JP2008147066A - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気温度が低い環境において燃料電池スタックの発電を開始する時であっても、燃料電池スタックを発電不能とすることなく発電を継続させる。
【解決手段】燃料電池スタックの第一電極に燃料ガスを供給すると共に第二電極に酸化剤ガスを供給する第一状態と、第一電極に酸化剤ガスを供給すると共に第二電極に燃料ガスを供給する第二状態とが切り換え可能であり、且つ電気負荷に対する第一電極及び第二電極の電気的な正極と負極とが切り換え可能な燃料電池システムを、第一状態と第二状態との間で切り換える所定の条件を満たしているか否かを判断する判断ステップ（Ｓ１２〜Ｓ１６）と、第一状態と第二状態とを切り換えるガス切り換えステップ（Ｓ１７）と、電気負荷に対する第一電極及び第二電極の電気的な正極と負極とを切り換える電極切り換えステップ（Ｓ１７）と、燃料電池スタックの発電を開始する発電開始ステップ（Ｓ１８）とを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池の発電を開始させる燃料電池システムの制御方法及び制御装置に関し、特に、外気環境が氷点下である時に燃料電池が発電不能となることを回避する燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに関する。

従来より、氷点下環境で燃料電池スタックの発電を開始させるときに、当該燃料電池スタックの発電に伴って発生した熱により十分に燃料電池スタックの温度が上昇しない場合がある。このような場合、燃料電池スタックの発電により発生した水が触媒層内部で凍結し始めて、反応ガスが電極触媒反応部へ到達するのを阻害してしまう。このような状態では、燃料電池スタックの発電電圧が低下して、燃料電池スタックの発電が停止してしまうという問題があった。

これに対し、従来においては、下記の特許文献１のように燃料電池スタックの熱容量を下げることにより、燃料電池スタックの昇温を促進させることや、下記の特許文献２のように、氷点下の温度で起動するときに、燃料電池スタックの発電の停止時での燃料電池スタック内の保有水分量を算出し、十分に昇温ができる範囲で氷点下での電流値を決定し、電圧の低下を防ぐことが提案されている。
特開２００５−８５５７８号公報 特開２００６−１０００９３号公報

しかしながら、燃料電池スタックの発電を開始させるときの外気温が例えば−３０℃といった氷点下であり、且つ発電を停止していた燃料電池スタック内の保有水分量が多い場合には、燃料電池スタックの熱容量を小さくしても、十分に燃料電池スタックの温度が上昇しない。また、氷点下環境において燃料電池スタックの保有水分量が多い場合に、どのような電流値を設定しても十分に燃料電池スタックの温度が上昇しない。このように燃料電池スタックの温度が上昇しないと、燃料電池スタックの発電が停止してしまう。特に、例えば氷点下環境において燃料電池スタックの発電を開始した後、燃料電池スタックが所定温度以上に上昇する前に発電を終了した場合には、燃料電池スタック内の保有水分量が多いために、燃料電池スタックの発電が行えない。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、外気温度が低い環境において燃料電池スタックの発電を開始する時であっても、燃料電池スタックを発電不能とすることなく発電を継続できる燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明では、電解質膜と当該電解質膜を挟持する第一の電極及び第二の電極とからなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、上述の課題を解決するために、前記第一の電極に燃料ガスを供給すると共に前記第二の電極に酸化剤ガスを供給する第一の状態と、前記第一の電極に酸化剤ガスを供給すると共に前記第二の電極に燃料ガスを供給する第二の状態とが切り換え可能であり、且つ電気負荷に対する前記第一の電極及び前記第二の電極の電気的な正極と負極とが切り換え可能な燃料電池システムを、前記第一の状態と前記第二の状態との間で切り換える所定の条件を満たしているか否かを判断する判断ステップと、前記所定の条件を満たしていると判断した場合に、前記第一の状態と前記第二の状態とを切り換えるガス切り換えステップと、前記電気負荷に対する前記第一の電極及び前記第二の電極の電気的な正極と負極とを切り換える電極切り換えステップと、前記燃料電池スタックの発電を開始する発電開始ステップとを有する。

本発明によれば、所定の条件を満たしていると判断した場合に、第一の状態と第二の状態とを切り換えることにより、第一の電極と第二の電極とのガスを入れ替え、電気負荷に対する第一の電極及び第二の電極の電気的な正極と負極とを切り換えるので、例えば外気温度が低い環境において燃料電池スタックの発電を開始する時であっても、燃料電池スタックを発電不能とすることなく発電を継続できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明は、例えば図１に示すような燃料電池セルが積層された燃料電池スタック１を備え、図２に示すように構成された燃料電池システムに適用される。

図１に、本発明を適用した燃料電池システムに用いられる燃料電池セルの構造を示す模式断面図を示す。図１において、燃料電池スタック１の一単位である燃料電池セルは、含水すると水素イオン伝導性を有する固体高分子を用いた高分子電解質膜１０１と、この高分子電解質膜１０１を挟持するように形成された第一の電極１１１の触媒層１０２及び第二の電極１１２の触媒層１０５と、これら触媒層１０２，１０５の外側にそれぞれ配設された第一の電極１１１のガス拡散層１０３及び第二の電極１１２のガス拡散層１０６と、これらのガス拡散層１０３，１０６へガスを供給する第一の電極１１１のガス流路１０４及び第二の電極１１２のガス流路１０７とを備えている。

高分子電解質膜（ＭＥＡ）１０１は、パーフルオロスルホン酸ポリマー、ナフィオン、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この膜の両面に配設される二つの電極１１１，１１２は、カーボン担持白金触媒とナフィオン溶液を混合したペーストを塗布した触媒層１０２、１０５と、ガス拡散層１０３、１０６からなり、触媒の存在する面が高分子電解質膜１０１と接触するように形成されている。ガス流路１０４、１０７は、ガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。このガス流路１０４，１０７は、セパレータが配置されることによって形成されて、高分子電解質膜１０１全体にガスが行き渡るようになっている。

燃料電池システムの低温環境下における起動時においては、高分子電解質膜１０１が湿潤であることに加え、第一の電極１１１の触媒層１０２にも、発電時に電気随伴水として第二の電極１１２に移動する水分に相当する水分を蓄えていることを必要とし、一方、第二の電極１１２の触媒層１０５、双方の電極１１１，１１２のガス拡散層１０３，１０６及びガス流路１０４，１０７には水分が含まれていないことが望ましい。

このような燃料電池セルの電極１１１，１１２は、水素を含む燃料ガスが供給される燃料極、酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極の両電極として機能する。燃料極、酸化剤極において進行する電極反応は、以下の化学式に示す通りである。

燃料極 ： ２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ （１）
酸化剤極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ⁻ ＋Ｏ_２ →２Ｈ_２Ｏ （２）
そして、燃料極に燃料ガスが供給されると、燃料極では反応式（１）の反応が進行して水素イオンを生成する。この生成した水素イオンが水和状態で高分子電解質膜１０１を透過（拡散）して酸化剤極に至り、電子は燃料極から外部回路（負荷、例えば図２のモータ負荷１７）を介して酸化剤極に至る。この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では反応式（２）の反応が進行する。この反応式（１）、（２）の電極反応が各極で進行することで、燃料電池セルは起電力を生じることとなる。

