(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能を確保するのに有利な燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】第１電極２に燃料を供給して第１電極２をアノードとすると共に第２電極３に酸化剤を供給して第２電極３をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、第１電極２に酸化剤を供給して第１電極２をカソードとすると共に第２電極３に燃料を供給して第２電極３をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施する。第１発電工程と第２発電工程との間において残留分除去工程を実施する。残留分除去工程では、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３に供給する燃料及び酸化剤の供給を停止させる操作を行う。活性度が低い流体を第１電極２と第２電極３に供給することが好ましい。電力消費装置８４を導通させて第１電極２と第２電極３との間の電位差を低減させる操作を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、前記第１電極と前記第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用意する工程と、
前記燃料電池の前記第１電極に燃料を供給して前記第１電極をアノードとすると共に前記第２電極に酸化剤を供給して前記第２電極をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、
前記燃料電池の前記第１電極に酸化剤を供給して前記第１電極をカソードとすると共に前記第２電極に燃料を供給して前記第２電極をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施する燃料電池の運転方法であり、
前記第１発電工程と前記第２発電工程との間において、前記燃料電池の前記第１電極及び前記第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させる操作と、前記第１電極と前記第２電極とを前記電力消費装置を介して導通させて前記第１電極と前記第２電極との間の電位差を低減させる操作とを行う残留分除去工程を実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、前記第１電極と前記第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用意する工程と、
前記燃料電池の前記第１電極に燃料を供給して前記第１電極をアノードとすると共に前記第２電極に酸化剤を供給して前記第２電極をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、
前記燃料電池の前記第１電極に酸化剤を供給して前記第１電極をカソードとすると共に前記第２電極に燃料を供給して前記第２電極をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施する燃料電池の運転方法であり、
前記第１発電工程と前記第２発電工程との間において、前記燃料電池の前記第１電極及び前記第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させると共に、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体を前記燃料電池の前記第１電極及び前記第２電極に供給する操作と、前記第１電極と前記第２電極とを電力消費装置を介して導通させて前記第１電極と前記第２電極との間の電位差を低減させる操作とを行う残留分除去工程を実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記残留分除去工程は、前記発電工程を設定時間行った後に実行することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記残留分除去工程は、前記発電工程において発電する発電能力に関する物理量が設定値以下となったときに実行することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記第１電極における触媒と、前記第２電極における触媒とは互いに同一または同系の材質とされていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記第１電極における単位体積当たりの触媒の担持量と、前記第２電極における単位体積当たりの触媒の担持量とは、互いに同一または近似していることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項において、前記電力消費装置は、電気抵抗値が可変とされていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項において、前記電力消費装置は、互いに並列に複数個設けられており、少なくとも一つの前記電力消費装置の導通及び非導通を切り替えるスイッチング手段が設けられていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を長期にわたり運転させると、発電性能が次第に低下することがある。これは、触媒の劣化等により、アノードの触媒、カソードの触媒の活性が低下するためと推察される。アノードの劣化速度とカソードの劣化速度とを比較すると、酸化剤極であるカソードの方が、燃料極であるアノードよりも速い。このためカソードの活性低下が燃料電池の発電性能の低下に大きく影響を与えている。
【０００３】
そこで、従来、燃料ガス及び酸化剤ガスを途中で入れ替える燃料電池の運転方法が知られている（特許文献１）。この運転方法によれば、燃料電池の第１電極に燃料ガスを供給して第１電極をアノードとすると共に、第２電極に酸化剤ガスを供給して第２電極をカソードとした状態で発電する。その後、燃料電池の第１電極に燃料ガスに代えて酸化剤ガスを供給して第１電極をカソードとすると共に、第２電極に酸化剤ガスに代えて燃料ガスを供給して第２電極をアノードとした状態で発電する。即ち、この運転方法によれば、第１電極及び第２電極のガスを途中で入れ替えることにしている。
