JP4875259B2 - 燃料電池の運転方法及び燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法、及び、電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる燃料電池は、セルにおける酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、セルにおいて発電させるものである。
そして、通常は、酸素極側の面に沿って通流する酸素含有ガスは、通流経路の上流側ほど酸素濃度が高くなり、燃料極側の面に沿って通流する水素含有ガスは、通流経路の上流側ほど水素濃度が高くなるので、セルにおいては、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高い部分ほど電流密度が高くなり、且つ、通流する水素含有ガスの水素含有率が高い部分ほど電流密度が高くなるような不均一な電流密度分布が生じる。
【０００３】
かかる燃料電池において、従来は、酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路（以下、酸素含有ガス通流経路と略記する場合がある）に対する酸素含有ガスの通流方向を常に一定の方向に維持した状態で、酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路（以下、水素含有ガス通流経路と略記する場合がある）に対する水素含有ガスの通流方向を常に一定の方向に維持した状態で、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、運転していた。
【０００４】
つまり、従来の燃料電池では、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向と水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を、それぞれ一定に維持した状態で運転するので、セルにおいて常に、不均一な電流密度分布が略一定に生じる状態で運転することとなる。
又、セルにおいて電流密度が大きい部分ほど発電反応によって生成される水分量が多くなることから、従来の燃料電池では、電流密度が高いことにより水分生成量が多くなる部分が常に略一定となる状態で運転することになる。特に、電解質層を高分子膜にて構成した高分子型の燃料電池においては、動作温度が１００°Ｃよりも低いので、生成水分によりセルが濡れ易いことから、従来の高分子型の燃料電池では、セルにおいて生成水分により濡れ易い部分が常に一定になる状態で運転することとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池では、略一定の電流密度分布が生じる状態で運転することに起因して、下記のような問題があった。
即ち、セルにおいて電流密度が高い部分ほど温度が高くなるが、従来の燃料電池では、電流密度が高いことにより温度が高くなる部分が常に略一定であるので、酸素極又は燃料極において温度が高くなる部分の電極触媒の劣化が速くなり、もって、耐久性が低くなる。つまり、電極触媒の劣化は不可逆的なものであり、従来の燃料電池では、その不可逆的な劣化が速くなり、且つ、セルにおいて部分的に発生するので、セルにおける発電反応面積が狭くなり、発電性能が低下することになる。
又、高分子型の燃料電池においては、セルにおいて生成水分により濡れ易い部分が常に一定になる状態で運転することになるので、セルにおいては部分的に濡れが進行し易く、濡れ状態が進行すると、濡れた部分の酸素極又は燃料極には酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難く、発電反応が起こり難くなって、発電性能が低下することとなり、もって、耐久性が低くなる。
【０００６】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法、並びに、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することにある。
【０００７】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を、繰り返し反転させるとともに、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節することにある。
請求項１に記載の運転方法によれば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させる。例えば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、反転する前に通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高かくて電流密度が高かった部分は、反転後は、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くなって電流密度が低くなり、逆に、反転する前に通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くて電流密度が低かった部分は、反転後は、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高くなって電流密度が高くなる。
又、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、反転する前に通流する水素含有ガスの水素濃度が高かくて電流密度が高かった部分は、反転後は、通流する水素含有ガスの水素濃度が低くなって電流密度が低くなり、逆に、反転する前に通流する水素含有ガスの水素濃度が低くて電流密度が低かった部分は、反転後は、通流する水素含有ガスの水素濃度が高くなって電流密度が高くなる。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて温度が高かった部分は、電流密度が低くなって温度が低下するので、温度が高くなることに起因した酸素極又は燃料極の電極触媒の劣化をセル面内に分散させて、全体としての劣化速度を遅くすることがで
きる。
又、特に、高分子型の燃料電池においては、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制し、更にセルの濡れを解消することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法を提供することができるようになった。
【０００８】
又、電流密度が高かった部分は電流密度が低くなり、電流密度が低かった部分は電流密度が高くなるように、繰り返し切り換えて運転するので、高分子型の燃料電池においては、濡れが進行していた部分では濃度過電圧が大きくならないように、且つ、濡れの進んでいない部分での発電反応量を多くして運転することができるので、全体としてセルの内部抵抗を小さくして運転することができることとなる。又、前述のような切り換えによって、それまで濡れが進行していた部分の濡れが解消され、再び切り換えた後は、濡れが解消した部分での発電反応量を多くして運転することができる。
上記のように、高分子型の燃料電池においては、発電性能を向上するように運転することが可能となった。
加えて、各電極電位が変化して、電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
【０００９】
〔請求項２記載の発明〕
請求項２に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すとともに、前記通常運転と前記濡れ回復運転として、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させ、前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節することにある。
請求項２に記載の運転方法によれば、高分子型の燃料電池において、発電に伴ってセルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すので、通常運転時において濡れが進行していた部分は、濡れ回復運転において、濡れ状態が軽減されることとなる。
つまり、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法を提供することができるようになった。
加えて、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
【００１０】
〔請求項３記載の発明〕
請求項３に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は前記燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることにある。
つまり、水分の生成は発電反応量が多いほど多くなり、発電反応量は、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態や、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態に依存し易いので、濡れ回復用運転条件として、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を、通常運転条件とは異ならせて定めることにより、濡れ回復用運転条件として、濡れ状態を効果的に軽減することができるように定めることができるのである。
ちなみに、通常運転条件は、例えば、酸素利用率を所定の値（例えば５０％）に設定して、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を一定に維持した状態で、セルにおける酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、水素利用率を所定の値（例えば８０％）に設定して、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を一定に維持した状態で、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように、定める。つまり、通常運転では、セルにおいて不均一な電流密度分布が略一定に生じる状態で運転されるので、セルにおいて電流密度が高くて濡れ易い部分が生じる。
通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせるための具体例としては、例えば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を反転させる例があり、又、通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるための具体例としては、例えば、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させる例があり、これらの例はいずれも、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分を、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなるようにして、濡れを軽減することになる。
従って、セルが生成水分により濡れるのを一段と抑制することができるので、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１１】
〔請求項４記載の発明〕
請求項４に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの電流密度分布が均一になるように、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることにある。
請求項４に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転は、通常運転におけるよりもセルの電流密度分布が均一になるように運転されるので、濡れ回復運転では、通常運転において電流密度が他より大きくて濡れ易かった部分の電流密度を小さくするように運転することが可能となり、濡れを軽減することができる。
つまり、濡れ回復用運転条件として、例えば、酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度を通常運転条件よりも高くなるように定めたり、酸素極に供給する酸素含有ガスの供給量を通常運転条件よりも多くして、酸素利用率を通常運転条件よりも低くなるように定める。これらのように濡れ回復用運転条件を定めて、濡れ回復運転を実行することにより、通流経路の下流側でも酸素濃度を高く維持して、通流経路の上流から下流の全域にわたって均一になるように発電反応を起こさせて、セルにおける電流密度分布を通常運転におけるよりも小さくすることができる。
ところで、通常、酸素極の反応抵抗は燃料極よりも大きいが、これは、特に、電極反応場までの酸素含有ガスの拡散が遅いことに起因している。そして、燃料電池は、酸素極において、所謂、濃度過電圧、拡散過電圧が出現する電流密度領域で運転されることが多いが、燃料極では、このような濃度過電圧は無視できることが多い。つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態、及び、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態のうち、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態だけを、通常運転条件と濡れ回復用運転条件との間で異ならせることで、セルの電流密度分布を効果的に均一になるようにすることができる。
従って、簡単な構成にて、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１２】
〔請求項５記載の発明〕
請求項５に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの温度が高くなるように、前記セルを冷却する冷却能力を異ならせて定めることにある。
請求項５に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転においては、通常運転よりもセルの温度が高くなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるのではなく、セルを冷却する冷却能力を異ならせることにより、濡れ状態を軽減するのである。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１３】
〔請求項６記載の発明〕
請求項６に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件の方が前記通常運転条件よりも、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定めることにある。
請求項６に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転においては、高分子膜を加湿すべくセルに供給される加湿水分量が通常運転よりも少なくなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるのではなく、高分子膜を加湿するための加湿水分量を少なくすることにより、濡れ状態を軽減するのである。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１４】
〔請求項７記載の発明〕
請求項７に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記濡れ回復運転として、前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガス供給量が前記通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転、前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が前記通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転、前記濡れ回復用運転条件を、前記セルを冷却する冷却能力が前記通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向又は前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を前記通常運転条件とは反転させるように定めたガス通流方向反転運転、及び、前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が前記通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転のうち、少なくとも２つを並行して実行することにある。
請求項７に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転として、酸素利用率低下運転、酸素富化運転、昇温運転、ガス通流方向反転運転、及び、加湿低減運転のうち、少なくとも２つを並行して実行するので、セルの濡れ状態を軽減するのに要する時間を短縮することができる。
ちなみに、酸素利用率低下運転や酸素富化運転においては、酸素含有ガスの通流経路の下流側でも酸素濃度が高く維持されて、通流経路の上流から下流の全域にわたって均一になるように発電反応が起こって、セルにおける電流密度分布が通常運転におけるよりも小さくなるので、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなり、濡れ状態を軽減することができる。
