JP2008235093A - 燃料電池の特性回復方法および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易なシステム構成により燃料電池の特性を回復させることができる燃料電池の特性回復方法を提供する。
【解決手段】燃料電池停止後、酸化剤極または燃料極の少なくともいずれか一方に、高加湿ガスまたは水を供給する。これにより燃料電池内部の触媒層を水分により洗浄し、不純物を除去する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の特性回復方法および燃料電池システムに関する。

燃料電池を長期間運転することで、種々の不純物に起因する発電性能の低下が起こる。これら不純物の発生原因は、大別して二つある。

一つは、燃料電池内部で発生するものである。

燃料電池が発電するためには高分子電解質膜に水を含有させておく必要がある。このため電池内部は常に湿潤な環境となる。その結果、長期間燃料電池を運転することにより、電池内の水を介して、シール材料や樹脂材料、金属材料などの燃料電池構成材料由来のイオン性不純物や無機不純物の溶出が起こる。また、燃料電池を車両に搭載して使用する場合には複数の異なる運転モードが複雑に組み合わされるため、長期間の運転により高分子電解質の劣化が進行し、これにより生じる分解生成物などが不純物となり得る。

もう一つは、燃料電池外部から供給されるものである。

燃料電池の酸化剤ガスは、通常、外部の空気を利用する。外部から供給される空気中には、硫黄酸化物、硫化水素、窒素酸化物なおの大気汚染物質が含まれている。たとえば、硫黄化合物の濃度は、日本における環境基準値が０．０４ｐｐｍであり、燃料電池を車両に搭載した場合、交通量の多い道路を長時間走行することにより硫黄酸化物が空気極に混入することが想定される。また、燃料ガスとして使用するガスの種類によっても、一酸化炭素や硫黄化合物等の不純物が燃料電池に混入する可能性がある。

これらの不純物は、触媒層や電解質膜に移動し、以下のような機構で燃料電池発電性能の低下を引き起こす。

（１）触媒被毒
硫黄化合物は白金表面に強く吸着することが知られている。触媒金属表面への硫黄の吸着による触媒の活性点の減少は、触媒金属表面で進行する反応を阻害し、ひいては燃料電池発電性能の低下を引き起こす。吸着した硫黄種を脱離させるためには電極電位を高める必要がある。

（２）電解質のイオン伝導性低下
金属イオンなどの不純物カチオンは、電解質膜中のイオン交換基と結合し、電解質のイオン伝導性の低下を引き起こす。これにより電解質の抵抗が増大し、発電性能の低下につながる。

（３）電解質中の物質移動特性低下
不純物が電解質内部に蓄積することにより電解質における反応ガス、水などの物質移動特性を低下させる。このため、過電圧が増大し発電性能の低下につながる。

従来、このような不純物により低下した発電性能を回復させるための技術としては、性能が低下した燃料電池に対して、水素ガスと酸化剤ガスを入れ替えることで燃料電池本体から極性を逆にした電流を取り出すことにより、電池内の特に電解質膜中の不純物イオンを移動、排出させる手法、通常の１．５倍以上の高電流密度となるように負荷をかけて、不純物イオンの分布を変えることで不純物を追い出す手法、ガスの加圧や酸化性ガスとして純酸素を用いることで不純物イオンの移動と排出を促進する手法、燃料電池を沸騰した水や酸性液につけて電解質や電極から不純物を洗い流す手法などがある（いずれも特許文献１）。
特開２００１−８５０３７号公報

従来の技術は、燃料電池へのガスの流路を変更したり、負荷状態を性能回復のためだけに変更したり、あるいは燃料電池そのもの（少なくとものスタック構造物全体）を取り出すなどが必要である。このため、システムとしての構成が複雑になり、容易に使用することができないという問題がある。具体的には、水素ガスと酸化剤ガスを入れ替えるためには、ガス配管を接続しなおすか自動化する場合には複雑なガス流通路を設ける必要がある。また、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、酸化剤極電位が低くなるために触媒表面上に吸着した硫黄不純物を除去することができないおそれもある。さらに、酸性の洗浄水を燃料電池システムのガス流路に通水する場合、酸性の洗浄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。特に、自動車等の移動体に利用する燃料電池では、このような複雑で大型化する可能性のあるシステムは採用し難い。さらに、沸騰水で洗浄する場合には、その都度燃料電池スタックをシステムから取り外さなければならないため、作業が煩雑となる。

