(57)【要約】【課題】メタルサポートセル型の固体酸化物形燃料電池の電解質膜に析出したクロム酸化物を取り出して電解質膜の性能を回復させる、固体酸化物形燃料電池システム、固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置、および固体酸化物形燃料電池における電解質膜の回復方法を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池システム１００は、電解質膜２１１Ｅに析出した固体クロム酸化物を酸化処理する酸化処理手段（電圧印加部９０）を有する。酸化処理手段によって固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、蒸散させてガス化した揮発性クロム酸化物をガス供給手段によって供給されるガスによって金属セパレータ２２０の流路部２２１を介して電解質膜から排出し電解質膜の劣化を回復する。【選択図】図３
2019109963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のメタルサポート部にアノード電極、電解質膜、カソード電極が積層されたメタルサポートセルと、
前記メタルサポートセルを狭持しガス流路を有する金属製セパレータと、
前記金属製セパレータの前記ガス流路に燃料ガスと酸化ガスとを供給するガス供給手段と、
を備えた固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を酸化処理する酸化処理手段を設け、
前記酸化処理手段によって前記固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、蒸散させてガス化した揮発性クロム酸化物を前記ガス供給手段によって供給されるガスによって前記ガス流路を介して前記電解質膜から排出し前記電解質膜の劣化を回復する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス流路に蒸散した揮発性クロム酸化物を捕捉する捕捉部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
固体酸化物形燃料電池システムは少なくとも前記メタルサポートセルと前記金属製セパレータとからなり発電に直接寄与する発電部と、発電に直接寄与しないそれ以外の部とからなり、前記捕捉部は発電に直接寄与しない前記それ以外の部に備えたことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化処理手段は前記メタルサポート部と前記カソード電極との間に電圧を印加して、前記カソード電極の電位よりも前記アノード電極の電位を上げることによって前記固体クロム酸化物を前記揮発性クロム酸化物に変換することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化処理手段は電池スタックの開放電圧の値に基づいて選択的に作動させることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
クロムを含有する金属製のメタルサポート部に燃料ガスが供給されるアノード電極、電解質膜、酸化ガスが供給されるカソード電極がこの順序で積層されたメタルサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池用の燃料電池スタックと、
前記メタルサポート部と前記カソード電極との間に電圧を印加して、前記カソード電極の電位よりも前記アノード電極の電位を上げる電圧印加部と、
前記固体酸化物形燃料電池内において発電に寄与しない部位に配置され、揮発性クロム酸化物を固体のクロム酸化物として捕捉する捕捉部と、
前記燃料電池スタックの開放電圧を測定する電圧計と、
前記電圧印加部の作動を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記開放電圧の値に基づいて、固体クロム酸化物が前記電解質膜に析出することによって前記電解質膜の短絡が生じたと判断した場合に、前記電圧印加部を作動させて前記アノード電極の電位を上げることによって、前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて前記電解質膜から取り出し、前記捕捉部に捕捉させる、固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記開放電圧の値がしきい値以下になったときに、前記電解質膜の短絡が生じたと判断する、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記固体酸化物形燃料電池は、前記アノード電極への前記燃料ガスの供給を停止する第１バルブを有し、
前記制御部は、前記電解質膜の短絡が生じたと判断した場合に、前記第１バルブを作動させて前記アノード電極への前記燃料ガスの供給を停止する、請求項６または請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記固体酸化物形燃料電池は、前記カソード電極に供給される前記酸化ガスを前記アノード電極に導入する第２バルブを有し、
前記制御部は、前記第１バルブを作動させて前記アノード電極への前記燃料ガスの供給を停止し、前記第２バルブを作動させて前記アノード電極の雰囲気を前記酸化ガスに置換した後に、前記電圧印加部を作動させる、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第１バルブを作動させて前記アノード電極への前記燃料ガスの供給を停止し、前記アノード電極に残留する前記燃料ガスの水素分圧を下げた後に、前記電圧印加部を作動させる、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１１】
前記固体酸化物形燃料電池は、前記カソード電極に供給される前記酸化ガスを前記固体酸化物形燃料電池の運転温度よりも高い温度に加熱する加熱部を有し、
前記制御部は、前記電解質膜の短絡が生じたと判断した場合に、前記加熱部を作動させて、加熱した前記酸化ガスを前記カソード電極に供給する、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１２】
自動車に搭載される前記固体酸化物形燃料電池に適用してなる、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１３】
固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置において、
前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を酸化し、
前記固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、
変換してガス化した揮発性クロム酸化物を前記固体酸化物形燃料電池システムのガス流路に蒸散し、
前記電解質膜から排出して劣化を回復する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置。
【請求項１４】
固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法において、
前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を酸化し、
前記固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、
変換してガス化した揮発性クロム酸化物を前記固体酸化物形燃料電池システムのガス流路に蒸散し、
前記電解質膜から排出して劣化を回復する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法。
【請求項１５】
