(57)【要約】【課題】燃料電池の発電起動時において、反応ガスが燃料電池により冷却されることが抑制され、反応ガスに含まれている水蒸気が凝縮することが抑制され、このため燃料電池の発電起動時に燃料電池の内部においてフラッディングが抑制される燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、反応ガスにより発電する燃料電池１と、反応ガスを燃料電池１に供給する供給路２と、供給路２に設けられ燃料電池１に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器４と、燃料電池１に供給される前の反応ガスの温度を調整できるように、加湿器４の温度を調整する反応ガス温度調整要素とを有する。制御装置５は、燃料電池１の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池１の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素６３を制御し、燃料電池１に供給される前の反応ガスの温度を制御する。【選択図】図１
2009289577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスにより発電する燃料電池と、
前記反応ガスを前記燃料電池に供給する供給路と、
前記供給路に設けられ、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器の温度を調整することにより、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整要素と、
前記燃料電池の発電起動時において、前記燃料電池および前記反応ガスを昇温させつつ、加湿後の前記反応ガスの温度が前記燃料電池の温度よりも低く維持されるように前記反応ガス温度調整要素を制御し、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を制御する制御装置とを具備する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記加湿器は、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスを加湿させる加湿路と、前記燃料電池から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路とを有しており、
前記反応ガス温度調整要素は、前記燃料電池から排出された前記オフガスが前記加湿器の前記吸湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であり、
前記制御装置は、前記流量調整要素を制御することにより、前記燃料電池から排出された前記オフガスが前記加湿器の前記吸湿路を流れる流量を調整し、前記オフガスから前記加湿器への伝熱を制御することにより、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を制御する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において、前記加湿器は、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスを加湿させる加湿路と、前記燃料電池から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路とを有しており、
前記反応ガス温度調整要素は、前記燃料電池に供給される前記反応ガスが前記加湿器の前記加湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であり、
前記制御装置は、前記流量調整要素を制御することにより、前記燃料電池に供給される前記反応ガスが前記加湿器の前記加湿路を流れる流量を調整し、前記加湿器から前記反応ガスへの伝熱を制御することにより、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスの温度を制御する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記燃料電池は、前記燃料電池を冷却させるために冷却媒体を通過させる冷却路をもち、
前記冷却路の入口を流れる前記冷却媒体の温度を検知する入口温度センサと、前記冷却路の出口を流れる前記冷却媒体の温度を検知する出口温度センサとが設けられており、
前記制御装置は、前記入口温度センサが検知した入口側の温度と前記出口温度センサが検知した出口側の温度とのうち低い方の温度を、前記燃料電池の温度として選択する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記燃料電池の発電起動時において前記燃料電池を昇温させる燃料電池昇温要素が設けられており、前記制御装置は、前記燃料電池の発電起動時において、前記燃料電池昇温要素により前記燃料電池を昇温させる燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５において、前記制御装置は、前記燃料電池の発電起動時において、
前記燃料電池昇温要素により前記燃料電池の温度を昇温させる燃料電池昇温操作と、
前記燃料電池の温度が常温域よりも昇温した状態において、前記反応ガスの流量の６０％以上が前記加湿器の前記加湿路を迂回するように前記反応ガスの加湿を抑えつつ前記反応ガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記燃料電池から排出された前記オフガスの流量の６０％以上を前記加湿器の前記吸湿路に流して前記加湿器を更に昇温させる加湿器昇温操作と、
前記反応ガスの流量の６０％以上を前記加湿器の前記加湿路を通過させて前記反応ガスを前記加湿器で加湿させた状態で、前記反応ガスを前記燃料電池に供給すると共に、前記燃料電池から排出された前記オフガスが前記加湿器の前記吸湿路を迂回する流量を調整しつつ、前記オフガスを前記燃料電池から排出させる反応ガス温度調整操作とを順に実施する燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のうちの一項において、前記制御装置は、（ｉ）前記燃料電池の発電起動時において、前記反応ガスの温度が前記燃料電池の温度よりも温度Ｔｄ低く維持されるように前記反応ガス温度調整要素を制御し、且つ、（ｉｉ）前記燃料電池の定常運転時において、前記反応ガスの温度が前記燃料電池の温度よりも温度Ｔｄ２（Ｔｄ２＜Ｔｄ）低く維持されるように前記反応ガス温度調整要素を制御する燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜６のうちの一項において、前記制御装置は、前記燃料電池の発電起動時における前期において、前記反応ガスの温度が前記燃料電池の温度よりも温度Ｔｄ低く維持されるように前記反応ガス温度調整要素を制御し、且つ、前記燃料電池の発電起動時における後期において、前記反応ガスの温度が前記燃料電池の温度よりも温度Ｔｅ（Ｔｅ＜Ｔｄ）低く維持されるように前記反応ガス温度調整要素を制御する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器を有する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、一般的には、反応ガスにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器とを備えている。燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿すれば、燃料電池のイオン伝導膜のイオン伝導率を高めに維持でき、燃料電池の発電性能が高められる。
【０００３】
特許文献１には、アノードガスを生成させる改質器と、燃料電池と、アノードガスの温度を検知する検知手段と、燃料電池の温度を検知する検知手段と、燃料電池とアノードガスとの温度差を制御することにより、燃料電池のイオン伝導膜の湿潤状態を制御する燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、凍結が発生するような低温雰囲気で燃料電池を起動させるとき、燃料電池の温度を検知し、凍結が発生するような燃料電池の温度が低温であるとき、加湿器による加湿量を減少させる燃料電池の加湿器が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２８５５６２号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池の発電を開始するとき、燃料電池の定常運転時に比較して、燃料電池の内部の温度の安定性および均一性は、必ずしも充分ではない。このため燃料電池の発電起動時には、燃料電池の内部においてフラッディングが発生し易い。
