JP2009181810A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】白金の溶出による燃料電池の劣化を検知し、さらに、燃料電池の発電効率を回復させる。
【解決手段】第１の温度及び第１の温度とは異なる第２の温度において前記燃料電池に所定の電流を流したときの電圧を測定し、前記第１の温度において測定された第１の電圧と、前記第２の温度において測定された第２の電圧との差を用いて燃料電池の劣化を判断する。前記電圧の差が所定の値以上の場合に、前記燃料電池の回復処理を行う。前記回復処理は、前記第１の触媒層に供給されていた燃料ガスを前記第２の触媒層に供給するように切り替え、前記第２の触媒層に供給されていた酸化ガスを前記第１の触媒層に供給するように切り替え、燃料電池に接続される負荷の向きを正負逆向きに切り替える。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池の運転方法に関する。

燃料電池は電圧が変動する状態で運転を続けると、カソード側触媒層から触媒である白金が白金イオンとして溶出し発電効率が低下する。これに対し、カソード側触媒層と電解質膜の間にブロッキング層を有するものが知られている（特許文献１）。

特開２００７−２４２４２３号公報

しかし、従来技術では、溶出した白金イオンが電解質膜に移動することをブロッキング層によって防ぎ、発電効率の低下をある程度抑制することはできるが、一旦低下した発電効率を回復させることはできなかった。

本発明は、白金の溶出による燃料電池の劣化を検知し、さらに、燃料電池の発電効率を回復させることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。

本発明の第１の態様は、燃料電池の運転方法であって、第１の温度及び前記第１の温度とは異なる第２の温度において前記燃料電池に所定の電流を流したときの電圧を測定し、前記第１の温度において測定された第１の電圧と、前記第２の温度において測定された第２の電圧との差を用いて燃料電池の劣化を判断する。この態様によれば、電圧の差を用いることにより、燃料電池の劣化を容易に求めることができる。

本発明の第１の態様において、前記所定の電流は、電流密度が５００〜１００００Ａ／ｍ²であってもよい。この態様によれば、この範囲の電流密度の電流を流して電圧を測定することにより、燃料電池が劣化したか否かを精度良く判断することができる。

本発明の第１の態様において、前記電圧の差が所定の値以上の場合に、前記燃料電池の回復処理を行う態様をとってもよい。この態様によれば、電圧の差が所定の値以上ある場合には、燃料電池が劣化していると判断し、回復処理を行うことができる。

本発明の第１の態様において、前記燃料電池は、燃料ガスが供給される第１の触媒層と酸化ガスが供給される第２の触媒層を備えており、前記回復処理は、前記第１の触媒層に供給されていた燃料ガスを前記第２の触媒層に供給するように切り替え、前記第２の触媒層に供給されていた酸化ガスを前記第１の触媒層に供給するように切り替え、燃料電池に接続される負荷の向きを正負逆向きに切り替える処理である態様をとってもよい。この態様によれば、ガスの切り替え前に燃料ガスが供給されていた第１の触媒層は劣化していないので、第１の触媒層に酸化ガスを供給するようにガスの供給を切り替えることにより燃料電池の効率を回復させることができる。

本発明の第１の態様において、前記第２の触媒層に含有されている触媒の量を用いて前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給を切り替えた後の電圧を算出し、前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給を切り替える前の電圧と比較し、前記算出された電圧がガスの供給を切り替える前の電圧よりも高い場合に、前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給の切り替え及び前記負荷の向きの切り替えを行う態様をとってもよい。この態様によれば、ガスの供給の切り替えにより電圧を大きくできる場合にガスの供給の切り替えを行うので、ガスの供給の切り替えにより却って電圧が小さくなることが起こりにくい。

本発明の第１の態様において、前記回復処理は、前記燃料電池に前記燃料ガスと前記酸化ガスの代わりに不活性ガスを供給するように切り替え、前記燃料電池内部を前記不活性ガスを用いて満たした後、前記燃料ガスを前記第２の触媒層に供給するように切り替え、前記酸化ガスを前記第１の触媒層に供給するように切り替え、燃料電池に接続される負荷の向きを正負逆向きに切り替える処理である態様をとってもよい。この態様によれば、燃料電池に、不活性ガスを供給した後、酸化ガスと燃料ガスを供給するので、燃料ガスと酸化ガスとが混じることはなくガスの切り替えを安全に行うことができる。

第１の実施例：
以下本発明に係る燃料電池システムを実施例に基づいて説明する。図１は、第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００、燃料ガス供給部２００、酸化ガス供給部３００、冷却水ポンプ４００、負荷５００、及びＥＣＵ６００を備える。