このような燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１を備えた燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを燃料電池スタック１に供給するための水素タンク２及び圧力調整弁３と、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給するためのコンプレッサ４及び圧力調整弁５とを備える。圧力調整弁３は、コントローラ２２からの制御信号に従って開度が制御されて燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの流量を調整する。圧力調整弁５は、コントローラ２２からの制御信号に従って開度が制御されて燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガスの流量を調整する。圧力調整弁３を通過した燃料ガス及び圧力調整弁５を通過した酸化剤ガスは、第１〜第４の三方バルブ６，７，８，９からなるガス供給用バルブ群を通過して、燃料電池スタック１に供給される。

第１〜第４の三方バルブ６，７，８，９は、ガスを通過させる開口ａ，ｂの開閉がコントローラ２２によって制御される。なお、この第１〜第４の三方バルブ６，７，８，９（以下、総称する場合には、単に「ガス供給用バルブ群」とも呼ぶ。）の動作については後述する。

このように、水素タンク２，圧力調整弁３及びガス供給用バルブ群は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段として機能し、コンプレッサ４，圧力調整弁５及びガス供給用バルブ群は、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段として機能する。

燃料電池スタック１によって発電反応に使用されずに電極１１１，１１２を通過した水素を含む燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスは、燃料電池スタック１から排出される。この排出された燃料ガス及び酸化剤ガスは、ガス排出用バルブ群である第５〜第８の三方バルブ１０，１１，１２，１３（以下、総称する場合には、単に「ガス排出用バルブ群」とも呼ぶ。）に供給される。燃料電池スタック１から排出された燃料ガスは、ガス排出用バルブ群を通過して、水素循環制御装置１４に供給される。一方、燃料電池スタック１から排出された酸化剤ガスは、ガス排出用バルブ群を通過して、酸化剤ガスの排出用配管を通過して外部へと排出される。第５〜第８の三方バルブ１０，１１，１２，１３は、ガスを通過させる開口ａ，ｂの開閉がコントローラ２２によって制御される。なお、この第５〜第８の三方バルブ１０，１１，１２，１３の動作については後述する。

このような燃料電池システムにおいて、ガス供給用バルブ群及びガス排出用バルブ群を備える理由は、第一の電極１１１に供給するガスを燃料ガスと酸化剤ガスとの間で切り換えると共に第二の電極１１２に供給するガスを燃料ガスと酸化剤ガスとで切り換えて、燃料電池スタック１におけるアノード電極とカソード電極を入れ替えるためである。

水素循環制御装置１４は、燃料電池スタック１から排出されてガス排出用バルブ群を通過した燃料ガスが供給される。この水素循環制御装置１４は、圧力調整弁３と第１の三方バルブ６とを接続する配管に接続された水素循環用の配管と接続される。水素循環制御装置１４は、燃料ガスに含まれる水素を再利用するために燃料ガスを水素循環用の配管に供給して、水素を圧力調整弁３と第１の三方バルブ６とを接続する配管に還流させる動作、又は、燃料ガスを水素燃焼器１５に供給する動作を行う。水素循環制御装置１４の動作は、コントローラ２２からの制御信号によって制御される。

水素燃焼器１５は、水素循環制御装置１４から排出された燃料ガスに含まれる水素を燃焼させて、燃焼ガスを外部に排気する。

更に、燃料電池システムは、電気系として、燃料電池スタック１で発電した電力を消費するモータ負荷１７を備える。なお、本例においては、燃料電池システムが車両等に搭載されて、燃料電池スタック１をモータ負荷１７の駆動源として使用する場合について説明するが、これに限らず他の負荷であっても良い。

モータ負荷１７は、燃料電池スタック１で発電した発電電流が第一配線２０又は第二配線２１、制御回路１６を介して供給される。この第一配線２０及び第二配線２１は、燃料電池スタック１の触媒層１０２，１０５に接続されている。

制御回路１６は、例えばリレー回路からなり、モータ負荷１７に対する第一配線２０及び第二配線２１の電気的な正極と負極とを切り換える電極切り換え動作、断線・結線動作を行う。すなわち、制御回路１６は、コントローラ２２の制御に従って、燃料電池スタック１，第一配線２０及び第二配線２１に対するモータ負荷１７の電気的導通を切断（断線）する動作、第一配線２０と第二配線２１との接続関係を入れ替えて燃料電池スタック１の正負を入れ替えて結線する動作を行う。

更に、燃料電池システムは、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル１ａの電圧（セル電圧）を検出する電圧検出手段である電圧計１８と、燃料電池スタック１の温度を測定する温度検出手段である熱電対１９とを備える。熱電対１９は、燃料電池スタック１のエンドプレート１ｂの付近の燃料電池セルの温度をモニタし、電圧計１８は、エンドプレート１ｂ付近のセル電圧をモニタする。電圧計１８で検出したセル電圧は、センサ信号としてコントローラ２２に読み込まれ、熱電対１９で検出した燃料電池スタック１の温度はセンサ信号としてコントローラ２２に読み込まれる。

なお、エンドプレート１ｂに近い燃料電池セル（エンドセル）の温度を計測する位置に熱電対１９を接続したのは、放熱が主にエンドプレート１ｂから生じ、燃料電池スタック１の中央部の燃料電池セルに比べてエンドセルの方が温度の上昇が遅いことによる。例えば、燃料電池スタック１の中央部の燃料電池セルの温度が０℃以上でエンドセルの温度が０℃以下である場合に、燃料電池スタック１の発電を中断せずに続けると、燃料電池スタック１の中央部の燃料電池セルの発電を継続できてもエンドセルで発電不能になる場合があり、この場合には、エンドセルが抵抗体になり電力を消費してしまい、この結果、発電効率が低下してしまう。

また、本例において、燃料電池スタック１の電圧は、１個の燃料電池セルの電圧を測定する場合を説明するが、２個以上の燃料電池セルの電圧を測定して、１個の燃料電池セルあたりの平均の電圧を測定しても良い。また、熱電対１９についても、２箇所以上の燃料電池スタック１の温度をモニタするようにして、後述する燃料電池スタック１の温度判断持において燃料電池スタック１内の温度分布を考慮しても良い。

コントローラ２２は、電圧計１８及び熱電対１９から読み込んだセンサ信号に基づいて各種の演算を行い、上述した各部を制御する制御信号を出力する。コントローラ２２は、モータ負荷１７に供給する電力の調整、燃料電池スタック１に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量の調整、図示しない燃料ガス及び酸化剤ガスに対する加湿器の加湿量の調整や、図示しない燃料電池冷却機構で調整される燃料電池スタック１の温度の調整などを行う。

つぎに、上述したように構成された燃料電池システムの動作について図３のフローチャート及び図４のガス供給用バルブ群及びガス排出用バルブ群の状態説明図を参照して説明する。なお、図４中の矢印は、図２におけるガス通過方向を示している。

上述した燃料電池システムは、第一の電極１１１に燃料ガスを供給すると共に第二の電極１１２に酸化剤ガスを供給する第一の状態と、第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給すると共に第二の電極１１２に燃料ガスを供給する第二の状態とを切り換えるために、図４のようなバルブ切り換えを行う。

なお、以下の説明においては、第一の電極１１１に燃料ガスを供給して第一の電極１１１をアノード（負極）とし、第二の電極１１２に酸化剤ガスを第二の電極１１２をカソード（正極）としている状態から、第一の電極１１１をカソードとし、第二の電極１１２をアノードに入れ替える例について説明する。

