JP4689285B2 - 燃料電池システム、制御方法並びに制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスを導入して化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、空気又はガスの流路方向を切替える技術に関するものである。

燃料電池システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池システムは、比較的小型であるにもかかわらず高効率で、環境性に優れており、また発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能であることから、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。

このような燃料電池システムは、長期に渡って発電を行った際に燃料電池内における水分布に偏りが生じたり、燃料ガス又は酸化剤ガスのガス組成分布に偏りが生じたりすることがある。これら分布の偏りによって、燃料電池内の局所的な運転条件に差が生じ、電池反応に不均一が生じる。さらには、局所的な電池特性の経時変化に差が生じ、電池特性の低下が加速されることがある。

上記課題に対応するため、燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを含む空気の流れの方向を可逆的に切り替えるガス切替手段を設け、繰り返しガス又は空気の流れの方向を切り替えることによって、電解質膜の含水率を均一とし、燃料電池内における水分布の偏りを緩和することで電池反応を均一にする制御方法がある（下記特許文献参照）。
特開２００２−１５８０２３ 特開２００３−５９５１５ 特開２００４−１５８３７９

ところが、上記従来の制御方法では、高セル電圧下において繰り返しガスの流れ方向を切替えるため、空気極中の触媒に酸化物被膜が生じ、電池反応に対する触媒の不活性を助長することとなる。これら電池反応の不均一化や触媒の不活性化は、運転条件によっては電池特性の低下を回復することはできなかった。

また、従来の燃料電池システムでは、ガス流量の調整とガスの流れ方向の切替を各々別々の手段で行っており、これを同時に実現するような手段はなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するもので、その目的は、燃料電池内で電池反応が均一に起こるようにし、さらに不活性となった触媒を再度活性化させ、可逆的な電池特性の低下を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる燃料電池システム、制御方法並びに制御プログラムを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池への、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの供給又は排出を切り替えるガス切替手段と前記燃料電池に供給又は排出される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流量を調整するガス流量調整手段とを一体化したガス切替流量調整手段と、前記ガス切替手段と前記ガス流量調整手段とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ガス流量調整手段によりガス流量を調整して前記電池電圧を所定の電圧に低下制御しながら、前記ガス切替手段により燃料ガス又は酸化剤の流れの方向を可逆的に切替える制御を行うことを特徴とする。

以上のような本発明によれば、燃料電池の燃料流路及び空気流路における燃料ガスおよび空気の流れ方向を各々切替えることで、燃料電池内における水分布の偏り、ガス組成分布の偏りを均一とし、電池反応を均一に起こすことができる。特に、燃料ガス及び空気の流れ方向を切替える前段階として、空気流量調整手段によって、燃料電池に供給する空気流量を減少させることで、単セル電圧を一定時間低下させ、発電中に空気極の触媒に生じた酸化物被膜等の不純物を還元し、触媒を再度電池反応に対して活性化することができる。これにより、可逆的な電池特性の劣化を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる。

以上のような本発明によれば、燃料電池内で電池反応が均一に起こるようにし、さらに不活性となった触媒を再度活性化させ、可逆的な電池特性の低下を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる。

以下、本発明に係わる燃料電池システム及びその制御方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

（１）第１の実施形態
まず、図１を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。第１の実施形態における燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０の燃料極１０ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段２０と、燃料電池１０の空気極１０ｂに空気を供給する空気供給手段３０と、燃料電池システム１の運転を制御する制御部５０から構成されている。

燃料電池１０には、固体高分子形燃料電池が用いられる。この固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極及び空気極を接合した膜電極接合体に、その両側に燃料ガス流路及び空気流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有する。また、燃料極及び空気極の一部を構成する触媒層は、触媒を担持した担体と高分子電解質膜との複合体からなる。燃料電池１０は、一般にこのような構造を備えた単セルが多数積層されたスタックを用いてなるものである。

燃料ガス供給手段２０は、燃料ガスである水素を供給する水素供給源２１を端部に備える。この水素供給源２１は、純水素を供給する水素ボンベ、あるいは改質ガスを供給する改質器のいずれであってもよく、特に限定されるものではない。

水素供給源２１から供給される水素は、燃料ガス供給配管２２を通過して、燃料ガス切替手段２３へ送られる。この燃料ガス切替手段２３には、燃料電池１０へ水素を供給する第１の燃料ガス配管２４と第２の燃料ガス配管２５とが接続され、これらへの水素ガス供給を選択的に切替えるように構成されている。また、燃料電池１０から排出され、第１又は第２の燃料ガス配管２４、２５のいずれかから送られてくる水及びオフガスは、排気口に接続された燃料ガス排出配管２６から排出されるように構成されている。

また、第１の燃料ガス配管２４の一端は、燃料電池１０における燃料ガス流路の一方の燃料ガス出入口Ａに接続され、第２の燃料ガス配管２５の一端は燃料電池１０における燃料ガス流路の他方の燃料ガス出入口Ｂに接続されている。

