JP2007207671A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易的な構成により安価に燃料電池の特性を回復させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜１１２の両面に燃料極２０１の触媒層１０４とガス拡散層１０６及び酸化剤極２０２の触媒層１０５とガス拡散層１０７をそれぞれ配置してなる膜電極接合体からなり、燃料極２０１及び酸化剤極２０２にぞれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであり、燃料電池の起動又は停止時に、燃料極２０１及び酸化剤極２０２を水素雰囲気の状態として、燃料極２０１に酸化剤ガスを供給することにより、燃料極２０１の触媒上に生成水が発生して触媒上の吸着物を酸化させて、酸化した吸着物は酸化剤ガスによって排出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池の性能低下を回復させることができる燃料電池システムに関する。
燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変化する装置であり、燃料電池は、発電効率の高さと、大気汚染物質の少なさ、そして騒音の少なさ等を特徴としている。
燃料電池の発電単位となる単電池（セル）は、電解質の両面にガス拡散電極を接合し、その両面にガス流路を備えたセパレータで狭持した構造をとる。燃料電池の発電原理は、このような構造を有する単電池の一方のガス拡散電極（燃料極）側に水素のような燃料ガスを流して、他方のガス拡散電極（酸素極、酸化剤極）側に空気のような酸素を含む酸化剤ガスを流すことにより、燃料を酸化させ、その際の自由エネルギーの変化を単電池の両端に配したセパレータを介して、電気エネルギーとして取り出す。
一般に、固体高分子型燃料電池の構成単位であるセルは、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ）と、燃料極側に燃料ガスとしての水素を供給するセパレータと、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するセパレータとを備えて構成されている。これらの電極触媒層は、通常白金等の触媒と、触媒担体としての炭素を使用している。
上述の高分子電解質膜は、水を含有した状態で水素イオンの伝導性を有するため、燃料電池に供給する燃料ガスを加湿することが一般的に行われている。また、空気極では電池反応により水が生成するため、電池の内部では常に水が存在している。
その結果、燃料電池を長い期間運転すると、燃料電池の構成材料であるカーボン材料やシール材料、樹脂材料、金属材料に含まれるイオン性の不純物や無機不純物、有機不純物が溶出する。また、燃料電池の外部から供給する空気には、大気汚染物質、例えば微量の窒素酸化物や硫黄酸化物が含有されており、燃料ガス中にも水素精製機に含まれる金属酸化物が痕跡量混入することもある。
これらの不純物は、電解質膜や酸素極や燃料極中の触媒反応層などに蓄積し、高分子電解質の導電性低下や、触媒反応の活性の低下をもたらす。その結果、長期にわたる燃料電池の運転中に、徐々に電池性能が低下する。また、セパレータ板に金属を用いた場合では、セパレータ板から溶出した金属イオンにより、電解質膜や触媒反応層へのダメージがさらに著しくなる。
そこで、従来の燃料電池システムでは、性能が低下した電池に対して、高電流密度で負荷をかけるか、通電方向を逆転させるか、または、ｐｈが７以下の酸化水をガス流路に通水して洗浄していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−８５０３７号公報
しかし、燃料電池に対して高電流密度で負荷をかけることは、通常運転時とは異なる負荷電流モードとなり、エネルギー変換効率が悪くなる上に、燃料極の特性を回復することはできない。また、燃料電池に対する通電方向を逆転させる、即ち燃料極と酸素極を逆転させて、負荷を逆方向に印加するためには、燃料電池システムの構成が複雑になる。
さらに、ｐｈが７以下の酸化水を燃料電池システムのガス流路に通水する場合では、その具体的手段の開示はなく、酸化水を燃料電池システム内に保持することは、燃料電池システムの大型化につながる。このため、大型化した燃料電池システムを自動車等の移動体に対して適応することが困難であるといった課題がある。
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、簡易的な構成により安価に燃料電池の特性を回復させることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、燃料電池の起動又は停止時に、燃料極及び酸化剤極を水素雰囲気の状態とし、燃料極に酸化剤ガスを供給することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体からなり、前記燃料極及び前記酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであり、前記燃料電池の起動又は停止時に、前記燃料極及び前記酸化剤極を水素雰囲気の状態とし、前記燃料極に前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする。
本発明の燃料電池システムによれば、簡易的な構成により安価に燃料電池の特性を回復させることができるができる。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記燃料極を高電位にする。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記燃料極を高電位かつ高加湿状態とすることで前記燃料電池の特性を回復させる特性回復手段を備える。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記特性回復手段は、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気で停止し、前記燃料極に前記酸化剤ガスを混ぜ、前記燃料極に残存する水素と反応させて水を生成しながら前記燃料極を空気雰囲気とする。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で保持した後、前記燃料極に水素を流通させ残存する酸素と反応させ水を生成しながら、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気のまま停止する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、負荷を印加することで前記酸化剤極に残存する水素を消費させ、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に空気雰囲気のまま停止する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、前記燃料極への空気供給を停止した後に負荷を印加することで、前記燃料極に残存する酸素を消費させ、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気のまま停止する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記特性回復手段は、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、外部電源により前記燃料極電位を１．