JP5984411B2 - 燃料電池の保管方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んで構成されるセルを複数積層して備える固体高分子形燃料電池を発電停止させた後の保管方法に関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んで構成されるセルを複数積層して備えて構成される。固体高分子形燃料電池を発電運転させるとき、燃料極には燃料ガス（水素）を供給し、酸素極には酸素含有ガス（酸素（空気））を供給する。固体高分子電解質膜は、燃料極で発生した水素イオンを酸素極まで移動させる役割を担っている。特に、固体高分子形燃料電池で用いられる固体高分子電解質膜は、適度に湿潤した状態では良好な水素イオン伝導性を発揮するが、湿潤状態が低下すると良好な水素イオン伝導性を発揮できない。そのため、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが、固体高分子形燃料電池の性能を発揮させる上で重要となる。尚、固体高分子形燃料電池の発電運転中は、酸素極側で生成される水が固体高分子電解質膜に拡散されるため、固体高分子電解質膜の湿潤状態が低下することは抑制されている。

このような固体高分子形燃料電池を発電運転した後で停止させる場合、セルを外部から隔離して封止する保管方法が一般的に実施される。従って、発電運転を停止した直後又は停止してから所定期間内であれば、固体高分子電解質膜はある程度の湿潤状態を保っているため、再び発電運転を開始したとしても、固体高分子電解質膜はある程度の水素イオン伝導性を発揮すると考えられる。

しかし、発電運転の停止後、保管する期間が長期化すると、セル内の水が蒸発し、徐々に固体高分子電解質膜の湿潤状態が低下するという問題がある。例えば、保管する期間が長期化する例としては、顧客の住戸や施設に固体高分子形燃料電池を設置して試運転を行った後で停止させ、顧客に固体高分子形燃料電池を引き渡した後、顧客の都合（例えば、住戸や施設に未だ入居しない等の都合）によって長期間にわたって運転されないような場合、顧客が長期間にわたって不在になる場合などがある。他にも、建売住宅等に固体高分子形燃料電池を設置及び試運転した上で住宅販売業者等に引き渡した場合であれば、少なくともその建売住宅が売れるまでは固体高分子形燃料電池は停止され、その停止期間が長期化することも想定される。

特許文献１には、発電休止中においても高分子電解質膜の湿潤状態を維持し、長期間の休止後でも優れた発電特性を維持できる燃料電池を提供することが記載されている。具体的には、特許文献１に記載された燃料電池は、内部に固体高分子電解質膜を湿潤可能な液体を収容し、且つ、その液体を固体高分子電解質膜に供給するリザーバーを備える。そして、発電運転の休止中においても、固体高分子電解質膜はリザーバーに収容された液体と常に接触しているため、液体は接触部分から固体高分子電解質膜へと浸透していき、高分子電解質全体に行き渡る。これにより、固体高分子電解質膜は常に湿潤状態を維持することができるようになっている。

特開２０１１−１４２５６号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、固体高分子電解質膜とリザーバーに収容された液体とが常に接触するように、セルスタックにリザーバータンクを併設する構成を採用しているため、燃料電池が大型化するという問題がある。
また、特許文献１に記載の方法では、積層される全てのセルの固体高分子電解質膜をリザーバーに接触させるように組立てなければならないため、精度の高い組立て技術が必要となり、生産コストのアップにつながるという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電停止させて保管した後に固体高分子形燃料電池の発電運転を行うとき、固体高分子電解質膜の湿潤状態が良好であることを確保しておくことができる燃料電池の保管方法を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池の保管方法の特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んで構成されるセルを複数積層して備える固体高分子形燃料電池を発電停止させた後の保管方法であって、前記固体高分子形燃料電池が保管開始から発電停止状態で保管されている保管継続期間を計測する保管期間計測工程と、前記保管期間計測工程で計測される前記保管継続期間の長さが設定期間に到達したか否かを判定する判定工程と、前記判定工程で前記保管継続期間の長さが前記設定期間に到達したと判定したとき、前記固体高分子電解質膜に水を供給する給水工程と、前記給水工程の終了後に再び前記固体高分子形燃料電池の発電停止状態での保管を開始する保管再開工程とを有し、前記給水工程において、
燃料ガス供給路を介した前記燃料極への水の供給と燃料極排ガス路を介した前記燃料極からの水の排出、
燃料極排ガス路を介した前記燃料極への水の供給と燃料ガス供給路を介した前記燃料極からの水の排出、
酸素含有ガス供給路を介した前記酸素極への水の供給と酸素極排ガス路を介した前記酸素極からの水の排出、及び、
酸素極排ガス路を介した前記酸素極への水の供給と酸素含有ガス供給路を介した前記酸素極からの水の排出、
以上のうち少なくとも何れか一つを行うことで、前記固体高分子電解質膜への水の供給を行う点にある。