第一の状態と第二の状態とを切り換える所定の条件が満たされると（判断ステップ）、燃料電池システムは、ステップＳ１において、発電している燃料電池スタック１の発電を中断することを判断する。

図４に、燃料電池スタック１の発電時において開状態とする第１〜第８の三方バルブ６〜１３の開口ａ，ｂを示す。燃料電池スタック１の発電時においては、コントローラ２２の制御により、ガス供給用バルブ群である第１の三方バルブ６の開口ａ、第２の三方バルブ７の開口ａ、第３の三方バルブ８の開口ｂ、第４の三方バルブ９の開口ｂを開状態とし、ガス排出用バルブ群である第５の三方バルブ１０の開口ａ、第６の三方バルブ１１の開口ａ、第７の三方バルブ１２の開口ｂ、第８の三方バルブ１３の開口ｂを開状態にする。

これにより、圧力調整弁３を通過した燃料ガスは、第１の三方バルブ６，第２の三方バルブ７を通過して燃料電池スタック１の第一の電極１１１に供給され、第一の電極１１１から排出された燃料ガスは、第５の三方バルブ１０，第６の三方バルブ１１を通過して水素循環制御装置１４に供給される。また、圧力調整弁５を通過した酸化剤ガスは、第３の三方バルブ８，第４の三方バルブ９を通過して燃料電池スタック１の第二の電極１１２に供給され、第二の電極１１２から排出された酸化剤ガスは、第７の三方バルブ１２，第８の三方バルブ１３を通過して外部に排出される。

次のステップＳ２において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１へのガス供給を停止するように、ガス供給用バルブ群の第２の三方バルブ７及び第４の三方バルブ９、ガス排出用バルブ群の第６の三方バルブ１１及び第８の三方バルブ１３を制御する。このとき、コントローラ２２は、図４に示すように、ガス供給用バルブ群である第１の三方バルブ６の開口ａ、第２の三方バルブ７の開口ｂ、第３の三方バルブ８の開口ｂ、第４の三方バルブ９の開口ａを開状態とし、ガス排出用バルブ群である第５の三方バルブ１０の開口ａ、第６の三方バルブ１１の開口ｂ、第７の三方バルブ１２の開口ｂ、第８の三方バルブ１３の開口ａを開状態にする。

これにより圧力調整弁３を通過した燃料ガスは、第１の三方バルブ６を通過して第２の三方バルブ７で遮断され、圧力調整弁５を通過した酸化剤ガスは、第３の三方バルブ８を通過して第４の三方バルブ９で遮断される。また、燃料電池スタック１から排出される燃料ガスは、第５の三方バルブ１０を通過して第６の三方バルブ１１で遮断され、燃料電池スタック１から排出される酸化剤ガスは、第７の三方バルブ１２を通過して第８の三方バルブ１３で遮断される。なお、コントローラ２２は、ガス供給及びガス排出を停止する場合、圧力調整弁３及び圧力調整弁５を閉状態、コンプレッサ４、水素循環制御装置１４及び水素燃焼器１５の動作を停止しても良い。

次のステップＳ３において、コントローラ２２は、モータ負荷１７と燃料電池スタック１との電気配線を断線させる。すなわち、コントローラ２２は、制御回路１６内のリレーを開状態とすることにより、第一配線２０及び第二配線２１とモータ負荷１７との導通を遮断させる。

次のステップＳ４において、燃料ガス配管と酸化剤ガス配管とを入れ替えて、第一の電極１１１と第二の電極１１２のぞれぞれのガスを燃料ガスと酸化剤ガスとで置換する（ガス切り換えステップ）。すなわち、ステップＳ１の時点で第一の電極１１１には燃料ガスが供給されていると共に第二の電極１１２には酸化剤ガスが供給されている第一の状態から、第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給すると共に第二の電極１１２に燃料ガスを供給する第二の状態に切り換える。

このとき、コントローラ２２は、先ず燃料ガスを第二の電極１１２に流して、第一の電極１１１及び第二の電極１１２の双方を水素リッチ雰囲気とした後に、第一の電極１１１に酸化剤ガスを流す。

第一の電極１１１及び第二の電極１１２の双方を水素リッチ雰囲気とする場合、コントローラ２２は、第１の三方バルブ６の開口ｂを開状態とすると共に第５の三方バルブ１０の開口ｂを開状態とするように切り換える。図４に示すように、ガス供給用バルブ群である第１の三方バルブ６の開口ｂ、第２の三方バルブ７の開口ｂ、第３の三方バルブ８の開口ｂ、第４の三方バルブ９の開口ａを開状態とし、ガス排出用バルブ群である第５の三方バルブ１０の開口ｂ、第６の三方バルブ１１の開口ｂ、第７の三方バルブ１２の開口ｂ、第８の三方バルブ１３の開口ａを開状態にする。

これにより、圧力調整弁３を通過した燃料ガスは、第１の三方バルブ６，第４の三方バルブ９を通過して燃料電池スタック１の第二の電極１１２に供給され、第二の電極１１２から排出されたガスは、第７の三方バルブ１２を通過して、第８の三方バルブ１３で遮断される。

この状態において、第一の電極１１１及び第二の電極１１２の両極を共に水素リッチ雰囲気とするために、両極の電位が共に０Ｖ付近となるように、燃料電池スタック１の電位を制御する。

これにより第二の電極１１２を水素リッチな状態とすると、次に、第一の電極１１１に酸化剤ガスの供給を開始する。このとき、コントローラ２２は、第３の三方バルブ８の開口ａを開状態とすると共に第７の三方バルブ１２の開口ａを開状態に切り換える。図４に示すように、ガス供給用バルブ群である第１の三方バルブ６の開口ｂ、第２の三方バルブ７の開口ｂ、第３の三方バルブ８の開口ａ、第４の三方バルブ９の開口ａを開状態とし、ガス排出用バルブ群である第５の三方バルブ１０の開口ｂ、第６の三方バルブ１１の開口ｂ、第７の三方バルブ１２の開口ａ、第８の三方バルブ１３の開口ａを開状態にする。

これにより、圧力調整弁５を通過した酸化剤ガスは、第３の三方バルブ８，第２の三方バルブ７を通過して燃料電池スタック１の第一の電極１１１に供給され、第一の電極１１１から排出されたガスは、第５の三方バルブ１０を通過して、第８の三方バルブ１３から外部に排出される。

なお、燃料ガスを第二の電極１１２に流す前に、第一配線２０及び第二配線２１を短絡又はダミー負荷を接続して、第二の電極１１２に存在している酸化剤ガスに含まれる酸素を消費させておくことが望ましい。

第二の電極１１２内の酸素を消費させる理由としては、ダミー負荷、燃料電池スタック１内のセパレータなどで分散して発熱させることによって、酸素と燃料ガスに含まれる水素とが直接接触することにより、第二の電極１１２の触媒層１０５で局所過熱を引き起こすことを防ぐためである。例えば、制御回路１６にダミー負荷を備えて、コントローラ２２の制御によって、第一配線２０と第二配線２１と間にダミー負荷を接続することによって、第二の電極１１２における酸素を消費させることができる。また、酸素を取り除くために、第８の三方バルブ１３に接続されて外部にガス排出する配管に減圧ポンプを設け、当該減圧ポンプを作動させて第二の電極１１２から酸化剤ガスを排気しても良い。