０〜１．２Ｖ／ｃｅｌｌに一定時間保持する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、燃料極循環系へ空気を導入する際、パージ弁を開いた状態で燃料極循環ポンプを作動させ、前記燃料極循環系内を負圧にして前記パージ弁を経て酸化剤ガス供給系から前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、燃料極循環系へ空気を導入する際、パージ弁を開いた状態で燃料極循環ポンプを作動させ、前記燃料極循環系内を負圧にして前記パージ弁を経て酸化剤ガス排気系から前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、燃料極循環系へ空気を導入する際、２つのパージ弁をそれぞれ、開、閉とし、その間の循環ラインを閉じた状態で、燃料極循環ポンプを作動させ、酸化剤ガス供給系から前記燃料極循環系内に素早く前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、燃料極循環系へ空気を導入する際、２つのパージ弁をそれぞれ、開、閉とし、その間の循環ラインを閉じた状態で、燃料極循環ポンプを作動させ、酸化剤ガス排気系から前記燃料極循環系系内に素早く前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、連続低負荷運転時間に基づいて、前記特性回復方法の要否を判断する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、低負荷運転積算時間に基づいて、前記特性回復方法の要否を判断する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、発電性能の低下割合に基づいて、前記特性回復方法の要否を判断する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、燃料極触媒表面積を測定する手段を有し、その表面積に基づき、前記特性回復方法の要否を判断する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記特性回復方法における、燃料極高電位保持時間を燃料極の電位、触媒層の含水量、温度によって決定する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、前記燃料極及び／又は前記酸化剤極に対して、水又は加湿したガスを供給する。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態では、燃料電池スタックの温度を低下させた状態である。
以下、本発明を好ましい実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
本発明の好ましい燃料電池システムは、燃料電池の性能低下を回復する、特に燃料極触媒層の性能低下を回復させることができるものである。燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を有している。固体高分子型燃料電池は、図１に示すような単電池１００を多数積層させることで構成された燃料電池スタック構造を有している。
図１に示す単電池１００は、単セルともいう。単電池１００は、固体高分子電解質膜１１２と、燃料極（燃料ガス拡散電極）２０１と、酸化剤極（酸化剤ガス拡散電極）２０２と、燃料ガスセパレータ１０８と、酸化剤ガスセパレータ１０９と、冷媒セパレータ１１０を備える。これらのセパレータはセパレータ板ともいう。
図１の燃料極２０１と酸化剤極２０２は、固体高分子電解質膜１１２の一方の面と他方の面にそれぞれ配置されている。つまり、固体高分子電解質膜１１２は、燃料極２０１と酸化剤極２０２により挟持されている。
燃料極２０１は、燃料極触媒層１０４と燃料ガス拡散層１０６からなる。酸化剤極２０２は、酸素極触媒層１０５と酸化剤ガス拡散層１０７からなる。燃料ガスセパレータ１０８は、燃料極２０１側に配置されており、酸化剤ガスセパレータ１０９は、酸化剤極２０２側に配置されている。冷媒セパレータ１１１は、酸化剤ガスセパレータ１０９側にさらに重ねるようにして配置されている。
図１の固体高分子電解質膜１１２と燃料極２０１と酸化剤極２０２の積層体の端部は、エッジシール１０１によりシールされている。燃料ガスセパレータ１０８は、燃料ガス流路１０２を有しており、酸化剤ガスセパレータ１０９は、酸化剤ガス流路１０３を有している。冷媒セパレータ１１１は、冷媒流路１１１を有している。これにより、冷媒流路１１１内の冷媒が、酸化剤ガス流路１０３内の酸化剤ガスの流れ方向（図１の紙面垂直方向）と平行な面内を流通するようになっている。
燃料電池スタックは、上述したような構成を有する単電池１００を複数積層させて構成されている。この燃料電池スタックは、例えば図４に示すように、燃料極循環系（燃料ガス供給系）３２０、酸化剤ガス供給系３２１をそれぞれ接続することにより、発電動作を行うことができる。複数の単電池１００からなる燃料電池スタックは、電解質膜の両面に燃料極の触媒層とガス拡散層及び酸化剤極の触媒層とガス拡散層をそれぞれ配置してなる膜電極接合体からなり、燃料極２０１及び酸化剤極２０２にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する
上記構成を有する燃料電池システムにおいては、以下の（１）〜（４）ような場合には、燃料電池システムは、燃料電池システムの特性の回復操作を必要と判断する。
（１）燃料極触媒の表面積が所定割合低下した場合、
（２）連続低負荷運転（通常運転時より電流密度が小さい運転状態）時間が所定時間以上経過した場合、
（３）低負荷運転積算時間が所定時間以上経過した場合、
（４）発電性能が所定割合低下した場合、
なお、燃料極触媒表面積、負荷、時間、発電性能は、上記の（１）〜（４）に示す特性回復操作を行うかどうかの判断基準の項目である。この燃料極触媒表面積、負荷、時間、発電性能は、燃料電池スタックに用いる単セルに応じて異なるため、事前に計測しておくことが望ましい。例えば、燃料電池システムの特性回復手段が、燃料極触媒表面積を測定する手段を有し、燃料極触媒表面積を測定する手段が測定した燃料極の触媒表面積に基づき、特性回復方法の要否を判断することができる。また、この判断基準は、各燃料電池システム等の要求に応じて決定でき、発電がこれ以上低下して欲しくない程度とすればよい。
ここで、図４〜図９を参照しながら、本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復手段を構成するガス系配管の例を説明しておくことにする。図４〜図９は、特性回復手段のガス系配管の異なる構成例をそれぞれ示している。
まず、図４の例は、燃料電池の燃料極２０１と酸化剤極２０２と、特性回復手段のガス系配管構成３００を示している。