燃料電池１００は、燃料ガス及び酸化ガスを反応させて発電を行う。本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられている。燃料電池１００は、積層されている複数の発電モジュール１１０を備える。発電モジュール１１０は膜電極接合体１１１とセパレータ１１５、１１６を備える。膜電極接合体１１１は、電解質膜１１２と第１の触媒層１１３と第２の触媒層１１４を備える。本実施例では、電解質膜１１２として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられている。第１の触媒層１１３と第２の触媒層１１４は、電解質膜１１２の両面に配置されている。本実施例では、第１の触媒層１１３と第２の触媒層１１４として、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒をカーボンに担持した触媒層が用いられている。

セパレータ１１５、１１６は、膜電極接合体１１１の両面に配置される。膜電極接合体１１１とセパレータ１１５、１１６の間には、それぞれ第１のガス流路１１７、第２のガス流路１１８が形成される。セパレータ１１５、１１６の外縁部には、燃料電池１００を積層方向に貫く第１のガス供給マニホールド１３０、第１のガス排出マニホールド１３５、第２のガス供給マニホールド１４０、第２のガス排出マニホールド１４５を形成するための開口部が設けられている。第１のガス供給マニホールド１３０、第１のガス排出マニホールド１３５は第１のガス流路１１７と接続され、第２のガス供給マニホールド１４０、第２のガス排出マニホールド１４５は、第２のガス流路１１８と接続されている。

燃料ガス供給部２００は、燃料ガスとして水素を燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、ガス供給配管２１０を介して燃料電池の第１のガス供給マニホールド１３０に接続されている。ガス供給配管２１０上には、燃料ガス供給部２００側から燃料電池１００側に向かって２つの３方向弁２２０、２３０が設けられている。以下、ガス供給配管２１０のうち、燃料ガス供給部２００と３方向弁２２０の間の部分の配管をガス供給配管２１０ａ、３方向弁２２０と３方向弁２３０の間の部分の配管をガス供給配管２１０ｂ、３方向弁２３０と燃料電池１００の間の部分の配管をガス供給配管２１０ｃという。３方向弁２２０は、配管と接続される第１の接続部２２１から第３の接続部２２３を備える。３方向弁２３０は、配管と接続される第１の接続部２３１から第３の接続部２３３を備える。３方向弁２２０、２３０は、それぞれ任意の２つの接続部の間を連通させることができる。上記接続においては、３方向弁２２０の第１の接続部２２１はガス供給配管２１０ａと接続され、第２の接続部２２２はガス供給配管２１０ｂの一端と接続されている。３方向弁２３０の第１の接続部２３１はガス供給配管２１０ｃと接続され、第２の接続部２３２はガス供給配管２１０ｂの他端と接続されている。

酸化ガス供給部３００は、酸化ガスとして空気を燃料電池１００に供給する。酸化ガス供給部３００は、ガス供給配管３１０を介して燃料電池の第２のガス供給マニホールド１４０に接続されている。ガス供給配管３１０上には、酸化ガス供給部３００側から燃料電池１００側に向かって２つの３方向弁３２０、３３０が設けられている。以下、ガス供給配管３１０のうち、酸化ガス供給部３００と３方向弁３２０の間の部分の配管をガス供給配管３１０ａ、３方向弁３２０と３方向弁３３０の間の部分の配管をガス供給配管３１０ｂ、３方向弁３３０と燃料電池１００の間の部分の配管をガス供給配管３１０ｃという。３方向弁３２０は、配管と接続される第１の接続部３２１から第３の接続部３２３を備える。３方向弁３３０は、配管と接続される第１の接続部３３１から第３の接続部３３３を備える。３方向弁３２０、３３０は、それぞれ任意の２つの接続部の間を連通させることができる。上記接続においては、３方向弁３２０の第１の接続部３２１はガス供給配管３１０ａと接続され、第２の接続部３２２はガス供給配管３１０ｂの一端と接続されている。３方向弁３３０の第１の接続部３３１はガス供給配管３１０ｃと接続され、第２の接続部３３２はガス供給配管３１０ｂの他端と接続されている。

３方向弁２２０の第３の接続部２２３と３方向弁３３０の第３の接続部３３３は、ガス切り替え配管２５０を介して接続されている。３方向弁３２０の第３の接続部３２３と３方向弁２３０の第３の接続部２３３は、ガス切り替え配管３５０を介して接続されている。３方向弁２２０、２３０、３２０、３３０のガス通過方向の切り替えにより、（１）燃料ガスの第１のガス供給マニホールド１３０への供給、酸化ガスの第２のガス供給マニホールド１４０への供給、あるいは（２）燃料ガスの第２のガス供給マニホールド１４０への供給、酸化ガスの第１のガス供給マニホールド１３０への供給、を切り替えることができる。

