JP2016035910A - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的に、不純物イオンを除去することができ、所望の発電性能を確実に維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０の運転方法は、燃料電池スタック１４の性能回復制御を開始するか否かを判断する工程を有している。この運転方法は、性能回復制御を開始すると判断された際、含水量調整装置２０により電解質膜・電極構造体２４に水分を供給しながら、密封された空気循環路６４で酸化剤ガスを循環させた状態で、燃料電池スタック１４の発電電圧を０．３Ｖ以下に維持する工程を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。燃料電池は、電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

燃料電池では、良好な発電反応を発揮させるために、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。電極含水量が多いと、電極触媒と多孔質カーボンに水詰まり（フラッディング）が惹起される一方、電極含水量が少ないと、前記固体高分子電解質膜が乾燥されて性能低下が惹起されるからである。

このため、燃料電池内は、一定の湿潤状態に維持されており、前記燃料電池の構成部品から不純物イオンが溶出し易い。特に、電解質膜・電極構造体を構成する高分子イオン交換膜中には、イオン導電性を確保するために多数の硫酸基が配位されている。従って、燃料電池内の水を介して硫酸イオンが溶け出す場合がある。硫酸イオンは、触媒表面に付着すると、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池内の酸化剤極又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している。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、としている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、性能回復処理の実施前に、触媒層の周辺雰囲気の相対湿度が所定の閾値以下となるように調整する調整手段を備えている。調整手段は、燃料電池のカソードに供給する酸化ガス流量を増やすことで、調整を行っている。

特開２００８−２３５０９３号公報 特開２０１３−２３２３６１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、高加湿ガスを供給するために、専用の高加湿ガス供給配管が、空気供給配管とは個別に設けられている。このため、高加湿ガスの供給系を追加しなければならず、システム全体が複雑化するという問題がある。

また、特許文献２では、大量の酸化ガスを供給する必要がある。従って、酸化ガスを送り込むためのエアポンプ等のエネルギ消費が増大し、効率的ではないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、不純物イオンを除去することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能な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。

本発明に係る運転方法が実施される燃料電池システムは、燃料電池、含水量調整装置、燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置を備えている。燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電している。

含水量調整装置は、供給する反応ガスの湿度を調整することにより電解質膜・電極構造体の含水量を調整するとともに、燃料ガス供給装置は、燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスを供給するとともに、カソード電極側の密閉された循環路で前記酸化剤ガスを循環可能にしている。

この運転方法は、燃料電池の性能回復制御を開始するか否かを判断する工程を有している。この運転方法は、性能回復制御を開始すると判断された際、含水量調整装置により電解質膜・電極構造体に水分量を増加させて供給しながら、循環路で酸化剤ガスを循環させた状態で、燃料電池の発電電圧を０．３Ｖ以下に維持する工程を有している。

また、この運転方法では、燃料電池は、０．３Ｖ以下の一定電圧に維持される低電位発電制御と、０．３Ｖを超える一定電圧に維持される高電位発電制御とが、交互に繰り返されることが好ましい。

さらに、この運転方法では、電流を測定する工程を有し、今回の低電位発電制御時に検出された今回電流値が、直前の低電位発電制御時に検出された前回電流値よりも所定値以上高くなったと判断された際、性能回復制御を終了させることが好ましい。

さらにまた、燃料電池は、０．３Ｖ以下の発電電圧を維持する一定負荷電流値に維持される第１負荷電流制御と、０．３Ｖを超える発電電圧を維持する一定負荷電流値に維持される第２負荷電流制御とが、交互に繰り返されることが好ましい。

また、この運転方法では、今回の第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧の積分値が、前回の第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧の積分値の規定値内になったと判断された際、性能回復制御を終了させることが好ましい。

さらに、この運転方法では、今回の第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧を保持する時間が、前回の第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧を保持する時間の規定値内になったと判断された際、性能回復制御を終了させることが好ましい。

さらにまた、この運転方法では、直前の複数回、例えば、３回の第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧の積分値の変化量又は０．３Ｖ以下の電圧を保持する時間の変化量が、規定値内になったと判断された際、性能回復制御を終了させることが好ましい。