図４の燃料極２０１には、燃料極循環系３２０が接続されている。この燃料極循環系３２０は、燃料ガス循環ポンプ３０１、パージ弁３０２、燃料ガス供給弁３０９、そして燃料ガス供給源３０８を有している。一方、酸化剤極２０２側には、酸化剤ガス供給系３２１が接続されている。この酸化剤ガス供給系３２１は、酸化剤ガス排気弁３０３、酸化剤ガス供給弁３０４、酸化剤ガスバイパスライン３０５、酸化剤ガスコンプレッサ３０６、ケミカルフィルタ３０７を有している。さらに、酸化剤ガス排気弁３０３と燃料極循環系３２０は、パージ弁３０２を介して接続されている。
図４の特性回復手段では、酸化剤ガス供給系３２１から燃料極循環系３２０に対して、破線の矢印で示すように空気の流れ方向に沿って空気を導入する際には、パージ弁３０２は開いた状態で燃料ガス循環ポンプ３０１を作動させて、燃料極循環系３２０内は負圧にする。燃料極循環系３２０内を負圧にした状態で、酸化剤ガス供給系３２１は、パージ弁３０２を経て燃料極循環系３２０内に酸化剤ガスを導入することで、燃料極２０１の特性回復方法を実施する。
この特性回復方法により、水素と酸素は、燃料極循環系３２０内で効率よく混合することができるため、燃料極の触媒上で効率よく水を生成することができる。また、酸化剤ガス供給系３２１から燃料極循環系３２０内へ空気を導入するため、外部から導入する空気中の不純物の混入を防ぐケミカルフィルタ３０７などの酸化剤ガス供給系３２１に必要な構成要素が、有効に利用できる。
図５は、燃料電池の燃料極２０１と酸化剤極２０２と、特性回復手段の配管構成３００を示している。燃料極２０１には、図４と同様の燃料極循環系３２０が接続されているが、さらに別のケミカルフィルタ３０７が空気の流れ方向の配管部分に追加されている。一方、酸化剤極２０２側には、酸化剤ガス供給系３２２が接続されている。この酸化剤ガス供給系３２２は、酸化剤ガス排気弁３０３、酸化剤ガス供給弁３０４、酸化剤ガスコンプレッサ３０６、ケミカルフィルタ３０７を有している。酸化剤ガス排気弁３０３と燃料極循環系３２０は、ケミカルフィルタ３０７とパージ弁３０２を介して接続されている。
図５の特性回復手段では、酸化剤ガス供給系３２２から燃料極循環系３２０へ空気を導入する際には、パージ弁３０２が開いた状態で燃料ガス循環ポンプ３０１を作動させ、燃料極循環系３２０内は負圧にする。燃料極循環系３２０内を負圧にした状態で、酸化剤ガス供給系３２２は、酸化剤ガス排気系からパージ弁３０２を経て燃料極循環系３２０へ酸化剤ガス（外部空気の直接導入）を導入し、特性回復方法を実施することで、効率よく水を生成することができる。また、外部の空気は、破線の矢印で示す空気流れ方向に沿って、直接ケミカルフィルタ３０７を通じて燃料極循環系３２０へ導入できる。このため、図５の例では、図４に示した酸化剤ガスバイパスライン３０５が不要になり、酸化剤ガス排気弁３０３と酸化剤ガス供給弁３０４の構造が単純になり、燃料電池システムの構造が簡略化できる。
図６は、燃料電池の燃料極２０１と酸化剤極２０２と、特性回復手段の配管構成３００を示している。酸化剤極２０２側には、図４に示すものと同様の酸化剤ガス供給系３２１が接続されている。これに対して、燃料極２０１側の燃料極循環系３２３は、燃料ガス循環ポンプ３０１、パージ弁（第１弁ともいう）３０２、燃料ガス供給弁３０９、燃料ガス供給源３０８、パージ弁（第２弁ともいう）３１０、そして循環系電磁弁（第３弁ともいう）３１１を有している。
図６の特性回復手段では、酸化剤ガス供給系３２１から燃料極循環系３２３へ空気を導入する際には、２つのパージ弁３０２，３１０はそれぞれ開の状態にして、その間の燃料極循環系３２３のラインは循環系電磁弁３１１により閉じた状態で、燃料ガス循環ポンプ３０１を作動させる。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給系３２１から燃料極循環系３２３内に対して、破線の矢印で示す空気の流れ方向に沿って素早く導入して、特性回復方法を実施することができる。酸化剤ガス供給系３２１をうまく利用しながら、燃料極循環系（燃料ガス系）３２３における燃料ガスの流れを破線の矢印に沿って一方通行とすることができるため、燃料極２０１を素早く空気雰囲気に変えることができる。
図７は、燃料電池の燃料極２０１と酸化剤極２０２と、特性回復手段の配管構成３００を示している。図７の酸化剤極２０２側には、図５に示すものと同様の酸化剤ガス供給系３２２が接続されている。これに対して、燃料極２０１側の燃料極循環系３２３は、図６の燃料極循環系３２３と同様のものを採用しているが、さらにケミカルフィルタ３０７がパージ弁３０２と酸化剤ガス排気系との間に配置されている。
図７の特性回復手段では、酸化剤ガス供給系３２２から燃料極循環系３２３へ空気を導入する際には、２つのパージ弁３０２，３１０がそれぞれ開の状態として、その間の燃料極循環系のラインが循環系電磁弁３１１により閉じた状態で、燃料ガス循環ポンプ３０１を作動させる。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス排気系から燃料極循環系３２３内へ直接素早く導入でき、燃料極２０１の特性回復方法を実施することができる。このため、燃料極２０１を素早く空気雰囲気に変えることができる。また、酸化剤ガス供給系３２２の配管構造を簡略化することができる。
図８は、燃料電池の燃料極２０１と酸化剤極２０２と、特性回復手段の配管構成４００を示している。燃料極２０１には、図４の燃料極循環系３２０と同様の燃料極循環系３２０が接続されているが、これに加えて、燃料極循環系３２０には、電磁弁４０２を介して燃料極加湿手段（給水手段ともいう）４０１が接続されている。一方、酸化剤極２０２側には、図４と同様な酸化剤ガス供給系３２１が接続されているが、さらに酸化剤ガス供給系３２１には、電磁弁４０４を介して酸化剤極加湿手段（給水手段ともいう）４０３が接続されている。
図８の特性回復手段では、燃料極２０１は、電磁弁４０２を開けることで燃料極循環系３２０を通じて燃料極加湿手段４０１から水又は加湿したガスを供給できる。酸化剤極２０２は、電磁弁４０４を開けることで酸化剤ガス循環系３２１を通じて酸化剤極加湿手段４０１から水又は加湿したガスを供給できる。このように、燃料極２０１及び／又は酸化剤極２０２、すなわち燃料極２０１、酸化剤極２０２のいずれか一方又は両方に対して、水又は加湿したガスを供給することができる。このため、燃料電池セル内を高加湿とした状態で、燃料極２０１の特性回復操作を行うことができるので、より効果的に燃料電池の特性を回復することができる。
図９は、燃料電池の燃料極２０１と酸化剤極２０２と、特性回復手段の配管構成４００を示している。燃料極２０１には、図４と同様の燃料極循環系３２０が接続されている。一方、酸化剤極２０２側は、図４と同様な酸化剤ガス供給系３２１が接続されている。さらに、燃料電池に対しては、ラジエータ４０５、冷媒循環ポンプ４０６、そして冷媒流量計４０７が接続されている。
図９の特性回復手段では、冷媒循環ポンプ４０６が作動すると、冷媒が燃料電池スタックを循環して、燃料電池スタックを冷却することができる。このように、燃料電池スタックの温度を低下させて燃料電池セルの温度が低くなることにより、燃料電池セル内の相対湿度を上げて高加湿とした状態で燃料電池の特性回復操作を行うことができ、効果的に燃料電池の特性を回復することができる。
