(57)【要約】【課題】大気中の硫黄化合物等の不純物による触媒の劣化を防止し、燃料電池の発電性能を維持、回復することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜２と、この電解質膜２を両側から挟む２枚の電極触媒層３、４と、この電極触媒層３、４の外側に設けられた２枚のガス拡散層５、６を備えた単位セル１ａを複数積層したスタック構造を有し、電極触媒層３、４に供給された燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池１を備え、触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させることにより、電極触媒層３、４の電極触媒の触媒活性を回復させる触媒活性回復手段を備えたことを特徴とするものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜を両側から挟む２枚の電極触媒層と、この電極触媒層の外側に設けられた２枚のガス拡散層を備えた単位セルを複数積層したスタック構造を有し、前記電極触媒層に供給された燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を備え、
前記電極触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させることにより、前記電極触媒層の触媒活性を回復させる触媒活性回復手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記触媒活性回復手段は、前記電極触媒層の触媒活性を回復させるときに、前記燃料電池の通常運転時よりも前記電極触媒層から排出される水の量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記触媒活性回復手段は、前記電極触媒層の触媒活性を回復させるときに、前記燃料電池に所定値以上の負荷で発電を行わせることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記触媒活性回復手段は、前記電極触媒層の触媒活性を回復させるときに、前記燃料電池の温度を下げることにより前記電極触媒層から排出される水の量を増加させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記触媒活性回復手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させる酸化剤ガス加湿手段を有し、前記電極触媒層の触媒活性を回復させるときに、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記触媒活性回復手段は、前記電極触媒層の触媒活性を回復させるときに、前記燃料電池に所定値以上の負荷で発電を行わせること、前記燃料電池の温度を下げることにより前記電極触媒層から排出される水の量を増加させること、または前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させる酸化剤ガス加湿手段を有し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させること、の少なくとも２つ以上を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の状態を検出する燃料電池状態検出手段と、この燃料電池状態検出手段の検出信号に基づいて触媒活性の回復操作の要否を判定する回復操作要否判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池状態検出手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度を検出する硫黄化合物検出手段を有し、前記回復操作要否判定手段は、前記酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度が所定濃度以上となったときに前記触媒活性回復手段に触媒活性の回復操作を行わせることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池状態検出手段は、所定時間内に前記燃料電池に供給された酸化剤ガスに含まれ、前記燃料電池に蓄積された硫黄化合物の量を検出する硫黄化合物積算供給量検出手段を有し、前記回復操作要否判定手段は、前記燃料電池に流入した硫黄化合物の積算量が所定量以上となったときに前記触媒活性回復手段に触媒活性の回復操作を行わせることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池状態検出手段は、酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量検出手段を有し、前記硫黄化合物積算供給量検出手段は、前記硫黄化合物検出手段が検出した前記酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