【特許文献１】特許第３４７５８６９号（特開２００１−８５０３７号公報）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した技術によれば、第１電極及び第２電極についてガスを途中で入れ替えることにしているが、どうような過程で入れ替えるかについては、開示されていない。このため燃料電池の発電性能を確保するのには限界があった。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電性能を確保するのに有利な燃料電池の運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）様相１に係る本発明の燃料電池の運転方法は、第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、第１電極と第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用意する工程と、
燃料電池の第１電極に燃料を供給して第１電極をアノードとすると共に第２電極に酸化剤を供給して第２電極をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、
燃料電池の第１電極に酸化剤を供給して第１電極をカソードとすると共に第２電極に燃料を供給して第２電極をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施する燃料電池の運転方法であり、
第１発電工程と第２発電工程との間において、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させる操作と、第１電極と第２電極とを電力消費装置を介して導通させて第１電極と第２電極との間の電位差を低減させる操作とを行う残留分除去工程を実施することを特徴とするものである。
【０００７】
（２）様相２に係る本発明の燃料電池の運転方法は、第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、第１電極と第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用意する工程と、
燃料電池の第１電極に燃料を供給して第１電極をアノードとすると共に第２電極に酸化剤を供給して第２電極をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、
燃料電池の第１電極に酸化剤を供給して第１電極をカソードとすると共に第２電極に燃料を供給して第２電極をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施する燃料電池の運転方法であり、
第１発電工程と第２発電工程との間において、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させると共に、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体を燃料電池の第１電極及び第２電極に供給する操作と、第１電極と第２電極とを電力消費装置を介して導通させて第１電極と第２電極との間の電位差を低減させる操作とを行う残留分除去工程を実施することを特徴とするものである。
【０００８】
（３）様相１に係る本発明の燃料電池の運転方法によれば、残留分除去工程では、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させる。また残留分除去工程では、第１電極と第２電極とは電力消費装置を介して導通されてる。このため、燃料電池の内部にまだ残留している燃料及び酸化剤に基づいて発電反応が進行する。従って、第１電極及び第２電極のうちの一方に残留している燃料成分が次第に消費される。同様に、第１電極及び第２電極のうちの他方に残留している酸化剤成分が次第に消費される。故に、第１電極及び第２電極における残留分は低減される。故に、第１電極及び第２電極において燃料と酸化剤とを入れ替えたとき、第１電極及び第２電極における燃料と酸化剤との混入を抑制することができ、燃料電池の耐久性の向上に有利となる。また、第１電極と第２電極とを電力消費装置を介して導通させるため、急激な放電が抑制され、燃料電池の構成材料の損傷は抑制される。
【０００９】
また様相２に係る本発明の燃料電池の運転方法によれば、残留分除去工程では、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させると共に、活性度が低い流体を燃料電池の第１電極及び第２電極に供給する操作を行う。このため第１電極及び第２電極のうちの一方に残留していた燃料、第１電極及び第２電極のうちの他方に残留していた酸化剤は、活性度が低い流体により追い出され、活性度が低い流体に置き換わる。この場合においても、燃料成分が第１電極及び第２電極のうちの一方に残留していたり、酸化剤成分が第１電極及び第２電極のうちの他方に残留していることがある。このように残留していたとしても、第１電極と第２電極とは電力消費装置を介して導通されており、燃料電池の内部にまだ残留している燃料及び酸化剤に基づいて発電反応が進行する。従って、第１電極及び第２電極のうちの一方に残留している燃料成分が次第に消費される。同様に、第１電極及び第２電極のうちの他方に残留している酸化剤成分が次第に消費される。このため第１電極及び第２電極における残留分は一層低減される。故に、第１電極及び第２電極において燃料と酸化剤とを入れ替えたとき、第１電極及び第２電極における燃料と酸化剤との混入を抑制することができ、燃料電池の耐久性の向上に有利となる。また、第１電極と第２電極とを電力消費装置を介して導通させるため、急激な放電が抑制され、燃料電池の構成材料の損傷は抑制される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明方法によれば、前述したように、放電抵抗等の電力消費装置を介して第１電極と第２電極とを導通させることにより、燃料電池の第１電極及び第２電極における残留分を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明方法の好ましい形態によれば、第１発電工程と第２発電工程との間において、定期的にあるいは不定期的に、残留分除去工程を実施する。残留分除去工程では、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させる操作と、電力消費機能を有する電力消費装置を介して第１電極と第２電極とを導通させ、第１電極と第２電極との間の電位差を低減させる操作とを行う。
【００１２】
ここで、残留分除去工程では、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させると共に、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体を燃料電池の第１電極及び第２電極に供給することが好ましい。これにより燃料及び酸化剤を燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体により燃料電池から追い出し易くなり、燃料電池における燃料の残留濃度、酸化剤の残留濃度を低減させることができる。燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体としては、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス、あるいは、これらが濃度的に富化されたガスが例示される。