次に、図４に示す特性回復手段のガス系配管構成の例と、図１０に示す本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復操作例を示すフロー図を参照しながら、特性回復操作例を説明する。
図１０のフロー図は、ステップＳ１〜Ｓ９を有する。ステップＳ１では、図４に示す酸化剤ガス循環系３２１における外部からの酸化剤ガスの供給は停止して、ステップＳ２では酸化剤ガス供給弁３０４及び酸化剤ガス排気弁３０３は、酸化剤ガスバイパスライン３０５側に向けて切り替えて、酸化剤極２０２に対する酸化剤ガスの供給を停止する。
ステップＳ３では、燃料電池内の酸素を消費させる酸素消費手段が用いられることにより、両極を水素雰囲気とする。この酸素消費手段は、電流を取り出す、もしくは両極を電気的に短絡させるなどを行って酸素を消費する。なお、水素系が酸素系よりも体積が小さい場合、この間に、燃料極２０１に燃料ガスを循環させておくことで、両極ともに酸素になることを防止できる。
ステップＳ４では、電圧が０Ｖ付近で安定しているかどうかがチェックされて、安定している場合には、ステップＳ５において酸素消費手段が停止される。
そして、ステップＳ６では、図４のパージ弁３０２は開とした状態で、ステップＳ７では燃料ガス循環ポンプ３０１が作動されて、燃料極循環系３２０内は外部（バージ弁３０２より上流）に対して負圧にする。このように、燃料極循環系３２０内を外部よりも負圧にすることで、燃料極循環系３２０内は、ケミカルフィルタ３０７を通じて外部より空気を混入させて、水素と酸素より水を生成しながら燃料極２０１内を空気雰囲気とすることで、燃料極２０１を高電位とする。
ステップＳ８では、この時の電位、含水量、温度に応じて決定した所定の時間は、その高電位で保持し、この保持時間が所定時間を過ぎたら、ステップＳ９において特性回復操作をストップする。この特性回復操作のストップ状態は、以下のすべての条件を満たす状態をいう。すなわち、このストップ状態とは、具体的には、図４〜図９の燃料ガス循環ポンプ３０１と酸化剤ガスコンプレッサ３０６、図９に示す冷媒循環ポンプ４０６の各装置が停止しており、図４〜図９のパージ弁３０２と燃料ガス供給弁３０９、図６に示すパージ弁（２）３１０、図８に示す電磁弁４０２，４０４、の各弁が閉じていて、しかも酸化剤ガス排気弁３０３と酸化剤ガス供給弁３０４が、酸化剤極２０２を封じている状態である。
特性回復操作のストップ状態は、図１０のステップＳ９だけでなく、後で説明する実施例２における図１１のステップＳ２２、実施例３における図１２のステップＳ３０、実施例４における図１３のステップＳ４３、そして実施例５における図１４のステップＳ５８に適用される。
図２（Ａ）には、上述した図１０のフロー図に対応する燃料電池の特性回復操作手順２００における燃料極２０１と酸化剤極２０２の変化を、簡略図で示している。
図２（Ａ）では、負荷（例えば抵抗素子）２０３が上述した酸素消費手段であり、負荷２０３が燃料極２０１と酸化剤極２０２を例えば電気的に短絡することで、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極は、共に水素雰囲気で停止する。そして、燃料極２０１には酸化剤ガス（エアー）が混ざることで、燃料極２０１に残存する水素と反応させて水を生成しながら燃料極２０１を空気雰囲気とする。
この場合には、特性回復手段は、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極共に水素雰囲気の状態から、燃料極２０１に酸化剤ガス（エアー）を混ぜるため、酸化剤極２０２の劣化を抑制したまま燃料電池セルの燃料極２０１の状態と酸化剤極２０２の状態を逆転させた状態にできる。また、水素と酸素をよく混合した状態で燃料極２０１に供給させるため、燃料極２０１の触媒層上で効果的に水を生成し、吸着物を効果的に取り除くことができる。
この特性回復操作による燃料極２０１への空気の導入操作は、酸化剤ガスコンプレッサ３０６を作動させ、加圧した状態で空気を燃料極循環系３２０側に導入することで、燃料極２０１を空気雰囲気にすることができるようにしても良い。特性回復操作を行うことで、燃料極２０１の触媒層の有効表面積が回復し、燃料電池の発電性能が回復する。
ところで、上記特性回復操作の過程における、燃料極２０１への酸化剤ガスの供給方法は、上述した図４に示す特性回復操作例に限らず、次に説明する図５に示す特性回復操作例１、図６に示す特性回復操作例２、そして図７に示す特性回復操作例３を用いても良い。
（特性回復操作例１）
図５に示すように、特性回復操作例１では、ケミカルフィルタ３０７が、燃料ガスパージラインにおけるパージ弁３０２の空気流れ方向の上流側に配置されており、酸化剤ガス排気系からケミカルフィルタ３０７を通じて燃料極循環系３２０に空気が導入される。図５の空気の導入方法によれば、図４の例のように酸化剤ガスバイパスライン３０５を設けなくて済み、しかも酸化剤ガス排気弁３０３と酸化剤ガス供給弁３０４の構造が簡単化できる。しかも、燃料ガスパージラインにケミカルフィルタ３０７を配置するだけの簡単な構成でありながら、燃料極２０１には、簡単に外部から直接空気を導入することができる。
（特性回復操作例２）
図６に示すように、特性回復操作例２では、パージ弁３０２及びパージ弁３１０は開き、かつその間に配した電磁弁３１１は閉じることにより、破線の矢印で示す空気流れ方向に沿って燃料極循環系３２３を一方通行にすることができる。燃料ガス循環ポンプ３０１及び／又は酸化剤ガスコンプレッサ３０６を作動させると、空気は酸化剤ガス供給系３２１より燃料極２０１に導入することができる。燃料ガス循環ポンプ３０１及び／又は酸化剤ガスコンプレッサ３０６を作動させるとは、燃料ガス循環ポンプ３０１と酸化剤ガスコンプレッサ３０６の一方又は双方を作動させることである。図６の空気導入方法によれば、図４の酸化剤ガス供給系３２１がそのまま採用でき、かつ燃料極２０１を素早く空気雰囲気とすることで特性回復操作に要する時間が短縮できる。
（特性回復操作例３）
図７に示すように、特性回復操作例３は、上述した図６に示す特性回復操作例２と同様に、破線の矢印で示すように燃料極循環系３２３を一方通行としている。燃料ガス循環ポンプ３０１が作動すると、上述した図５に示す特性回復操作例１と同様に、空気が酸化剤ガス排気系３２２より燃料極２０１に対して導入される。図７の空気導入方法によれば、燃料ガスパージラインにケミカルフィルタ３０７を配しただけの簡単な構成で、空気が燃料極２０１に導入でき、かつ燃料極２０１は素早く空気雰囲気とすることで、回復操作に要する時間が短縮できる。
さらに、上述した燃料電池の特性回復操作例１〜３の他に、次に説明する特性回復操作例４，５を採用することができる。
（特性回復操作例４）
図８に示すように、燃料極２０１、酸化剤極２０２の一方又は双方は、電磁弁４０２を開けることで、燃料極加湿手段４０１は燃料極循環系３２０を通じて水又は加湿したガスを燃料極２０１に供給できる。燃料極２０１、酸化剤極２０２の一方又は双方は、電磁弁４０４を開けることで、酸化剤ガス循環系３２１を通じて燃料極極加湿手段４０３から水又は加湿したガスを供給できる。