また、この運転方法では、第１負荷電流制御と第２負荷電流制御とが、規定の回数だけ繰り返し行われたと判断された際、性能回復制御を終了させることが好ましい。

本発明によれば、密封された循環路で酸化剤ガスを循環させることにより、燃料電池に供給される前記酸化剤ガスは、通常運転のストイキ以下で酸素濃度が希薄な酸素リーン状態に維持されている。このため、燃料電池の発電電圧を０．３Ｖ以下に設定することができ、特に硫酸イオンが触媒表面から離脱され易くなっている。

その際、含水量調整装置は、電解質膜・電極構造体に水分を供給している。従って、触媒表面から離脱した硫酸イオン等の不純物イオンは、水分に含有されて燃料電池から円滑且つ確実に排出されている。これにより、簡単且つ経済的に、不純物イオンを除去することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記運転方法を説明するフローチャートである。 前記運転方法において、電位と時間との関係説明図である。 前記運転方法において、電流密度と時間との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法において、性能回復制御の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る運転方法において、性能回復制御の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る運転方法において、性能回復制御の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る運転方法において、性能回復制御の説明図である。

図１に示すように、本発明に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の電動車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８とを備える。燃料電池システム１０は、さらに電解質膜・電極構造体２４（後述する）の含水量を調整する含水量調整装置２０と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う制御装置（ＥＣＵ）２２とを備える。

燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２４を第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８で挟持して構成される。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。電解質膜・電極構造体２４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０には、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２４との間に、アノード電極３２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３６を設ける。第２セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２４との間に、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３８を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２６と第２セパレータ２８との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４０が設けられる。

燃料電池スタック１４には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４２ｂ、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが形成される。燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂは、燃料ガス流路３６に連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を流通させる。酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４４ｂは、酸化剤ガス流路３８に連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を流通させる。

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（コンプレッサ）４６を備え、前記エアポンプ４６が空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）４８に配設される。エアポンプ４６には、空気が空気供給流路４８に供給されるのを遮断する図示しない封止弁が設けられる。空気供給流路４８には、エアポンプ４６の下流側に位置して加湿器５２が配設されるとともに、前記加湿器５２の空気供給口と空気排出口との間には、バルブ５４を介して該加湿器５２をバイパスするバイパス流路５６が設けられる。加湿器５２は、燃料電池スタック１４から排出される空気（オフガス）中の水分が膜を介して空気供給流路４８に供給され、新たな空気を加湿する。空気供給流路４８は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに連通する。なお、加湿器５２としては、供給する空気を加湿できればよく、構造は特に限定されない。

燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４４ｂには、空気排出流路（酸化剤排ガス排出流路）５８が連通する。空気排出流路５８には、加湿器５２、封止弁６０及び背圧弁６２が、順次、配設される。空気供給流路４８と空気排出流路５８との間には、空気循環路６４が接続される。空気循環路６４の一端は、加湿器５２とエアポンプ４６との間に接続され、前記空気循環路６４の他端は、前記加湿器５２と封止弁６０との間に接続される。空気循環路６４には、酸素循環用の酸素ポンプ６６が配置される。空気排出流路５８には、カソード電極３４で一部の酸素が消費された酸化剤排ガスが、燃料電池スタック１４から排出される。

燃料ガス供給装置１８は、高圧水素を貯留する水素タンク６８を備え、この水素タンク６８は、水素供給流路（燃料ガス供給流路）７０を介して燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通する。水素供給流路７０には、封止弁７２が設けられるとともに、前記水素供給流路７０は、燃料電池スタック１４に水素を供給する。水素供給流路７０の途上には、水素の圧力を調整する図示しない減圧弁が設けられる。

燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４２ｂには、オフガス流路（燃料排ガス排出流路）７４が連通する。オフガス流路７４には、アノード電極３２で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスが、燃料電池スタック１４から導出される。オフガス流路７４には、水素排出手段７６が配設される。水素排出手段７６は、水素を外部に排出するとともに、図示しないが、背圧弁及び逆止弁を備える。

オフガス流路７４には、水素排出手段７６の上流側に位置して水素循環路７８の一端が接続されるとともに、前記水素循環路７８の他端は、水素供給流路７０に接続される。水素循環路７８には、水素循環用の水素ポンプ８０が配設される。