そこで本発明の目的は、より簡単に燃料電池の特性を回復させることができる燃料電池の特性回復方法を提供することであり、また、簡易なシステム構成により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である。

上記目的を解決するための本発明は、燃料電池内の酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、高加湿ガスを供給することを特徴とする燃料電池の特性回復方法である。

また、上記目的を解決するための本発明は、燃料電池内の酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、前記燃料電池のガス供給経路を通して水を供給することを特徴とする燃料電池の特性回復方法である。

また、上記目的を解決するための本発明は、燃料電池内の酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、高加湿ガスを供給する高加湿ガス供給手段を有することを特徴とする燃料電池システムである。

さらに、上記目的を解決するための本発明は、燃料電池内の酸化剤極へ酸化剤を供給する酸化剤供給配管に接続された水供給配管、または前記燃料極へ燃料を供給する燃料供給配管に接続された水供給配管の少なくともいずれか一つを有し、酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、水を供給する水供給手段を有することを特徴とする燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池内部に高加湿ガスを供給することとしたので、燃料電池内部に蓄積した不純物を除去することができ、発電性能を回復することができる。特に、高加湿ガスを用いることで、燃料電池システムとして構成ガス供給経路を通じて容易に燃料電池内部に水分を供給して、その水分により燃料電池内部の不純物を除去することができる。これにより、不純物に起因する発電性能低下を抑制し、燃料電池をより長く使用することができるようになる。

また本発明によれば、燃料電池システムを構成しているガス供給経路を通じて燃料電池内部に水を供給することとしたので、燃料電池内部に簡単に水を供給して、蓄積した不純物を直接水で洗浄し除去することができ、発電性能を回復することができる。これにより、不純物に起因する発電性能低下を抑制し、燃料電池をより長く使用することができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明を適用した実施形態１の燃料電池システムの構成を示す説明図である。図２は、燃料電池内部の発電セルの構造を示す断面図である。

この燃料電池システム１０１は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。

燃料電池スタック１の内部は複数の発電セルからなる。一つの発電セルは、少なくとも燃料ガスが供給される燃料極２、酸化剤ガスが供給される酸化剤極３、燃料極２と酸化剤極３の間に配置された電解質および触媒層を備える。具体的構造としては、たとえば図２に示すように、中心に、たとえば高分子電解質膜１００を配置し、電解質膜の片面に燃料極側触媒層２００ａ、燃料極側ガス拡散層３００ａ、燃料ガス供給溝４００ａを備えた燃料極側セパレータ５００ａを配置し、他方の面に酸化剤極側触媒層２００ｂ、酸化剤極側ガス拡散層３００ｂ、酸化剤ガス供給溝４００ｂを備えた酸化剤極側セパレータ５００ｂを配置してなる。そして燃料電池スタック１は、このような発電セルが複数積層されて構成されている。

燃料ガスおよび酸化剤ガスは、セパレータ５００ａおよび５００ｂの内部に設けられたガス流路（溝）４００ａおよび４００ｂを通じて、燃料極側および酸素極側の触媒層２００ａおよび２００ｂに供給される。

なお、図示しないが、燃料電池スタック１はガスが外部へ漏洩することを防止するために、電解質膜とセパレータとの間の外周部に、エッジシール部材としてガスケット、ガスシールなどが配置されている。

この燃料電池スタック１は、燃料極２に（具体的には燃料ガス供給溝４００ａに）燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極３に（具体的には酸化剤ガス供給溝４００ｂに）酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素（具体的には、酸素を含む空気）を用いるケースについて説明する。この燃料電池システムは、たとえば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載して使用される。

この燃料電池システム１０１には、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素供給配管７と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気供給配管１３（酸化剤供給配管）とが備えられている。

燃料ガスである水素は、燃料供給手段である、たとえば高圧水素タンク４から、水素供給配管７を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク４の下流の水素供給配管７には水素供給弁５が設けられており、この水素供給弁５が開状態となると、燃料タンク４からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁６によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素供給弁５は、燃料電池スタック１への水素供給の必要性に応じて、ＥＣＵ（電子制御装置）２７によってその開閉状態が制御され、また、水素調圧弁６は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、ＥＣＵ２７によってその開度が制御される。燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素排出配管９へと排出される。

酸化剤ガスである空気は、たとえば、大気がコンプレッサ１０によって取り込まれて加圧される。そして、この加圧状態の空気が、空気供給配管１２を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された空気）は、空気排気配管１８を介して外部（大気）に排出される。この空気排気配管１８には、空気出口弁１６と空気調圧弁１７が設けられている。空気調圧弁１７は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ１０の駆動量（回転数）とともにＥＣＵ２７によって制御される。