このように、水又は加湿したガスは、燃料極２０１及び／又は酸化剤極２０２、すなわち燃料極２０１、酸化剤極２０２のいずれか一方又は双方に対して供給することができる。このため、燃料電池セル内を高加湿とした状態で特性回復操作を行うことができ、効果的に燃料電池の特性を回復することができる。燃料極２０１あるいは酸素極２０２のための加湿（給水）手段は、燃料極加湿手段４０１、電磁弁４０２、酸化剤極加湿手段４０３，電磁弁４０４により構成されている。この加湿（給水）手段が燃料極２０１の触媒層の含水量を増加させた状態で特性回復操作を行うと、反応・排出効果が増大してより大きな特性回復操作の効果が得られる。
（特性回復操作例５）
さらに、図９に示すように、冷媒循環ポンプ４０６が作動すると、冷媒が燃料電池スタックを循環して冷却することができる。このように、燃料電池スタックの温度を低下させて燃料電池セルの温度が低くなることにより、燃料電池セル内の相対湿度を上げて高加湿とした状態で燃料電池の特性回復操作を行うことができ、効果的に燃料電池の特性を回復することができる。燃料電池スタックの温度冷却手段であるラジエータ４０５、冷媒循環ポンプ４０６，そして冷媒流量計４０７を用いて、冷媒を燃料電池スタックに供給することで、燃料電池スタック温度が低下でき、燃料極２０１の相対湿度を増加させることでも特性回復操作の効果は大きくなるのである。
（実施例２）
次に、本発明の燃料電池システムの好ましい実施例２を、図４に示す特性回復手段のガス系配管構成の例と、図１１に示す本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復操作例を示すフロー図を参照しながら説明する。
図１１のフロー図は、ステップＳ１１〜Ｓ２２を有する。ステップＳ１１〜Ｓ２２の内のステップＳ１１〜Ｓ１８は、図１０に示すステップＳ１〜Ｓ８と同じであるので、その説明を用いるが、実施例２は、実施例１と同様に燃料極２０１には空気が導入されて、燃料極２０１を所定時間高電位で保持する。
その後、図１１のステップＳ１９では、図４の燃料ガスパージ弁３０２が閉じて、ステップＳ２０では燃料ガス供給弁３０９が開いて燃料ガス供給源３０８から燃料極２０１に水素を含む燃料ガスを供給し、燃料極２０１中に残存する酸素より水を生成する。ステップＳ２１では、電圧が０Ｖ付近で安定しているかどうかをチェックして、安定している場合には、ステップＳ２２において特性回復操作をストップする。
実施例２によれば、燃料極２０１の触媒上でより多くの水を生成することができるため、燃料極２０１の極触媒層中の含水量が増加して、特性回復操作の効果が大きくなる。しかも、燃料極２０１と酸化剤極２０２はともに水素雰囲気で停止できるので、その後の起動における酸化剤極２０２側は空気状態、燃料極２０１側も空気状態である時に、燃料極２０１に水素を供給した際に起こる酸素極２０２の触媒層の劣化を抑制することができる。
図２（Ｂ）は、上述した図１１のフロー図に対応する燃料電池の特性回復操作手順２００における燃料極２０１と酸化剤極２０２の変化を、簡略図で示している。
図２（Ｂ）では、特性回復手段は、図２（Ａ）の状態から、燃料極２０１を空気雰囲気（エアー）、酸化剤極２０２を水素雰囲気とした状態で保持した後、さらに燃料極２０１に水素を流通させ残存する酸素と反応させ水を生成しながら、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極共に水素雰囲気のまま停止する。この場合には、劣化を抑制しながら燃料電池セルの燃料極２０１の状態と酸化剤極２０２の状態を逆転させることができ、吸着物を効果的に取り除くことができる。また、両極を水素雰囲気として特性回復操作を終了するため、次の発電に対する劣化が抑制される。
（実施例３）
次に、本発明の燃料電池システムの好ましい実施例３を、図４に示す特性回復手段のガス系配管構成の例と、図１２に示す本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復操作例を示すフロー図を参照しながら説明する。
図１２のフロー図は、ステップＳ２１〜Ｓ３０を有する。ステップＳ２１〜Ｓ３０の内のステップＳ２１〜Ｓ２８は、図１０に示すステップＳ１〜Ｓ８と同じであるので、その説明を用いるが、実施例３は、実施例１と同様に燃料極２０１は空気が導入されて、燃料極２０１を所定時間高電位で保持する。
その後、図１２のステップＳ２９では、燃料極２０１に空気が循環された状態で、燃料電池内の水素を消費させる水素消費手段が作動され、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極は、共に空気雰囲気の状態で停止する。この水素消費手段は、両極の電気的短絡あるいは電流の取り出しによって行う。酸化剤極２０２に残存する水素を用いて燃料極触媒層上で水を生成することができ、回復操作の効果が大きくなる。
そしてステップＳ２９−１では、電圧が０Ｖ付近で安定しているかどうかをチェックして、安定している場合には、ステップＳ２２において特性回復操作をストップする。
実施例３によれば、燃料極２０１の触媒上で水が生成するため発電性能を効果的に回復させることができる。また、そのまま燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極を空気雰囲気として停止するため、燃料電池を長期間保管する際に混入する空気によって水素と空気の混合状態が形成されず、保管時における燃料電池の劣化を抑制することができる。
図２（Ｃ）には、上述した図１２のフロー図に対応する燃料電池の特性回復操作手順２００における燃料極２０１と酸化剤極２０２の変化を、簡略図で示している。
図２（Ｃ）では、特性回復手段は、燃料極２０１を空気雰囲気、酸化剤極２０２を水素雰囲気とした状態で、さらに負荷２０３を付けることで電気的に短絡して酸化剤極２０２に残存する水素を消費させ、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極共に空気雰囲気のまま停止する。この場合には、燃料極２０１を空気雰囲気、酸化剤極２０２を水素雰囲気とした状態で負荷２０３を印加することで、酸化剤極２０２に残存する水素を消費させ、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極共に空気雰囲気のまま停止する。このため、燃料電池セルの劣化を抑制しながら、燃料電池セルの燃料極２０１の状態と酸化剤極２０２の状態を逆転させることができる。
また、燃料極２０１に残存する水素を燃料極２０１の触媒上で水に変化させ、吸着物をより効果的に取り除くことができる。また、両極を空気雰囲気として操作を終了するため、保管する際の劣化を抑制することができる。
（実施例４）
次に、本発明の燃料電池システムの好ましい実施例４を、図４に示す特性回復手段のガス系配管構成の例と、図１３に示す本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復操作例を示すフロー図を参照しながら説明する。
図１３のフロー図は、ステップＳ３１〜Ｓ４３を有する。ステップＳ３１〜Ｓ４３の内のステップＳ３１〜Ｓ３８は、図１０に示すステップＳ１〜Ｓ８と実質的に同じであるので、その説明を用いる。