ガス供給配管２１０ａ上にはメインバルブ２３５が配置され、メインバルブ２３５が開くと燃料ガス供給部２００から燃料ガスが供給される。ガス供給配管２１０ｃ上にはリリーフ弁２４０が配置され、リリーフ弁２４０が開くとガス供給配管２１０ｃを流れるガスが大気中に放出される。ガス供給配管３１０ａ上にはメインバルブ３３５が配置され、メインバルブ３３５が開くと酸化ガス供給部３００から酸化ガスが供給される。ガス供給配管３１０ｃ上にはリリーフ弁３４０が配置され、リリーフ弁３４０が開くとガス供給配管３１０ｃを流れるガスが大気中に放出される。

燃料電池１００の第１のガス排出マニホールド１３５にはガス排気管２９０が接続され、未反応の反応ガスが外部に排気される。ガス排気管２９０上には調圧弁２９５が設けられ、燃料電池１００内の反応ガスの圧力を制御する。燃料電池１００の第２のガス排出マニホールド１４５にはガス排気管３９０が接続され、未反応の反応ガスが外部に排気される。ガス排気管３９０上には調圧弁３９５が設けられ、燃料電池１００内の反応ガスの圧力を制御する。

冷却水ポンプ４００は冷却水を燃料電池１００に供給する。ラジエータ４１０は、冷却水を冷却する。冷却水ポンプ４００及びラジエータ４１０は、冷却水供給配管４２０により、燃料電池１００の冷却水供給マニホールド（図示せず）および冷却水排出マニホールド（図示せず）と接続されている。水温計４３０は、冷却水供給配管４２０上の冷却水排出マニホールド近傍に設けられ、燃料電池１００から排出される冷却水の温度を測定する。

負荷５００は、例えば、駆動用のモータである。負荷切り替えスイッチ５１０は、負荷の正負の向きを変えるためのスイッチである。電流計５２０は、燃料電池１００に流れる電流を測定する。電圧計５３０は、燃料電池１００の起電力を測定する。ＥＣＵ６００は、燃料電池システム１０全体の動作の制御を司る。

以下、図２から図４を用いて燃料電池システム１０の動作について説明する。図２は、使用開始直後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示すグラフである。図３は、使用開始後一定期間経過した後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示すグラフである。図４は、燃料電池システムの動作フローチャートである。

図２、図３において、横軸は電流密度を示し、縦軸は発電モジュール１１０一個当たりの電圧を示す。両グラフによれば、
（１）燃料電池１００から排出される冷却水の温度が６０℃の時よりも８０℃の時の方が、一定の電流を流したときに測定される電圧の値は小さい、
（２）燃料電池１００が長期間使用された後は、使用開始直後よりも、測定される電圧の値は小さい、
（３）燃料電池１００から排出される冷却水の温度が６０℃よりも８０℃の方が測定される電圧の低下の度合いが大きい、
ことがわかる。以上のことから、２つの温度において一定の電流を流した時の電圧を測定し、その電圧の差を用いることにより、燃料電池１００が劣化し発電効率が低下したと判断することができる。なお、冷却水の温度は、燃料電池１００の温度とほぼ同じである。

本実施例では、電流密度５０００Ａ／ｍ²で電流を流したときの電圧値は、
劣化前においては、燃料電池の温度６０℃で０．７５Ｖ、燃料電池の温度８０℃で０．６６Ｖであり、電圧の差ΔＶは０．０９Ｖ（６０℃→８０℃のときの減少率１２％）である。
劣化後においては、燃料電池の温度６０℃で０．６７Ｖ、燃料電池の温度８０℃で０．５４Ｖであり、電圧の差ΔＶは０．１３Ｖ（（６０℃→８０℃のときの減少率１９％）である。
劣化後における電位の差ΔＶは、電流密度Ｉｓｔが２０００Ａ／ｍ²から６０００Ａ／ｍ²の間では、グラフから読み取ると、約０．１３Ｖでほぼ同じである。すなわち、電流密度Ｉｓｔが２０００Ａ／ｍ²から６０００Ａ／ｍ²の間のいずれかの電流密度の電流を流して、６０℃と８０℃における燃料電池の電圧を測定し、２つの温度における電圧の差が、約０．１３Ｖあれば、燃料電池が劣化したと判断できる。したがって、電流密度Ｉｓｔが２０００Ａ／ｍ²から６０００Ａ／ｍ²の間のいずれかの電流密度の電流を流して燃料電池の電圧を測定することが好ましい。