クロムを含有する金属製のメタルサポート部に燃料ガスが供給されるアノード電極、電解質膜、酸化ガスが供給されるカソード電極がこの順序で積層されたメタルサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池用の燃料電池スタックにおける前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を前記電解質膜から取り出して、前記電解質膜の機能を回復させる、固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法において、
前記燃料電池スタックの開放電圧の値に基づいて、固体クロム酸化物が前記電解質膜に析出することによって前記電解質膜の短絡が生じたか否かを判断し、
前記電解質膜の短絡が生じたと判断した場合に、前記メタルサポート部と前記カソード電極との間に電圧を印加して、前記カソード電極の電位よりも前記アノード電極の電位を上げ、
前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて前記電解質膜から取り出し、
前記固体酸化物形燃料電池内において発電に寄与しない部位において、揮発性クロム酸化物を固体のクロム酸化物として捕捉する、固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法。
【請求項１６】
自動車に搭載される前記固体酸化物形燃料電池に適用してなる、請求項１５に記載の固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システム、固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置、および固体酸化物形燃料電池における電解質膜の劣化回復方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（以下、単に「ＳＯＦＣ」ということがある。）は動作温度が高いことから、セパレータなどの金属製の構成体は、高温での耐食性を高めるためにクロムを含有する材料から形成されている。また、ＳＯＦＣは、クロムを含有する金属製の構成体から生じたクロム酸化物によってカソード被毒が生じ、発電効率が低下することが知られている（特許文献１を参照。）。
【０００３】
特許文献１には、カソード被毒を軽減または防止するために、金属製の構成体とカソード電極との間に負の保護電位を印加することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−５２５２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術は、電極へのクロム酸化物の堆積を抑制することを目的としており、すでに析出した金属酸化物を取り出すことはできない。
【０００６】
ところで、ＳＯＦＣには、発電セル（アノード電極、電解質膜、カソード電極の積層体）をメタルサポート部によって支持した構造を有するメタルサポートセル型ＳＯＦＣがある。メタルサポート部は、一般的に、基板金属に鉄やクロムの合金が使用されている。メタルサポート部の基板金属中に含まれるクロムは、運転中にクロム酸化物となって気相を拡散し、電解質膜の柱状結晶の隙間に析出する。クロム酸化物が析出することによって、電解質膜の絶縁性は低下する。この結果、セル電圧が低下し、発電セルの性能が低下する虞がある。
【０００７】
特許文献１に記載された技術は、すでに析出した金属酸化物を取り出す技術ではないことから、電解質膜に析出したクロム酸化物を取り出すことはできない。このため、クロム酸化物の析出によって電解質膜の性能が低下した場合に、電解質膜の性能を回復させることはできない。
【０００８】
本発明の目的は、メタルサポートセル型の固体酸化物形燃料電池の電解質膜に析出したクロム酸化物を取り出して電解質膜の性能を回復させ、もってメタルサポートセル型固体酸化物形燃料電池の耐久性能の向上に寄与し得る、固体酸化物形燃料電池システム、固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置を提供することにある。
【０００９】
また、メタルサポートセル型の固体酸化物形燃料電池の電解質膜に析出したクロム酸化物を取り出して電解質膜の性能を回復させ、もってメタルサポートセル型固体酸化物形燃料電池の耐久性能の向上に寄与し得る、固体酸化物形燃料電池における電解質膜の劣化回復方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、金属製のメタルサポート部にアノード電極、電解質膜、カソード電極が積層されたメタルサポートセルと、前記メタルサポートセルを狭持しガス流路を有する金属製セパレータと、前記金属製セパレータの前記ガス流路に燃料ガスと酸化ガスとを供給するガス供給手段と、を備える。固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を酸化処理する酸化処理手段を設け、前記酸化処理手段によって前記固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、蒸散させてガス化した揮発性クロム酸化物を前記ガス供給手段によって供給されるガスによって前記ガス流路を介して前記電解質膜から排出し前記電解質膜の劣化を回復することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、クロムを含有する金属製のメタルサポート部に燃料ガスが供給されるアノード電極、電解質膜、酸化ガスが供給されるカソード電極がこの順序で積層されたメタルサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池用の燃料電池スタックを有する。固体酸化物形燃料電池システムは、前記メタルサポート部と前記カソード電極との間に電圧を印加して、前記カソード電極の電位よりも前記アノード電極の電位を上げる電圧印加部を有する。固体酸化物形燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池内において発電に寄与しない部位に配置され、揮発性クロム酸化物を固体のクロム酸化物として捕捉する捕捉部を有する。固体酸化物形燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの開放電圧を測定する電圧計と、前記電圧印加部の作動を制御する制御部と、を有する。前記制御部は、前記開放電圧の値に基づいて、固体クロム酸化物が前記電解質膜に析出することによって前記電解質膜の短絡が生じたと判断した場合に、前記電圧印加部を作動させて前記アノード電極の電位を上げることによって、前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて前記電解質膜から取り出し、前記捕捉部に捕捉させる。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置は、前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を酸化し、前記固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、変換してガス化した揮発性クロム酸化物を前記固体酸化物形燃料電池システムのガス流路に蒸散し、前記電解質膜から排出して劣化を回復することを特徴とする。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明の固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法は、前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を酸化し、前記固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、変換してガス化した揮発性クロム酸化物を前記固体酸化物形燃料電池システムのガス流路に蒸散し、前記電解質膜から排出して劣化を回復することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復方法は、固体酸化物形燃料電池用の燃料電池スタックにおける前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を前記電解質膜から取り出して、前記電解質膜の機能を回復させる方法である。