実施例３は、ステップＳ３１〜Ｓ３８により、実施例１と同様に燃料極２０１に空気を導入して、燃料極２０１を所定時間高電位で保持する。そして、図１３のステップＳ３９では、図４の燃料ガスパージ弁３０２を閉じて、燃料極２０１の空気の循環を停止する。ステップＳ４０では、燃料極２０１の空気の循環を停止した状態で酸素消費手段を作動させて、酸化剤極２０２に残存する水素を用いて燃料極２０１の触媒上で水を生成しながら、ステップＳ４１では燃料ガス供給弁３０９を開いて燃料極２０１に燃料ガスを供給し、燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極を水素雰囲気とする。この場合の酸素消費手段は、例えば燃料極２０１と酸化剤極２０２を負荷２０３を用いて電気的に短絡することにより、燃料極２０１の酸素を消費させる。
そして、ステップＳ４２において、電圧が０Ｖ付近で安定しているかどうかをチェックして、安定している場合には、ステップＳ４３において特性回復操作をストップする。なお、燃料ガスを供給しなくとも両極を水素雰囲気で停止できる場合においては、燃料ガスを供給しなくとも良い。
実施例４によれば、燃料極２０１の触媒上で水が生成するため発電性能を効果的に回復させることができる。また、そのまま燃料極２０１と酸化剤極２０２の両極を水素雰囲気として停止するため、その後の起動における酸化剤極２０２の触媒層の劣化を抑制することができる。
図３（Ａ）には、上述した図１３のフロー図に対応する燃料電池の特性回復操作手順２００における燃料極２０１と酸化剤極の変化を、簡略図で示している。
図３（Ａ）では、特性回復手段は、燃料極２０１を空気雰囲気として、酸化剤極２０２を水素雰囲気とした状態で、燃料極２０１への空気供給を停止した後に負荷２０３を印加して燃料極２０１に残存する酸素を消費させる。これにより、燃料極２０１と酸化剤極２０２は、共に水素雰囲気のまま停止する。この場合には、劣化を抑制しながら燃料電池セルの燃料極２０１の状態と酸化剤極２０２の状態を逆転させることができる。また、水が燃料極２０１の触媒上で効果的に生成し、吸着物をより効果的に取り除くことができる。また、両極を水素雰囲気として特性回復操作を終了するため、次の発電に対する劣化が抑制される。
（実施例５）
次に、本発明の燃料電池システムの好ましい実施例５を、図４に示す特性回復手段のガス系配管構成の例と、図１４に示す本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復操作例を示すフロー図を参照しながら説明する。
図１４のフロー図は、ステップＳ５１〜Ｓ５８を有する。ステップＳ５１〜Ｓ５８の内のステップＳ５１〜Ｓ５５は、図１０に示すステップＳ１〜Ｓ５と同じであるので、その説明を用いるが、実施例５は、実施例１と同様に燃料極２０１には空気が導入されて、燃料極２０１を所定時間高電位で保持する。
すなわち、実施例５は、実施例１と同様に酸化剤極２０２は水素雰囲気とし、ステップＳ５６では、外部電源が燃料極２０１と酸化剤極２０２の間に電圧を印加して、燃料極２０１を所定時間高電位で保持する。ステップＳ５７において高電位に保持している時間が所定時間以上であると、ステップＳ５８では特性回復操作を停止する。
なお、外部電源が燃料極２０１を高電位にする操作は、実施例２〜実施例４と同様に、燃料極２０１を空気雰囲気とした状態で行っても同様の効果が得られる。その際における燃料極２０１への空気の導入方法および停止方法は、上述した実施例１〜実施例４に記載のいずれの方法を用いても良い。
実施例５によれば、酸化剤極２０２を水素雰囲気とした状態で、燃料極２０１の電位が外部電源により制御されるため、燃料極２０１の電位は精度よく目的の電位に保持することができ、燃料電池の特性回復操作の精度が向上する。また、燃料極２０１におけるガスが水素であるか空気であるかどうかにかかわらず、燃料電池の特性を回復することができるため、特性回復操作を簡略化できる。
図３（Ｂ）には、上述した図１４のフロー図に対応する燃料電池の特性回復操作手順２００における燃料極２０１と酸化剤極の変化を、簡略図で示している。
図３（Ｂ）では、特性回復手段は、酸化剤極２０２を水素雰囲気とした状態で、外部電源２０４により燃料極電位を１０〜１２Ｖに一定時間保持する。この場合には、酸化剤極２０２は水素雰囲気とすることができ、外部電源２０４が燃料極２０１の電位を精度よく制御することができる。また、燃料極２０１の雰囲気に拘らず特性回復操作を行うことができ、特性回復操作が簡略化できる。
本発明の実施例では、燃料電池の起動又は停止時に、燃料極及び酸化剤極を水素雰囲気の状態とし、燃料極に酸化剤ガスを供給する。この場合には、水素雰囲気の燃料極に酸化剤ガスを供給することで、触媒上で生成水が発生し、生成水は触媒上の吸着物を酸化させ、酸化した吸着物を酸化剤ガスによって排出することができる。しかも、酸化剤極が水素雰囲気であるので、酸化剤極の触媒劣化も抑制できる。従って、燃料電池システムは、自動車などの移動体に搭載する場合であっても適応可能な簡素な構成及び手法で燃料電池の回復を行うことができる。
本発明の実施例では、燃料極を高電位にすることで、吸着物の酸化反応が促進されるので、さらに効果的に触媒上の吸着物を除去できる。
本発明の実施例では、燃料極を高電位かつ高加湿状態とすることで、燃料極触媒層に吸着している不純物を酸化させて取り除くことができ、結果として簡易的システムと手法で比較的安価に燃料電池の特性を回復させることことができる。
本発明の実施例では、特性回復手段は、燃料極と酸化剤極の両極共に水素雰囲気で停止した状態で、燃料極に酸化剤ガスを混ぜて、燃料極に残存する水素と反応させて水を生成しながら燃料極を空気雰囲気とする。この場合には、酸化剤極の劣化を抑制したままセルの燃料極の状態と酸化剤極の状態を逆転させた状態にできる。また、水素と酸素をよく混合した状態で燃料極に供給させるため、触媒上で効果的に水を生成し、吸着物を効果的に取り除くことができる。
本発明の実施例では、特性回復手段は、燃料極を空気雰囲気、酸化剤極を水素雰囲気とした状態で保持した後、燃料極に水素を流通させ残存する酸素と反応させ水を生成しながら、燃料極と酸化剤極の両極共に水素雰囲気のまま停止する。この場合には、劣化を抑制しながらセルの燃料極の状態と酸化剤極の状態を逆転させることができ、吸着物を効果的に取り除くことができる。また、両極を水素雰囲気として操作を終了するため、次の発電に対する劣化が抑制される。
本発明の実施例では、特性回復手段は、燃料極を空気雰囲気、酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、負荷を印加することで酸化剤極に残存する水素を消費させ、燃料極と酸化剤極の両極共に空気雰囲気のまま停止する。この場合には、劣化を抑制しながらセルの燃料極の状態と酸化剤極の状態を逆転させることができる。また、酸素極に残存する水素を燃料極触媒上で水に変化させ、吸着物をより効果的に取り除くことができる。また、両極を空気雰囲気として操作を終了するため、保管する際の劣化を抑制することができる。