度、前記酸化剤ガス流量検出手段が検出した酸化剤ガスの流量、および前記硫黄化合物の供給時間から前記燃料電池に流入した硫黄化合物の積算量を算出することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池状態検出手段は、前記燃料電池の単位セルの電圧を検出する単位セル電圧検出手段を有し、前記回復操作要否判定手段は、前記単位セルの電圧降下量が所定値以上となった場合に前記触媒活性回復手段に触媒活性の回復操作を行わせることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池状態検出手段は、前記燃料電池の単位セルの電圧降下率を検出する単位セル電圧降下率検出手段を有し、前記回復操作要否判定手段は、前記単位セルの電圧降下率が所定値以上となった場合に前記触媒活性回復手段に触媒活性の回復操作を行わせることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池状態検出手段は、前記燃料電池の積算運転時間を検出する積算運転時間検出手段を有し、前記回復操作要否判定手段は、前記燃料電池の積算運転時間が所定時間以上となったときに前記触媒活性回復手段に触媒活性の回復操作を行わせることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記触媒活性の回復操作が可能かどうかを判定する回復操作可否判定手段を備え、前記触媒活性回復手段は、前記回復操作可否判定手段が前記触媒活性の回復操作が可能であると判定した後に前記触媒活性回復手段に触媒活性の回復操作を行わせることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段を備え、この酸化剤ガス流量制御手段は、前記触媒活性回復手段が触媒活性の回復操作を行った後に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を所定流量以上に増加させることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に電解質膜として固体高分子膜等を用いた場合に触媒劣化による発電性能の低下を防止することのできる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は白金等の触媒を有する燃料極と酸化剤極によって電解質膜を挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような電気化学反応が起こる。
【０００３】
燃料極：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ-    ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ    ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。
【０００４】
燃料電池の酸化剤ガスとして外部から供給される空気中には、硫黄酸化物や硫化水素、窒素酸化物等の大気汚染物質が含まれている。このうち硫黄化合物は、特に酸化剤極の触媒の表面に強く吸着し、電極表面上で起こる反応（式２）を阻害し、ひいては燃料電池の発電性能の低下を引き起こすことが知られている。
【０００５】
このため従来の高分子電解質型燃料電池では、燃料電池内の不純物等による発電性能の低下後に、燃料電池の極性を逆にして電流を取り出すことで電解質膜中の不純物イオンを移動、排出して燃料電池の発電性能を回復するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３４７５８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の高分子電解質型燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、燃料電池内に存在するイオン不純物の除去はできるものの、酸化剤極の触媒の表面に吸着した不純物を除去することはできないため、硫黄化合物等による触媒の劣化を防止することができず、燃料電池の発電性能を十分に回復することができないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、大気中の硫黄化合物等の不純物による触媒の劣化を防止し、燃料電池の発電性能を維持、回復することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜と、この電解質膜を両側から挟む２枚の電極触媒層と、この電極触媒層の外側に設けられた２枚のガス拡散層を備えた単位セルを複数積層したスタック構造を有し、前記電極触媒層に供給された燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