一方、空気供給手段３０は、酸素を含む空気を供給する空気供給源３１を端部に備える。この空気供給手段３０から供給される空気は、空気供給配管３２を介して空気切替手段３３へ供給される。この空気切替手段３３には、燃料電池１０へ酸素を供給する第１の空気配管３４と第２の空気配管３５とが接続され、これらへの空気の供給を選択的に切替えるように構成されている。また、燃料電池１０から排出され、第１又は第２の空気配管３４、３５のいずれかから送られてくる水及びオフガスは、排気口に接続された空気排出配管３６から排出されるように構成されている。

また、第１の空気配管３４の一端は、燃料電池１０における空気流路の一方の空気出入口Ｃに接続され、第２の空気配管３５の一端は燃料電池１０における空気流路の他方の空気出入口Ｄに接続されている。

また、燃料ガス切替手段２３と空気切替手段３３とは、制御部５０によって制御されており、燃料電池１０の燃料ガス流路及び空気流路における、燃料ガス及び空気の流れの方向を各々可逆的に切り替えるように構成されている。例えば、空気切替手段３３は、燃料電池１０の空気流路における空気の流れの方向を空気出入口Ｃから空気出入口Ｄとする場合には、空気供給配管３２から供給される空気を、第１の空気配管３４を通って燃料電池１０の空気流路の空気出入口Ｃに導く。また、空気切替手段３３は、燃料電池１０の空気流路の空気出入口Ｄから排出される空気を、第２の空気配管３５を通って空気排出配管３６に導く。

一方、空気の流れの方向を空気出入口Ｄから空気出入口Ｃとする場合には、空気切替手段３３は、空気供給配管３２から供給される空気を、第２の空気配管３５を通って燃料電池１０の空気流路の空気出入口Ｄに導く。また、空気切替手段３３は、空気流路の空気出入口Ｃから排出される空気を、第１の空気配管３４を通って空気排出配管３６に導く。なお、燃料ガス切替手段２３も、燃料ガス供給及び排出に関してこの空気切替手段３３と同様の機能を備えている。

図２に、このような機能を備えた空気切替手段３３の構成例を示す。空気切替手段３３は、制御部５０で制御された第１の三方弁３７と第２の三方弁３８とを備え、これらによりガスの流れ方向を切り替える。

より具体的には、第１の三方弁３７の一端は空気供給配管３２に接続されるとともに、第１の空気配管３４と第２の空気配管３５とにそれぞれ接続されている。また、第２の三方弁３８は空気排出配管３６に接続されるとともに、第１の空気配管３４と第２の空気配管３５にそれぞれ接続されている。

燃料電池１０の空気流路における空気を空気出入口Ｃから空気出入口Ｄに向かって流す場合には、第１の三方弁３７において空気供給配管３２と第１の空気配管３４を開き、第２の三方弁３８において空気排出配管３６と第２の空気配管３５を開く。燃料電池１０の空気流路における空気を空気出入口Ｄから空気出入口Ｃに向かって流す場合には、第１の三方弁３７において、空気供給配管３２と第２の空気配管３５を開き、第２の三方弁３８において、空気排出配管３６と第１の空気配管３４を開く。なお、燃料ガス切替手段２３も同様の三方弁を備えている。

また、空気供給手段３０と空気切替手段３３との間には、空気供給配管３２に供給される空気の量を、制御部５０制御によって調整する空気流量調整手段３９を備えている。

次に燃料電池システム１の制御方法について説明する。燃料電池１０を発電中に、制御部５０と燃料ガス切替手段２３及び空気切替手段３３によって、ある一定時間ごとに燃料電池１０の燃料極１０a及び空気極１０ｂにおける燃料ガス及び空気のそれぞれの流れ方向を切り替える。その際、燃料ガス及び空気のそれぞれの流れ方向を切り替える前に、制御部５０と空気流量調整手段３９によって、燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を調整し、一定時間単セル電圧を−０．４Ｖ以上０．７Ｖ以下に操作する。

燃料電池１０の燃料極１０a及び空気極１０ｂにおける燃料ガス及び空気のそれぞれの流れ方向を切り替えた後、空気流量調整手段３９によって単セル電圧操作前の空気流量に調整する。その際、空気流量調整手段３９によって、空気流量を単セル電圧操作前の流量よりも一定時間過剰に流れるように調整してもよい。

本実施形態によれば、燃料電池１０の燃料極１０a及び空気極１０ｂにおける燃料ガスおよび空気の流れ方向を各々切り替えることで、燃料電池内における水分布の偏り、ガス組成分布の偏りを均一とし、電池反応を均一に起こすことができる。また、水分布及びガス組成分布の偏りによって利用率が低くなった触媒を、再度高利用率化することができる。

さらに、燃料電池１０に供給する空気流量を減少させることで、単セル電圧を一定時間常用電圧願わくは０．７Ｖよりも低下させ、、発電中に空気極の触媒に生じた酸化物被膜等の不純物を還元し、触媒を再度電池反応に対して活性化することができる。その際、カーボンは電極電位が０．２Ｖよりも高いと腐食反応が起こることが知られており、従って燃料極の電極電位が０．２Ｖよりも高くならないように制御する必要がある。すなわち燃料極の電極電位に対する空気極の電極電位である単セル電圧が−０．４Ｖよりも低くならないように、制御部５０によって制御する必要がある。

