JP3659225B2

JP3659225B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP3659225B2
Application number: JP2001396587A
Authority: JP
Inventors: 直哉松岡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003197241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システム、特にシステムの氷点下からの起動性を改良する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子型燃料電池においては、水素イオン（Ｈ⁺）が固体高分子電解質膜を透過するためには、その電解質膜が常に湿潤状態を維持することが必要となる。しかしながら、電解質膜を湿潤状態に維持するために水分を補給する構成を燃料電池システム中に有すると、氷点下の温度域で水分が凍結し、この状態から燃料電池システムを起動するには、まず凍結した水分を解凍する必要が生じ、時間が掛かり始動性が著しく悪い。
【０００３】
このような起動性の課題を解決する技術として、特開２０００−３１５５１４号公報には、外部から高温のガスを燃料電池システムに供給し、凍結した水分を解凍する技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術においても特に氷点下２０℃以下の気温では、供給された高温のガスが電解質膜と触媒と電極から構成される膜電極接合体、いわゆるＭＥＡに到達するまでに、そのガスの熱を配管やセパレータを加熱することに消費され、熱効率が悪く、また熱量が減少するためにＭＥＡの解凍に時間が掛かり、起動時間が長いということになる。
【０００５】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、電圧を燃料電池スタックに印加して電力を供給することによりＭＥＡ、ガス拡散層、セパレータを直接的に解凍することで、起動性を向上し、課題を解決するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持するように配置され、燃料が供給される燃料極と酸化材が供給される酸化剤極を備えた単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、燃料電池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する電圧印加プロセスと、生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素を用いて発電し、かつ生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素の化学反応によって発熱する発電プロセスとを繰り返し行い、前記燃料電池スタック内を解氷する。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記電圧印加プロセスと発電プロセスとの切り換え時間を解氷状態に応じて変化させる。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、前記電圧印加プロセスと前記発電プロセスとの保持時間は、電圧印加開始時ほど電圧印加時間を長くし、解氷が進行するほど発電時間を長くする。
【０００９】
第４の発明は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持するように配置され、燃料が供給される燃料極と酸化材が供給される酸化剤極を備えた単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、燃料電池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する水素酸素生成プロセスと、前記各単セルの燃料極をマイナス極、酸化剤極をプラス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を生成し、前記水素酸素生成プロセスで生成した水素と酸素と反応させて水を生成する水生成プロセスとを繰り返し行い、水生成時の反応熱によって前記燃料電池スタック内を解氷する。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明において、前記水素酸素生成プロセスと水生成プロセスの切り換え時間を解氷状態に応じて変化させる。