また、本実施例では、電流密度１００００Ａ／ｍ²で電流を流したときの電圧値は、
劣化前においては、燃料電池の温度６０℃で０．０．６７Ｖ、燃料電池の温度８０℃で０．６４Ｖであり、電圧の差ΔＶは０．０３Ｖ（６０℃→８０℃のときの減少率４％）である。
劣化後においては、燃料電池の温度６０℃で０．５２Ｖ、燃料電池の温度８０℃で０．４４Ｖであり、電圧の差ΔＶは０．０８Ｖ（（６０℃→８０℃のときの減少率１１％）である。
劣化後における電位の差ΔＶは、電流密度Ｉｓｔが５００Ａ／ｍ²から２０００Ａ／ｍ²の間及び６０００Ａ／ｍ²から１００００Ａ／ｍ²の間では、グラフから読み取ると、約０．０８Ｖ以上である。すなわち、電流密度Ｉｓｔが５００Ａ／ｍ²から２０００Ａ／ｍ²の間または６０００Ａ／ｍ²から１００００Ａ／ｍ²の間のいずれかの電流密度の電流を流して、６０℃と８０℃における燃料電池の電圧を測定し、２つの温度における電圧の差が、約０．０８Ｖあれば、燃料電池が劣化したと判断できる。したがって、電流密度Ｉｓｔが５００Ａ／ｍ²から２０００Ａ／ｍ²の間または６０００Ａ／ｍ²から１００００Ａ／ｍ²の間のいずれかの電流密度の電流を流して燃料電池の電圧を測定してもよい。

以上のことから、２つの温度において一定の電流密度の電流を流したときに電圧を測定し、その電圧の差を用いることにより、燃料電池が劣化し発電効率が低下したと判断することができる。電流密度Ｉｓｔの値としては、５００Ａ／ｍ²から１００００Ａ／ｍ²がよく、２０００Ａ／ｍ²から６０００Ａ／ｍ²が好ましい。この範囲の値であれば、燃料電池１００が劣化したときの電圧Ｖｓ１と電圧Ｖｓ２の電圧差が大きく、燃料電池１００の劣化を容易に判断することができる。なお、電圧の絶対値の低下を用いても燃料電池１００の劣化を判断することは可能であるが、電圧の絶対値には多少のバラツキがあるので、燃料電池１００の温度のみを変えて電圧を測定し、電圧の差を用いた方が燃料電池の劣化を判断し易い。

触媒層の劣化は、例えば、白金の溶出により発生する。通常、白金の溶出は、酸化ガスが供給されるカソード触媒層で発生し、燃料ガスが供給されるアノード触媒層では発生しない。また、カソード触媒層からの白金の溶出に伴い燃料電池１００の発電効率が低下していることから、カソード反応が発電効率を決めていると考えられる。従って、劣化していないアノード触媒層に酸化ガスを供給することによりカソード触媒層として機能させ、カソード触媒層に燃料ガスを供給することによりアノード触媒層として機能させることにより、燃料電池１００の発電効率の低下を回復させることができる。

以下、燃料電池システム１０の動作について説明する。なお、以下の動作は、点検時に行われることが好ましい。点検時においては、負荷５００の変動が起きにくいので、ＥＣＵ６００は温度と電流の制御を容易に行うことができる。したがって、ＥＣＵ６００は、より正確に燃料電池１００の発電効率の低下を判断できるからである。

ＥＣＵ６００は、３方向弁２２０を、第１の接続部２２１と第２の接続部２２２の間でガスが流れるように切り替える。ＥＣＵ６００は、３方向弁２３０、３２０、３３０についても同様に切り替える。ＥＣＵ６００は、メインバルブ２３５、３３５を開く。燃料ガスは、ガス供給配管２１０ａ〜２１０ｃ、第１のガス供給マニホールド１３０、第１のガス流路１１７を通り、第１の触媒層１１３に供給される。酸化ガスは、ガス供給配管３１０ａ〜３１０ｃ、第２のガス供給マニホールド１４０、第２のガス流路１１８を通り、第２の触媒層１１４に供給される。ＥＣＵ６００は、冷却水の流量を調整して燃料電池システム１０を温度Ｔｓ１（例えば、６０℃）で運転させる（ステップＳ１００）。ＥＣＵ６００は、燃料ガスの流量及び冷却水の流量を調整して温度Ｔｓ１を維持させたまま電流密度をＩｓｔ（例えば、５０００Ａ／ｍ²）にし、電圧計５３０を介して電圧Ｖｓ１を測定する（ステップＳ１１０）。

ＥＣＵ６００は、冷却水の流量を調整して燃料電池システム１０を温度Ｔｓ２（例えば、８０℃）で運転させる（ステップＳ１２０）。ＥＣＵ６００は、燃料ガスの流量及び冷却水の流量を調整して温度Ｔｓ２を維持させたまま電流密度をＩｓｔにして電圧Ｖｓ２を測定させる（ステップＳ１３０）。