上記特徴構成によれば、固体高分子形燃料電池を発電停止状態で保管している間の所定タイミングで上記給水工程を行うことで、固体高分子電解質膜の湿潤状態を高めることができる。また、給水工程を行うタイミングは、保管期間計測工程で計測される保管継続期間の長さが設定期間に到達したか否かを判定される。つまり、保管継続期間が長くなって固体高分子電解質膜の湿潤状態が所定レベル未満に低下したタイミングで、上記給水工程を行って固体高分子電解質膜の湿潤状態を高めることができる。従って、固体高分子形燃料電池が発電停止状態で保管されている保管継続期間の間のどのタイミングで固体高分子形燃料電池の発電運転が再開されたとしても、その時点での固体高分子電解質膜の湿潤状態が所定レベル以上であることを確保できる。
従って、発電停止させて保管した後に固体高分子形燃料電池の発電運転を行うとき、固体高分子電解質膜の湿潤状態が良好であることを確保しておくことができる燃料電池の保管方法を提供できる。

さらに上記特徴構成によれば、給水工程において、
燃料ガス供給路を介した燃料極への水の供給と燃料極排ガス路を介した燃料極からの水の排出、
燃料極排ガス路を介した燃料極への水の供給と燃料ガス供給路を介した燃料極からの水の排出、
酸素含有ガス供給路を介した酸素極への水の供給と酸素極排ガス路を介した酸素極からの水の排出、及び、
酸素極排ガス路を介した酸素極への水の供給と酸素含有ガス供給路を介した酸素極からの水の排出、
以上のうち少なくとも何れか一つを行うので、固体高分子電解質膜へ水を供給するための特別な流路を設置する必要がなくなる。その結果、燃料電池の大型化を抑制できる。
加えて、給水工程において燃料極及び酸素極に水を供給した場合、固体高分子電解質膜を加湿できるという効果の他に、燃料極及び酸素極を洗浄できるという効果も得られる。例えば、固体高分子形燃料電池を発電運転した後で停止して保管している間、発電運転中に燃料極及び酸素極のガス拡散層及び触媒層に供給されていた燃料ガス及び酸素含有ガスに含まれていた物質がガス拡散層及び触媒層の表面に滞留又は析出する可能性ある。また、空気中に浮遊していた微生物などがガス拡散層及び触媒層の表面で繁殖する可能性もある。ところが本特徴構成のような給水工程を行えば、ガス拡散層及び触媒層などに滞留又は析出していた物質や生存・繁殖していた微生物を洗い流すことも期待できる。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記給水工程において、前記燃料極への水の供給を行うとき、前記固体高分子形燃料電池を発電運転するときの前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流通方向とは逆方向に水を流し、前記酸素極への水の供給を行うとき、前記固体高分子形燃料電池を発電運転するときの前記酸素含有ガス供給路での酸素含有ガスの流通方向とは逆方向に水を流す点にある。

セルの内部の燃料極及び酸素極の両方とも、発電運転中に燃料ガス及び酸素含有ガスが燃料極及び酸素極に最初に流入してくる上流側部位に異物が滞留又は析出しやすい状況にある。従って、燃料極及び酸素極への水の供給を行うとき、固体高分子形燃料電池を発電運転するときの燃料ガス供給路での燃料ガスの流通方向及び酸素含有ガス供給路での酸素含有ガスの流通方法と同じ方向に水を流すと、洗い流された異物が、その上流側部位から下流側部位へ向かってセル全体に拡散してしまう可能性がある。
ところが本特徴構成によれば、給水工程において燃料極及び酸素極の内部を流れる水は、その異物が滞留又は析出しやすい部位を下流側にして流れるため、洗い流された異物がセル全体に拡散してしまうことはない。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記給水工程において、前記燃料極及び前記酸素極への水の供給を同時に行うとき、前記燃料極へ与えられる水圧と前記酸素極へ与えられる水圧との圧力差を設定圧力差以内に調整する点にある。

上記特徴構成によれば、燃料極及び酸素極への水の供給を同時に行うと、燃料極及び酸素極に挟まれている固体高分子電解質膜には燃料極側及び酸素極側の両側から水圧が加わることになるが、燃料極へ与えられる水圧と酸素極へ与えられる水圧との圧力差を設定圧力差以内に調整しておけば、燃料極と酸素極との中間部分に存在する固体高分子電解質膜でその両側からの水圧がほぼ釣り合うため、固体高分子電解質膜が水圧により変形するなどの問題も発生しない。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記給水工程において、前記固体高分子形燃料電池の発電運転時に前記セルの冷却水として利用するために用意されている水を前記固体高分子電解質膜に供給する点にある。

上記特徴構成によれば、固体高分子電解質膜に供給する水を特別に用意しなくてもよくなる。その結果、燃料電池の大型化を抑制できる。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記固体高分子形燃料電池は、前記固体高分子形燃料電池から排出される熱を回収して蓄熱すると共に所定温度に昇温して熱利用装置に供給できる排熱回収装置を有し、
前記排熱回収装置は、前記固体高分子形燃料電池から熱を与えられた湯水を蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンクに蓄えられた湯水を昇温する補助熱源機とを有し、
前記給水工程において、前記貯湯タンクに蓄えられた温水、または前記補助熱源機で昇温された温水を前記固体高分子電解質膜に供給する点にある。