上述のように、本実施形態により、可逆的な電池特性の劣化を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることが可能であるが、これを図３に示す。図３は、本発明を５００時間ごとに実施した本実施形態の単セル電圧の経時変化を示す。比較として、燃料ガス及び空気の流れ方向の切替のみを５００時間ごとに行った比較例１と、燃料ガス及び空気の流れ方向の切替を行わなかった比較例２の単セル電圧の経時変化もあわせて示す。

比較例１と比較例２のそれぞれの単セル電圧の差は、燃料ガス及び空気の流れ方向を切り替えることによる、水分布の偏りやガス組成の偏りを緩和することによる影響である。また、本実施形態と比較例１のそれぞれの単セル電圧の差は、単セル電圧を０．７Ｖ以下にすることによって触媒における酸化物被膜を還元し、触媒を再度活性化したことによる影響である。短期の発電でも本実施形態による効果は明らかであり、発電が長期になるに従って、その効果は顕著となった。

なお、本実施形態では制御部５０により空気流量調整手段３９を介して第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させた後に空気の流れ方向を切替える操作を、５００時間ごとに実施したが、本発明はこれに限定するものではない。また、一定時間ごとに行わず、単セル電圧及び電圧が例えば０．７Ｖなど、ある一定電圧を下回ったときにこの操作を実施することとしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池１０の燃料流路及び空気流路における燃料ガスおよび空気の流れ方向を各々切替えることで、燃料電池内における水分布の偏り、ガス組成分布の偏りを均一とし、電池反応を均一に起こすことができる。

特に、燃料ガス及び空気の流れ方向を切替える前段階として、空気流量調整手段３９によって、燃料電池１０に供給する空気流量を減少させることで、単セル電圧を一定時間低下させ、発電中に空気極の触媒に生じた酸化物被膜等の不純物を還元し、触媒を再度電池反応に対して活性化することができる。これにより、可逆的な電池特性の劣化を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる。

（２）第２の実施形態
図４に示すように、第２の実施形態における燃料電池システム４０は、上記第１の実施形態における空気切替手段３３と空気流量調整手段３９とを一体化した空気切替流量調整手段４１を備える点に特徴を有するものである。なお、その他の構成は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

空気切替流量調整手段４１は、図５の外観図（ａ）と断面図（ｂ）及び（ｃ）に示す通り、円筒形で、軸方向に空気供給配管３２と空気排出配管３６とを一体に連結した第３の空気配管４２を備え、さらに第１の空気配管３４が接続された第１のマニホールド４３と第２の空気配管３５が接続された第２のマニホールド４４とを備える。また、第３の空気配管４２をその配管軸方向にスライドさせる切替動力４５を備える。この切替動力４５は、スライド移動させる左右一対のローラ４５ａ、４５ｂによって配管をスライド移動させるものを想定しているが、配管を軸方向に移動させる手段であればこのような構成に限定されず、公知のあらゆるものを代えることができる。

図５（ａ）に示すように、第１のマニホールド４３と第２のマニホールド４４とは、第３の空気配管４２の周囲に円環状に設けられており、周上の一部でそれぞれ第１の空気配管３４と第２の空気配管３５とに接続されている。

一方、燃料電池１０内の空気流路における空気の流れ方向を切り替える際には、切替動力４５によって、第３の空気配管４２をスライドさせることによって行う。具体的には、図５（ｂ）に示すように、燃料電池１０の空気流路における空気を空気出入口Ａから空気出入口Ｂに向かって流す場合には、空気供給配管３２から供給される空気を、第１のマニホールド４３から第１の空気配管３４を通って燃料電池１０の空気出入口Ａに導く。また、燃料電池１０の空気出入口Ｂから排出される空気を、第２の空気配管３５から第２のマニホールド４４を通り、空気排出配管３６に導く。

一方、図５（ｃ）に示すように、燃料電池１０の空気流路における空気の流れ方向を空気出入口Ｂから空気出入口Ａに切り替えるには、切替動力４５によって第３の空気配管４２をスライドさせ、空気供給配管３２から供給した空気を、第２のマニホールド４４から第２の空気配管３５を通り燃料電池１０の空気出入口Ｂに導く。また、燃料電池１０の空気出入口Ａから排出される空気を、第１の空気配管３４から第１のマニホールド４３を通り空気排出配管３６に導く。

その際、切替動力４５によって第３の空気配管４２をスライドさせる度合いを、制御部５０で調整し、空気供給配管３２と第１のマニホールド４３及び第２のマニホールド４４の開度と、空気排出配管３６と第１のマニホールド４３及び第２のマニホールド４４の開度を調整することによって、燃料電池１０に供給される空気流量を調整する。また、燃料電池１０に供給される空気流量を精度良く調整するために、第１のマニホールド４３と第２のマニホールド４４と空気供給配管３２と空気排出配管３６の接触部にスリットを設けてもよい。