【００１３】
本発明方法によれば、電力消費装置としては、燃料電池で本来的に駆動させている主負荷よりも電気抵抗値が小さな抵抗を有するものを例示できる。第１電極と第２電極とを電力消費装置なしで導通させると、急激な電気的短絡が生じ易く、燃料電池の構成材料を損傷させるおそれがある。電力消費装置は、電気抵抗値が固定タイプでも良いし、可変タイプでも良い。
【００１４】
また電力消費装置としては、互いに並列に複数個設けられており、少なくとも一つの電力消費装置の導通及び非導通を切り替えるスイッチング手段が設けられている形態を例示することができる。この場合、並列的に配置された電力消費装置の合成抵抗値は、電力消費装置のそれぞれの電気抵抗値よりも低くなるため、第１電極と第２電極との間における放電に要する時間を調整できる。
【００１５】
本発明方法によれば、次の（ａ）〜（ｄ）の形態を例示することができる。
（ａ）発電工程を終了するとき、残留分除去工程を行う形態を採用することができる。燃料電池における残留分は除去されているため、発電工程を停止している間において燃料電池の劣化が抑制される。
（ｂ）第１発電工程及び第２発電工程の双方を同日において交互に行ない、第１発電工程と第２発電工程との間において残留分除去工程を行う形態を採用することができる。第１発電工程と第２発電工程との間において切替が行われるとき、燃料及び酸化剤が入れ替えられるが、残留分除去工程において残留分は除去されているため、燃料電池において燃料と酸化剤との混入が抑制される。
（ｃ）第１発電工程を所定時間（例えば１週間）行った後に、第２発電工程を所定時間（例えば１週間）行ない、且つ、第１発電工程と第２発電工程との間において残留分除去工程を行う形態を採用することができる。第１発電工程と第２発電工程との間において切替が行われるとき、燃料及び酸化剤が入れ替えられるが、残留分除去工程において残留分は除去されているため、燃料電池において燃料と酸化剤との混入が抑制される。
（ｄ）発電システムの運転を停止させるまで第１発電工程を行ない、発電システムの運転を再開させるときに第２発電工程を行ない、第１発電工程と第２発電工程との間において残留分除去工程を行う形態を採用することができる。この場合においても、第１発電工程と第２発電工程との間において切替が行われるとき、燃料及び酸化剤が入れ替えられるが、残留分除去工程において残留分は除去されているため、燃料電池において燃料と酸化剤との混入が抑制される。
【００１６】
本発明方法によれば、第１電極における触媒と、第２電極における触媒とは、互いに同一または同系の材質とされている形態を採用することができる。この場合、燃料電池の第１電極及び第２電極について、燃料と酸化剤とを入れ替えたとしても、燃料電池における発電性能が変動することが抑制される。即ち、第１発電工程と第２発電工程とを切り替えたときにおける発電性能の変動を抑制するのに有利である。ＣＯ被毒の問題がないときには、第１電極における触媒、第２電極における触媒としては、白金（Ｐｔ）を採用できる。またＣＯ被毒に対して耐久性を高める必要があるときには、第１電極における触媒、第２電極における触媒は、ＣＯ被毒に対して耐久性が高い触媒、例えば、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）等を採用できる。
【００１７】
また、第１電極における単位体積当たりの触媒の担持量と、前記第２電極における単位体積当たりの触媒の担持量とは、互いに同一または近似している形態を採用することができる。『近似している』とは、第１電極における単位体積当たりの触媒の担持量を１００と相対表示したとき、触媒の材質によっても相違するものの、第２電極における単位体積当たりの触媒の担持量が７０〜１３０の範囲、８０〜１２０の範囲となることをいう。殊に８０〜１２０の範囲、９０〜１１０の範囲、９５〜１０５の範囲内とすることができる。この場合、燃料電池の第１電極及び第２電極について燃料と酸化剤とを入れ替えたとしても、燃料電池における発電性能が変動することが抑制される。
【００１８】
残留分除去工程は、発電工程を設定時間行った後に実行する形態を採用することができる。設定時間は、燃料電池の種類等に応じて適宜設定することができ、一般的には、燃料電池の発電性能が低下してきた時期に対応するように設定時間を設定する。設定時間は発電時間、発電開始回数等に基づいて設定できる。また、残留分除去工程は、発電工程において発電する発電能力に関する物理量（例えば電圧または電流）が設定値以下となったときに実行する形態を採用することができる。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例１について図１〜図５を参照して説明する。図１は燃料電池１の概念を示す。燃料電池１は、図１に示すように、第１電極２と、第２電極３と、電解質膜としての固体電解質膜４０と、配流板としての第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２とを備えている。固体電解質膜４０は固体高分子膜で形成されており、第１電極２と第２電極３とで挟持されている。第１電極２は、固体電解質膜４０に対面する第１触媒層２１と、第１セパレータ４１に対面するガス透過性及び導電性を有する第１ガス拡散層２２とで形成されている。第２電極３は、固体電解質膜４０に対面する第２触媒層３１と、第２セパレータ４２に対面するガス透過性及び導電性を有する第２ガス拡散層３２とで形成されている。
【００２０】
第１ガス拡散層２２及び第２ガス拡散層３２は、カーボン繊維に代表される導電繊維等の導電物質の集合体で形成されている。第１ガス拡散層２２及び第２ガス拡散層３２は同一または同系の材質、サイズで形成されている。第１電極２と第２電極３とで燃料及び酸化剤の入れ替えを行ったとき、燃料電池１の発電性能の変動を抑制するためである。
【００２１】
第１触媒層２１及び第２触媒層３１はガス透過性、イオン伝導性及び導電物質を有しており、イオン伝導性を有する電解質成分と、触媒と、カーボンブラック等の導電物質を主要成分とする。第１電極２における触媒と、第２電極３における触媒とは、互いに同一の材質とされているか、あるいは、同系の材質とされている。よって、燃料ガスが純度が高い水素ガスであれば、ＣＯ被毒の問題が事実上ないため、第１電極２における触媒、第２電極３における触媒は、白金（Ｐｔ）を採用できる。また、燃料ガスが一酸化炭素（ＣＯ）を含むガス（改質ガス等）であれば、ＣＯ被毒に対して耐久性を高めるために、第１電極２における触媒、第２電極３における触媒は、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）を採用できる。