上記特徴構成によれば、固体高分子電解質膜に供給する水を特別に用意しなくてもよくなる。その結果、燃料電池の大型化を抑制できる。更に、温度の高い温水が燃料極及び酸素極に供給されるので、微生物などがガス拡散層及び触媒層の表面で生存しているとしてもそれらを死滅させる効果が期待できる。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記給水工程において、水に含まれているイオン性物質の濃度を低減させる処理を施した水を前記固体高分子電解質膜に供給する点にある。

上記特徴構成によれば、固体高分子電解質膜に対してイオン性物質の濃度が低い水を供給できる。従って、固体高分子電解質膜がイオン性物質によって汚染されることを防止できる。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記給水工程において、水に含まれている有機物の濃度を低減させる処理を施した水を前記固体高分子電解質膜に供給する点にある。

上記特徴構成によれば、固体高分子電解質膜に対して有機物の濃度が低い水を供給できる。従って、固体高分子電解質膜が有機物によって汚染されることを防止できる。

本発明に係る燃料電池の保管方法の更に別の特徴構成は、前記給水工程において、前記燃料極及び前記酸素極の少なくとも何れか一方に供給する水を、超音波振動発生手段によって振動させる点にある。

上記特徴構成によれば、給水工程において、超音波振動発生手段を動作させれば、燃料極及び酸素極の少なくとも何れか一方に供給する水を振動させることができる。つまり、この超音波振動によって水分子を揺り動かしながら燃料極及び酸素極の少なくとも何れか一方に水を供給することで、燃料極及び酸素極の少なくとも何れか一方を洗浄する効果を高めることができる。

燃料電池システムの構成を説明する図である。 燃料電池の保管方法を示すフローチャートである。 給水工程を行うための給水機構を説明する図である。 燃料電池の保管方法を実施した場合の効果を説明する図である。 別の燃料電池システムの構成を説明する図である。 燃料電池の別実施形態を説明する図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明に係る燃料電池の保管方法が実施される燃料電池システムの構成について説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を説明する図である。燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池ＦＣ（以下、単に「燃料電池ＦＣ」と記載する）を備える。燃料電池ＦＣは固体高分子電解質膜４を燃料極３及び酸素極５で挟んで構成されるセルＣを複数積層して備える。尚、図１中では簡略化のため単一のセルＣのみを記載している。また、燃料電池ＦＣは、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池ＦＣを冷却する冷却部６を備える。本実施形態では水冷式の冷却部６を設けている。具体的には、この冷却部６には後述する回収水循環路１９を循環する水（以下、「回収水」と記載する）が供給されて、燃料電池ＦＣの冷却が行われる。冷却部６を通過することで温度が上昇した回収水は、回収水循環路１９の途中に設けられた熱交換器８に流入する。詳細は後述するが、この熱交換器８において、回収水は、排熱回収路２５を流れる湯水と熱交換して燃料電池ＦＣから回収した排熱をその湯水に渡す。湯水は、貯湯タンク７に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。

改質器１には、炭化水素を含む原燃料（例えば、メタンを含む都市ガスなど）が供給され、及び、回収水循環路１９から分岐した改質用水供給路２０を介して水が供給される。改質器１は、併設される燃焼器２から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器１での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、燃料ガス供給路１４を介して燃料極３に供給される。

燃料極３では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極３から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼器２での燃焼用ガスとして、燃料極排ガスを利用している。具体的には、燃料極３から燃焼器２へ、燃料極排ガス路１５を介して燃料極排ガスを供給する。燃焼器２で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス路１６を介して外部に排出される。

燃料極排ガス及び燃焼排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃料極排ガス路１５及び燃焼排ガス路１６の途中に水回収器２１、２２を設けている。水回収器２１、２２は、例えば、凝縮器とドレントラップとを組み合わせて構成される。つまり、燃料極排ガス及び燃焼排ガスに含まれる水分が凝縮器によって凝縮され、その凝縮水がドレントラップによって取り出される。ドレントラップによって取り出された水は水回収タンク１０へと回収され、回収水循環路１９を循環する水として再利用される。

このように、回収水循環路１９を流れる回収水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、本実施形態の燃料電池システムは、回収水循環路１９を流れる回収水が、回収水循環路１９の途中に設けられる水処理装置９によって処理されるように構成してある。本実施形態において、水処理装置９は、回収水中に存在している有機物などを吸着可能な吸着材９ａと、回収水中に溶存しているイオンを除去可能なイオン交換樹脂９ｂとを含む。水処理装置９は、これら吸着材９ａ及びイオン交換樹脂９ｂの一方のみで構成されてもよく、或いは、これら以外の手段を備えてもよい。例えば逆浸透膜などを併用してもよい。

イオン交換樹脂９ｂは、回収水に溶存している電解質のイオン（例えば、イオン化して溶存している塩類やアンモニアなど）を例えばＨ⁺、ＯＨ^-と交換することで、回収水に含まれる電解質の濃度を相対的に低くさせる（即ち、電気伝導度を低くさせる）機能を果たす。例えば、水処理装置９よりも下流側の回収水循環路１９を流れる回収水の電気伝導度は、１μＳ／ｃｍ〜１０μＳ／ｃｍ程度であることが好ましい。