空気系には燃料電池スタック１に供給される空気を加湿するための加湿手段１５が設けられている。燃料電池システムが車両に搭載される場合には、加湿器は小型であることが要求される。このため本実施形態の燃料電池システムにおける加湿手段１５は、空気供給配管１２を介して供給される供給空気と、空気排気配管１８を介して燃料電池スタック１から排気される排出空気との間で水分（水蒸気）の交換を行えるよう、空気供給配管１２と空気排気配管１８とに接続されている。

さらに本実施形態１においては、特性回復操作（詳細後述）に使用する、高加湿ガス供給配管１３（高加湿ガス供給配管）が設けられており、この配管経路上に高加湿ガス供給時に開状態となる高加湿ガス供給弁１４が設けられている。高加湿ガス供給配管１３は、加湿手段１５を介さずに酸化剤極に高加湿ガスを供給するために、空気供給配管１２上の空気供給弁１１の下流で燃料電池スタック１の上流にあたる位置に設けられている。また、供給した高加湿ガスを排出するために、高加湿ガス排出配管１９と高加湿ガス排出弁２０とが、空気排気配管１８上の燃料電池スタック１の下流で加湿手段１５の上流にあたる位置に設けられている。ここではこれらの配管および弁が高加湿ガス供給手段となる。

このような構成とすることで、高加湿ガス供給配管１３は、加湿手段１５をバイパスして高加湿ガスを供給することができる。これにより加湿手段１５に設けられているフィルタや加湿器の性能低下を引き起こすことなく高加湿ガスを供給することができる。

この燃料電池システム１０１全体の制御は、後述する特性回復操作を含めてＥＣＵ２７によって行われている。なお図では、ＥＣＵ２７から各部へ信号線は、図示省略した。

次にこの燃料電池システムに対する特性回復操作について説明する。

図３は、特性回復操作の手順を示すフローチャートである。

このフローチャートに示す処理は、燃料電池システムの点検時、あるいは燃料電池システムが車両に搭載されている場合には高圧水素タンク４への水素充填時などの定期的なタイミングにおいて実施することができる。このとき、たとえば点検や水素充填を行う施設に、たとえばポンプにより加圧した高加湿ガスを供給可能な設備を設置することで、これらを用いて本実施形態１に記述する特性回復操作を実現することができる。

なお、特性回復制御を開始する前提として、燃料電池の運転（発電）は停止させており、水素供給および空気供給は停止している。

まずステップＳ１において、酸化剤極３への高加湿ガスの供給を開始する。すなわち、このステップＳ１においては、ＥＣＵ２７が、空気供給弁１１と空気排気弁１６をともに閉じた状態に制御し、その後、ＥＣＵ２７は、外部から高加湿ガスを供給するためのラインが高加湿ガス供給配管１３に接続されたのを確認した後、高加湿ガスを供給するために、高加湿ガス供給弁１４を「開」にする。このとき同時に高加湿ガス排出弁２０も「開」状態とすることで酸化剤極に高加湿ガスが流通する。これにより、高加湿ガス供給配管１３を介して酸化剤極３に高加湿ガスを供給することができる。

なお、外部から高加湿ガスを供給するためのラインと高加湿ガス供給配管１３との接続確認は、作業者による接続確認の入力、または高加湿ガス供給配管１３の高加湿ガスを供給するためのラインを接続する接続口にセンサを設けておいてそのセンサからの信号によりＥＣＵ２７が自動で確認できるようにしておいてもよい。

ここで高加湿ガスは、操作実施時の燃料電池スタック温度よりも高い露点のガスであることが望ましい。具体的には、高加湿ガスの相対湿度８０％以上となるような温度および高加湿ガスの湿度とすることが好ましい。

高加湿ガス供給後は、続いて、ＥＣＵ２７が、高加湿ガス供給弁１４、排出弁２０を閉じて高加湿ガスを封入する（Ｓ２）。その後、燃料電池スタック温度を強制的に下げて、スタック内に封入したガスの水分を凝縮させ、触媒層液水量を増加させる（Ｓ３）。

