JP2011086400A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電を行う燃料電池スタックの触媒被毒による劣化を抑制し、適切なタイミングで燃料電池スタックの被毒回復処理を行う燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１０１と、第１基準セル１０２と、第２基準セル１０３と、切替器１０４、１０５と、第１検知器１０６と、第２検知器１０７と、被毒判定器１２０ａと、制御器１２０と、を備え、被毒判定器１２０ａは、第１基準セル１０２に反応ガスが供給された状態で第１検知器１０６で検知された第１基準セル１０２の電圧値又は電流値が、第２基準セル１０３に反応ガスが供給された状態で第２検知器１０７で検知された第２基準セル１０３の電圧値又は電流値より小さい場合、燃料電池スタック１０１の高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定する、燃料電池システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。

高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、水素を含有した燃料ガスと空気等の酸素を含有した酸化剤ガスとを電気化学反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）と、ガスケットと、導電性の板状のセパレータと、を有している。そして、ＰＥＦＣは、一般的には、このセルを複数積層し、積層されたセルの両端を端板で挟み、該端板とセルとを締結具により締結することにより、燃料電池スタックとして形成されている。

ところで、ＰＥＦＣのアノード及びカソードに用いる電極触媒としては、一般に白金又は白金合金が用いられている。白金又は白金合金は高い反応性を有しているため、電極触媒としては非常に優れた材料であるが、反応ガス又はＰＥＦＣ内部に不純物が存在する場合、その量が極めて少量であっても、電極触媒の表面に不純物が付着して、触媒が被毒され、電池性能が低下するという問題がある。中でも、二酸化硫黄、メチルメルカプタン、硫化水素等の硫黄化合物は白金の被毒効果が大きいことが知られている。燃料電池の酸化剤としては空気を用いるのが一般であるが、空気中には、硫黄酸化物や二酸化硫黄等の大気汚染物質が含まれている。したがって、空気を供給する燃料電池では、不純物、とりわけ、硫黄化合物による触媒被毒で発電性能が大きく低下することが問題となっている。

このような問題に対して、触媒被毒による発電性能の低下後に、触媒性能を回復する処理を行なう燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、周期的に変化する電圧を印加することで、電極触媒表面に付着している不純物を除去する燃料電池システムが開示されている。また、触媒層から排出される水の量を増加させることにより、触媒活性を回復させる燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、通常の運転時よりも燃料電池の温度を下げる等して、触媒層から排出される水の量を増加させることで、触媒活性を回復させる燃料電池システムが開示されている。さらに、汚染物質除去装置に空気を通過させた後に、燃料電池の空気極に空気を供給する燃料電池空気極の汚染防止方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３では、Ｍｎ酸化物および／またはＭｎ−Ｃｕ複合酸化物と、ルテニウム酸塩と、を含有する汚染物質吸着剤を充填してなる汚染物質除去装置内の吸着除去剤を通過させた空気を、燃料電池の空気極に供給する燃料電池空気極の汚染防止方法が開示されている。

特開２００６−１９２７９号公報 特開２００８−７７９１１号公報 特開２００７−２８７３９３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、周期的に回復処理を行っているため、燃料電池の電極の触媒に不純物が付着して、電池性能が低下していない場合でも回復処理を行なうおそれがあり、このような場合、余分なエネルギー消費するばかりでなく、触媒層を構成するカーボンの劣化が生じるおそれがある。また、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池に供給される空気中に含まれる不純物を除去する手段がないため、電極触媒層に付着した不純物による電池性能の劣化を抑制することができない。さらに、上記特許文献３に開示されている燃料電池空気極の汚染防止方法では、周期的に汚染物質吸着剤を交換するが、周期的に交換を行うと、汚染物質吸着剤の吸着除去能が低下していないにもかかわらず、汚染物質吸着剤を交換して、コストが増加するおそれがある。また、汚染物質吸着剤の吸着除去能が低下して、汚染物質除去装置内では汚染物質を吸着していないにもかかわらず、汚染物質吸着剤を使用し続けて、燃料電池の空気極に汚染物質が吸着するおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、発電を行う燃料電池スタックの触媒被毒による劣化を抑制し、適切なタイミングで燃料電池スタックの被毒回復処理を行うことができる、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスを供給する第１反応ガス供給路と、前記第１反応ガス供給路の途中に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する第１基準セルと、前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルよりも上流側で分岐された第２反応ガス供給路と、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有し、前記第２反応ガス供給路から前記反応ガスが供給される第２基準セルと、前記第２反応ガス供給路を通流する前記反応ガスを前記第２基準セルに供給し及び遮断する切替器と、前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルの下流側に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する高分子電解質形燃料電池を複数有し、前記第１基準セルを通過した反応ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、前記第１基準セルの電圧値及び／又は電流値を検知する第１検知器と、前記第２基準セルの電圧値及び／又は電流値を検知する第２検知器と、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池の被毒を判定する被毒判定器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの発電運転中には前記第２基準セルへの前記反応ガスの供給を遮断するように前記切替器を制御し、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池の被毒判定時には、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を制御し、前記被毒判定器は、前記第１基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第１検知器で検知された前記第１基準セルの電圧値又は電流値が、前記第２基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第２検知器で検知された前記第２基準セルの電圧値又は電流値より小さい場合、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定する。