を備え、前記電極触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させることにより、前記電極触媒層の触媒活性を回復させる触媒活性回復手段を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、電極触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させることにより電極触媒層の触媒活性を回復させる触媒活性回復手段を備えているため、触媒の表面に吸着した硫黄化合物等を除去することができ、電極触媒層（特に酸化剤極）の触媒の劣化を防止し、燃料電池の発電性能の低下を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態１に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける燃料電池１の単位セル１ａの反応部を示す部分縦断面図である。燃料電池１（図３参照）は単位セル１ａを例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図１は、図２におけるｂ−ｂ断面を示している。
【００１２】
単位セル１ａは、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２と、電解質膜２を両側から挟むアノード触媒層（電極触媒層、燃料極）３とカソード触媒層（電極触媒層、酸化剤極）４と、アノード触媒層３の外側に設けられたアノードガス拡散層５と、カソード触媒層４の外側に設けたカソードガス拡散層６とを備える。また、アノードガス拡散層５側の面に設けられ、複数の水素流路（燃料ガス流路）７を有するアノードセパレータ８と、カソードガス拡散層６側の面に設けられ、複数の空気流路（酸化剤ガス流路）９を有するカソードセパレータ１０を備える。さらにアノードセパレータ８、カソードセパレータ１０には、水素流路７、空気流路９の間に冷却水流路１１、冷却水流路１２が設けられている。この冷却水流路１１、冷却水流路１２により、水素流路７、空気流路９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路９は、後述する空気導入マニホールド２０側から空気排出マニホールド２１側に延び、互いに並列な状態で区画形成されている（図２参照）。
【００１３】
本発明では、電解質膜２とアノード触媒層３とカソード触媒層４とアノードガス拡散層５とカソードガス拡散層６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１３を構成しているものとする。
【００１４】
アノード触媒層３、カソード触媒層４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層５、カソードガス拡散層６は、導電性の多孔質材料からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０をカーボンから構成するものとするが、アノードセパレータ８、カソードセパレータ１０を貴金属メッキした金属等で構成するようにしてもよい。
【００１５】
図２は、電解質膜２側から見た単位セル１を構成するカソードセパレータ１０の正面図である。図２では、膜電極複合体１３において燃料ガスと酸化剤ガスが反応する反応部２８を斜線で示している。なお本実施形態では、カソードセパレータ１０はカーボンセパレータであるものとする。
【００１６】
カソードセパレータ１０は、膜電極複合体１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路９を備え、空気流路９に空気を供給する空気導入マニホールド（酸化剤ガス入口）２０と、反応部２８において反応しなかった空気を空気流路９から排出する空気排出マニホールド（酸化剤ガス出口）２１を備える。空気流路９と空気導入マニホールド２０はディフューザー２２によって連結し、空気流路９と空気排出マニホールド２１はディフューザー２３によって連結している。
【００１７】
また、カソードセパレータ１０は、アノードセパレータ８に設けた水素流路７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド（燃料ガス入口）２４と、反応部２８において反応しなかった水素を水素流路７から排出する水素排出マニホールド（燃料ガス出口）２５とを備える。さらに、冷却水流路１１、１２に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド２６と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド２７とを備える。
【００１８】