燃料電池システム１０は、蓄電装置、例えば、バッテリ８２を備える。燃料電池スタック１４及びバッテリ８２は、走行用モータ（図示せず）を含む負荷に電力を供給することができる。なお、蓄電装置としては、バッテリ８２の他、キャパシタ等を採用してもよい。

含水量調整装置２０は、例えば、インピーダンス測定装置を備え、電解質膜・電極構造体２４の湿度及び抵抗値を検出し、その検出値に基づいて前記電解質膜・電極構造体２４の含水量が求められる。含水量調整装置２０は、求められた含水量に基づいて、バルブ５４の開度を制御することにより、加湿器５２をバイパスする空気流量を調整する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ４６を介して、空気供給流路４８に酸化剤ガス（以下、空気ともいう）が送られる。この空気は、加湿器５２を通って加湿された後、又は、バルブ５４を介してバイパス流路５６を通って前記加湿器５２をバイパスした後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給される。

一方、燃料ガス供給装置１８では、封止弁７２の開放作用下に、水素タンク６８から水素供給流路７０に燃料ガス（以下、水素ガスともいう）が供給される。この水素ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。

空気は、酸化剤ガス入口連通孔４４ａから第２セパレータ２８の酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体２４のカソード電極３４に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ２６の燃料ガス流路３６に導入される。水素ガスは、燃料ガス流路３６に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極３２に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３４に供給される空気中の酸素と、アノード電極３２に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、図示しない冷却媒体供給装置では、燃料電池スタック１４の冷却媒体流路４０に純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

次いで、カソード電極３４に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂから空気排出流路５８に排出される。空気は、加湿器５２を通って空気供給流路４８から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁６２の設定圧力に調整された後、外部に排出される。

同様に、アノード電極３２に供給されて一部が消費された水素ガスである燃料排ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂからオフガス流路７４に排出される。燃料排ガスは、オフガス流路７４から水素循環路７８に導入され、水素ポンプ８０の作用下に水素供給流路７０に循環される。燃料排ガスは、必要に応じて、水素排出手段７６の作用下に外部に排出（パージ）される。

次いで、本発明の第１の実施形態に係る運転方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

制御装置２２では、燃料電池システム１０の運転時間が、設定運転時間を経過した（燃料電池１２の性能回復制御を開始する）と判断すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。設定運転時間は、所定運転時間毎、例えば、１週間おきに設定されており、性能回復制御は、その最初の運転時の低負荷電流時に行うことが好ましい。また、燃料電池１２の発電性能が、所定の値よりも低下した後、性能回復制御を開始してもよい。

ステップＳ２では、燃料電池１２は、低負荷電流で且つ一定電圧で運転される（図３及び図４中、〜時間Ｔ１参照）。低負荷電流としては、例えば、０．１〜０．３Ａ／ｃｍ²である。そして、ステップＳ３に進み、バッテリ８２の残存電圧が、設定電圧（所定電圧）を超えるか否かが判断される。性能回復制御を実施している間に、電力の要求がなされた際、バッテリ８２から要求電力を出力する必要があるからである。

バッテリ電圧が、設定電圧を超えていると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、加湿調整及び酸素循環（空気循環）処理が開始される（図３及び図４中、時間Ｔ１〜Ｔ２参照）。具体的には、含水量調整装置２０では、バルブ５４の開度を小さくすることにより、加湿器５２をバイパスしてバイパス流路５６に流入する空気の流量を減少させる。このため、加湿器５２に供給されて加湿される空気量が増加し、燃料電池１２内の含水量が増加される。供給される空気の相対湿度は、８０〜１００％が好ましい。

なお、バルブ５４の開度調整に代えて、例えば、ネブライザやインジェクタ等を用いて水分を添加し、燃料電池１２に供給される空気を加湿することも可能である。また、燃料ガス供給装置１８では、燃料ガスの供給が通常運転時と同様に行われている。

