JP2010114040A - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低下した燃料電池の発電性能を回復する技術を提供する。
【解決手段】第１と第２の電極を有する燃料電池を備え、第１の電極に酸化ガスを供給するとともに、第２の電極に燃料ガスを供給することによって、外部負荷の要求に応じて燃料電池に発電させる通常発電を実行する燃料電池システムにおいて、燃料電池の性能を回復する方法であって、第１の電極に燃料ガスを供給するとともに、第２の電極に酸化ガスを供給する工程を備え、燃料ガスは、酸化ガスよりも湿度が低い状態で供給される方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電極によって挟持された電解質膜を備え、各電極に反応ガスとして供給される水素と酸素との電気化学反応により発電する。しかし、燃料電池の使用が継続された場合に、電極の劣化などによって、燃料電池の発電性能が低下してしまう場合があった。これまで、こうした燃料電池の性能低下を回復するための種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。

Ｗ０２００５／００６４７７号公報 特開２０００−１５６２３９号公報 特開２００１−０８５０３７号公報 特開２００３−１２３８１２号公報

ところで、燃料電池の電極には、通常、燃料電池反応を促進するための触媒金属が担持されている。触媒金属は、特に、酸性条件下において、負荷変動を受けた場合に、溶解・再析出を繰り返すことが知られている。従って、燃料電池が出力変動を繰り返す運転を継続した場合には、電極中の触媒粒子が、電解質膜中へと溶出してしまったり、粒子同士の吸着によりその粒子径が増大してしまう場合がある。このような触媒粒子の溶出や粒子径の増大により、電極中の触媒粒子の表面積が減少すると、燃料電池の発電性能が低下してしまう。しかし、これまで、こうした問題について十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、低下した燃料電池の発電性能を回復する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
第１と第２の電極を有する燃料電池を備え、前記第１の電極に酸化ガスを供給するとともに、前記第２の電極に燃料ガスを供給することによって、外部負荷の要求に応じて前記燃料電池に発電させる通常発電を実行する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の性能を回復する方法であって、
（ａ）前記第１の電極に燃料ガスを供給するとともに、前記第２の電極に酸化ガスを供給する工程を備え、
前記工程（ａ）において、前記燃料ガスは、前記酸化ガスよりも湿度が低い状態で供給される、方法。
この方法によれば、外部負荷の要求に応じた発電の際に電解質膜中に溶出してしまった触媒を、再び電極側へと移動させることができる。従って、触媒の溶出により低下した燃料電池の発電性能を回復することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムの運転方法であって、さらに、
（ｂ）前記燃料電池の出力電圧を所定のメンテナンス用電圧範囲で変動させる工程と、
（ｃ）前記燃料ガスの圧力を、所定のメンテナンス用供給圧力より低くする工程と、
を備え、
前記メンテナンス用供給圧力は、前記通常発電において、前記メンテナンス用電圧範囲と同一の電圧範囲で前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力の平均値である、燃料電池システムの運転方法。
この方法によれば、回復用燃料電池ガスが電解質膜中へと透過してしまう可能性を低減でき、電解質膜から電極側へと移動する触媒粒子が電解質膜中で再析出してしまう可能性を低減できる。従って、触媒の溶出により低下した燃料電池の発電性能を、より効果的に回復することができる。

［適用例３］
外部負荷に電力を供給する燃料電池電池システムであって、第１と第２の電極を有する燃料電池と、前記第１の電極に酸化ガスを供給する第１の酸化ガス供給配管と、前記第２の電極に燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給配管と、前記第１の電極に燃料ガスを供給する第２の燃料ガス供給配管と、前記第２の電極に酸化ガスを供給する第２の酸化ガス供給配管と、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの加湿量を制御する加湿量制御部と、前記燃料電池の出力を制御するとともに、前記第１と第２の電極に供給されるガスの種類を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記外部負荷の出力要求に応じて、前記第１の酸化ガス配管を介して前記第１の電極に前記酸化ガスを供給するとともに、前記第１の燃料ガス配管を介して前記第２の電極に前記燃料ガスを供給する通常運転を実行し、前記通常運転実行時以外の時に、前記燃料ガス配管を介して、前記第１の電極に前記燃料ガスを供給するとともに、前記第２の酸化ガス配管を介して、前記第２の電極に前記酸化ガスを供給するメンテナンス用の運転を実行し、前記メンテナンス用の運転に際して、前記燃料ガスを、前記酸化ガスよりも、湿度が低い状態で供給する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、通常発電時に触媒の溶出によって低下した燃料電池の発電性能をメンテナンス用の運転により回復できる。