なおアノードセパレータ８は、図２に示すカソードセパレータ１０の左右および裏表を逆転させた形状を有し、水素導入マニホールド２４と反応部２８がディフューザー（図示せず）によって接続され、反応部２８と水素排出マニホールド２５がディフューザー（図示せず）によって接続されている（図１参照）。このため本実施形態に係る単位セル１ａは、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる対向流型のものである。本実施形態では対向流としているが、燃料ガスと酸化剤ガスとが同じ向きに流れる並行流型としてもよい。
【００１９】
図３は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成例を示す構成図である。本発明の実施形態１に係る燃料電池システムは、図１および図２に示す単位セル１ａを複数積層したスタック構造を有する燃料電池１と、燃料電池１の各カソード触媒層４に空気等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給配管３３と、酸化剤ガス供給配管３３に設けられ燃料電池１に酸化剤ガスを送る酸化剤ガスブロアー３５と、燃料電池に供給する水素等の燃料ガスを蓄える燃料ガスタンク３７とを備えている。なお燃料ガスタンク３７は、例えば高圧状態で水素を貯蔵する高圧タンクである。
【００２０】
燃料電池１の各アノード触媒層３には、燃料ガス供給配管３９を介して水素等の燃料ガスが供給される。すなわち、燃料電池１の単位セル１ａのアノード触媒層３には燃料ガス供給配管３９を介して燃料ガスが供給され、カソード触媒層４には酸化剤ガス供給配管３３を介して酸化剤ガスが供給されて、燃料ガスと酸化剤ガスが電解質膜２において反応することにより発電が行われる。
【００２１】
燃料ガスタンク３７に貯蔵された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９に設けられた燃料ガス調整弁４１と燃料ガス供給量調整弁４３を経由して燃料電池１に供給される。また燃料電池１には、燃料電池１において反応しなかった燃料ガスを排出するための燃料ガス排出配管４５が設けられている。
【００２２】
酸化剤ガスは例えば空気であり、酸化剤ガス供給配管３３に設けられた酸化剤ガスフィルタ４７、酸化剤ガスブロアー３５および酸化剤ガス供給量調整弁４９を経由して燃料電池１に供給される。本実施形態では酸化剤ガスフィルタ４７が、酸化剤ガスブロアー３５の上流側に設けられており、酸化剤ガス供給量調整弁４９が酸化剤ガスブロアー３５の下流側に設けられているものとする。なお酸化剤ガスフィルタ４７は、燃料電池１に供給される空気中の不純物等を除去する機能を有している。
【００２３】
酸化剤ガスフィルタ４７において不純物を除去された酸化剤ガスは、酸化剤ガスブロアー３５によって燃料電池１の各カソード触媒層４に送られる。また燃料電池１において反応しなかった酸化剤ガス（例えば窒素）は、燃料電池１に接続された酸化剤ガス排出配管５１を通って燃料電池１から排出される。
【００２４】
本実施形態に係る燃料電池システムには、酸化剤ガスフィルタ４７と酸化剤ブロアー３５の間に酸化剤ガス供給配管３３を流れる酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度を検出する硫黄化合物センサ（硫黄化合物検出手段）５３が設けられている。硫黄化合物センサ５３は、例えば酸化剤ガスフィルタ４７を通過後の酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度を検出する。なお、本実施形態では硫黄化合物センサ５３を酸化剤ガスフィルタ４７と酸化剤ブロアー３５の間に設けているが、硫黄化合物センサ５３を酸化剤ガス供給配管３３の他の位置に設けるようにしてもよい。
【００２５】
また酸化剤ガス供給配管３３には、酸化剤ガス供給配管３３を流れる酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量センサ（酸化剤ガス流量検出手段）５２と、燃料電池１に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させる酸化剤ガス加湿器（酸化剤ガス加湿手段）５４が設けられている。なお本実施形態では、酸化剤ガス流量センサ５２が酸化剤ガスフィルタ４７の上流側に設けられており、酸化剤ガス加湿器５４が酸化剤ガス供給量調整弁４９の下流側に設けられているものとする。なお、本実施形態では酸化剤ガス流量センサ５２を酸化剤ガスフィルタ４７の上流側に設けているが、設置位置はこれに限定することはなく、酸化剤ガス供給配管３３中であればよい。
【００２６】
燃料ガスタンク３７から燃料ガス供給配管３９に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９に設けられた燃料ガス調整弁４１によって減圧され、さらに燃料ガスの流量は燃料ガス供給量調整弁４３によって制御される。
【００２７】
また燃料電池１のアノード触媒層３とカソード触媒層４の間には、燃料電池１の各単位セル１ａの電圧を検出する単位セル電圧センサ（単位セル電圧検出手段）５５が設けられている。