一方、酸素循環処理では、エアポンプ４６が低回転（又は停止）されるとともに、封止弁６０が閉塞された状態で、酸素ポンプ６６が駆動される。従って、燃料電池１２には、この燃料電池１２から排出された酸化剤排ガスが空気循環路６４を介して循環供給されている。これにより、空気は、密封された空気循環路６４で循環されるため、通常運転よりも低ストイキの酸素が燃料電池１２に供給されている。

次いで、図３に示すように、燃料電池１２の出力電圧が、一定電圧に維持されて反応ガス量が安定した後（図３中、時間Ｔ２参照）、性能回復制御である電位制御が開始される（ステップＳ５）。この電位制御では、燃料電池１２の発電電圧が、０．３Ｖ以下に維持される。燃料電池１２では、０．３Ｖ以下の低電位Ｖ１（一定電圧）に維持される低電位発電制御と、０．３Ｖを超える高電位Ｖ２（一定電圧）、例えば、０．５〜０．７Ｖに維持される高電位発電制御とが、燃料電池１２からの負荷を調整することにより交互に繰り返される。なお、低電位Ｖ１は、好ましくは、０．２Ｖ〜０．３Ｖの範囲に設定される。

具体的には、高電位Ｖ２、例えば、０．６Ｖの電位を１０秒間だけ一定に保持した後、低電位Ｖ１である０．３Ｖに１０秒間だけ一定に維持する電位サイクル（１回でもよい）が行われる。その際、図４に示すように、電流値が測定される（ステップＳ６）。低電位Ｖ１（０．３Ｖ）が１０秒間保持される際には、該１０秒間の最終の０．１秒における電流値Ｉが測定される低電位Ｖ１（０．３Ｖ）では、電流値Ｉが０．１〜０．３Ａ／ｃｍ²となり、負荷電流が通常運転の最頻度の電流域より低くなっている。

ここで、直前に測定された電流値Ｉ１と今回測定された電流値Ｉ２とが比較される。今回の電流値Ｉ２が、前回の電流値Ｉ１より所定値、例えば、５％以上上昇したか否かが判断される（ステップＳ７）。所定値は、回復させる性能の程度により決定すればよく、５％に限定されるものではない。電流値Ｉ２／電流値Ｉ１＞１．０５であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、性能回復制御が終了される（図３及び図４中、時間Ｔ３参照）。

さらに、ステップＳ８に進んで、高負荷電流を印加するために供給空気量が増加される。具体的には、エアポンプ４６の回転数を増加させるとともに、封止弁６０を開放し、且つ、酸素ポンプ６６を停止させる。このため、燃料電池１２には、酸化剤排ガスが空気循環路６４を介して循環供給されることがなく、新鮮な空気が供給され、酸素ストイキを高くすることができる。そして、高負荷電流が印加されることにより（ステップＳ９）、（図３及び図４中、時間Ｔ４〜時間Ｔ５）、発電電流値が高くなるとともに、生成水が増加し、固体高分子電解質膜３０に含まれる水分量を増やすことが可能になる。

その後、燃料電池システム１０では、通常運転に移行する（ステップＳ１０）。そして、運転停止指令が発せられることにより（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、前記燃料電池システム１０の運転が停止される。

この場合、第１の実施形態では、性能回復制御が開始される際、密封された空気循環路６４で空気（酸化剤ガス）を循環させることにより、燃料電池１２に供給される前記空気は、酸素濃度が希薄な酸素リーン状態に維持されている。このため、燃料電池１２の発電電圧を０．３Ｖ以下（好ましくは、０．２Ｖ〜０．３Ｖの範囲）に設定することができ、特に硫酸イオンが触媒表面から容易に離脱され易くなっている。発電電圧が０．３Ｖを超えると、硫酸イオンが触媒表面に付着して離脱が困難になるからである。

その際、含水量調整装置２０は、電解質膜・電極構造体２４に水分を供給している。従って、触媒表面から離脱した硫酸イオン等の不純物イオンは、水分に含有されて燃料電池１２から円滑に排出される。これにより、簡単且つ経済的に、不純物イオンを除去することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。

さらに、燃料電池１２では、０．３Ｖ以下の低電位Ｖ１に維持される低電位発電制御と、０．３Ｖを超える高電位Ｖ２に維持される高電位発電制御とが、交互に繰り返されている。このため、長時間に亘って連続して低電位に保持されることがなく、温度上昇による触媒等の劣化を防止することができる。