以上のような構成からなる本実施形態の燃料電池システム４０においては、燃料電池１０を発電中に、ある一定時間ごとに、制御部５０が空気切替流量調整手段４１を介して第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させ、単セル電圧の低下操作を行う。

より具体的には、切替動力４５によって第３の空気配管４２を図５（ｂ）において矢印で表される方向にスライドさせる。このスライド量に従って、流量制御片４２ａがマニホールド４３との連通部分を徐々に塞ぐようになって、第１の空気配管へ流入する流量を減少させることができるようになる。

また、上記第１の実施形態で示したように、カーボンの腐食防止の観点から、すべての単セル電圧が−０．４Ｖより低くならないように制御する必要があるから、上記の点とあわせ、本実施形態においても、すべての単セル電圧が常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下−０．４Ｖ以上になるように制御部５０によって制御する。

そして、上記のような第３の空気配管４２のスライド量の調整によって、ある一定時間単セル電圧を常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下−０．４Ｖ以上に保持すると、図５（ｃ）に示すように、第３の空気配管４２をさらにスライドさせ、燃料電池１０の燃料ガス流路及び空気流路における、燃料ガス及び空気の流れ方向を各々切り替えるとともに空気切替流量調整手段４１によって、空気流量を単セル電圧の低下操作前の流量に調整する。

なお、このとき空気切替流量調整手段４１によって調整される空気流量を、単セル電圧の低下操作前の流量よりも一定時間過剰に流れるように調整してもよい。

次に、本実施形態においても、第１の実施形態において説明したように、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態の制御部５０により空気切替流量調整手段４１を介して第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させた後に空気の流れ方向を切替える操作を、５００時間ごとに実施した本実施形態の単セル電圧の経時変化を示す。比較として、燃料ガス及び空気の流れ方向の切替のみを５００時間ごとに行った比較例１と、燃料ガス及び空気の流れ方向の切替えを行わなかった比較例２の単セル電圧の経時変化もあわせて示す。

比較例１と比較例２のそれぞれの単セル電圧の差は、燃料ガス及び空気の流れ方向を切り替えることによる、水分布の偏りやガス組成の偏りを緩和することによる影響である。また、本実施形態と比較例１のそれぞれの単セル電圧の差は、単セル電圧を常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下にすることによって触媒における酸化物被膜を還元し、触媒を再度活性化したことによる影響である。この図３によれば、短期の発電でも本実施形態による効果は明らかであり、発電が長期になるに従って、その効果は顕著となった。

本実施形態では制御部５０により空気切替流量調整手段４１を介して第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させた後に空気の流れ方向を切替える操作を、５００時間ごとに実施したが、本発明はこれに限定するものではない。また、例えばこの操作を一定時間ごとに行わず、単セル電圧及び電圧が例えば常用電圧願わくは０．７Ｖなど、ある一定電圧を下回ったときにこの操作を実施するとしても良い。また、あらかじめ指定された単数もしくは複数の単セルの電圧が、常用電圧願わくは０．７Ｖを下回った際に単セル電圧の低下操作を開始するようにしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池１０の燃料流路及び空気流路における燃料ガスおよび空気の流れ方向を各々切替えることで、燃料電池内における水分布の偏り、ガス組成分布の偏りを均一とし、電池反応を均一に起こすことができる。

特に、燃料ガス及び空気の流れ方向を切替える前段階として、空気切替流量調整手段４１によって、燃料電池１０に供給する空気流量を減少させることで、単セル電圧を一定時間低下させ、発電中に空気極の触媒に生じた酸化物被膜等の不純物を還元し、触媒を再度電池反応に対して活性化することができる。これにより、可逆的な電池特性の劣化を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる。

なお、燃料ガス供給に関しては、燃料ガス流量調整機能は必須の構成ではないが、とはいえそのような機能を設けることが除外されるものではない。すなわち、本実施形態では、第１の実施形態における燃料ガス切替手段２３に流量調整手段を付加するとともに、本実施形態における空気切替流量調整手段４１と同様な構成とすることも可能である。そしてこの場合、制御部５０によって、燃料ガス切替流量調整手段２７と空気切替流量調整手段４１のそれぞれの配管やマニホールドの開度を０とすることができる。すなわち、空気供給配管３２と空気排出配管３６から、第１の空気配管３４と第２の空気配管３５の両方を独立させ、燃料電池１０に供給される空気の流量を０に調整することもできる。これにより、例えば、燃料電池１０の発電停止時や保管時に外気が燃料電池１０内部に侵入しないようにすることが可能となる。