吸着材９ａは例えば活性炭等を備えて構成され、回収水に含まれる有機物（例えば、シロキサン、無極性又は極性有機分子、微生物や微生物の分泌物、油分等）などの被吸着物を吸着するという機能を発揮する。例えば、水処理装置９よりも下流側の回収水循環路１９を流れる回収水の油分濃度は、０．０１ｗｔｐｐｍ〜１ｗｔｐｐｍ程度であることが好ましい。

上述した熱交換器８において回収水から回収した排熱（即ち、燃料電池ＦＣから回収した排熱）は、排熱回収路２５を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク７に貯えられる。本実施形態において、燃料電池ＦＣの排熱を回収する排熱回収装置１２は、貯湯タンク７と補助熱源機１１とを備える。具体的には、排熱回収装置１２は、貯湯タンク７に貯えている湯水が貯湯タンク７と熱交換器８との間で循環する排熱回収路２５を有する。排熱回収路２５における湯水の流速はポンプＰ２によって調整される。また、排熱回収装置１２は、貯湯タンク７に蓄えている湯水が補助熱源機１１を経由して熱利用装置１３に供給される湯水循環路２６を有する。湯水循環路２６における湯水の流速はポンプＰ３によって調整される。熱利用装置１３が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱利用装置１３で熱が利用された後の湯水は湯水循環路２６を通って貯湯タンク７に帰還する。或いは、熱利用装置１３が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク７には湯水は帰還しない。補助熱源機１１は、熱利用装置１３で要求される湯水を所定温度に昇温した上で熱利用装置１３に供給する際に使用される。

〔燃料電池の発電運転〕
燃料電池ＦＣが発電運転を行っている間、運転制御装置２７は、燃料ガス供給路１４の途中に設けている三方弁Ｖ６を、改質器１側から燃料極３側に通流させる方向に開弁して改質器１から燃料ガスを燃料極３に供給し、及び、酸素含有ガス供給路１７の途中に設けている三方弁Ｖ７を、空気供給源側から酸素極５側に通流させる方向に開弁して空気を酸素極５に供給する。その結果、セルＣでは発電反応が行われ、電気負荷（図示せず）やインバータ（図示せず）などに対して電力が出力される。
運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣの発電運転を行っている間、燃料極排ガス路１５の途中に設けている三方弁Ｖ５を、燃料極３側から燃焼器２側に通流させる方向に開弁して燃料極排ガスを燃焼器２に供給する。その結果、燃焼器２では、燃料極排ガスに残存している水素が燃焼される。
また、運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣの発電運転を行っている間、酸素極排ガス路１８の途中に設けている三方弁Ｖ４を、酸素極５側から排出側に通流させる方向に開弁して酸素極排ガスを外部に排出させる。
尚、運転制御装置２７は、改質器１で燃料ガスを生成するとき、改質器１に原燃料を供給し、且つ、回収水循環路１９に設けているポンプＰ１を動作させると共に回収水循環路１９から分岐した改質用水供給路２０に設けている弁Ｖ２を開弁して改質器１に改質用水を供給する。改質器１には上述したように燃焼器２で発生される燃焼熱が与えられて、水蒸気改質反応が促進される。

〔燃料電池の発電運転の停止〕
運転制御装置２７は、電気負荷やインバータなどと燃料電池ＦＣのセルＣとの電気的な接続を解除して、燃料電池ＦＣでの発電により得られた電力の出力を停止する。例えば、運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣでの発電により得られた電力の出力を停止する前に、改質器１で生成される燃料ガスの量を減少させることで燃料電池ＦＣへの燃料ガスの供給量を減少させ、及び、燃料電池ＦＣへの空気の供給量を減少させる。その後、運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス及び空気の供給を停止させると共に、電気負荷やインバータなどと燃料電池ＦＣのセルＣとの電気的な接続を解除して、燃料電池ＦＣでの発電により得られた電力の出力を停止する。このようにして、運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣを発電停止状態に移行させる。
加えて、運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣを発電停止状態に移行させる工程中に、燃料極３の上流側及び下流側、並びに、酸素極５の上流側及び下流側を閉止して、燃料電池ＦＣのセルＣを外部から隔離する処理を行なう。例えば、運転制御装置２７は、三方弁Ｖ６を用いて燃料極３の上流側を閉止し、三方弁Ｖ５を用いて燃料極３の下流側を閉止し、三方弁Ｖ７を用いて酸素極５の上流側を閉止し、三方弁Ｖ４を用いて酸素極５の下流側を閉止することで、燃料電池ＦＣのセルＣを外部から隔離することができる。尚、この隔離処理を行なうと共に、燃料電池ＦＣのセルＣを不活性ガス、原燃料ガス、水などで封止してもよい。

〔燃料電池の発電運転停止後の保管〕
燃料電池ＦＣは、発電運転停止後、その発電停止状態のままで上述したようにセルＣを外部から隔離した状態で保管される。尚、完全な隔離状態を長期間維持し続けることは困難である。従って、燃料電池ＦＣを保管している間にセルＣの内部の水分が外部に抜け出すこともある。その場合、発電運転の停止時点でセルＣの固体高分子電解質膜４が湿潤していたとしても、その後、セルＣの固体高分子電解質膜４から水分が抜け出してその湿潤状態が低下する可能性がある。

