(57)【要約】【課題】  酸化剤極におけるカーボン腐食部位を分散させて性能低下を抑制し、かつシステムの耐久性を向上することを課題とする。【解決手段】    燃料電池１に接続された燃料ガスライン２にバルブ４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂならびにバイパス配管５ａ，５ｂを設け、燃料電池１の内部に燃料電池１の温度を測定する熱電対１１を設け、熱電対１１で測定された温度に基づいてコントロールユニット１２の制御の下に各バルブ４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂを開閉制御し、燃料ガスライン２から燃料電池１の燃料極に供給される燃料ガスの供給方向を切り換えるように構成される。【選択図】  図１
2006032203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスラインに接続された燃料電池の第１の口と第２の口との間を流通して燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガスラインを介して酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムおいて、
前記燃料ガスラインを流通する燃料ガスを前記第１の口から前記燃料極に導入し、導入された燃料ガスを前記第２の口から排出して前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給方向と、前記燃料ガスラインを流通する燃料ガスを前記第２の口から前記燃料極に導入し、導入された燃料ガスを前記第１の口から排出して前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する第２の燃料ガス供給方向とを選択的に切り換える切り換え手段と、
前記切り換え手段による燃料ガスの供給方向を決める切り換え情報を収集する切り換え情報収集手段と、
前記燃料電池システムの起動時に、前記情報収集手段が収集した切り換え情報に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記切り換え情報収集手段は、前記燃料電池の内部、前記燃料ガスライン及び前記酸化剤ガスラインの少なくともいずれかに設置されて、前記燃料電池の温度を検出もしくは推定する温度検出／推定手段で構成され、
前記制御手段は、前記温度検出／推定手段で検出又は推定された前記燃料電池の温度に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記温度検出／推定手段で検出又は推定された前記燃料電池の温度が所定値以上で前記燃料電池システムが起動された起動回数をカウントし、カウントした起動回数、ならびに前記温度検出／推定手段で検出又は推定された前記燃料電池の温度に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記切り換え情報収集手段は、前記燃料電池近傍の前記燃料ガスライン及び前記酸化剤ガスラインの少なくともいずれかに設置されて、前記燃料電池の水素濃度を検出もしくは推定する水素濃度検出／推定手段で構成され、
前記制御手段は、前記水素濃度検出／推定手段で検出又は推定された前記燃料電池の水素濃度に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記水素濃度検出／推定手段で検出又は推定された前記燃料電池の水素濃度が所定値以下で前記燃料電池システムが起動された起動回数をカウントし、カウントした起動回数、ならびに前記水素濃度検出／推定手段で検出又は推定された前記燃料電池の水素濃度に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記切り換え情報収集手段は、前記燃料極と前記酸化剤極に挟持された電解質膜の含水率を検出もしくは推定する含水率検出／推定手段で構成され、
前記制御手段は、前記含水率検出／推定手段で検出又は推定された前記電解質膜の含水率に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記含水率検出／推定手段で検出又は推定された前記電解質膜の含水率が所定値以上で前記燃料電池システムが起動された起動回数をカウントし、カウントした起動回数、ならびに前記含水率検出／推定手段で検出又は推定された前記電解質の含水率に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する