これにより、反応ガスに触媒被毒物質（例えば、二酸化硫黄等の硫黄酸化物）が混入していても、第１基準セルで触媒被毒物質が吸着されるため、燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池に触媒被毒物質の混入を抑制することができる。また、燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池の被毒を適切に判定されることにより、燃料電池スタックの被毒回復処理を行うタイミングを適切に判断することができる。さらに、不必要な触媒層の回復処理を抑制することにより、触媒層を構成するカーボンの劣化を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃料電池スタックの発電停止中に前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を制御してもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１反応ガス供給路は、第１燃料ガス供給路と第１酸化剤ガス供給路を有し、前記第２反応ガス供給路は、第２燃料ガス供給路と第２酸化剤ガス供給路を有し、前記第１酸化剤ガス供給路の前記切替器の上流側に接続され、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルの前記カソードに不活性ガスを供給する不活性ガス供給路と、前記不活性ガス供給路に前記不活性ガスを供給するように構成された不活性ガス供給器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池スタックの発電停止中に、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルの前記アノードに燃料ガスが供給され、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルの前記カソードに不活性ガスが供給されるように前記不活性ガス供給器と前記切替器を制御し、前記被毒判定器は、前記第１基準セルに前記燃料ガス及び前記不活性ガスが供給された状態で前記第１検知器で検知された前記第１基準セルの電圧値が、前記第２基準セルに前記燃料ガス及び前記不活性ガスが供給された状態で前記第２検知器で検知された前記第２基準セルの電圧値より小さい場合、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定されてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１検知器は前記第２検知器を兼ねるように構成されていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１基準セル及び前記第２基準セルのアノード及びカソードの電極面積が、前記高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードの電極面積と同じであってもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第１基準セル及び前記第２基準セルのアノード及びカソードの電極面積が、前記高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードの電極面積と異なっていてもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記不活性ガスは、窒素ガス、メタンガス、及び二酸化炭素ガスからなるガス群から選ばれる１以上のガスであってもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、所定時間経過後に、前記燃料電池スタックの発電運転中には前記第１基準セルへの前記反応ガスの供給を遮断し、前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を制御してもよい。

さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、被毒回復処理器をさらに備え、前記制御器は、前記被毒判定器が前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定すると、前記被毒回復処理器を被毒された前記高分子電解質形燃料電池の被毒除去操作を行うように制御してもよい。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、反応ガスを供給する第１反応ガス供給路と、前記第１反応ガス供給路の途中に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有し、前記アノード及び前記カソードで前記第１反応ガス供給路から供給された反応ガスを用いて発電する第１基準セルと、前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルよりも上流側で分岐された第２反応ガス供給路と、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有し、前記第２反応ガス供給路から前記反応ガスが供給される第２基準セルと、前記第２反応ガス供給路を通流する前記反応ガスを前記第２基準セルに供給し及び遮断する切替器と、前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルの下流側に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する高分子電解質形燃料電池を複数有し、前記第１基準セルを通過した反応ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を切り替えるステップ（Ａ）と、前記第１基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第１基準セルの電圧値又は電流値を検知するステップ（Ｂ）と、前記第２基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第２基準セルの電圧値又は電流値を検知するステップ（Ｃ）と、前記ステップ（Ｂ）で検知された前記第１基準セルの電圧値又は電流値が前記ステップ（Ｃ）で検知された前記第２基準セルの電圧値又は電流値よりも小さい場合には前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定するステップ（Ｄ）と、を備える。

これにより、反応ガスに触媒被毒物質（例えば、二酸化硫黄等の硫黄酸化物）が混入していても、第１基準セルで触媒被毒物質が吸着されるため、燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池に触媒被毒物質の混入を抑制することができる。また、燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池の被毒を適切に判定されることにより、燃料電池スタックの被毒回復処理を行うタイミングを適切に判断することができる。さらに、不必要な触媒層の回復処理を抑制することにより、触媒層を構成するカーボンの劣化を抑制することができる。

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、発電を行う燃料電池スタックの触媒被毒による劣化を抑制し、適切なタイミングで燃料電池スタックの被毒回復処理を行うことが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図３は、図１に示す燃料電池システムの第１電気化学測定器と第１基準セルとの間の電気回路を示す模式図である。 図４は、図１及び図２に示す燃料電池システムにおける燃料電池スタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された被毒判定プログラムを概略的に示すフローチャートである。 図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図８は、本実施の形態３に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された被毒判定プログラムを概略的に示すフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、燃料電池スタックに接続された反応ガス流路の上流側に第１基準セルと第２基準セルが並列に配置される形態を例示するものである。

［燃料電池システムの構成］
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図１は、燃料電池スタックの発電運転中の模式図であり、図２は、燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池の被毒判定時の模式図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０１、第１基準セル１０２、第２基準セル１０３、第１燃料ガス供給路２０１、第１酸化剤ガス供給路２０２、第１切替器１０４、第２切替器１０５、第１電気化学測定器（第１検知器）１０６、第２電気化学測定器（第２検知器）１０７、被毒判定器１２０ａ、及び制御器１２０を備えていて、被毒判定器１２０ａは、第１基準セル１０２に反応ガスが供給された状態で第１電気化学測定器１０６で検知された第１基準セルの電圧値又は電流値が、第２基準セル１０３に反応ガスが供給された状態で第２電気化学測定器１０７で検知された第２基準セル１０３の電圧値又は電流値より小さい場合、燃料電池スタック１０１の高分子電解質形燃料電池５０（図４参照）が被毒されていると判定する。

燃料電池スタック１０１は、高分子電解質形燃料電池（以下、単に燃料電池という）５０を複数有し、反応ガス供給路から供給された反応ガスを用いて発電するように構成されている。なお、燃料電池スタック１０１の構成については、後述する。

また、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給器１０８及び酸化剤ガス供給器１０９を備えていて、燃料ガス供給器１０８及び酸化剤ガス供給器１０９は、それぞれ、燃料電池スタック１０１に燃料ガス及び酸化剤ガス（反応ガス）を供給する。なお、本実施の形態１においては、燃料電池システム１００が燃料ガス供給器１０８と酸化剤ガス供給器１０９を備える構成を例示するが、燃料電池システム１００はこれらを必ずしも備える必要はない。燃料ガス供給器１０８としては、例えば、原料ガスと水から燃料ガス（水素ガス）を生成する水素生成装置を用いてもよく、また、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金等を用いてもよい。また、酸化剤ガス供給器１０９としては、例えば、ファンやブロワ等のファン類を使用することができる。

燃料ガス供給器１０８には、第１燃料ガス供給路２０１を介して燃料電池スタック１０１の燃料ガス入口１０１Ａが接続されていて、第１燃料ガス供給路２０１の途中には、第１基準セル１０２が設けられている。より詳しくは、第１燃料ガス供給路２０１の第１基準セル１０２よりも上流側の部分（以下、第１燃料ガス供給路２０１の上流側部分という）の上流端には、燃料ガス供給器１０８が接続されていて、その下流端には、第１基準セル１０２の燃料ガス入口１０２Ａが接続されている。また、第１燃料ガス供給路２０１の第１基準セル１０２よりも下流側の部分（以下、第１燃料ガス供給路２０１の下流側部分という）の上流端には、第１基準セル１０２の燃料ガス出口１０２Ｂが接続されていて、その下流端には、燃料電池スタック１０１の燃料ガス入口１０１Ａが接続されている。