［適用例４］
適用例３に記載の燃料電池電池システムであって、さらに、前記燃料ガスの圧力を制御する圧力制御弁を備え、前記制御部は、前記メンテナンス用の運転において、前記燃料電池に所定のメンテナンス用供給圧力より低い圧力で前記燃料ガスを供給することにより、前記燃料電池を所定のメンテナンス運転用の電圧範囲で運転し、前記メンテナンス用供給圧力は、前記通常発電時において、前記メンテナンス運転用の電圧範囲と同一の電圧範囲で前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力の平均値である、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、メンテナンス用の運転において、回復用燃料ガスが電解質膜へと透過してしまう可能性を低減できる。従って、電解質膜から電極側へと移動する触媒粒子が電解質膜中で再析出してしまう可能性を低減でき、より効果的に燃料電池の発電性能を回復できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、外部負荷の要求に応じて燃料電池の発電電力を供給するシステムである。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、酸化ガス供給部２００と、燃料ガス供給部３００と、ガス供給先切替部４００と、２つの加湿部５１０，５２０と、排ガス排出部６００と、制御部７００とを備える。

制御部７００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータとして構成される。制御部７００は、以下に説明するシステムの各構成部の動作を制御することにより、燃料電池システム１０００に接続された外部負荷（図示せず）からの要求に応じて燃料電池１００に発電させる。なお、本明細書においては、当該外部負荷の要求に応じて燃料電池１００に発電させる燃料電池システム１０００の制御運転を「通常運転」と呼ぶ。また、通常運転の際の燃料電池の発電を「通常発電」と呼ぶ。

燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、第１と第２の電極１１０，１２０を有する。燃料電池１００は、各電極１１０、１２０に反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて、その電気化学反応により発電する。より具体的には、通常運転時には、第１の電極１１０は、酸化ガスが供給されてカソードとして機能し、第２の電極１２０は、燃料ガスが供給されてアノードとして機能する。通常運転時以外の各電極１１０，１２０の機能については後述する。

図２は、燃料電池１００のさらに詳細な構成を示す概略断面図である。燃料電池１００は、複数の単セル４０が積層されたスタック構造を有する。単セル４０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を挟持する２枚のセパレータ２０，３０とを備える発電モジュールである。膜電極接合体１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜である電解質膜１０１を、第１と第２の電極１１０，１２０によって挟持することにより構成された発電体である。各電極１１０，１２０の電解質膜１０１と接する面側には、電気化学反応を促進するための触媒金属が担持された触媒層１１１，１２１が設けられている。また、各電極１１０，１２０の各セパレータ２０，３０と接する面側には、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるためのガス拡散層１１３，１２３が設けられている。なお、触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）を用いることができ、ガス拡散層１１３，１２３としては、例えば、カーボンペーパを用いることができる。

膜電極接合体１０の第１の電極１１０側には、第１のセパレータ２０が配置され、第２の電極１２０側には、第２のセパレータ３０が配置されている。各セパレータ２０，３０は、各電極１１０，１２０のガス拡散層１１３，１２３と接する面側に反応ガスのための流路溝２１，３１を有しており、各電極１１０，１２０への反応ガスの供給部材として機能する。また、各セパレータ２０，３０は、導電性を有する薄板（例えば、金属板）によって構成され、発電電気の集電部材として機能する。なお、セパレータ２０，３０としては、他の構成であっても良い。

酸化ガス供給部２００（図１）は、酸化ガス供給配管２０１と、エアコンプレッサ２１０と、供給側圧力調整弁２２０とを備える。酸化ガス供給部２００は、制御部７００の指示によって、酸化ガスとして酸素を含む高圧空気を燃料電池１００に供給する。具体的には、酸化ガス供給配管２０１の上流端部に接続されたエアコンプレッサ２１０が、高圧空気を出力する。また、酸化ガス供給配管２０１の途中に設けられた供給側圧力調整弁２２０が、エアコンプレッサ２１０から出力された高圧空気の圧力を調整する。