電圧Ｖｓ１と電圧Ｖｓ２の電圧差が所定の値ΔＶｓｔよりも大きかった場合には（ステップＳ１４０、Ｙ）、ＥＣＵ６００は、燃料電池１００が劣化して発電効率が低下したため、発電効率の回復処理が必要であると判断する。電圧Ｖｓ１と電圧Ｖｓ２の電圧差が所定の値ΔＶｓｔよりも大きくなかった場合には（ステップＳ１４０、Ｎ）、ＥＣＵ６００は、燃料電池１００の回復処理は必要ないと判断する。本実施例では、電流密度Ｉｓｔの値として５０００Ａ／ｍ²を用い、所定の値ΔＶｓｔとして、例えば、０．１３Ｖを用いている。なお、電流密度Ｉｓｔの値として、例えば１００００Ａ／ｍ²を用い、所定の値ΔＶｓｔとして例えば０．０８Ｖを用いてもよい。

ＥＣＵ６００は、メインバルブ２３５、３３５を閉じ、第１の接続部２２１と第３の接続部２２３の間、及び第１の接続部３２１と第３の接続部３２３の間でガスが流れるように３方向弁２２０、３２０を切り替える（ステップＳ１５０）。ＥＣＵ６００は、リリーフ弁２４０及び３４０を開き（ステップＳ１６０）、ガス供給配管２１０ｂ、２１０ｃ中の燃料ガス、及びガス供給配管３１０ｂ、３１０ｃ中の酸化ガスを大気中に放出させる。

ＥＣＵ６００は、リリーフ弁２４０及び３４０を閉じ（ステップＳ１７０）、第１の接続部２３１と第３の接続部２３３の間、及び第１の接続部３３１と第３の接続部３３３の間でガスが流れるように３方向弁２３０、３３０を切り替える（ステップＳ１８０）。ＥＣＵ６００は、負荷５００の向きを切り替え、メインバルブ２３５、３３５を開く（ステップＳ１９０）。燃料ガスは、ガス供給配管２１０ａ、ガス切り替え配管２５０、ガス供給配管３１０ｃ、第２のガス供給マニホールド１４０、第２のガス流路１１８を介して、第２の触媒層１１４に供給される。酸化ガスは、ガス供給配管３１０ａ、ガス切り替え配管３５０、ガス供給配管２１０ｃ、第１のガス供給マニホールド１３０、第１のガス流路１１７を介して、第１の触媒層１１３に供給される。これにより、劣化していない第１の触媒層１１３をカソード側触媒層として用いることができる。

以上説明したように、第１の実施例によれば、ＥＣＵ６００は温度Ｔｓ１において電流密度Ｉｓｔの電流を流したときの電圧Ｖｓ１と、温度Ｔｓ２において電流密度Ｉｓｔの電流を流したときの電圧Ｖｓ２との電圧の差を用いることにより、燃料電池の発電効率の低下を容易に判断することができる。

第１の実施例によれば、電流密度の値が５００Ａ／ｍ²から１００００Ａ／ｍ²、好ましくは、２０００Ａ／ｍ²から６０００Ａ／ｍ²であれば、ＥＣＵ６００は燃料電池１００の発電効率の低下を精度良く求めることができる。

第１の実施例によれば、ＥＣＵ６００は、電圧Ｖｓ１と電圧Ｖｓ２の差がΔＶｓ以上ある場合に燃料電池１００の発電効率が低下していると判断して回復処理を行うことができる。

燃料電池１００の劣化は、酸化ガスが供給されていた第２の触媒層１１４で発生し、燃料ガスが供給されていた第１の触媒層１１３では発生しない。したがって、ＥＣＵ６００は、第１の触媒層１１３に酸化ガスを供給させ、第２の触媒層１１４に燃料ガスを供給させるように、燃料ガスと酸化ガスの供給先の触媒層を切り替えることにより、容易に燃料電池１００の発電効率を回復させることができる。なお、電流、電圧の向きが逆向きになるので、負荷の正負の向きを逆にすることにより燃料電池システム１０を従来通り使用することができる。

第１の実施例の変形例：
図５から図７を用いて第１の実施例の変形例について説明する。図５は、変形例における燃料電池システムに流れる電流の密度と電圧の関係を示すグラフである。図６は、図３に図５の波線を重ねたグラフである。図７は、変形例に係る燃料電池システムのガス切り替え時の動作フローチャートである。