ことを特徴とする請求項６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、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの供給方向を選択的に切り換える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素等の燃料ガスが供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化剤となる空気等の酸化剤ガスが供給されるカソード電極（酸化剤極）との間に配置した構成となっている。燃料極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。一方、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、燃料となる水素を、改質器においてメタンやメタノール等の原燃料を改質することによって得る場合がある。すなわち、改質器において、原燃料とＨ２Ｏ が反応する水蒸気改質反応や、一酸化炭素（ＣＯ）とＨ２Ｏ が反応するシフト反応によって水素（Ｈ２  ）が製造される。そして、この水素を主成分とする燃料ガスが、改質器から燃料電池へ送られる。
【０００５】
改質によって得られた水素を主成分とする燃料ガスにＣＯが含まれていると、ＣＯを含む燃料ガスが燃料極に供給された際に、電極触媒にＣＯが吸着して被毒するが、特に燃料ガスの入口側がＣＯの被毒を受けやすい。これにより電池性能が低下する。このような不具合を回避するために、例えば以下に示す文献に記載された技術では、燃焼電池システムの起動時に、燃料ガスの燃料電池への供給方向を起動時毎に交互に切り換えて、ＣＯによる被毒部位を分散させて被毒を均一化し、性能の劣化を生じにくくしていた（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１００３２７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上説明したように、ＣＯの被毒を回避するための対策が施された従来の燃料電池システムにおいては、起動時毎に交互に燃料ガスの供給方向を切り換えていたので、そのための構成ならびに制御が複雑となり、システムの耐久性が悪く、故障を起こしやすかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、酸化剤極のカーボン腐食部位を分散させて、性能低下を抑制し、かつシステムの耐久性を向上した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスラインに接続された燃料電池の第１の口と第２の口との間を流通して燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガスラインを介して酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムおいて、前記燃料ガスラインを流通する燃料ガスを前記第１の口から前記燃料極に導入し、導入された燃料ガスを前記第２の口から排出して前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給方向と、前記燃料ガスラインを流通する燃料ガスを前記第２の口から前記燃料極に導入し、導入された燃料ガスを前記第１の口から排出して前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する第２の燃料ガス供給方向とを選択的に切り換える切り換え手段と、前記切り換え手段による燃料ガスの供給方向を決める切り換え情報を収集する切り換え情報収集手段と、前記燃料電池システムの起動時に、前記情報収集手段が収集した切り換え情報に基づいて、前記切り換え手段に燃料ガスの供給方向を指令する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、システムの起動時に、燃料極に供給される燃料ガスの供給方向を、切り換え情報に基づいて適切に切り換えることにより、酸化剤極におけるカーボン腐食部位を分散させることが可能となり、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。また、システムの構成や燃料ガス供給方向の切り換え制御を簡素化することが可能となり、耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
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を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極で電解質膜を挟持した膜電極複合体を複数積層した燃料電池１を備え、この燃料電池１の燃料極に燃料ガスの水素を供給する燃料ガスライン２と、燃料電池１の酸化剤極に酸化剤となる空気を供給する酸化剤ガスライン３がそれぞれ接続されている。