燃料電池スタックは、クロムを含有する金属製のメタルサポート部に燃料ガスが供給されるアノード電極、電解質膜、酸化ガスが供給されるカソード電極がこの順序で積層されたメタルサポートセルを有する。まず、前記燃料電池スタックの開放電圧の値に基づいて、固体クロム酸化物が前記電解質膜に析出することによって前記電解質膜の短絡が生じたか否かを判断する。次に、前記電解質膜の短絡が生じたと判断した場合に、前記メタルサポート部と前記カソード電極との間に電圧を印加して、前記カソード電極の電位よりも前記アノード電極の電位を上げる。これによって、前記電解質膜に析出した固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて前記電解質膜から取り出し、前記固体酸化物形燃料電池内において発電に寄与しない部位において、揮発性クロム酸化物を固体のクロム酸化物として捕捉する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体酸化物形燃料電池システム、および固体酸化物形燃料電池システムにおける電解質膜の劣化回復装置によれば、メタルサポートセル型の固体酸化物形燃料電池の電解質膜に析出したクロム酸化物を取り出して電解質膜の性能を回復させることができる。
【００１６】
本発明の固体酸化物形燃料電池における電解質膜の劣化回復方法によれば、メタルサポートセル型の固体酸化物形燃料電池の電解質膜に析出したクロム酸化物を取り出して電解質膜の性能を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示される燃料電池システムのうち燃料電池スタックに供給される酸化ガスを加熱する加熱部を示す概略構成図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池における燃料電池スタックの積層構造の一部を示す断面図である。
【図４】燃料電池システムにおいて電解質膜の回復操作を実施する手順を示すフローチャートである。
【図５】電解質膜の短絡が生じた場合に燃料電池スタックの温度を高くする処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】電解質膜の短絡が生じた場合にアノード電極の酸素分圧を上げる処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】電解質膜の短絡が生じた場合に電解質膜の回復操作の手順を示すフローチャートである。
【図８】変形例の手順を示すフローチャートである。
【図９】電解質膜の短絡が生じた場合にアノード電極の水素分圧を下げる処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１９】
図１は、燃料電池システム１００を示す概略構成図、図２は、図１に示される燃料電池システム１００のうち燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスＯＧを加熱する加熱部８０を示す概略構成図である。図３は、固体酸化物形燃料電池１０における燃料電池スタック２０の積層構造の一部を示す断面図である。
【００２０】
（燃料電池システム１００）
図１に示される燃料電池システム１００は、自動車に搭載される固体酸化物形燃料電池１０（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に適用されている。水素や炭化水素などの原燃料ＲＦは、燃料タンク２１、燃料ポンプ２２、蒸発器２３、および燃料ガス加熱器２４を経て、改質器２５に供給される。改質器２５は、水蒸気改質によって原燃料ＲＦから水素リッチな改質ガスを生成する。改質ガスは、アノードガスＡＧとしてＳＯＦＣ１０の燃料電池スタック２０に供給される。酸素、あるいは酸素を含有する空気などの酸化ガスＯＧは、ブロワー３１、および熱交換器３２を経て、カソードガスＣＧとして燃料電池スタック２０に供給される。燃料電池スタック２０から排出されたアノードガスＡＧの排気、およびカソードガスＣＧの排気はそれぞれ排気燃焼器４１に供給される。排気燃焼器４１において燃焼された排気は、２つに分岐して流される。一方の排気４２は、改質器２５、燃料ガス加熱器２４、蒸発器２３において原燃料ＲＦと順に熱交換した後、蒸発器２３から排出される。他方の排気４３は、熱交換器３２において酸化ガスＯＧと熱交換した後、熱交換器３２から排出される。蒸発器２３および熱交換器３２のそれぞれから排出された排気は、混合され排出される。
【００２１】
燃料タンク２１から燃料電池スタック２０に至るまでの各構成機器、ブロワー３１から燃料電池スタック２０に至るまでの各構成機器が、金属製セパレータ２２０の流路部２２１（ガス流路に相当する）に燃料ガスＡＧと酸化ガスＯＧとを供給するガス供給手段を構成する。
【００２２】
燃料電池スタック２０において発電した電力は、ＦＣコンバーター５１、ＤＣＤＣコンバーター（１４Ｖ）５２、ＤＣＤＣコンバーター（４８Ｖ）５３を経て電圧制御され、インバーター５４に供給される。インバーター５４は、電圧制御された直流電力を交流電力に変換し、走行駆動用のモーター５５に供給する。ＤＣＤＣコンバーター（１４Ｖ）５２は、自動車に搭載されるアクセサリー類、ポンプ類、センサー類などの補助消費電力機器５６に直流電力を供給する。燃料電池スタック２０は二次電池などの補助電源５７に接続されている。補助電源５７は、燃料電池スタック２０において発電した電力を蓄電するとともに、自動車の制動エネルギーを回収して蓄電する。
【００２３】
燃料電池システム１００は、システム全体の作動を制御する制御部６０を有している。燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）を測定する電圧計６１が接続されている。開放電圧はＳＯＦＣ１０にモーター５５などの負荷が接続されていない状態の電圧である。制御部６０には電圧計６１によって測定された開放電圧の値が入力される。燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の温度を測定する温度センサー６２が接続されている。制御部６０には温度センサー６２によって測定された燃料電池スタック２０の温度の値が入力される。
【００２４】
ＳＯＦＣ１０は、アノード電極への燃料ガスの供給を停止する第１バルブ７１を有している。第１バルブ７１を閉じることによって、アノード電極への燃料ガスの供給が停止される。ＳＯＦＣ１０は、カソード電極に供給される酸化ガスＯＧをアノード電極に導入する第２バルブ７２を有している。第１バルブ７１を閉じてアノード電極への燃料ガスの供給を停止し、第２バルブ７２を開いて酸化ガスＯＧをアノード電極に導入することによって、アノード電極の雰囲気を酸化ガスＯＧに置換することができる。
【００２５】
図２に示すように、ＳＯＦＣ１０は、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスＯＧを加熱する加熱部８０を有している。原燃料ＲＦの一部は、燃料ポンプ２２によって、排気燃焼器４１に供給される。排気燃焼器４１への原燃料ＲＦの供給量、排気燃焼器４１における燃焼温度、および排気燃焼器４１から熱交換器３２への高温の排気の供給量を調整することによって、カソード電極に供給される酸化ガスＯＧの温度が調整される。
【００２６】
カソード電極に供給される酸化ガスＯＧを高温にすることによって、燃料電池スタック２０の温度、特に入口側の温度を通常の運転温度よりも高くすることができる。燃料電池スタック２０の入口側の温度は通常運転においては約５００℃〜６００℃である。本実施形態では、燃料電池スタック２０の入口側の温度を約６００℃〜７００℃にすることができる。
【００２７】