【０００６】
特許文献１は、反応ガスを加湿する加湿器を搭載しているものではないため、加湿後の反応ガスの温度に関する技術ではない。特許文献２は、燃料電池の発電起動時における燃料電池の凍結防止に関するものである。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電起動時において、燃料電池に供給された反応ガスが燃料電池の内部で急激に冷却されることが抑制され、この結果、反応ガスに含まれている水蒸気が燃料電池の内部において凝縮することが抑制され、このため燃料電池の発電起動時に燃料電池の内部におけるフラッディングが抑制される燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）反応ガスにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、（ｉｉ）供給路に設けられ、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器と、（ｉｉｉ）加湿器の温度を調整することにより、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整要素と、（ｉｖ）燃料電池の発電起動時において、燃料電池および反応ガスを昇温させつつ、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する制御装置とを具備する。
【０００９】
燃料電池の発電起動時において、制御装置は反応ガス温度調整要素を制御することにより、加湿器の温度を制御する。これにより制御装置は、加湿後で且つ燃料電池に供給される前の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように制御する。これにより加湿後の反応ガスが燃料電池に供給されることにより燃料電池の内部において冷却されることが抑制される。従って、加湿後の反応ガスが燃料電池の内部において冷却されることが抑制される。よって、反応ガスに含まれている水蒸気が燃料電池の内部において凝縮することが抑制される。このため燃料電池の発電起動時において、燃料電池の内部においてフラッディングが抑制される。フラッディングは液相状の水により燃料電池のガス流路が塞がれることを意味する。
【００１０】
本発明によれば、燃料電池は反応ガスにより発電する。供給路は反応ガスを燃料電池に供給する。加湿器は供給路に設けられており、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する。加湿器で加湿される反応ガスとしては、カソードガスでも良いし、アノードガスでも良い。両者でも良い。反応ガス温度調整要素は、加湿器の温度を調整することにより、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整する。反応ガス温度調整要素は、ヒータで加湿器を温度調整する方式でも良いし、あるいは、燃料電池から排出された発電反応後のオフガスを加湿器に供給する流量を制御することにより加湿器の温度を調整する方式でも良いし、あるいは、燃料電池に供給される発電反応前の反応ガスを加湿器に供給する流量を制御することにより加湿器の温度を調整する方式でも良い。
【００１１】
制御装置は、燃料電池の発電起動時において、加湿後の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、この結果、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する。発電起動時とは、一般的には、反応ガスを加湿器に供給するとき、発電開始する時刻を開始点とし、燃料電池の温度がこれの目標温度に安定的に到達されるまでの期間をいう。発電起動時の終了点は、燃料電池の温度がこれの目標温度に到達した時刻とすることができる。燃料電池の目標温度は燃料電池システムの種類に応じて設定される。あるいは、発電起動時の終了点は、燃料電池の温度が目標温度に到達した時点から所定時間経過した時刻とすることができる。所定時間は、燃料電池システムの種類に応じて設定され、燃料電池の温度が目標温度に到達してから１秒〜２時間の範囲内における任意値として設定できる。燃料電池の温度としては、燃料電池に取り付けた温度センサの温度としても良いし、あるいは、冷却媒体が流れる冷却路が燃料電池に設けられている場合には、冷却路の入口を流れる冷却媒体の温度Ｔｉとしても良いし、冷却路の出口を流れる冷却媒体の温度Ｔｏとしても良いし、温度Ｔｉおよび温度Ｔｏのうちの低い方としても良い。ここで、温度Ｔｉおよび温度Ｔｏのうちいずれか低い温度を燃料電池の温度として採用すれば、加湿後の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持される確率が高くなり、フラッディングの抑制に有利であるという利点が得られる。
【００１２】
本発明は好ましくは次の態様が採用できる。
【００１３】
・好ましくは、加湿器は、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿させる加湿路と、燃料電池から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路とを有する。この場合、反応ガス温度調整要素は、燃料電池から排出されたオフガスが加湿器の吸湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であることが好ましい。流量調整要素としてはバルブ、可変絞り等が例示される。制御装置は、流量調整要素を制御することにより、燃料電池から排出されたオフガスが加湿器の吸湿路を流れる流量を調整し、熱をもつオフガスから加湿器への伝熱を制御することが好ましい。オフガスは、燃料電池から排出された発電反応後のガスを意味する。燃料電池は発電運転により発熱すると共に水を発生する。このため、一般的には、オフガスは、燃料電池に供給される前の反応ガスに比較して湿度および温度が相対的に高い。このためオフガスが加湿器の吸湿路を流れる流量が調整されると、オフガスから加湿器への伝熱および水伝達が制御される。これにより加湿器の温度が調整される。ひいては加湿器を流れる反応ガスの温度が調整される。
【００１４】
・好ましくは、加湿器は、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿させる加湿路と、燃料電池から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路とを有する。この場合、反応ガス温度調整要素は、燃料電池に供給される前の反応ガスが加湿器の加湿路を流れる流量を調整する流量調整要素であることが好ましい。制御装置は、流量調整要素を制御することにより、燃料電池に供給される前の反応ガスが加湿器の加湿路を流れる流量を調整し、加湿器から反応ガスへの伝熱量を制御することが好ましい。このように反応ガスが加湿器の加湿路を流れる流量が調整されると、加湿器から反応ガスへの伝熱量が制御される。これにより燃料電池に供給される前の反応ガスの温度が調整される。
【００１５】
・好ましくは、燃料電池にこれを冷却させる冷却路が設けられている場合には、燃料電池の温度は、燃料電池の冷却路を流れる冷却媒体の温度とすることができる。スタックの内部自体に温度センサおよびその配線を設けると、反応ガスのシール性を高めることが要請される。
【００１６】
・好ましくは、燃料電池は、燃料電池を冷却させるために冷却媒体を通過させる冷却路をもつ。冷却路の入口または入口付近を流れる冷却媒体の温度を検知する入口温度センサと、冷却路の出口または出口付近を流れる冷却媒体の温度を検知する出口温度センサとが設けられていることが好ましい。この場合、制御装置は、入口温度センサが検知した入口側の温度と出口温度センサが検知した出口側の温度とのうち低い方の温度を、制御装置は、燃料電池の温度として選択することが好ましい。燃料電池の発電起動時においては、燃料電池の内部の温度の安定性および均一性は、必ずしも充分ではない。冷却路の入口を流れる冷却媒体の温度をＴｉとし、冷却路の出口を流れる冷却媒体の温度をＴｏとするとき、Ｔｉ＞Ｔｏであったり、Ｔｏ＞Ｔｉであったり、Ｔｉ＝Ｔｏであったりする。例えば、燃料電池の発電起動時であっても、燃料電池の発熱が少ない前期では、Ｔｉ＞Ｔｏとなり易い。しかし、後期では燃料電池における発熱が増加するため、Ｔｏ＞Ｔｉとなり易い。従って、温度Ｔｉおよび温度Ｔｏのうちいずれか低い温度を採用すれば、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持される確率が高くなる。よって、フラッディングの抑制に有利であるという利点が得られる。
【００１７】