燃料電池スタック１の温度を低下させる方法としては、たとえば、通常燃料電池の運転が停止しているときには停止状態にある冷却水の循環や冷却ファンを起動させればよい。

その後、ＥＣＵ２７は所定時間ｔ経過したかどうかを判断し、所定時間ｔ経過後（Ｓ４：Ｙｅｓ）、余剰水分の除去操作を実施する（Ｓ５）。たとえば、高加湿ガス供給弁、排出弁を開き低加湿ガスを供給することにより余剰水分の除去が可能である。なお、ステップＳ４においては、所定時間が経過するまで待つことになる。低加湿ガスは、たとえば相対湿度３０〜５０％程度のものである。

この余剰水分の除去の際に、増加した触媒層中の液水も排出される。このとき触媒層中に蓄積した不純物が水と一緒に除去される。なお、保持時間ｔは、たとえば本回復操作実施前までの燃料電池の運転時間に基づき設定することが好ましい。

これは、燃料電池運転時間が長くなるにつれ、燃料電池内部に蓄積する不純物量は増加するため、操作実施時までの燃料電池運転時間により高加湿ガスの供給量（供給時間や封入時間）を変えることにより、不純物除去効果を高めることができる。具体的にはたとえば３０分程度であるが、回復操作までの燃料電池の運転時間、また燃料電池スタック１の大きさなどによって適宜決められる必要があり、この時間に限定されるものではない。

余剰水分の除去処理は、燃料電池を再起動した際に、余剰水分により反応ガスが閉塞して、フラッディングが起こってしまうのを防止するためである。なお、余剰水分の除去に低加湿ガスを用いることが好ましいのは、余剰水分に際して、水分を過剰に除去して電解質が乾燥してしまうのを防ぐことができるためである。なお、外部から低加湿ガスを供給するほかにも、高加湿ガス供給弁１４を閉じ、空気供給弁１１を開いた状態で、コンプレッサ１０により酸化剤極に空気を供給してもよい。なお、本実施形態１では余剰水分の除去は低加湿ガスを供給する方法に限らず、余剰水分を除去し、かつ触媒層の含水状態を通常時と同様にすることが可能な方法であれば特に限定されるものではない。

以上の操作により、燃料電池内部、特に、触媒層中に蓄積した不純物を除去することができ、これにより不純物の蓄積により低下した燃料電池スタック１の発電特性を回復することができる。特に、外部の空気中にある汚染物質の蓄積による性能低下には、このような酸化剤極側への高加湿ガスの供給による特性回復操作の効果が非常に高い。

＜実施形態２＞
次に本発明を適用した実施形態２について説明する。本実施形態２に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システムと基本的に同様であるため、図１の構成図を用いて説明する。

本実施形態２は、高加湿ガスの代わりに、水を供給することで燃料電池内部に蓄積した不純物を除去し、回復操作を行うものである。このため図１に示したシステムにおいて本実施形態２では、高加湿ガス供給配管１３、高加湿ガス供給弁１４、高加湿ガス排出配管１９、および高加湿ガス排出弁２０に、高加湿ガスの代わりに、水を流すようにしている（ここではこれらの配管および弁が水供給手段となる）。したがって、図示される構成は実施形態１の場合と同じシステム構成を示す図面を省略した。

図４は、本実施形態２における燃料電池システムの特性回復操作の処理手順を示すフローチャートである。

ここで、回復操作を行うタイミングは、実施形態１と同様であり、たとえば、燃料電池システムの点検時や燃料充填時などである。また、特性回復制御を開始する前提として、燃料電池の運転（発電）は停止させており、水素供給および空気供給は停止している。

まず、ステップＳ２１において、酸化剤極３への水の供給を開始する。すなわち、このステップＳ２１においては、ＥＣＵ２７が、空気供給弁１１と空気排気弁１６をともに閉じた状態に制御し、その後、ＥＣＵ２７は、外部から水を供給するためのラインが高加湿ガス供給配管１３に接続されたのを確認した後、水を供給するために、高加湿ガス供給弁１４を「開」にする。このとき同時に高加湿ガス排出弁２０も「開」状態とすることで酸化剤極に水が流通する。これにより、高加湿ガス供給配管１３を介して酸化剤極３に水を供給することができる。

なお、外部から水を供給するためのラインと高加湿ガス供給配管１３との接続確認は、作業者による接続確認の入力、または高加湿ガス供給配管１３の高加湿ガスを供給するためのラインを接続する接続口にセンサを設けておいてそのセンサからの信号によりＥＣＵ２７が自動で確認できるようにしておいてもよい。