昇温運転においては、通常運転よりもセルの温度が高くなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
ガス通流方向反転運転においては、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させることにより、セルにおいて通流方向反転前に電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、通流方向反転により、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなるので、濡れ状態が軽減される。
加湿低減運転においては、高分子膜を加湿すべくセルに供給される加湿水分量が通常運転よりも少なくなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
従って、セルの濡れ状態を軽減するのに要する時間を短縮して、発電性能をできるだけ速く復帰させるように運転することができるようになった。
【００１５】
〔請求項８記載の発明〕
請求項８に記載の燃料電池の特徴構成は、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段と、
前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御する制御手段が設けられるとともに、前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されていることにある。
請求項８に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、通流方向反転手段の作動を制御する。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて温度が高かった部分は、電流密度が低くなって温度が低下するので、温度が高くなることに起因した酸素極又は燃料極の電極触媒の劣化を抑制することができる。
又、特に、高分子型の燃料電池においては、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１６】
加えて、請求項８に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるように通流方向反転手段を作動させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前にセルに残留していた酸素含有ガス又は水素含有ガスがセルから排出されるまでの間は
、セルの発電出力を通常運転時よりも小さい反転時用出力に調整するので、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
つまり、例えば、酸素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた酸素濃度の低い酸素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流され、あるいは、水素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた水素濃度の低い水素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流されるが、そのような場合でも、出力が小さくなるように調整されているので、各電極電位が変化して、電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができるのである。
従って、セルに不要な悪影響を与えることなく酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させることが可能となり、もって、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１７】
〔請求項９記載の発明〕
請求項９に記載の燃料電池の特徴構成は、前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
燃料電池の運転を管理する制御手段が設けられ、
その制御手段が、発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するように構成されるとともに、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段が設けられ、前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御することにより、前記通常運転と前記濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行するように構成され、且つ、前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されていることにある。
請求項９に記載の特徴構成によれば、制御手段は、発電に伴ってセルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するので、通常運転時において濡れが進行していた部分は、濡れ回復運転において、濡れ状態が軽減されることとなる。
つまり、セルにおいて生成水分により局部的に濡れが進行するのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
ちなみに、通常運転条件と濡れ回復用運転条件は、例えば、請求項３記載の発明と同様に、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定めたり、請求項５記載の発明と同様に、濡れ回復用運転条件にて運転する方が通常運転条件にて運転するよりも、セルの温度が高くなるように、セルを冷却する冷却能力を異ならせて定めたり、請求項６記載の発明と同様に、濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも、酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定める。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１８】
加えて、請求項９に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、通流方向反転手段の作動を制御することにより、通常運転と濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行する。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、通流方向の反転前に、セルにおいて電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、通流方向の反転後は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるのである。
しかも、制御手段は、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるように通流方向反転手段を作動させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前にセルに残留していた酸素含有ガス又は水素含有ガスがセルから排出されるまでの間は、セルの発電出力を通常運転時よりも小さい反転時用出力に調整するので、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
つまり、例えば、酸素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた酸素濃度の低い酸素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流され、あるいは、水素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた水素濃度の低い水素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流されるが、そのような場合でも、出力が小さくなるように調整されているので、各電極電位が変化して電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができるのである。
従って、セルに不要な悪影響を与えることなく通常運転と濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行することが可能となり、もって、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態を高分子型の燃料電池に適用した場合について説明する。
図１は、本発明の燃料電池ＦＣを用いた電源装置を示し、この電源装置は、燃料電池ＦＣからの出力直流電力をインバータ３１により交流電力に変換して電力負荷ＬＤに出力すると共に、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が余るときには、その余った直流電力を蓄電部３２に蓄え、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が不足するときには、その不足分を補うように、蓄電部３２に蓄えられている直流電力をインバータ３１により交流電力に変換して電力負荷ＬＤに出力するように構成してある。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池ＦＣは、水素含有ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電するセルスタックＮＣ、そのセルスタックＮＣに供給する水素含有ガスを生成するガス生成部Ｒ、セルスタックＮＣに酸素含有ガスとして空気を供給するブロア１１、燃料電池の各種制御を司る制御部１２、及び、その制御部１２に各種制御情報を指令する操作部１３等を備えて構成してある。
【００２１】
セルスタックＮＣは、詳細は後述するが、図５に示すように、高分子膜にて構成した電解質層１の両側に酸素極２と燃料極３を振り分けて配置したセルＣの複数を備えて構成し、各セルＣの酸素極２の側に面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、各セルＣの燃料極３の側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、各セルＣにて発電させるように構成してある。
【００２２】
以下、図５ないし図９に基づいて、セルスタックＮＣについて説明を加える。
セルＣは、電解質層１の両側に酸素極２及び燃料極３を振分け配置して構成し、酸素極２を、電解質層１側の酸素極触媒層２ｃと、電解質層１とは反対側の酸素極集電層２ｐとを備えて構成し、燃料極３を、電解質層１側の燃料極触媒層３ｃと、電解質層１とは反対側の燃料極集電層３ｐとを備えて構成してある。
そして、そのようなセルＣの複数を、夫々の酸素極２側に酸素極側セパレータ５を配置し、且つ、燃料極３側に燃料極側セパレータ６を配置した状態で厚さ方向に並置し、その並置方向の両端夫々に、電力取り出し用の集電板７を設け、更に、集電板７夫々の外側に端板９を設けて、セルスタックＮＣを構成してある。
そして、そのように構成したセルスタックＮＣを、セルＣの板面が水平方向を向く姿勢で配置する。
【００２３】
酸素極側セパレータ５は、酸素極２側の面に、酸素含有ガスを通流させる酸素極側流路を形成する酸素極側ガス通流溝５ｓを形成し、反対側の面に、冷却水流路を形成する冷却水通流溝５ｗを形成してある。
酸素極側ガス通流溝５ｓは、酸素極側セパレータ５の両側縁側にそれぞれ位置して対向する一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。同様に、冷却水通流溝５ｗも、一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。
【００２４】
燃料極側セパレータ６は、燃料極３側の面に、水素含有ガスを通流させる燃料極側流路を形成する燃料極側ガス通流溝６ｆを形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ５の冷却水通流溝５ｗと面対称となる冷却水流路形成用の冷却水通流溝６ｗを形成してある。
燃料極側ガス通流溝６ｆは、燃料極側セパレータ６の両側縁側にそれぞれ位置して対向する一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。同様に、冷却水通流溝５ｗも、一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。
【００２５】
尚、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６は、それぞれの分流溝部の長手方向が同方向を向く姿勢で配置する。
【００２６】
電解質層１構成する高分子膜は、プロトン導電性を備えたフッ素樹脂系のイオン交換膜にて形成してある。酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは、互いに同様の構成であり、カーボンから成る多孔状の導電材にて形成し、夫々、白金及び白金系合金から成る電極触媒を担持してある。酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐも、互いに同様の構成であり、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の多孔状の導電材にて形成してある。
酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６は、カーボンからなる導電材にて、気密性を有するように緻密な形成してある。
【００２７】
更に、電解質層１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６の夫々には、それらを並置したときにそれらの並置方向に夫々が連なる状態で、厚さ方向に貫通する６個の孔１ｈ，５ｈ，６ｈを形成してある。並置方向視において、電解質層１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６の夫々に形成する６個の孔１ｈ，５ｈ，６ｈのうち、２個は酸素極側ガス通流溝５ｓの一対のヘッダ溝部に各別に重なり、別の２個は燃料極側ガス通流溝６ｆの一対のヘッダ溝部に各別に重なり、残りの２個は冷却水通流溝５ｗ，６ｗの一対のヘッダ溝部に各別に重なる。
【００２８】
従って、セルスタックＮＣには、電解質層１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６夫々の孔１ｈ，５ｈ，６ｈが並置方向に連なって形成される６本の通路が形成される。６本の通路のうちの２本は、各酸素極側ガス通流溝５ｓの一対のヘッダ溝部に各別に連通し、別の２本は、各燃料極側ガス通流溝６ｆの一対のヘッダ溝部に各別に連通し、残りの２本は、各冷却水通流溝５ｗ，６ｗの一対のヘッダ溝部に各別に連通している。
尚、各酸素極側ガス通流溝５ｓの一対のヘッダ溝部に各別に連通する２本の通路を酸素極側連通路Ｔｓと、各燃料極側ガス通流溝６ｆの一対のヘッダ溝部に各別に連通する２本の通路を燃料極側連通路Ｔｆと、各冷却水通流溝５ｗ，６ｗの一対のヘッダ溝部に各別に連通する２本の通路を冷却水側連通路Ｔｗと夫々称する。
【００２９】
又、一方の端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。又、他方の端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端部に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。
【００３０】
尚、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓは、詳細は後述するが、一方が酸素含有ガスの供給用として用いるときは、他方が酸素含有ガスの排出用として用いる状態で、供給用と排出用とに繰り返し切り換えて用い、２個の燃料極側ガス用接続部８ｆのうち、一方は水素含有ガスの供給用として、他方は水素含有ガスの排出用として用い、並びに、２個の冷却水用接続部８ｗのうち、一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用として用いる。
【００３１】
図１に示すように、ブロア１１からの空気を導く酸素含有ガス供給路１４から分割した２本の分割供給路１４ｂを２個の酸素極側ガス用接続部８ｓに各別に接続し、並びに、２本の分割排出路１５ｂを２個の酸素極側ガス用接続部８ｓに各別に接続すると共に、その２本の分割排出路１５ｂをまとめた１本の酸素含有ガス排出路１５を気液分離器１６に接続してある。
酸素含有ガス供給路１４には、セルスタックＮＣへの酸素含有ガス供給量を調節する酸素含有ガス調整弁Ｃｓを設け、各分割供給路１４ｂには、供給側開閉弁Ｖｉを設け、各分割排出路１５ｂには、排出側開閉弁Ｖｅを設けてある。
【００３２】
ガス生成部Ｒにて生成された水素含有ガスを導く水素含有ガス供給路１７を供給用の燃料極側ガス用接続部８ｆに接続し、排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆと気液分離器１９とを水素含有ガス排出路１８にて接続し、供給用及び排出用夫々の冷却水用接続部８ｗを、途中に気液分離器１６及び冷却水ポンプ２０を設けた冷却水循環路２１にて接続してある。水素含有ガス供給路１７には、セルスタックＮＣへの水素含有ガス供給量を調節する水素含有ガス調整弁Ｃｆを設けてある。