・好ましくは、燃料電池の発電起動時において燃料電池を昇温させる燃料電池昇温要素が設けられている。燃料電池昇温要素は、燃料電池を昇温できるものであれば良く、電気ヒータ、ガスヒータが例示される。更に、熱媒体で熱交換する熱交換器等が例示される。制御装置は、燃料電池の発電起動時において、燃料電池および反応ガスを昇温させつつ、加湿後の反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも所定温度Ｔｄ（燃料電池の温度−反応ガスの温度＝Ｔｄ）ぶん低く維持されるように、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御することが好ましい。所定温度Ｔｄは、燃料電池システムに応じて実験または等に基づいて設定され、例えば１〜２０℃の範囲内、１〜１０℃の範囲内で設定される。但しこれに限定されるものではない。
【００１８】
・制御装置は、燃料電池の発電起動時において、燃料電池を昇温させる燃料電池昇温操作と、加湿器を昇温させる加湿器昇温操作と、反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整操作とを順に実施することが好ましい。燃料電池昇温操作では、燃料電池昇温要素により燃料電池の温度を昇温させる。加湿器昇温操作では、燃料電池の温度が常温域を超える所定の昇温温度域に昇温した状態において、反応ガスの流量の６０％以上が加湿器の加湿路を迂回するように反応ガスの加湿を抑えつつ反応ガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池から排出されたオフガスの流量の６０％以上を加湿器の吸湿路に流して加湿器を更に昇温させる。反応ガス温度調整操作では、反応ガスの流量の６０％以上を加湿器の加湿路を通過させて反応ガスを加湿させた状態で、反応ガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池から排出されたオフガスが加湿器の吸湿路を迂回する流量を調整しつつ、オフガスを燃料電池から排出させる。オフガスは、燃料電池に供給される前の反応ガスよりも高温高湿であることが多い。ここで、反応ガス温度調整操作では、オフガスの流量の６０％以上を加湿器の吸湿路に流すため、オフガスから加湿器への伝熱量が確保され、加湿器の昇温速度を早めることができる。上記した『６０％以上』としては、７０％以上、８０％以上、９０％以上、１００％が例示される。
【００１９】
・燃料電池の定常運転（定格運転）時において、燃料電池の発電起動時よりも、燃料電池の内部の温度の安定性および／または均一性が向上するため、フラッディングが発生しにくくなる。そこで、好ましくは、制御装置は、燃料電池の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Ｔｄぶん低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、且つ、燃料電池の定常運転（例えば定格運転）時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Ｔｄ２（Ｔｄ２＜Ｔｄ）ぶん低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御する。定格とは、指定された条件のもとで燃料電池が連続運転できるように、製造者が保証する使用上の限界をいい、一般的には銘板に表示されている。
【００２０】
・燃料電池の発電起動時においてこれの前期よりも後期においては、燃料電池の内部の温度の安定性および／または均一性が向上するため、フラッディングが発生しにくくなる。そこで、好ましくは、制御装置は、燃料電池の発電起動時における前期において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Ｔｄ低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、且つ、燃料電池の発電起動時における後期において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも温度Ｔｅ（Ｔｅ＜Ｔｄ）低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御する。ここで、発電起動時における後期とは、発電起動時において、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌが所定温度Ｔｘに昇温した後の期間をいう。発電起動時における前期とは、燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌが所定温度Ｔｘに昇温するまでの期間をいう。所定温度Ｔｘは、燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて設定でき、反応ガスを燃料電池の供給する前における燃料電池の温度Ｔｃｅｌｌと定常運転時における燃料電池の温度Ｔｓｅｔとの中間に位置する温度であり、例えば４０〜７０℃の範囲内において設定できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、制御装置は、燃料電池の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する。このため、燃料電池の発電起動時において、加湿後の反応ガスが燃料電池の内部に供給されるとき、反応ガスが燃料電池の内部により冷却されることが抑制される。ひいては、反応ガスに含まれている水蒸気が燃料電池の内部において凝縮することが抑制される。このため燃料電池の発電起動時に、燃料電池の内部においてフラッディングが発生することが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（実施形態１）
図１は実施形態１の概念を示す。燃料電池システムは、燃料電池のスタック１と、第１供給路２と、第２供給路３と、加湿器４と、制御装置５とを有する。燃料電池のスタック１は、反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスにより発電するものであり、カソードガスが供給されるカソード極１０と、アノードガスが供給されるアノード極１１と、カソード極１０とアノード極１１とを仕切る固体高分子型のイオン伝導膜１２（例えば炭化フッ素系または炭化水素系）とを有するＭＥＡを備える。ＭＥＡは、シート型でも良いし、チューブ型でも良い。更にスタック１は、スタック１を冷却させるために冷却媒体を通過させる冷却路１５をもつ。冷却媒体としては、冷却水等の冷却液、冷却ガスが挙げられる。冷却路１５には、スタック１の発電起動時においてスタック１を昇温させる燃料電池昇温要素１６が設けられている。燃料電池昇温要素１６は冷却媒体を加熱させる電気ヒータ１７および熱交換器１８で形成されている。熱交換器１８は、燃料電池システムの改質器の燃焼排ガスの熱と熱交換させる熱交換器を含む。電気ヒータ１７および熱交換器１８のうちのいずれか一方としても良い。
【００２３】
スタック１の冷却路１５の入口１５ｉを流れる冷却媒体の温度Ｔｉを検知する入口温度センサ１９ｉが設けられている。冷却路１５の出口１５ｏを流れる冷却媒体の温度Ｔｏを検知する出口温度センサ１９ｏが設けられている。入口温度センサ１９ｉの温度Ｔｉの信号および出口温度センサ１９ｏの温度Ｔｏの信号は、制御装置５に入力される。制御装置５は、温度Ｔｉおよび温度Ｔｏのうちの低い方をスタック１の温度として採用することが好ましい。但しこれに限定されるものではない。
【００２４】
第１供給路２は、反応ガスとしてのカソードガスをスタック１のカソード極１０に供給する。第２供給路３は、反応ガスとしてのアノードガスをスタック１のアノード極１１に供給するものであり、熱交換器３２を有しており、改質器３５に繋がる。更に第１排出路６および第２排出路７が設けられている。第１排出路６は、スタック１のカソード極１０の出口１０ｏから排出されるカソードガスのオフガスを排出させるものである。第２排出路７は、スタック１のアノード極１１の出口１１ｏから排出されるアノードガスのオフガスを排出させる。
【００２５】
加湿器４は第１供給路２及び第１排出路６に跨るように設けられており、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給される前のカソードガスを加湿する。加湿器４は、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿させる加湿路４０と、スタック１から排出されたオフガスの水分を低下させる吸湿路４１と、加湿路４０と吸湿路４１とを仕切る膜状の水分保持部材４２と、これらを保持するハウジング４３とを有する。加湿路４０は第１供給路２に連通し、第１供給路２を流れるカソードガスを加湿させる。吸湿路４１は第１排出路６に連通し、第１排出路６を流れるオフガスから吸湿する。水分保持部材４２は水伝達および熱伝達を行い得る水分保持膜（例えばイオン伝導膜）で形成されている。