次のステップＳ５において、コントローラ２２は、第一の電極１１１内に酸化剤ガスが供給されており且つ第二の電極１１２内に燃料ガスが供給されており、十分な水素が第二の電極１１２に満たされ且つ十分な酸素が第二の電極１１２に満たされてガスの置換が完了したか否かを判定する。このとき、コントローラ２２は、第一配線２０及び第二配線２１をモータ負荷１７から切断した状態であるセル電圧（無負荷電圧）を電圧計１８から読み込む。次にコントローラ２２は、当該無負荷電圧が所定電圧値以上であるか否かを判定する。この所定電圧値は、例えば１．０Ｖなど、ガス置換が完了していると判定できる値が実験等で設定されている。このとき、ガスの置換は必ずしも完全である必要はないが、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合しているまま発電を行うと 発電効率が低下してしまうために、燃料ガスと酸化剤ガスとの割合が数％以内となっていることが判定できる所定電圧値を設定しておくことが望ましい。

なお、本例では電圧計１８によって測定された無負荷電圧によってガス置換が完了したか否かを判定しているが、例えばガス濃度センサを用いて第一の電極１１１及び第二の電極１１２におけるガス濃度を計測し、ガスの置換が完了したか否かを判断することができることは勿論である。

このステップＳ５における判定の結果、無負荷電圧が所定電圧値以上である場合には、ステップＳ６に処理を進め、無負荷電圧が所定電圧値以上ではない場合には、ステップＳ４で行われた第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給し第二の電極１１２に燃料ガスを供給している状態を維持させる。

ステップＳ６において、コントローラ２２は、モータ負荷１７と燃料電池スタック１との電気配線を入れ替えて結線させることにより、モータ負荷１７に対する第一の電極１１１及び第二の電極１１２の電気的な正極と負極とを切り換える（電極切り換えステップ）。このとき、制御回路１６は、第一の電極１１１を正極とし、第二の電極１１２を負極とするようにモータ負荷１７と燃料電池スタック１との接続関係を切り換える。これにより、燃料電池スタック１は、ステップＳ７において発電を開始する。

なお、燃料電池スタック１の発電時に第一の電極１１１と第二の電極１１２との間でカソードとアノードとを切り換える動作は、短時間で完了することが望ましいが、燃料電池スタック１の熱容量が十分に大きいことから、短時間で完了しなくとも燃料電池スタック１の温度の低下幅は無視できる。

以上説明したように本発明を適用した燃料電池システムによれば、ステップＳ４により、第一の電極１１１に燃料ガスを供給すると共に第二の電極１１２に酸化剤ガスを供給する第一の状態と、第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給すると共に第二の電極１１２に燃料ガスを供給する第二の状態とを切り換え、ステップＳ６により、モータ負荷１７に対する第一の電極１１１及び第二の電極１１２の電気的な正極と負極とを切り換えることができる。

また、この燃料電池システムによれば、酸化剤ガスで満たされている第二の電極１１２に燃料ガスを供給し、当該燃料ガスの供給を開始した所定時間（第一の所定時間）後に、第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給するので、燃料電池スタック１の発電を中断してガスを置換する際に、アノード及びカソードの両電極を水素リッチ雰囲気にすることができる。このように第一の電極１１１と第二の電極１１２の両方を水素リッチ雰囲気とすることにより、第一の電極１１１及び第二の電極１１２の電位を制御して、ほぼ０Ｖ（標準水素電位）にすることができるので、電極の劣化、すなわち白金の溶解やカーボンの腐食を抑えることができる。

（請求項２の効果）
更に、この燃料電池システムによれば、ステップＳ４において第一の電極１１１及び第二の電極１１２に供給するガスを入れ替える前に、ステップＳ３にて燃料電池スタック１とモータ負荷１７との電気的な接続を切断し、ステップＳ４でガスを入れ替えて、ステップＳ５にてガスの置換が完了したと判定した後に、ステップＳ６にて第一の電極１１１及び第二の電極１１２に対するモータ負荷１７の接続を切り換えて結線するので、動作させる対象のモータ負荷１７に逆電圧がかかるのを防ぐことができ、モータ負荷１７が逆電圧によって誤動作することを防ぐことができる。

（請求項３の効果）
更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１のセル電圧を検出する電圧計１８により、燃料電池スタック１とモータ負荷１７との電気的な接続を切断している時の無負荷電圧を検出し、当該無負荷電圧が所定電圧値以上となった場合に、ガスの置換が完了したと判定するので、簡単にガスの置換が完了したことを判断できる。この無負荷電圧は、ネルンストの可逆電位から、高分子電解質膜１０１を透過するガスに起因する内部電流による電圧降下（分極）を差し引いた電圧であり、無負荷電圧の測定からガスが入れ替わったかを判断できる。

ここで、燃料電池スタック１の発電を中断したときにアノードには水素が残留しており、カソードには酸素が残留している。この状態において、元アノードに酸化剤ガス、元カソードに水素を流すと、しばらくは双方の電極においてガスが混合している状態になる。ガスが混合している状態で、燃料電池スタック１をモータ負荷１７に結線して発電を開始すると、電圧−電流発電性能が低下して、発電効率が低下する。このことから、ガス置換が確実に完了したことを判断した後に、燃料電池スタック１とモータ負荷１７とを接続して燃料電池スタック１の発電を開始させることにより、発電効率の低下を抑えることができる。

（請求項４の効果）
つぎに、上述したように燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の発電開始時に、第一の電極１１１と第二の電極１１２との間でアノードとカソードとを切り換える動作について図５を参照して説明する。

図５に示すように、先ず、ステップＳ１１において、コントローラ２２に、例えば燃料電池システムの始動キーをユーザが操作したことなどによる起動信号が入力されると、コントローラ２２は、ステップＳ１２において、熱電対１９で計測している燃料電池スタック１の温度を読み込む。なお、この説明では、ステップＳ１１で起動信号を入力する前であって前回に燃料電池スタック１の発電を停止させた時に、第一の電極１１１に燃料ガスを供給すると共に第二の電極１１２に酸化剤ガスを供給していたものとする。

燃料電池スタック１の温度を読み込んだ後、次のステップＳ１３において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１の温度が０℃以下であるか否かを判定する。ここで、燃料電池スタック１の温度が０℃以下であるか否かを判定するのは、燃料電池スタック１内の水分が凍結している可能性があるか否かを判定するためであるので、他の所定値と燃料電池スタック１の温度とを比較しても良い。燃料電池スタック１の温度が０℃以下であると判定した場合にはステップＳ１５に処理を進め、燃料電池スタック１の温度が０℃以下ではないと判定した場合にはステップＳ１４に処理を進める。

ステップＳ１４において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１内の水分が凍結している可能性はないものと判定し、燃料電池スタック１に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給させると共に、燃料電池スタック１とモータ負荷１７とを導通させて、燃料電池スタック１を通常発電させて、処理を終了する。

ステップＳ１５において、コントローラ２２は、ステップＳ１２で読み込んだ燃料電池スタック１の温度が−３０℃以下であるか否かを判定する。ここで、燃料電池スタック１の温度が−３０℃以下であるか否かを判定するのは、燃料電池スタック１におけるアノードとカソードとを切り換える必要があるか否かを判断するためである。コントローラ２２によって燃料電池スタック１の温度が−３０℃以下であると判定した場合には、ステップＳ１７に処理を進め、燃料電池スタック１の温度が−３０℃以下ではないと判定した場合にはステップＳ１６に処理を進める。