図３に示すように、燃料電池スタック２０は、セルユニット２００を図中上下方向に複数積層して構成される。セルユニット２００は、メタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）２１０と、ガスが流通するための流路部２２１を区画形成するセパレータ２２０と、を含んでいる。メタルサポートセル２１０は、発電セル２１１と、発電セル２１１を支持するメタルサポート部２１２と、を有する。メタルサポートセル２１０は、電解質膜支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。
【００２８】
発電セル２１１は、電解質膜２１１Ｅを両側から一対の電極であるアノード電極２１１Ａおよびカソード電極２１１Ｃによって挟持して構成される。
【００２９】
電解質膜２１１Ｅは、カソード電極２１１Ｃからアノード電極２１１Ａに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質膜２１１Ｅは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質膜２１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリア、ガドリア、スカンジア等を固溶した安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。
【００３０】
アノード電極２１１Ａは、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード電極２１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスＡＧを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスＡＧを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード電極２１１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた超硬合金が挙げられる。
【００３１】
カソード電極２１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガスＣＧ（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード電極２１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスＣＧを透過させ、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード電極２１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等の酸化物が挙げられる。
【００３２】
メタルサポート部２１２は、発電セル２１１をアノード電極２１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部２１２は、ガス透過性および電気伝導性を有する多孔質の金属である。メタルサポート部２１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
【００３３】
セパレータ２２０は、積層方向（図３において上下方向）に隣り合うメタルサポートセル２１０間に配置される。セパレータ２２０は、メタルサポートセル２１０の発電セル２１１と対向する領域に流路部２２１を有する。流路部２２１は、発電セル２１１との間にガスの流路を区画形成する凹凸形状を有している。セパレータ２２０の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。
【００３４】
次に、ＳＯＦＣ１０の運転に伴うクロム酸化物の析出について説明する。
【００３５】
ＳＯＦＣ１０は、クロムを含有する金属製のメタルサポート部２１２にアノード電極２１１Ａ、電解質膜２１１Ｅ、カソード電極２１１Ｃがこの順序で積層されたメタルサポートセル２１０を有する。メタルサポート部２１２の基板金属中に含まれるクロムは、運転中に揮発性クロム酸化物（ＣｒＯ２（ＯＨ）２（六価クロム、気体））となって気相を拡散し、電解質膜２１１Ｅの柱状結晶の隙間にクロム酸化物（Ｃｒ２Ｏ３  （三価クロム、固体））となって析出する。固体のクロム酸化物（Ｃｒ２Ｏ３）が電解質膜２１１Ｅに析出することによって、電解質膜２１１Ｅの絶縁性が低下し、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じる。この結果、セル電圧が低下し、発電セル２１１の性能が低下する虞がある。
【００３６】
酸化雰囲気中（例えば、空気中）においては下記の式１に示す平衡が成り立ち、還元雰囲気中（例えば、水素ガス中）においては下記の式２に示す平衡が成り立っている。
【００３７】
【数１】
2019109963.tif 000003
【００３８】
上記式１、式２に示される平衡状態を左に移動させることによって、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を、揮発性クロム酸化物に酸化させて蒸散させ、電解質膜２１１Ｅから取り出すことができる。電解質膜２１１Ｅの絶縁性が回復するため、発電セル２１１の性能が回復する。この結果、メタルサポートセル型ＳＯＦＣ１０の耐久性能の向上に寄与することが可能となる。
【００３９】
そこで、本実施形態の燃料電池システム１００は、平衡状態を左に移動させるために、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加して、カソード電極２１１Ｃの電位よりもアノード電極２１１Ａの電位を上げる電圧印加部９０を有している（図３を参照）。アノード電極２１１Ａの電位を上げることによって、固体のクロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させる。制御部６０は、電圧印加部９０の動作を制御する。電圧印加部９０が、電解質膜２１１Ｅに析出した固体クロム酸化物を酸化処理する酸化処理手段を構成する。
【００４０】
電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物は、固体のクロム酸化物として捕捉部９５に捕捉される。捕捉部９５は、ＳＯＦＣ１０内において発電に寄与しない部位に配置されている（図１を参照）。揮発性クロム酸化物は３００℃以上の高温域において生成しやすく、３００℃を下回る低温域においては固体のクロム酸化物になる。つまり、揮発性クロム酸化物は３００℃を下回る低温域においては存在しない。発電時における燃料電池スタック２０の動作温度は約５００℃〜約１１００℃である。このため、発電を停止した後において燃料電池スタック２０の温度が３００℃以上の場合、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加しているときには、電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物は、燃料電池スタック２０内において固体のクロム酸化物として捕捉されない。揮発性クロム酸化物は、燃料電池スタック２０からアノードガスＡＧが排出される出口配管９６に流下し、出口配管９６のうち温度が３００℃を下回った部位において、固体のクロム酸化物として捕捉される。本実施形態にあっては、燃料電池スタック２０からアノードガスＡＧが排出される出口配管９６は、ＳＯＦＣ１０内において発電に寄与しない部位に配置される捕捉部９５として機能する。出口配管９６は、燃料電池スタック２０の外部ではあるが、ＳＯＦＣ１０内の構成部材である。したがって、電解質膜２１１Ｅの回復操作によって電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物がＳＯＦＣ１０の外部に排出されることはない。
【００４１】
出口配管９６のうち温度が３００℃を下回った部位に、揮発性クロム酸化物を捕捉するクロムゲッター９７を配置することができる。クロムゲッター９７も捕捉部９５として機能する。クロムゲッター９７によって、揮発性クロム酸化物がＳＯＦＣ１０の外部に排出されることを一層防止できる。クロムゲッター９７は、揮発性クロム酸化物との反応性が高い材料であり、気相からクロム種を選択的に除去することができる材料から構成されている。なお、クロムゲッター９７は、出口配管９６のうち温度が３００℃以上の部位に配置することができる。高温域にクロムゲッター９７を配置することによって、クロムゲッター９７の材料と揮発性クロム酸化物との反応性を一層高めて、揮発性クロム酸化物がＳＯＦＣ１０の外部に排出されることをより一層防止できる。