【００１１】
第６の発明は、第１から第５のいずれか一つの発明において、前記燃料極に水素を供給し、酸化剤極に空気を供給する。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明は、燃料電池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する電圧印加プロセスと、生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素を用いて発電し、かつ生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素の化学反応によって発熱する発電プロセスとを繰り返し行い、前記燃料電池スタック内を解氷するので、電圧の印加による水の分解時の発熱による解氷に加え、燃料電池の発電による発熱により解氷することができるのでより効率的に解氷することができる。また解氷時に発電することができるので、電圧印加に用いる電源の負荷を低減してシステムの効率を高めることができる。
【００１３】
第２の発明は、電圧印加プロセスと発電プロセスとの切り換え時間を解氷状態に応じて変化させたので、より効率よく解氷を促進することができる。
【００１４】
第３の発明は、電圧印加プロセスと発電プロセスとの保持時間は、電圧印加開始時ほど電圧印加時間を長くし、解氷が進行するほど発電時間を長く下ので、電源の負荷を抑制しつつ、解氷を促進することができる。
【００１５】
第４の発明は、燃料電池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、まず各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する。次に各単セルの燃料極をマイナス極、酸化剤極をプラス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を生成する。そして水素酸素生成プロセスで生成した水素と酸素と反応させて水を生成する。この各電極での水素、酸素の生成と、水素と酸素の水生成を繰り返し行い、水生成時の反応熱によって燃料電池スタック内を解氷するので、電圧の印加による解氷とともに、水の生成時の反応熱によって解氷を促進できるので、解氷時間を短縮し、効率よく解氷することができる。
【００１６】
第５の発明は、水素酸素生成プロセスと水生成プロセスの切り換え時間を解氷状態に応じて変化させるので、効率よく解氷することができる。また例えば、外部から燃料と酸化剤を供給することで、更に水の生成時の反応熱を増加することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す。
【００１８】
単セル１が積層して構成される燃料電池スタック２には、コンプレッサ３から酸化剤（酸素）が圧力調整弁４を介して供給されるとともに、水素ボンベ５から圧力調整弁６を介して燃料としての水素が各セルに供給される。また水素の圧力を調整する圧力調整弁６と燃料電池スタック２との間にはエゼクタ７が設けられている。
【００１９】
燃料電池スタック２では発電のための電気化学反応に供せられた水素と酸素は、排ガスとして大気中に放出されるが、排水素ガスの一部はエゼクタ７の作用によって燃料電池スタック２に再供給される。
【００２０】
燃料電池スタック２を構成する単セル１は、固体高分子電解質膜（以下、単に高分子膜という。）８と、高分子膜８を両側から狭持するようにガス拡散層と触媒を担持した電極（水素極と酸素極）とさらに高分子膜８と触媒と燃料ガス（水素または酸素）とで形成される３層界面とが混在する層９と、その層９の外側に燃料ガスが流通する流路１０を形成したセパレータ１１とから形成されている。
【００２１】
高分子膜８は、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜、たとえば、ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ１１２を用いて形成され、ガス拡散層はカーボンペーパを用い、各電極は触媒としてＰｔを担持したカーボンブラックを前記Ｎａｆｉｏｎと混合してカーボンペーパに塗布して形成する。したがって、化学反応サイトである３相界面を高分子膜８近傍に形成することができる。