燃料ガス供給部３００は、燃料ガス供給配管３０１と、水素タンク３１０と、逆止弁３２０と、供給側圧力調整弁３３０とを備える。燃料ガス供給部３００は、制御部７００の指示によって、燃料ガスとして水素を燃料電池１００に供給する。具体的には、燃料ガス供給配管３０１の上流端に接続された水素タンク３１０が、貯蔵水素を燃料ガス供給配管３０１へと出力する。また、燃料ガス供給配管３０１の途中に設けられた逆止弁３２０及び供給側圧力調整弁３３０が、制御部７００の指示により、配管３０１内の水素の圧力を調整する。

酸化ガス供給配管２０１と燃料ガス供給配管３０１とはそれぞれ、ガス供給先切替部４００と接続されている。ガス供給先切替部４００は、４つの三方弁４１０〜４４０と、４本の経路切替用配管４０１，４０３，４０５，４０７とを備える。酸化ガス供給配管２０１は、第１の上流側三方弁４１０の１つのポートと接続され、燃料ガス供給配管３０１は、第２の上流側三方弁４２０の１つのポートと接続されている。第１の上流側三方弁４１０の別のポートは、第１の経路切替用配管４０１を介して第１の下流側三方弁４３０と接続され、残りのポートは、第２の経路切替用配管４０３を介して第２の下流側三方弁４４０に接続されている。一方、第２の上流側三方弁４２０の別のポートは、第３の経路切替用配管４０５を介して第１の下流側三方弁４３０と接続され、残りのポートは、第４の経路切替用配管４０７を介して第２の下流側三方弁４４０に接続されている。第１の下流側三方弁４３０は、第１電極接続用配管５０１を介して、燃料電池１００の第１の電極１１０と接続され、第２の下流側三方弁４４０は、第２電極接続用配管５０２を介して、燃料電池１００の第２の電極１２０と接続されている。ガス供給先切替部４００は、このような配管の接続構成において、４つの三方弁４１０〜４４０の開閉動作により、配管接続態様を実現する。

図３（Ａ），（Ｂ）は、反応ガスの供給先を切り替えたときのガス供給先切替部４００における配管接続態様を、より具体的に説明するための模式図である。 図３（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、図１を書き換えたものであり、ガス供給先切替部４００と、酸化ガス供給部２００及び燃料ガス供給部３００と、燃料電池１００以外の図示は省略されている。また、図３（Ａ），（Ｂ）では、反応ガスが導通していない三方弁のポート及び各配管を、便宜上、破線で図示してある。

図３（Ａ）は、酸化ガスが第１の電極１１０に供給され、燃料ガスが第２の電極に供給される場合の配管接続態様を示している。この接続態様では、第１の上流側三方弁４１０は、第１の経路切替用配管４０１を介して第１の下流側三方弁４３０と導通しており、第２の下流側三方弁４４０とは導通していない。一方、第２の上流側三方弁４２０は、第４の経路切替用配管４０７を介して第２の下流側三方弁４４０と導通しており、第１の下流側三方弁４３０とは導通していない。この配管接続態様によって、燃料電池１００の第１の電極１１０には酸化ガスが供給され、第２の電極１２０には燃料ガスが供給される。なお、上述したように、燃料電池システム１０００は、通常運転時に、この接続態様で運転する。

図３（Ｂ）は、燃料ガスが第１の電極１１０に供給され、酸化ガスが第２の電極に供給される場合の配管接続態様を示している。この接続態様では、第１と第２の上流側三方弁４１０，４２０のそれぞれの接続先が、図３（Ａ）の接続先とは逆になる。即ち、第１の上流側三方弁４１０は、第２の経路切替用配管４０３を介して第２の下流側三方弁４４０と導通しており、第２の上流側三方弁４２０は、第３の経路切替用配管４０５を介して第１の下流側三方弁４３０と導通する。この配管接続態様によって、燃料電池１００では、通常運転時とは逆に、第１の電極１１０に燃料ガスが供給され、第２の電極１２０に酸化ガスが供給される。なお、燃料電池システム１０００は、後述する触媒回復処理において、この接続態様で運転する。