【００２２】
更に本実施例によれば、第１電極２における単位体積当たりの触媒の担持量と、第２電極３における単位体積当たりの触媒の担持量とは、互いに同一または近似するように設定されている。従って第１電極２と第２電極３とは、材質、サイズ、触媒能力について、同一または同系のものに設定されている。従って第１ガス拡散層２２及び第２ガス拡散層３２は同一の製造過程で形成することができる。
【００２３】
図１に示すように、第１セパレータ４１は、第１電極２の第１ガス拡散層２２にガスを供給する溝状の第１流路４４を有する。第２セパレータ４２は、第２電極３の第２ガス拡散層３２にガスを供給する溝状の第２流路４５を有する。第１セパレータ４１及び第２セパレータ４２は、炭素系材料または金属系材料で形成されている。
【００２４】
図２は、燃料電池１を複数個厚み方向に積層して形成したスタック５を有する燃料電池発電システムの配管図を示す。図２に示すように、燃料電池１の第１電極２にガスを供給する第１供給通路６１と、第１供給通路６１を開閉する第１供給弁６２と、燃料電池１の第２電極３にガスを供給する第２供給通路６３と、第２供給通路６３を開閉する第２供給弁６４と、第１電極２のガスを排出する第１排出通路６５と、第１排出通路６５を開閉する第１排出弁６６と、第２電極３のガスを排出する第２排出通路６７と、第２排出通路６７を開閉する第２排出弁６８とを備えている。燃料電池１のスタック５は第１給電端子１１及び第２給電端子１２を備えている。
【００２５】
燃料電池１のスタック５の発電運転によって駆動される主負荷７が設けられている。主負荷７の極性（プラス極及びマイナス極）は規定されている。主負荷７は図面上単数として模式化されているが、複数でも良い。更に図２に示すように、主負荷７に繋がる第１導電経路７１には、主負荷７の導通及び非導通を切り替える第１スイッチング素子８１ａ，８１ｂ（主負荷用のスイッチング手段）と、第４スイッチング素子８４ａ，８４ｂ（スイッチング手段）とが設けられている。図２に示すように、第１スイッチング素子８１ａ，８１ｂ、第４スイッチング素子８４ａ，８４ｂは、第１発電工程において導通される。
【００２６】
図２に示すように、主負荷７に繋がる第２導電経路７２には、主負荷７の導通及び非導通を切り替える第２スイッチング素子８２ａ，８２ｂ（主負荷用のスイッチング手段）が設けられている。第２スイッチング素子８２ａ，８２ｂは第２発電工程において導通され、第１発電工程において非導通とされる。
【００２７】
主負荷７と並列的に設けられた並列経路７３には、電力消費装置８４が設けられている。電力消費装置８４は放電抵抗で形成されており、残留分除去工程において放電用として使用される。電力消費装置８４の導通及び非導通を切り替える第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂ（電力消費装置用のスイッチング手段）が設けられている。電力消費装置８４は、第１発電工程及び第２発電工程ではオフとされて非導通状態に維持されるが、残留分除去工程ではオンされて導通される。
【００２８】
ここで、第１スイッチング素子８１ａ，８１ｂ、第２スイッチング素子８２ａ，８２ｂ、第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂ、第４スイッチング素子８４ａ，８４ｂは、リレー等の有接点構造として図示されているが、これは単なる例示であり、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ等の無接点構造でも良い。なおスイッチング素子を設ける位置としても、図示した形態に限定されるものではない。
【００２９】
第１発電工程では、スタック５を構成する燃料電池１の第１電極２に燃料ガスを供給して第１電極２をアノードとすると共に、燃料電池１の第２電極３に酸化剤ガスを供給して第２電極３をカソードとし、その状態で発電する。この場合、燃料電池１の第１電極２に燃料ガスを供給するためには、第１供給弁６２を開放する。また燃料電池１の第２電極３に酸化剤ガスを供給するためには、第２供給弁６４を開放する。このような第１発電工程では、第１排出弁６６は開放されており、発電反応を経た燃料オフガスを第１排出弁６６から排出する。また第２排出弁６８は開放されており、発電反応を経た酸化剤オフガスを第２排出弁６８から排出する。
【００３０】
なお、燃料ガスとしては一般的には水素含有ガスまたは水素ガスを用いる。このように水素含有ガスまたは水素ガスを用いる燃料ガスは、還元性雰囲気を有する。酸化剤ガスとしては酸素含有ガスまたは純酸素ガスを用いる。酸素含有ガスとしては空気を用いる。
【００３１】
上記した第１発電工程では、図２に示すように、第４スイッチング素子８４ａ，８４ｂがオンしている状態において、第１スイッチング素子８１ａ，８１ｂをオンさせて導通させる。従ってスタック５で発電された電流は、スタック５の第１給電端子１１から第２給電端子１２へと、矢印Ａ１方向，矢印Ａ２方向，矢印Ａ３方向，矢印Ａ４方向の順に流れ、主負荷７に給電される。但し第１発電工程では、図２に示すように、第２スイッチング素子８２ａ，８２ｂをオフさせて非導通とするとともに、第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂをオフさせて非導通とする。また第１発電工程では、第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂがオフとされて非導通とされているため、電力消費装置８４には電流は流れない。
【００３２】
上記したように第１発電工程を運転したら、燃料電池１の内部の燃料ガス及び酸化剤ガスの残留分を除去する残留分除去工程を行う。残留分除去工程の開始については、第１発電工程において燃料電池１の発電能力に関する物理量である発電圧が設定値以下となったとき、あるいは、第１発電工程における発電時間が設定時間を超えたときとすることができる。前者としては、第１電極２及び第２電極３間の電圧を測定する電圧検出手段１００に基づいて測定できる。後者としては、制御装置８８のタイマー機能に基づいて測定できる。
【００３３】