【００２６】
第１供給路２のうち、加湿器４の加湿路４０の上流には、カソードガスを搬送させるブロア２０（搬送源）と、流量計２１と、入口バルブ２３とが設けられている。入口バルブ２３はスタック１のカソード極１０の入口１０ｉ側に加湿器４を介して配置されているものであり、加湿器４の加湿路４０とブロア２０との間に配置されている。第１供給路２に対して供給迂回路２５が分岐されている。カソードガスが加湿器４の加湿路４０を流れないように、供給迂回路２５は加湿器４の加湿路４０を迂回する。従って、供給迂回路２５の下流は加湿器４の加湿路４０の下流に繋がる。供給迂回路２５の上流は加湿器４の加湿路４０の上流の入口バルブ２３に繋がる。第１供給路２において加湿器４の加湿路４０の出口４０ｏ側には、第１温度センサ２７が設けられている。第１温度センサ２７は、第１供給路２において加湿器４の加湿路４０の出口４０ｏから排出された加湿直後のカソードガスの温度Ｔｃを検知する。すなわち、第１温度センサ２７は、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給させる直前のカソードガスの温度Ｔｃを検知する。第１温度センサ２７が検知した温度Ｔｃの信号は、制御装置５に入力される。
【００２７】
第２温度センサ３３は、第２供給路３において熱交換器３２から排出された直後のアノードガスの温度Ｔａを検知する。すなわち、第２温度センサ３３は、スタック１のアノード極１１の入口１１ｉに供給させる直前のアノードガスの温度Ｔａを検知する。第２温度センサ３３が検知した温度Ｔａの信号は、制御装置５に入力される。
【００２８】
図１に示すように、第１排出路６において加湿器４の吸湿路４１とスタック１のカソード極１０との間には、流量調整要素として機能する出口バルブ６３が配置されている。出口バルブ６３はスタック１のカソード極１０の出口１０ｏ側に設けられている。第１排出路６に対して排出迂回路６５が分岐されている。オフガスが加湿器４の吸湿路４１を流れないように、排出迂回路６５は加湿器４の吸湿路４１を迂回する。従って排出迂回路６５の上流は加湿器４の吸湿路４１の上流の出口バルブ６３に繋がる。排出迂回路６５の下流は加湿器４の吸湿路４１の下流に繋がる。制御装置５は入口バルブ２３および出口バルブ６３の開度を制御する。
【００２９】
本実施形態によれば、出口バルブ６３は、排出迂回路６５にガスを流す流量と吸湿路４１にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。あるいは、出口バルブ６３は、排出迂回路６５および吸湿路４１の双方にガスを流す第１操作と、排出迂回路６５にガスを流さないものの吸湿路４１にガスを流す第２操作とを交互に切り替えることができる。第１操作の時間ｔｆと第２操作の時間ｔｓとが交互に実施されれば、ｔｓ／ｔｆの比により、排出迂回路６５にガスを流す流量と加湿器４の吸湿路４１にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。
【００３０】
スタック１の出口１０ｏから排出されるオフガスは発電反応を経ており、スタック１に供給される前のカソードガスよりも高温である。従って、加湿器４の吸湿路４１を流れるオフガスの流量を制御すれば、オフガスから加湿器４のハウジング４３および水分保持部材４２への伝熱量を制御でき、これらの温度を調整できる。故に、本実施形態によれば、加湿器４の温度を調整するための反応ガス温度調整要素は、出口バルブ６３と、排出迂回路６５とで形成されている。
【００３１】
スタック１の発電起動時の操作について説明を加える。まず、発電開始前において改質器３５の改質運転を開始し、アノードガスを改質器３５で生成する。更に、燃料電池昇温要素１６のヒータ１７および熱交換器１８により暖められた冷却媒体をスタック１の冷却路１５に流すことにより、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌを常温域を超える昇温温度域（例えば４５〜５５℃の範囲内）に昇温させておく。
【００３２】
その後、スタック１の発電起動を開始させる。スタック１の発電起動において、ブロア２０を駆動させて第１供給路２からカソードガス（カソード活物質含有ガス，空気等の酸素含有ガス）を加湿器４の加湿路４０に流して加湿させ、スタック１のカソード極１０に供給する。同様に、改質器３５で生成されたアノードガス（アノード活物質含有ガス，水素含有ガス，水素ガス）を第２供給路３からスタック１のアノード極１１に供給する。これによりスタック１を電気負荷に電気接続した状態で、スタック１において発電を開始させる。カソードガスのオフガスはスタック１のカソード極１０の出口１０ｏから第１排出路６により排出される。アノードガスのオフガスはスタック１のアノード極１１の出口１１ｏから第２排出路７により排出される。
【００３３】
スタック１の発電運転においてスタック１は、発熱すると共に水を生成させる。従って、スタック１のカソード極１０の出口１０ｏから排出される発電反応後のオフガスは、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給させる発電反応前のカソードガスよりも、相対的に高温高湿である。従って、出口バルブ６３の開度を調整することにより、排出迂回路６５を流れるオフガスの流量を調整すれば、加湿器４の吸湿路４１に供給されるオフガスの流量が制御される。ひいては高温のオフガスから加湿器４のハウジング４３および水分保持部材４２に伝達される熱量が制御され、加湿器４の温度が制御される。これにより加湿器４の加湿路４０を流れる発電反応前のカソードガス（スタック１に供給される前）の温度Ｔｃを制御できる。このようにオフガスが加湿器４の吸湿路４１を流れる流量が調整されると、オフガスから加湿器４への伝熱および水伝達が制御される。これにより加湿器４の温度が調整される。ひいては加湿器４の加湿路４０を流れるカソードガスの温度が調整される。なお、本明細書では流量は単位時間あたりの流量を意味する。
【００３４】
上記したようにスタック１の発電起動時には、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｔｄ低い目標温度Ｔｔａｒｇｅｔを設定する。そして、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌが昇温したとしても、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔに維持されるように、出口バルブ６３の開度を制御する。すなわち、カソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔよりも高くなったら、あるいは、カソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔよりも高くなろうとしたら、制御装置５は出口バルブ６３の開度を制御し、排出迂回路６５に流れるオフガスの流量を増加させると共に、加湿器４の吸湿路４１を流れるオフガスの流量を減少させる。これにより高温高湿のオフガスから加湿器４に移行する伝熱量を抑制させる。また、カソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔよりも低下したら、制御装置５は出口バルブ６３の開度を制御し、排出迂回路６５に流れるオフガスの流量を減少させると共に、加湿器４の吸湿路４１を流れるオフガスの流量を増加させる。これによりオフガスから加湿器４に移行する伝熱量を増加させる。このようにしてスタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔに維持されるように、制御装置５は出口バルブ６３の開度を制御することにより、カソードガスの温度Ｔｃを昇温させる。
【００３５】
なお本実施形態においては、スタック１の発電起動時において、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ付近に維持される限り、第１供給路２においては、カソードガスの全量を加湿路４０に流しても良いし、あるいは、加湿路４０および供給迂回路２５の双方に流しても良い。
【００３６】
図２はスタック１の発電起動時における昇温過程の一例を示す。図２において、特性線Ｓは、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌ（燃料電池の温度）を示す。特性線Ｇは、第１温度センサ２７が検知したカソードガス（スタック１に供給される前）の温度Ｔｃを示す。時刻ｔ２は、スタック１にカソードガスおよびアノードガスが供給され、スタック１が発電を開始する時刻を示す。時刻ｔ３は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌがこれの目標温度Ｔｓｅｔ（例えば７０〜９０℃の範囲内の任意値）に到達した時刻を示す。スタック１の発電運転は熱を発生させるため、スタック１は発電により次第に昇温する。従って、図２の特性線Ｓ，Ｇに示すように、制御装置５は、時間経過につれてスタック１の温度Ｔｃｅｌｌを次第に昇温させると共に、加湿器４を昇温させてカソードガスの温度Ｔｃを次第に昇温させる。