また、第１燃料ガス供給路２０１の上流側部分の途中には、第１切替器１０４が設けられている。第１切替器１０４には、第２燃料ガス供給路２０５の上流端が接続されていて、その下流端は、第１燃料ガス供給路２０１の第１基準セル１０２の下流側に接続されている。第２燃料ガス供給路２０５の途中には、第２基準セル１０３が設けられている。より詳しくは、第２燃料ガス供給路２０５の第２基準セル１０３より上流側の部分（以下、第２燃料ガス供給路２０５の上流側部分という）の上流端には、第１切替器１０４が接続されていて、その下流端には、第２基準セル１０３の燃料ガス入口１０３Ａが接続されている。また、第２燃料ガス供給路２０５の第２基準セル１０３より下流側の部分（以下、第２燃料ガス供給路２０５の下流側部分という）の上流端には、第２基準セル１０３の燃料ガス出口１０３Ｂが接続されていて、その下流端には、第１燃料ガス供給路２０１が接続されている。すなわち、本実施の形態１においては、第２燃料ガス供給路２０５は、第１燃料ガス供給路２０１の第１基準セル１０２より上流側で分岐している。

また、第１切替器１０４は、三方弁で構成されていて、燃料電池スタック１０１の発電運転中には、燃料ガスが第２燃料ガス供給路２０５を通流しないように（第２基準セル１０３に燃料ガスが供給されないように）、そのポートを切り替え、燃料電池スタック１０１の被毒判定時には、第１基準セル１０２及び／又は第２基準セル１０３に燃料ガスが供給されるように、そのポートを切り替える。

なお、本実施の形態１においては、第１切替器１０４を三方弁で構成したが、これに限定されず、例えば、第１燃料ガス供給路２０１と第２燃料ガス供給路２０５の上流側部分とに、それぞれ、燃料ガスの通流を許可／遮断する開閉弁を設けて、これらの開閉弁で第１切替器１０４を構成してもよい。また、第２燃料ガス供給路２０５の下流端を、第１燃料ガス供給路２０１の下流側部分で接続したが、これに限定されず、例えば、第１燃料ガス供給路２０１の上流側部分で接続してもよく、また、大気開放してもよく、燃料ガス供給器１０８が水素生成装置である場合には、該水素生成装置の燃焼器に接続してもよい。

また、酸化剤ガス供給器１０９には、第１酸化剤ガス供給路２０２を介して燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス入口１０１Ｃが接続されていて、第１酸化剤ガス供給路２０２の途中には、第１基準セル１０２が設けられている。より詳しくは、第１酸化剤ガス供給路２０２の第１基準セルよりも上流側の部分（以下、第１酸化剤ガス供給路２０２の上流側部分という）の上流端には、酸化剤ガス供給器１０９が接続されていて、その下流端には、第１基準セル１０２の酸化剤ガス入口１０２Ｃが接続されている。また、第１酸化剤ガス供給路２０２の第１基準セル１０２よりも下流側の部分（以下、酸化剤ガス供給路２０１の下流側部分という）の上流端には、第１基準セル１０２の酸化剤ガス出口１０２Ｄが接続されていて、その下流端には、燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス入口１０１Ｃが接続されている。

また、第１酸化剤ガス供給路２０２の上流側部分の途中には、第２切替器１０５が設けられている。第２切替器１０５には、第２酸化剤ガス供給路２０６の上流端が接続されていて、その下流端は、第１酸化剤ガス供給路２０２の第１基準セル１０２の下流側に接続されている。より詳しくは、第２酸化剤ガス供給路２０６の第２基準セル１０３より上流側の部分（以下、第２酸化剤ガス供給路２０６の上流側部分という）の上流端には、第２切替器１０５が接続されていて、その下流端には、第２基準セル１０３の酸化剤ガス入口１０３Ａが接続されている。また、第２酸化剤ガス供給路２０６の第２基準セル１０３より下流側の部分（以下、第２酸化剤ガス供給路２０６の下流側部分という）の上流端には、第２基準セル１０３の酸化剤ガス出口１０３Ｄが接続されていて、その下流端には、第１酸化剤ガス供給路２０２が接続されている。すなわち、本実施の形態１においては、第２酸化剤ガス供給路２０６は、第１酸化剤ガス供給路２０２の第１基準セル１０２より上流側で分岐している。

また、第２切替器１０５は、三方弁で構成されていて、燃料電池スタック１０１の発電運転中には、酸化剤ガスが第２酸化剤ガス供給路２０６を通流しないように（第２基準セル１０３に酸化剤ガスが供給されないように）、そのポートを切り替え、燃料電池スタック１０１の被毒判定時には、第１基準セル１０２及び／又は第２基準セル１０３に酸化剤ガスが供給されるように、そのポートを切り替える。

なお、本実施の形態１においては、第２切替器１０５を三方弁で構成したが、これに限定されず、例えば、第１酸化剤ガス供給路２０２と第２酸化剤ガス供給路２０６上流側部分とに、それぞれ、酸化剤ガスの通流を許可／遮断する開閉弁を設けて、これらの開閉弁で第２切替器１０５を構成してもよい。また、第２酸化剤ガス供給路２０６の下流端を、第１酸化剤ガス供給路２０２の下流側部分で接続したが、これに限定されず、例えば、第１酸化剤ガス供給路２０２の上流側部分で接続してもよく、また、大気開放してもよい。

また、本実施の形態１においては、第１燃料ガス供給路２０１と第１酸化剤ガス供給路２０２が反応ガス供給路を構成し、第２燃料ガス供給路２０５と第２酸化剤ガス供給路２０６が第２反応ガス供給路を構成する。

燃料電池スタック１０１の燃料ガス出口１０１Ｂには、該燃料電池スタック１０１内で未使用の燃料ガスが排出される第１燃料ガス排出路２０３が接続されている。また、燃料電池スタック１０１の酸化剤ガス出口１０１Ｄには、該燃料電池スタック１０１内で未使用の酸化剤ガスが排出される第１酸化剤ガス排出路２０４が接続されている。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから大気中に排出してもよく、燃料ガス供給器１０８が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器に供給されてもよい。