本発明の実施例では、特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、前記燃料極への空気供給を停止した後に負荷を印加することで、前記燃料極に残存する酸素を消費させ、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気のまま停止する。この場合には、劣化を抑制しながらセルの燃料極の状態と酸化剤極の状態を逆転させることができる。また、燃料極触媒上で効果的にを生成し、吸着物をより効果的に取り除くことができる。また、両極を水素雰囲気として操作を終了するため、次の発電に対する劣化が抑制される。
本発明の実施例では、特性回復手段は、酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、外部電源により前記燃料極電位を１０〜１２Ｖに一定時間保持する。この場合には、酸化剤極を水素雰囲気とすることができ、外部電源を用いて燃料極の電位を精度よく制御することができる。また、燃料極の雰囲気に拘らず特性回復操作を行うことができ、回復操作を簡略化することができる。
本発明の実施例では、燃料極循環系へ空気を導入する際、パージ弁を開いた状態で燃料極循環ポンプを作動させ、循環系内を負圧にしてパージ弁を経て酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを導入し、特性回復方法を実施する。この場合には、水素と酸素を燃料極循環系で効率よく混合することができるため、触媒上で効率よく水を生成することができる。また、酸化剤ガス供給系より空気を導入するため、外部から導入する空気中の不純物の混入を防ぐフィルタなど、供給系に必要な構成を利用することができる。
本発明の実施例では、燃料極循環系へ空気を導入する際、パージ弁を開いた状態で燃料極循環ポンプを作動させ、循環系内を負圧にしてパージ弁を経て酸化剤ガス排気系から酸化剤ガスを導入し、特性回復方法を実施する。この場合には、効率よく水を生成することができる。また、外部の空気は、酸化剤ガス供給系からではなく直接酸化剤ガス排気系から導入できるため、酸化剤ガスバイパスラインなどが不要となり、システムが簡略化できる。
本発明の実施例では、燃料極循環系へ空気を導入する際、２つのパージ弁をそれぞれ、開、閉とし、その間の循環ラインを閉じた状態で、燃料極循環ポンプを作動させ、酸化剤ガス供給系から燃料極循環系内に素早く酸化剤ガスを導入し、特性回復方法を実施する。この場合には、燃料ガス系におけるガスの流れを一方通行とすることができるため、燃料極を素早く空気雰囲気とすることができる。また、酸化剤ガス供給系の構成を利用することができる。
本発明の実施例では、燃料極循環系へ空気を導入する際、２つのパージ弁をそれぞれ、開、閉とし、その間の循環ラインを閉じた状態で、燃料極循環ポンプを作動させ、酸化剤ガス排気系から燃料極循環系内に素早く酸化剤ガスを導入し、特性回復方法を実施する。この場合には、燃料極を素早く空気雰囲気とすることができる。また、酸化剤ガス系のシステムを簡略化することができる。
本発明の実施例では、連続低負荷運転時間に基づいて、特性回復方法の要否を判断する。この場合には、低負荷運転を連続して行った時間に基づいて、特性回復の要否を判断することができるため、必要以上に特性回復操作を行うことがなく、燃料電池システムの利用効率を向上させることができる。
本発明の実施例では、低負荷運転積算時間に基づいて、特性回復方法の要否を判断する。この場合には、低負荷運転を行った時間の積算時間に基づいて、特性回復の要否を判断することができるため、必要以上に特性回復操作を行うことがなく、燃料電池システムの利用効率を向上させることができる。
本発明の実施例では、発電性能の低下割合に基づいて、特性回復方法の要否を判断する。この場合には、発電性能の低下割合に基づいて、特性回復の要否を判断することができるため、必要以上に特性回復操作を行うことがなく、燃料電池システムの利用効率を向上させることができる。
本発明の実施例では、燃料極触媒表面積を測定する手段を有し、その表面積に基づき、特性回復方法の要否を判断する。この場合には、燃料極触媒表面積の低下割合に基づいて、特性回復の要否を判断することができるため、必要以上に特性回復操作を行うことがなく、システムの利用効率を向上させることができる。
本発明の実施例では、特性回復方法における、燃料極高電位保持時間を燃料極の電位、触媒層の含水量、温度によって決定するので、燃料極を高電位とする時間を最低限短くすることができるため、燃料極の劣化を最低限に抑制した特性回復操作を行うことができる。
本発明の実施例では、燃料極及び／又は酸化剤極に対して、水又は加湿したガスを供給することで、セル内を高加湿とした状態で特性回復操作を行うことができるため、効果的に燃料電池の特性を回復することができる。
本発明の実施例では、燃料電池スタックの温度を低下させた状態であれば、セル温度を低くすることにより、セル内の湿度を高加湿とした状態で特性回復操作を行うことができる。結果として、効果的に燃料電池の特性を回復することができる。
本発明は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の変形例が考えられる。
本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における単電池の例を示す断面図である。 燃料電池の特性回復操作における燃料極と酸化剤極の変化を示す図である。 燃料電池の特性回復操作における燃料極と酸化剤極の変化を示す図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復手段のガス系配管の構成例を示す図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における別の特性回復手段のガス系配管の構成例を示す図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復手段のガス系配管の構成例を示す図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復手段のガス系配管の構成例を示す図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復手段のガス系配管の構成例を示す図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復手段のガス系配管の構成例を示すである。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における特性回復操作例を示すフロー図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例における別の特性回復操作例を示すフロー図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復操作例を示すフロー図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復操作例を示すフロー図である。 本発明の好ましい燃料電池システムの実施例におけるさらに別の特性回復操作例を示すフロー図である。
符号の説明
１００ 単電池
１０１ エッジシール
１０２ 燃料ガス流路
１０３ 酸化剤ガス流路
１０４ 燃料極触媒層
１０５ 酸素極触媒層
１０６ 燃料ガス拡散層
１０７ 酸化剤ガス拡散層