尚、固体高分子電解質膜４の湿潤状態が低下した状態で燃料電池ＦＣの運転が再び開始された場合、固体高分子電解質膜４のイオン伝導性が低いため、出力される電圧が低下するという問題が生じる。
そこで、本発明に係る燃料電池ＦＣの保管方法では、燃料電池ＦＣを発電停止させた後の保管中、適切なタイミングで固体高分子電解質膜４に水を給水することで、固体高分子電解質膜４の湿潤状態を高める処理を行なう。
図２は、本発明に係る燃料電池ＦＣの保管方法を示すフローチャートである。本実施形態では、運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣを発電停止させた後、この保管処理制御を開始する。例えば、この保管処理制御の開始タイミングは、燃料電池ＦＣでの発電により得られた電力の出力が停止され、且つ、燃料電池ＦＣのセルＣが外部から隔離されたタイミングである。

工程＃１において運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣの保管開始から発電停止状態で保管されている保管継続期間を計測する保管期間計測工程を行う。本実施形態では、保管継続期間は、燃料電池ＦＣでの発電により得られた電力の出力が停止され、且つ、燃料電池ＦＣのセルＣが外部から隔離されたタイミングから開始される。この保管継続期間が長くなるほど、上述したようにセルＣの固体高分子電解質膜４から水分が抜け出してその湿潤状態が低下している可能性が高くなる。

次に、運転制御装置２７は、上記保管期間計測工程で計測される保管継続期間の長さが設定期間に到達したか否かを判定する判定工程を行い（工程＃２）、その判定工程で保管継続期間の長さが設定期間に到達したと判定したとき、固体高分子電解質膜４に水を供給する給水工程を行う（工程＃３）。これら判定工程及び給水工程は、保管継続期間が長くなれば固体高分子電解質膜４の湿潤状態が低下することを考慮して、即ち、保管継続期間が設定期間に到達して以後に燃料電池ＦＣの運転が再び開始された場合、固体高分子電解質膜４のイオン伝導性が低いため出力される電圧が低下するという課題に鑑みて行われる。従って、判定工程において判定基準とされる「設定期間」は、保管継続期間中にセルＣの固体高分子電解質膜４から水分が抜け出して固体高分子電解質膜４の湿潤状態が低下しても、固体高分子電解質膜４のイオン伝導性が燃料電池ＦＣの出力電圧の大きな減衰が生じない程度以上には保たれる期間に対応する。この「設定期間」は燃料電池ＦＣ毎に適宜設定可能であり、更に、気温が高く乾燥が促進されるような場合には設定期間を短くするなど、気候等の環境に応じて適宜変更してもよい。

図３は、給水工程を行うための給水機構を説明する図である。本実施形態では、給水工程において、燃料電池ＦＣの発電運転時にセルＣの冷却水として利用するために用意されている水を固体高分子電解質膜４に供給する給水機構を採用している。具体的には、給水工程において、運転制御装置２７は、回収水循環路１９に設けているポンプＰ１を動作させ、弁Ｖ１を開弁し且つ弁Ｖ２を閉弁すると共に、冷却部６の下流側に設けている三方弁Ｖ３を水供給路２３側に通流させる方向に開弁して回収水（冷却水）を水供給路２３に流す。加えて、運転制御装置２７は、三方弁Ｖ５を水供給路２３側から燃料極３側に通流させる方向に開弁して回収水を燃料極３に供給させ、三方弁Ｖ４を水供給路２３側から酸素極５側に通流させる方向に開弁して回収水を酸素極５に供給させる。また、運転制御装置２７は、三方弁Ｖ６を燃料極３側から水排出路２４側に通流させる方向に開弁して、燃料極３に流入した回収水が三方弁Ｖ６を経由して水排出路２４へと排出される流路を形成し、及び、三方弁Ｖ７を酸素極５側から水排出路２４側に通流させる方向に開弁して、酸素極５に流入した回収水が三方弁Ｖ７を経由して水排出路２４へと排出される流路を形成する。更に、運転制御装置２７は、熱交換器８と水回収水タンクとの間の回収水循環路１９の途中に設けている三方弁Ｖ８を水排出路２４側から水回収タンク１０側に通流させる方向に開弁して、水排出路２４へと排出された回収水を回収水循環路１９に戻す。

このように、給水工程では、燃料ガス供給路１４を介した燃料極３への水の供給及び酸素含有ガス供給路１７を介した酸素極５への水の供給が行われる。図示は省略するが、燃料極３及び酸素極５のそれぞれはガス拡散層及び触媒層を有して構成され、供給された回収水はそれらガス拡散層及び触媒層を通過して固体高分子電解質膜４まで到達可能である。従って、燃料ガス供給路１４を介した燃料極３への水の供給及び酸素含有ガス供給路１７を介した酸素極５への水の供給を行うことで、固体高分子電解質膜４への水の供給を行うことができる。その結果、固体高分子電解質膜４の湿潤状態を高めることができる。尚、給水工程でどれだけの量の水を供給するのかは適宜設定可能である。