また、第１基準セル１０２には、適宜な配線を介して、第１電気化学測定器１０６が接続されており、第２基準セル１０３には、適宜な配線を介して、第２電気化学測定器１０７が接続されている。第１電気化学測定器１０６は、第１基準セル１０２の電圧値及び／又は電流値を検知し、検知した電圧値及び／又は電流値を制御器１２０に出力するように構成されている。同様に、第２電気化学測定器１０７は、第２基準セル１０３の電圧値及び／又は電流値を検知し、検知した電圧値及び／又は電流値を制御器１２０に出力するように構成されている。なお、第１電気化学測定器１０６及び第２電気化学測定器１０７は、公知のポテンショスタット／ガルバノスタットを使用してもよく、また、電流計及び／又は電圧計を使用してもよい。

ここで、図３を参照しながら、第１電気化学測定器１０６について説明する。

図３は、図１に示す燃料電池システム１００の第１電気化学測定器１０６と第１基準セル１０２との間の電気回路を示す模式図である。なお、図３においては、第１電気化学測定器１０６の原理上の構成を示している。従って、第１電気化学測定器１０６は、実際には種々の形態に構成することができる。第２電気化学測定器１０７も同様である。

図３に示すように、第１電気化学測定器１０６は、電流計１０６Ａと電圧計１０６Ｂを有していて、電流計１０６Ａと電圧計１０６Ｂは、第１基準セル１０２と並列に電気配線３０１で接続されている。また、第１電気化学測定器１０６は、可変抵抗器１０６Ｃを有していて、該可変抵抗器１０６Ｃは、電流計１０６Ａと直列に接続されている。さらに、第１電気化学測定器１０６は、スイッチ１０６Ｄ及びスイッチ１０６Ｅを有していて、スイッチ１０６Ｄを電気的に接続することにより、電流計１０６Ａは、第１基準セル１０２の電流値を検知し、電圧計１０６Ｂは、電流計１０６Ａに電流が流れたときの第１基準セル１０２の電圧値を検知する。また、スイッチＥを電気的に接続することにより、第１基準セル１０２の電圧値を検知する。

また、図１に示すように、制御器１２０は、被毒判定器１２０ａを有している。制御器１２０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ、半導体メモリから構成された内部メモリ、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部（いずれも図示せず）を有している。そして、内部メモリに格納された所定のソフトウェアによって、被毒判定器１２０ａが実現されている。ここで、本発明において、制御器は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１２０は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１００を制御するように構成されていてもよい。

さらに、被毒回復処理器１１２は、例えば、系統電源や二次電池等の電源で構成されていて、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０及び第１基準セル１０２の電位を上げることで、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０のカソード４Ｂ及び第１基準セル１０２のカソード４Ｂの回復処理を行ってもよく、また、例えば、加湿器で構成されていて、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０のカソード４Ｂ及び第１基準セル１０２のカソード４Ｂに供給される酸化剤ガスの加湿量を、燃料電池スタック１０１（燃料電池システム１００）の発電運転時よりも増加することで、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０のカソード４Ｂ及び第１基準セル１０２のカソード４Ｂから排出される水の量を増加させることで、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０のカソード４Ｂ及び第１基準セル１０２のカソード４Ｂの回復処理を行ってもよい。

[燃料電池スタックの構成]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の燃料電池スタック１０１の構成について、図４を参照しながら詳細に説明する。

図４は、図１及び図２に示す燃料電池システム１００における燃料電池スタック１０１の概略構成を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、燃料電池スタック１０１は、例えば、セル積層体７０と、該セル積層体７０の両端に配置された端板７１Ａ、７１Ｂと、セル積層体７０と端板７１Ａ、７１Ｂを燃料電池５０の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板７１Ａとセル積層体７０の間には、絶縁板７２Ａ及び集電板７３Ａが配置されている。同様に、端板７１Ｂとセル積層体７０との間には、絶縁板７２Ｂ及び集電板７３Ｂが配置されている。セル積層体７０は、複数の燃料電池５０を有していて、該複数の燃料電池５０がその厚み方向に積層されて形成されている。

セル積層体７０には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、及び冷却媒体排出マニホールドが設けられている（いずれも図示せず）。また、端板７１Ａ、絶縁板７２Ａ、及び集電板７３Ａには、燃料ガス供給マニホールド等の各マニホールドに対応する（連通する）貫通孔が設けられている。そして、端板７１Ａの燃料ガス供給マニホールド等の各マニホールドに対応する貫通孔には、それぞれ、第１燃料ガス供給路２０１、冷却媒体供給路（図示せず）、第１酸化剤ガス供給路２０２、第１燃料ガス排出路２０３、冷却媒体排出路（図示せず）、及び第１酸化剤ガス排出路２０４が接続されている。これにより、燃料ガス等が燃料電池スタック１０１に供給され、使用されなかった燃料ガス等が燃料電池スタック１０１から排出される。

また、図４に示すように、燃料電池５０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）５と、一対のセパレータ６Ａ、６Ｂと、一対のガスケット７Ａ、７Ｂと、を備えている。

ＭＥＡ５は、一対の電極４Ａ、４Ｂと、一対の電極４Ａ、４Ｂの間に配置された電解質層１と、を有している。本実施の形態１においては、電極４Ａがアノード４Ａを構成し、電極４Ｂがカソード４Ｂを構成している。電解質層１としては、例えば、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（例えば、米国デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（商品名））を用いることができる。

電解質層１は、本実施の形態１においては、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。電解質層１の両面には、その周縁部より内方に位置するように、アノード４Ａ及びカソード４Ｂが、それぞれ配設されている。なお、電解質層１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔、冷却媒体供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、冷却媒体排出マニホールド孔、及び酸化剤ガス排出マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている（図示せず）。

アノード４Ａは、電解質層１の一方の主面上に設けられ、電極触媒（例えば、白金及び白金を含む合金）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるアノード触媒層２Ａと、アノード触媒層２Ａの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。同様に、カソード４Ｂは、電解質層１の他方の主面上に設けられ、電極触媒（例えば、白金及び白金を含む合金）を担持した導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなるカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの主面上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。

なお、アノード触媒層２Ａ及びカソード触媒層２Ｂは、白金及び白金を含む合金からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。また、アノードガス拡散層３Ａ及びカソードガス拡散層３Ｂを構成する材料としては、特に限定されることなく、当該分野で公知のものを使用することができ、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの導電性多孔質基材を用いることができる。また、この導電性多孔質基材には、従来公知の方法で撥水処理を施しても構わない。