ステップＳ１６において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１の発電を開始させた後に燃料電池スタック１の電圧の急激な低下が発生することが予測できるか否かを判定するために、予め作成して記憶しておいたマップを参照して、燃料電池セル（ＭＥＡ）の吸水可能量が所定値以上であるか否かを判定する。例えばステップＳ１１において起動信号が入力される前における燃料電池スタック１の発電停止時にカソードに水分が滞留しているために燃料電池スタック１内に氷が存在して、燃料電池スタック１の発電を開始しても、発電電圧の低下を引き起こす可能性があるか否かを予測する。

このとき、コントローラ２２は、ステップＳ１２で検出した燃料電池スタック１の温度、燃料電池スタック１からの取り出し電流、前回に燃料電池スタック１の発電を停止した時の燃料電池スタック１内の保有水分量、燃料電池スタック１の熱容量、燃料電池セルの保水能力、燃料電池スタック１の発電履歴である燃料電池システムの運転履歴の何れかから、燃料電池セルの吸水可能量を予測する。例えば、発電開始時の温度が高いほど吸水可能量を高く予測する、取り出し電流が高いほど吸水可能量を低く予測する、前回停止時のスタック内の保有水分量が高いほど吸水可能量を低く予測する、スタックの熱容量が高いほど吸水可能量を等価的に低く予測する、又は、スタック内のＭＥＡの保水能力が高いほど吸水可能量を高く予測する。なお、燃料電池スタック１の熱容量が高いとスタック温度の上昇速度が小さく０℃以上になるまでに時間がかかるのでより高い吸水可能量が必要となる。

そして、コントローラ２２により、燃料電池セルの吸水可能量が所定値以上ではないと判定した場合には、ステップＳ１７に処理を進め、燃料電池セルの吸水可能量が所定値以上であると判定した場合にはステップＳ２３に処理を進める。

これにより、現在の燃料電池スタック１の吸水可能量が高いと予測される場合には発電によりカソードを覆うような水分による氷が発生しないものと判定して、燃料電池スタック１のアノードとカソードとの入れ替えをせずにステップＳ２３に移行する。一方、現在の燃料電池スタック１の吸水可能量が低いと予測される場合には、発電によりカソードを覆うような水分による氷が発生する可能性が高いと判定してステップＳ１７に処理を進める。

また、このステップＳ１６において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１の発電を開始させた後に燃料電池スタック１の電圧の急激な低下が発生するまでの時間（第二の所定時間）である発電可能時間を演算する。

ここで、氷点下で燃料電池スタック１の発電を行うと生成水が触媒表面から 触媒層１０２，１０５内を通って高分子電解質膜１０１に吸収され、吸収できなくなってくると触媒層１０２，１０５内に水があふれだして凍結し、酸素が到達しなくなりセル電圧が低下する。このような現象より、発電可能時間は、高分子電解質膜１０１と触媒層１０２，１０５で発電により生成した水をどれだけ保水することができるか（可能保水量）に依存することになる。このことから、燃料電池スタック１の燃料電池セル（ＭＥＡ）が本来持っている保水能力から、前回の燃料電池スタック１の運転履歴に基づく燃料電池スタック１の発電停止時に残留している水量を差し引いて、セル電圧が低下するまでの燃料電池セルの可能保水量を見積もることができる。そして、燃料電池スタック１の発電開始時の電流を決めると、燃料電池セルの保水量は電流×時間に比例するので、当該保水量が可能保水量を超えるまでの時間をセル電圧が低下するまでの発電可能時間として見積もることができる。

一方、燃料電池スタック１の温度は電気化学反応による生成熱により上昇していくが、燃料電池スタック１の上昇温度は、生成熱×燃料電池スタック１の熱容量×発電時間で見積もることができ、生成熱は、（理想電圧−実際のセル電圧）×電流で見積もることができる。この理想電圧は、ギブスの自由エネルギー分にエントロピー分を加えたものであり、室温で１．４Ｖ程度である。このように、燃料電池スタック１の発電開始後のある時間後におけるおおよその燃料電池スタック１の温度とセル電圧の低下が発生するか否かを判断できる。

本例においては、ある燃料電池セル、燃料電池スタック１の温度・電流・前回停止時の保有水分量といった条件ごとに、燃料電池スタック１の発電を開始してからセル電圧の低下が発生するまでの時間を予め実験などで求めてマップを作成しておき、セル電圧が低下する前に確実に燃料電池スタック１の発電を中断できるような発電可能時間を設定しておく。

例えば、燃料電池スタック１の温度が低いほど所定時間を短く設定し、燃料電池スタック１からの取り出し電流が高いほど所定時間を短く設定し、前回に燃料電池スタック１の発電を停止した時の燃料電池スタック１内の保有水分量が多いほど所定時間を短く設定し、燃料電池スタック１の熱容量が大きいほど所定時間を短く設定し、燃料電池セルの保水能力が低いほど所定時間を短く設定し、燃料電池スタック１の発電履歴である燃料電池システムの運転履歴によってカソードに多くの水分が残っているほど所定時間を短く設定するようなマップを予めコントローラ２２に記憶させておく。そして、実際に発電可能時間を設定する場合には、実際の燃料電池スタック１の温度、燃料電池スタック１からの取り出し電流、燃料電池スタック１内の保有水分量、燃料電池スタック１の熱容量、燃料電池セルの保水能力、燃料電池スタック１の発電履歴を取得して、発電可能時間を設定する。

ステップＳ２３において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１に氷点下に対応した発電を行わせる。この氷点下に対応した発電とは、燃料電池スタック１の温度を０℃以上に上昇させるために、モータ負荷１７が必要とする電力よりも高い電力を発電させる動作である。したがって、コントローラ２２は、モータ負荷１７が必要とする電力よりも高い電力を燃料電池スタック１で発電させるように、燃料電池スタック１への燃料ガス供給量及び酸化剤ガス供給量を高く調整する。これにより、燃料電池スタック１の発電に伴う生成熱や、モータ負荷１７が必要な電力よりも余剰した電力により、燃料電池スタック１やガス配管を加熱させる。

次のステップＳ２４において、コントローラ２２は、ステップＳ２３にて氷点下に対応した発電を燃料電池スタック１に行わせたことによって、熱電対１９で検出している燃料電池スタック１の温度を読み込み、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となったか否かを判定する。コントローラ２２によって、燃料電池スタック１の温度が０℃以上とはなっていないと判定した場合にはステップＳ２３の氷点下に対応した発電を継続させる。

一方、コントローラ２２により、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となったと判定した場合には、ステップＳ２５に処理を進めて、燃料電池スタック１に通常発電を行わせる。この燃料電池スタック１の通常発電とは、モータ負荷１７が必要とする電力を満たすように燃料電池スタック１への燃料ガス供給量及び酸化剤ガス供給量を調整する動作である。