さらにまた、直前に測定された電流値Ｉ１と今回測定された電流値Ｉ２とが、電流値Ｉ２／電流値Ｉ１＞１．０５となったとき、性能回復制御が終了されている。従って、誤差の影響による電流値の上昇か否かが判別可能になり、性能回復を確実に検出することができる。

次いで、本発明の第２の実施形態に係る運転方法について、図５を参照しながら、以下に説明する。なお、第２以降の実施形態では、第１の実施形態と同様に、燃料電池システム１０を用いており、燃料電池１２の性能回復制御を開始するか否かを判断する工程を有する。

第２の実施形態では、性能回復制御として、一定の負荷電流による電圧の可変制御が行われる。なお、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても、同様の制御が行われる。

燃料電池１２は、０．３Ｖ以下の発電電圧を維持する一定負荷電流値Ａ１（０．１〜０．３Ａ／ｃｍ²）に維持される第１負荷電流制御と、０．３Ｖを超える発電電圧Ｖ３を維持し且つ一定負荷電流値Ａ１よりも小さな一定負荷電流値Ａ２（０．１〜０．３Ａ／ｃｍ²）に維持される第２負荷電流制御とが、交互に繰り返される。前回（Ｎ＝１）の性能回復制御時には、０．３Ｖ以下の発電電圧の積分値である面積Ｍ１が算出される。さらに、今回（Ｎ＝２）の性能回復制御時には、同様に０．３Ｖ以下の発電電圧の積分値である面積Ｍ２が算出される。

そして、前回の面積Ｍ１と今回の面積Ｍ２とが比較され、今回の面積Ｍ２が、前回の面積Ｍ１の、例えば、９５％以内、又は、規定値以内であるか否かが判断される。その結果、面積Ｍ２／面積Ｍ１≦０．９５であると判断されると、性能回復制御が終了される。さらに、第１の実施形態と同様に、高負荷電流が印加された後、通常運転に移行する。

このように、第２の実施形態では、一定の負荷電流による電圧の可変制御が行われることにより、性能回復を確実に検出することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第３の実施形態に係る運転方法について、図６を参照しながら、以下に説明する。

燃料電池１２は、０．３Ｖ以下の発電電圧を維持する一定負荷電流値Ａ１に維持される第１負荷電流制御と、０．３Ｖを超える発電電圧Ｖ３を維持する一定負荷電流値Ａ２に維持される第２負荷電流制御とが、交互に繰り返される。１回目（Ｎ＝１）の性能回復制御時には、０．３Ｖ以下の発電電圧を保持する保持時間Ｔａが得られ、２回目（Ｎ＝２）の性能回復制御時には、０．３Ｖ以下の発電電圧を保持する保持時間Ｔｂが得られる。さらに、３回目（Ｎ＝３）の性能回復制御時には、０．３Ｖ以下の発電電圧を保持する保持時間Ｔｃが得られる。

そして、２回目の保持時間Ｔｂが１回目の保持時間Ｔａの、例えば、９５％以内、又は、規定値以内でないと判断されると、３回目の保持時間Ｔｃが、１回目の保持時間Ｔａと比較される。その結果、保持時間Ｔｃ／保持時間Ｔａ≦０．９５であると判断されると、性能回復制御が終了される。さらに、第１及び第２の実施形態と同様に、高負荷電流が印加された後、通常運転に移行する。

このように、第３の実施形態では、一定の負荷電流による電圧の可変制御が行われることにより、性能回復を確実に検出することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第４の実施形態に係る運転方法について、図７を参照しながら、以下に説明する。

燃料電池１２は、０．３Ｖ以下の発電電圧を維持する一定負荷電流値Ａ１に維持される第１負荷電流制御と、０．３Ｖを超える発電電圧Ｖ３を維持する一定負荷電流値Ａ２に維持される第２負荷電流制御とが、交互に繰り返される。性能回復制御は、第２の実施形態で説明した積分値の比較、又は、第３の実施形態で説明した保持時間の比較が繰り返し行われる。