上述のように燃料極３及び酸素極５への水の供給を同時に行うとき、燃料極３へ与えられる水圧と酸素極５へ与えられる水圧との圧力差を設定圧力差以内に調整することが好ましい。例えば、三方弁Ｖ３から燃料極３に至る間の圧損と、三方弁Ｖ３から酸素極５に至る間の圧損とを調整した装置設計を行うことで、燃料極３へ与えられる水圧と酸素極５へ与えられる水圧との圧力差を設定圧力差以内に調整できる。本実施形態のように燃料極３及び酸素極５への水の供給を同時に行うと、燃料極３及び酸素極５に挟まれている固体高分子電解質膜４には燃料極３側及び酸素極５側の両側から水圧が加わることになる。但し、燃料極３へ与えられる水圧と酸素極５へ与えられる水圧との圧力差を設定圧力差以内に調整しておけば、燃料極３と酸素極５との中間部分に存在する固体高分子電解質膜４でその両側からの水圧がほぼ釣り合うため、固体高分子電解質膜４が水圧により変形するなどの問題も発生しない。このような設定圧力差は、発電運転時に燃料極３へ与えられるガス圧と酸素極５へ与えられるガス圧との間で許容される圧力差と同様である。

給水工程において燃料極３及び酸素極５に水を供給した場合、固体高分子電解質膜４を加湿できるという効果の他に、燃料極３及び酸素極５を洗浄できるという効果も得られる。例えば、燃料電池ＦＣを発電運転した後で停止して保管している間、発電運転中に燃料極３及び酸素極５のガス拡散層及び触媒層に供給されていた燃料ガス及び酸素含有ガスに含まれていた物質（例えば、燃料ガス及び酸素含有ガスを加湿した上で燃料極３及び酸素極５に供給する場合には、その加湿水に含まれていたフッ化物イオン、塩化物イオン、亜硝酸イオン、硝酸イオン、リン酸イオン、硫酸イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオン、カルシウム、マグネシウムなど）がガス拡散層及び触媒層の表面に滞留又は析出する可能性がある。また、空気中に浮遊していた微生物などがガス拡散層及び触媒層の表面で繁殖する可能性もある。ところが本実施形態のような給水工程を行えば、ガス拡散層及び触媒層などに滞留又は析出していた物質や生存・繁殖していた微生物を洗い流すことも期待できる。

特に、本実施形態では、燃料極３への水の供給を行うとき、固体高分子形燃料電池ＦＣを発電運転するときの燃料ガス供給路１４での燃料ガスの流通方向とは逆方向に水を流し、酸素極５への水の供給を行うとき、固体高分子形燃料電池ＦＣを発電運転するときの酸素含有ガス供給路１７での酸素含有ガスの流通方向とは逆方向に水を流している。
セルＣの内部の燃料極３及び酸素極５の両方とも、発電運転中に燃料ガス及び酸素含有ガスが燃料極３及び酸素極５に最初に流入してくる上流側部位に異物が滞留又は析出しやすい状況にある。従って、燃料極３及び酸素極５への水の供給を行うとき、燃料電池ＦＣを発電運転するときの燃料ガス供給路１４での燃料ガスの流通方向及び酸素含有ガス供給路１７での酸素含有ガスの流通方法と同じ方向に水を流すと、洗い流された異物が、その上流側部位から下流側部位へ向かってセルＣの全体に拡散してしまう可能性がある。
ところが本実施形態では、給水工程においてセルＣの内部の燃料極３及び酸素極５を流れる水は、その異物が滞留又は析出しやすい部位を下流側にして流れるため、洗い流された異物がセルＣの全体に拡散してしまうことなく、水排出路２４へと排出される。

更に、給水工程で燃料極３及び酸素極５に供給される回収水は、水処理装置９のイオン交換樹脂９ｂによってイオン性物質の濃度を低減させる処理を施した水であり、水処理装置９の吸着材９ａによって有機物の濃度を低減させる処理を施した水である。従って、燃料電池ＦＣの燃料極３及び酸素極５に対して不純物（イオン性物質や有機物など）の濃度が低い水を供給できる。

以上のような給水工程が終了すると、運転制御装置２７は、その給水工程の終了後に再び固体高分子形燃料電池ＦＣの発電停止状態での保管を開始する保管再開工程を行う（工程＃４）。具体的には、運転制御装置２７は、三方弁Ｖ６を用いて燃料極３の上流側を閉止し、三方弁Ｖ５を用いて燃料極３の下流側を閉止し、三方弁Ｖ７を用いて酸素極５の上流側を閉止し、三方弁Ｖ４を用いて酸素極５の下流側を閉止することで、燃料電池ＦＣのセルＣを外部から隔離して、その状態（即ち、発電停止状態）を維持する。

図４は、本発明に係る燃料電池ＦＣの保管方法を実施した場合の効果を説明する図である。具体的には、図４に示すのは、燃料電池ＦＣの運転継続中に出力される平均セル電圧である。尚、図４中で黒丸印で示すのは、燃料電池ＦＣを試運転した直後に運転開始してからの平均セル電圧の推移である。図４中で黒三角印で示すのは、燃料電池ＦＣを試運転した後、燃料電池ＦＣを発電停止状態のまま３０日間保管し、その後で運転開始してからの平均セル電圧の推移である。図４中で白四角印で示すのは、燃料電池ＦＣを試運転した後、燃料電池ＦＣを発電停止状態のまま３０日間保管し、その後で上記給水工程を行った上で運転開始した場合の平均セル電圧の推移である。この「３０日間」という期間は、先に説明した「設定期間」の一例である。
図４に示す３種類のデータで、本発明に係る燃料電池ＦＣの保管方法に類似するのは白四角印に示す例である。