【００２２】
燃料電池スタック２には、スイッチ制御回路１２が接続されており、スイッチ制御回路１２は２次電池（バッテリ）を電源１３として燃料電池スタック２の単セルの各電極間に氷点下時でも確実に電圧を印加する。ここで、単セル１の水素極をプラス（＋）極と、酸素極をマイナス（−）極として電圧を印加する。電流を一定化するための定電流回路１４が、スイッチ制御回路１２と電源１３との間に設置される。例えば、この実施例での高分子膜の発電面積を２５ｃｍ²とすると高分子膜８内を流れる電流が１Ａ／ｃｍ²となるようにするには、電極間に流れる電流は、２５Ａの電流が必要とされる。
【００２３】
スイッチ制御回路１２は電源１３の他に、電気制御回路１７を介して通常発電時に接続する負荷（例えば、モータ）１５と燃料電池スタック７を接続可能に構成される。燃料電池スタック７とこれら電源１３、負荷１５との接続の切り換えは、制御装置１６によって制御される。更に制御装置１６には図示しないが、燃料電池スタック２内の温度を検出するための温度センサからの出力が入力される。
【００２４】
このように構成される燃料電池システムが、氷点下３０℃の環境に設置された場合を模式的に示したのが図２である。図では氷がガス流路の一部を閉ざしているが、実際にはそのほとんどを閉鎖していると考えられる。この環境下では、高分子膜８のイオン導電率は約０．００５Ｓ／ｃｍであるので、高分子膜８の電圧降下は約０．６Ｖである。また触媒活性過電圧は約０．３Ｖ、ガス拡散層とセパレータ１１との接触抵抗は約０．２Ｖであり、水の電気分解電圧である約１．２Ｖと合わせると各電極に印加する電圧は約２．４Ｖ必要となる。
【００２５】
この環境下でスイッチ制御回路１２によって燃料電池スタック７と電源１３を接続し、電圧を印加すると印加した２．４Ｖのうち、高分子膜８の電圧降下分（抵抗分）の約０．６Ｖと触媒活性化抵抗分の約０．３Ｖとガス拡散層とセパレータ１１との接触抵抗分の約０．２Ｖを合わせた約１．１Ｖが熱に変換されて、凍結した水の解凍に用いられる。この電圧による発熱量は、単セル１に１Ａ／ｃｍ²の電流を流すようにすると、１．２Ｗ／ｃｍ²程度の発熱量となる。この発熱量を用いることで、氷点下３０度という極寒の環境においても燃料電池スタック２の凍結を短時間に解凍することができ、システムの起動性を向上することができる。
【００２６】
さらに水の電気分解電圧である約１．２Ｖについても、この電圧による水の分解により生成された酸素と水素とが外部より供給された水素と酸素と反応する際に生じる反応熱を解凍に用いることが可能である。
【００２７】
つまり、電圧の印加の開始直後は、水素または酸素を供給するためのガス拡散層等が凍結しており、外部から水素または酸素を単セル１内に供給することはできないが、電圧の印加が継続され、氷の解凍が進むに連れて、外部からの酸素または水素が単セル１内に供給されるようになる。ここで、各電極間に電圧を印加することにより、水素極には酸素が、酸素極には水素が発生しており、この状態で水素極に水素を、酸素極に酸素を供給することで、発生した水素と供給された酸素または発生した酸素と供給された水素とが反応を生じ、水が生成される。この水を生成する際に生じる反応熱は、氷点下時に凍結した燃料電池スタック２内の氷を解凍するために使用することができる。したがって水の分解電圧分による反応熱により解凍が可能となり、解凍を一層促進することができる。
【００２８】
さらに燃料電池スタック７内の温度が上昇し、例えば、２０℃では高分子膜の導電率が０．０３Ｓ／ｃｍ程度になり、電圧降下は約０．１Ｖに減少し、印加電圧は１．８Ｖで足りる。この状態では、過電圧による発熱量は、単セル１に１Ａ／ｃｍ²流すと約０．６Ｗ／ｃｍ²となる。
【００２９】
次に燃料電池スタックの単セルの各電極間への電圧の印加により生じる熱について説明する。
【００３０】
一定以上の電圧を印加すると次の化学式で表される電気分解が生じる。
【００３１】
【数１】

【００３２】
印加下電圧から下記式２で示されるネルンスト平衡電圧式より算出される約１．２３Ｖ（大気圧時）を差し引いた電圧の差から生じるエネルギ差の大半が熱に変換され、凍結した水を解凍することになる。この熱の内訳としては、主に高分子膜、ガス拡散層、セパレータ内部で発生するジュール熱と、ガス拡散層とセパレータとの接触面で発生する熱、触媒付近で発生する熱がある。
【００３３】
【数２】

【００３４】