ステップＳ１５又はステップＳ１６の後のステップＳ１７において、コントローラ２２は、燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替える。このとき、コントローラ２２は、第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給させると共に第二の電極１１２に燃料ガスを供給させ、制御回路１６を制御して第一の電極１１１及び第二の電極１１２に対するモータ負荷１７の正極及び負極の切り換えを行う。ここで、燃料電池システムは、上述の図３におけるステップＳ４のように、第一の電極１１１及び第二の電極１１２のガスを完全に置換する必要はない。

このように、前回に燃料電池スタック１を発電させた時に燃料ガスが供給されていた第一の電極１１１に酸化剤ガスを供給し、前回に燃料電池スタック１を発電させた時に酸化剤ガスが供給されていた第二の電極１１２に燃料ガスを供給すると、第二の電極１１２のうちの触媒層１０５が氷で覆われていても発電反応を起こさせることができる。

これは、発明者らの実験により、セル電圧が低下した後、アノードとカソードの電極を入れ替えて発電を行うと、セル電圧低下前の発電と同程度のセル電圧を得ることができる発電をさらに行うことが可能になるということを見出したことによる。この理由としては、アノードを第一の電極１１１としカソードを第二の電極１１２とした状態から、第一の電極１１１をカソードとし第二の電極１１２をアノードとした状態に入れ替えると、元々カソードであった第二の電極１１２の触媒層１０５に水素が供給されることになるが、元々カソードであった第二の電極１１２の触媒層１０５の一部は氷で覆われてしまっていても水素が第二の電極１１２の触媒層１０５の表面に到達しプロトンへ変化する反応が進む程度のガスの通路は確保されているためである。また、元々アノードであった第一の電極１１１の触媒層１０３は、ほとんど氷では覆われていないので、十分な酸素供給通路は確保されている。このようなことから、第一の電極１１１と第二の電極１１２とでアノードとカソードとを入れ替えることにより、セル電圧が低下しても、セル電圧が低下する前の発電と同程度の発電を行うことが可能となる。

ステップＳ１７において第一の電極１１１及び第二の電極１１２にガスを供給開始し、ステップＳ１８において、コントローラ２２により、燃料電池スタック１とモータ負荷１７とを導通させるように制御回路１６を制御して、燃料電池スタック１に氷点下に対応した発電を行わせる。

次のステップＳ１９において、コントローラ２２は、ステップＳ１８にて燃料電池スタック１の発電を開始させた後に所定時間（第二の所定時間）が経過したか否かを判定し、所定時間が経過したと判定した場合に燃料電池スタック１の発電を中断させる。この所定時間は、マップを参照してステップＳ１６で設定された値である。

次のステップＳ２０において、コントローラ２２は、再度燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替える。これにより、第一の電極１１１には燃料ガスを供給させると共に第二の電極１１２には酸化剤ガスを供給させ、制御回路１６を制御して、第一の電極１１１及び第二の電極１１２に対するモータ負荷１７の正極及び負極の切り換えを行う。これにより、第一の電極１１１及び第二の電極１１２に供給するガスの種類と、第一の電極１１１及び第二の電極１１２に対するモータ負荷１７の正極及び負極の接続関係をステップＳ１１で発電開始する前の状態に戻す。

次のステップＳ２１において、コントローラ２２により、燃料電池スタック１に氷点下に対応した発電を再開させる。

次のステップＳ２２において、コントローラ２２は、ステップＳ２２にて氷点下に対応した発電を燃料電池スタック１に行わせたことによって、熱電対１９で検出している燃料電池スタック１の温度を読み込み、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となったか否かを判定する。コントローラ２２によって、燃料電池スタック１の温度が０℃以上とはなっていないと判定した場合にはステップＳ２３の氷点下に対応した発電を継続させ、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となった場合には、ステップＳ２５に処理を進めて燃料電池スタック１に通常発電を行わせる。

このような動作を行う燃料電池システムは、図６に示すように、燃料電池スタック１の温度が−２０℃といった氷点下である場合であって、時刻ｔ１にてステップＳ１７のように燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替え、時刻ｔ２にてステップＳ１８のように燃料電池スタック１の発電を開始させると、モータ負荷１７に電流が流れて一旦第一の電極１１１と第二の電極１１２との間のセル電圧は低下する。その後、燃料電池スタック１の発電を継続し、上述したように燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替えない比較例の場合には、時刻ｔ３以降で燃料電池スタック１のセル電圧が急低下する。

このように、特に氷点下において燃料電池スタック１の発電を開始した後、燃料電池スタック１の反応熱による自己発熱によって燃料電池スタック１の温度上昇が十分でないと、ある時間の後にセル電圧が低下して発電不能になるが、このセル電圧の低下は、発電により生成した水が溢れ出し、カソードの触媒層の氷で覆われている面積が拡大することにより、酸素が触媒表面に供給できなくなるためと考えられる。

これに対し、上述の燃料電池システムは、燃料電池スタック１のセル電圧が低下する前の時刻ｔ３にて、ステップＳ１９のように燃料電池スタック１の発電を中断させ、時刻ｔ４〜ｔ５にて燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替え、時刻ｔ６にて再度燃料電池スタック１を発電させる。これにより、燃料電池スタック１のセル電圧が急低下することなく、燃料電池スタック１の温度が０℃以下まで上昇させて、通常発電に移行させることができる。

以上説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が氷点下である時に燃料電池スタック１の発電を開始し、その後にセル電圧が低下する前に燃料電池スタック１の発電を中断してアノードとカソードを入れ替えて再度燃料電池スタック１の発電を開始するので、セル電圧の低下を防止して長い時間に亘って燃料電池スタック１の発電を継続できる。これにより、燃料電池スタック１の温度を０℃以上に上昇させ、燃料電池スタック１が発電不能に陥ることなく燃料電池スタック１の発電を継続することが可能になる。

なお、燃料電池スタック１のセル電圧が低下してしまった後であっても、アノードとカソードを入れ替えて燃料電池スタック１を発電させることは可能であるが、燃料電池スタック１の発電効率が低下するので、セル電圧が低下する前に一旦燃料電池スタック１の発電を中断させるように、ステップＳ１９における所定時間を設定することが望ましい。

また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が−３０℃以下といった所定温度以下である場合に（ステップＳ１５）、ガスの入れ替え及び燃料電池スタック１に対するモータ負荷１７の接続の切り換えを行って（ステップＳ１７）、燃料電池スタック１の発電を開始させ（ステップＳ１８）、燃料電池スタック１の発電を開始させた後の第二の所定時間後、燃料電池スタック１の発電を停止させ（ステップＳ１９）、再度ガスの入れ替えを行った後に（ステップＳ２０）、燃料電池スタック１の発電を再開させるので（ステップＳ２１）、ステップＳ１７でガスの入れ替えを行って燃料電池スタック１の発電が継続する時間を長くできる。これにより、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となるまで燃料電池スタック１の発電を継続させることができ、より確実に燃料電池スタック１を通常発電に移行させることができる。

例えば、−３０℃以下のように燃料電池スタック１の温度が非常に低い場合には、どのように燃料電池スタック１の発電電流を調整しても、燃料電池スタック１の発電による生成熱により十分に燃料電池スタック１の温度が上昇する前に電圧低下を引き起こしてしまう。この場合であっても、燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電を継続させて、確実に燃料電池スタック１の温度を０℃以上とできる。

なお、本例では、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となった場合に通常発電に移行させるが、燃料電池スタック１の温度が１０℃以上となった場合に通常発電に移行させても良い。このようにすることにより、０℃で融解した水が燃料電池スタック１の外に排出するまである程度の時間がかかることを考慮に入れることができる。