ところで、各電極１１０，１２０に接続された第１電極接続用配管５０１及び第２電極接続用配管５０２（図１）のそれぞれには、第１と第２の加湿部５１０，５２０が設けられている。制御部７００は、この２つの加湿部５１０，５２０によって、燃料電池１００に供給される反応ガスの加湿量を制御する。２つの加湿部５１０，５２０はそれぞれ、例えば、バブラー式の加湿器によって構成できる。

燃料電池１００において、反応に供されることのなかったガスや、反応によって生じた生成水などの余分な水分を含む排ガスは、排ガス排出部６００によって燃料電池１００の外部へと排出される。排ガス排出部６００は、第１と第２の排出配管６０１，６０３と、第１と第２の排出側圧力調整弁６１０，６２０とを備える。第１と第２の排出配管６０１，６０３はそれぞれ、第１と第２の電極１１０，１２０に接続されている。第１と第２の排出側圧力調整弁６１０，６２０はそれぞれ、第１と第２の排出配管６０１，６０３に設けられている。制御部７００は、第１と第２の排出側圧力調整弁６１０，６２０の開閉動作を制御して、各電極１１０，１２０におけるガス圧を調整する。

図４は、燃料電池システム１０００の電気的構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０００は、２次電池１３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０と、ＤＣ／ＡＣインバータ１５０とを備えている。燃料電池システム１０００は、ＤＣ／ＡＣインバータ１５０を介して外部負荷２０００と接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ１５０は、燃料電池システム１０００が出力する直流電力を交流電力へと変換する。

ＤＣ／ＡＣインバータ１５０は、直流電源ラインＤＣＬを介して燃料電池１００と接続されている。直流電源ラインＤＣＬには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を介して２次電池１３０が接続されている。２次電池１３０は、燃料電池１００の補助電源として機能する。２次電池１３０は、例えば、リチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、２次電池１３０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。制御部７００は、通常運転時には、外部負荷２０００の出力要求や、燃料電池１００の発電状態及び２次電池１３０の充電状態(ＳＯＣ)などに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御し、燃料電池１００及び２次電池１３０の出力電力を制御する。

ところで、燃料電池１００の電極１１０，１２０には、上述したように、電気化学反応を促進するための触媒層１１１，１２１（図２）が設けられている。しかし、一般に、触媒粒子は、負荷変動を繰り返し受けた場合には、溶解と析出とを繰り返すことが知られている。即ち、この燃料電池１００でも、出力電圧が変動する運転を繰り返された場合には、触媒層１１１，１２１の触媒粒子が溶解・析出してしまう。

図５（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池１００の電極１１０，１２０における触媒粒子の溶出を説明するための模式図である。 図５（Ａ），（Ｂ）は、単セル４０の一部を拡大した概略断面図であり、電極１１０，１２０を構成するカーボン粒子１に触媒粒子３が担持されている様子を模式的に示してある。図５（Ａ）は、燃料電池１００の使用を開始する前の初期状態を示しており、図５（Ｂ）は、燃料電池１００を、第１の電極１１０側をカソードとして一定期間使用した後の状態を示している。

燃料電池１００の運転の際に、触媒粒子３が溶解・析出を繰り返すと、図５（Ｂ）に示すように、溶解した触媒粒子３が電解質膜１０１中へと移動して析出してしまう場合がある。なお、触媒粒子の溶解・析出は、特に酸性条件下で著しく見られるため、燃料電池１００では、第１の電極１１０側の触媒粒子３が顕著に、電解質膜１０１中へと溶出してしまう。このように、電解質膜１０１中に触媒粒子３が溶出してしまうと、電極１１０における触媒粒子３の表面積が全体として減少する。触媒粒子３の外表面において電気化学反応が促進されるため、その表面積が減少すると、燃料電池１００の発電能力は低下してしまう。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、通常運転を終了する際に、燃料電池１００の触媒層１１１を回復するための触媒回復処理を実行する。

図６は、燃料電池システム１０００において実行される触媒回復処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、制御部７００は、ガス供給先切替部４００の配管接続態様を、通常運転時の接続態様（図３（Ａ））から触媒回復処理の接続態様（図３（Ｂ））へと切り替え、反応ガスの供給を開始する。即ち、通常運転時とは逆に、燃料電池１００の第１の電極１１０には燃料ガスが供給され、第２の電極１２０には酸化ガスが供給されるため、この触媒回復処理中の燃料電池１００では、通常発電時とは逆の電位勾配での発電が実行される。これにより、通常運転時に第１の電極１１０側から電解質膜１０１中へと溶出した触媒粒子３を電解質膜１０１中から第１の電極１１０側へと溶出させ、還元析出させることができる。