ここで、Ｅｒ：平衡電圧、Ｒ：気体定数、Ｆ：ファラデー定数、Ｔ：温度、ｐ：それぞれのガスの分圧を示す。
【００３５】
まずジュール熱については、各電極に電圧を印加することで単セル１の構成である高分子膜８、セパレータ１１、ガス拡散層内で単位面積当たりｉ×Ｒ²（ここでｉ＝電流密度、Ｒ＝それぞれの抵抗、とする）の発熱が生じる。またガス拡散層とセパレータとの接触面では、一般に両者の内部よりも電子が通過可能な面積が小さくなるために抵抗が大きくなる。触媒付近では、式１で示す化学反応を促進するために必要な過電圧に相当するエネルギの大半が熱になる。これらの熱を凍結した水の解凍に用いることができる。
【００３６】
次に本発明の要旨となる氷点下状態での電圧印加の制御方法について説明する。前述のように例えば、氷点下３０℃では水素や酸素を単セル１に供給しても発電することは氷の存在によって不可能である。したがって、単セル１に電圧を印加する電圧印加プロセスで解氷を行うが、電圧印加後、例えば、６０秒後には水素や酸素が解氷されたガス拡散層等の一部を通過し、発電が可能となる状態となりうる。この状態でスイッチ制御回路１２を切り換え、燃料電池スタック７と負荷１５を接続する。負荷１５を接続することで燃料電池７での発電が開始される。発電は式（１）の逆反応、つまり下式（３）にて表すことができる。
【００３７】
【数３】

【００３８】
この発電プロセス時に高分子膜８内を移動する際の膜抵抗による電圧降下、ガス拡散層とセパレータ１１間の接触抵抗、触媒活性化抵抗の過電圧に応じた熱を用いて残る氷を解氷することができる。例えば、２５ｍΩの負荷を燃料電池スタック７に接続し、燃料電池スタック７での電流密度が１Ａ／ｃｍ²（この電流密度で電圧が０．４Ｖ以下となるときには電圧を０．４Ｖ）となるように発電を行う。この時の過電圧による発熱量は単セル１の温度によって変動するが、０．６〜１．２Ｗ／ｃｍ²である。
【００３９】
本発明では、電圧印加プロセスと発電プロセスとを氷点下時において順次繰り返し行うように制御する。このような制御とすることで、単に電圧の印加により水の電気分解等を用いて燃料電池システムを解氷する場合よりも、電圧の印加に用いる電源の消費量を低減してシステムの効率を高めることができるとともに、氷点下時に発電できるという効果がある。
【００４０】
図３は、電圧印加プロセスと発電プロセスのパターンを模式的に示したものである。図においては、電圧印加時間Ｔ１と発電時間Ｔ２を略同一として記載したが、解氷状態に応じて異ならせることも可能である。例えば、電圧印加時間Ｔ１を発電時間Ｔ２に比して相対的に長く設定することで、単セル１の電極で水の電気分解によって発生した、例えば酸素（または水素）とその電極に供給された水素（または酸素）とが反応し、水が生成されるときに発生する反応熱を解氷に用いることでより一層解氷を促進させることができる。更には電圧印加開始後、時間が経過するにつれて、電圧印加時間と発電時間を徐々に短縮するように（つまり、Ｔ１＞Ｔ３＞Ｔ５、Ｔ２＞Ｔ４＞Ｔ６）制御することも可能である。
【００４１】
図４は、最初の６０秒間の電圧印加後、５０秒間の発電、４０秒間の電圧印加、５０秒間の発電、３０秒間の電圧印加を行った後に通常の発電に移行した場合の単セル１の温度変化を図示しない温度検出手段で検出した結果である。
【００４２】
まず燃料電池スタック２内の温度が氷点下３０度の状態から各セルの電極間に電圧を６０秒間、印加すると単セル内でジュール熱が発生し、単セルの温度が上昇する。氷点下２０℃で温度の上昇が一時的に停止するが、これは、高分子膜８中に存在する半結合水が解凍していることを示している。
【００４３】
ここで高分子膜８中に存在する水について説明すると、高分子膜８中にはスルホン酸基に結合した凍結しない結合水と、結合せずに略０℃で凍結する自由水と、氷点下略２０℃で凍結する半結合水とが混在して、重量濃度で自由水に対して１０倍量の混合水を形成している。氷点下２０℃で温度の上昇が停止しているのは．半結合水の解凍に熱が消費されていることを示している。
【００４４】
半結合水の解凍が電圧印加後、約５０秒で終了し、再び単セル１内の温度が上昇する。電圧印加終了後発電状態に移行すると発電によって生じた熱によって単セル内の温度が上昇する。このときに単セル内で消費される電力量は先に電気分解により生じた水素と酸素を用いるので、外部から供給する必要がなく電力量は０となる。
【００４５】