更に、この燃料電池システムによれば、熱電対１９により、燃料電池スタック１の発電を開始させる前の燃料電池スタック１の温度を検出し（ステップＳ１２）、燃料電池スタック１の温度が０℃以下といった所定温度以下であり（ステップＳ１３）、且つ、燃料電池スタック１の発電を開始させた後に燃料電池スタック１の電圧の急激な低下が発生することが予測される場合に（ステップＳ１６）、ガスの入れ替えを行った後に（ステップＳ１７）、燃料電池スタック１の発電を開始させ（ステップＳ１８）、燃料電池スタック１の発電を開始させた後の所定時間後（ステップＳ１９）、燃料電池スタック１の発電を停止させ（ステップＳ１９）、ガスの入れ替えを再度行った後に（ステップＳ２０）、燃料電池スタック１の発電を再開させるので（ステップＳ２１）、燃料電池スタック１のセル電圧の急低下を発生させることなく、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となるまで燃料電池スタック１の発電を継続させることができる。

一般に、燃料電池スタック１の発電停止時にはガスを流すなどの水分のパージが行われており、燃料電池スタック１の生成水がガスの拡散層等に残らないようにしている。仮に前回の燃料電池スタック１の発電停止の際にパージが十分に行われなかった場合や、燃料電池スタック１が所定温度（０℃）以上に上昇する前に燃料電池スタック１の発電を終了した後には、カソードの触媒層に生成水が多く残留している。このような場合であって氷点下で燃料電池スタック１の発電を開始させる場合には、燃料電池スタック１の電流値をどのような値に設定しても、燃料電池スタック１の発電による生成熱により十分に温度が上昇する前に電圧低下を引き起こしてしまうと予想される。

このように、燃料電池スタック１の発電を開始した後に電圧低下を引き起こすと予測される場合には、第一の電極１１１と第二の電極１１２とでアノードとカソードとを入れ替えることにより、触媒層が氷で覆われていても当該氷を通過して水素を供給できるので、燃料電池スタック１の発電を継続時間が延長でき、燃料電池スタック１の温度が０℃以上になるまで燃料電池スタック１の発電を継続できるようになり、氷点下において燃料電池スタック１の発電を開始する信頼性を高くすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、ステップＳ１８で燃料電池スタック１の発電を開始し、ステップＳ１９で燃料電池スタック１の発電を停止する所定時間（第二の所定時間）を、燃料電池スタック１の発電を開始させた時の燃料電池スタック１の温度、燃料電池スタック１の発電電流、燃料電池スタック１の保有水分量、燃料電池スタック１の熱容量、燃料電池セルの保水可能量、燃料電池スタック１の運転履歴の何れか一つの要素に基づいて決定して、燃料電池スタック１の発電電圧が低下する前に、ステップＳ１９で発電を中断してステップＳ２０にて燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替えることができる。

燃料電池スタック１の電圧が低下して燃料電池スタック１のある箇所のセル電圧が０Ｖ以下になると、燃料電池スタック１が電池から抵抗体に代わり、発電する代わりに電力を消費することになるので、発電効率が低下する。すなわち、セル電圧が低下する前に発電を中断するように所定時間を設定することにより、発電効率を低下させることなく、氷点下から燃料電池スタック１を通常発電に移行させることができる。

つぎに、上述したように燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の発電開始時に、第一の電極１１１と第二の電極１１２との間でアノードとカソードとを切り換える他の動作について図７を参照して説明する。なお、図５と同じ動作については、同一ステップ番号を付することにより、その詳細な説明を省略する。

図７に示すように、ステップＳ１１で起動信号を入力し、ステップＳ１２で熱電対１９から燃料電池スタック１の温度を読み込み、ステップＳ１３において燃料電池スタック１の温度が０℃以下と判定した場合に、ステップＳ３１に処理を進める。

ステップＳ３１において、コントローラ２２は、ステップＳ２３等と同様に燃料電池スタック１に氷点下に対応した発電を行わせる。

次のステップＳ３２において、コントローラ２２は、電圧計１８からセル電圧を読み込み、セル電圧の急低下を検出したか否かを判定する。このとき、コントローラ２２は、予め実験等によって求められた、急激なセル電圧であることが判定できるようなセル電圧や、急激なセル電圧であることが判定できるような単位時間当たりのセル電圧の低下幅（微分値）などの情報を記憶しておき、当該単位時間当たりに所定のセル電圧の低下幅を検出した場合に、セル電圧の急低下を検出したと判定する。また、このステップＳ３２では、ミリオームメータを用いて１ｋＨｚ程度のインピーダンスをモニタしておき、当該インピーダンスが急上昇した場合に、ステップＳ３４に処理を進めても良い。

コントローラ２２によってセル電圧の急低下が検出された場合には、ステップＳ３４に処理を進め、コントローラ２２によってセル電圧の急低下が検出されていない場合には、ステップＳ３３に処理を進める。

ステップＳ３３において、コントローラ２２は、再度熱電対１９から燃料電池スタック１の温度を読み込んで、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となったことを判定した場合にはステップＳ３８にて燃料電池スタック１に通常発電をさせる。一方、燃料電池スタック１の温度が０℃以上とはなっていないと判定した場合には、ステップＳ３１に処理を戻して燃料電池スタック１の発電を継続させる。

ステップＳ３２でセル電圧の急低下を検出した場合、コントローラ２２は、ステップＳ３４において、燃料電池スタック１の発電を中断させ、次のステップＳ３５において、燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替え、次のステップＳ３６において、燃料電池スタック１の発電を再開させる。

その後、コントローラ２２は、熱電対１９で測定している燃料電池スタック１の温度をモニタし、燃料電池スタック１の温度が０℃以上となった場合に、ステップＳ３８にて燃料電池スタック１に通常発電をさせる。

このように、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電を開始させる前の燃料電池スタック１の温度が０℃以下といった所定温度以下であり（ステップＳ１３）、且つ、燃料電池スタック１の発電を開始させた後に（ステップＳ３１）、燃料電池スタック１の電圧の急激な低下を検出した場合に（ステップＳ３２）、燃料電池スタック１の発電を停止させ（ステップＳ３４）、燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替える（ステップＳ３５）ので、燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替えずとも燃料電池スタック１のセル電圧が急低下せずに燃料電池スタック１の温度が０℃以上となる場合に無駄なアノードとカソードとの入れ替えをしなくても良い。

例えば、上述のステップＳ１６にて燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替えることを予測してステップＳ１７以降の動作をしても、実際には燃料電池スタック１のアノードとカソードとの入れ替えが必要ない場合があり、このような無駄なアノードとカソードとの入れ替えをする必要がない。これにより、起動信号を入力してから燃料電池スタック１に通常発電をさせるまでの時間を短縮できる。

なお、ステップＳ３５で燃料電池スタック１のアノードとカソードとの入れ替えを行った後の燃料電池スタック１の通常発電では、ステップＳ１１で起動信号を入力した時点でのアノード及びカソードとは逆になっているが、そのままの状態で発電を継続しても良く、例えば５０℃といった所定の温度に達した時や図示しないバッテリに蓄えた電力が十分になって燃料電池スタック１の発電を一旦停止してもモータ負荷１７を駆動し続ける余裕ができた時点で再度アノードとカソードとの入れ替えを行っても良い。