【００３７】
以上説明したように本実施形態によれば、スタック１の発電起動時（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）にはスタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔは、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低い温度に設定されている。従って、制御装置５は、カソードガスの温度Ｔｃを目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ（Ｔｔａｒｇｅｔ＝Ｔｃｅｌｌ−Ｔｄ）に維持するように、出口バルブ６３の開度を制御させる。ここで、温度Ｔｄは、燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて適宜設定されるものであり、例えば、２〜３５℃の範囲内において、殊に５〜２０℃の範囲内において適宜設定できる。
【００３８】
スタック１の定常運転時（時刻ｔ３以降）においても、スタック１の内部におけるフラッディングを抑制させることが好ましい。そこで、制御装置５は、図２に示すように、時刻ｔ３経過後についても、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔは、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄ２ぶん低い温度に設定することが好ましい。この場合、温度Ｔｄ２＝温度Ｔｄとしてもよい。あるいは、スタック１の定常運転時には、スタック１の発電起動時と異なり、スタック１の内部の温度の安定性および均一性が高いため、温度Ｔｄ２＜温度Ｔｄとしてもよい。
【００３９】
ところで、スタック１の発電起動時においては、スタック１の内部の温度の安定性および均一性が必ずしも充分でない。この点本実施形態によれば、上記したようにカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔは、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低い温度に設定されている（Ｔｔａｒｇｅｔ＝Ｔｃｅｌｌ−Ｔｄ）。従って、スタック１の内部の温度の安定性および均一性が必ずしも充分でないときにおいても、温度Ｔｄを考慮すると、スタック１の内部においてフラッディングが抑制される。なお、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌがこれの目標温度Ｔｓｅｔに到達したら（時刻ｔ３）、スタック１は定常運転（定格運転）に移行するため、制御装置５はスタック１の発電起動運転を終了させる。
【００４０】
ところで本実施形態によれば、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして、冷却路１５の入口１５ｉを流れる冷却媒体の温度Ｔｉと、冷却路１５の出口１５ｏを流れる冷却媒体の温度Ｔｏとのうちのいずれか低い温度を選択することが好ましい。その理由としては次のようである。すなわち、スタック１の発電起動時においては、前述したようにスタック１の内部の温度の安定性および均一性は、必ずしも充分ではない。冷却路１５の入口１５ｉを流れる冷却媒体の温度を検知する入口温度センサ１９ｉの検知温度をＴｉとし、冷却路１５の出口１５ｏを流れる冷却媒体の温度を検知する出口温度センサ１９ｏの検知温度をＴｏとすると、スタック１の発電起動時においては、Ｔｉ＞Ｔｏであったり、Ｔｏ＞Ｔｉであったり、Ｔｉ＝Ｔｏであったりする。例えば、スタック１の発熱が少ない起動前期では、Ｔｉ＞Ｔｏとなり易い。しかし、起動後期ではスタック１の発熱が増加するため、Ｔｏ＞Ｔｉとなり易い。従って、スタック１の発電起動時においては、制御装置５は、スタック１の温度としてＴｉおよびＴｏのうちいずれか低い温度を選択することが好ましい。このため、スタック１に供給される直前のカソードガスの温度がスタック１の温度よりも低く維持される確率が高くなる利点が得られる。故に、フラッディングの抑制に有利であるという利点が得られる。
【００４１】
なお場合によっては、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして、冷却路１５の入口１５ｉを流れる冷却媒体の温度Ｔｉと、冷却路１５の出口１５ｏを流れる冷却媒体の温度Ｔｏとのうちのいずれか一方を採用しても良い。更に温度Ｔｉと温度Ｔｏとの中間値を採用しても良い。従って、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして、温度Ｔｉと温度Ｔｏの平均値を採用しても良い。
【００４２】
本実施形態によれば、入口バルブ２３は、供給迂回路２５にガスを流す流量と加湿路４０にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。あるいは、入口バルブ２３は、供給迂回路２５および加湿路４０の双方にガスを流す第１操作と、供給迂回路２５にガスを流さないものの加湿路４０にガスを流す第２操作とを切り替えることができる。第１操作と第２操作とが交互に実施されれば、供給迂回路２５にガスを流す流量と加湿器４の加湿路４０にガスを流す流量との比率を可変に制御できる。
【００４３】
（フローチャート）
図３，図４は制御装置５が実行するフローチャートの一例を示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。図３に示すように、まず、制御装置５は入口温度センサ１９ｉの温度Ｔｉ、出口温度センサ１９ｏの温度Ｔｏを読み込む（ステップＳ２０２）。制御装置５は、温度Ｔｉおよび温度Ｔｏのどちらが低いか判定する（ステップＳ２０４）。温度Ｔｉが温度Ｔｏよりも低いとき、またはＴｉ＝Ｔｏのときには、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして温度Ｔｉを設定する（ステップＳ２０６）。温度Ｔｏが温度Ｔｉよりも低いときには、制御装置５はスタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして温度Ｔｏを設定し（ステップＳ２０８）、メインルーチンにリターンする。
【００４４】
図４に示すように、制御装置５は第１温度センサ２７が検知しているカソードガスの温度Ｔｃを読み込み（ステップＳ３０２）、更に、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌを読み込む（ステップＳ３０４）。次に、温度ＴｃｅｌｌからＴｄを減算することにより目標温度Ｔｔａｒｇｅｔを設定する（ステップＳ３０６）。制御装置５は、カソードガスの温度Ｔｃと目標温度Ｔｔａｒｇｅｔとを比較する（ステップＳ３０８）。ここで、目標温度Ｔｔａｒｇｅｔよりもカソードガスの温度Ｔｃが高めであれば（Ｔｔａｒｇｅｔ＝温度Ｔｃも含む）、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御し、排出迂回路６５に流れるガスの流量を増加させると共に、加湿器４の吸湿路４１に流れるガスの流量を減少させる（ステップＳ３１０）。これにより高温高湿のオフガスから加湿器４への伝熱量を減少させ、加湿器４を降温させる。
【００４５】
更に、目標温度Ｔｔａｒｇｅｔよりもカソードガスの温度Ｔｃが低めであれば、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御し、排出迂回路６５に流れるガスの流量を減少させると共に、加湿器４の吸湿路４１に流れるガスの流量を増加させる（ステップＳ３１４）。これにより制御装置５は、高温高湿のオフガスから加湿器４への伝熱量を増加させ、加湿器４を昇温させる。ハンチング防止のため一定時間待機し（ステップＳ３１６）、メインルーチンにリターンする。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１〜図４を準用することができる。スタック１の発電起動時において、制御装置５は、時間経過につれて、スタック１を昇温させる燃料電池昇温操作と、加湿器４を昇温させる加湿器昇温操作と、反応ガスの温度を調整する反応ガス温度調整操作とを順に実施する。まず、燃料電池昇温操作では、燃料電池昇温要素１６を構成するヒータ１７および熱交換器１８からの伝熱により、冷却路１５の冷却媒体（例えば冷却水等の冷却液）を昇温させ、冷却媒体を冷却路１５に循環させることによりスタック１の温度Ｔｃｅｌｌを次第に昇温させる。これによりスタック１が発電を開始する前に、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌが所定の昇温温度域（例えば４５〜５５℃の範囲内）に昇温する。なお、この燃料電池昇温操作においては、カソードガスおよびアノードガスはスタック１に供給されていないため、発電反応は発生していない。