【００３３】
更に、水蒸気発生器２２にて生成された水蒸気を導く酸素含有ガス加湿路２３と水素含有ガス加湿路２４をそれぞれ酸素含有ガス供給路１４、水素含有ガス供給路１７に接続して、セルスタックＮＣに供給する酸素含有ガス及び水素含有ガスを加湿するように構成してある。酸素含有ガス加湿路２３及び水素含有ガス加湿路２４それぞれに、加湿用の水蒸気供給量を調節する水蒸気調整弁Ｃｗを設けてある。
【００３４】
そして、各供給側開閉弁Ｖｉ、各排出側開閉弁Ｖｅそれぞれを開閉操作することにより、図１において、太実線及び細実線にて示すように、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓを、一方が酸素含有ガスの供給用として用いるときは、他方が酸素含有ガスの排出用として用いる状態で、供給用と排出用とに繰り返し切り換えて用いるようにして、セルスタックＮＣを通流する酸素含有ガスの通流方向を繰り返し反転することができるように構成してある。
【００３５】
酸素含有ガスは、図７及び図８において実線矢印にて示すように、一方の酸素極側連通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側流路に供給され、酸素極側流路を、一方のヘッダ溝部、複数の分流溝部、他方のヘッダ溝部を順次経る状態で通流してから、他方の酸素極側連通路Ｔｓに流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流して排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから排出される。
そして、各供給側開閉弁Ｖｉ、各排出側開閉弁Ｖｅそれぞれを開閉操作して、セルスタックＮＣを通流する酸素含有ガスの通流方向を反転することにより、図７の（イ）、（ロ）にて示すように、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させることができる。
つまり、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅにて、セルＣにおける酸素極２の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段Ｖを構成してある。
【００３６】
又、水素含有ガスは、図７及び図８において二点鎖線矢印にて示すように、一方の燃料極側連通路Ｔｆから各セルＣの燃料極側流路に供給され、燃料極側流路を通流してから、他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出し、その燃料極側連通路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出される。
又、冷却水は、図７及び図８において一点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水連通路Ｔｗから各セルＣの冷却水流路に供給され、冷却水流路を通流してから、他方の冷却水連通路Ｔｗに流出し、その冷却水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用接続部８ｗから排出される。
【００３７】
排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから排出された酸素含有ガスに含まれる水分は気液分離器１６にて分離し、排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出された水素含有ガスに含まれる水分は気液分離器１９にて分離し、気液分離器１９にて分離された水を気液分離器１６に供給するようにしてある。そして、気液分離器１６内の水を、冷却水ポンプ２０にて、冷却水循環路２１に圧送するように構成してある。
【００３８】
そして、各セルＣにおいては、通流する酸素含有ガス及び水素含有ガスに含まれる水分によって電解質層１が湿らされる状態で、酸素含有ガス中の酸素と水素含有ガス中の水素との電気化学反応により発電される。又、冷却水の通流により、各セルＣの温度が所定の温度に維持される。
【００３９】
セルスタックＮＣにて発電された電力は、一対の集電板７から取り出すように構成し、給電路３３にて、セルスタックＮＣと蓄電部３２を並列接続した状態で、インバータ３１に接続してあり、給電路３３には、セルスタックＮＣからの出力電流を検出する電流検出器３４、及び、出力電圧を検出する電圧検出器３５を設けてある。
【００４０】
ガス生成部Ｒは、供給される都市ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器４１、その脱硫器４１から排出される脱硫原燃料ガスを別途供給される水蒸気にて水素と一酸化炭素に改質処理する改質器４２、その改質器４２から排出されるガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器４３、及び、その変成器４３から排出されるガス中に残留している一酸化炭素を除去するＣＯ除去器４４を備えて構成して、一酸化炭素含有量の少ない水素含有ガスを生成するように構成してある。
改質器４２には、改質反応用の熱を生成するためにバーナ４２ｂを設けてあり、そのバーナ４２ｂには、セルスタックＮＣから排出されて気液分離器１９にて分離された水素含有ガスを、オフガス路２５を通じて供給して、燃焼させる。
【００４１】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
供給用の酸素極側ガス用接続部８ｓから酸素含有ガスを供給し、供給用の燃料極側ガス用接続部８ｆから水素含有ガスを供給して、各セルＣにて発電させて運転するが、酸素利用率が５０％程度になるように、酸素含有ガス供給量を設定し、水素利用率が７０％程度になるように、水素含有ガス供給量を設定してある。
従って、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスは、流路の上流側ほど酸素濃度が高くなり、燃料極側流路を通流する水素含有ガスは、流路の上流側ほど水素濃度が高くなるので、セルＣにおいては、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高い部分ほど電流密度が高くなり、且つ、通流する水素含有ガスの水素含有率が高い部分ほど電流密度が高くなるような不均一な電流密度分布が生じる。
【００４２】
燃料電池ＦＣを起動するときは、各セルＣの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を、前回の停止時の通流方向とは反対方向になるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅを開閉操作し、並びに、燃料電池の運転中は、定期的に各セルＣの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転するように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅを開閉操作する。
つまり、請求項１に記載の燃料電池の運転方法、即ち、酸素極２側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向繰り返し反転させる燃料電池の運転方法を実行する。
【００４３】
そして、各セルＣの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転することにより、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高いことから、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くなって、それによって電流密度が低くなって水分生成量が少なくなり、濡れ状態が軽減されることになる。つまり、一方の通流方向にて各セルＣの酸素極側流路を酸素含有ガスを通流させる運転が、通常運転になり、他方の通流方向にて各セルＣの酸素極側流路を酸素含有ガスを通流させる運転が、濡れ回復用運転となり、その濡れ回復用運転は、ガス通流方向反転運転に相当する。
従って、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、即ち、発電に伴ってセルＣの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルＣにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返す燃料電池の運転方法を実行する。
【００４４】
そして、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めてあり、具体的には、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで酸素極側流路（酸素含有ガス通流経路に相当する）における酸素含有ガスの通流方向を逆向きとなるように定めることになり、請求項３に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００４５】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、操作部１３から起動指令が指令されると、所定の起動制御を実行して燃料電池ＦＣを起動し、燃料電池ＦＣを、設定定格電流値の電流が出力される定格状態で運転し、操作部１３から停止指令が指令されると、所定の停止制御を実行して燃料電池ＦＣを停止させる。尚、定格状態での運転中は、酸素利用率が５０％程度になるように、酸素含有ガス供給量を調節すべく、酸素含有ガス調整弁Ｃｓを調節し、水素利用率が７０％程度になるように、水素含有ガス供給量を調節すべく、水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。又、酸素含有ガス加湿路２３及び水素含有ガス加湿路２４それぞれに設けた水蒸気調整弁Ｃｗは、予め定めた開度に調節する。
【００４６】
従って、燃料電池ＦＣからの出力直流電力がインバータ３１により交流電力に変換されて電力負荷ＬＤに出力されると共に、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が余るときには、その余った直流電力が蓄電部３２に蓄えられ、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が不足するときには、その不足分を補うように、蓄電部３２に蓄えられている直流電力がインバータ３１により交流電力に変換されて電力負荷ＬＤに出力される。
【００４７】
又、制御部１２は、停止時の一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの操作状態、即ち、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を記憶するように構成してある。
そして、制御部１２は、操作部１３から起動指令が指令されると、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を前回の停止時とは反転させるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの作動を制御し、且つ、燃料電池ＦＣの運転中は、定期的に酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの作動を制御する。
又、制御部１２は、燃料電池ＦＣの運転中に酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの作動を制御する際には、酸素含有ガスの通流方向を反転させた時点から残留ガス排出用設定時間（例えば、１０秒間）の間、電流検出器３４の検出電流値が、設定定格電流値よりも小さい設定反転時用電流値（反転時用出力に相当する）になるように、水素含有ガス供給量を減少調節すべく水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節し、残留ガス排出用設定時間が経過すると、電流検出器３４の検出電流値が設定定格電流値になるように、水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。
ちなみに、前記残留ガス排出用設定時間は、酸素含有ガスの通流方向の反転前にセルＣの酸素極側流路に残留していた酸素含有ガスが酸素極側流路から排出されるのに要する時間以上に設定してあり、もちろん、その残留ガス排出用設定時間は、酸素含有ガスの通流方向を反転させる周期よりもはるかに短い。
尚、酸素含有ガスの通流方向を反転させてから残留ガス排出用設定時間が経過して、電流検出器３４の検出電流値が設定定格電流値になるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節した以降は、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００４８】
上記の説明から分かるように、第１実施形態においては、請求項１〜３の各発明に加えて、請求項８〜１１の各発明が記載されている。
【００４９】
次に、図２に基づいて、第１実施形態による運転方法により燃料電池の耐久性を向上できることを検証した結果を説明する。尚、図２は、セル電圧の経時変化を示し、実線は、本発明による運転方法により運転した結果を示し、破線は、従来の運転方法により運転した結果を示す。
運転条件は、セルＣの温度は７５°Ｃ程度、水素利用率は７０％、酸素利用率は５０％、及び、電流密度は５０００Ａ／ｍ2 である。
【００５０】
図２に示すように、時間経過に伴うセル電圧の低下率は、１００時間から５００時間の間は、本発明による運転方法では４０ｍＶ／１０００ｈであり、従来の運転方法では６０ｍＶ／１０００ｈであり、５００時間以降は、本発明による運転方法では１０ｍＶ／１０００ｈ以下であり、従来の運転方法では２０ｍＶ／１０００ｈであり、時間経過に伴うセル電圧の低下率は、本発明の運転方法による方が、従来の運転方法によるよりも小さく、本発明の運転方法によれば、耐久性を向上することができる。
【００５１】
以下、本発明の第２ないし第４の各実施形態を説明するが、各実施形態では、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として、第１実施形態と異なる構成を説明する。
【００５２】
〔第２実施形態〕
以下、図３に基づいて、本発明の第２実施形態を説明する。
図３に示すように、第２実施形態においては、酸素含有ガス供給路１４を直接、供給用の酸素極側ガス用接続部８ｓに接続し、酸素含有ガス排出路１５を直接排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓに接続して、第１実施形態において設けた一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅを省略して、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、図７の（イ）に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【００５３】
又、酸素ボンベ２６からの酸素ガスを導く酸素ガス供給路２７を酸素含有ガス供給路１４に接続すると共に、その酸素ガス供給路２７に、酸素含有ガス供給路１４への酸素ガスの供給を断続する酸素用開閉弁Ｖｏ、及び、酸素含有ガス供給路１４への酸素ガスの供給量を調節する酸素調整弁Ｃｏを設けてある。
【００５４】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、酸素用開閉弁Ｖｏを閉弁した状態で、上記の第１実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、酸素用開閉弁Ｖｏを開弁すると共に、酸素調整弁Ｃｏを予め設定した開度に調節する濡れ回復運転を、酸素富化運転用設定時間の間実行する。
【００５５】
濡れ回復運転においては、セルＣに供給される酸素含有ガスの酸素濃度が高くなるので、酸素極側流路の下流側においても、通流する酸素含有ガスの酸素濃度を高い状態に維持することができることとなり、電流密度分布を通常運転におけるよりも均一になるようにすることができる。
従って、通常運転において、通流する酸素含有ガスの濃度が他より高いために、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度分布が通常運転におけるよりも均一となる濡れ回復運転においては、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなので、濡れ状態を軽減することができる。
【００５６】
つまり、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、即ち、発電に伴ってセルＣの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルＣにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返す燃料電池の運転方法を実行する。
そしてまた、請求項３に記載の燃料電池の運転方法、即ち、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００５７】