上記した残留分除去工程においては、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体としてパージガスを燃料電池１の第１電極２及び第２電極３に供給する。これにより第１電極２及び第２電極３にパージガスを封入するパージ操作を行う。この場合、第１供給弁６２及び第２供給弁６４を開放することにより、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３にパージガスを供給する。これにより第１電極２に既に供給されていた大部分の燃料ガスは、パージガスにより燃料電池１の第１電極２から追い出される。また第２電極３に既に供給されていた大部分の酸化剤ガスは、パージガスにより燃料電池１の第２電極３から追い出される。このようにパージガスによって燃料ガス及び酸化剤ガスの追出が終了した後、第１排出弁６６及び第２排出弁６８を閉鎖する。このため、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３にパージガスはそれぞれ封入される。封入するパージガスとしては窒素ガスまたはアルゴンを用いる。
【００３４】
上記したように燃料電池１の第１電極２及び第２電極３にパージガスをそれぞれ封入し、燃料電池１の内部から燃料ガス及び酸化剤ガスを追い出したとしても、燃料電池１の第１電極２と第２電極３との間に電位差が生じていることがある。その理由としては、第１電極２の構成材料に吸着により残留している燃料ガス成分、第２電極３の構成材料に吸着により残留している酸化剤ガス成分による影響のため、発電反応が完全には消失していないためである。
【００３５】
このため残留分除去工程では、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３にパージガスをそれぞれ封入した状態において、図３に示すように、第４スイッチング素子８４ａ，８４ｂをオンしている状態において、第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂをオンすることにより、燃料電池１の第１電極２と第２電極３とを電力消費装置８４により導通させる。この結果、燃料電池１の内部にまだ残留している燃料ガス及び酸化剤ガスに基づいて発電反応が進行する。従って、第１電極２の構成材料に吸着により残留している燃料ガス成分が次第に消費される。同様に、第２電極３の構成材料に吸着により残留している酸化剤ガス成分が次第に消費される。この場合、第１電極２と第２電極３との間の電位差を低減させる方向に電流が流れる。
【００３６】
電力消費装置８４は電気抵抗値を有するため、上記のように残留分除去工程においては放電電流の大きさは規制されるため、電気的な急激な短絡は抑制され、スパークの発生は抑制される。このため燃料電池１の第１電極２及び第２電極３等の構成材料に対する保護性を高めることができる。
【００３７】
また上記した残留分除去工程では、図３に示すように、第１スイッチング素子８１ａ，８１ｂをオフとして非導通状態にすると共に、第２スイッチング素子８２ａ，８２ｂをオフとして非導通状態にするため、主負荷７には電流は流れず、主負荷７の駆動は抑えられている。このように主負荷７が非駆動状態のときにおいて、残留分除去工程を行うことが好ましい。
【００３８】
上記した残留分除去工程の終了については、第１電極２と第２電極３との電位差が所定のしきい値未満となったことを電圧検知手段１００が検知したとき、あるいは、残留分除去工程を設定時間ＴＢ実行したことを制御装置８８のタイマー機能が計測したとき、残留分除去工程の終了とみなす。上記したしきい値としては、例えば、０．２ボルト〜０ボルトの間における任意の値を採用できる。しきい値が０ボルトに近い方が、第１電極２及び第２電極３に残留している燃料ガスや酸化剤ガスの活物質が低減されていることを意味する。
【００３９】
上記した残留分除去工程が終了したら、第２発電工程を開始する。第２発電工程では、スタック５を構成する燃料電池１の第１電極２に、燃料ガスに代えて酸化剤ガスを供給することにより、第１電極２をアノードに代えてカソードとする。更に、燃料電池１の第２電極３に酸化剤ガスに代えて燃料ガスを供給することにより、第２電極３をカソードに代えてアノードとする。この状態で発電する。
【００４０】
このような第２発電工程では、燃料電池１の第１電極２に酸化剤ガスを供給するためには、第１供給弁６２を開放する。また燃料電池１の第２電極３に燃料ガスを供給するためには、第２供給弁６４を開放する。このような第２発電工程では、第２排出弁６８は開放されており、発電反応を経た燃料オフガスを第２排出弁６８から外方に排出する。同様に第１排出弁６６は開放されており、発電反応を経た酸化剤オフガスを第１排出弁６６から外方に排出する。
【００４１】
上記した第２発電工程では、図４に示すように、第１スイッチング素子８１ａ，８１ｂをオンさせて導通させるとともに、第２スイッチング素子８２ａ，８２ｂをオンさせて導通させる。従ってスタック５で発電された電流は、第２給電端子１２から第１給電端子１１に向けて、矢印Ｂ１方向，矢印Ｂ２方向，矢印Ｂ３方向，矢印Ｂ４方向，矢印Ｂ５方向，矢印Ｂ６方向の順に流れる。ここで、第２発電工程において主負荷７に流れる電流の方向は、第１発電工程の場合と同じである。従って主負荷７は円滑に駆動することができる。
【００４２】
なお第２発電工程では、図４に示すように、第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂをオフさせて非導通とするため、電力消費装置８４には電流は流れない。
【００４３】
また、第２発電工程をある時間運転したら、第１発電工程に切り替えるが、切替に先立ち、残留分除去工程を再び行う。残留分除去工程を開始させるときには、第２発電工程において燃料電池１の発電能力に関する物理量である電圧が所定値以下となったとき、あるいは、第２発電工程における発電時間が設定時間を超えたときとすることができる。
【００４４】
上記した残留分除去工程では、前述同様に、燃料電池１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止する。更に、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体としてパージガスを燃料電池１の第１電極２及び第２電極３に供給し、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３にパージガスを封入するパージ操作を行う。この場合、第１供給弁６２及び第２供給弁６４を開放することにより、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３にパージガスを供給する。これにより第２電極３に既に供給されていた大部分の燃料ガスは、パージガスにより第２電極３から追い出される。同様に、第１電極２に既に供給されていた大部分の酸化剤ガスは、パージガスにより第１電極２から追い出される。このように追い出しが終了した後、第１排出弁６６及び第２排出弁６８を閉鎖する。このため、第１電極２及び第２電極３にパージガスはそれぞれ封入される。