【００２８】
さらに本実施形態に係る燃料電池１には、燃料電池１に冷却水を供給するための冷却水管路５７、冷却水を貯蔵するための冷却水タンク５９、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ６１が備えられている。
【００２９】
また本実施形態に係る燃料電池システムは、ＥＣＵ（エレクトリック・コントロール・ユニット、電子制御装置）６５を備えており、燃料電池１、酸化剤ブロアー３５、燃料ガス供給量調整弁４３、冷却水ポンプ６１はＥＣＵ６５によって制御されるようになっている。例えば、ＥＣＵ６５は燃料電池１の発電負荷（電力）を制御し、また酸化剤ブロアー３５がＥＣＵ６５によって制御されることにより燃料電池１に供給される酸化剤ガスの流量が制御され、冷却水ポンプ６１がＥＣＵ６５によって制御されることにより燃料電池１に供給される冷却水の流量が制御される。なお図３において図示していないが、燃料電池１、酸化剤ブロアー３５、燃料ガス供給量調整弁４３、冷却水ポンプ６１はＥＣＵ６５と電気的に接続されているものとする。
【００３０】
またＥＣＵ６５は、酸化剤ガス流量センサ５２、硫黄化合物センサ５３、酸化剤ガス加湿器５４、単位セル電圧センサ５５と電気的に接続されており、酸化剤ガス供給配管３３を流れる酸化剤ガスの流量、酸化剤ガス供給配管３３を流れる酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度、各単位セル１ａの電圧を読み込み、燃料電池１に供給される酸化剤ガスの含水量を制御するようになっている。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給配管３３を流れる酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度が所定濃度以上となった場合や、各単位セル１ａの電圧降下量が所定値以上となった場合に、ＥＣＵ６５が酸化剤ガス加湿器５４を制御して燃料電池１に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させ、燃料電池１を所定値以上の負荷で発電させることにより、燃料電池１の触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させる。このときＥＣＵ６５は、燃料電池１の通常運転時よりも触媒層から排出される水の量が多くなるように燃料電池１の発電負荷を制御する。これにより、燃料電池１において高加湿条件で発電が行われることとなり、燃料電池１の触媒層から排出される水の量が増大するため、触媒の表面に吸着した硫黄化合物等の不純物を除去することができる。なお本実施形態では、ＥＣＵ６５、酸化剤ガス加湿器５４、硫黄化合物センサ５３等が、カソード触媒層４における触媒の触媒活性を回復させる触媒活性回復手段として機能する。
【００３２】
図４は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける触媒活性の回復操作の手順を示すフローチャートである。なお図２に示す触媒活性の回復操作は、図１に示す燃料電池システムにおいて行われるものである。
【００３３】
まず燃料電池システムが起動して処理が開始されると、ＥＣＵ６５が触媒活性の回復操作の実施が必要かどうかを判断する（ステップ１００）。このとき、上記の硫黄化合物センサ５３や単位セル電圧センサ５５は燃料電池１の状態を検出する燃料電池状態検出手段として機能し、ＥＣＵ６５はこれらの燃料電池状態検出手段の検出信号に基づいて触媒活性の回復操作が必要かどうかを判定する回復操作要否判定手段として機能する。
【００３４】
ステップ１００においてＥＣＵ６５は、以下に示すような条件の場合に燃料電池１の触媒活性の回復操作が必要であると判断する。
【００３５】
１つ目の条件として、例えば硫黄化合物センサ５３で検出される硫黄化合物の濃度が所定濃度以上となったときに、ＥＣＵ６５は触媒活性の回復操作が必要であると判断して触媒活性の回復操作を行わせる。硫黄化合物センサ５３は、酸化剤ガス供給配管３３を流れ燃料電池１に供給される酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度を検出し、ＥＣＵ６５はこの検出信号を読み取る。なお、触媒活性の回復操作を行うときの硫黄化合物の所定濃度は、例えば燃料電池１の発電性能が一定以上低下する硫黄化合物の濃度を実験的に求めて設定することができる。実験方法としては、例えば燃料電池単位セルの燃料極に燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給して発電させながら、この酸化剤ガス中に所定濃度の硫黄化合物を混入させたときのセル電圧の変化を測定することで、供給ガスに含まれる硫黄化合物濃度と燃料電池の発電性能低下幅との関係を得ることができる。また、硫黄化合物センサ５３は必ずしも酸化剤ガス供給配管３３に設ける必要はなく、例えば本実施形態に係る燃料電池システムが自動車に搭載され、その自動車がナビゲーションシステムを有している場合は、カーナビゲーションシステムが読み取った走行地域の硫黄化合物の濃度情報をＥＣＵ６５が読み取るようにしてもよい。