そしてまた、請求項４に記載の燃料電池の運転方法、即ち、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、濡れ回復用運転条件にて運転する方が通常運転条件にて運転するよりも、セルＣの電流密度分布が均一になるように、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める（具体的には、酸素極２に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも高くする）燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００５８】
ちなみに、第２実施形態における濡れ回復運転は、濡れ回復用運転条件を酸素極２に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転に相当する。
【００５９】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、酸素用開閉弁Ｖｏを閉弁した状態で定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に、酸素用開閉弁Ｖｏを開弁すると共に、酸素調整弁Ｃｏを予め設定した開度に調節する濡れ回復運転を、酸素富化運転用設定時間の間実行する。
【００６０】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器３４の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。但し、濡れ回復運転中は、セルＣに供給される酸素含有ガスの酸素濃度が高くなって、セルＣの発電性能が向上しているので、セルＣの電圧が上昇する場合がある。そこで、濡れ回復運転中は、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行することにより、セルＣの電圧が高くなり過ぎて、セルＣがダメージを受けるのを防止する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００６１】
尚、濡れ回復運転中にセルＣの電圧が高くなり過ぎるのを防止するための制御としては、電圧検出器３５の検出電圧が前記上限値を越えないように、酸素調整弁Ｃｏの調節により、酸素極２に供給する酸素含有ガスに対する酸素富化状態を調節する制御も可能である。
【００６２】
上記の説明から分かるように、第２実施形態においては、請求項２〜４の各発明に加えて、請求項１０の発明が記載されている。
【００６３】
〔第３実施形態〕
以下、図４に基づいて、本発明の第３実施形態を説明する。
図４に示すように、第３実施形態においては、第２実施形態と同様に、第１実施形態における、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、第２実施形態と同様に、図７の（イ）に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【００６４】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、上記の第１実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、酸素含有ガス調整弁Ｃｓの開度を通常運転時におけるよりも大きい濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を、酸素利用率低下運転用設定時間の間実行する。
【００６５】
濡れ回復運転においては、セルＣに供給される酸素含有ガスの供給量が多くなる（換言すれば、酸素利用率が低くなる）なるので、酸素極側流路の下流側においても、通流する酸素含有ガスの酸素濃度を高い状態に維持することができることとなり、電流密度分布を通常運転におけるよりも均一になるようにすることができる。
従って、通常運転において、通流する酸素含有ガスの濃度が他より高いために、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、電流密度分布が通常運転におけるよりも均一となる濡れ回復運転においては、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなので、濡れ状態を軽減することができる。
【００６６】
つまり、第３実施形態においては、第２実施形態と同様に、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、請求項３に記載の燃料電池の運転方法、請求項４に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
尚、第３実施形態においては、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも酸素含有ガスの供給量が多くなるように（換言すれば、酸素利用率が低くなるように）、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることになる。
【００６７】
ちなみに、第３実施形態における濡れ回復運転は、濡れ回復用運転条件を酸素極２に供給する酸素含有ガス供給量が通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転に相当する。
【００６８】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に、酸素含有ガス調整弁Ｃｓの開度を濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を、酸素利用率低下運転用設定時間の間実行する。
【００６９】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器３４の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。但し、濡れ回復運転中は、酸素利用率が小さくなって、セルＣの発電性能が向上しているので、セルＣの電圧が上昇する場合がある。そこで、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００７０】
上記の説明から分かるように、第３実施形態においては、請求項２〜４の各発明に加えて、請求項１０の発明が記載されている。
【００７１】
〔第４実施形態〕
以下、図４に基づいて、本発明の第４実施形態を説明する。
図４に示すように、第４実施形態においては、第２実施形態と同様に、第１実施形態における、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、第２実施形態と同様に、図７の（イ）に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【００７２】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、上記の第１実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、冷却水ポンプ２０の回転速度を通常運転時よりも遅い濡れ回復運転用回転速度に調節し、且つ、両水蒸気調整弁Ｃｗの開度を通常運転時よりも小さい濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を実行する。
【００７３】
濡れ回復運転においては、セルＣに供給される冷却水の供給量が通常運転におけるよりも少なくなるためにセルＣを冷却する冷却能力が小さくなって、セルＣの温度が上昇すると共に、酸素極２に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量及び燃料極３に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が通常運転よりも少なくなって、セルＣに供給される加湿水分量が少なくなるので、そのように、セルＣを冷却する冷却能力が小さくなってセルＣの温度が上昇すること、及び、セルＣに供給される加湿水分量が少なくなることの相乗作用により、通常運転時において濡れていた部分の濡れ状態を速やかに軽減することができる。
【００７４】
つまり、第４実施形態においては、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、請求項５に記載の燃料電池の運転方法、及び、請求項６に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
又、第４実施形態においては、濡れ回復運転として、濡れ回復用運転条件をセルＣを冷却する冷却能力が通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、及び、濡れ回復用運転条件を酸素極２に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は燃料極３に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転を並行して実行することになるので、請求項７に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００７５】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に濡れ回復運転を実行する。
制御部１２は、濡れ回復運転においては、冷却水ポンプ２０の回転速度を濡れ回復運転用回転速度に調節し且つ両水蒸気調整弁Ｃｗの開度を濡れ回復運転用開度に調節する状態を、セルＣの温度を検出する温度センサ（図示省略）の検出温度が設定温度（例えば１°Ｃ）上昇するまで継続し、設定温度上昇すると、冷却水ポンプ２０の回転速度を通常運転時の回転速度に戻し且つ両水蒸気調整弁Ｃｗの開度を通常運転時の開度に戻して、セルＣの発電性能の回復を判別する制御を、発電性能が所定値まで回復するまで継続する。
発電性能の回復の判別は、電流検出器３４の検出電流と電圧検出器３５の検出電圧にて行う。
【００７６】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器３４の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。但し、濡れ回復運転中は、セルＣの温度が上昇して、セルＣの発電性能が向上しているので、セルＣの電圧が上昇する場合がある。そこで、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００７７】
尚、濡れ回復運転において通常運転時よりもセルＣの温度を上昇させる範囲は、例えば、セルＣに悪影響を与えないために、５°Ｃ以内に設定するのが好ましい。
【００７８】
上記の説明から分かるように、第３実施形態においては、請求項２、５、６、７の各発明に加えて、請求項１０の発明が記載されている。
【００７９】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 上記の第１実施形態においては、酸素極２側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように構成する場合について例示したが、燃料極３側の面に沿って通流する水素含有ガスの通流方向を反転させるように構成しても良いし、あるいは、酸素極２側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向、及び、燃料極３側の面に沿って通流する水素含有ガスの通流方向の両方を反転させるように構成しても良い。
【００８０】
（ロ） 上記の第１実施形態においては、酸素極２側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、出力電流値を通常運転時よりも小さくなるように調整する場合について例示したが、出力電流値を通常運転時と同一に維持するように構成しても良いし、電力負荷ＬＤ及び蓄電部３２をセルスタックＮＣから切り離して、出力電流値をゼロにしても良い。
【００８１】
（ハ） 上記の第４実施形態においては、濡れ回復運転として、昇温運転と加湿低減運転を並行して実行する場合について例示したが、濡れ回復運転として、昇温運転を単独で実行したり、加湿低減運転を単独で実行してもい良い。
昇温運転を単独で実行する場合は、第４実施形態で説明したように、セルＣの温度を設定温度ステップで上昇させるべく、間欠的に実行するのが好ましい。
加湿低減運転を単独で実行する場合は、予め設定した加湿低減運転用設定時間の間継続して実行する。
【００８２】
（ニ） 濡れ回復運転として、上記の第１実施形態で説明したガス通流方向反転運転、第２実施形態で説明した酸素富化運転、第３実施形態で説明した酸素利用率低下運転、第４実施形態で説明した昇温運転、及び、同じく第４実施形態で説明した加湿低減運転のうち、いずれか２つを実行したり、いずれか３つを実行したり、いずれか４つを実行したり、全てを実行したりしても良い。
【００８３】
（ホ） 上記の第１実施形態においては、請求項１、８、９夫々に記載の発明を高分子型の燃料電池に適用する場合について例示したが、請求項１、８、９夫々に記載の発明は、高分子型以外の種々の燃料電池、例えば、リン酸型、固体電解質型等の燃料電池にも適用することが可能である。
【００８４】
（ヘ） 上記の各実施形態においては、セルスタックＮＣを、セルＣの板面が水平方向を向く姿勢で配置する場合について例示したが、セルＣの板面が上下方向を向く姿勢で配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図２】セル電圧の経時変化を示す図
【図３】第２実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図４】第３及び第４実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図５】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図６】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図７】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図８】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図９】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの全体概略構成を示す図
【符号の説明】
１ 電解質層
２ 酸素極
３ 燃料極
１２ 制御手段
Ｃ セル
Ｖ 通流方向反転手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法、及び、電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる燃料電池は、セルにおける酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、セルにおいて発電させるものである。
そして、通常は、酸素極側の面に沿って通流する酸素含有ガスは、通流経路の上流側ほど酸素濃度が高くなり、燃料極側の面に沿って通流する水素含有ガスは、通流経路の上流側ほど水素濃度が高くなるので、セルにおいては、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高い部分ほど電流密度が高くなり、且つ、通流する水素含有ガスの水素含有率が高い部分ほど電流密度が高くなるような不均一な電流密度分布が生じる。
【０００３】
かかる燃料電池において、従来は、酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路（以下、酸素含有ガス通流経路と略記する場合がある）に対する酸素含有ガスの通流方向を常に一定の方向に維持した状態で、酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路（以下、水素含有ガス通流経路と略記する場合がある）に対する水素含有ガスの通流方向を常に一定の方向に維持した状態で、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、運転していた。
【０００４】
つまり、従来の燃料電池では、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向と水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を、それぞれ一定に維持した状態で運転するので、セルにおいて常に、不均一な電流密度分布が略一定に生じる状態で運転することとなる。
又、セルにおいて電流密度が大きい部分ほど発電反応によって生成される水分量が多くなることから、従来の燃料電池では、電流密度が高いことにより水分生成量が多くなる部分が常に略一定となる状態で運転することになる。特に、電解質層を高分子膜にて構成した高分子型の燃料電池においては、動作温度が１００°Ｃよりも低いので、生成水分によりセルが濡れ易いことから、従来の高分子型の燃料電池では、セルにおいて生成水分により濡れ易い部分が常に一定になる状態で運転することとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池では、略一定の電流密度分布が生じる状態で運転することに起因して、下記のような問題があった。