また、ＭＥＡ５のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの周囲（正確には、アノードガス拡散層３Ａ（カソードガス拡散層３Ｂ）の外方）には、電解質層１を挟んで一対の環状のガスケット７Ａ、７Ｂが配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが燃料電池５０外にリークされることが抑制され、また、燃料電池５０内でこれらのガスが互いに混合されることが抑制される。なお、ガスケット７Ａ、７Ｂの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔（図示せず）が設けられている。

また、ＭＥＡ５とガスケット７Ａ、７Ｂを挟むように、導電性を有する板状の一対のセパレータ６Ａ、６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数の燃料電池５０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのセパレータ６Ａ、６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。

セパレータ６Ａのアノード４Ａと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。同様に、セパレータ６Ｂのカソード４Ｂと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられており、また、他方の主面には、冷却媒体が通流するための溝状の冷却媒体流路１０が設けられている。なお、セパレータ６Ａ、６Ｂの主面の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている（図示せず）。

これにより、燃料電池５０では、アノード４Ａ及びカソード４Ｂに、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の冷却媒体を冷却媒体流路１０に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。

［第１基準セル及び第２基準セルの構成］
一方、第１基準セル１０２は、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有している。同様に、第２基準セル１０３は、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有している。そして、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３の構成は、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０と同様に構成されている。このため、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３の構成については、その詳細な説明は省略する。

なお、第１基準セル１０２は、第１基準セル１０２の厚み方向から見て、そのアノード及びカソードの電極面積が、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積と同じであってもよく、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積と異なってもよい。同様に、第２基準セル１０３は、第２基準セル１０３の厚み方向から見て、そのアノード及びカソードの電極面積が、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積と同じであってもよく、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積と異なってもよい。第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３のアノード及びカソードの電極面積が、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積と同じであると、第１基準セル１０２（第２基準セル１０３）の被毒程度と、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０の被毒程度と、がほぼ同じにすることができ、第１基準セル１０２（第２基準セル１０３）が被毒されていると判定されると、燃料電池５０も被毒されていると判断することができることから好ましい。また、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３のアノード及びカソードの電極面積が、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積より小さいと、被毒検知の感度を高くすることができる観点から好ましく、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３のアノード及びカソードの電極面積が、燃料電池５０のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの電極面積より大きいと、被毒許容量が増え、耐久性が向上することができる観点から好ましい。

また、本実施の形態１においては、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３をそれぞれ、１のセルを締結して構成したが、これに限定されず、複数のセルを積層してセル積層体を形成して、該セル積層体を締結して構成してもよい。

［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの一般的動作及び被毒判定動作（運転方法）について、図１乃至図５を参照しながら説明する。なお、以下の諸動作は、制御器１２０が燃料電池システム１００を制御することにより遂行される。

まず、実施の形態１に係る燃料電池システムの一般的動作について、図１及び図４を参照しながら説明する。

制御器１２０は、燃料ガスが、第２燃料ガス供給路２０５を通流しないように（第２基準セル１０３に燃料ガスが供給されないように）、第１切替器１０４のポートを切り替えさせる。同様に、酸化剤ガスが、第２酸化剤ガス供給路２０６を通流しないように（第２基準セル１０３に酸化剤ガスが供給されないように）、第２切替器１０５のポートを切り替えさせる。

次に、制御器１２０は、燃料ガス供給器１０８から第１燃料ガス供給路２０１に燃料ガスを供給させ、酸化剤ガス供給器１０９から第１酸化剤ガス供給路２０２に酸化剤ガスを供給させる。第１燃料ガス供給路２０１に供給された燃料ガス及び第１酸化剤ガス供給路２０２に供給された酸化剤ガスは、それぞれ、第１基準セル１０２を通過して（第１基準セル１０２に供給された後に）、燃料電池スタック１０１に供給される。燃料電池スタック１０１では、アノード４Ａに供給された燃料ガスと、カソード４Ｂに供給された酸化剤ガスとが電気化学的に反応して、電気と熱が生成され、図示されない電力調整器により生成された電気が取り出される。そして、燃料電池スタック１０１で使用されなかった燃料ガスは、第１燃料ガス排出路２０３に排出される。同様に、燃料電池スタック１０１で使用されなかった酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス排出路２０４に排出される。また、燃料電池スタック１０１には、冷却水等の冷却媒体が供給され、冷却媒体は各燃料電池５０の冷却媒体流路１０に通流され、発生した熱の回収が行われる。

なお、燃料電池スタック１０１の発電運転中に、第１基準セル１０２からも電力を取り出してもよく、電力を取り出さなくてもよい。また、第１基準セル１０２から電力を取り出す場合、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０から取り出す電力と同程度の電力を取り出してもよい。

ところで、酸化剤ガス供給器１０９から供給される酸化剤ガスが空気である場合、空気中には、硫黄酸化物や二酸化硫黄等の大気汚染物質が含まれているため、空気とともに、これらの硫黄酸化物等の硫黄化合物が酸化剤ガス供給器１０９から第１酸化剤ガス供給路２０２に混入する。

しかしながら、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、第１酸化剤ガス供給路２０２において、燃料電池スタック１０１の上流側に第１基準セル１０２が設けられている。このため、酸化剤ガス供給器１０９から第１酸化剤ガス供給路２０２に混入した硫黄化合物は、第１基準セル１０２のカソード触媒層２Ｂで吸着される。これにより、燃料電池スタック１０１に混入する硫黄化合物が減少し、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０のカソード４Ｂ（正確には、カソード触媒層２Ｂ）の被毒化が抑制され、燃料電池スタック１０１の電池性能の低下を抑制することができる。

そして、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、第１基準セル１０２が被毒されている場合には、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０が被毒されていると判定する。

次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の被毒判定動作について、図２乃至図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、燃料電池スタック１０１の発電停止中に被毒判定動作を行う場合について説明するが、被毒判定動作は、燃料電池スタック１０１の発電運転中に行ってもよい。ここで、燃料電池スタック１０１の発電運転中とは、燃料電池システム１００（正確には、燃料電池システム１００の制御器１２０）に外部から運転起動指令が入力されたときから、外部から燃料電池システム１００（正確には、燃料電池システム１００の制御器１２０）の運転停止指令が入力されるまでの間をいう。また、燃料電池スタック１０１の発電停止中とは、燃料電池システム１００（正確には、燃料電池システム１００の制御器１２０）の運転停止指令が入力されたときから燃料電池システム１００（正確には、燃料電池システム１００の制御器１２０）に外部から運転起動指令が入力されるまでの間をいう。