【００１２】
燃料ガスライン２には、燃料電池１の入口側（第１の口）に水素の流通を制御するバルブ４ａが設けられ、燃料電池１の出口側（第２の口）に水素の流通を制御するバルブ４ｂが設けられている。バルブ４ａの上流側の燃料ガスライン２と、燃料電池１の出口側とバルブ４ｂ間の燃料ガスライン２との間には、燃料電池１への水素の供給方向を変えるためのバイパス配管５ａが接続され、このバイパス配管５ａには水素の流通を制御するバルブ６ａが設けられている。また、バルブ４ａと燃料電池１の入口側間の燃料ガスライン２と、バルブ４ｂの下流側の燃料ガスライン２との間には、燃料電池１への水素の供給方向を変えるためのバイパス配管５ｂが接続されて、このバイパス配管５ｂには水素の流通を制御するバルブ６ｂが設けられている。
【００１３】
燃料ガスライン２には、バルブ４ａの上流側とバルブ４ｂの下流側を接続して、燃料電池１の出口から排出された水素オフガスを燃料電池１の入口側に戻して循環させる循環路７が設けられ、この循環路７には水素オフガスを循環させる循環ポンプ８が設けられている。循環路７には、バルブ４ｂの下流側に、循環路７と分岐して排出ライン９が接続され、この排出ライン９にガスの流通を制御するバルブ１０が設けられている。このバルブ１０は、燃料電池１の運転条件や循環路７内の流通ガスの窒素濃度が上昇した場合に開放され、排出ライン９を介して循環路７の流通ガスを排出パージする。
【００１４】
燃料電池１には、その内部に熱電対１１（切り換え情報収集手段）が設けられている。この熱電対１１は、燃料電池１の内部の温度を測定するものであり、温度検出手段として機能する。なお、燃料電池１内部の温度を検出する手段としては、サーミスタ等であってもよく、あるいは温度を推定する手段であってもよい。
【００１５】
燃料電池１の運転は、コントロールユニット１２（制御手段）で制御管理されている。コントロールユニット１２は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニット１２は、本システムにおける熱電対１１を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、バルブ４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂを含む本システムの各構成要素に指令を送り、バルブ４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂの開閉制御を含む、以下に説明する本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００１６】
次に、図２のフローチャートを参照して、実施例１の燃料電池システムにおける起動手順を説明する。
【００１７】
図２において、先ず燃料電池１に設けられた熱電対１１で測定された燃料電池１の内部温度が、例えば５０℃以上であるか否かをコントロールユニット１２で判別する（ステップＳ２０）。判別の結果、測定温度が５０℃以下である場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを開き、かつバルブ６ａ，６ｂを閉じる（ステップＳ２１）。これにより、通常の方向（図１の左側から右側）で燃料電池１への水素ガスの供給を開始し（ステップＳ２２）、循環路７の循環ポンプ８を稼働させ（ステップＳ２３）、燃料電池システムを起動する。
【００１８】
一方、ステップＳ２０に示す判別の結果、測定温度が５０℃以上である場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを閉じ、かつバルブ６ａ，６ｂを開く（ステップＳ２４）。これにより、先の場合とは逆方向（図１の右側から左側）、すなわちバイパス配管５ａを介して水素ガスを燃料電池１に供給し、燃料電池１から排出された水素オフガスをバイパス配管５ｂを介して循環路７に導き、燃料電池１への水素ガスの供給を開始し（ステップＳ２５）、循環路７の循環ポンプ８を稼働させ（ステップＳ２６）、燃料電池システムを起動する。
【００１９】
起動後、予め設定された所定時間が経過して、燃料電池１や循環路７に水素ガスが行き渡ったか否かを判別する（ステップＳ２７）。判別の結果、所定時間が経過すると、バルブ６ａ，６ｂを閉じ、かつバルブ４ａ，４ｂを開く（ステップＳ２８）。これにより、先に説明した通常の方向で燃料電池１に水素ガスを供給する。
【００２０】
なお、燃料電池１や循環路７に水素ガスが行き渡ったか否かを判別する上記所定時間は、燃料電池システムにおける燃料電池１内部の体積や構造等に依存して決定される。また、ステップＳ２０での判別温度は、ここでは５０℃に設定したが、これに限るものではない。