【００４７】
上記したように燃料電池のスタック１の温度Ｔｃｅｌｌが常温域を超える所定の昇温温度域（例えば４５〜５５℃の範囲内）に昇温した状態において、制御装置５は加湿器昇温操作を実施する。加湿器昇温操作では、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御し、スタック１のカソード極１０の出口１０ｏから排出されたオフガスの流量の全量（１００％）を加湿器４の吸湿路４１に流す。ここで、発電反応後のオフガスは、スタック１に供給される前（発電反応前）のカソードガスよりも高温高湿であるため、加湿器４のハウジング４３および水分保持部材４２が更に昇温する。ここで、オフガスの流量の全量（１００％）を加湿器４の吸湿路４１に流すため、加湿器４の昇温速度が速まる。なお、オフガスが排出迂回路６５に流れる流量が少ない程、オフガスが加湿器４の吸湿路４１に流れる流量が増加するため、加湿器４の昇温速度は速くなる。
【００４８】
更に上記した加湿器昇温操作では、制御装置５は、入口バルブ２３の開度を制御し、カソードガスの流量の全量（１００％）を加湿器４の加湿路４０を迂回させて供給迂回路２５に流す。このためカソードガスを加湿器４の加湿路４０に流さない。その理由としては次のようである。すなわち、スタック１の発電起動時には、スタック１の前回の発電運転時に起因し、加湿器４の内部に水分が過剰に残留している可能性がある。このためカソードガスを加湿器４の加湿路４０に流すと、発電反応前のカソードガスが加湿器４で過剰に加湿される可能性があるためである。更に上記した加湿器昇温操作では、カソードガスの流量の全量（１００％）を加湿器４の加湿路４０を迂回させて供給迂回路２５に流すため、カソードガスが加湿器４の熱を奪うことが抑制され、加湿器４の昇温速度の低下が抑制される。上記したように加湿器昇温操作においては、カソードガスの加湿を抑えつつ、カソードガスを入口１０ｉからスタック１のカソード極１０に供給する。
【００４９】
次に、制御装置５は反応ガス温度調整操作を実施する。この場合、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌはかなり昇温しているため、カソードガスをスタック１に供給する前に加湿させないと、スタック１の内部は乾燥気味となるおそれがある。そこで制御装置５は、入口バルブ２３の開度を制御し、カソードガスの流量の全量（１００％）を加湿器４の加湿路４０を通過させ、カソードガスを加湿路４０で加湿させる。このように加湿させたカソードガスを入口１０ｉからスタック１のカソード極１０に供給する。これによりスタック１の内部の乾燥が抑制され、イオン伝導膜１２の過剰乾燥が抑制され、発電反応が良好に行われる。更に反応ガス温度調整操作において、制御装置５は出口バルブ６３の開度を制御する。すなわち、制御装置５は、スタック１のカソード極１０の出口１０ｏから排出されたオフガスが加湿器４の吸湿路４１を迂回する流量を調整しつつ、オフガスをスタック１のカソード極１０から排出させる。ここで、オフガスが排出迂回路６５に流れる迂回流量が増加し、加湿器４の吸湿路４１を流れる流量が減少すると、熱をもつオフガスから加湿器４への伝熱量が減少され、加湿器４の温度は低下する。これに対してオフガスが排出迂回路６５に流れる迂回流量が減少し、加湿器４の吸湿路４１を流れる流量が増加すると、熱をもつオフガスから加湿器４への伝熱量が増加し、加湿器４の温度は高くなる。このようにして反応ガス温度調整操作において、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御し、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃがこれの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ（Ｔｔａｒｇｅｔ＝Ｔｃｅｌｌ−Ｔｄ）付近となるように維持する。
【００５０】
このため本実施形態においても、実施形態１と同様に、加湿後のカソードガスがスタック１の内部において冷却されることが抑制される。このためスタック１の発電起動時において、スタック１の内部におけるフラッディングが抑制される。なお、出口バルブ６３は、加湿器４の吸湿路４１に流れるガス流量と排出迂回路６５に流れるガス流量との比率を可変に制御できる。スタック１に供給される直前のカソードガスの温度がスタック１の温度よりも低く維持される限り、入口バルブ２３は、三方弁でもよいし、オンオフ弁でも良い。
【００５１】
（実施形態３）
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１、図３，図４を準用することができる。図５はスタック１の発電起動時における昇温過程を示す。図５において、特性線Ｓはスタック１の温度Ｔｃｅｌｌ（燃料電池の温度）を示す。特性線Ｇは、第１温度センサ２７が検知したカソードガスの温度Ｔｃを示す。時刻ｔ２は、スタック１が発電開始する時刻を示す。時刻ｔ３は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌがこれの目標温度Ｔｓｅｔ（例えば７０〜９０℃の範囲内の任意値）に到達した時刻を示す。図５の特性線Ｓ，Ｇに示すように、制御装置５は、時間経過につれてスタック１の温度Ｔｃｅｌｌを次第に昇温させると共に、カソードガスの温度Ｔｃを次第に昇温させる。
【００５２】
図５から理解できるように、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔは、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低い温度に設定されている。従って、カソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔに維持されるように、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御させ、加湿器４の吸湿路４１に流れるオフガスの流量を制御させる。スタックの温度はこれの目標温度Ｔｓｅｔに到達する（時刻ｔ３）。図５に示すように、制御装置５は、時刻ｔ３経過後についても、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ（Ｔｔａｒｇｅｔ＝Ｔｃｅｌｌ−Ｔｄ３）を、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄ３ぶん低い温度に設定している。Ｔｄ＝Ｔｄ３としても良い。あるいはＴｄ＞Ｔｄ３としても良い。
【００５３】
スタック１の温度Ｔｃｅｌｌがこれの目標温度Ｔｓｅｔに到達した時刻ｔ３から所定時間（Δｔ）経過すれば、スタック１は定常運転の初期であり、スタック１の内部の温度の安定性および均一性が更に向上する。そこで本実施形態によれば、時刻ｔ３から所定時間Δｔ経過した時刻ｔ４（ｔ４＞ｔ３）から、カソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔを、本来の目標温度Tｃ３まで昇温するためΔＴｕぶん高くさせるように、制御装置５は出口バルブ６３の開度を制御させる。従って、スタック１の定常運転（定格運転）時においては、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃ（Ｔｃ３）の目標温度Ｔｔａｒｇｅｔは昇温され、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄ４（Ｔｄ４＜Ｔｄ３，Ｔｄ４＜Ｔｄ）ぶん低い温度に設定される。
【００５４】
（実施形態４）
本実施形態は実施形態１〜３と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１，図３，図４を準用できる。本実施形態においても、図６に示すように、実施形態１と同様に、制御装置５は、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔを、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低い温度に設定する。
【００５５】