【００４２】
電圧印加部９０の電源は、図１に示される補助電源５７若しくはＦＣコンバーター５１からの電力を使用する。電圧印加部９０は、制御部６０に接続されている。制御部６０は、電圧計６１によって測定した開放電圧の値に基づいて、固体のクロム酸化物が電解質膜２１１Ｅに析出することによって電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたか否かを判断する。そして、制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合に、電圧印加部９０を作動させてアノード電極２１１Ａの電位を上げることによって、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて電解質膜２１１Ｅから取り出し、捕捉部９５に捕捉させる。
【００４３】
本実施形態の燃料電池システム１００における電解質膜２１１Ｅの劣化回復装置は、上述した、電圧印加部９０、捕捉部９５（出口配管９６やクロムゲッター９７）、電圧計６１、制御部６０、ガス供給手段などによって構成される。
【００４４】
図４は、燃料電池システム１００において電解質膜２１１Ｅの回復操作を実施する手順を示すフローチャートである。図５は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じた場合に燃料電池スタック２０の温度を高くする処理の手順を示すフローチャートである。図６は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じた場合にアノード電極２１１Ａの酸素分圧を上げる処理の手順を示すフローチャートである。図７は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じた場合に電解質膜２１１Ｅの回復操作の手順を示すフローチャートである。
【００４５】
図４に示すように、制御部６０は、温度センサー６２によって燃料電池スタック２０の温度を測定する（ステップＳ１１）。制御部６０は、測定された燃料電池スタック２０の温度と、燃料電池スタック２０に供給されるアノードガスＡＧ（燃料ガス）の組成とから、燃料電池スタック２０の開放電圧の理論値（ＯＣＶ理論値）を計算する（ステップＳ１２）。アノードガスＡＧの組成は既知である。制御部６０は、電圧計６１によって燃料電池スタック２０の開放電圧（ＯＣＶ測定値）を測定する（ステップＳ１３）。
【００４６】
制御部６０は、開放電圧（ＯＣＶ測定値）の値がしきい値以下になったか否かを判断する（ステップＳ１４）。しきい値は、ＯＣＶ理論値から定められる。しきい値には、例えば、ＯＣＶ理論値より１００ｍＶ下回った値、あるいはＯＣＶ理論値の９０％の値などが設定される。
【００４７】
制御部６０は、開放電圧（ＯＣＶ測定値）の値がしきい値を越えているときには、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じていないと判断する（ステップＳ１４、ＮＯ）。電解質膜２１１Ｅの回復操作を実施する必要はないため、制御部６０は処理を終了する。
【００４８】
一方、制御部６０は、開放電圧（ＯＣＶ測定値）の値がしきい値以下になったときには、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断する（ステップＳ１４、ＹＥＳ）。
【００４９】
制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合には、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ１５）。
【００５０】
制御部６０は、燃料電池スタック２０を運転温度よりも高くする処理を行う（ステップＳ１６）。通常発電時においては、燃料電池スタック２０の出口側の温度は比較的高く、入口側の温度は比較的低い。このため、燃料電池スタック２０の運転を停止して電解質膜２１１Ｅの回復操作を行う場合、燃料電池スタック２０の入口側においては、アノード電極２１１Ａの電位を上げても、固体のクロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて蒸散させることが難しく、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物が残存する。
【００５１】
そこで、図５に示すように、制御部６０は、加熱部８０の作動を制御し、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスＯＧを加熱する（ステップＳ１１１）。排気燃焼器４１への原燃料ＲＦの供給量、排気燃焼器４１における燃焼温度、および排気燃焼器４１から熱交換器３２への高温排気の供給量を調整することによって、カソード電極２１１Ｃに供給される酸化ガスＯＧの温度が調整される。カソード電極２１１Ｃに供給される酸化ガスＯＧを高温にすることによって、燃料電池スタック２０の温度、特に入口側の温度を通常の運転温度よりも高くする。
【００５２】
制御部６０は、燃料電池スタック２０の入口側の温度が設定された温度以上になると、設定温度を維持するように加熱部８０の動作を制御する（ステップＳ１１２、ＹＥＳ）。これによって、燃料電池スタック２０入口側の揮発性クロム酸化物の蒸散を促進させることができる。その後、処理は、図４のステップＳ１６に戻る。
【００５３】
制御部６０は、アノード電極２１１Ａの酸素分圧を上げる処理を行う（ステップＳ１７）。式２に示したように、還元雰囲気中には水素が存在しており、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられる。式１に示したように、酸化雰囲気中においては、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられない。したがって、アノード電極２１１Ａの雰囲気を酸化ガスＯＧに置換して酸素分圧を上げた後に電圧印加部９０を作動させることによって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられる割合が少なくなる。したがって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を回復するためにすぐに用いられる。その結果、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を迅速に回復することができる。しかも、補助電源５７に蓄電した電力の消費を抑えることができる。
【００５４】
そこで、図６に示すように、制御部６０は、第２バルブ７２を開き、酸化ガスＯＧをアノード電極２１１Ａに流す（ステップＳ１２１）。制御部６０は、所定時間の間、酸化ガスＯＧをアノード電極２１１Ａに流した後（Ｓ１２２、ＹＥＳ）、第２バルブ７２を閉じる（ステップＳ１２３）。アノード電極２１１Ａの雰囲気は酸化ガスＯＧに置換され、アノード電極２１１Ａの酸素分圧が上がる。酸化ガスＯＧはステップＳ１６の操作によって加熱されているため、電解質膜２１１Ｅも加熱される。その後、処理は、図４のステップＳ１７に戻る。
【００５５】
制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの回復操作を実施する（ステップＳ１８）。
【００５６】
図７に示すように、制御部６０は、電圧印加部９０を作動させ、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加して、カソード電極２１１Ｃの電位よりもアノード電極２１１Ａの電位を上げる（ステップＳ１３１）。アノード電極２１１Ａの電位を上げることによって、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて電解質膜２１１Ｅから取り出す。