（３）第３の実施形態
第３の実施形態における燃料電池システムは、上記第２の実施形態における空気切替流量調整手段に改良を施したものである。なお、その他の構成は第１又は第２の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図６に示す空気切替流量調整手段５１は、空気供給配管３２と空気排出配管３６とを備え、さらに第１の空気配管３４と第２の空気配管３５が一体となった第４の空気配管５２を備える。すなわち、図７に概略的に示すように、空気切替流量調整手段５１は、空気供給配管３２と空気排出配管３６とからなる配管Ａとこの配管Ａよりも小径の第４の空気配管５２とが直交して接続されている。また、第４の空気配管５２の配管Ａとの接合部には円形の空気孔５２ａおよび５２ｂが設けられており、空気供給配管３２から供給される空気はこの空気孔５２ａから第４の空気配管５２の第１又は第２の空気配管のいずれかに流入し、また、第１又は第２の空気配管のいずれかから排出される空気はこの空気孔５２ｂから空気排出配管３６に流れるようになっている。

また、この第４の空気配管５２は、配管Ａに対して軸回転させ、空気の流れ方向を切替える切替動力５３を備えている。なお、この切替動力５３の具体的構成は特に限定されるものでなく、配管を軸回転させるものであれば良い。

燃料電池の空気流路における空気の流れ方向を切り替えるには、切替動力５３を用いて第４の空気配管５２を回転させる。この切替動力５３によって、配管Ａが回転した場合を図８の断面図（図６におけるＡ−Ａ'断面）に示す。すなわち、切替動力５３による配管Ａの回転に伴って、図８（ｂ）に示すように、空気孔５２ａおよび５２ｂの向きが変わり、徐々に空気流入あるいは排出流量が絞られる。そして図８（ｃ）に示す状態に向かって空気孔の向きが完全に切替わり、空気の流れも反対となる。

次に図６を用いて説明すると、燃料電池１０の空気流路における空気の流れの方向を空気出入口Ａから空気出入口Ｂとする場合には（図４参照）、図６（ａ）に示すように、燃料電池１０に供給する空気を空気供給配管３２から第１の空気配管３４を通過させ、燃料電池１０の空気出入口Ａに導く。また、燃料電池１０の空気出入口Ｂから排出された空気を、第２の空気配管３５を通過させ、空気排出配管３６に導く。

一方、燃料電池１０の空気流路における空気の流れの方向を空気出入口Ｂから空気出入口Ａとする場合には、図６（ｂ）に示すように、切替動力５３によって第４の空気配管５２を配管の軸を中心として１８０度回転させ、燃料電池１０に供給する空気を空気供給配管３２から第２の空気配管３５を通過させて、燃料電池１０の空気出入口Ｂに導く。また、燃料電池１０の空気出入口Ａから排出された空気を、第１の空気配管３４を通過させて、空気排出配管３６に導く。

このとき、切替動力５３による第４の空気配管５２の回転度合いを、制御部５０で調整することによって、空気供給配管３２と第１の空気配管３４及び第２の空気配管３５との開度と、空気排出配管３６と第１の空気配管３４及び第２の空気配管３５の開度を調整する。すなわち、第４の空気配管５２を一気に回転させるのではなく、徐々に回転させることによって、空気供給配管３２から第１、第２の空気配管への空気流路を徐々に狭め、燃料電池１０に供給される空気流量を徐々減少させるように調整する。なお、燃料電池１０に供給される空気流量を精度良く調整するために、空気供給配管３２と空気排出配管３６と第１の空気配管３４と第２の空気配管３５の接触部にスリットを設けてもよい。

なお、燃料ガス供給に関しては、燃料ガス流量調整機能は必須の構成ではないが、とはいえそのような機能を設けることが除外されるものではない。すなわち、本実施形態では、第１の実施形態における燃料ガス切替手段２３に流量調整手段を付加するとともに、本実施形態における空気切替流量調整手段５１と同様な構成とすることも可能である。そしてこの場合、制御部５０によって、燃料ガス切替流量調整手段５４と空気切替流量調整手段５１のそれぞれの配管やマニホールドの開度を０とすることができる。すなわち、空気供給配管３２と空気排出配管３６から、第１の空気配管３４と第２の空気配管３５の両方を独立させ、燃料電池１０に供給される空気の流量を０に調整することもできる。これにより、例えば、燃料電池１０の発電停止時や保管時に外気が燃料電池１０内部に侵入しないようにすることが可能となる。

次に燃料電池システムの制御方法について説明する。燃料電池を発電中に、ある一定時間（第１、第２の実施形態と同様、例えば５００時間。）ごとに、空気切替流量調整手段５１によって燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させ、単セル電圧の低下操作を行う。ここで、カーボンは電極電位が０．２Ｖよりも高いと腐食反応が起こることが知られている。従って、燃料極の電極電位が０．２Ｖよりも高くならないように制御する必要がある。すなわち燃料極の電極電位に対する空気極の電極電位である単セル電圧が−０．４Ｖよりも低くならないように、制御部５０によって制御する必要がある。

さらに、すべての単セル電圧が常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下−０．４Ｖ以上になるように制御部５０によって制御する。ある一定時間単セル電圧を常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下−０．４Ｖ以上に保持すると、燃料ガス切替流量調整手段５４及び空気切替流量調整手段５１によって、燃料電池１０の燃料ガス流路及び空気流路における、燃料ガス及び空気の流れ方向を各々切り替え、同時に空気切替流量調整手段５１によって、空気流量を単セル電圧の低下操作前の流量に調整する。その際、空気切替流量調整手段５１によって、空気流量を単セル電圧の低下操作前の流量よりも、一定時間過剰に流れるように調整してもよい。