即ち、セルにおいて電流密度が高い部分ほど温度が高くなるが、従来の燃料電池では、電流密度が高いことにより温度が高くなる部分が常に略一定であるので、酸素極又は燃料極において温度が高くなる部分の電極触媒の劣化が速くなり、もって、耐久性が低くなる。つまり、電極触媒の劣化は不可逆的なものであり、従来の燃料電池では、その不可逆的な劣化が速くなり、且つ、セルにおいて部分的に発生するので、セルにおける発電反応面積が狭くなり、発電性能が低下することになる。
又、高分子型の燃料電池においては、セルにおいて生成水分により濡れ易い部分が常に一定になる状態で運転することになるので、セルにおいては部分的に濡れが進行し易く、濡れ状態が進行すると、濡れた部分の酸素極又は燃料極には酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難く、発電反応が起こり難くなって、発電性能が低下することとなり、もって、耐久性が低くなる。
【０００６】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法、並びに、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することにある。
【０００７】
〔請求項１記載の発明〕
請求項１に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を、繰り返し反転させるとともに、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節することにある。
請求項１に記載の運転方法によれば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させる。例えば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、反転する前に通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高かくて電流密度が高かった部分は、反転後は、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くなって電流密度が低くなり、逆に、反転する前に通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くて電流密度が低かった部分は、反転後は、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高くなって電流密度が高くなる。
又、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、反転する前に通流する水素含有ガスの水素濃度が高かくて電流密度が高かった部分は、反転後は、通流する水素含有ガスの水素濃度が低くなって電流密度が低くなり、逆に、反転する前に通流する水素含有ガスの水素濃度が低くて電流密度が低かった部分は、反転後は、通流する水素含有ガスの水素濃度が高くなって電流密度が高くなる。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて温度が高かった部分は、電流密度が低くなって温度が低下するので、温度が高くなることに起因した酸素極又は燃料極の電極触媒の劣化をセル面内に分散させて、全体としての劣化速度を遅くすることがで
きる。
又、特に、高分子型の燃料電池においては、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制し、更にセルの濡れを解消することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法を提供することができるようになった。
【０００８】
又、電流密度が高かった部分は電流密度が低くなり、電流密度が低かった部分は電流密度が高くなるように、繰り返し切り換えて運転するので、高分子型の燃料電池においては、濡れが進行していた部分では濃度過電圧が大きくならないように、且つ、濡れの進んでいない部分での発電反応量を多くして運転することができるので、全体としてセルの内部抵抗を小さくして運転することができることとなる。又、前述のような切り換えによって、それまで濡れが進行していた部分の濡れが解消され、再び切り換えた後は、濡れが解消した部分での発電反応量を多くして運転することができる。
上記のように、高分子型の燃料電池においては、発電性能を向上するように運転することが可能となった。
加えて、各電極電位が変化して、電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
【０００９】
〔請求項２記載の発明〕
請求項２に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すとともに、前記通常運転と前記濡れ回復運転として、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させ、前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節することにある。
請求項２に記載の運転方法によれば、高分子型の燃料電池において、発電に伴ってセルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すので、通常運転時において濡れが進行していた部分は、濡れ回復運転において、濡れ状態が軽減されることとなる。
つまり、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れるように運転することが可能な燃料電池の運転方法を提供することができるようになった。
加えて、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
【００１０】
〔請求項３記載の発明〕
請求項３に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は前記燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることにある。
つまり、水分の生成は発電反応量が多いほど多くなり、発電反応量は、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態や、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態に依存し易いので、濡れ回復用運転条件として、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を、通常運転条件とは異ならせて定めることにより、濡れ回復用運転条件として、濡れ状態を効果的に軽減することができるように定めることができるのである。
ちなみに、通常運転条件は、例えば、酸素利用率を所定の値（例えば５０％）に設定して、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を一定に維持した状態で、セルにおける酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、水素利用率を所定の値（例えば８０％）に設定して、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を一定に維持した状態で、燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように、定める。つまり、通常運転では、セルにおいて不均一な電流密度分布が略一定に生じる状態で運転されるので、セルにおいて電流密度が高くて濡れ易い部分が生じる。
通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせるための具体例としては、例えば、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向を反転させる例があり、又、通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるための具体例としては、例えば、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させる例があり、これらの例はいずれも、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分を、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなるようにして、濡れを軽減することになる。
従って、セルが生成水分により濡れるのを一段と抑制することができるので、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１１】
〔請求項４記載の発明〕
請求項４に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの電流密度分布が均一になるように、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることにある。
請求項４に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転は、通常運転におけるよりもセルの電流密度分布が均一になるように運転されるので、濡れ回復運転では、通常運転において電流密度が他より大きくて濡れ易かった部分の電流密度を小さくするように運転することが可能となり、濡れを軽減することができる。
つまり、濡れ回復用運転条件として、例えば、酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度を通常運転条件よりも高くなるように定めたり、酸素極に供給する酸素含有ガスの供給量を通常運転条件よりも多くして、酸素利用率を通常運転条件よりも低くなるように定める。これらのように濡れ回復用運転条件を定めて、濡れ回復運転を実行することにより、通流経路の下流側でも酸素濃度を高く維持して、通流経路の上流から下流の全域にわたって均一になるように発電反応を起こさせて、セルにおける電流密度分布を通常運転におけるよりも小さくすることができる。
ところで、通常、酸素極の反応抵抗は燃料極よりも大きいが、これは、特に、電極反応場までの酸素含有ガスの拡散が遅いことに起因している。そして、燃料電池は、酸素極において、所謂、濃度過電圧、拡散過電圧が出現する電流密度領域で運転されることが多いが、燃料極では、このような濃度過電圧は無視できることが多い。つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態、及び、燃料極に対する水素含有ガスの供給状態のうち、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態だけを、通常運転条件と濡れ回復用運転条件との間で異ならせることで、セルの電流密度分布を効果的に均一になるようにすることができる。
従って、簡単な構成にて、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１２】
〔請求項５記載の発明〕
請求項５に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの温度が高くなるように、前記セルを冷却する冷却能力を異ならせて定めることにある。
請求項５に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転においては、通常運転よりもセルの温度が高くなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるのではなく、セルを冷却する冷却能力を異ならせることにより、濡れ状態を軽減するのである。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１３】
〔請求項６記載の発明〕
請求項６に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件の方が前記通常運転条件よりも、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定めることにある。
請求項６に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転においては、高分子膜を加湿すべくセルに供給される加湿水分量が通常運転よりも少なくなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
つまり、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせるのではなく、高分子膜を加湿するための加湿水分量を少なくすることにより、濡れ状態を軽減するのである。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れるように運転することができるようになった。
【００１４】
〔請求項７記載の発明〕
請求項７に記載の燃料電池の運転方法の特徴は、前記濡れ回復運転として、前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガス供給量が前記通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転、前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が前記通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転、前記濡れ回復用運転条件を、前記セルを冷却する冷却能力が前記通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向又は前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を前記通常運転条件とは反転させるように定めたガス通流方向反転運転、及び、前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が前記通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転のうち、少なくとも２つを並行して実行することにある。
請求項７に記載の運転方法によれば、濡れ回復運転として、酸素利用率低下運転、酸素富化運転、昇温運転、ガス通流方向反転運転、及び、加湿低減運転のうち、少なくとも２つを並行して実行するので、セルの濡れ状態を軽減するのに要する時間を短縮することができる。
ちなみに、酸素利用率低下運転や酸素富化運転においては、酸素含有ガスの通流経路の下流側でも酸素濃度が高く維持されて、通流経路の上流から下流の全域にわたって均一になるように発電反応が起こって、セルにおける電流密度分布が通常運転におけるよりも小さくなるので、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなり、濡れ状態を軽減することができる。
昇温運転においては、通常運転よりもセルの温度が高くなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
ガス通流方向反転運転においては、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を反転させることにより、セルにおいて通流方向反転前に電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、通流方向反転により、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなるので、濡れ状態が軽減される。
加湿低減運転においては、高分子膜を加湿すべくセルに供給される加湿水分量が通常運転よりも少なくなるので、通常運転において濡れていた部分が乾燥されて濡れ状態が軽減される。
従って、セルの濡れ状態を軽減するのに要する時間を短縮して、発電性能をできるだけ速く復帰させるように運転することができるようになった。
【００１５】
〔請求項８記載の発明〕
請求項８に記載の燃料電池の特徴構成は、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段と、
前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御する制御手段が設けられるとともに、前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されていることにある。
請求項８に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、通流方向反転手段の作動を制御する。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて温度が高かった部分は、電流密度が低くなって温度が低下するので、温度が高くなることに起因した酸素極又は燃料極の電極触媒の劣化を抑制することができる。
又、特に、高分子型の燃料電池においては、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、セルにおいて、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１６】
加えて、請求項８に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるように通流方向反転手段を作動させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前にセルに残留していた酸素含有ガス又は水素含有ガスがセルから排出されるまでの間は