図５、図６において、横軸は電流密度を示し、縦軸は発電モジュール１１０一個当たりの電圧を示す。図５において、実線は、使用開始直後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示し、波線は、ガス切り替え直後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示す。ガス切り替え直後の値は、添加されている触媒の量を用いて見積もった値である。なお、ＥＣＵ６００は、予めガスを切り替えた状態で電圧の測定を行い、メモリ（図示せず）に測定値を格納しておいてもよい。本実施例では、最初にカソード電極となる第２の触媒層には、第１の触媒層よりも多くの白金触媒が担持させている。したがって、ガス切り替え直後における所定の電流を流した時の燃料電池１００の電圧は、使用開始直後における所定の電流を流した時の燃料電池の電圧よりも低い。

図６において、実線は、使用開始後一定期間経過した後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示し、波線は、ガス切り替え直後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示す。燃料電池１００の発電効率の低下が少ないときは、使用開始後一定期間経過した後における燃料電池の電圧の方が、ガス切り替え直後における燃料電池よりも高い。したがって、かかる場合には、ガスを切り替えても燃料電池１００の効率は回復しない。一方、燃料電池１００の発電効率の低下が多いときは、使用開始後一定期間経過した後における燃料電池１００の電圧の方が、ガス切り替え直後における燃料電池１００の電圧よりも低い。したがって、かかる場合には、ＥＣＵ６００は、ガスを切り替えることより燃料電池１００の効率を回復させることができる。

以下、第１の実施例の変形例の動作について説明する。ステップＳ２００からステップＳ２２０までの動作、及びステップＳ２３５からステップＳ２５５までの動作は、第１の実施例におけるステップＳ１００からＳ１４０、ステップＳ１５０からステップＳ１９０の動作と同じであるので、説明を省略する。

ＥＣＵ６００は、燃料電池１００の発電効率が低下したと判断した場合には、添加されている触媒の量を用いて、ガス切り替え直後の電圧Ｖｓ１（ＡＮ）及び電圧Ｖｓ２（ＡＮ）を見積もる（ステップＳ２２０）。なお、上述したように、ガス切り替え直後の電圧の値を予め測定しておいてもよい。ＥＣＵ６００は、電圧Ｖｓ１（ＡＮ）の値が電圧Ｖｓ１の値よりも大きいか、あるいは電圧Ｖｓ２（ＡＮ）の値が電圧Ｖｓ２の値よりも大きいか判断する（ステップＳ２３０）。ＥＣＵ６００は、電圧Ｖｓ１（ＡＮ）の値が電圧Ｖｓ１の値よりも大きいか、あるいは電圧Ｖｓ２（ＡＮ）の値が電圧Ｖｓ２の値よりも大きい場合には（ステップＳ２３０、Ｙ）、ステップＳ２３５以降の処理を実行する。この場合には、ガス切り替えにより、燃料電池１００の発電効率を回復させることができる。

以上、第１の実施例の変形例によれば、ＥＣＵ６００は、ガス切り替えにより燃料電池の電圧が高くなる場合に燃料電池１００の回復処理を実行する。従って、ガス切り替えにより燃料電池１００の電圧が却って小さくなることがない。

第２の実施例：
以下図面を用いて第２の実施例について説明する。図８は、第２の実施例に係る燃料電池を模式的に説明する説明図である。図９は、第２の実施例に係る燃料電池の動作フローチャートである。第２の実施例は、第１の実施例と比較して、不活性ガス供給部２７０を備えている点、並びに、燃料ガス供給部２００から３方向弁２２０まで、及び酸化ガス供給部３００から３方向弁３２０までの構成が異なっている。以下の説明では、第１の実施例と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略し、第１の実施例と異なる点について説明する。

第２の実施例では、ガス供給配管２１０ａ上に３方向弁２６０が設けられている。以下、ガス供給配管２１０ａのうち、燃料ガス供給部２００と３方向弁２６０の間の部分の配管をガス供給配管２１０ａ１、３方向弁２６０と３方向弁２２０の間の部分の配管をガス供給配管２１０ａ２という。３方向弁２６０は配管と接続される第１の接続部２６１から第３の接続部２６３を備える。３方向弁２６０は、それぞれ任意の２つの接続部の間を連通させることができる。３方向弁２６０の第１の接続部２６１はガス供給配管２１０ａ２と接続され、第２の接続部２６２はガス供給配管２１０ａ１と接続されている。なお、メインバルブ２３５は、ガス供給配管２１０ａ１上に設けられている。

ガス供給配管３１０ａ上に３方向弁３６０が設けられている。以下、ガス供給配管３１０ａのうち、酸化ガス供給部３００と３方向弁３６０の間の部分の配管をガス供給配管３１０ａ１、３方向弁３６０と３方向弁３２０の間の部分の配管をガス供給配管３１０ａ２という。３方向弁３６０は配管と接続される第１の接続部３６１から第３の接続部３６３を備える。３方向弁３６０は、それぞれ任意の２つの接続部の間を連通させることができる。３方向弁３６０の第１の接続部３６１はガス供給配管３１０ａ２と接続され、第２の接続部３６２はガス供給配管３１０ａ１と接続されている。なお、メインバルブ３３５は、ガス供給配管３１０ａ１上に設けられている。