図４に示したように、燃料電池ＦＣを試運転した直後に運転開始してからの平均セル電圧（初期：黒丸印）は、運転初期から非常に高い数値を維持し続けている。
これに対して、燃料電池ＦＣを発電停止状態のまま３０日間保管した後で運転開始してからの平均セル電圧（黒三角印）は、運転初期から非常に低い数値を示し、運転を３０時間経過した後であっても平均セル電圧は低いままである。これは、燃料電池ＦＣを発電停止状態のまま長期間保管したことで、その間に固体高分子電解質膜４の湿潤状態が低下したためであると考えられる。尚、黒三角印で示しているように、運転継続期間が長くなるにつれて平均セル電圧は僅かに上昇傾向にあるが、これは燃料電池ＦＣを発電運転することでセルＣ内部に発生した水分や燃料ガスと共にセルＣ内部に供給された水分などで固体高分子電解質膜４の湿潤状態が高くなったことによる効果であると考えられる。

本発明に係る燃料電池ＦＣの保管方法に類似する白四角印に示すデータでは、燃料電池ＦＣの運転初期から比較的高い平均セル電圧を示すことができている。この運転初期の平均セル電圧は、黒三角印で示した３０時間運転後の平均セル電圧よりも遥かに高い値である。つまり、本発明のような固体高分子電解質膜４への給水処理を行なうことで得られる効果は、単に燃料電池ＦＣを長時間運転しただけでは得ることができない効果である。

＜第２実施形態＞
上記実施形態では、燃料電池ＦＣの発電運転時にセルＣの冷却水として利用するために用意されている水を固体高分子電解質膜４に供給する例を説明したが、他の水を固体高分子電解質膜４に供給してもよい。図２は、第１実施形態とは別の燃料電池システムの構成を説明する図である。

図２に示す燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜４に水を供給するための水供給路２３が、湯水循環路２６から分岐するように構成されている。具体的には、湯水循環路２６の貯湯タンク７と補助熱源機１１との間に三方弁Ｖ９を設け、貯湯タンク７に貯えている湯水を補助熱源機１１側又は水供給路２３の何れかに流すことができるように構成してある。この水供給路２３は、燃料極排ガス路１５の途中に設けられる三方弁Ｖ５、及び、酸素極排ガス路１８の途中に設けられる三方弁Ｖ４に接続されている。

給水工程において運転制御装置２７は、湯水循環路２６に設けているポンプＰ３を動作させると共に、三方弁Ｖ９を水供給路２３側に通流させる方向に開弁して湯水を水供給路２３に流す。加えて、運転制御装置２７は、三方弁Ｖ５を水供給路２３側から燃料極３側に通流させる方向に開弁して湯水を燃料極３に供給させ、三方弁Ｖ４を水供給路２３側から酸素極５側に通流させる方向に開弁して湯水を酸素極５に供給させる。このようにして、給水工程において固体高分子電解質膜４に対して水（湯水）を供給して、固体高分子電解質膜４の湿潤状態を高めることができる。更に、本実施形態では、貯湯タンク７に貯えている比較的温度の高い（例えば、４５℃以上）の湯水が燃料極３及び酸素極５に供給されるので、微生物などが燃料極３及び酸素極５のガス拡散層及び触媒層の表面で生存しているとしてもそれらを死滅させる効果が期待できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、給水工程において燃料極３及び酸素極５の両方に同時に流す例を説明したが、燃料極３及び酸素極５のうちの片方のみに流してもよい。
また、上記実施形態とは異なり、給水工程において、固体高分子形燃料電池ＦＣを発電運転するときの燃料ガス供給路１４での燃料ガスの流通方向と同方向に水を流し、酸素極５への水の供給を行うとき、固体高分子形燃料電池ＦＣを発電運転するときの酸素含有ガス供給路１７での酸素含有ガスの流通方向と同方向に水を流してもよい。この場合、水供給路２３を燃料電池ＦＣのセルＣの上流側（即ち、発電運転時に燃料ガスが流入する側）に接続し、水排出路２４を燃料電池ＦＣのセルＣの下流側（即ち、発電運転時に酸素含有ガスが流入する側）に接続すればよい。

＜２＞
上記実施形態では、燃料電池システムの構成を具体例を挙げて説明したが、それらの構成は適宜変更可能である。例えば、燃料電池ＦＣから回収した水を改質用水及び冷却水として再利用するようなシステム構成を示したが、必ずしもそのようなシステム構成が必須になる訳ではない。また、図５では、貯湯タンク７に貯えられている湯水が、水供給路２３に供給される構成を例示したが、補助熱源機１１で昇温された湯水が水供給路２３に供給されるように構成してもよい。