、セルの発電出力を通常運転時よりも小さい反転時用出力に調整するので、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
つまり、例えば、酸素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた酸素濃度の低い酸素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流され、あるいは、水素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた水素濃度の低い水素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流されるが、そのような場合でも、出力が小さくなるように調整されているので、各電極電位が変化して、電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができるのである。
従って、セルに不要な悪影響を与えることなく酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させることが可能となり、もって、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１７】
〔請求項９記載の発明〕
請求項９に記載の燃料電池の特徴構成は、前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
燃料電池の運転を管理する制御手段が設けられ、
その制御手段が、発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するように構成されるとともに、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段が設けられ、前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御することにより、前記通常運転と前記濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行するように構成され、且つ、前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されていることにある。
請求項９に記載の特徴構成によれば、制御手段は、発電に伴ってセルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するので、通常運転時において濡れが進行していた部分は、濡れ回復運転において、濡れ状態が軽減されることとなる。
つまり、セルにおいて生成水分により局部的に濡れが進行するのを抑制することができるので、濡れが進行することにより酸素極又は燃料極に酸素含有ガス又は水素含有ガスが供給され難くなって、発電反応が起こり難くなるといった不具合の発生を防止することができる。
ちなみに、通常運転条件と濡れ回復用運転条件は、例えば、請求項３記載の発明と同様に、酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定めたり、請求項５記載の発明と同様に、濡れ回復用運転条件にて運転する方が通常運転条件にて運転するよりも、セルの温度が高くなるように、セルを冷却する冷却能力を異ならせて定めたり、請求項６記載の発明と同様に、濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも、酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定める。
従って、濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１８】
加えて、請求項９に記載の特徴構成によれば、制御手段は、酸素含有ガス通流経路における酸素含有ガスの通流方向、又は、水素含有ガス通流経路における水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、通流方向反転手段の作動を制御することにより、通常運転と濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行する。
つまり、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させると、通流方向の反転前に、セルにおいて電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、通流方向の反転後は、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなることから、セルが生成水分により濡れるのを抑制することができるのである。
しかも、制御手段は、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるように通流方向反転手段を作動させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前にセルに残留していた酸素含有ガス又は水素含有ガスがセルから排出されるまでの間は、セルの発電出力を通常運転時よりも小さい反転時用出力に調整するので、酸素含有ガスの通流方向又は水素含有ガスの通流方向を反転させるときに、電極の劣化などのような悪影響がセルに与えられるのを防止することができる。
つまり、例えば、酸素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた酸素濃度の低い酸素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流され、あるいは、水素含有ガスの通流方向を反転させると、反転前に通流経路の下流に残っていた水素濃度の低い水素含有ガスが、通流方向の反転によって押し流されるが、そのような場合でも、出力が小さくなるように調整されているので、各電極電位が変化して電極の腐食や活性の低下など、不可逆的に進行するような悪影響がセルに与えられるのを防止することができるのである。
従って、セルに不要な悪影響を与えることなく通常運転と濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行することが可能となり、もって、一段と濡れによる影響を抑制して、耐久性及び発電性能に一段と優れた燃料電池を提供することができるようになった。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態を高分子型の燃料電池に適用した場合について説明する。
図１は、本発明の燃料電池ＦＣを用いた電源装置を示し、この電源装置は、燃料電池ＦＣからの出力直流電力をインバータ３１により交流電力に変換して電力負荷ＬＤに出力すると共に、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が余るときには、その余った直流電力を蓄電部３２に蓄え、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が不足するときには、その不足分を補うように、蓄電部３２に蓄えられている直流電力をインバータ３１により交流電力に変換して電力負荷ＬＤに出力するように構成してある。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池ＦＣは、水素含有ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電するセルスタックＮＣ、そのセルスタックＮＣに供給する水素含有ガスを生成するガス生成部Ｒ、セルスタックＮＣに酸素含有ガスとして空気を供給するブロア１１、燃料電池の各種制御を司る制御部１２、及び、その制御部１２に各種制御情報を指令する操作部１３等を備えて構成してある。
【００２１】
セルスタックＮＣは、詳細は後述するが、図５に示すように、高分子膜にて構成した電解質層１の両側に酸素極２と燃料極３を振り分けて配置したセルＣの複数を備えて構成し、各セルＣの酸素極２の側に面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、各セルＣの燃料極３の側の面に沿って水素含有ガスを通流させて、各セルＣにて発電させるように構成してある。
【００２２】
以下、図５ないし図９に基づいて、セルスタックＮＣについて説明を加える。
セルＣは、電解質層１の両側に酸素極２及び燃料極３を振分け配置して構成し、酸素極２を、電解質層１側の酸素極触媒層２ｃと、電解質層１とは反対側の酸素極集電層２ｐとを備えて構成し、燃料極３を、電解質層１側の燃料極触媒層３ｃと、電解質層１とは反対側の燃料極集電層３ｐとを備えて構成してある。
そして、そのようなセルＣの複数を、夫々の酸素極２側に酸素極側セパレータ５を配置し、且つ、燃料極３側に燃料極側セパレータ６を配置した状態で厚さ方向に並置し、その並置方向の両端夫々に、電力取り出し用の集電板７を設け、更に、集電板７夫々の外側に端板９を設けて、セルスタックＮＣを構成してある。
そして、そのように構成したセルスタックＮＣを、セルＣの板面が水平方向を向く姿勢で配置する。
【００２３】
酸素極側セパレータ５は、酸素極２側の面に、酸素含有ガスを通流させる酸素極側流路を形成する酸素極側ガス通流溝５ｓを形成し、反対側の面に、冷却水流路を形成する冷却水通流溝５ｗを形成してある。
酸素極側ガス通流溝５ｓは、酸素極側セパレータ５の両側縁側にそれぞれ位置して対向する一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。同様に、冷却水通流溝５ｗも、一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。
【００２４】
燃料極側セパレータ６は、燃料極３側の面に、水素含有ガスを通流させる燃料極側流路を形成する燃料極側ガス通流溝６ｆを形成し、反対側の面に、酸素極側セパレータ５の冷却水通流溝５ｗと面対称となる冷却水流路形成用の冷却水通流溝６ｗを形成してある。
燃料極側ガス通流溝６ｆは、燃料極側セパレータ６の両側縁側にそれぞれ位置して対向する一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。同様に、冷却水通流溝５ｗも、一対のヘッダ溝部と、夫々の両端がヘッダ溝部に連通する状態で平行に並ぶ複数の分流溝部とから構成してある。
【００２５】
尚、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６は、それぞれの分流溝部の長手方向が同方向を向く姿勢で配置する。
【００２６】
電解質層１構成する高分子膜は、プロトン導電性を備えたフッ素樹脂系のイオン交換膜にて形成してある。酸素極触媒層２ｃ及び燃料極触媒層３ｃは、互いに同様の構成であり、カーボンから成る多孔状の導電材にて形成し、夫々、白金及び白金系合金から成る電極触媒を担持してある。酸素極集電層２ｐ及び燃料極集電層３ｐも、互いに同様の構成であり、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の多孔状の導電材にて形成してある。
酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６は、カーボンからなる導電材にて、気密性を有するように緻密な形成してある。
【００２７】
更に、電解質層１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６の夫々には、それらを並置したときにそれらの並置方向に夫々が連なる状態で、厚さ方向に貫通する６個の孔１ｈ，５ｈ，６ｈを形成してある。並置方向視において、電解質層１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６の夫々に形成する６個の孔１ｈ，５ｈ，６ｈのうち、２個は酸素極側ガス通流溝５ｓの一対のヘッダ溝部に各別に重なり、別の２個は燃料極側ガス通流溝６ｆの一対のヘッダ溝部に各別に重なり、残りの２個は冷却水通流溝５ｗ，６ｗの一対のヘッダ溝部に各別に重なる。
【００２８】
従って、セルスタックＮＣには、電解質層１、酸素極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６夫々の孔１ｈ，５ｈ，６ｈが並置方向に連なって形成される６本の通路が形成される。６本の通路のうちの２本は、各酸素極側ガス通流溝５ｓの一対のヘッダ溝部に各別に連通し、別の２本は、各燃料極側ガス通流溝６ｆの一対のヘッダ溝部に各別に連通し、残りの２本は、各冷却水通流溝５ｗ，６ｗの一対のヘッダ溝部に各別に連通している。
尚、各酸素極側ガス通流溝５ｓの一対のヘッダ溝部に各別に連通する２本の通路を酸素極側連通路Ｔｓと、各燃料極側ガス通流溝６ｆの一対のヘッダ溝部に各別に連通する２本の通路を燃料極側連通路Ｔｆと、各冷却水通流溝５ｗ，６ｗの一対のヘッダ溝部に各別に連通する２本の通路を冷却水側連通路Ｔｗと夫々称する。
【００２９】
又、一方の端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの一方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの一方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの一方の端部に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。又、他方の端板９には、２本の酸素極側連通路Ｔｓのうちの他方の端部に連通接続する酸素極側ガス用接続部８ｓ、２本の燃料極側連通路Ｔｆのうちの他方の端部に連通接続する燃料極側ガス用接続部８ｆ、及び、２本の冷却水連通路Ｔｗのうちの他方の端部に連通接続する冷却水用接続部８ｗを備えてある。
【００３０】
尚、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓは、詳細は後述するが、一方が酸素含有ガスの供給用として用いるときは、他方が酸素含有ガスの排出用として用いる状態で、供給用と排出用とに繰り返し切り換えて用い、２個の燃料極側ガス用接続部８ｆのうち、一方は水素含有ガスの供給用として、他方は水素含有ガスの排出用として用い、並びに、２個の冷却水用接続部８ｗのうち、一方は冷却水の供給用として、他方は冷却水の排出用として用いる。
【００３１】
図１に示すように、ブロア１１からの空気を導く酸素含有ガス供給路１４から分割した２本の分割供給路１４ｂを２個の酸素極側ガス用接続部８ｓに各別に接続し、並びに、２本の分割排出路１５ｂを２個の酸素極側ガス用接続部８ｓに各別に接続すると共に、その２本の分割排出路１５ｂをまとめた１本の酸素含有ガス排出路１５を気液分離器１６に接続してある。
酸素含有ガス供給路１４には、セルスタックＮＣへの酸素含有ガス供給量を調節する酸素含有ガス調整弁Ｃｓを設け、各分割供給路１４ｂには、供給側開閉弁Ｖｉを設け、各分割排出路１５ｂには、排出側開閉弁Ｖｅを設けてある。
【００３２】
ガス生成部Ｒにて生成された水素含有ガスを導く水素含有ガス供給路１７を供給用の燃料極側ガス用接続部８ｆに接続し、排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆと気液分離器１９とを水素含有ガス排出路１８にて接続し、供給用及び排出用夫々の冷却水用接続部８ｗを、途中に気液分離器１６及び冷却水ポンプ２０を設けた冷却水循環路２１にて接続してある。水素含有ガス供給路１７には、セルスタックＮＣへの水素含有ガス供給量を調節する水素含有ガス調整弁Ｃｆを設けてある。
【００３３】
更に、水蒸気発生器２２にて生成された水蒸気を導く酸素含有ガス加湿路２３と水素含有ガス加湿路２４をそれぞれ酸素含有ガス供給路１４、水素含有ガス供給路１７に接続して、セルスタックＮＣに供給する酸素含有ガス及び水素含有ガスを加湿するように構成してある。酸素含有ガス加湿路２３及び水素含有ガス加湿路２４それぞれに、加湿用の水蒸気供給量を調節する水蒸気調整弁Ｃｗを設けてある。
【００３４】
そして、各供給側開閉弁Ｖｉ、各排出側開閉弁Ｖｅそれぞれを開閉操作することにより、図１において、太実線及び細実線にて示すように、２個の酸素極側ガス用接続部８ｓを、一方が酸素含有ガスの供給用として用いるときは、他方が酸素含有ガスの排出用として用いる状態で、供給用と排出用とに繰り返し切り換えて用いるようにして、セルスタックＮＣを通流する酸素含有ガスの通流方向を繰り返し反転することができるように構成してある。
【００３５】
酸素含有ガスは、図７及び図８において実線矢印にて示すように、一方の酸素極側連通路Ｔｓから各セルＣの酸素極側流路に供給され、酸素極側流路を、一方のヘッダ溝部、複数の分流溝部、他方のヘッダ溝部を順次経る状態で通流してから、他方の酸素極側連通路Ｔｓに流出し、その酸素極側連通路Ｔｓを通流して排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから排出される。
そして、各供給側開閉弁Ｖｉ、各排出側開閉弁Ｖｅそれぞれを開閉操作して、セルスタックＮＣを通流する酸素含有ガスの通流方向を反転することにより、図７の（イ）、（ロ）にて示すように、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させることができる。
つまり、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅにて、セルＣにおける酸素極２の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段Ｖを構成してある。
【００３６】