本実施形態では制御部５０により空気切替流量調整手段５１を介して第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させた後に空気の流れ方向を切替える操作をある一定時間ごとに実施したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、一定時間ごとに行わず、単セル電圧及び電圧が例えば０．７Ｖなど、ある一定電圧を下回ったときにこの操作を実施するとしても良い。また、あらかじめ指定された単数もしくは複数の単セルの電圧が、常用電圧願わくは０．７Ｖを下回った際に単セル電圧の低下操作を開始するようにしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池１０の燃料流路及び空気流路における燃料ガスおよび空気の流れ方向を各々切替えることで、燃料電池内における水分布の偏り、ガス組成分布の偏りを均一とし、電池反応を均一に起こすことができる。

特に、燃料ガス及び空気の流れ方向を切替える前段階として、空気切替流量調整手段５１によって、燃料電池１０に供給する空気流量を減少させることで、単セル電圧を一定時間低下させ、発電中に空気極の触媒に生じた酸化物被膜等の不純物を還元し、触媒を再度電池反応に対して活性化することができる。これにより、可逆的な電池特性の劣化を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる。

（４）第４の実施形態
第４の実施形態における燃料電池システムは、上記第２又は第３の実施形態における空気切替流量調整手段を改良したものである。なお、その他の構成は第１乃至第３の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図９に示す空気切替流量調整手段６１は、球状であって図に示すＸ軸方向に空気供給配管３２と空気排出配管３６とを備え、この軸と垂直のＹ軸方向に第１の空気配管３４と第２の空気配管３５とを備える。

これらの４つの配管は、それぞれ空気切替流量調整手段６１の第４のマニホールド６５に取り付けられている。また、第４のマニホールド６５の内側にはこの第４のマニホールド６５に対してＺ軸を中心に回動可能な第３のマニホールド６４が設けられている。そして、この第３のマニホールド６４は、球体を二分するように第１のマニホールド６２と第２のマニホールド６３とから構成されている。

また、第３のマニホールド６４には、Ｚ軸を中心として、第３のマニホールド６４を回動させる切替動力７２を備え、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、この切替動力７２により第３のマニホールド６４が回転することで、第１のマニホールド６２と第２のマニホールド６３との境界が移動するようになっている。すなわち、第１のマニホールド６２と第２のマニホールド６３とは、この回転によってＸ軸上の配管である空気供給配管３２及び空気排出配管３６と、Ｙ軸上の配管である第１の空気配管３４及び第２の空気配管３５とを各々接続させるように構成されている。なお、この切替動力７２の具体的構成は特に限定されるものでなく、第３のマニホールド６４を軸回転させるものであればその構成は問わない。

燃料電池内の空気流路における空気の流れ方向を切り替えるには、まず切替動力７２を用いて第３のマニホールド６４を回転させる。すなわち、燃料電池１０の空気流路における空気を空気出入口Ａから空気出入口Ｂに流す場合には、燃料電池１０に供給する空気を空気供給配管３２から第１のマニホールド６２を通り、第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気出入口Ａに導く。また、燃料電池１０の空気出入口Ｂから排出された空気を、第２の空気配管３５から第２のマニホールド６３を通り、空気排出配管３６に導く。

また、燃料電池１０の空気流路における空気を空気出入口Ｂから空気出入口Ａに流す場合には、切替動力７２によって第３のマニホールド６４を回転させ、燃料電池１０に供給する空気を、空気供給配管３２から第１のマニホールド６２を通り、第２の空気配管３５から燃料電池１０の空気流路の空気出入口Ｂに導く。また、燃料電池１０の空気流路の空気出入口Ａから排出された空気を、第１の空気配管３４から第２のマニホールド６３を通り、空気排出配管３６に導く。

このとき、切替動力７２による第３のマニホールド６４の回転度合を、制御部５０で調整し、空気供給配管３２と空気排出配管３６、第１の空気配管３４と第２の空気配管３５、第１のマニホールド６２及び第２のマニホールド６３の開度を調整することによって、燃料電池１０に供給される空気流量を調整する。また、燃料電池１０に供給される空気流量を精度良く制御するために、空気供給配管３２と空気排出配管３６と第１の空気配管３４と第２の空気配管３５と第１のマニホールド６２と第２のマニホールド６３の接触部にスリットを設けてもよい。

なお、本実施形態においては、第１の実施形態における燃料ガス切替手段２３について燃料ガス切替流量調整手段５５として構成することも可能であり、そのような場合の基本的な構成は空気切替流量調整手段６１の場合と変わらない。この場合、制御部５０によって、燃料ガス切替流量調整手段５５と空気切替流量調整手段６１のそれぞれの配管やマニホールドの開度を０とすることができる。すなわち、空気供給配管３２と空気排出配管３６から、第１の空気配管３４と第２の空気配管３５の両方を独立させ、燃料電池に供給される空気の流量を０に調整し、外気が燃料電池内に侵入しないようにすることもできる。例えば燃料電池１０の発電停止時や保管時に外気が燃料電池１０内部に侵入しないようにすることができる。また、燃料ガス供給に関しては、燃料ガス流量調整機能は必須の構成ではなく、本機能については設けない構成としてもよい。