【００５７】
電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物は、燃料電池スタック２０からアノードガスＡＧが排出される出口配管９６に流下する。揮発性クロム酸化物は、ＳＯＦＣ１０内において発電に寄与しない部位において、捕捉部９５としての出口配管９６に固体のクロム酸化物として捕捉される。電解質膜２１１Ｅの回復操作によって電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物がＳＯＦＣ１０の外部に排出されることはない。
【００５８】
電解質膜２１１Ｅの回復操作においては、所定時間、所定値の電流を、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流す。ここで、回復操作時間および電流値は、ＯＣＶ理論値からのＯＣＶ測定値の乖離度（減少割合）に応じて決定する。ＯＣＶ測定値がＯＣＶ理論値から大きく乖離している（減少の割合が大きい）場合には、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物の量が比較的多いと考えられるため、回復操作時間を比較的長く設定し、電流値を比較的大きく設定する。一方、ＯＣＶ測定値のＯＣＶ理論値からの乖離が小さい（減少の割合が小さい）場合には、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物の量が比較的少ないと考えられるため、回復操作時間を比較的短く設定し、電流値を比較的小さく設定する。回復操作時間および電流値の具体的な値は耐久試験の実験データに基づいて決定される。回復操作時間および電流値のいずれか一方のみを、ＯＣＶ理論値からのＯＣＶ測定値の乖離度（減少割合）に応じて決定することができる。電流値の一例を挙げると次のとおりである。例えば、ＯＣＶ測定値がＯＣＶ理論値の９０％であった場合には、乖離度（減少割合）が比較的小さいので、電流値を１ｍＡに設定する。ＯＣＶ測定値がＯＣＶ理論値の８０％であった場合には、乖離度（減少割合）が比較的大きいので、電流値を５ｍＡに設定する。電流値は、乖離度（減少割合）に応じて段階的に変化させることができ、あるいは滑らかに変化させることができる。
【００５９】
電解質膜２１１Ｅの回復操作においては、電流値は必要最小限の値に設定することが好ましい。アノード電極２１１Ａの酸化を抑制するためである。
【００６０】
制御部６０は、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に所定時間、所定値の電流を流し終わると（ステップＳ１３２、ＹＥＳ）、電圧印加部９０の作動を停止する（ステップＳ１３３）。その後、処理は、図４のステップＳ１８に戻る。
【００６１】
制御部６０は、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を再開する（ステップＳ１９）。
【００６２】
制御部６０は、電圧計６１によって燃料電池スタック２０の開放電圧（ＯＣＶ測定値）を再度測定する（ステップＳ２０）。制御部６０は、開放電圧（ＯＣＶ測定値）の値がしきい値を越えているか否かを判断する（ステップＳ２１）。
【００６３】
制御部６０は、開放電圧（ＯＣＶ測定値）の値がしきい値を越えたときには（ステップＳ２１、ＹＥＳ）、電解質膜２１１Ｅの短絡が解消され、電解質膜２１１Ｅの性能が回復したと判断し、制御部６０は処理を終了する。
【００６４】
一方、制御部６０は、開放電圧（ＯＣＶ測定値）の値がしきい値以下のままのときには、電解質膜２１１Ｅの短絡が解消されていないと判断する（ステップＳ２１、ＮＯ）。制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの性能を回復させるために、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止し（ステップＳ２２）、ステップＳ１８〜Ｓ２２の処理を繰り返す。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、金属製のメタルサポート部２１２にアノード電極２１１Ａ、電解質膜２１１Ｅ、カソード電極２１１Ｃが積層されたメタルサポートセル２１０と、メタルサポートセル２１０を狭持し流路部２２１を有する金属製セパレータ２２０と、金属製セパレータ２２０の流路部２２１に燃料ガスＡＧと酸化ガスＯＧとを供給するガス供給手段と、を備えている。この燃料電池システム１００において、電解質膜２１１Ｅに析出した固体クロム酸化物を酸化処理する電圧印加部９０（酸化処理手段）を設け、酸化処理手段によって固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、蒸散させてガス化した揮発性クロム酸化物をガス供給手段によって供給されるガスによって流路部２２１を介して電解質膜２１１Ｅから排出し電解質膜２１１Ｅの劣化を回復する。
【００６６】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣ１０用の燃料電池スタック２０と、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加する電圧印加部９０と、揮発性クロム酸化物を固体のクロム酸化物として捕捉する捕捉部９５と、制御部６０と、を有する。制御部６０は、燃料電池スタック２０の開放電圧の値に基づいて、固体のクロム酸化物が電解質膜２１１Ｅに析出することによって電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合に、電圧印加部９０を作動させてアノード電極２１１Ａの電位を上げる。そして、制御部６０は、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて電解質膜２１１Ｅから取り出し、捕捉部９５に捕捉させている。
【００６７】
また、本実施形態の燃料電池システム１００における電解質膜２１１Ｅの劣化回復装置によれば、電解質膜２１１Ｅに析出した固体クロム酸化物を酸化し、固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、変換してガス化した揮発性クロム酸化物を流路部２２１に蒸散し、電解質膜２１１Ｅから排出して劣化を回復している。
【００６８】
また、本実施形態の燃料電池システム１００における電解質膜２１１Ｅの劣化回復方法によれば、電解質膜２１１Ｅに析出した固体クロム酸化物を酸化し、固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換し、変換してガス化した揮発性クロム酸化物を流路部２２１に蒸散し、電解質膜２１１Ｅから排出して劣化を回復している。
【００６９】
また、本実施形態の燃料電池システム１００における電解質膜２１１Ｅの劣化回復方法によれば、燃料電池スタック２０の開放電圧の値に基づいて、固体のクロム酸化物が電解質膜２１１Ｅに析出することによって電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合に、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加して、アノード電極２１１Ａの電位を上げる。電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を揮発性クロム酸化物に酸化させて電解質膜２１１Ｅから取り出す。そして、揮発性クロム酸化物を固体のクロム酸化物として捕捉している。
【００７０】
このように構成することによって、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を、揮発性クロム酸化物に酸化させて蒸散させ、電解質膜２１１Ｅから取り出すことができる。電解質膜２１１Ｅの絶縁性が回復するため、発電セル２１１の性能が回復する。この結果、メタルサポートセル型ＳＯＦＣ１０の耐久性能の向上を図ることができる。さらに、電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物は、ＳＯＦＣ１０内において発電に寄与しない部位において、捕捉部９５に固体のクロム酸化物として捕捉することができ、ＳＯＦＣ１０の外部に排出されることはない。