スタック１の温度Ｔｃｅｌｌが昇温して所定温度Ｔｘに到達した後期においては、時刻ｔ３よりも前といえども、発電起動時の前期に比較してスタック１の内部の温度の安定性および均一性が向上している。そこでスタック１の温度Ｔｃｅｌｌが昇温して所定温度Ｔｘに到達すれば、制御装置５は、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃの目標温度Ｔｔａｒｇｅｔを、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｅ（Ｔｅ＜Ｔｄ）ぶん低い温度に設定する。なお、所定温度Ｔｘは、スタック１の起動前の温度とスタック１の定常運転（定格運転）時の温度Ｔｓｅｔとの間に位置しており、燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて適宜設定できる。
【００５６】
（実施形態５Ａ）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１，図２，図４，図５，図６を準用できる。但し、スタック１の発電起動時においては、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして冷却路１５の入口１５ｉ側の温度Ｔｉを選択する。発電起動時の前期ではＴｉ＞Ｔｏとなり易く、発電起動時の後期では逆転してＴｏ＞Ｔｉとなり易いため、発電起動時の後期におけるフラッディング抑制に有利となる。従って出口温度センサ１９ｏを廃止しても良い。本実施形態においても、スタック１の発電起動時において、制御装置５は、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給させる前のカソードガスの温度Ｔｃがスタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低めに維持されるように、出口バルブ６３の開度を制御する。更に必要に応じて入口バルブ２３の開度を制御することにしても良い。
【００５７】
（実施形態５Ｂ）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１，図２，図４，図５，図６を準用できる。但し、スタック１の発電起動時においては、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌとして冷却路１５の出口１５ｏ側の温度Ｔｏを選択する。発電起動前期ではＴｉ＞Ｔｏとなり易く、発電起動時の後期ではＴｏ＞Ｔｉとなり易いため、発電起動時の前期におけるフラッディング抑制に有利となる。入口温度センサ１９ｉを廃止しても良い。
【００５８】
本実施形態においても、スタック１の発電起動時において、制御装置５は、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給させる前のカソードガスの温度Ｔｃがスタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低めに維持されるように、出口バルブ６３の開度を制御する。更に必要に応じて入口バルブ２３の開度を制御することにしても良い。
【００５９】
（実施形態６）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１〜図６を準用できる。但し、出口バルブ６３はオンオフ弁であり、排出迂回路６５および吸湿路４１の双方にガスを流す第１操作と、排出迂回路６５にガスを流さないものの吸湿路４１にガスを流す第２操作とを切り替えることができる。
【００６０】
本実施形態によれば、スタック１の発電起動時の直後または前期では、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御し、排出迂回路６５にオフガスを流さないものの吸湿路４１にオフガスの全量を流す第２操作を実施する。これにより加湿器４の昇温速度をできるだけ速めることができる。スタック１の温度が昇温して所定温度に到達したら、後期に以降し、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御し、第１操作および第２操作を交互に実施する。この場合、第１操作の時間ｔｆおよび第２操作の時間ｔｓの比率を変化させることにより、スタック１のカソード極１０の出口１０ｏから排出されたオフガスについて、吸湿路４１に流れる流量と排出迂回路６５に流れる流量との比率を制御させる。これによりオフガスから加湿器４への伝熱量を制御し、加湿器４の昇温速度を制御することができる。
【００６１】
本実施形態においても、スタック１の発電起動時において、制御装置５は、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給させる前のカソードガスの温度Ｔｃがスタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄぶん低めに維持されるように、出口バルブ６３の開度を制御する。更に必要に応じて入口バルブ２３の開度を制御することにしても良い。
【００６２】
（実施形態７）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１〜図６を準用できる。入口バルブ２３は、加湿器４の加湿路４０に流れるガス流量と供給迂回路２５に流れるガス流量との比率を可変に制御できる三方弁とされている。本実施形態においても、スタック１の発電起動時において、第１供給路２からカソードガスを加湿器４を介してスタック１の入口１０ｉからカソード極１０に供給する。スタック１の発電起動時において、制御装置５は入口バルブ２３の開度を制御し、カソードガスが加湿器４の加湿器４を流れる流量と供給迂回路２５に流れる流量との比率を可変に制御する。これにより制御装置５は、加湿器４の加湿路４０からカソードガスへの伝熱を制御し、ひいては加湿器４の加湿路４０を流れるカソードガスＴｃの温度を調整する。
【００６３】
ここで、万一、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃがスタック１の温度Ｔｔａｒｇｅｔよりも高いとき、制御装置５は、入口バルブ２３の開度を制御し、供給迂回路２５に流れるカソードガスの流量を増加させる。これにより加湿器４の加湿路４０からカソードガスへの伝熱量が減少される。従って、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃは、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｄ低い目標温度Ｔｔａｒｇｅｔに維持される。
【００６４】
なお本実施形態においては、スタック１の発電起動時においては、スタック１に供給される直前のカソードガスの温度Ｔｃがスタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも低く維持される限り、第１排出路６においては、オフガスの全量を吸湿路４１に流しても良いし、あるいは、吸湿路４１および排出迂回路６５の双方に流しても良い。
【００６５】
本実施形態によれば、加湿後のカソードガスがスタック１のカソード極１０に供給されることにより冷却されることが抑制される。従って、カソードガスに含まれている水蒸気がスタック１のカソード極１０において凝縮することが抑制される。このためスタック１の発電起動時において、スタック１の内部においてフラッディングが抑制される。
【００６６】
（実施形態８）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１〜図６を準用できる。但し、入口バルブ２３はオンオフ弁であり、供給迂回路２５および加湿路４０にガスを流す第１操作と、供給迂回路２５にガスを流さないものの加湿路４０にガスを流す第２操作とを切り替えることができる。制御装置５は、入口バルブ２３の第１操作の時間ｔｆおよび第２操作の時間ｔｓを交互に繰り返して実行することができる。時間ｔｆおよび時間ｔｓの比率を変化させることにより、スタック１のカソード極１０に供給されるカソードガスについて、加湿路４０に流れる流量と供給迂回路２５に流れる流量との比率を可変に制御させることができる。
【００６７】
本実施形態においても、スタック１の発電起動時において、制御装置５は、スタック１のカソード極１０の入口１０ｉに供給させる前のカソードガスの温度Ｔｃがスタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも低い目標温度Ｔｔａｒｇｅｔに維持されるように、入口バルブ２３の開度を制御する。
【００６８】
なお、スタック１の発電起動時において、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ付近に維持される限り、第１排出路６においては、オフガスの全量を吸湿路４１に流しても良いし、あるいは、吸湿路４１および排出迂回路６５の双方に流しても良い。
【００６９】
（実施形態９）