次に燃料電池システムの制御方法について説明する。燃料電池を発電中に、ある一定時間（上述の実施形態と同様、例えば５００時間。）ごとに、空気切替流量調整手段６１によって燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させ、単セル電圧の低下操作を行う。ここで、カーボンは電極電位が０．２Ｖよりも高いと腐食反応が起こることが知られている。従って、燃料極の電極電位が０．２Ｖよりも高くならないように制御する必要がある。すなわち燃料極の電極電位に対する空気極の電極電位である単セル電圧が−０．４Ｖよりも低くならないように、制御部５０によって制御する必要がある。

さらにすべての単セル電圧が常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下−０．４Ｖ以上になるように制御部５０によって制御する。ある一定時間単セル電圧を常用電圧以下、願わくは０．７Ｖ以下−０．４Ｖ以上に保持すると、燃料ガス切替流量調整手段２７及び空気切替流量調整手段６１によって、燃料電池１０の燃料ガス流路及び空気流路における、燃料ガス及び空気の流れ方向を各々切り替え、同時に空気切替流量調整手段６１によって、空気流量を単セル電圧の低下操作前の流量に調整する。その際、空気切替流量調整手段６１によって、空気流量を単セル電圧の低下操作前の流量よりも、一定時間過剰に流れるように調整してもよい。

本実施形態では制御部５０により空気切替流量調整手段６１を介して第１の空気配管３４から燃料電池１０の空気極１０ｂに供給される空気流量を減少させた後に空気の流れ方向を切替える操作をある一定時間ごとに実施したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、一定時間ごとに行わず、単セル電圧及び電圧が例えば０．７Ｖなど、ある一定電圧を下回ったときにこの操作を実施するとしても良い。また、あらかじめ指定された単数もしくは複数の単セルの電圧が、常用電圧願わくは０．７Ｖを下回った際に単セル電圧の低下操作を開始するようにしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池１０の燃料流路及び空気流路における燃料ガスおよび空気の流れ方向を各々切替えることで、燃料電池内における水分布の偏り、ガス組成分布の偏りを均一とし、電池反応を均一に起こすことができる。

特に、燃料ガス及び空気の流れ方向を切替える前段階として、空気切替流量調整手段６１によって、燃料電池１０に供給する空気流量を減少させることで、単セル電圧を一定時間低下させ、発電中に空気極の触媒に生じた酸化物被膜等の不純物を還元し、触媒を再度電池反応に対して活性化することができる。これにより、可逆的な電池特性の劣化を回復することで、飛躍的に電池特性を向上させることができる。

（５）他の実施形態
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、次に例示するような他の実施形態も含むものである。例えば、上記実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いた例について説明したが、酸化剤ガスとして酸素を用いてもよい。また、本発明は、固体高分子形燃料電池を備えた燃料電池システムに対して好適であるが、これらの手法は、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池、アルカリ燃料電池を備えた燃料電池システムに対しても同様に適用することができる。

第１の実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図。 第１の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。 第１の実施形態における発電時間と単セル電圧との関係を示す図。 第２の実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図。 第２の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。 第３の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。 第３の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。 第３の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。 第４の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。 第４の実施形態における空気切替手段の一例を示す図。

符号の説明

１，４０…燃料電池システム
１０…燃料電池
１０ａ…燃料極
１０ｂ…空気極
２０…燃料ガス供給手段
２１…水素供給源
２２…燃料ガス供給配管
２３…燃料ガス切替手段
２４…第１の燃料ガス配管
２５…第２の燃料ガス配管
２６…燃料ガス排出配管
２７…燃料ガス切替流量調整手段
３０…空気供給手段
３１…空気供給源
３２…空気供給配管
３２ａ…空気孔
３３…空気切替手段
３４…第１の空気配管
３５…第２の空気配管
３６…空気排出配管
３７，３８…三方弁
３９…空気流量調整手段
４１，５１，６１…空気切替流量調整手段
４２，５２…第３の空気配管
４２ａ…流量制御片
４３，６２…第１のマニホールド
４４，６３…第２のマニホールド
４５…切替動力
４５ａ，４５ｂ…ローラ
５０…制御部
５２ａ，５２ｂ…空気孔
５３…切替動力
５４，５５…燃料ガス切替流量調整手段
６４…第３のマニホールド
６５…第４のマニホールド