【００７１】
メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加するため、電流は、アノード電極２１１Ａの材質に比較して電気抵抗が小さいメタルサポート部２１２を介して、アノード電極２１１Ａの全体にわたって偏りなく流れる。このため、固体のクロム酸化物は、電解質膜２１１Ｅの全体にわたって偏りなく電解質膜２１１Ｅから取り出される。メタルサポート部２１２に析出した固体のクロム酸化物も、揮発性クロム酸化物に酸化させて蒸散させ、メタルサポート部２１２から取り出される。メタルサポート部２１２に析出したクロム酸化物は電気化学反応に寄与しないものの、析出したままの状態では電解質膜２１１Ｅを劣化させる虞がある。本実施形態のようにメタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加して、メタルサポート部２１２に析出した固体のクロム酸化物を積極的にクリーニングすることによって、メタルサポートセル型ＳＯＦＣ１０の耐久性能をより一層向上させることができる。
【００７２】
燃料電池システム１００は、流路部２２１に蒸散した揮発性クロム酸化物を捕捉する捕捉部９５（出口配管９６やクロムゲッター９７）を備えている。
【００７３】
このように構成することによって、電解質膜２１１Ｅの回復操作によって電解質膜２１１Ｅから蒸散した揮発性クロム酸化物がＳＯＦＣ１０の外部に排出されることはない。
【００７４】
燃料電池システム１００は、少なくともメタルサポートセル２１０と金属製セパレータ２２０とからなり発電に直接寄与する発電部と、発電に直接寄与しないそれ以外の部とからなり、捕捉部９５（出口配管９６やクロムゲッター９７）は発電に直接寄与しないそれ以外の部に備えている。
【００７５】
このように構成することによって、発電部における発電機能を妨げることなく捕捉部９５を設置することができ、設置の自由度も増す。
【００７６】
酸化処理手段（電圧印加部９０）はメタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に電圧を印加して、カソード電極２１１Ｃの電位よりもアノード電極２１１Ａの電位を上げることによって固体クロム酸化物を揮発性クロム酸化物に変換する。
【００７７】
このように構成することによって、電解質膜２１１Ｅに析出した固体のクロム酸化物を、揮発性クロム酸化物に酸化させて蒸散させ、電解質膜２１１Ｅから取り出すことが可能となる。
【００７８】
酸化処理手段（電圧印加部９０）は電池スタック２０の開放電圧の値に基づいて選択的に作動させている。
【００７９】
このように構成することによって、電解質膜２１１Ｅの劣化状況に応じた適切なタイミングにおいて劣化回復処理を実行することが可能となる。
【００８０】
また、制御部６０は、開放電圧の値がしきい値以下になったときに、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断する。
【００８１】
このように構成することによって、固体のクロム酸化物が電解質膜２１１Ｅに析出することによって電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたことを正確かつ簡単に判断することができる。
【００８２】
また、ＳＯＦＣ１０は、アノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止する第１バルブ７１を有し、制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合に、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止する。
【００８３】
式２に示したように、還元雰囲気中には水素が存在しており、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、還元雰囲気中に存在する水素を酸化させるためにも用いられる。上記のように構成することによって、電解質膜２１１Ｅを回復させるときにアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給が停止することによって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、還元雰囲気中に存在した水素を酸化させた後は、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を回復するためにのみ用いられる。したがって、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を効率的に回復することができる。
【００８４】
また、ＳＯＦＣ１０は、カソード電極２１１Ｃに供給される酸化ガスＯＧをアノード電極２１１Ａに導入する第２バルブ７２を有し、制御部６０は、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止し、第２バルブ７２を作動させてアノード電極２１１Ａの雰囲気を酸化ガスＯＧに置換した後に、電圧印加部９０を作動させる。
【００８５】
このように構成することによって、アノード電極２１１Ａの酸素分圧を上げた後に電圧印加部９０を作動させることができ、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられる割合が少なくなる。したがって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を回復するためにすぐに用いられる。その結果、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を迅速に回復することができる。しかも、補助電源５７に蓄電した電力の消費を抑えることができる。
【００８６】
また、ＳＯＦＣ１０は、カソード電極２１１Ｃに供給される酸化ガスＯＧをＳＯＦＣ１０の運転温度よりも高い温度に加熱する加熱部８０を有している。制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合に、加熱部８０を作動させて、加熱した酸化ガスＯＧをカソード電極２１１Ｃに供給する。
【００８７】
このように構成することによって、燃料電池スタック２０の温度、特に入口側の温度を通常の運転温度よりも高くすることによって、燃料電池スタック２０入口側の揮発性クロム酸化物の蒸散を促進させることができる。
【００８８】
本実施形態の燃料電池システム１００および電解質膜２１１Ｅの回復方法は、自動車に搭載されるＳＯＦＣ１０に適用される。
【００８９】
このように構成することによって、メタルサポートセル型ＳＯＦＣ１０の耐久性能の向上を図ることができることを通して、このＳＯＦＣ１０を搭載した自動車の耐久性能の向上を図ることができる。
【００９０】
＜変形例＞
図８は、変形例の手順を示すフローチャートである。図９は、電解質膜の短絡が生じた場合にアノード電極２１１Ａの水素分圧を下げる処理の手順を示すフローチャートである。
【００９１】
変形例は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じた場合に電解質膜２１１Ｅの回復操作（ステップＳ１８）を実行する前に、アノード電極２１１Ａの水素分圧を下げる処理（ステップＳ１７Ａ）を実行する点において、アノード電極２１１Ａの酸素分圧を上げる処理（ステップＳ１７）を実行する上述した実施形態と相違している。
【００９２】