【００２１】
本発明は、とりわけシステムの起動時に水素含有ガスを燃料極に供給する際に生じる酸化剤極側のカーボン腐食等を緩和することを目的としたものであるが、カーボンの腐食により流れる電流ｉは、以下に示すアレニウス式により算出される。
【００２２】
（数１）
ｉ＝ｉｏ×ｅｘｐ（−ΔＥ／ＲＴ）
ΔＥ：活性化エネルギー
ｉｏ：標準状態における交換電流密度
Ｒ：ガス定数
Ｔ：絶対温度
上式により、温度Ｔが上昇すると電流ｉは指数関数的に上昇するため、ある温度Ｔ１以上で腐食反応が促進される閾値が存在する。したがって、ここでは判別温度を５０℃に設定したが、上記判別温度は、酸化剤極で使用するカーボンの種類等に依存するため、この温度に限るものではない。
【００２３】
燃料電池１の燃料極ならびに酸化剤極に酸素が存在している状態で、システムの起動時に燃料極側に水素を含む燃料ガスを投入すると、酸化剤極の燃料ガス導入部から離れた部位で電位が上昇し、カーボン腐食が生じる。そこで、毎回の起動時に燃料電池１への燃料ガスの投入方向を切り換えて、酸化剤極におけるカーボン腐食部位を分散させることも考えられる。
【００２４】
しかし、この実施例１では、コントロールユニット１２により、燃料電池１の内部温度に基づいて必要性に応じて燃料電池１への燃料ガスの供給方向を切り換える構成を採用したので、起動時に毎回切り換える場合に比べて、酸化剤極におけるカーボン腐食部位を分散させてカーボン腐食による性能低下を抑制する効果を損なわず、各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉頻度を格段に低減することが可能となる。これにより、システムの構成や各バルブ４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂの開閉制御を簡素化することができることに加えて、各バルブ４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂの開閉に伴う機械的な劣化が抑制され、システムの故障頻度を低減し、耐久性を向上させることができる。
【実施例２】
【００２５】
図３は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２に示す実施例１の燃料電池システムの特徴とするところは、先の図１に示す実施例１のシステムに比べて、各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉制御を、熱電対１１で測定された燃料電池１の内部温度に代えて、燃料ガスライン２の燃料電池１とバルブ４ａとの間の燃料ガスライン２にもけられたサーミスタ３０で測定された温度に基づいて行うようにしたことにある。
【００２６】
また、この実施例２では、燃料ガスとして純水素ではなく、前述した改質によって得られた改質ガスを使用しているので、燃料電池１から排出された改質オフガスは、排出ライン９を介して排出される。したがって、図３に示すシステムでは、図１に示すシステム構成に比べて、図１に示す循環路７、循環ポンプ８ならびにバルブ１０は削除されている。その他の構成は、先の実施例１と同様である。
【００２７】
サーミスタ３０は、燃料電池１に供給される燃料ガスの温度を検出することで、燃料電池１の温度を推定する手段として機能し、測定された温度はコントロールユニット１２に与えられる。なお、サーミスタ３０は、燃料電池１の温度を推定できるのであれば、燃料ガスライン２または酸化剤ガスライン３のいずれに設置されていても構わない。
【００２８】
次に、図４のフローチャートを参照して、実施例２の燃料電池システムにおける起動手順を説明する。
【００２９】
図４において、先ずサーミスタ３０で測定された温度が、例えば４５℃以上であるか否かをコントロールユニット１２で判別する（ステップＳ４０）。判別の結果、測定温度が４５℃未満である場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを開き、かつバルブ６ａ，６ｂを閉じる（ステップＳ４１）。これにより、通常の方向（図３の左側から右側）で燃料電池１への改質ガスの供給を開始する（ステップＳ４２）、燃料電池システムを起動する。
【００３０】
一方、ステップＳ４０に示す判別の結果、測定温度が４５℃以上である場合には、測定温度が４５℃以上でシステムが起動された回数履歴をリセットした後の回数履歴が通算して５回目であるか否かをコントロールユニット１２で判別する（ステップＳ４３）。判別の結果、リセット後の回数履歴が５回目でない場合は、サーミスタで測定された温度が４５℃以上でシステムが起動された回数履歴を＋１カウントアップし（ステップＳ４４）、先に説明したステップＳ４１、ステップＳ４２を経てシステムを起動する。