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏するため、図１〜図６を準用できる。本実施形態によれば、スタック１の発電起動時の前期においては、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を調整することにより、排出迂回路６５を流れるオフガスの流量を０とし、オフガスの全部を加湿器４の吸湿路４１に供給させる。これによりオフガスから加湿器４のハウジングおよび水分保持部材４２に伝達される伝熱量を増加させ、加湿器４の温度を短時間に上昇させる。このように加湿器４の加湿路４０を流れる発電反応前のカソードガス（スタック１に供給される前）の温度Ｔｃを、所定温度まで短時間に昇温させる。所定温度は燃料電池システムに応じて実験またはシミュレーション等に基づいて適宜設定され、例えば、常温域〜定常運転時のスタック温度との間の範囲内において設定される。
【００７０】
その後、制御装置５は、出口バルブ６３の開度を制御することにより、排出迂回路６５および吸湿路４１の双方にオフガスを流す。この場合、排出迂回路６５を流れるオフガスの流量と、加湿器４の吸湿路４１を流れる流量との比率を適宜可変に制御する。これにより加湿器４の昇温速度を遅らせることにより、加湿器４の全体の温度の均一化を図り、加湿器４における温度ムラを低減させる。
【００７１】
なお本実施形態においては、スタック１の発電起動時においては、スタック１に供給される前のカソードガスの温度Ｔｃが目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ付近に維持される限り、第１供給路２においては、カソードガスの全量を供給迂回路２５に流しても良いし、あるいは、カソードガスを加湿路４０および供給迂回路２５の双方に流しても良い。
【００７２】
本実施形態においても、スタック１の発電起動時（時刻ｔ２〜ｔ３）には、制御装置５は、スタック１の温度Ｔｃｅｌｌよりも温度Ｔｔｄぶん低い目標温度Ｔｔａｒｇｅｔを設定し、加湿器４の加湿路４０から排出された直後のカソードガスの温度Ｔｃを目標温度Ｔｔａｒｇｅｔに維持させる。
【００７３】
（実施形態１０）
図７は実施形態１０を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を奏する。図７に示すように、出口バルブ６３Ｗは、排出迂回路６５に設けられたオンオフ弁であり、オンオフにより、単位時間あたり、排出迂回路６５にオフガスを流す流量と、吸湿路４１にオフガスを流す流量との比率を可変に制御できる。あるいは、出口バルブ６３Ｗは、開放により排出迂回路６５にオフガスを流す第１操作と、閉鎖して排出迂回路６５にオフガスを流さない第２操作とを交互に切り替えることができる。第１操作の時間ｔｆと第２操作の時間ｔｓとが交互に実施されれば、ｔｓ／ｔｆの比により、単位時間あたり、排出迂回路６５にガスを流す流量と、加湿器４の吸湿路４１にガスを流す流量との比率を可変に制御でき、ひいては加湿器４の温度を調整できる。
【００７４】
図７に示すように、入口バルブ２３Ｗは、供給迂回路２５に設けられたオンオフ弁であり、オンオフにより、単位時間あたり、供給迂回路２５にカソードガスを流す流量と、加湿路４０にカソードガスを流す流量との比率を可変に制御でき、ひいては加湿器４０からカソードガスへの伝熱を制御でき、これによりカソードガスの温度を調整できる。
【００７５】
あるいは、出口バルブ６３Ｗは、開放により供給迂回路２５にカソードガスを流す第１操作と、閉鎖して供給迂回路２５にカソードガスを流さない第２操作とを交互に切り替えることができる。第１操作の時間ｔｆと第２操作の時間ｔｓとが交互に実施されれば、ｔｓ／ｔｆの比により、単位時間あたり、供給迂回路２５にカソードガスを流す流量と、加湿器４の加湿路４０カソードガスを流す流量との比率を可変に制御でき、ひいては加湿器４０からカソードガスへの伝熱を制御でき、これによりカソードガスの温度を調整できる。なお、出口バルブ６３Ｗおよび入口バルブ２３Ｗの双方がオンオフ弁とされているが、いずれか一方を三方弁としても良い。
【００７６】
（その他）
上記した実施形態１によれば、カソードガスを加湿器４で加湿させているが、これに限らず、アノードガスを加湿器４で加湿させても良い。加湿器４の吸湿路４１を流れるオフガスの流量を出口バルブ６３で制御することにより、オフガスから加湿器４への伝熱量を制御することにしているが、これに限らず、加湿器を加熱させる電気ヒータを設け、制御装置５が電気ヒータの発熱量を制御することにより加湿器４の温度を制御することにしても良い。入口バルブ２３は供給迂回路２５と第１供給路２との分岐部ばかりではなく、 供給迂回路２５のうち何処に設けられていても良い。出口バルブ６３は排出迂回路６５と第１排出路６との分岐部ばかりではなく、排出迂回路６５のうち何処に設けられていても良い。入口バルブ２３および出口バルブ６３は三方弁でも良いし、オンオフ弁でも良い。入口バルブ２３に代えて、可変絞りを供給迂回路２５に設けても良い。出口バルブ６３に代えて、可変絞りを排出迂回路６５に設けても良い。加湿器４およびスタック１を直接的に伝熱可能に隣設させ、スタック１の発電起動時においてスタック１の熱を加湿器４に直接的に伝熱させ、加湿器４の昇温速度を更に速めることにしても良い。上記した各実施形態において、スタック１の発電起動時においては、制御装置５は、スタック１の温度としてＴｉおよびＴｏのうちいずれか低い温度を選択することが好ましい。本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した明細書における記載から次の技術的思想が把握される。
【００７７】
［付記項１］反応ガスにより発電する燃料電池と、反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、供給路に設けられ、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整できるように、加湿器の温度を調整する反応ガス温度調整要素とを具備する燃料電池システム。加湿器で加湿され且つ燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を反応ガス温度調整要素により調整できる。
【００７８】
［付記項２］第１反応ガスおよび第２反応ガスにより発電する燃料電池と、第１反応ガスおよび第２反応ガスのうちの一方の反応ガスを燃料電池に供給する供給路と、供給路に設けられ、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を調整できるように、前記加湿器の温度を調整する反応ガス温度調整要素と、燃料電池の発電起動時において、反応ガスの温度が燃料電池の温度よりも低く維持されるように反応ガス温度調整要素を制御し、燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を制御する制御装置とを具備する燃料電池システム。加湿器で加湿され且つ燃料電池に供給される前の反応ガスの温度を、燃料電池の温度よりも低い温度に反応ガス温度調整要素により調整できる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用、可搬用の燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施形態１に係り、加湿器およびスタックを有する燃料電池システムを示す図である。
【図２】実施形態１に係り、スタックの発電起動時において、スタックの温度およびカソードガスの温度の昇温状態を示すグラフである。
【図３】実施形態１に係り、制御装置が実行するフローチャートである。
【図４】実施形態１に係り、制御装置が実行するフローチャートである。
【図５】実施形態３に係り、スタックの発電起動時において、スタックの温度およびカソードガスの温度の昇温状態を示すグラフである。
【図６】実施形態４に係り、スタックの発電起動時において、スタックの温度およびカソードガスの温度の昇温状態を示すグラフである。
【図７】実施形態１０に係り、加湿器およびスタックを有する燃料電池システムを示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１はスタック（燃料電池）、１０はカソード極、１５は冷却路、１６は燃料電池昇温要素、１７はヒータ、１８は熱交換器、２は第１供給路、２３は入口バルブ、２５は供給迂回路、２７は第１温度センサ、３は第２供給路、４は加湿器、４０は加湿路、４１は吸湿路、４２は水分保持部材、４３はハウジング、５は制御装置、６は第１排出路、６３は出口バルブ（流量調整要素，反応ガス温度調整要素）、６５は排出迂回路（反応ガス温度調整要素）、７は第２排出路を示す。
【図１】
2009289577.tif 000003
【図２】
2009289577.tif 000004
【図３】
2009289577.tif 000005
【図４】
2009289577.tif 000006
【図５】
2009289577.tif 000007
【図６】
2009289577.tif 000008
【図７】
2009289577.tif 000009