ステップＳ２０では、制御部７００は、第１と第２の加湿部５１０，５２０によって、反応ガスの加湿量を調整する。制御部７００は、具体的には、第１の電極１１０に供給される燃料ガスの湿度が、第２の電極１２０に供給される酸化ガスよりも低くなるように供給する。

図７（Ａ），（Ｂ）は、反応ガスの加湿量の調整による燃料電池内部での水分の流れを説明するための模式図である。図７（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池１００の一部断面を拡大して示す図５と同様な模式図である。通常、触媒回復処理の実行を開始したときには、燃料電池１００の内部は、通常運転時に生じた反応による生成水により、第１の電極１１０側が第２の電極１２０側より水分量が多い状態である。従って、燃料電池１００の内部での水分の流れは、第１の電極１１０側から第２の電極１２０側へと向かう流れとなる（図７（Ａ））。

しかし、ステップＳ２０において、第１の電極１１０側に供給される燃料ガスの湿度を第２の電極１２０側に供給される酸化ガスより低くすることにより、第１の電極１１０側を次第に乾燥傾向にすることができる。一方、第２の電極１２０側は、加湿酸化ガスにより水分量を増大させることができるとともに、反応による生成水によっても水分量を増大させることができる。従って、ステップＳ２０における反応ガスの加湿量制御により、燃料電池１００内部において、第１の電極１１０側の水分濃度が第２の電極１２０側の水分濃度よりも高い水分濃度勾配を生じさせることができる。これにより、燃料電池１００の内部では、その水分濃度勾配に従って、イオン化した触媒粒子３を含む水分が第２の電極１２０側から第１の電極１１０側へと向かう流れが生じる（図７（Ｂ））。即ち、この燃料電池システム１０００では、第１の電極１１０側と第２の電極１２０側との水分濃度勾配を利用して、電解質膜１０１中のイオン化した触媒金属を第１の電極１１０側へと移動させる。

ステップＳ３０（図６）では、制御部７００は、第１の電極１１０側における燃料ガスの圧力が所定の回復処理用圧力値より低くなるように制御する。ここで、「回復処理用圧力値」とは、この触媒回復処理において制御部７００が燃料電池１００に出力させる電圧範囲と同一の電圧範囲で通常運転を行う際に、第２の電極１２０側に供給される燃料ガスの平均圧力値である。

ここで、例えば、この触媒回復処理で、制御部７００は、単セル４０あたり約０．６Ｖ〜０．９Ｖ程度の電圧範囲で燃料電池１００に出力させるものとする。この場合には、回復処理用圧力値は、通常発電時に単セル４０あたり約０．６Ｖ〜０．９Ｖの電圧範囲で発電を実行したときに、第２の電極１２０に供給されていた燃料ガスの圧力の平均値である。従って、その平均値が約２００ＫＰａ程度であった場合には、制御部７００は、触媒回復処理実行時において、燃料ガスの圧力値を２００ＫＰａよりも低く制御する。このように燃料ガスの供給圧力値を回復処理用圧力値より低くする理由は、触媒処理実行中における第１の電極１１０側の燃料ガスの圧力に応じて、触媒粒子３が還元析出する位置が変化するためである。以下に、具体的に説明する。

図８は、燃料ガスおよび酸化ガスの圧力と触媒粒子の析出位置との関係を説明するための説明図である。図８（Ａ１），（Ｂ１）はそれぞれ、通常運転時の燃料電池１００の内部の状態と、触媒回復処理実行時の燃料電池１００の内部の状態とを模式的に示す図７と同様な図である。図８（Ａ１），（Ｂ１）には、燃料ガスである水素分子５及び酸化ガスに含まれる酸素分子７の図示が追加されており、電位が０Ｖとなる境界線Ｌ₀（以後、「０Ｖ電位境界線Ｌ₀」と呼ぶ）を破線により図示してある。なお、図８（Ａ１），（Ｂ１）には、酸化ガス中の酸素分子７以外の気体分子の図示は便宜上省略されている。