図５は、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における制御器１２０の記憶部に格納された被毒判定プログラムを概略的に示すフローチャートである。

図５に示すように、まず、燃料電池システム１００外部から燃料電池システム１００の制御器１２０に運転停止指令が入力される（ステップＳ１０１）。すると、制御器１２０は、燃料電池システム１００の各機器に運転停止指令を出力し、本プログラムと同時に、燃料電池システム１００の運転停止処理が行われる。

次に、制御器１２０は、第１切替器１０４及び第２切替器１０５にポートの切り替え指令を出力する（ステップＳ１０２）。これにより、第１切替器１０４及び第２切替器１０５は、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３に酸化剤ガスが供給されるように、そのポートを切り替える。そして、制御器１２０は、第１電気化学測定器１０６に第１基準セル１０２の電流値を検知させ、第２電気化学測定器１０７に第２基準セル１０３の電流値を検知させ、検知した電流値を取得する（ステップＳ１０３）。

次に、制御器１２０は、ステップＳ１０３で取得した第１基準セル１０２の電流値と第２基準セル１０３の電流値とを比較して（ステップＳ１０４）、第１基準セル１０２の電流値の方が第２基準セル１０３の電流値よりも大きい場合には、ステップＳ１０５に進み、第２基準セル１０３の電流値のほうが第１基準セル１０２の電流値よりも大きい場合には、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０５では、制御器１２０（被毒判定器１２０ａ）は、燃料電池５０が被毒されていると判定する。そして、制御器１２０は、被毒回復処理器１１２に、第１基準セル１０２の回復処理指令を出力し（ステップＳ１０６）、及び燃料電池スタック１０１（燃料電池５０）の回復処理指令を出力して（ステップＳ１０７）、本プログラムを終了する。なお、第１基準セル１０２及び燃料電池スタック１０１（燃料電池５０）の被毒回復処理器１１２による回復処理は、例えば、特開２００６−１９２７９号公報や特開２００８−７７９１１号公報等に開示されているような方法で、第１基準セル１０２及び燃料電池スタック１０１（燃料電池５０）のカソード触媒層２Ｂに付着した硫黄化合物を酸化等して除去する。

一方、ステップＳ１０８では、制御器１２０（被毒判定器１２０ａ）は、燃料電池５０は被毒されていないと判定し、本プログラムを終了する。

このように本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）の発電運転中には、第２基準セル１０３に硫黄化合物等の被毒物質が混入しないように、第１切替器１０４及び第２切替器１０５を制御することで、第２基準セル１０３に対して第１基準セル１０２が被毒しているか否かの判定をより正確に行うことができる。また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、第１基準セル１０２が被毒されている場合には、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０が被毒されていると判定することで、燃料電池スタック１０１の被毒回復処理を行うタイミングを適切に判断することができる。さらに、不必要なカソード触媒層２Ｂの回復処理を抑制することにより、カソード触媒層２Ｂ（及びアノード触媒層２Ａ）を構成するカーボンの劣化を抑制することができる。

なお、本実施の形態１においては、第１電気化学測定器１０６は、第１基準セル１０２の電流値を検知し、第２電気化学測定器１０７は、第２基準セル１０３の電流値を検知するように構成したが、これに限定されず、第１電気化学測定器１０６は、第１基準セル１０２の電圧値を検知し、第２電気化学測定器１０７は、第２基準セル１０３の電圧値を検知するように構成してもよく、また、第１電気化学測定器１０６は、第１基準セル１０２の電流値及び電圧値を検知し、第２電気化学測定器１０７は、第２基準セル１０３の電流値及び電圧値を検知するように構成してもよい。さらに、第１電気化学測定器１０６と第２電気化学測定器１０７と、２つの電気化学測定器を用いて、それぞれの電気化学測定器が、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３の電流値を検知するように構成したが、これに限定されず、１つの電気化学測定器を用いて、第１基準セル１０２及び第２基準セル１０３の電流値及び／又は電圧値を検知するように構成してもよい。

また、本実施の形態１においては、第１切替器１０４及び第２切替器１０５が、ポートの切り替えを行った後に、第１電気化学測定器１０６が第１基準セル１０２の電流値を検知し、第２電気化学測定器１０７が第２基準セル１０３の電流値を検知するように構成したが、これに限定されず、第１電気化学測定器１０６が第１基準セル１０２の電流値を検知した後に、第２基準セル１０３のみに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるように、第１切替器１０４及び第２切替器１０５が、ポートの切り替えを行い、その後、第２電気化学測定器１０７が第２基準セル１０３の電流値を検知するように構成してもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、燃料電池スタックに接続された反応ガス流路の上流側に第１基準セルと第２基準セルが並列に配置される形態を例示するものである。

本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、所定の時間経過ごとに、燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）の発電運転中における、反応ガスの供給先を第１基準セル１０２と第２基準セル１０３との間で交互に切り替えるように構成されている点が異なる。

具体的には、例えば、制御器１２０は、所定の時間経過するまでは、燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）の発電運転中に、第１基準セル１０２に反応ガスが供給され、第２基準セル１０３に反応ガスが供給されないように、第１切替器１０４及び第２切替器１０５を制御する。次に、制御器１２０は、燃料電池システム１００が設置されて、運転開始してから経過した時間の合計時間や燃料電池システム１００の発電運転した合計時間等が、所定の時間経過すると、次回の燃料電池システム１００の運転起動指令が入力されたときには、第２基準セル１０３に反応ガスが供給され、第１基準セル１０２に反応ガスが供給されないように、第１切替器１０４及び第２切替器１０５を制御する。そして、制御器１２０は、第２基準セル１０３に反応ガスが供給され、第１基準セル１０２に反応ガスが供給されないように、第１切替器１０４及び第２切替器１０５を制御してから、さらに所定の時間経過すると、次回の燃料電池システム１００の運転起動指令が入力されたときには、第１基準セル１０２に反応ガスが供給され、第２基準セル１０３に反応ガスが供給されないように、第１切替器１０４及び第２切替器１０５を制御する。