式２に示したように、還元雰囲気中には水素が存在しており、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられる。したがって、アノード電極２１１Ａに残留する燃料ガスの水素分圧を下げた後に電圧印加部９０を作動させることによって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられる割合が少なくなる。したがって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を回復するためにすぐに用いられる。その結果、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を迅速に回復することができる。しかも、補助電源５７に蓄電した電力の消費を抑えることができる。
【００９３】
そこで、変形例の燃料電池システム１００は、アノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止し、さらに発電モードの運転をし、アノード電極２１１Ａの容積以下の水素を消費する分だけ電流を流すことによって、残留水素を消費し、アノード電極２１１Ａの水素分圧を下げる。
【００９４】
アノード電極２１１Ａ内部の残留水素は、燃料電池スタック２０のアノード電極２１１Ａの容積から、下記の理想気体の状態方程式を用いて概算する。
【００９５】
【数２】
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【００９６】
ガス圧力ｐは、発電停止時の燃料ガス中の水素分圧であり、既知の値である。体積Ｖは、燃料電池スタック２０のアノード容積であり、既知の値である。燃料電池スタック２０の温度は、測定可能である。水素ガスの物質量ｎが算出されるため、その水素ガスを消費するのに必要な電流値も、ファラデーの法則より定まる。
【００９７】
図８、図９を参照して、変形例の電解質膜２１１Ｅの回復操作を実施する手順を説明する。なお、上述した実施形態と同じ処理については、実施形態におけるステップ数と同様の符号を付し、説明は省略する。
【００９８】
図８を参照して、制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの短絡が生じたと判断した場合には（ステップＳ１４、ＹＥＳ）、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ１５）。制御部６０は、電解質膜２１１Ｅの回復操作（ステップＳ１８）を実行する前に、アノード電極２１１Ａの水素分圧を下げる処理を行う（ステップＳ１７Ａ）。
【００９９】
図９を参照して、制御部６０は、アノード電極２１１Ａ内部の残留水素の量を概算する（ステップＳ１４１）。理想気体の状態方程式において、ガス圧力ｐは発電停止時の燃料ガス中の水素分圧、体積Ｖは燃料電池スタック２０のアノード容積、Ｒは定数であり、それぞれ既知の値である。また、燃料電池スタック２０の温度Ｔは測定することができる。これら既知の値に基づき、制御部６０は、理想気体の状態方程式に基づいて、水素ガスの物質量ｎを算出する。
【０１００】
制御部６０は、算出した水素ガスの物質量ｎを消費するのに必要な電流値をファラデーの法則によって求める（ステップＳ１４２）。
【０１０１】
制御部６０は、求めた電流を流し、アノード電極２１１Ａ内部の残留水素を消費させる（ステップＳ１４３）。所定値の電流を流し終わると（ステップＳ１４４、ＹＥＳ）、処理は、図８のステップＳ１７Ａに戻る。
【０１０２】
制御部６０は、電圧印加部９０を作動させてアノード電極２１１Ａの電位を上げ、電解質膜２１１Ｅの性能を回復させる操作を実施する（ステップＳ１８〜Ｓ２２）。
【０１０３】
以上説明したように、変形例にあっては、制御部６０は、第１バルブ７１を作動させてアノード電極２１１Ａへの燃料ガスの供給を停止し、アノード電極２１１Ａに残留する燃料ガスの水素分圧を下げた後に、電圧印加部９０を作動させている。
【０１０４】
このように構成することによって、アノード電極２１１Ａに残留する燃料ガスの水素分圧を下げた後に電圧印加部９０を作動させることができ、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、水素を酸化させるために用いられる割合が少なくなる。したがって、メタルサポート部２１２とカソード電極２１１Ｃとの間に流した電流は、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を回復するためにすぐに用いられる。その結果、電解質膜２１１Ｅの絶縁性を迅速に回復することができる。しかも、補助電源５７に蓄電した電力の消費を抑えることができる。
【０１０５】
なお、発電停止時の燃料ガス中の水素分圧は、下記のネルンストの式から求めることができる。
【０１０６】
【数３】
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【０１０７】
ネルンストの式において、開放電圧（Ｖｎｅｒｎｓｔ）は水素分圧の関数であり、水素分圧が下がると開放電圧も下がる。制御部６０は、ネルンストの式に基づいて、測定した開放電圧から、発電停止時の燃料ガス中の水素分圧を計算することができる。制御部６０は、計算した水素分圧をガス圧力ｐとして用いて、理想気体の状態方程式に基づいて、水素ガスの物質量ｎを算出することができる。
【０１０８】
以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係る燃料電池システム１００、および固体酸化物形燃料電池１０における電解質膜２１１Ｅの回復方法を説明したが、本発明は実施形態において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
【０１０９】
例えば、燃料電池スタック２０を運転温度よりも高くする処理（ステップＳ１６）、アノード電極２１１Ａの酸素分圧を上げる処理（ステップＳ１７）、アノード電極２１１Ａの水素分圧を下げる処理（ステップＳ１７Ａ）は、必須の処理ではなく、必要に応じて実行することができる。
【０１１０】
また、燃料電池スタック２０の出口温度が高い状態での電位上昇、および入口温度が高い状態での電位上昇の両方を実施することができる。つまり、発電運転後の燃料電池スタック２０の出口側の温度が比較的高いときに、まず、電解質膜２１１Ｅの回復操作（ステップＳ１８）を実施する。その後、燃料電池スタック２０を運転温度よりも高くする処理（ステップＳ１６）を行ない、燃料電池スタック２０の入口側の温度を運転温度よりも高い温度に加熱する。そして再び、電解質膜２１１Ｅの回復操作（ステップＳ１８）を実施する。
【０１１１】
また、燃料ガス中の水素分圧の求め方について、一例としてネルンスト式を使用する方法を記載したが、改質器温度とアノードガスの組成は強い相関関係があるので、改質器の運転条件からアノードガス組成を算出することもできる。
【符号の説明】
【０１１２】
１０      固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、
２０      燃料電池スタック、
３２      熱交換器、
４１      排気燃焼器、
５７      補助電源、
６０      制御部、
６１      電圧計、
６２      温度センサー、
７１      第１バルブ、
７２      第２バルブ、
８０      加熱部、
９０      電圧印加部（酸化処理手段）、
９５      捕捉部、
９６      出口配管（捕捉部）、
９７      クロムゲッター（捕捉部）、
１００    燃料電池システム（固体酸化物形燃料電池システム）、
２００    セルユニット、
２１０    メタルサポートセル、
２１１    発電セル、
２１１Ａ  アノード電極、
２１１Ｃ  カソード電極、
２１１Ｅ  電解質膜、
２１２    メタルサポート部、
２２０    金属製セパレータ、
２２１    流路部（ガス流路）、
ＡＧ      アノードガス、燃料ガス、
ＣＧ      カソードガス、酸化ガス、
ＯＧ      酸化ガス、
ＲＦ      原燃料。
【図１】
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【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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