５０秒間の発電の後、再び電圧印加状態に移行し、移行後、約１５秒後に単セル内の温度が０℃に達する。０℃に達すると電圧印加によって生じる熱量が、液化潜熱として自由水を解氷するために用いられ、単セルの温度上昇が一次的に停止する。以後、電圧印加開始から約２５０秒まで、熱は、自由水の解氷のために消費され、自由水の解凍が終了することで、セパレータやガス拡散層を遮蔽していた氷が解凍され、外部から供給される水素と酸素が各電極に供給可能となる。その後、発電による発熱により再び、単セル１の温度は上昇を始める。
【００４６】
合計消費電力量は、電圧印加の状態でのみ消費され、発電時には発電した電力量だけ解氷に消費され、その時の電力消費量は０となる。
【００４７】
また、最初に２．４Ｖ印加した電極の端子間電圧は、単セル１の昇温とともに減少し、０℃の状態では約１．８Ｖまで低下し、以降は一定の電圧となる。
【００４８】
このように本条件では、電圧印加後、約２５０秒で単セル１の解氷を終了することができる。
【００４９】
図５に示す第２の実施形態は、各単セル１の各電極の極性を変化できるように構成したものである。まず、単セル１の水素極を＋極、酸素極を−極となるようにスイッチ制御回路１２を接続し、各電極に電圧を印加する。このとき電流は例えば、高分子膜内の電流密度が１Ａ／ｃｍ²となるように電流を流す。電圧の印加によって水素極には酸素が、酸素極には水素が生成される。水素極に酸素が、酸素極に水素が生成される過程を水素酸素生成プロセスと呼ぶ。
【００５０】
ここで、高分子膜の導電率が０．００６Ｓ／ｃｍから０．０３Ｓ／ｃｍであるので、高分子膜での電圧降下は０．６Ｖから０．１Ｖである。また触媒活性化抵抗分の過電圧は約０．３Ｖ、ガス拡散層とセパレータとの接触抵抗は約０．２Ｖであり、水の電気分解電圧１．２Ｖと合わせると印加電圧の合計は、２．４Ｖから１．８Ｖ必要となる。この電圧のうち、高分子膜、ガス拡散層、セパレータでの電圧降下、触媒活性電圧、接触抵抗が解氷のための熱として用いることができる。この時の過電圧による発熱量は単セルに電流を１Ａ／ｃｍ²だけ流すようにすると、１．２から０．６Ｗ／ｃｍ²程度となる。
【００５１】
水素極に酸素が、酸素極に水素が生成された後、各電極の極性を切り換え、水素極を−極に、酸素極を＋極として電圧を印加する。電圧の印加により今度は、水素極に水素が、酸素極に酸素が発生し、水素極ではこの発生した水素と極性切り換え前に発生した酸素が反応し水を生じ、酸素極では発生した酸素と極性切り換え前に発生した水素とが反応し水を生成する。そしてこの反応時に発生する反応熱を用いて解氷することができる。このサイクルを水生成プロセスと言う。
【００５２】
そして水素酸素生成プロセスと水生成プロセスとの切り換えを繰り返し行うことで燃料電池スタック内の解氷をより効率的に進めることができる。なお解氷が進むにつれて、外部から供給される水素と酸素が電極に供給されるようになるので、このときには水素極が−極、酸素極が＋極となる割合を減じるようにする。そして単セル１内の温度が、発電可能な０℃に達した時に電圧の印加を停止し、発電に切り換えるように制御する。
【００５３】
図６は、水素酸素生成プロセスと水生成プロセスの制御パターンを模式的に示したものである。水素酸素生成プロセスと水生成プロセスとを順次繰り返し実施することでより効果的に解氷することができる。図においては、水素酸素生成時間Ｔ１と水生成時間Ｔ２を略同一として記載したが、解氷状態に応じて異ならせることも可能である。例えば、解氷が進み、外部から水素または酸素が供給可能となれば、水素酸素生成時間Ｔ１を水生成時間Ｔ２に比して相対的に長く設定することで、単セル１の電極で外部から供給された、例えば酸素（または水素）とその電極に供給された水素（または酸素）とが反応し、水が生成されるときに発生する反応熱を解氷に用いることでより一層解氷を促進させることができる。
【００５４】
図７は第２実施形態を用いて単セル１の温度変化を測定した一例である。電圧印加の条件は、まず２０秒間水素極（−）酸素極（＋）で電圧を印加後、極性を切り換え、水素極（＋）酸素極（−）で４０秒間電圧を印加する。続いて、３０秒間水素極（−）酸素極（＋）で電圧を印加後、極性を切り換え、水素極（＋）酸素極（−）で４０秒間電圧を印加する。
【００５５】
第１の実施形態の測定結果と比較すると、温度変化の傾向は同じであるが、その変化時間が著しく短縮されていることがわかる。すなわち第１実施形態では、氷点下３０℃から０℃まで約２５０秒を要していたものが、第２実施形態では、約９０秒に短縮できる。
【００５６】