【００４５】
上記した残留分除去工程では、第１電極２及び第２電極３にパージガスを封入した状態において、燃料電池１の第１電極２と第２電極３とを電力消費装置８４により導通させる。これにより第１電極２と第２電極３との間の電位差を低減させる操作を行なう。電力消費装置８４を導通させるにあたり、前述同様に、図３に示すように第４スイッチング素子８４ａ，８４ｂをオンとして導通状態にすると共に、第３スイッチング素子８３ａ，８３ｂをオンとして導通状態にする。このように残留分除去工程では、電力消費装置８４が導通しているため、第１電極２と第２電極３との電位差に応じて放電電流が電力消費装置８４に流れる。この結果、第１電極２の構成材料に吸着により残留している酸化剤ガス成分が消費されると共に、第２電極３の構成材料に吸着により残留している燃料ガス成分が消費される。ここで、電力消費装置８４は電気抵抗値を有するため、急激な電気的な短絡は抑制され、スパークの発生は抑制される。
【００４６】
以上説明したように本実施例によれば、第１発電工程と第２発電工程との間において残留分除去工程を実施する。残留分除去工程において、燃料電池１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止すると共に、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３に燃料及び酸化剤よりも活性度が低いパージガスを供給する。この状態で、第１電極２と第２電極３とを電力消費装置を介して導通させて第１電極２と第２電極３との間の電位差を低減させる。これにより燃料電池１の第１電極２及び第２電極３における残留ガス分を低減させる。このように残留ガス分を低減させた状態において、次回の発電工程において第１電極２及び第２電極３の活物質を入れ替える。このため、燃料電池１の内部における燃料ガスと酸化剤ガスとの混入を抑制することができる。従って固体電解質膜４０の損傷を回避するのに有利である。
【００４７】
また本実施例によれば、第１電極２における触媒と、第２電極３における触媒とは、互いに同一または同系の材質とされている。このため、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３について、燃料ガスと酸化剤ガスとを入れ替えたとしても、燃料電池１における発電性能が変動することが抑制される。即ち、第１発電工程と第２発電工程とを切り替えたときにおける発電性能の変動を抑制するのに有利である。
【００４８】
また本実施例によれば、第１電極２における単位体積当たりの触媒の担持量と、第２電極３における単位体積当たりの触媒の担持量とは、互いに同一または近似している。ここで『近似している』とは、第１電極２における単位体積当たりの触媒の担持量を１００と相対表示したとき、第２電極３における単位体積当たりの触媒の担持量が８０〜１２０の範囲、殊に９０〜１１０の範囲、９５〜１０５の範囲内に設定されている。この結果、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３について燃料ガスと酸化剤ガスとを入れ替えたとしても、燃料電池１における発電性能が変動することが抑制される。即ち、第１発電工程と第２発電工程とを切り替えたときにおける発電性能の変動を抑制するのに有利である。
【００４９】
ところで第１電極２及び第２電極３のうち酸化剤ガスが供給される側では、触媒の酸化が発電運転中に進行するおそれがある。この点本実施例によれば、第１電極２及び第２電極３には、酸化剤ガス及び燃料ガス（還元性雰囲気）が交互に供給されるため、酸化が進行していた触媒が還元性雰囲気に晒されることになる。結果として、触媒の過剰酸化が抑制され、第１電極２及び第２電極３における触媒活性を確保するのに有利となる。
【００５０】
（試験例）
図５は燃料電池モデル（単セル）に係る試験片を用いて試験した試験例の結果を示す。試験片はセル１〜セル８とした。試験片においては、第１ガス拡散層２２及び第２ガス拡散層３２は、カーボン繊維の集合体で形成されている。第１ガス拡散層２２及び第２ガス拡散層３２は同一の材質、サイズで形成されている。第１触媒層２１及び第２触媒層３１はイオン伝導性を有する電解質成分とＰｔ触媒とカーボンブラックとを主要成分とする。
【００５１】
この試験例では、発電工程において、第１電極２に純水素ガスを供給すると共に第２電極３に空気を供給して３０分間発電工程を行った。その後、燃料電池１に供給する燃料及び酸化剤の供給を停止させた。その後、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体として窒素ガスを燃料電池の第１電極２及び第２電極３に供給し、窒素パージ処理を行った。燃料電池１に対するパージガスの供給を停止した後に、電力消費装置をオンして導通させた。図５の横軸は時間、縦軸はセル電位を示す。燃料電池１に窒素ガスをパージしているときには、セル電位は１ボルト程度と高い。燃料電池１にパージガスを停止した後に、時刻ＴＣにおいて電力消費装置８４をオンして導通させると、セル電圧の急激な低下が認められる。第１電極２、第２電極３の構成材料に吸着により残留している燃料ガス成分、酸化剤ガス成分が消費されるためである。時刻ＴＤにおいて電力消費装置をオフして非導通とさせると、セル電位は少し上昇するが、飽和しやすくなる。上記した試験例では、電力消費装置をオンしている時間が１０〜２０秒程度と比較的短いため、吸着残留しているガス成分は完全には取り除かれていないため、電力消費装置をオフして非導通とさせると、セル電位は少し上昇する。しかし電力消費装置をオンしている時間を長くしてセル電位を０ボルトまたは０ボルト近傍に維持すれば、吸着残留しているガス成分を除去する度合を高めることができる。このため、電力消費装置をオフして非導通とさせたとしても、セル電圧は上昇しないか、あるいは上昇は僅かとなる。
【実施例２】
【００５２】
図６は本発明の実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様な構成、作用効果を有する。図６は、制御装置８８が実行する制御則の一例に係るフローチャートを示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。燃料電池発電システムの電源投入によりフローチャートは実行される。まず初期設定が行われる（ステップＳ３２）。次に第１発電工程が実施される（ステップＳ３４）。第１発電工程から第２発電工程への切替が必要か否かの判定を行う（ステップＳ３６）。切替が必要でない判定されると、第１発電工程をそのまま継続する。切替が必要であると判定されると、残留分除去工程を実施する（ステップＳ３８）。
【００５３】