【００３１】
一方、ステップＳ４３の判別の結果、回数履歴が５回目である場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを閉じ、かつバルブ６ａ，６ｂを開く（ステップＳ４５）。続いて、回数履歴をリセットし（ステップＳ４６）、先の場合とは逆方向（図３の右側から左側）で、水素ガスを主成分とする改質ガスの燃料電池１への供給を開始し（ステップＳ４７）、バイパス配管５ａを介して改質ガスを燃料電池１に供給し、燃料電池１から排出された改質オフガスをバイパス配管５ｂならびに排出ライン９を介して排出する。ここで、ステップＳ４６とステップＳ４７の処理は順不同である。
【００３２】
この後、燃料電池１の内部に燃料ガスが行き渡ったと判断できる所定の時間が経過したか否かを判別する（ステップＳ４８）。判別の結果、所定の時間が経過した場合には、バルブ６ａ，６ｂを閉じ、かつバルブ４ａ，４ｂを開く（ステップＳ４９）。これにより、先に説明した通常の方向で燃料電池１に改質ガスを供給する。
【００３３】
なお、燃料電池１への改質ガスの供給方向の切り換えを行う回数履歴は５回に限るものではなく、適宜設定されるものである。
【００３４】
システムの起動時において、燃料ガス導入に伴う酸化剤極のカーボン腐食は、燃料電池１の温度依存性が大きい。したがって、起動時の燃料電池１の温度を推定する手段のサーミスタ３０で測定された温度に基づいて、燃料ガスの供給方向を判断することにより、酸化剤極におけるカーボン腐食の部位を分散させることができる。また、サーミスタ３０といった汎用温度計等の安価な部品で供給方向を判断する情報を得ることができることに加えて、燃料ガスライン２にサーミスタ３０を設置することで、燃料電池１の内部に設ける場合に比べてより簡易な構造で燃料電池１の内部温度を推定することができる。
【００３５】
さらに、所定の条件におけるシステム起動の回数履歴に基づいて燃料ガスの供給方向を切り換えるようにしているので、従来のように毎回起動時に切り換える場合や、先の実施例１に比べて、各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉制御をさらに簡素化することができ、かつ各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉に伴う機械的な劣化が抑制され、システムの故障頻度を低減し、耐久性を向上させることができる。
【実施例３】
【００３６】
図５は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図５に示す実施例３の燃料電池システムの特徴とするところは、先の図１に示す実施例１のシステムに比べて、熱電対１１に代えて、燃料電池１とバルブ４ｂとの間の燃料電池１の近傍の燃料ガスライン２に、燃料ガスライン２を流通する水素の濃度を測定する水素濃度計５０（切り換え情報収集手段）を設け、各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉制御を、熱電対１１で測定された燃料電池１の内部温度に代えて、水素濃度計５０で測定されてコントロールユニット１２に与えられた水素濃度に基づいて行うようにしたことにある。なお、水素濃度計５０の設置位置は、燃料電池１の比較的近傍であれば燃料ガスライン２または酸化剤ガスライン３の何れであっても構わない。
【００３７】
次に、図６のフローチャートを参照して、実施例３の燃料電池システムにおける起動手順を説明する。
【００３８】
図６において、先ず水素濃度計５０で測定された水素濃度が、例えば２％以下であるか否かをコントロールユニット１２で判別する（ステップＳ６０）。判別の結果、水素濃度が２％を越えている場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを開き、かつバルブ６ａ，６ｂを閉じる（ステップＳ６１）。これにより、通常の方向（図５の左側から右側）で燃料電池１への水素ガスの供給を開始し（ステップＳ６２）、循環路７の循環ポンプ８を稼働させ（ステップＳ６３）、燃料電池システムを起動する。
【００３９】
一方、ステップＳ６０に示す判別の結果、水素濃度が２％以下である場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを閉じ、かつバルブ６ａ，６ｂを開く（ステップＳ６４）。これにより、先の場合とは逆方向（図５の右側から左側）、すなわちバイパス配管５ａを介して水素ガスを燃料電池１に供給し、燃料電池１から排出された水素オフガスをバイパス配管５ｂを介して循環路７に導くことで、燃料電池１への水素ガスの供給を開始し（ステップＳ６５）、循環路７の循環ポンプ８を稼働させ（ステップＳ６６）、燃料電池システムを起動する。
【００４０】