このように水素酸素生成プロセスと水生成プロセスの切り換え時間を解氷時間に応じて切り替えることでより効率よく解氷を促進することができる。
【００５７】
また解氷が進み、外部から水素、酸素を各電極に供給可能なときには、水素酸素生成プロセスの時間を水生成プロセスより長くして、外部から供給された酸素と水素極で生成された酸素と、外部から供給された水素と酸素極で生成された水とから水が生成されることでより一層効果的に解氷を促進することができる。
【００５８】
以上説明したように本実施形態では、水素酸素生成プロセスと水生成プロセスとを繰り返し実施することで、まず燃料電池スタック内の水分が凍結した氷点下状態において、水素酸素生成プロセスにより、単セルの酸素極に水素を、水素極に酸素を生成し、引き続き水生成プロセスに切り換えて、水素極に水素を、酸素極に酸素を生成し、各電極で水素酸素生成プロセスで生成された水素、酸素と反応し、水が生成され、この反応熱を用いて解氷することを繰り返すことで、燃料電池システムの起動性を向上することができるとともに、システムとしての効率を向上することができる。
【００５９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】燃料電池セルの高分子膜界面を模式的に説明するための図である。
【図３】電圧印加プロセスと発電プロセスの制御パターンを説明する図である。
【図４】単セル内の温度変化、印加電圧、合計消費電力の変化を説明するための図である。
【図５】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図６】水素酸素生成プロセスと水生成プロセスの制御パターンを説明する図である。
【図７】単セル内の温度変化、印加電圧、合計消費電力の変化を説明するための図である。
【符号の説明】
１単セル
２燃料電池スタック
８高分子膜
１０流路
１１セパレータ
１２スイッチ制御回路
１４定電流回路
１７制御装置

Claims

固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持するように配置され、燃料が供給される燃料極と酸化剤が供給される酸化剤極を備えた単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、燃料電池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する電圧印加プロセスと、生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素を用いて発電し、かつ生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素の化学反応によって発熱する発電プロセスとを繰り返し行い、前記燃料電池スタック内を解氷することを特徴とする燃料電池システム。
前記電圧印加プロセスと発電プロセスとの切り換え時間を解氷状態に応じて変化させ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。
前記電圧印加プロセスと前記発電プロセスとの保持時間は、電圧印加開始時ほど電圧印加時間を長くし、解氷が進行するほど発電時間を長くすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持するように配置され、燃料が供給される燃料極と酸化材が供給される酸化剤極を備えた単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、燃料電池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する水素酸素生成プロセスと、前記各単セルの燃料極をマイナス極、酸化剤極をプラス極として水の電気分解電圧以上の電圧を印加し、燃料極に水素、酸化剤極に酸素を生成し、前記水素酸素生成プロセスで生成した水素と酸素と反応させて水を生成する水生成プロセスとを繰り返し行い、水生成時の反応熱によって前記燃料電池スタック内を解氷することを特徴とする燃料電池システム。
前記水素酸素生成プロセスと水生成プロセスの切り換え時間を解氷状態に応じて変化させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記燃料極に水素を供給し、酸化剤極に空気を供給することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。