このように構成された、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００（燃料電池スタック１０１）の発電運転中における、反応ガスの供給先を第１基準セル１０２と第２基準セル１０３の間で交互に切り替えることにより、硫黄化合物等によるカソード触媒層２Ｂの劣化以外の劣化を２つの基準セルの間で分散することができ、基準セルの長寿命化を図ることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、燃料電池システムの運転停止時に不活性ガスが供給される形態を例示するものである。

図６及び図７は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図６は、燃料電池スタックの発電運転中の模式図であり、図７は、燃料電池スタックの高分子電解質形燃料電池の被毒判定時の模式図である。

図６及び図７に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１酸化剤ガス供給路２０２の途中に不活性ガス供給器１１０が設けられ、燃料電池スタック１０１(燃料電池システム１００)の運転停止時に、不活性ガス供給器１１０から第１酸化剤ガス供給路２０２を介して燃料電池スタック１０１に不活性ガスが供給される点が異なる。

具体的には、第１酸化剤ガス供給路２０２の第２切替器１０５の上流側に、不活性ガス供給路２０７の下流端が接続され、不活性ガス供給路２０７の上流端には、不活性ガス供給器１１０が接続されている。また、不活性ガス供給路２０７の途中には、不活性ガスの通流を許可／遮断する（不活性ガス供給路２０７から第１酸化剤ガス供給路２０２への不活性ガスの通流を許可／遮断する）開閉弁１１１が設けられている。

なお、不活性ガスとしては、燃料電池スタック１０１の燃料電池５０内で、燃料ガスと反応しないガスであれば、特に限定されないが、例えば、窒素ガス、メタンガス、及び二酸化炭素ガスからなるガス郡から選ばれる１以上のガスであってもよい。また、不活性ガス供給器１１０としては、例えば、不活性ガスが貯えられたタンクと流量調整可能なポンプ、不活性ガスが貯えられたタンクとポンプと流量調整弁等が挙げられる。さらに、本実施の形態３においては、不活性ガス供給路２０７の途中に開閉弁１１１を設けて、不活性ガス供給路２０７から第１酸化剤ガス供給路２０２への不活性ガスの通流を許可／遮断するように構成したが、これに限定されず、不活性ガス供給路２０７から第１酸化剤ガス供給路２０２への不活性ガスの通流を許可／遮断することができれば、例えば、第１酸化剤ガス供給路２０２と不活性ガス供給路２０７の接続点に三方弁を設けてもよい。

［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の被毒判定動作（運転方法）について、図６乃至図８を参照しながら説明する。なお、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の一般的動作は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるため、その説明は省略する。

図８は、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００における制御器１２０の記憶部に格納された被毒判定プログラムを概略的に示すフローチャートである。

図８に示すように、まず、燃料電池システム１００外部から燃料電池システム１００の制御器１２０に運転停止指令が入力される（ステップＳ２０１）。すると、制御器１２０は、燃料電池システム１００の各機器に運転停止指令を出力し、本プログラムと同時に、燃料電池システム１００の運転停止処理が行われる。

次に、制御器１２０は、第１切替器１０４及び第２切替器１０５にポートの切り替え指令を出力し、開閉弁１１１に弁の開放指令を出力し（ステップＳ２０２）、酸化剤ガス供給器１０９の停止指令を出力し、不活性ガス供給器１１０に運転開始指令を出力する（ステップＳ２０３）。これにより、不活性ガス供給器１１０は、不活性ガス供給路２０７に不活性ガスが供給され、不活性ガス供給路２０７に供給された不活性ガスは、第１酸化剤ガス供給路２０２及び第２酸化剤ガス供給路２０６を通流して、第１基準セル１０２、第２基準セル１０３のカソード４Ｂに供給される。また、不活性ガスは、第１酸化剤ガス供給路２０２から燃料電池スタック１０１（正確には、燃料電池５０のカソード４Ｂ）に供給される。

そして、制御器１２０は、第１電気化学測定器１０６に第１基準セル１０２の電圧値を検知させ、第２電気化学測定器１０７に第２基準セル１０３の電圧値を検知させ、検知した電圧値を取得する（ステップＳ２０４）。

次に、制御器１２０は、ステップＳ２０４で取得した第１基準セル１０２の電圧値と第２基準セル１０３の電圧値とを比較して（ステップＳ２０５）、第１基準セル１０２の電圧値の方が第２基準セル１０３の電圧値よりも大きい場合には、ステップＳ２０６に進み、第２基準セル１０３の電圧値のほうが第１基準セル１０２の電圧値よりも大きい場合には、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２０６では、制御器１２０（被毒判定器１２０ａ）は、燃料電池５０が被毒されていると判定する。そして、制御器１２０は、不活性ガス供給器１１０に運転停止指令を出力する（ステップＳ２０７）。これにより、不活性ガス供給器１１０から不活性ガスの供給が停止する。

次に、制御器１２０は、第１基準セル１０２の回復処理指令を出力し（ステップＳ２０８）、燃料電池スタック１０１（燃料電池５０）の回復処理指令を出力して（ステップＳ２０９）、本プログラムを終了する。なお、第１基準セル１０２及び燃料電池スタック１０１（燃料電池５０）の回復処理は、例えば、特開２００６−１９２７９号公報や特開２００８−７７９１１号公報等に開示されているような方法で、第１基準セル１０２及び燃料電池スタック１０１（燃料電池５０）のカソード触媒層２Ｂに付着した硫黄化合物を酸化等して除去する。

一方、ステップＳ２１０では、制御器１２０（被毒判定器１２０ａ）は、燃料電池５０は被毒されていないと判定し、不活性ガス供給器１１０の運転停止指令を出力して（ステップＳ２１１）、本プログラムを終了する。

このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。

本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、発電を行う燃料電池スタックの触媒被毒による劣化を抑制し、適切なタイミングで燃料電池スタックの被毒回復処理を行うことができるため、燃料電池の技術分野で有用である。