不活性ガス供給部２７０は、ガス供給配管２１０、３１０及び燃料電池１００に不活性ガスとして窒素を供給する。不活性ガス供給部２７０は、３つ又配管２８０により３方向弁２６０の第３の接続部２６３と３方向弁３６０の第３の接続部３６３と接続されている。３つ又配管２８０上の不活性ガス供給部２７０との接続部近傍にはメインバルブ２８５が設けられている。メインバルブ２８５が開くと、不活性ガスが３つ又配管２８０を介してガス供給配管２１０、３１０及び燃料電池１００に供給される。

以下、図９を用いて第２の実施例の動作について説明する。ステップＳ３００からＳ３２０までの動作は第１の実施例のステップＳ１００からＳ１４０と同じであるので説明を省略する。なお、ガス切り替え前においては、３方向弁２２０は、第１の接続部２２１と第２の接続部２２２の間で反応ガスが流れるように切り替えられている。３方向弁２３０、２６０、３２０、３３０、３６０についても同様である。

ＥＣＵ６００は、メインバルブ２３５、３３５を閉じ、第１の接続部２２１と第３の接続部２２３及び第１の接続部３２１と第３の接続部２２３の間でガスが流れるように、３方向弁２２０及び３２０を切り替える（ステップＳ３２５）。ＥＣＵ６００は、リリーフ弁２４０及び３４０を開き（ステップＳ３３０）、ガス供給配管２１０ｂ、２１０ｃ中の燃料ガス、及びガス供給配管３１０ｂ、３１０ｃ中の酸化ガスを大気中に放出させる。ＥＣＵ６００は、第１の接続部２６１と第３の接続部２６３の間、及び第１の接続部３６１と第３の接続部３６３の間でガスが流れるように、３方向弁２６０及び３６０を切り替え（ステップＳ３３５）、メインバルブ２８５を開く。不活性ガスは、三つ又配管２８０、ガス供給配管２１０ａ２、ガス切り替え配管３５０、ガス供給配管３１０ａ２、ガス切り替え配管２５０内に満たされる。ＥＣＵ６００は、第１の接続部２３１と第３の接続部２３３の間、及び第１の接続部３３１と第３の接続部３３３の間でガスが流れるように、３方向弁２３０及び３３０を切り替える（ステップＳ３４０）。不活性ガスは、ガス切り替え配管２５０からガス供給配管２１０ｃに流れ、ガス切り替え配管３５０からガス供給配管３１０ｃに流れる。ＥＣＵ６００は、リリーフ弁２４０、３４０を閉じる（ステップＳ３４５）。不活性ガスは、ガス供給配管２１０ｃを介して第１のガス供給マニホールド１３０に供給され、ガス供給配管３１０ｃを介して第２のガス供給マニホールド１４０に供給される。ＥＣＵ６００は、メインバルブ２８５を閉じ、第１の接続部２６１と第２の接続部２６２の間、及び第１の接続部３６１と第２の接続部３６２の間でガスが流れるように、３方向弁２６０及び３６０を切り替え（ステップＳ３５０）、負荷５００の向きを切り替え、メインバルブ２３５、３３５を開く（ステップＳ３６０）。燃料ガスは、ガス供給配管２１０ａ１、２１０ａ２、ガス切り替え配管３５０、ガス供給配管３１０ｃ、第２のガス供給マニホールド１４０、第２のガス流路１１８を介して第２の触媒層１１４に供給され、酸化ガスは、ガス供給配管３１０ａ１、３１０ａ２、ガス切り替え配管２５０、ガス供給配管２１０ｃ、第１のガス供給マニホールド１３０、第１のガス流路１１７を介して第１の触媒層１１３に供給される。

本実施例によれば、ガス供給配管２１０、３１０及び燃料電池１００内部を、一旦不活性ガスで満たし、その後、ガス供給配管２１０、３１０及び燃料電池１００内部にガス切り替え後の反応ガスを流すので、燃料ガスと酸化ガスとが接触することはなく、安全である。

第２の実施例の変形例：
第２の実施例においても、第１の実施例の変形例と同様に、ガス切り替えにより燃料電池の電圧が大きくなる場合に燃料電池の回復処理を実行するようにしてもよい。

第１の実施例、第２の実施例では、２つの温度において測定された電圧の差を用いて、燃料電池１００の発電効率の低下を判断しているが、測定された電圧の絶対値を用いて燃料電池１００の発電効率の低下を判断してもよい。