【００３６】
２つ目の条件としては、例えば所定時間内に燃料電池１に供給された酸化剤ガスに含まれ、燃料電池１に流入した硫黄化合物の積算量が所定量以上となったときに、ＥＣＵ６５は触媒活性の回復操作が必要であると判断して触媒活性の回復操作を行わせる。この場合、所定時間内に燃料電池１に流入した硫黄化合物の積算量を算出する方法として、酸化剤ガス流量センサ５２が検出した酸化剤ガスの流量、硫黄化合物センサ５３が検出した酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物の濃度および硫黄化合物の流入時間を積算（積分）する方法を採用することができる。このとき、ＥＣＵ６５、酸化剤ガス流量センサ５２および硫黄化合物センサ５３は燃料電池１に流入した硫黄化合物の積算量を検出する硫黄化合物積算供給量検出手段として機能する。なお、触媒活性の回復操作を行うときの硫黄化合物積算流入量の所定量は、例えば燃料電池１の発電性能が一定以上低下するに至る硫黄化合物の積算流入量を実験的に求めて設定することができる。実験方法としては、例えば燃料電池単位セルの燃料極に燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給して発電させながら、この酸化剤ガス中に所定濃度の硫黄化合物を所定時間混入させたときのセル電圧の変化を測定することで、燃料電池に供給された硫黄化合物の積算流入量と燃料電池の発電性能低下幅との関係を得ることができる。
【００３７】
３つ目の条件としては、例えば単位セル電圧センサ５５で検出される単位セル１ａの電圧降下量が所定値以上となったときに、ＥＣＵ６５は触媒活性の回復操作が必要であると判断して触媒活性の回復操作を行わせる。ここで単位セル１ａの電圧降下量とは、例えばある一定の負荷で燃料電池１を駆動した場合の単位セル１ａ１つ当たりの電圧降下幅である。なお、触媒活性の回復操作を行うときの単位セル１ａの電圧降下量は、例えば燃料電池１の特性に基づいて設定することができる。
【００３８】
４つ目の条件としては、例えば燃料電池１の単位セル１ａの電圧降下率が所定値以上となったときに、ＥＣＵ６５は触媒活性の回復操作が必要であると判断して触媒活性の回復操作を行わせる。ここで単位セル１ａの電圧降下率とは、例えば一定の負荷で燃料電池１を駆動した場合の一定時間における単位セル１ａの電圧降下量（電圧の勾配）である。本実施形態では、単位セル電圧センサ５５で検出された単位セル１ａの電圧変化からＥＣＵ６５が単位セル１ａの電圧降下率を求めるようになっており、単位セル電圧センサ５５とＥＣＵ６５が単位セル１ａの電圧降下率を検出する単位セル電圧降下率検出手段として機能する。なお、触媒活性の回復操作を行うときの単位セル１ａの電圧降下率は、例えばカソード触媒層４や電解質膜２の材質、燃料電池１の特性に基づいて実験的に設定することができる。
【００３９】
５つ目の条件としては、例えば燃料電池１の積算運転時間が所定時間以上となったときに、ＥＣＵ６５は触媒活性の回復操作が必要であると判断して触媒活性の回復操作を行わせる。ここでＥＣＵ６５は、その内部に設けられたタイマ（図示せず）を用いて燃料電池１の積算運転時間を算出する。なお、触媒活性の回復操作を行うときの燃料電池１の積算運転時間は、燃料電池システムの使用環境における硫黄化合物の濃度や酸化剤ガスフィルタ４７の不純物の捕捉性能にもよるが、例えば一般的な環境基準濃度に基づいて５０時間程度に設定することができる。
【００４０】
なお上記の５つの燃料電池１の触媒活性の回復操作を行う条件は、いずれか一つを採用することもできるが、複数の条件において触媒活性の回復操作を行うようにしてもよい。
【００４１】
図２に示すフローチャートに戻り、ステップ１００において触媒活性の回復操作が必要でないとＥＣＵ６５が判断した場合は処理を終了する。
【００４２】
ステップ１００において、上記の５つの条件等から触媒活性の回復操作が必要であると判断された場合には、ＥＣＵ６５は燃料電池１が触媒活性の回復操作を行うことが可能かどうかを判断する（ステップ１０１）。このときＥＣＵ６５は、触媒活性の回復操作が可能かどうかを判定する回復操作可否判定手段として機能する。ステップ１０１でＥＣＵ６５は、例えば燃料電池１の触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させるのに十分な高負荷運転を燃料電池１が行っているかどうかを判断する。これは例えば、本実施形態に係る燃料電池システムが自動車に搭載されている場合に、その自動車が高速道路を走行中などのときである。またこのような場合には余剰電力が生じるため、例えばこの余剰電力を二次電池等のバッテリー（図示せず）に充電することが可能である。
【００４３】