そして残留分除去工程が終了した後で、第２発電工程が実施される（ステップＳ４０）。第２発電工程から第１発電工程への切替が必要であるか否かの判定を行う（ステップＳ４２）。切替が必要でない判定されると、第２発電工程をそのまま継続する。切替が必要であると判定されると、残留分除去工程を実施する（ステップＳ４４）。そして燃料電池発電システムの運転終了であるか否か判定し（ステップＳ４６）し、発電運転終了でなければ、第１発電工程に戻る（ステップＳ３４）。燃料電池発電システムの発電運転終了であれば、燃料電池発電システムの発電運転終了工程が行われる（ステップＳ４８）。このようにして第１発電工程→残留分除去工程→第２発電工程→残留分除去工程→第１発電工程→残留分除去工程→第２発電工程→残留分除去工程というように、残留分除去工程を挟んで第１発電工程及び第２発電工程が交互に連続して繰り返される。
【００５４】
このように第１発電工程と第２発電工程との運転が切り替わるときに残留分除去工程が実施され、燃料電池１の内部に残留している燃料ガス、酸化剤ガスの残留分が除去または低減される。このため、燃料電池１の内部で残留していた燃料ガスと、切替に伴い新たに燃料電池１に供給された酸化剤ガスとが混合することが抑制される。同様に、燃料電池１の内部で残留していた酸化剤ガスと、切替に伴い新たに燃料電池１に供給された燃料ガスとが混合することが抑制される。故に、燃料電池１の耐久性を向上させるのに有利である。
【００５５】
第１電極２及び第２電極３のうち酸化剤ガスが供給される側では、触媒の酸化が発電運転中に進行するおそれがある。この点本実施例によれば、酸化剤ガスが供給された後に、残留分除去工程が実行され、その後、還元性雰囲気となる水素ガスまたは水素含有ガス燃料ガスが供給されるため、酸化が進行していた触媒が還元性雰囲気に晒されることになる。結果として、触媒の過剰酸化が抑制され、第１電極２及び第２電極３における触媒活性を確保するのに有利となる。
【実施例３】
【００５６】
図７は本発明の実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様な構成、作用効果を有する。図７は、制御装置８８が実行する制御則の他例に係るフローチャートを示す。フローチャートはこれに限定されるものではない。燃料電池発電システムの電源投入によりフローチャートは実行される。まず初期設定が行われる（ステップＳ５２）。第１回目の発電運転ではフラグが１に設定される。ここで、フラグが１であるときには、第１発電工程が実施されることになる。フラグが２であるときには、第２発電工程が実施されることになる。
【００５７】
そしてフラグが１であるか２であるかについて判定される（ステップＳ５６）。最初の運転では、フラグが１に設定されるため、第１発電工程が実施される（ステップＳ５８）。燃料電池発電シテスムの運転が終了するまで第１発電工程の実施を継続する（ステップＳ５８，Ｓ６０）。燃料電池発電シテスムの運転が終了であれば、第１発電工程後に残留分除去工程を実施する（ステップＳ６６）。残留分除去工程を終えた後に、フラグを切り替える（ステップＳ６８）。即ち、フラグが１であったならば、フラグを２に切り替える。フラグが２であったならば、フラグを１に切り替える。上記したように第１発電工程後に残留分除去工程を行ったときには、フラグが２に切り替わる。その後、発電運転終了工程を行ない（ステップＳ７０）、燃料電池発電システムの運転が終了される。
【００５８】
次に燃料電池発電システムの運転を再開するときには、フラグが２に切り替わっているため、ステップＳ５６からステップＳ６２に進み、第２発電工程が実施される。発電運転の運転終了まで第２発電工程の実施を継続する（ステップＳ６２，Ｓ６４）。第２発電工程が終了であれば、第２発電工程後に残留分除去工程を実施する（ステップＳ６６）。残留分除去工程を終えた後に、フラグを切り替える（ステップＳ６８）。即ち、フラグが２であったならば、フラグを１に切り替える。上記したように第２発電工程後に残留分除去工程を行ったときには、フラグが１に切り替わる。このため、次に燃料電池発電システムを運転するときには、フラグが１に切り替わっているため、ステップＳ５６からステップＳ５８に進み、第１発電工程が実施される。
【００５９】
図７に示すフローチャートによれば、第１発電工程及び第２発電工程の運転が終了するときに残留分除去工程が実施され、燃料電池１の内部に残留している燃料ガス、酸化剤ガスの残留分が除去または低減される。このため、燃料電池１の運転停止中において燃料電池１の内部に残留している燃料ガス、酸化剤ガスにより燃料電池１の構成材料が劣化することが抑制される。故に、燃料電池発電システムの発電性能を長期にわたり良好に維持することができる。
【実施例４】
【００６０】
図８は本発明の実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様な構成、作用効果を有する。但し電力消費装置８４Ｂは、電気抵抗値を変化できる可変抵抗で形成されている。再生時間を短縮化させたいときには、電力消費装置８４Ｂの電気抵抗値を減少させる。これに対して再生時間が長くても良いときには、電力消費装置８４Ｂの電気抵抗値を増加させ、放電電流を小さくする。この場合には、急激な放電の回避性が高まるため、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３に対する保護性が高まる。
【実施例５】
【００６１】
図９は本発明の実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様な構成、作用効果を有する。但し電力消費装置として、放電抵抗で形成された第１電力消費装置８４１（電気抵抗値Ｒ１）と、放電抵抗で形成された第２電力消費装置８４２（電気抵抗値Ｒ２）とが設けられている。そして、第２電力消費装置８４２の導通及び非導通を切り替えるスイッチング素子８９が設けられている。第１電力消費装置８４１と第２電力消費装置８４２とは並列に配置されているため、その合成抵抗値は基本的には（Ｒ１×Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）で示され、Ｒ１,Ｒ２よりも低い。このため再生時間を短縮化させたいときには、スイッチング素子８９をオンさせて導通させることにより合成抵抗値を減少させる。これに対して再生時間が長くても良いときには、スイッチング素子８９をオフとして非導通とさせることにより第１電力消費装置８４１のみを導通させる。この場合には第１電力消費装置８４１の電気抵抗値は合成抵抗値よりも大きく、放電電流が小さくなるため、燃料電池１の第１電極２及び第２電極３に対する保護性を高めることができる。
【実施例６】
【００６２】