水供給後は、ＥＣＵ２７は所定時間ｔ経過したかどうかを判断し、所定時間ｔ経過後
（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、水の供給を停止するために高加湿ガス供給弁１４を閉じる（ｓ２３）。ステップ２２において所定時間ｔが経過していない場合には、所定時間ｔが経過するまでそのままの状態で運転を継続する。これにより、触媒層中に、供給された水が循環して、触媒層中に蓄積した不純物が水と一緒に除去される。なお、保持時間ｔは、実施形態１と同様に、本回復操作実施前までの燃料電池の運転時間、燃料電池スタックの大きさなど基づき設定されることが好ましい。具体的には、３０分程度であるが、この時間に限定されることはない。

水供給を停止後、燃料電池内部において酸化剤極の流路および触媒層は水分が過剰に存在した状態であるため、ＥＣＵ２７は、余剰水分を除去する処理を実施する（Ｓ２４）。余剰水分の除去は、たとえば、高加湿ガス供給弁、排出弁を開き低加湿ガスを供給すること、高加湿ガス供給弁１４を閉じ、空気供給弁１１を開いた状態で、コンプレッサ１０により酸化剤極に空気を供給するなどにより実施できる。もちろん、これ以外にも余剰水分を除去し、かつ触媒層の含水状態を通常時と同様にすることが可能な手段であればよい。なお、ここで余剰水分を除去する理由は、実施形態１と同様であり、余剰水分によるフラッディングの防止である。

以上の操作により、水を流して触媒層中に蓄積した不純物を除去することができ、これにより不純物の蓄積により低下した燃料電池スタック１の発電特性を回復することができる。しかも、燃料電池システムに、特性回復操作のための水を流す配管（高加湿ガス供給配管１３、高加湿ガス供給弁１４、高加湿ガス排出配管１９、および高加湿ガス排出弁２０）を設けているため、不純物除去のために操作の度に燃料電池スタックを取り外すなどの操作が不要で、容易に特性回復操作を実施することができる。

＜実施形態３＞
次に本発明を適用した実施形態３について説明する。

図５は本発明を適用した実施形態３の燃料電池システムの構成を示す説明図である。なお、本実施形態３に係る燃料電池システム１０２は、以下に述べる点を除いて実施形態１に係る燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、それらの説明は省略した。

本実施形態３に係る燃料電池システム１０２は、実施形態１の構成における燃料電池システムに加えて、水素循環配管２２が備えられている。水素循環配管２２は、他方の端部が水素調圧弁６よりも下流側の水素供給配管７に接続されている。水素循環配管２２には、たとえば、水素循環ポンプ２１およびエゼクタ２３といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極２の排出側から排出された水素はその供給側へと循環され、燃費向上を図ることができる。

さらに、燃料電池スタック１と水素循環ポンプの間に気液分離器２４を備えている。気液分離器２４では、燃料電池スタックより排出された水素ガスに含まれる水分を分離する。気体部分は循環配管へ、水分はタンクに溜まり水排出配管２５および水排出弁２６を介して排出される。また、この気液分離器２４を備えることで特性回復操作時には、不純物を含んだ水分のみを外に排出ことができ、後述するようにキャリアガスとして不活性ガスを用いた場合、不純物を除いて不活性ガスの回収を行うことが可能となる。

さらに水素供給配管７（燃料供給配管）には、水素供給弁５の下流部分に外部から高加湿ガスを供給するための高加湿ガス供給配管２８が設けられている。高加湿ガス供給配管２８は、逆止弁２９が設けられていて、外部へ水素が漏れ出さない構造となっている。ここではこれらの高加湿ガス供給配管２８および逆止弁２９が高加湿ガス供給手段となる。

図６は、この実施形態３における燃料電池システムの特性回復操作の手順を示すフローチャートである。

まず、特性回復操作に先立ち、燃料電池の運転（発電）は停止させており、水素供給および空気供給は停止している。そして、高加湿ガス供給配管２８に外部から高加湿ガス供給ラインを接続する。なお、回復操作を行うタイミングは、実施形態１と同様であり、たとえば、燃料電池システムの点検時や燃料充填時などである。

接続が確認された後、ＥＣＵ２７は、水素供給弁５を閉じて、高圧水素タンク４からの水素が水素供給配管７経路内に流れ込まないようにする。一方、燃料出口弁８を開く。これにより高加湿ガス供給配管２８に接続された高加湿ガスが水素供給配管７に供給される（Ｓ３１）。ここで、燃料極側から特性回復操作を行う際には高加湿ガスとして、不活性ガスをキャリアガスとして用いることが好ましい。これは、燃料電池停止直後の燃料極内部には水素が残存してことが考えられるため、水素／空気の混在による劣化を防止する必要があるためである。