ステップ１０１において燃料電池１が触媒活性の回復操作を行うことができない状態であると判断された場合には、触媒活性の回復操作を行うことができる状態となるまで、例えば触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させるのに十分な高負荷運転を燃料電池１が行うまで待機するためにステップ１０１を繰り返す。
【００４４】
ステップ１０１において燃料電池１が触媒活性の回復操作を行うことができる状態であると判断された場合には、触媒活性の回復操作、すなわち燃料電池１の触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させる処理を行う（ステップ１０２）。なお、上記のようにＥＣＵ６５が酸化剤ガス加湿器５４を制御して燃料電池１に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させ、燃料電池１を所定値以上の負荷で発電させること以外に、ＥＣＵ６５が冷却水ポンプ６１を制御して燃料電池１に供給される冷却水の流量を増加させて、燃料電池１の温度を下げることにより燃料電池１の触媒層から排出される水の量を増加させることもできる。これにより燃料電池１の内部の相対湿度が高くなるため、燃料電池１の触媒層から排出される水の量を増加させることができる。ステップ１０２では燃料電池１の触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させるが、この排水の量の所定値は、例えばカソード触媒層４の触媒に吸着した硫黄化合物等の不純物を脱離、除去するのに十分な量であり、硫黄化合物センサ５２で検出された硫黄化合物濃度、硫黄化合物積算供給量検出手段によって検出された硫黄化合物積算流入量等によって適当な値が異なるため、実験等から求められた値に設定するのが望ましい。
【００４５】
ステップ１０２において燃料電池１の触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させた後に、ＥＣＵ６５は、燃料電池１の触媒層から排出される水の量を触媒に吸着した硫黄化合物等の不純物を脱離、除去するのに十分な量となるように燃料電池１の発電負荷を上げて、燃料電池１に発電を開始させる（ステップ１０３）。
【００４６】
その後ＥＣＵ６５は、所定時間ｔが経過したかを判断し（ステップ１０４）、燃料電池１の発電負荷を上げて発電を開始してから所定時間ｔが経過した場合には、燃料電池１の発電を終了させる（ステップ１０５）。ステップ１０５では燃料電池１の発電負荷を通常の値に戻すか、または発電を終了して触媒活性の回復操作を終了する。ステップ１０４において発電負荷を上げて発電を開始してから所定時間ｔが経過していない場合には、所定時間ｔが経過するまでそのままの状態で発電を続ける。
【００４７】
ステップ１０３およびステップ１０４において所定時間ｔの間、燃料電池１の発電負荷を上げて発電することにより、カソード触媒層４から排出される水の量が増加し、燃料電池１から燃料ガス排出配管４５を介して排水が外部へ流れ出るため、カソード触媒層４の触媒に吸着した硫黄化合物等の不純物の脱離、除去が促進される。なお発電負荷を上げて発電を行う所定時間ｔおよびそのときの発電負荷は、カソード触媒層４や触媒の材料、カソード触媒層４の含水状態、あるいは硫黄化合物センサ５２で検出された硫黄化合物濃度、硫黄化合物積算供給量検出手段によって検出された硫黄化合物積算流入量等によって適当な値が異なるため、実験等から求められた値に設定するのが望ましく、例えば本実施形態においては所定時間は３０分程度とすることができる。
【００４８】
本実施形態では、燃料電池１の触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させることによりカソード触媒層４の触媒活性を回復させる触媒活性回復手段を備えているため、触媒の表面に吸着した硫黄化合物等を除去することができ、カソード触媒層４の触媒の劣化を防止し、燃料電池１の発電性能の低下を抑制することが可能となる。
【００４９】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成例を示す構成図である。なお本実施形態２に係る燃料電池システムは、以下に述べる点を除いて実施形態１に係る燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。また図５では、冷却水管路５７、冷却水タンク５９および冷却水ポンプ６１を省略して示している。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池システムは、酸化剤ガス供給配管３３の酸化剤ガス供給量調整弁４９の下流側に２つの三方弁７０、７２が設けられている。酸化剤ガス供給配管３３は、三方弁７０、７２によって２本の管路に分岐され、そのうち一方の酸化剤ガスバイパス配管７４に酸化剤ガス加湿器５４が設けられている。
【００５１】
