温度を超えたと判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）１５１によるアノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３への酸素を含むガスの混合供給を停止させる。これにより、アノードを加湿する必要のない場合に無駄な燃料を消費して燃費を悪化させることがない。
【実施例２】
【００７３】
次に、図６は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システム１０１は、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図６に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１１１を備える。
【００７４】
また、水素供給系（水素供給手段）として、水素高圧タンク１１５、水素供給経路、三方弁１１７、圧力センサ２０４、水素循環流路、燃料循環ポンプ１１６および出口配管１２５を備え、空気供給系（空気供給手段）として、エアフィルタ１１２、エアコンプレッサ１１３、空気供給経路１２６、圧力センサ２０５、加湿器１１４およびバイパスライン１２７を備え(ライン切替バルブは図示を省略)、冷却系２００（詳細は実施例１と同等であり、図示せず）を備えている。
【００７５】
なお、アノード（燃料極）に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段として、空気供給系のエアコンプレッサ１１３を兼用し、水素供給系の水素供給経路と空気供給系の（エアコンプレッサ１１３下流の）空気供給経路１２６とを連通する連通経路２０３に、調圧弁２０１と、水素供給経路から空気供給経路１２６への逆流を防ぐ逆止弁２０２と、が設置されている。
【００７６】
また、燃料電池スタック１１１には燃料電池温度センサ（温度検知手段）１２４が付設されており、燃料電池スタック１１１から取り出される電流は外部回路１３１へ供給される。さらに、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給系、空気供給系、冷却系２００および外部回路１３１の各種センサや他の各種センサからの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系２００および外部回路１３１の各構成要素の制御を行うシステム制御装置１４２を備えた構成である。
【００７７】
実施例２の燃料電池システムの構成が実施例１（図１参照）と異なる点は、アノード酸素供給手段の構成（連通経路２０３、調圧弁２０１および逆止弁２０２）と、水素供給経路に設置された圧力センサ２０４と、空気供給経路１２６に設置された圧力センサ２０５と、システム制御装置１４２である。
【００７８】
システム制御装置１４２は、実施例１と同様に、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成され、構成要素として温度判定手段、第１の膜湿潤状態検知手段、第２の膜湿潤状態検知手段およびガス供給制御手段を備え（これらはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したもの）ており、また、記録手段をＰＲＯＭ等（書き込み可能な不揮発性記録媒体であれば何でもよい）で実現する点も同様である。
【００７９】
本実施例の燃料電池システムの起動時の動作手順についても、実施例１（図５参照）と同様であるが、システム制御装置１４２において、ガス供給制御手段が、燃料電池から負荷を取り出す前に、或いは燃料電池スタック１１１の発電中に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、エアコンプレッサ１１３の出口圧が水素供給系の水素供給経路の圧力よりも高くなるようエアコンプレッサ１１３を運転制御し、２０１調圧弁の開度を調整することにより、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３への酸素を含むガスの混合供給を制御する点が異なる。
【００８０】
つまり、本実施例では、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３へ供給する酸素は、空気供給系のエアコンプレッサ１１３によって加圧・圧縮された外気エアを、空気供給経路１２６と水素供給経路との間の差圧を利用して供給している。 なお、酸素供給量は、圧力センサ２０４，２０５から得られる空気供給経路１２６−水素供給経路間差圧と調圧弁２０１の開度によって制御する。
【００８１】
以上説明したように本実施例の燃料電池システムでは、水素供給系（燃料ガス供給手段）の水素供給経路と空気供給系（酸化剤ガス供給手段）の空気供給経路１２６とを連通する連通経路２０３を設置して、アノード酸素供給手段を、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）のエアコンプレッサ１１３で兼用する。これにより、新たにアノード酸素供給ポンプ１５１を必要とせず、また複雑な配管も必要としないので、より簡単な構成でかつ低コストで実現できる。また、システム制御装置１４２において、供給量の制御も容易である。
【００８２】
また、本実施例の燃料電池システムでは、連通経２０３に調圧弁２０１を設置した構成とし、システム制御装置１４２において、ガス供給制御手段は、エアコンプレッサ１１３の出口圧が水素供給系（燃料ガス供給手段）の水素供給経路の圧力よりも高くなるようエアコンプレッサ１１３を運転制御し、調圧弁２０１の開度を調整することにより、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３への酸素を含むガスの混合供給を制御する。これにより、アノード触媒層（電極触媒層の燃料極）１３へ酸素を供給するためだけの動力（アノード酸素供給ポンプ１５１）を必要とせず、より簡単な構成でかつ低コストで実現できると共に、燃費の悪化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池スタック１１１の燃料電池単セル１０の概略構成図である。
【図３】従来の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図である。
【図４】本発明の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図である。
【図５】実施例の燃料電池システムにおける起動制御を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１００，１０１  燃料電池システム
１１１  燃料電池スタック
１１２  エアフィルタ
１１３  エアコンプレッサ
１１４  加湿器
１１５  水素高圧タンク
１１６  燃料循環ポンプ
１１７  三方弁
１１９  冷媒循環ポンプ
１２０  冷媒入口温度センサ（温度検知手段）
１２１  冷媒出口温度センサ（温度検知手段）
１２２  冷却ファン
１２３  冷媒熱交換器
１２４  燃料電池温度センサ（温度検知手段）
１２５  出口配管
１２６  空気供給経路
１２７  バイパスライン
１２８  水素調圧弁
１３１  外部回路
１４１，１４２  システム制御装置
１５１  アノード酸素供給ポンプ（アノード酸素供給手段）
１５２  酸素濃度センサ
２００  冷却系
２０１  調圧弁
２０２  逆止弁
２０３  連通経路
２０４，２０５  圧力センサ
１０  燃料電池単セル
１１  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２  固体高分子電解質膜
１３  アノード触媒層（電極触媒層）
１４  カソード触媒層（電極触媒層）
１５  アノードガス拡散層（ガス拡散層）
１６  カソードガス拡散層（ガス拡散層）
１７  アノードセパレータ
１８  カソードセパレータ
【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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