図１０は本発明の実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様な構成、作用効果を有する。上記した残留分除去工程において主負荷７の駆動を継続したいときがある。そこで図１０に示すように、スイッチング素子９６を介して補助電源９５を主負荷７に対して別途設けている。そしてスイッチング素子９６をオンすれば、残留分除去工程において補助電源９５により主負荷７を駆動させることができる。
【００６３】
その他、本発明は上記しかつ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想を把握することもできる。
【００６４】
（付記項１）第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、第１電極と第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用い、燃料電池の第１電極に燃料を供給して第１電極をアノードとすると共に第２電極に酸化剤を供給して第２電極をカソードとした状態で発電する発電工程と、発電工程の後において、燃料電池の第１電極及び前記第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させる操作と、第１電極と第２電極とを電力消費装置を介して導通させて第１電極と第２電極との間の電位差を低減させる操作を行う残留分除去工程とを実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【００６５】
（付記項２）第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、第１電極と第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用い、燃料電池の第１電極に燃料を供給して前記第１電極をアノードとすると共に第２電極に酸化剤を供給して第２電極をカソードとした状態で発電する発電工程と、発電工程の後において、燃料電池の第１電極及び第２電極への燃料及び酸化剤の供給を停止させると共に、燃料及び酸化剤よりも活性度が低い流体を燃料電池の第１電極及び第２電極に供給する操作と、第１電極と第２電極とを電力消費装置を介して導通させて第１電極と第２電極との間の電位差を低減させる操作とを行う残留分除去工程とを実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【００６６】
（付記項３）第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、第１電極と第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用意する工程と、燃料電池の第１電極に燃料を供給して第１電極をアノードとすると共に第２電極に酸化剤を供給して第２電極をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、燃料電池の第１電極に酸化剤を供給して第１電極をカソードとすると共に第２電極に燃料を供給して第２電極をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。第１電極及び第２電極のうち酸化剤が供給される側では、触媒の酸化が発電運転中に進行するおそれがある。しかし第１電極及び第２電極には、酸化剤及び燃料（還元性雰囲気）が交互に供給されるため、酸化が進行していた触媒が還元性雰囲気の燃料に晒されることになる。結果として、触媒の過剰酸化が抑制され、第１電極及び第２電極における触媒活性、燃料電池の耐久性を確保するのに有利となる。
【００６７】
（付記項４）第１電極と第２電極とを備える燃料電池と、第１電極と第２電極とを導通可能な電力消費装置とを用意する工程と、燃料電池の第１電極に燃料を供給して第１電極をアノードとすると共に第２電極に酸化剤を供給して第２電極をカソードとした状態で発電する第１発電工程と、燃料電池の第１電極に酸化剤を供給して第１電極をカソードとすると共に第２電極に燃料を供給して第２電極をアノードとした状態で発電する第２発電工程とを交互に実施することを特徴とする燃料電池の運転方法。第１電極及び第２電極のうち酸化剤が供給される側では、触媒の酸化が発電運転中に進行するおそれがある。しかし第１電極及び第２電極には、酸化剤及び燃料（還元性雰囲気）が交互に供給されるため、酸化が進行していた触媒が還元性雰囲気の燃料に晒されることになる。結果として、触媒の過剰酸化が抑制され、第１電極及び第２電極における触媒活性、燃料電池の耐久性を確保するのに有利となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は例えば車両、定置用、携帯用、電気機器用、電子機器用、船体用等の燃料電池発電システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】燃料電池の分解断面図である。
【図２】燃料電池を組み付けたスタックを有する発電システムにおいて第１発電工程を実行している状態の構成図である。
【図３】燃料電池を組み付けたスタックを有する発電システムにおいて残留分除去工程を実行している状態の構成図である。
【図４】燃料電池を組み付けたスタックを有する発電システムにおいて第２発電工程を実行している状態の構成図である。
【図５】試験例に係り、電力消費装置への導通とセル電位との関係を示す試験結果を表すグラフである。
【図６】実施例２に係り、制御装置が実行する制御則の一例を示すフローチャートである。
【図７】実施例３に係り、制御装置が実行する制御則の他例を示すフローチャートである。
【図８】実施例４に係り、燃料電池を組み付けたスタックを有する発電システムにおいて第１発電工程を実行している状態の構成図である。
【図９】実施例５に係り、燃料電池を組み付けたスタックを有する発電システムにおいて第１発電工程を実行している状態の構成図である。
【図１０】実施例６に係り、燃料電池を組み付けたスタックを有する発電システムにおいて第１発電工程を実行している状態の構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
図中、１は燃料電池、２は第１電極、２１は第１触媒層、２２は第１ガス拡散層、３は第２電極、３１は第２触媒層、３２は第２ガス拡散層、４０は固体電解質膜、４１は第１セパレータ、４２は第２セパレータ、５はスタック、６１は第１供給通路、６３は第２供給通路、７は主負荷、８１ａ，８１ｂは第１スイッチング素子、８２ａ，８２ｂは第２スイッチング素子、８３ａ，８３ｂは第３スイッチング素子、８４は電力消費装置を示す。
【図１】
2006172892.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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