不活性ガスをキャリアガスとして用いた高加湿ガスは、たとえば、不活性ガスとして窒素ガスを用いる場合、事前に窒素ガスでパージし水を入れた気密水槽を用いて、バブラーにより水中に窒素ガスを放出し、水中から出てくる気体を捕集することで、加湿された窒素ガスが得られる。

供給される高加湿ガスは、相対湿度８０％以上であることが好ましい。なお、不活性ガスとしては、窒素ガスのほか、ヘリウムガスなどであってもよい。

なお、高加湿ガス供給により、燃料極内部に残存していた水素は大気に放出されることのないよう、安全に配慮し燃焼器で燃焼するなど適切な処理を行う必要がある。

高加湿ガスを供給後、ＥＣＵ２７は、水素出口弁８を閉じて、高加湿ガスを封入する（Ｓ３２）。

その後、ＥＣＵ２７は、燃料電池スタック温度を強制的に下げて（Ｓ３３）、スタック内に封入したガスの水分を凝縮させ、触媒層液水量を増加させる。燃料電池スタック温度は、冷却水の循環や冷却ファンを使用して下げることができる。

その後、ＥＣＵ２７は、所定時間ｔが経過したか否かを判断し、所定時間ｔ経過後（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、余剰水分の除去操作を実施する（Ｓ３５）。ここでも、所定時間ｔは、本回復操作実施前までの燃料電池の運転時間、燃料電池スタックの大きさなど基づき設定されることが好ましい。

余剰水分の除去操作は、たとえば、キャリアガスとして使用した不活性ガスを低加湿状態となるようにして供給することにより実施することができる。このとき用いる低加湿ガスは、たとえば相対湿度３０〜５０％程度のものである。

余剰水分の除去後、ＥＣＵは、燃料電池の再起動時に備え、高加湿ガス供給配管２８から高加湿ガス供給ラインが取り外されたのを確認後、水素供給弁５を開いて、燃料極に水素を充填して（Ｓ３６）、操作は終了する。これは、回復操作後に燃料極２に、もし高加湿ガス供給時に空気が混入し、それが残留したままになると、再起動時、燃料極２に水素が供給された際に、水素と空気の混在した状態となって触媒層が劣化するを防止するために、回復操作終了後には燃料極２に水素を充填するのである。

このように、燃料極側へ高加湿ガスを供給することによっても、燃料電池内部、特に触媒層に蓄積された不純物を容易に除去することができる。

なお、燃料極側へも高加湿ガスに代えて、水を供給するようにしても、同様に不純物の除去が可能である。その場合のシステム構成および回復操作は、燃料電池スタックの温度を下げる処理が不要となる。

＜実施形態４＞
次に本発明を適用した実施形態４について説明する。

図７は本発明を適用した実施形態４の燃料電池システムの構成を示す説明図である。なお、本実施形態４に係る燃料電池システム１０３は、以下に述べる点を除いて実施形態１に係る燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、それらの説明は省略した。

本実施形態４は、上述した実施形態２と実施形態３の操作を同時に行うため、システム構成としては、両実施形態の構成を併せ持つものである。

すなわち、酸化剤極３側には、高加湿ガス供給配管１３、高加湿ガス供給弁１４、高加湿ガス排出配管１９、および高加湿ガス排出弁２０を有し、燃料極２側に水素循環配管２２、水素循環ポンプ２１、エゼクタ２３、気液分離器２４、高加湿ガス供給配管２８、おおび逆止弁２９が設けられている（ここではこれらの配管および弁などが高加湿ガス供給手段となる）。

図８は、本実施形態４における燃料電池の特性回復操作の手順を示すフローチャートである。

回復操作を行うタイミングは、実施形態１と同様であり、たとえば、燃料電池システムの点検時や燃料充填時などである。

本実施形態４では、まず、ＥＣＵ２７は、燃料極２側と酸化剤極３側の両方に外部から高加湿ガスを供給する（Ｓ４１）。高加湿ガスの具体的な供給動作は実施形態１および３と同様である。このとき供給される高加湿ガスは、少なくとも燃料極２側については、不活性ガスをキャリアとしたものを用いる。また、相対湿度について８０％以上となるようにする。