三方弁７０、７２は、ＥＣＵ６５と接続されており、ＥＣＵ６５は触媒活性の回復操作を行う際に、三方弁７０、７２および酸化剤ガス加湿器５４を制御して燃料電池１に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させる。このときＥＣＵ６５は、三方弁７０、７２を制御して酸化剤ガスを酸化剤ガスバイパス配管７４側に流すようにする。
【００５２】
本実施形態では、酸化剤ガスの含水量を三方弁７０、７２および酸化剤ガス加湿器５４によって増加させることができるため、カソード触媒層４の触媒の表面に吸着した硫黄化合物等の不純物を効果的に除去することができる。なお、その他の効果については実施形態１に係る燃料電池システムと同様である。
【００５３】
（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３に係る燃料電池システムにおける触媒活性の回復操作の手順を示すフローチャートである。なお本実施形態３に係る燃料電池システムの構成は、実施形態１または実施形態２に係る燃料電池システムと同様であり説明を省略する。また本実施形態３に係る燃料電池システムを、実施形態１および実施形態２係る燃料電池システムを組み合わせたものにしてもよい。
【００５４】
本実施形態に係る燃料電池システムの触媒活性の回復操作手順は、ステップ２００からステップ２０５が実施形態１の図４におけるステップ１００からステップ１０５の処理と同様になっている。なおステップ２０２における触媒活性の回復操作において、燃料電池１に所定値以上の負荷で発電を行わせることと、燃料電池１の温度を下げることにより触媒層から排出される水の量を増加させることと、および燃料電池に供給される酸化剤ガスの含水量を増加させることの２つ以上を組み合わせて触媒活性の回復操作を行うようにしてもよい。
【００５５】
本実施形態では、ステップ２０５において所定時間ｔの間、燃料電池１の発電負荷を上げて発電することが終了すると、ＥＣＵ６５は酸化剤ガス供給量調整弁４９を制御して燃料電池１に供給される酸化剤ガスの流量を所定流量以上に増加させる。これはステップ２０２等において燃料電池１が高加湿条件で発電を行っているため、以降の発電においてカソード触媒層４等に余剰な水分が溜まり燃料電池１の発電性能が低下する、いわゆるフラッディングが起こるのを防止するためである。
【００５６】
本実施形態では、触媒活性の回復処理を行った後に酸化剤ガスの流量を所定流量以上に増加させるため、カソード触媒層４等に溜まった余剰の水分を除去することができ、フラッディングによる発電性能の低下を防止することができる。なお、その他の効果については実施形態１または実施形態２に係る燃料電池システムと同様である。
【００５７】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、図３に示す酸化剤ガス流量センサ５２や酸化剤ガス加湿器５４などは必ずしも設ける必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図２】電解質膜側から見た単位セルを構成するカソードセパレータの正面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける触媒活性の回復操作の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る燃料電池システムにおける触媒活性の回復操作の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
１      燃料電池
１ａ    単位セル
２      電解質膜
３      アノード触媒層
４      カソード触媒層
５      アノードガス拡散層
６      カソードガス拡散層
７      水素流路
８      アノードセパレータ
９      空気流路
１０    カソードセパレータ
１１、１２  冷却水流路
２０    空気導入マニホールド
２１    空気排出マニホールド
２２、２３  ディフューザー
２４    水素導入マニホールド
２５    水素排出マニホールド
２６    冷却水導入マニホールド
２７    冷却水排出マニホールド
３３    酸化剤ガス供給配管
３５    酸化剤ガスブロアー
３７    燃料ガスタンク
３９    燃料ガス供給配管
４１    燃料ガス調整弁
４３    燃料ガス供給量調整弁
４５    燃料ガス排出配管
４７    酸化剤ガスフィルタ
４９    酸化剤ガス供給量調整弁
５１    酸化剤ガス排出配管
５３    硫黄化合物センサ
５５    単位セル電圧センサ
５７    冷却水管路
５９    冷却水タンク
６１    冷却水ポンプ
６５    ＥＣＵ
７０、７２  三方弁
７４    酸化剤ガスバイパス配管
【図４】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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