図８（Ａ２），（Ｂ２）はそれぞれ、通常発電時および触媒回復処理実行時における第１の電極１１０から第２の電極１２０に向かう電解質膜１０１の厚み方向（ｘ方向）の位置と電位との関係を示している。なお、図８（Ａ２），（Ｂ２）のグラフの横軸（ｘ方向の位置）はそれぞれ、図８（Ａ１），（Ｂ１）の電解質膜１０１の厚み方向の位置と対応しており、各グラフには、図８（Ａ１），（Ｂ１）と同様に、０Ｖ電位境界線Ｌ₀が示されている。いずれのグラフにおいても、電位勾配を示す曲線Ｇは、カソード側の電位が比較的高く、０Ｖ電位境界線Ｌ₀を境として、アノード側において電位が０Ｖ近傍まで急激に低下している。

通常、水素分子５は、イオン化したプロトンとともに電解質膜１０１中に移動する。一般に、水素分子５が供給された電極（アノード）から対向する電極（カソード）に向かって電解質膜１０１中に透過できる距離（以後、「膜透過距離」と呼ぶ）は、アノードとカソードとの間の水素分圧の差が大きいほど長くなる。また、水素分子５の膜透過距離は、カソードに供給される酸化ガスの圧力が増大するほど短くなる傾向にあることを本発明の発明者が実験により見出した。これは、供給される酸化ガスの圧力が増大すると、電解質膜１０１中へと移動する酸化ガス中の気体分子（酸素分子７や窒素分子等）の量が増大し、当該気体分子によって、水素分子５が高分子の間をすり抜けて移動することが阻害されるためであると推察される。

このように、水素分子５の膜透過距離は、供給される燃料ガスまたは酸化ガスの圧力によって変動する。また、一般に、水素分子５の存在する領域の境界線と０Ｖ電位境界線Ｌ₀とは一致する。本実施例の燃料電池システム１０００では、通常発電時には、０Ｖ電位境界線Ｌ₀は、主に、電解質膜１０１中の中央付近とカソードり（第１の電極１１０）との間に位置する（図８（Ａ１），（Ａ２））。なお、このように、０Ｖ電位境界線Ｌ₀が比較的カソード側に寄った位置となるのは、水素分子５の移動度が酸素分子７や窒素分子の移動度よりも高く膜中を透過しやすいためである。

ここで、触媒回復処理実行時に、通常発電時と同様な圧力で酸化ガス及び燃料ガスを供給すると、０Ｖ電位境界線Ｌ₀は、電解質膜１０１の中央付近とカソード（第２の電極１２０）との間に位置する可能性が高くなる。すると、溶解した触媒粒子３は、０Ｖ電位境界線Ｌ₀近傍で還元析出する可能性が高いため、触媒粒子３が再び電解質膜１０１中で析出してしまい、触媒回復処理による触媒層１１１の回復効率が低下してしまう。従って、触媒回復処理実行時には、第１の電極１１０に供給される燃料ガスの圧力は低いほど好ましい。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、少なくとも、発電効率を向上させるために比較的高圧力で反応ガスが供給される通常発電時より、触媒回復処理実行時における反応ガスの供給圧力が低くなるように、回復処理用圧力値を設定する。

また、触媒回復処理実行中に第１の電極１１０に供給される燃料ガスの圧力は、少なくとも、第２の電極１２０に供給される酸化ガスの圧力より低いことが好ましい。これによって、０Ｖ電位境界線Ｌ₀の位置をより第１の電極１１０側へとシフトさせることができ、触媒回復処理による触媒層１１１の回復効率が向上する。

ところで、一般に、触媒粒子は、０Ｖ〜１．２Ｖの範囲での電位変動の負荷を受けた場合に、その溶解・析出が促進されることが知られている。そこで、ステップＳ４０において、制御部７００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０（図４）を制御して、燃料電池１００の出力電圧を０Ｖ〜１．１Ｖの任意の範囲で上下変動を繰り返させる。なお、この出力電圧の変動範囲の上限値としては、０．９Ｖ以上であることが好ましく、さらには、０．９５Ｖ以上であることがより好ましい。