次に、ＥＣＵ２７は、水素出口弁８および高加湿ガス排出弁２０を閉じて、燃料電池内部に高加湿ガスを封入する（Ｓ４２）。そして、ＥＣＵ２７は、燃料電池スタックの温度を下げて（Ｓ４３）、スタック内に封入したガスの水分を凝縮させ、触媒層液水量を増加させる。その後、所定時間ｔ経過後（Ｓ４４：Ｙｅｓ）、高加湿ガスの供給を止めて、余剰水分の除去処理を行う（Ｓ４５）。

その後、ＥＣＵ２７は、燃料極側に対しては水素の充填処理を行い（Ｓ４６）、処理を終了する。

このように、燃料極２側と酸化剤極３側の両方に外部から高加湿ガスを供給することで、燃料電池内部の触媒層に蓄積された不純物を両極側から除去することができる。

なお、本実施形態４においては、酸化剤極３側へは燃料極２側と同じ高加湿ガスを供給するようにしているが、これに代えて、酸化剤極３側へは実施形態２のように水を供給するようにしてもよい。

以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、特性回復操作を行うタイミングは、燃料電池を車両に搭載している場合、その車両の走行距離が所定距離に達したときに行うようにしてもよい。

これは、走行距離が増えることで、燃料電池の運転時間が長くため、車両の運転時間が長くなることで、外部から取り込まれる不純物、あるいは燃料電池の劣化に伴い生成した不純物が触媒層内部に蓄積される量も次第に増えることになる。したがって、不純物の蓄積量が性能に悪影響を及ぼす一定量に達するための予想走行距離を設定しておき、その走行距離に達した時点で特性回復操作を行うようにしてもよい。設定される走行距離としては、たとえば、１０，０００ｋｍ、３０，０００ｋｍなどといった具合である。また、燃料電池そのものの総運転時間が所定時間に達したとき、たとえば１，０００時間ごとなどでもよい。これは、車両搭載以外の燃料電池に有効である。さらには、走行距離や燃料電池の運転時間ではなく、たとえば、１年に１度などというように定期的に実施するようにしてもよい。

さらに、特性回復操作を行うタイミングとしては、カーナビゲーションシステムの情報を利用することも可能である。

既に説明したことであるが、燃料電池の性能低下の要因の一つに、外部から汚染物質の取り込み、蓄積がある。

外部から汚染物質を取り込む場合、当然のことながら、外部要因として空気中の汚染物質が多いところを走行すると、より多く不純物が蓄積されることになる。そこで、カーナビゲーションシステムを用いて走行地域の不純物（主に硫黄化合物：ＳＯｘ、Ｈ_２Ｓ）濃度に関する情報を取得し、高濃度地域を走行した際にはそこでの走行距離、運転時間などから、燃料電池スタック内部に取り込まれる不純物量を推定し、特性回復操作を実施するかどうか判断するようにしてもよい。この場合、走行地域は、カーナビゲーションシステムが備える無線通信機能により、汚染物質が多いと推定される地域であるか否かを取得するようにしてもよいし、あらかじめカーナビゲーションシステムが備える地図情報の一つとして汚染物質が多い地域や時間帯を記憶させておいて、そこを走行した距離や時間を積算するようにしてもよい。汚染物質が多い地域や時間帯としては、たとえば、交通量の多い地域や時間帯、または汚染物質そのものの測定値などを参考に決定したものであってもよい。

本発明は、特に車両用の燃料電池の特性回復に好適である。

本発明を適用した実施形態１における燃料電池システムの構成を示す説明図である。 燃料電池内部の発電セルの構造を示す断面図である。 本発明を適用した実施形態１における特性回復操作の処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した実施形態２における特性回復操作の処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した実施形態３における燃料電池システムの構成を示す説明図である。 本発明を適用した実施形態３における特性回復操作の処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した実施形態４における燃料電池システムの構成を示す説明図である。 本発明を適用した実施形態４における特性回復操作の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１、１０２、１０３…燃料電池システム、
１…燃料電池スタック、
２…燃料極、
３…酸化剤極、
４…高圧水素タンク、
５…水素供給弁、
６…水素調圧弁、
７…水素供給配管、
８…燃料出口弁、
９…水素排出配管、
１０…コンプレッサ、
１１…空気供給弁、
１２…空気供給配管、
１３…高加湿ガス供給配管、
１４…高加湿ガス供給弁、
１５…加湿手段、
１６…空気出口弁、
１７…空気調圧弁、
１８…空気排気配管、
１９…高加湿ガス排出配管、
２０…高加湿ガス排出弁、
２１…水素循環ポンプ、
２４…気液分離器、
２７…ＥＣＵ
２８…高加湿ガス供給配管、
２９…逆止弁、
１００…高分子電解質膜、
２００ａ…燃料極側触媒層、
３００ａ…燃料極側ガス拡散層、
２００ｂ…酸化剤極側触媒層、
３００ｂ…酸化剤極側ガス拡散層、
４００ａ…燃料ガス供給溝、
４００ｂ…酸化剤ガス供給溝、
５００ａ…燃料極側セパレータ、
５００ｂ…酸化剤極側セパレータ。