１０８ 燃料ガスセパレータ（セパレータ板）
１０９ 酸化剤ガスセパレータ（セパレータ板）
１１０ 冷媒セパレータ（セパレータ板）
１１１ 冷媒流路
１１２ 固体高分子電解質膜
２００ 回復操作手順例
２０１ 燃料極
２０２ 酸素極
２０３ 抵抗
２０４ 外部電源
３００ ガス系配管構成
３０１ 燃料ガス循環ポンプ
３０２ パージ弁（第１弁）
３０３ 酸化剤ガス排気弁
３０４ 酸化剤ガス供給弁
３０５ 酸化剤ガスバイパスライン
３０６ 酸化剤ガスコンプレッサ
３０７ ケミカルフィルタ
３０８ 燃料ガス供給源
３０９ 燃料ガス供給弁
３１０ パージ弁２（第２弁）
３１１ 循環系電磁弁（第３弁）
３２０ 燃料極循環系
３２１ 酸化剤ガス供給系
３２２ 酸化剤ガス供給系
３２３ 燃料極循環系
４００ ガス系配管構成
４０１ 燃料極加湿手段（給水手段）
４０２ 燃料極加湿（給水）手段用電磁弁
４０３ 酸素極加湿手段（給水手段）
４０４ 酸素極加湿（給水）手段用電磁弁
４０５ ラジエータ
４０６ 冷媒循環ポンプ
４０７ 冷媒流量計

Claims (19)

  1. 電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体からなり、前記燃料極及び前記酸化剤極にぞれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の起動又は停止時に、前記燃料極及び前記酸化剤極を水素雰囲気の状態とし、前記燃料極に前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料極を高電位に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。
  3. 前記燃料極を高電位かつ高加湿状態とすることで前記燃料電池の特性を回復させる特性回復手段を備え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。
  4. 前記特性回復手段は、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気で停止し、前記燃料極に前記酸化剤ガスを混ぜ、前記燃料極に残存する水素と反応させて水を生成しながら前記燃料極を空気雰囲気と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。
  5. 前記特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で保持した後、前記燃料極に水素を流通させ残存する酸素と反応させ水を生成しながら、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気のまま停止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。
  6. 前記特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、負荷を印加することで前記酸化剤極に残存する水素を消費させ、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に空気雰囲気のまま停止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。
  7. 前記特性回復手段は、前記燃料極を空気雰囲気、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、前記燃料極への空気供給を停止した後に負荷を印加することで、前記燃料極に残存する酸素を消費させ、前記燃料極と前記酸化剤極の両極共に水素雰囲気のまま停止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。
  8. 前記特性回復手段は、前記酸化剤極を水素雰囲気とした状態で、外部電源により前記燃料極電位を１．０Ｖ／ｃｅｌｌ以上に一定時間保持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。
  9. 燃料極循環系へ空気を導入する際、パージ弁を開いた状態で燃料極循環ポンプを作動させ、前記燃料極循環系内を負圧にして前記パージ弁を経て酸化剤ガス供給系から前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  10. 燃料極循環系へ空気を導入する際、パージ弁を開いた状態で燃料極循環ポンプを作動させ、前記燃料極循環系内を負圧にして前記パージ弁を経て酸化剤ガス排気系から前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  11. 燃料極循環系へ空気を導入する際、２つのパージ弁をそれぞれ、開、閉とし、その間の循環ラインを閉じた状態で、燃料極循環ポンプを作動させ、酸化剤ガス供給系から前記燃料極循環系内に素早く前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  12. 燃料極循環系へ空気を導入する際、２つのパージ弁をそれぞれ、開、閉とし、その間の循環ラインを閉じた状態で、燃料極循環ポンプを作動させ、酸化剤ガス排気系から前記燃料極循環系系内に素早く前記酸化剤ガスを導入し、前記特性回復方法を実施することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  13. 連続低負荷運転時間に基づいて、前記特性回復方法の要否を判断することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  14. 低負荷運転積算時間に基づいて、前記特性回復方法の要否を判断することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  15. 発電性能の低下割合に基づいて、前記特性回復方法の要否を判断することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  16. 燃料極触媒表面積を測定する手段を有し、その表面積に基づき、前記特性回復方法の要否を判断することを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  17. 前記特性回復方法における、燃料極高電位保持時間を燃料極の電位、触媒層の含水量、温度によって決定することを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つの項に記載の記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃料極及び／又は前記酸化剤極に対して、水又は加湿したガスを供給することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
  19. 燃料電池スタックの温度を低下させた状態であることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池システム。
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