又、水素含有ガスは、図７及び図８において二点鎖線矢印にて示すように、一方の燃料極側連通路Ｔｆから各セルＣの燃料極側流路に供給され、燃料極側流路を通流してから、他方の燃料極側連通路Ｔｆに流出し、その燃料極側連通路Ｔｆを通流して排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出される。
又、冷却水は、図７及び図８において一点鎖線矢印にて示すように、一方の冷却水連通路Ｔｗから各セルＣの冷却水流路に供給され、冷却水流路を通流してから、他方の冷却水連通路Ｔｗに流出し、その冷却水連通路Ｔｗを通流して排出用の冷却水用接続部８ｗから排出される。
【００３７】
排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓから排出された酸素含有ガスに含まれる水分は気液分離器１６にて分離し、排出用の燃料極側ガス用接続部８ｆから排出された水素含有ガスに含まれる水分は気液分離器１９にて分離し、気液分離器１９にて分離された水を気液分離器１６に供給するようにしてある。そして、気液分離器１６内の水を、冷却水ポンプ２０にて、冷却水循環路２１に圧送するように構成してある。
【００３８】
そして、各セルＣにおいては、通流する酸素含有ガス及び水素含有ガスに含まれる水分によって電解質層１が湿らされる状態で、酸素含有ガス中の酸素と水素含有ガス中の水素との電気化学反応により発電される。又、冷却水の通流により、各セルＣの温度が所定の温度に維持される。
【００３９】
セルスタックＮＣにて発電された電力は、一対の集電板７から取り出すように構成し、給電路３３にて、セルスタックＮＣと蓄電部３２を並列接続した状態で、インバータ３１に接続してあり、給電路３３には、セルスタックＮＣからの出力電流を検出する電流検出器３４、及び、出力電圧を検出する電圧検出器３５を設けてある。
【００４０】
ガス生成部Ｒは、供給される都市ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器４１、その脱硫器４１から排出される脱硫原燃料ガスを別途供給される水蒸気にて水素と一酸化炭素に改質処理する改質器４２、その改質器４２から排出されるガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器４３、及び、その変成器４３から排出されるガス中に残留している一酸化炭素を除去するＣＯ除去器４４を備えて構成して、一酸化炭素含有量の少ない水素含有ガスを生成するように構成してある。
改質器４２には、改質反応用の熱を生成するためにバーナ４２ｂを設けてあり、そのバーナ４２ｂには、セルスタックＮＣから排出されて気液分離器１９にて分離された水素含有ガスを、オフガス路２５を通じて供給して、燃焼させる。
【００４１】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
供給用の酸素極側ガス用接続部８ｓから酸素含有ガスを供給し、供給用の燃料極側ガス用接続部８ｆから水素含有ガスを供給して、各セルＣにて発電させて運転するが、酸素利用率が５０％程度になるように、酸素含有ガス供給量を設定し、水素利用率が７０％程度になるように、水素含有ガス供給量を設定してある。
従って、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスは、流路の上流側ほど酸素濃度が高くなり、燃料極側流路を通流する水素含有ガスは、流路の上流側ほど水素濃度が高くなるので、セルＣにおいては、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高い部分ほど電流密度が高くなり、且つ、通流する水素含有ガスの水素含有率が高い部分ほど電流密度が高くなるような不均一な電流密度分布が生じる。
【００４２】
燃料電池ＦＣを起動するときは、各セルＣの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を、前回の停止時の通流方向とは反対方向になるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅを開閉操作し、並びに、燃料電池の運転中は、定期的に各セルＣの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転するように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅを開閉操作する。
つまり、請求項１に記載の燃料電池の運転方法、即ち、酸素極２側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向繰り返し反転させる燃料電池の運転方法を実行する。
【００４３】
そして、各セルＣの酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転することにより、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が高いことから、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、通流する酸素含有ガスの酸素濃度が低くなって、それによって電流密度が低くなって水分生成量が少なくなり、濡れ状態が軽減されることになる。つまり、一方の通流方向にて各セルＣの酸素極側流路を酸素含有ガスを通流させる運転が、通常運転になり、他方の通流方向にて各セルＣの酸素極側流路を酸素含有ガスを通流させる運転が、濡れ回復用運転となり、その濡れ回復用運転は、ガス通流方向反転運転に相当する。
従って、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、即ち、発電に伴ってセルＣの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルＣにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返す燃料電池の運転方法を実行する。
【００４４】
そして、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めてあり、具体的には、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、通常運転条件と濡れ回復用運転条件とで酸素極側流路（酸素含有ガス通流経路に相当する）における酸素含有ガスの通流方向を逆向きとなるように定めることになり、請求項３に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００４５】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、操作部１３から起動指令が指令されると、所定の起動制御を実行して燃料電池ＦＣを起動し、燃料電池ＦＣを、設定定格電流値の電流が出力される定格状態で運転し、操作部１３から停止指令が指令されると、所定の停止制御を実行して燃料電池ＦＣを停止させる。尚、定格状態での運転中は、酸素利用率が５０％程度になるように、酸素含有ガス供給量を調節すべく、酸素含有ガス調整弁Ｃｓを調節し、水素利用率が７０％程度になるように、水素含有ガス供給量を調節すべく、水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。又、酸素含有ガス加湿路２３及び水素含有ガス加湿路２４それぞれに設けた水蒸気調整弁Ｃｗは、予め定めた開度に調節する。
【００４６】
従って、燃料電池ＦＣからの出力直流電力がインバータ３１により交流電力に変換されて電力負荷ＬＤに出力されると共に、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が余るときには、その余った直流電力が蓄電部３２に蓄えられ、電力負荷ＬＤに対して燃料電池ＦＣの出力電力が不足するときには、その不足分を補うように、蓄電部３２に蓄えられている直流電力がインバータ３１により交流電力に変換されて電力負荷ＬＤに出力される。
【００４７】
又、制御部１２は、停止時の一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの操作状態、即ち、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を記憶するように構成してある。
そして、制御部１２は、操作部１３から起動指令が指令されると、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を前回の停止時とは反転させるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの作動を制御し、且つ、燃料電池ＦＣの運転中は、定期的に酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの作動を制御する。
又、制御部１２は、燃料電池ＦＣの運転中に酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように、一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅの作動を制御する際には、酸素含有ガスの通流方向を反転させた時点から残留ガス排出用設定時間（例えば、１０秒間）の間、電流検出器３４の検出電流値が、設定定格電流値よりも小さい設定反転時用電流値（反転時用出力に相当する）になるように、水素含有ガス供給量を減少調節すべく水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節し、残留ガス排出用設定時間が経過すると、電流検出器３４の検出電流値が設定定格電流値になるように、水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。
ちなみに、前記残留ガス排出用設定時間は、酸素含有ガスの通流方向の反転前にセルＣの酸素極側流路に残留していた酸素含有ガスが酸素極側流路から排出されるのに要する時間以上に設定してあり、もちろん、その残留ガス排出用設定時間は、酸素含有ガスの通流方向を反転させる周期よりもはるかに短い。
尚、酸素含有ガスの通流方向を反転させてから残留ガス排出用設定時間が経過して、電流検出器３４の検出電流値が設定定格電流値になるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節した以降は、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００４８】
上記の説明から分かるように、第１実施形態においては、請求項１〜３の各発明に加えて、請求項８〜１１の各発明が記載されている。
【００４９】
次に、図２に基づいて、第１実施形態による運転方法により燃料電池の耐久性を向上できることを検証した結果を説明する。尚、図２は、セル電圧の経時変化を示し、実線は、本発明による運転方法により運転した結果を示し、破線は、従来の運転方法により運転した結果を示す。
運転条件は、セルＣの温度は７５°Ｃ程度、水素利用率は７０％、酸素利用率は５０％、及び、電流密度は５０００Ａ／ｍ2 である。
【００５０】
図２に示すように、時間経過に伴うセル電圧の低下率は、１００時間から５００時間の間は、本発明による運転方法では４０ｍＶ／１０００ｈであり、従来の運転方法では６０ｍＶ／１０００ｈであり、５００時間以降は、本発明による運転方法では１０ｍＶ／１０００ｈ以下であり、従来の運転方法では２０ｍＶ／１０００ｈであり、時間経過に伴うセル電圧の低下率は、本発明の運転方法による方が、従来の運転方法によるよりも小さく、本発明の運転方法によれば、耐久性を向上することができる。
【００５１】
以下、本発明の第２ないし第４の各実施形態を説明するが、各実施形態では、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として、第１実施形態と異なる構成を説明する。
【００５２】
〔第２実施形態〕
以下、図３に基づいて、本発明の第２実施形態を説明する。
図３に示すように、第２実施形態においては、酸素含有ガス供給路１４を直接、供給用の酸素極側ガス用接続部８ｓに接続し、酸素含有ガス排出路１５を直接排出用の酸素極側ガス用接続部８ｓに接続して、第１実施形態において設けた一対の供給側開閉弁Ｖｉ及び一対の排出側開閉弁Ｖｅを省略して、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、図７の（イ）に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【００５３】
又、酸素ボンベ２６からの酸素ガスを導く酸素ガス供給路２７を酸素含有ガス供給路１４に接続すると共に、その酸素ガス供給路２７に、酸素含有ガス供給路１４への酸素ガスの供給を断続する酸素用開閉弁Ｖｏ、及び、酸素含有ガス供給路１４への酸素ガスの供給量を調節する酸素調整弁Ｃｏを設けてある。
【００５４】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、酸素用開閉弁Ｖｏを閉弁した状態で、上記の第１実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、酸素用開閉弁Ｖｏを開弁すると共に、酸素調整弁Ｃｏを予め設定した開度に調節する濡れ回復運転を、酸素富化運転用設定時間の間実行する。
【００５５】
濡れ回復運転においては、セルＣに供給される酸素含有ガスの酸素濃度が高くなるので、酸素極側流路の下流側においても、通流する酸素含有ガスの酸素濃度を高い状態に維持することができることとなり、電流密度分布を通常運転におけるよりも均一になるようにすることができる。
従って、通常運転において、通流する酸素含有ガスの濃度が他より高いために、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分は、電流密度分布が通常運転におけるよりも均一となる濡れ回復運転においては、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなので、濡れ状態を軽減することができる。
【００５６】
つまり、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、即ち、発電に伴ってセルＣの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、セルＣにおいて通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返す燃料電池の運転方法を実行する。
そしてまた、請求項３に記載の燃料電池の運転方法、即ち、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００５７】
そしてまた、請求項４に記載の燃料電池の運転方法、即ち、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、濡れ回復用運転条件にて運転する方が通常運転条件にて運転するよりも、セルＣの電流密度分布が均一になるように、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める（具体的には、酸素極２に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも高くする）燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００５８】
ちなみに、第２実施形態における濡れ回復運転は、濡れ回復用運転条件を酸素極２に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転に相当する。
【００５９】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、酸素用開閉弁Ｖｏを閉弁した状態で定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に、酸素用開閉弁Ｖｏを開弁すると共に、酸素調整弁Ｃｏを予め設定した開度に調節する濡れ回復運転を、酸素富化運転用設定時間の間実行する。
【００６０】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器３４の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。但し、濡れ回復運転中は、セルＣに供給される酸素含有ガスの酸素濃度が高くなって、セルＣの発電性能が向上しているので、セルＣの電圧が上昇する場合がある。そこで、濡れ回復運転中は、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行することにより、セルＣの電圧が高くなり過ぎて、セルＣがダメージを受けるのを防止する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００６１】
尚、濡れ回復運転中にセルＣの電圧が高くなり過ぎるのを防止するための制御としては、電圧検出器３５の検出電圧が前記上限値を越えないように、酸素調整弁Ｃｏの調節により、酸素極２に供給する酸素含有ガスに対する酸素富化状態を調節する制御も可能である。
【００６２】
上記の説明から分かるように、第２実施形態においては、請求項２〜４の各発明に加えて、請求項１０の発明が記載されている。
【００６３】
〔第３実施形態〕
以下、図４に基づいて、本発明の第３実施形態を説明する。