起動後、予め設定された所定時間が経過して、燃料電池１や循環路７に水素ガスが行き渡ったか否かを判別する（ステップＳ６７）。判別の結果、所定時間が経過した場合には、バルブ６ａ，６ｂを閉じ、かつバルブ４ａ，４ｂを開く（ステップＳ６８）。これにより、先に説明した通常の方向で燃料電池１に水素ガスを供給する。
【００４１】
なお、燃料電池１や循環路７に水素ガスが行き渡ったか否かを判別する上記所定時間は、料電池システムにおける燃料電池１内部の体積や構造等に依存して決定される。また、ステップＳ６０での水素濃度は、ここでは２％に設定したが、これに限るものではない。この水素濃度は、燃料極側に存在する酸素と供給する水素の混在条件における混成電位を測るための目安であり、水素濃度が比較的低く酸素電位（１Ｖ）に近い条件であった場合に、燃料ガスの供給方向を切り換える対象となる。
【００４２】
システムの起動時において、燃料ガスの導入に伴う酸化剤極のカーボン腐食は燃料極あるいは酸化剤極に存在する水素濃度の依存性が非常に高い。つまり、水素ガス濃度による電位に依存するためである。したがって、システムの起動時における水素濃度で燃料ガスの供給方向を判断することにより、酸化剤極におけるカーボン腐食の部位を分散させることができ、先の実施例１、実施例２と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池１の水素濃度を推定する手段の水素濃度計５０を設けることで、良好な感度で燃料ガスの供給方向の切り換えを判断することができる。
【００４３】
さらに、燃料極側に残存する水素や酸素の存在により混成電位が変化して酸化剤極の電位上昇が変化するが、酸化剤極側に水素が残っている場合でも作用する。これは、上述した酸化剤極における電位上昇にともなって、以下（化１）に示す酸化剤極でのカーボンの腐食反応に代わって、酸化剤極に水素が残存している場合には、以下（化２）に示す通常の水素酸化反応が発生して、カーボン腐食反応が抑制されるためである。
【００４４】
（化１）
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
（化２）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
したがって、先に述べた通り、水素濃度計５０の設置位置は燃料ガスライン２に限らず酸化剤ガスライン３でも構わない。
【００４５】
一方、燃料極あるいは酸化剤極に残存する水素が少ないほど、カーボン腐食は促進される。このため、システムの起動時の水素濃度が所定値以下の起動履歴をカウントし、カウントした起動履歴に基づいて、燃料ガスの供給方向を切り換えるタイミングを判断するようにしてもよい。このような場合には、先の実施例２のように温度履歴に依存せず、燃料ガスの供給方向を切り換える回数をさらに削減することが可能となり、制御系の更なる簡素化やシステムの故障頻度を低減することが可能となる。
【実施例４】
【００４６】
図７は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例４の燃料電池システムの特徴とするところは、先の図４に示す実施例２のシステムに比べて、サーミスタ３０に代えて、燃料電池１の所定の単位電池セルあるいは単位電池セル郡に、電解質膜の含水率を測定する手段として機能するＡＣインピーダンス測定器７０（切り換え情報収集手段）を設け、このＡＣインピーダンス測定器７０の測定結果をコントロールユニット１２に与え、ＡＣインピーダンス測定器７０で測定された測定結果から推定される電解質の含水率に基づいて、各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉を制御し、燃料ガスの供給方向を決定するようにしたことにある。他は、先の実施例２と同様である。
【００４７】
ＡＣインピーダンス測定器７０は、主に電解質膜のプロトン抵抗を測定することができる。プロトン抵抗と電解質膜の含水率の関係は、例えばスプリングラーの式により決定され、プロトン抵抗が小さいと含水率が大きくなる傾向にある。また、燃料電池１の燃料極や酸化剤極に存在する水の量も、およそ電解質膜のプロトン抵抗、つまり含水率に比例すると考えられる。なお、ＡＣインピーダンス測定器７０は、燃料電池１の単位電池セルの何れかのセルに設けられていればよく、この実施例４では燃料電池１の中で比較的温度が高く含水率が低くなる頻度の高い積層方向中央付近の単位電池セルに接続されている。
【００４８】
次に、図８のフローチャートを参照して、実施例４の燃料電池システムにおける起動手順を説明する。
【００４９】