そして、直前の複数回、例えば、３回の規定パラメータ（積分値又は保持時間）の変化量が、例えば、１％以内であるか否かが判断される。変化量が、１％以内であると判断されると、性能回復制御が終了される。さらに、第１〜第３の実施形態と同様に、高負荷電流が印加された後、通常運転に移行する。

このように、第４の実施形態では、一定の負荷電流による電圧の可変制御が行われることにより、性能回復を確実に検出することができる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第５の実施形態に係る運転方法について、図８を参照しながら、以下に説明する。

燃料電池１２は、０．３Ｖ以下の発電電圧を維持する一定負荷電流値Ａ１に維持される第１負荷電流制御と、０．３Ｖを超える発電電圧Ｖ３を維持する一定負荷電流値Ａ２に維持される第２負荷電流制御とが、交互に繰り返される。性能回復制御は、第２の実施形態で説明した積分値の比較、又は、第３の実施形態で説明した保持時間の比較が繰り返し行われる。

そして、性能回復制御が、規定回数、例えば、１０回（Ｎ＝１０）を経過した際に、性能回復制御が終了される。さらに、第１〜第４の実施形態と同様に、高負荷電流が印加された後、通常運転に移行する。

このように、第５の実施形態では、一定の負荷電流による電圧の可変制御が行われることにより、性能回復を確実に検出することができる等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…燃料電池スタック １６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置 ２２…制御装置
２４…電解質膜・電極構造体 ２６、２８…セパレータ
３０…固体高分子電解質膜 ３２…アノード電極
３４…カソード電極 ３６…燃料ガス流路
３８…酸化剤ガス流路 ４６…エアポンプ
４８…空気供給流路 ５２…加湿器
５４…バルブ ５６…バイパス流路
５８…空気排出流路 ６０、７２…封止弁
６２…背圧弁 ６４…空気循環路
６６…酸素ポンプ ６８…水素タンク
７０…水素供給流路 ７４…オフガス流路
７６…水素排出手段 ７８…水素循環路
８０…水素ポンプ ８２…バッテリ

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、前記アノード電極に供給される燃料ガスと前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記電解質膜・電極構造体の含水量を調整する含水量調整装置と、
   前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記酸化剤ガスを供給するとともに、前記カソード電極側の密閉された循環路で前記酸化剤ガスを循環可能な酸化剤ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池の性能回復制御を開始するか否かを判断する工程と、
   前記性能回復制御を開始すると判断された際、前記含水量調整装置により前記電解質膜・電極構造体に水分量を増加させて供給しながら、前記循環路で前記酸化剤ガスを循環させた状態で、前記燃料電池の発電電圧を０．３Ｖ以下に維持する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池は、０．３Ｖ以下の一定電圧に維持される低電位発電制御と、０．３Ｖを超える一定電圧に維持される高電位発電制御とが、交互に繰り返されることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
3. 請求項２記載の運転方法において、電流を測定する工程を有し、
   今回の前記低電位発電制御時に検出された今回電流値が、直前の前記低電位発電制御時に検出された前回電流値よりも所定値以上高くなったと判断された際、前記性能回復制御を終了させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
4. 請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池は、０．３Ｖ以下の発電電圧を維持する一定負荷電流値に維持される第１負荷電流制御と、０．３Ｖを超える発電電圧を維持する一定負荷電流値に維持される第２負荷電流制御とが、交互に繰り返されることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
5. 請求項４記載の運転方法において、今回の前記第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧の積分値が、前回の前記第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧の積分値の規定値内になったと判断された際、前記性能回復制御を終了させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
6. 請求項４記載の運転方法において、今回の前記第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧を保持する時間が、前回の前記第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧を保持する時間の規定値内になったと判断された際、前記性能回復制御を終了させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
7. 請求項４記載の運転方法において、直前の複数回の前記第１負荷電流制御時に検出された０．３Ｖ以下の電圧の積分値の変化量又は０．３Ｖ以下の電圧を保持する時間の変化量が、規定値内になったと判断された際、前記性能回復制御を終了させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. 請求項４記載の運転方法において、前記第１負荷電流制御と前記第２負荷電流制御とが、規定の回数だけ繰り返し行われたと判断された際、前記性能回復制御を終了させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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