図４に示すように、第３実施形態においては、第２実施形態と同様に、第１実施形態における、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、第２実施形態と同様に、図７の（イ）に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【００６４】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、上記の第１実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、酸素含有ガス調整弁Ｃｓの開度を通常運転時におけるよりも大きい濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を、酸素利用率低下運転用設定時間の間実行する。
【００６５】
濡れ回復運転においては、セルＣに供給される酸素含有ガスの供給量が多くなる（換言すれば、酸素利用率が低くなる）なるので、酸素極側流路の下流側においても、通流する酸素含有ガスの酸素濃度を高い状態に維持することができることとなり、電流密度分布を通常運転におけるよりも均一になるようにすることができる。
従って、通常運転において、通流する酸素含有ガスの濃度が他より高いために、電流密度が高くて水分生成量が多かった部分が、電流密度分布が通常運転におけるよりも均一となる濡れ回復運転においては、電流密度が低くなって水分生成量が少なくなので、濡れ状態を軽減することができる。
【００６６】
つまり、第３実施形態においては、第２実施形態と同様に、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、請求項３に記載の燃料電池の運転方法、請求項４に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
尚、第３実施形態においては、通常運転条件と濡れ回復用運転条件を、濡れ回復用運転条件の方が通常運転条件よりも酸素含有ガスの供給量が多くなるように（換言すれば、酸素利用率が低くなるように）、酸素極２に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定めることになる。
【００６７】
ちなみに、第３実施形態における濡れ回復運転は、濡れ回復用運転条件を酸素極２に供給する酸素含有ガス供給量が通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転に相当する。
【００６８】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に、酸素含有ガス調整弁Ｃｓの開度を濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を、酸素利用率低下運転用設定時間の間実行する。
【００６９】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器３４の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。但し、濡れ回復運転中は、酸素利用率が小さくなって、セルＣの発電性能が向上しているので、セルＣの電圧が上昇する場合がある。そこで、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００７０】
上記の説明から分かるように、第３実施形態においては、請求項２〜４の各発明に加えて、請求項１０の発明が記載されている。
【００７１】
〔第４実施形態〕
以下、図４に基づいて、本発明の第４実施形態を説明する。
図４に示すように、第４実施形態においては、第２実施形態と同様に、第１実施形態における、酸素極側流路を通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるための構成を省略してある。
そして、第２実施形態と同様に、図７の（イ）に示すように、酸素含有ガスと水素含有ガスをそれぞれ酸素極側流路、燃料極側流路を常に同方向に通流させるように構成してある。
【００７２】
上述のように構成した燃料電池ＦＣにおいては、以下のような運転方法を実行する。
通常運転においては、上記の第１実施形態と同様の定格状態で運転する。
そして、通常運転にて運転中に、定期的に、冷却水ポンプ２０の回転速度を通常運転時よりも遅い濡れ回復運転用回転速度に調節し、且つ、両水蒸気調整弁Ｃｗの開度を通常運転時よりも小さい濡れ回復運転用開度に調節する濡れ回復運転を実行する。
【００７３】
濡れ回復運転においては、セルＣに供給される冷却水の供給量が通常運転におけるよりも少なくなるためにセルＣを冷却する冷却能力が小さくなって、セルＣの温度が上昇すると共に、酸素極２に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量及び燃料極３に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が通常運転よりも少なくなって、セルＣに供給される加湿水分量が少なくなるので、そのように、セルＣを冷却する冷却能力が小さくなってセルＣの温度が上昇すること、及び、セルＣに供給される加湿水分量が少なくなることの相乗作用により、通常運転時において濡れていた部分の濡れ状態を速やかに軽減することができる。
【００７４】
つまり、第４実施形態においては、請求項２に記載の燃料電池の運転方法、請求項５に記載の燃料電池の運転方法、及び、請求項６に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
又、第４実施形態においては、濡れ回復運転として、濡れ回復用運転条件をセルＣを冷却する冷却能力が通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、及び、濡れ回復用運転条件を酸素極２に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は燃料極３に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転を並行して実行することになるので、請求項７に記載の燃料電池の運転方法を実行することになる。
【００７５】
次に、上述のような運転方法を実行するための制御部１２の制御動作について説明する。
制御部１２は、定格状態で運転する通常運転の運転中に、定期的に濡れ回復運転を実行する。
制御部１２は、濡れ回復運転においては、冷却水ポンプ２０の回転速度を濡れ回復運転用回転速度に調節し且つ両水蒸気調整弁Ｃｗの開度を濡れ回復運転用開度に調節する状態を、セルＣの温度を検出する温度センサ（図示省略）の検出温度が設定温度（例えば１°Ｃ）上昇するまで継続し、設定温度上昇すると、冷却水ポンプ２０の回転速度を通常運転時の回転速度に戻し且つ両水蒸気調整弁Ｃｗの開度を通常運転時の開度に戻して、セルＣの発電性能の回復を判別する制御を、発電性能が所定値まで回復するまで継続する。
発電性能の回復の判別は、電流検出器３４の検出電流と電圧検出器３５の検出電圧にて行う。
【００７６】
尚、濡れ回復運転中は、基本的には、電流検出器３４の検出電流を設定定格電流値に維持するように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節する。但し、濡れ回復運転中は、セルＣの温度が上昇して、セルＣの発電性能が向上しているので、セルＣの電圧が上昇する場合がある。そこで、電圧検出器３５にて出力電圧を監視して、出力電圧が上限値（例えば、単セル電圧に換算して８００ｍＶになるような値）を越えるときは、出力電流を増加させるように水素含有ガス調整弁Ｃｆを調節して、出力電圧を低下させる制御を実行する。その場合、余剰電力が発生すると、蓄電部３２に蓄電される。
【００７７】
尚、濡れ回復運転において通常運転時よりもセルＣの温度を上昇させる範囲は、例えば、セルＣに悪影響を与えないために、５°Ｃ以内に設定するのが好ましい。
【００７８】
上記の説明から分かるように、第３実施形態においては、請求項２、５、６、７の各発明に加えて、請求項１０の発明が記載されている。
【００７９】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 上記の第１実施形態においては、酸素極２側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させるように構成する場合について例示したが、燃料極３側の面に沿って通流する水素含有ガスの通流方向を反転させるように構成しても良いし、あるいは、酸素極２側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向、及び、燃料極３側の面に沿って通流する水素含有ガスの通流方向の両方を反転させるように構成しても良い。
【００８０】
（ロ） 上記の第１実施形態においては、酸素極２側の面に沿って通流する酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、出力電流値を通常運転時よりも小さくなるように調整する場合について例示したが、出力電流値を通常運転時と同一に維持するように構成しても良いし、電力負荷ＬＤ及び蓄電部３２をセルスタックＮＣから切り離して、出力電流値をゼロにしても良い。
【００８１】
（ハ） 上記の第４実施形態においては、濡れ回復運転として、昇温運転と加湿低減運転を並行して実行する場合について例示したが、濡れ回復運転として、昇温運転を単独で実行したり、加湿低減運転を単独で実行してもい良い。
昇温運転を単独で実行する場合は、第４実施形態で説明したように、セルＣの温度を設定温度ステップで上昇させるべく、間欠的に実行するのが好ましい。
加湿低減運転を単独で実行する場合は、予め設定した加湿低減運転用設定時間の間継続して実行する。
【００８２】
（ニ） 濡れ回復運転として、上記の第１実施形態で説明したガス通流方向反転運転、第２実施形態で説明した酸素富化運転、第３実施形態で説明した酸素利用率低下運転、第４実施形態で説明した昇温運転、及び、同じく第４実施形態で説明した加湿低減運転のうち、いずれか２つを実行したり、いずれか３つを実行したり、いずれか４つを実行したり、全てを実行したりしても良い。
【００８３】
（ホ） 上記の第１実施形態においては、請求項１、８、９夫々に記載の発明を高分子型の燃料電池に適用する場合について例示したが、請求項１、８、９夫々に記載の発明は、高分子型以外の種々の燃料電池、例えば、リン酸型、固体電解質型等の燃料電池にも適用することが可能である。
【００８４】
（ヘ） 上記の各実施形態においては、セルスタックＮＣを、セルＣの板面が水平方向を向く姿勢で配置する場合について例示したが、セルＣの板面が上下方向を向く姿勢で配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図２】セル電圧の経時変化を示す図
【図３】第２実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図４】第３及び第４実施形態に係る燃料電池を備えた電源装置の全体構成を示す系統図
【図５】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図６】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図７】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図８】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの要部を示す分解斜視図
【図９】実施形態に係る燃料電池のセルスタックの全体概略構成を示す図
【符号の説明】
１ 電解質層
２ 酸素極
３ 燃料極
１２ 制御手段
Ｃ セル
Ｖ 通流方向反転手段
Claims (9)
- 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法であって、
前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を、繰り返し反転させるとともに、
前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節する燃料電池の運転方法。 - 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池の運転方法であって、
前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返すとともに、
前記通常運転と前記濡れ回復運転として、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させ、
前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節する燃料電池の運転方法。 - 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態又は前記燃料極に対する水素含有ガスの供給状態を異ならせて定める請求項２記載の燃料電池の運転方法。
- 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セルの電流密度分布が均一になるように、前記酸素極に対する酸素含有ガスの供給状態を異ならせて定める請求項３記載の燃料電池の運転方法。
- 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件にて運転する方が前記通常運転条件にて運転するよりも、前記セル
の温度が高くなるように、前記セルを冷却する冷却能力を異ならせて定める請求項２記載の燃料電池の運転方法。 - 前記通常運転条件と前記濡れ回復用運転条件を、前記濡れ回復用運転条件の方が前記通常運転条件よりも、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が少なくなるように定める請求項２記載の燃料電池の運転方法。
- 前記濡れ回復運転として、
前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガス供給量が前記通常運転条件よりも多くなるように定めた酸素利用率低下運転、
前記濡れ回復用運転条件を前記酸素極に供給する酸素含有ガスの酸素濃度が前記通常運転条件よりも高くなるように定めた酸素富化運転、
前記濡れ回復用運転条件を、前記セルを冷却する冷却能力が前記通常運転条件よりも低くなるように定めた昇温運転、
前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させる経路に対する酸素含有ガスの通流方向又は前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させる経路に対する水素含有ガスの通流方向を前記通常運転条件とは反転させるように定めたガス通流方向反転運転、及び、
前記濡れ回復用運転条件を、前記酸素極に供給される酸素含有ガスを加湿する加湿水分量又は前記燃料極に供給される水素含有ガスを加湿する加湿水分量が前記通常運転条件よりも少なくなるように定めた加湿低減運転のうち、
少なくとも２つを並行して実行する請求項２記載の燃料電池の運転方法。 - 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池であって、
前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段と、
前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御する制御手段が設けられるとともに、
前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されている燃料電池。 - 電解質層の両側に酸素極と燃料極を振り分けて配置したセルにおける、前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスを通流させ、且つ、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスを通流させるように構成された燃料電池であって、
前記セルが、高分子膜を前記電解質層として備え、
燃料電池の運転を管理する制御手段が設けられ、
その制御手段が、発電に伴って前記セルの一部分が水分にて濡れることがある通常運転条件にて運転する通常運転、及び、前記セルにおいて前記通常運転時に水分にて濡れた部分の濡れ状態を軽減するために前記通常運転条件とは異なるように定めた濡れ回復用運転条件にて運転する濡れ回復運転とを、交互に繰り返し実行するように構成されるとともに、
前記酸素極側の面に沿って酸素含有ガスが通流される経路に対する酸素含有ガスの通流方向、又は、前記燃料極側の面に沿って水素含有ガスが通流される経路に対する水素含有ガスの通流方向を反転自在な通流方向反転手段が設けられ、
前記制御手段は、前記酸素含有ガスの通流方向又は前記水素含有ガスの通流方向を繰り返し反転させるように、前記通流方向反転手段の作動を制御することにより、前記通常運転と前記濡れ回復運転とを交互に繰り返し実行するように構成され、且つ、
前記酸素含有ガスの通流方向の通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた酸素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記水素含有ガスの供給量を減少調節し、又は
前記水素含有ガスの通流方向を反転させる際には、前記通流方向の反転時点から、少なくとも、前記通流方向の反転前に前記セルに残留していた水素含有ガスが前記セルから排出されるまでの間は、前記セルの発電出力が通常運転時よりも小さい反転時用出力になるように、前記酸素含有ガスの供給量を減少調節するように構成されている燃料電池。
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