Claims (28)

1. 燃料電池内の酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、高加湿ガスを供給することを特徴とする燃料電池の特性回復方法。
2. 前記高加湿ガスは、相対湿度８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の特性回復方法。
3. 前記高加湿ガスは、キャリアガスとして不活性ガスを使用して供給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の特性回復方法。
4. 前記高加湿ガスは、燃料電池内部のスタック温度よりも露点の高いガスを供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
5. 前記高加湿ガスは、前記燃料電池の少なくとも一方の電極側へのガス供給経路を通して供給し、所定時間前記燃料電池内に封入した後、排出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
6. 前記高加湿ガスは、酸化剤極側の前記ガス供給経路に加湿手段を備える場合、当該加湿手段をバイパスするラインを介して供給および排出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の特性回復方法。
7. 前記高加湿ガスは、燃料極側に気液分離器を備える場合、当該気液分離器を介して排出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の特性回復方法。
8. 前記高加湿ガスは、酸化剤極側および燃料極側の両方に供給することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
9. 前記高加湿ガス供給後は、燃料電池内部のスタック温度を下げることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
10. 前記高加湿ガスの供給量は、前記燃料電池の運転積算時間に基づくことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
11. 前記高加湿ガス排出後、燃料電池内の余剰水分を除去することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の特性回復方法。
12. 前記高加湿ガス排出後、前記燃料電池の運転開始前に、燃料極に水素を注入することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の特性回復方法。
13. 燃料電池内の酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、前記燃料電池のガス供給経路を通して水を供給することを特徴とする燃料電池の特性回復方法。
14. 前記水は、供給後、所定時間前記燃料電池内に封入した後、排出することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池の特性回復方法。
15. 前記水は、酸化剤極側の前記ガス供給経路に加湿手段を備える場合、当該加湿手段をバイパスするラインを介して供給および排出することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池の特性回復方法。
16. 前記水は、燃料極側に気液分離器を備える場合、当該気液分離器を介して排出することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池の特性回復方法。
17. 前記水は、酸化剤極側および燃料極側の両方に供給することを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
18. 前記水供給後は、燃料電池内部のスタック温度を下げることを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
19. 前記水の供給量は、前記燃料電池の運転積算時間に基づくことを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
20. 前記水排出後、燃料電池内の余剰水分を除去することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池の特性回復方法。
21. 前記水排出後、前記燃料電池の運転開始前に、燃料極に水素を注入することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池の特性回復方法。
22. 前記高加湿ガスは、前記燃料電池の点検時に供給することを特徴とする請求項１１乃至１２のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
23. 前記高加湿ガスは、前記燃料電池に使用する燃料を貯蔵している燃料供給手段へ燃料を充填する時に供給することを特徴とする請求項１１乃至１２のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
24. 前記水は、前記燃料電池の点検時に供給することを特徴とする請求項１３乃至２１のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
25. 前記水は、前記燃料電池に使用する燃料を貯蔵している燃料供給手段へ燃料を充填する時に供給することを特徴とする請求項１３乃至２１のいずれか一つに記載の燃料電池の特性回復方法。
26. 燃料電池内の酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、高加湿ガスを供給する高加湿ガス供給手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
27. 前記高加湿ガス供給手段は、前記酸化剤極へ酸化剤を供給する酸化剤供給配管に接続された高加湿ガス供給配管または前記燃料極へ燃料を供給する燃料供給配管に接続された高加湿ガス供給配管の少なくともいずれか一つを有することを特徴とする請求項２６記載の燃料電池システム。
28. 燃料電池内の酸化剤極へ酸化剤を供給する酸化剤供給配管に接続された水供給配管または前記燃料極へ燃料を供給する燃料供給配管に接続された水供給配管の少なくともいずれか一つを有し、酸化剤極または燃料極の少なくとも一方の電極側に、水を供給する水供給手段を有することを特徴とする燃料電池システム。