また、図６に示すように燃料電池ＦＣのセルＣを収容している筐体２８に超音波振動発生器２９（超音波振動発生手段の一例）を装着した構成を採用してもよい。この場合、運転制御装置２７が、上記給水工程において、超音波振動発生器２９を動作させれば、燃料極３及び酸素極５の少なくとも何れか一方に供給する水を振動させることができる。つまり、この超音波振動によって水分子を揺り動かしながら燃料極３及び酸素極５の少なくとも何れか一方に水を供給することで、燃料極３及び酸素極５の少なくとも何れか一方を洗浄する効果を高めることができる。

＜３＞
上記実施形態において、セルＣの冷却水として利用するために用意されている水（即ち、回収水）の凍結を予防するための運転を行ってもよい。例えば、外気温や冷却水の温度を検出可能な温度センサを設け、運転制御装置２７が、温度センサの検出温度が設定温度以下になったと判定した場合に、回収水循環路１９に設けているポンプＰ１を動作させて回収水を流動させることで、その回収水の凍結を予防できる。更に、この凍結予防の運転時に、上記給水工程と同様の流路で回収水を流通させれば（即ち、回収水（冷却水）が水供給路２３を経由してセルＣに供給されるように流通させれば）、セルＣの内部（燃料極３、固体高分子電解質膜４及び酸素極５）に残存する水の凍結を予防する効果も得られる。

本発明は、固体高分子形燃料電池を発電停止させた後の保管を、簡単な装置構成を用いて実施可能な燃料電池の保管方法に利用できる。

３ 燃料極（セル Ｃ）
４ 固体高分子電解質膜（セル Ｃ）
５ 酸素極（セル Ｃ）
１３ 熱利用装置
１４ 燃料ガス供給路
１７ 酸素含有ガス供給路
２９ 超音波振動発生器（超音波振動発生手段）
ＦＣ 固体高分子形燃料電池

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んで構成されるセルを複数積層して備える固体高分子形燃料電池を発電停止させた後の保管方法であって、
   前記固体高分子形燃料電池が保管開始から発電停止状態で保管されている保管継続期間を計測する保管期間計測工程と、
   前記保管期間計測工程で計測される前記保管継続期間の長さが設定期間に到達したか否かを判定する判定工程と、
   前記判定工程で前記保管継続期間の長さが前記設定期間に到達したと判定したとき、前記固体高分子電解質膜に水を供給する給水工程と、
   前記給水工程の終了後に再び前記固体高分子形燃料電池の発電停止状態での保管を開始する保管再開工程とを有し、
   前記給水工程において、
   燃料ガス供給路を介した前記燃料極への水の供給と燃料極排ガス路を介した前記燃料極からの水の排出、
   燃料極排ガス路を介した前記燃料極への水の供給と燃料ガス供給路を介した前記燃料極からの水の排出、
   酸素含有ガス供給路を介した前記酸素極への水の供給と酸素極排ガス路を介した前記酸素極からの水の排出、及び、
   酸素極排ガス路を介した前記酸素極への水の供給と酸素含有ガス供給路を介した前記酸素極からの水の排出、
   以上のうち少なくとも何れか一つを行うことで、前記固体高分子電解質膜への水の供給を行う燃料電池の保管方法。
2. 前記給水工程において、
   前記燃料極への水の供給を行うとき、前記固体高分子形燃料電池を発電運転するときの前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流通方向とは逆方向に水を流し、
   前記酸素極への水の供給を行うとき、前記固体高分子形燃料電池を発電運転するときの前記酸素含有ガス供給路での酸素含有ガスの流通方向とは逆方向に水を流す請求項１に記載の燃料電池の保管方法。
3. 前記給水工程において、前記燃料極及び前記酸素極への水の供給を同時に行うとき、前記燃料極へ与えられる水圧と前記酸素極へ与えられる水圧との圧力差を設定圧力差以内に調整する請求項１又は２に記載の燃料電池の保管方法。
4. 前記給水工程において、前記固体高分子形燃料電池の発電運転時に前記セルの冷却水として利用するために用意されている水を前記固体高分子電解質膜に供給する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池の保管方法。
5. 前記固体高分子形燃料電池は、前記固体高分子形燃料電池から排出される熱を回収して蓄熱すると共に所定温度に昇温して熱利用装置に供給できる排熱回収装置を有し、
   前記排熱回収装置は、前記固体高分子形燃料電池から熱を与えられた湯水を蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンクに蓄えられた湯水を昇温する補助熱源機とを有し、
   前記給水工程において、前記貯湯タンクに蓄えられた温水、または前記補助熱源機で昇温された温水を前記固体高分子電解質膜に供給する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池の保管方法。
6. 前記給水工程において、水に含まれているイオン性物質の濃度を低減させる処理を施した水を前記固体高分子電解質膜に供給する請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池の保管方法。
7. 前記給水工程において、水に含まれている有機物の濃度を低減させる処理を施した水を前記固体高分子電解質膜に供給する請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池の保管方法。
8. 前記給水工程において、前記燃料極及び前記酸素極の少なくとも何れか一方に供給する水を、超音波振動発生手段によって振動させる請求項１〜７の何れか一項に記載の燃料電池の保管方法。

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