図８において、システムの起動時、燃料電池１に改質ガスが供給される前に、ＡＣインピーダンス測定器７０で測定されたプロトン抵抗が予め設定されたαｍｏｈｍ未満、すなわち含水率がプロトン抵抗αに対応した値λ以下であるか否かをコントロールユニット１２で判別する（ステップＳ８０）。判別の結果、含水率がλよりも大きな場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを開き、かつバルブ６ａ，６ｂを閉じる（ステップＳ８１）。これにより、通常の方向（図７の左側から右側）で燃料電池１への改質ガスの供給を開始する（ステップＳ８２）、燃料電池システムを起動する。
【００５０】
一方、ステップＳ８０に示す判別の結果、ＡＣインピーダンス測定器７０で測定されたプロトン抵抗がαｍｏｈｍ以上、すなわち含水率がλ以下である場合には、含水率がλ以下でシステムが起動された回数履歴をリセットした後の回数履歴が通算して例えば１０回目であるか否かをコントロールユニット１２で判別する（ステップＳ８３）。判別の結果、リセット後の回数履歴が１０回目でない場合は、ＡＣインピーダンス測定器７０で測定されたプロトン抵抗がαｍｏｈｍ以下、すなわち含水率がλ以下でシステムが起動された回数履歴を＋１カウントアップし（ステップＳ８４）、先に説明したステップＳ８１、ステップＳ８２を経てシステムを起動する。
【００５１】
一方、ステップＳ８３の判別の結果、回数履歴が１０回目である場合には、コントロールユニット１２からの指令に基づいてバルブ４ａ，４ｂを閉じ、かつバルブ６ａ，６ｂを開く（ステップＳ８５）。続いて、回数履歴をリセットし（ステップＳ８６）、先の場合とは逆方向（図７の右側から左側）で、水素を主成分とする改質ガスの燃料電池１への供給を開始し（ステップＳ８７）、バイパス配管５ａを介して改質ガスを燃料電池１に供給し、燃料電池１から排出された改質オフガスをバイパス配管５ｂならびに排出ライン９を介して排出する。ここで、ステップＳ８６とステップＳ８７の処理は順不同である。
【００５２】
この後、燃料電池１の内部に燃料ガスが行き渡ったと判断できる所定の時間が経過したか否かを判別する（ステップＳ８８）。判別の結果、所定の時間が経過した場合には、バルブ６ａ，６ｂを閉じ、かつバルブ４ａ，４ｂを開く（ステップＳ８９）。これにより、先に説明した通常の方向で燃料電池１に改質ガスを供給する。
【００５３】
なお、燃料電池１への改質ガスの供給方向の切り換えを行う回数履歴は１０回に限るものではなく、適宜設定されるものである。
【００５４】
システムの起動時において、燃料ガス導入に伴う酸化剤極のカーボン腐食は酸化剤極に存在する水分量に依存性がある。つまり、カーボン腐食が生じる高電位の状態で、水分が多いと水の電気分解が促進されて相対的にカーボン腐食が抑制されるためである。酸化剤極そのものの水分量を推定することは複雑であるが、隣接する電解質膜の水分（含水率）は、ＡＣインピーダンス測定器７０を使用した定周波数インピーダンス法などを適用することで比較的容易に把握することが可能である。
【００５５】
したがって、起動時の電解質膜の含水率で燃料ガスの供給方向を判断することにより、先の実施例２と同様の効果を得ることができ、酸化剤極におけるカーボン腐食の部位を分散させることが可能となる。また、電解質膜の含水率を推定する手段（ＡＣインピーダンス測定器７０）の使用で精度良く判断でき、かつ毎回交互に供給方向を切り換える場合に比べてシステムの構成や各バルブ４ａ，４ｂ、６ａ，６ｂの開閉制御を簡素化することができる。
【００５６】
さらに、カーボン腐食は酸化剤極の水分量が少ないほど、つまり電解質膜の含水率が低いほど促進される。このため、起動時における燃料電池１の電解質膜中の含水率が所定値以下の起動履歴で判断することにより、温度や電位に依存しない劣化分の抑制を図ることができる。よって、燃料ガスの供給方向を切換える回数を削減でき、かつ制御系の更なる簡素化やシステムの故障頻度を低減し、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例３に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例４に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１…燃料電池
２…燃料ガスライン
３…酸化剤ガスライン
４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，１０…バルブ
５ａ，５ｂ…バイパス配管
７…循環路
８…循環ポンプ
９…排出ライン
１０…バルブ
１１…熱電対
１２…コントロールユニット
３０…サーミスタ
５０…水素濃度計
７０…ＡＣインピーダンス測定器
【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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