この電圧制御によって、電解質膜１０１中の触媒粒子３が触媒層１１１へと戻ることが促進される。このステップＳ４０において電位を変動させる処理時間は長いほど好ましく、処理中に繰り返される電位の変動回数が多いほど好ましい。制御部７００は、この触媒回復処理で燃料電池１００が発電した電力を２次電池１３０へと充電するものとしても良い。なお、触媒回復処理では、さらに、燃料電池１００に発電させることなく、２次電池１３０などの外部電源によって、燃料電池ＦＣに通常運転時とは逆の電位を負荷する処理を実行するものとしても良い。

このように、本実施例の燃料電池システム１０００の構成によれば、触媒の溶解・析出により、燃料電池１００の性能が劣化してしまった場合であっても、触媒回復処理により、その性能を回復することができる。燃料電池１００の発電性能の低下を抑制することができる。

B．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

B1．変形例１：
上記実施例において、燃料電池１００は固体高分子型燃料電池であったが、他のタイプの燃料電池に本発明を適用するものとしても良い。

B2．変形例２：
上記実施例において、ガス供給先切替部４００によって、通常発電時と触媒回復処理実行時とで反応ガスの供給先を切り替えていたが、ガス供給先切替部４００は省略されても良い。触媒回復処理実行時には、通常発電時に燃料電池１００に接続されていたガス供給配管を取り外し、接続される電極を変えて再び接続し直すものとしても良い。

また、上記実施例では、通常発電時と触媒回復処理実行時とでは、反応ガスを供給する酸化ガス供給部２００及び燃料ガス供給部３００は同一であった。しかし、燃料電池システム１０００には、さらに、触媒回復のための反応ガスを供給する回復用反応ガス供給部が設けられるものとしても良い。即ち、通常運転時に供給される燃料ガス及び酸化ガスと触媒回復処理において供給される燃料ガス及び酸化ガスとは異なる供給源から供給されるものとしても良い。

B3．変形例３：
上記実施例において、触媒回復処理は、通常発電の終了時に実行されていたが、触媒回復処理は、他のタイミングで実行されるものとしても良い。例えば、燃料電池システム１０００が、燃料電池１００の発電を一時停止しているときに触媒回復処理を実行するものとしても良いし、燃料電池システム１０００の起動時に実行されるものとしても良い。触媒回復処理は、燃料電池が外部負荷の要求に応じた発電をしていないときに実行されることが好ましい。

B4．変形例４：
上記実施例において、燃料電池システム１０００は２つの加湿部５１０，５２０を備えていたが、いずれか一方が省略されても良い。また、加湿部５１０，５２０に換えて、反応ガスを除湿する除湿部が設けられるものとしても良い。燃料電池システム１０００は、触媒回復処理の実行時に、燃料ガスの水分量が酸化ガスよりの水分量よりも少なくできる反応ガス調整部を備えることが好ましい。

B5．変形例５：
上記実施例において、燃料電池システム１０００は、触媒回復処理実行時に供給される燃料ガスを所定の回復用供給圧力値より低い圧力で供給していた。しかし、燃料ガスは、回復用供給圧力値より低い圧力で供給されなくとも良い。ただし、触媒回復処理において供給される燃料ガスの圧力は低いほど好ましい。

B6．変形例６：
上記実施例において、制御部７００は、触媒処理実行時に、燃料電池１００の出力電位を０Ｖ〜１．２Ｖの範囲で変動させていた（図６；ステップＳ４０）。しかし、この工程は省略されるものとしても良い。また、制御部７００は、ステップＳ４０において、他の出力電圧範囲で燃料電池１００の出力電位を変動させるものとしても良い。さらに、制御部７００は、ステップＳ４０において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を用いて、触媒回復処理実行中の燃料電池１００の出力電位を変動させていた。しかし、制御部７００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を用いなくとも良く、燃料電池１００の起動と停止とを繰り返す処理を実行するものとしても良い。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池の構成を示す概略断面図。 ガス供給先切替部の配管接続態様を示す説明図。 燃料電池システムの電気的な構成を示す概略図。 燃料電池における触媒粒子の電極からの溶出を説明するための模式図。 燃料電池システムで実行される触媒回復処理の処理手順を示すフローチャート。 触媒回復処理実行時の燃料電池内における水分の流れを説明するための模式図。 通常運転時と触媒回復処理実行時とにおける燃料ガス及び酸化ガスの圧力と触媒粒子の析出位置との関係を示す模式図。