１ 電解質層
２Ａ アノード触媒層
２Ｂ カソード触媒層
３Ａ アノードガス拡散層
３Ｂ カソードガス拡散層
４Ａ アノード（電極）
４Ｂ カソード（電極）
５ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極接合体）
６Ａ セパレータ
６Ｂ セパレータ
７Ａ ガスケット
７Ｂ ガスケット
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 冷却媒体流路
５０ 高分子電解質形燃料電池（燃料電池）
７０ セル積層体
７１Ａ 端板
７１Ｂ 端板
７２Ａ 絶縁板
７２Ｂ 絶縁板
７３Ａ 集電板
７３Ｂ 集電板
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池スタック
１０１Ａ 燃料ガス入口
１０１Ｂ 燃料ガス出口
１０１Ｃ 酸化剤ガス入口
１０１Ｄ 酸化剤ガス出口
１０２ 第１基準セル
１０２Ａ 燃料ガス入口
１０２Ｂ 燃料ガス出口
１０２Ｃ 酸化剤ガス入口
１０２Ｄ 酸化剤ガス出口
１０３ 第２基準セル
１０３Ａ 燃料ガス入口
１０３Ｂ 燃料ガス出口
１０３Ｃ 酸化剤ガス入口
１０３Ｄ 酸化剤ガス出口
１０４ 第１切替器
１０５ 第２切替器
１０６ 第１電気化学測定器（第１検知器）
１０６Ａ 電流計
１０６Ｂ 電圧計
１０６Ｃ 可変抵抗器
１０６Ｄ スイッチ
１０６Ｅ スイッチ
１０７ 第２電気化学測定器（第２検知器）
１０８ 燃料ガス供給器
１０９ 酸化剤ガス供給器
１１０ 不活性ガス供給器
１１１ 開閉弁
１１２ 被毒回復処理器
１２０ａ 被毒判定器
１２０ 制御器
２０１ 第１燃料ガス供給路
２０２ 第１酸化剤ガス供給路
２０３ 第１燃料ガス排出路
２０４ 第１酸化剤ガス排出路
２０５ 第２燃料ガス供給路
２０６ 第２酸化剤ガス供給路
２０７ 不活性ガス供給路
３０１ 電気配線

Claims (10)

1. 反応ガスを供給する第１反応ガス供給路と、
   前記反応ガス供給路の途中に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する第１基準セルと、
   前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルよりも上流側で分岐された第２反応ガス供給路と、
   電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有し、前記第２反応ガス供給路から前記反応ガスが供給される第２基準セルと、
   前記第２反応ガス供給路を通流する前記反応ガスを前記第２基準セルに供給し及び遮断する切替器と、
   前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルの下流側に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する高分子電解質形燃料電池を複数有し、前記第１基準セルを通過した反応ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
   前記第１基準セルの電圧値及び／又は電流値を検知する第１検知器と、
   前記第２基準セルの電圧値及び／又は電流値を検知する第２検知器と、
   前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池の被毒を判定する被毒判定器と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記燃料電池スタックの発電運転中には前記第２基準セルへの前記反応ガスの供給を遮断するように前記切替器を制御し、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池の被毒判定時には、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を制御し、
   前記被毒判定器は、前記第１基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第１検知器で検知された前記第１基準セルの電圧値又は電流値が、前記第２基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第２検知器で検知された前記第２基準セルの電圧値又は電流値より小さい場合、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定する、燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記燃料電池スタックの発電停止中に前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１反応ガス供給路は、第１燃料ガス供給路と第１酸化剤ガス供給路を有し、
   前記第２反応ガス供給路は、第２燃料ガス供給路と第２酸化剤ガス供給路を有し、
   前記第１酸化剤ガス供給路の前記切替器の上流側に接続され、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルの前記カソードに不活性ガスを供給する不活性ガス供給路と、
   前記不活性ガス供給路に前記不活性ガスを供給するように構成された不活性ガス供給器と、を備え、
   前記制御器は、前記燃料電池スタックの発電停止中に、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルの前記アノードに燃料ガスが供給され、前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルの前記カソードに不活性ガスが供給されるように前記不活性ガス供給器と前記切替器を制御し、
   前記被毒判定器は、前記第１基準セルに前記燃料ガス及び前記不活性ガスが供給された状態で前記第１検知器で検知された前記第１基準セルの電圧値が、前記第２基準セルに前記燃料ガス及び前記不活性ガスが供給された状態で前記第２検知器で検知された前記第２基準セルの電圧値より小さい場合、前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１検知器は前記第２検知器を兼ねるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１基準セル及び前記第２基準セルのアノード及びカソードの電極面積が、前記高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードの電極面積と同じである、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１基準セル及び前記第２基準セルのアノード及びカソードの電極面積が、前記高分子電解質形燃料電池のアノード及びカソードの電極面積と異なる、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記不活性ガスは、窒素ガス、メタンガス、及び二酸化炭素ガスからなるガス群から選ばれる１以上のガスである、請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、所定時間経過後に、前記燃料電池スタックの発電運転中には前記第１基準セルへの前記反応ガスの供給を遮断し、前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 被毒回復処理器をさらに備え、
   前記制御器は、前記被毒判定器が前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定すると、前記被毒回復処理器を被毒された前記高分子電解質形燃料電池の被毒除去操作を行うように制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 反応ガスを供給する第１反応ガス供給路と、前記第１反応ガス供給路の途中に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する第１基準セルと、前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルよりも上流側で分岐された第２反応ガス供給路と、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有し、前記第２反応ガス供給路から前記反応ガスが供給される第２基準セルと、前記第２反応ガス供給路を通流する前記反応ガスを前記第２基準セルに供給し及び遮断する切替器と、前記第１反応ガス供給路の前記第１基準セルの下流側に設けられ、電解質層と該電解質層を挟むアノード及びカソードを有する高分子電解質形燃料電池を複数有し、前記第１基準セルを通過した反応ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記第１基準セル及び／又は前記第２基準セルに前記反応ガスが供給されるように前記切替器を切り替えるステップ（Ａ）と、
    前記第１基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第１基準セルの電圧値又は電流値を検知するステップ（Ｂ）と、
    前記第２基準セルに前記反応ガスが供給された状態で前記第２基準セルの電圧値又は電流値を検知するステップ（Ｃ）と、
    前記ステップ（Ｂ）で検知された前記第１基準セルの電圧値又は電流値が前記ステップ（Ｃ）で検知された前記第２基準セルの電圧値又は電流値よりも小さい場合には前記燃料電池スタックの前記高分子電解質形燃料電池が被毒されていると判定するステップ（Ｄ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
    
    

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