また、ステップＳ３５にてアノードとカソードとを入れ替えた後にステップＳ３６にて燃料電池スタック１の発電を開始するに際してモータ負荷１７に流す電流は、アノードとカソードとを入れ替える前の燃料電池スタック１の温度よりもアノードとカソードとを入れ替えた後の燃料電池スタック１の温度の方が上昇しており、新たにカソードとなった第一の電極１１１又は第二の電極１１２には氷がほとんど張っていないので、高い電流で発電させてもセル電圧の低下が抑えられ、構わないと思われる。

更に、図５において説明したように、ステップＳ１７で一旦燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替えた後に、燃料電池スタック１の発電を開始させ、ステップＳ１９にて所定時間後に燃料電池スタック１の発電を中断することに代えて、図７のステップＳ３２のようにセル電圧の急低下を検出した場合に、燃料電池スタック１の発電を中断した燃料電池スタック１のアノードとカソードとを入れ替えても良い。

（請求項５，６のフォロー）
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用した燃料電池システムを構成する燃料電池セルの断面図である。 本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムにより、燃料電池スタックのアノードとカソードとを入れ替える動作手順のフローチャートである。 ガス供給用バルブ群及びガス排出用バルブ群の状態を説明する図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電開始時に、第一の電極と第二の電極との間でアノードとカソードとを切り換える動作手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムにより図５のような動作をした時のセル電圧及び燃料電池スタックの温度の時間変化を示す図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電開始時に、第一の電極と第二の電極との間でアノードとカソードとを切り換える他の動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１ａ 燃料電池セル
１ｂ エンドプレート
２ 水素タンク
３，５ 圧力調整弁
４ コンプレッサ
６ 第１の三方バルブ
７ 第２の三方バルブ
８ 第３の三方バルブ
９ 第４の三方バルブ
１０ 第５の三方バルブ
１１ 第６の三方バルブ
１２ 第７の三方バルブ
１３ 第８の三方バルブ
１４ 水素循環制御装置
１５ 水素燃焼器
１６ 制御回路
１７ モータ負荷
１８ 電圧計
１９ 熱電対
２０ 第一配線
２１ 第二配線
２２ コントローラ
１０１ 高分子電解質膜
１０２，１０５ 触媒層
１０３，１０６ ガス拡散層
１０４，１０７ ガス流路
１１１，１１２ 電極

Claims (9)

1. 電解質膜と当該電解質膜を挟持する第一の電極及び第二の電極とからなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記第一の電極に燃料ガスを供給すると共に前記第二の電極に酸化剤ガスを供給する第一の状態と、前記第一の電極に酸化剤ガスを供給すると共に前記第二の電極に燃料ガスを供給する第二の状態とが切り換え可能であり、且つ電気負荷に対する前記第一の電極及び前記第二の電極の電気的な正極と負極とが切り換え可能な燃料電池システムを、前記第一の状態と前記第二の状態との間で切り換える所定の条件を満たしているか否かを判断する判断ステップと、
   前記所定の条件を満たしていると判断した場合に、前記第一の状態と前記第二の状態とを切り換えるガス切り換えステップと、
   前記電気負荷に対する前記第一の電極及び前記第二の電極の電気的な正極と負極とを切り換える電極切り換えステップと、
   前記燃料電池スタックの発電を開始する発電開始ステップと
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 前記ガス切り換えステップは、前記酸化剤ガスで満たされている前記第一の電極又は前記第二の電極の一方の電極に燃料ガスを供給し、当該燃料ガスの供給を開始した第一の所定時間後に、他方の電極に酸化剤ガスを供給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の制御方法。
3. 前記ガス切り換えステップの前に、前記燃料電池スタックと前記電気負荷との電気的な接続を切断し、
   前記ガス切り換えステップの後に、ガスの置換が完了したと判定した後に、前記電極切り換えステップを行って、前記燃料電池スタックと前記電気負荷とを電気的に接続すること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
4. 前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段により、前記燃料電池スタックと前記電気負荷との電気的な接続を切断している時の無負荷電圧を検出し、当該無負荷電圧が所定電圧値以上となった場合に、ガスの置換が完了したと判定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法。
5. 前記燃料電池スタックの発電を開始させる前の前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段により、前記燃料電池スタックの温度を測定し、
   前記判断ステップにより前記燃料電池スタックの温度が所定温度以下であると判断した場合に、前記ガス切り換えステップ及び前記電極切り換えステップを行って、前記燃料電池スタックの発電を開始させ、
   前記燃料電池スタックの発電を開始させた後の第二の所定時間後、又は、前記燃料電池スタックの電圧の急激な低下を検出した場合に、前記燃料電池スタックの発電を停止させ、
   前記ガス切り換えステップを再度行った後に、前記燃料電池スタックの発電を再開させること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
6. 前記燃料電池スタックの発電を開始させる前の前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段により、前記燃料電池スタックの温度を測定し、
   前記判断ステップにより前記燃料電池スタックの温度が所定温度以下であり、且つ、前記燃料電池スタックの発電を開始させた後に前記燃料電池スタックの電圧の急激な低下が発生することが予測されると判断した場合に、前記ガス切り換えステップを行った後に、前記燃料電池スタックの発電を開始させ、
   前記燃料電池スタックの発電を開始させた後の第二の所定時間後、又は、前記燃料電池スタックの電圧の急激な低下を検出した場合に、前記燃料電池スタックの発電を停止させ、
   前記ガス切り換えステップを再度行った後に、前記燃料電池スタックの発電を再開させること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 前記第二の所定時間は、前記燃料電池スタックの発電を開始させた時の前記燃料電池スタックの温度、前記燃料電池スタックの発電電流、前記燃料電池スタックの保有水分量、前記燃料電池スタックの熱容量、前記燃料電池セルの保水可能量、前記燃料電池スタックの運転履歴の何れか一つの要素に基づいて決定されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記燃料電池スタックの発電を開始させる前の前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段により、前記燃料電池スタックの温度を測定し、
   前記判断ステップにより前記燃料電池スタックの温度が所定温度以下であり、且つ、前記燃料電池スタックの発電を開始させた後に前記燃料電池スタックの電圧の急激な低下を検出した場合に、前記燃料電池スタックの発電を停止させ、
   前記ガス切り換えステップを行った後に、前記燃料電池スタックの発電を再開させること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
9. 電解質膜と当該電解質膜を挟持する第一の電極及び第二の電極とからなる燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備えた燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段は、前記第一の電極に燃料ガスを供給すると共に前記第二の電極に酸化剤ガスを供給する第一の状態と、前記第一の電極に酸化剤ガスを供給すると共に前記第二の電極に燃料ガスを供給する第二の状態とが切り換え可能であり、
   電気負荷に対する前記第一の電極及び前記第二の電極の電気的な正極と負極とが切り換え可能な制御回路と、
   前記第一の状態と前記第二の状態との間で切り換える所定の条件を満たしているか否かを判断する判断手段と、
   前記所定の条件を満たしていると判断した場合に、前記第一の状態と前記第二の状態とを切り換えるように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御するガス切り換え手段と、
   前記電気負荷に対する前記第一の電極及び前記第二の電極の電気的な正極と負極とを切り換えるように前記制御回路を制御する電極切り換え手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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