第１の実施例、第２の実施例においては、負荷、温度、電流の制御の容易さから点検時において実施されるとして説明をしたが、通常使用時において実施されてもよい。例えば、燃料電池の始動直後は燃料電池１００の温度が低いため、低温における電圧を取得し、燃料電池の始動後しばらく経過して高温になった後、高温における電圧を取得してもよい。ＥＣＵ６００は、燃料電池１００の効率が低下していると判断した場合には、ガスの切り替えをするように警告してもよいし、燃料電池１００の運転が終了したときに、３方向弁と負荷の向きを切り替えるようにしてもよい。ガスの切り替えは負荷５００の切り替えを伴うため、燃料電池１００の運転停止中に行うことが好ましいからである。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。 使用開始直後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示すグラフである。 使用開始後一定期間経過した後における燃料電池に流れる電流の密度と電圧の関係を示すグラフである。 燃料電池システムの動作フローチャートである。 変形例における燃料電池システムに流れる電流の密度と電圧の関係を示すグラフである。 図３に図５の波線を重ねたグラフである。 変形例に係る燃料電池システムのガス切り替え時の動作フローチャートである。 第２の実施例に係る燃料電池を模式的に説明する説明図である。 第２の実施例に係る燃料電池の動作フローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…発電モジュール
１１１…膜電極接合体
１１２…電解質膜
１１３…第１の触媒層
１１４…第２の触媒層
１１５、１１６…セパレータ
１１７…第１のガス流路
１１８…第２のガス流路
１３０…第１のガス供給マニホールド
１３５…第１のガス排出マニホールド
１４０…第２のガス供給マニホールド
１４５…第２のガス排出マニホールド
２００…燃料ガス供給部
２１０、３１０…ガス供給配管
２２０、２３０、２６０、３２０、３３０、３６０…３方向弁
２２１、２３１、２６１、３２１、３３１、３６１…第１の接続部
２２２、２３２、２６２、３２２、３３２、３６２…第２の接続部
２２３、２３３、２６３、３２３、３３３、３６３…第３の接続部
２３５、２８５、３３５…メインバルブ
２４０、３４０…リリーフ弁
２５０、３５０…ガス切り替え配管
２７０…不活性ガス供給部
２８０…三つ又配管
２９０、３９０…ガス排気管
２９５、３９５…調圧弁
３００…酸化ガス供給部
４００…冷却水ポンプ
４００…負荷
４１０…ラジエータ
４２０…冷却水供給配管
４３０…水温計
５００…負荷
５１０…負荷切り替えスイッチ
５２０…電流計
５３０…電圧計

Claims (6)

1. 燃料電池の運転方法であって、
   第１の温度及び前記第１の温度とは異なる第２の温度において前記燃料電池に所定の電流を流したときの電圧を測定し、
   前記第１の温度において測定された第１の電圧と、前記第２の温度において測定された第２の電圧との差を用いて燃料電池の劣化を判断する燃料電池の運転方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の運転方法において、
   前記所定の電流は、電流密度が５００〜１００００Ａ／ｍ²である、燃料電池の運転方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の運転方法において、
   前記電圧の差が所定の値以上の場合に、前記燃料電池の回復処理を行う燃料電池の運転方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池の運転方法において、
   前記燃料電池は、燃料ガスが供給される第１の触媒層と酸化ガスが供給される第２の触媒層を備えており、
   前記回復処理は、
   前記第１の触媒層に供給されていた燃料ガスを前記第２の触媒層に供給するように切り替え、
   前記第２の触媒層に供給されていた酸化ガスを前記第１の触媒層に供給するように切り替え、
   燃料電池に接続される負荷の向きを正負逆向きに切り替える処理である、
   燃料電池の運転方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池の運転方法において、
   前記第２の触媒層に含有されている触媒の量を用いて前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給を切り替えた後の電圧を算出し、
   前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給を切り替える前の電圧と比較し、
   前記算出された電圧がガスの供給を切り替える前の電圧よりも高い場合に、前記燃料ガスと前記酸化ガスの供給の切り替え及び前記負荷の向きの切り替えを行う、燃料電池の運転方法。
6. 請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の運転方法において、
   前記回復処理は、
   前記燃料電池に前記燃料ガスと前記酸化ガスの代わりに不活性ガスを供給するように切り替え、
   前記燃料電池内部を前記不活性ガスを用いて満たした後、前記燃料ガスを前記第２の触媒層に供給するように切り替え、前記酸化ガスを前記第１の触媒層に供給するように切り替え、燃料電池に接続される負荷の向きを正負逆向きに切り替える処理である、燃料電池の運転方法。

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