Claims (8)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池への、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの供給又は排出を切り替えるガス切替手段と前記燃料電池に供給又は排出される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流量を調整するガス流量調整手段とを一体化したガス切替流量調整手段と、
   前記ガス切替手段と前記ガス流量調整手段とを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ガス流量調整手段によりガス流量を調整して前記電池電圧を所定の電圧に低下制御しながら、前記ガス切替手段により燃料ガス又は酸化剤の流れの方向を可逆的に切替える制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ガス切替流量調整手段は、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給配管と燃料ガス又は酸化剤ガスを排出するガス排出配管とを一体としたガス供給排出配管と、前記燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給する配管に接続される第１のマニホールドと前記燃料電池から排出される燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する配管に接続される第２のマニホールドとを備え、
   前記第１のマニホールドと第２のマニホールドとは、前記ガス供給排出配管におけるガス供給配管とガス排出配管との接合部近傍に軸方向に対して並んで設けられ、
   前記ガス供給排出配管が軸方向に摺動することにより、前記第１のマニホールドと第２のマニホールドとが、前記ガス供給配管又は前記ガス排出配管とに交互に連通するとともに、前記摺動量によってガス流量を調整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. 前記ガス切替流量調整手段は、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給配管と燃料ガス又は酸化剤ガスを排出するガス排出配管とを一体としたガス供給排出配管と、前記燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給する第１のガス配管と前記燃料電池から排出される燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する第２のガス配管とを一体とした第３のガス配管とを備え、
   前記ガス供給排出配管と前記第３のガス配管とは、それぞれ接続部近傍で直交して接続され、
   前記第３のガス配管は、前記ガス供給排出配管に対して回動自在で、周面上に前記ガス供給配管又は前記ガス排出配管から前記第１のガス配管又は前記第２のガス配管へ連通する一組の孔が設けられ、前記一組の孔の間には前記第１と第２のガス配管の境界となる仕切板が設けられ、
   前記第３のガス配管が回動することにより前記一組の孔が前記ガス供給排出配管の前記ガス供給配管側と前記ガス排出配管側とに交互に連通することによりガス流れの方向を変えるとともに、前記回動量によってガス流量を調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス切替流量調整手段は、球状の第４のマニホールドを備え、
   前記第４のマニホールドには、前記ガス供給配管と前記ガス排出配管とが軸上に設けられるとともに、これと直交する軸上に前記燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給する第１のガス配管と前記燃料電池から排出される燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する第２のガス配管とが設けられ、
   前記第４のマニホールドの内側には、この第４のマニホールドより小径の第３のマニホールドが前記第４のマニホールドに対して回動自在に設けられ、
   前記第３のマニホールドは、前記ガス供給配管、前記ガス排出配管、前記第１のガス配管および前記第２のガス配管に相当する位置にこれらの配管と連通する孔が設けられるとともに、垂直に位置する一組の孔を基準として当該第３のマニホールドを２分する仕切板が設けられ、
   前記第３のマニホールドが回動することにより、前記ガス供給配管又は前記ガス排出配管と第１のガス配管又は前記第２のガス配管とがそれぞれ交互に連通するとともに、前記回動量によって連通するガス流量を調整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。
5. 燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池への、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの供給又は排出を切り替えるガス切替手段と前記燃料電池に供給又は排出される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流量を調整するガス流量調整手段とを一体化したガス切替流量調整手段とを備えた燃料電池システムの制御方法において、
   前記ガス切替手段により、前記燃料電池への、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの供給又は排出を切り替えるステップと、
   前記ガス流量調整手段により、前記燃料電池に供給又は排出される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流量を調整するステップと、
   前記ガス切替手段と前記ガス流量調整手段とを制御するステップとを備え、
   前記制御ステップは、前記ガス流量調整ステップによりガス流量を調整して前記電池電圧を所定の電圧に低下制御した後、前記ガス切替ステップにより燃料ガス又は酸化剤の流れの方向を可逆的に切替える制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 前記ガス切替流量調整手段により前記燃料電池の電池電圧を低下制御するために前記燃料電池に対して酸化剤ガスの供給流量を調整する操作と、
   前記操作後に前記ガス切替流量調整手段により前記燃料電池に対してガスの供給／排出を切り替える操作とを含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池への、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの供給又は排出を切り替えるガス切替手段と前記燃料電池に供給又は排出される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流量を調整するガス流量調整手段とを一体化したガス切替流量調整手段とを備えた燃料電池システムの制御プログラムにおいて、
   前記プログラムはコンピュータに、
   前記ガス切替手段により、前記燃料電池への、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの供給又は排出を切り替えさせ、
   前記ガス流量調整手段により、前記燃料電池に供給又は排出される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流量を調整させ、
   前記ガス切替手段と前記ガス流量調整手段とを制御させ、
   さらに、前記ガス流量調整ステップによりガス流量を調整して前記電池電圧を所定の電圧に低下制御させた後、前記ガス切替ステップにより燃料ガス又は酸化剤の流れの方向を可逆的に切替えさせることを特徴とする燃料電池システムの制御プログラム。
8. 前記ガス切替流量調整手段により前記燃料電池の電池電圧を低下制御するために前記燃料電池に対して酸化剤ガスの供給流量を調整させ、
   前記操作後に前記ガス切替流量調整手段により前記燃料電池に対してガスの供給／排出を切り替えさせることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムの制御プログラム。

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