符号の説明

１…カーボン粒子
３…触媒粒子
５…水素分子
１０…膜電極接合体
２０，３０…セパレータ
２１，３１…流路溝
４０…単セル
１００…燃料電池
１０１…電解質膜
１１０…第１の電極
１１１…触媒層
１１３…ガス拡散層
１２０…第２の電極
１２１…触媒層
１２３…ガス拡散層
１３０…２次電池
１４０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５０…ＤＣ／ＡＣインバータ
２００…酸化ガス供給部
２０１…酸化ガス供給配管
２１０…エアコンプレッサ
２２０…供給側圧力調整弁
３００…燃料ガス供給部
３０１…燃料ガス供給配管
３１０…水素タンク
３２０…逆止弁
３３０…供給側圧力調整弁
４００…ガス供給先切替部
４０１，４０３，４０５，４０７…経路切替用配管
４１０…第１の上流側三方弁
４２０…第２の上流側三方弁
４３０…第１の下流側三方弁
４４０…第２の下流側三方弁
５０１…第１電極接続用配管
５０２…第２電極接続用配管
５１０，５２０…加湿部
６００…排ガス排出部
６０１，６０３…排出配管
６１０，６２０…排出側圧力調整弁
７００…制御部
１０００…燃料電池システム
２０００…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
Ｌ₀…０Ｖ電位境界線

Claims (4)

1. 第１と第２の電極を有する燃料電池を備え、前記第１の電極に酸化ガスを供給するとともに、前記第２の電極に燃料ガスを供給することによって、外部負荷の要求に応じて前記燃料電池に発電させる通常発電を実行する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の性能を回復する方法であって、
   （ａ）前記第１の電極に燃料ガスを供給するとともに、前記第２の電極に酸化ガスを供給する工程を備え、
   前記工程（ａ）において、前記燃料ガスは、前記酸化ガスよりも湿度が低い状態で供給される、方法。
2. 請求項１記載の燃料電池システムの運転方法であって、さらに、
   （ｂ）前記燃料電池の出力電圧を所定のメンテナンス用電圧範囲で変動させる工程と、
   （ｃ）前記燃料ガスの圧力を、所定のメンテナンス用供給圧力より低くする工程と、
   を備え、
   前記メンテナンス用供給圧力は、前記通常発電において、前記メンテナンス用電圧範囲と同一の電圧範囲で前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力の平均値である、燃料電池システムの運転方法。
3. 外部負荷に電力を供給する燃料電池電池システムであって、
   第１と第２の電極を有する燃料電池と、
   前記第１の電極に酸化ガスを供給する第１の酸化ガス供給配管と、
   前記第２の電極に燃料ガスを供給する第１の燃料ガス供給配管と、
   前記第１の電極に燃料ガスを供給する第２の燃料ガス供給配管と、
   前記第２の電極に酸化ガスを供給する第２の酸化ガス供給配管と、
   前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの加湿量を制御する加湿量制御部と、
   前記燃料電池の出力を制御するとともに、前記第１と第２の電極に供給されるガスの種類を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記外部負荷の出力要求に応じて、前記第１の酸化ガス配管を介して前記第１の電極に前記酸化ガスを供給するとともに、前記第１の燃料ガス配管を介して前記第２の電極に前記燃料ガスを供給する通常運転を実行し、
   前記通常運転実行時以外の時に、前記燃料ガス配管を介して、前記第１の電極に前記燃料ガスを供給するとともに、前記第２の酸化ガス配管を介して、前記第２の電極に前記酸化ガスを供給するメンテナンス用の運転を実行し、
   前記メンテナンス用の運転に際して、前記燃料ガスを、前記酸化ガスよりも、湿度が低い状態で供給する、燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池電池システムであって、さらに、
   前記燃料ガスの圧力を制御する圧力制御弁を備え、
   前記制御部は、前記メンテナンス用の運転において、前記燃料電池に所定のメンテナンス用供給圧力より低い圧力で前記燃料ガスを供給することにより、前記燃料電池を所定のメンテナンス運転用の電圧範囲で運転し、
   前記メンテナンス用供給圧力は、前記通常発電時において、前記メンテナンス運転用の電圧範囲と同一の電圧範囲で前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力の平均値である、燃料電池システム。

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