(57)【要約】【課題】簡便なシステム構成で燃料電池スタックの電圧を回復させることを可能とした燃料電池システムの性能回復方法を提供する。【解決手段】酸化剤供給ラインに設けられた第１の外部ポート切替弁を介して分岐された第１のガス配管を通して、性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源から酸化剤極に水素ガスを供給し、酸化剤排気ラインに設けられた第２の外部ポート切替弁を介して分岐された第２のガス配管を通して、外部ユニットに含まれるバイパス配管の一端に酸化剤極を経た水素ガスを導入し、燃料供給ラインに設けられた第３の外部ポート切替弁を介して分岐された第３のガス配管を通して、バイパス配管の他端から燃料極に水素ガスを供給し、所定時間経過後、水素ガス供給源からの水素ガスの供給を停止し、その後燃料電池スタックの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体を外部ユニットに含まれる外部電源と接続し、燃料電池スタックに直流電流を流す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸化剤極とからなる単電池を積層した単電池積層体と、前記単電池積層体の端部に配置した燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とで構成される燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムの性能回復方法において、
前記燃料電池スタックの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体を、該燃料電池システムと着脱可能に接続される性能回復用外部ユニットに含まれる外部電源に接続し、
前記酸化剤極に、前記性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源から水素ガスを供給すると共に、前記燃料極側集電体から前記外部電源を経由して酸化剤極側集電体に電流を流すことを特徴とする燃料電池システムの性能回復方法。
【請求項２】
燃料極及び酸化剤極とからなる単電池を積層した単電池積層体と、前記単電池積層体の端部に配置した燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とで構成される燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給ラインと、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料極からの既反応ガスを排気する燃料排気ラインと、前記酸化剤極からの既反応ガスを排気する酸化剤排気ラインとからなる燃料電池システムの性能回復方法において、
前記酸化剤供給ラインに設けられた第１の外部ポート切替弁を介して分岐された第１のガス配管を通して、該燃料電池システムと着脱可能に接続される性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源から、前記酸化剤極に水素ガスを供給し、
前記酸化剤排気ラインに設けられた第２の外部ポート切替弁を介して分岐された第２のガス配管を通して、前記性能回復用外部ユニットに含まれるバイパス配管の一端に、前記酸化剤極を経た水素ガスを導入し、
前記燃料供給ラインに設けられた第３の外部ポート切替弁を介して分岐された第３のガス配管を通して、前記バイパス配管の他端から前記燃料極に水素ガスを供給し、
所定時間経過後に、前記水素ガス供給源からの水素ガスの供給を停止し、その後、前記燃料電池スタックの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体を、前記性能回復用外部ユニットに含まれる外部電源と接続して、該燃料電池スタックに直流電流を流すことを特徴とする燃料電池システムの性能回復方法。
【請求項３】
前記第１のガス配管と前記水素ガス供給源とを結ぶ外部水素供給ラインに第１のリサイクル切替弁を設けると共に、
前記燃料排気ラインに設けられた第４の外部ポート切替弁を介して分岐された第４のガス配管と、前記性能回復用外部ユニットに含まれる燃焼器との間を結ぶ外部水素排気ラインに第２のリサイクル切替弁を設け、
前記第１のリサイクル切替弁と第２のリサイクル切替弁を結ぶリサイクルラインを設け、
前記外部水素供給ラインを介して酸化剤極へ水素ガスを供給してから所定時間経過後に、両リサイクル切替弁をリサイクルライン側に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの性能回復方法。
【請求項４】
前記リサイクルライン上にブロワを設け、
前記外部水素供給ラインを介して酸化剤極へ水素ガスを供給してから所定時間経過後に、両リサイクル切替弁をリサイクルライン側に切り替えると共に、前記ブロワを起動することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの性能回復方法。
【請求項５】
前記酸化剤極に水素を流通させる前に、予め酸化剤極を窒素雰囲気にすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の燃料電池システムの性能回復方法。
【請求項６】
燃料極及び酸化剤極とからなる単電池を積層した単電池積層体と、前記単電池積層体の端部に配置した燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とで構成される燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給ラインと、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料極からの既反応ガスを排気する燃料排気ラインと、前記酸化剤極からの既反応ガスを排気する酸化剤排気ラインとからなる燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤供給ラインに第１の外部ポート切替弁が設けられ、この第１の外部ポート切替弁を介して分岐された第１のガス配管の先端に外部酸化剤極ガス供給ポートが配設され、この外部酸化剤極ガス供給ポートが、該燃料電池システムと着脱可能に接続される性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源と着脱可能に構成され、
前記酸化剤排気ラインに第２の外部ポート切替弁が設けられ、この第２の外部ポート切替弁を介して分岐された第２のガス配管の先端に外部酸化剤極ガス排気ポートが配設され、この外部酸化剤極ガス排気ポートが、前記性能回復用外部ユニットに含まれるバイパス配管の一端と着脱可能に構成され、
前記燃料供給ラインに第３の外部ポート切替弁が設けられ、この第３の外部ポート切替弁を介して分岐された第３のガス配管の先端に外部燃料極ガス供給ポートが配設され、この外部燃料極ガス供給ポートが、前記バイパス配管の他端と着脱可能に構成され、
前記燃料排気ラインに第４の外部ポート切替弁が設けられ、この第４の外部ポート切替弁を介して分岐された第４のガス配管の先端に外部燃料極ガス排気ポートが配設され、この外部燃料極ガス排気ポートが、前記性能回復用外部ユニットに含まれる燃焼器と着脱可能に構成され、
前記燃料電池スタックの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とそれぞれ電気的に接続された一対の外部電源用接続端子が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
性能回復操作の対象となる燃料電池システムの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体と電気的に接続可能な外部電源と、
前記燃料電池システムの酸化剤極に水素ガスを供給する水素ガス供給源と、
前記燃料電池システムの燃料極から排出される水素ガスを燃焼する燃焼器とを備え、
前記水素ガス供給源に接続された水素ガス供給ラインに第１のリサイクル切替弁を配設すると共に、前記燃焼器に接続された水素ガス排出ラインに第２のリサイクル切替弁を配設し、
前記第１のリサイクル切替弁と第２のリサイクル切替弁との間に、リサイクルラインを設け、
前記燃料電池システムの酸化剤極から排出された水素ガスを、燃料極に導入するバイパス配管を備えたことを特徴とする性能回復用外部ユニット。
【請求項８】
前記リサイクルラインに、ブロワを設けたことを特徴とする請求項７に記載の性能回復用外部ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックに、燃料及び酸化剤をそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの性能回復方法、燃料電池システム及び性能回復用外部ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池発電システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、環境性に優れるという特徴を持つ。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。
【０００３】
このような燃料電池本体は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、なかでも、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。
【０００４】
この固体高分子形燃料電池発電システムは、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極及び酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、及び発電に伴う発熱を回収する熱利用系等から構成されている。
【０００５】
このように、燃料電池発電システムの運転には燃料の投入が前提となるため、燃料投入量に対する発電量で定義される発電効率が高いほど、燃料使用量の削減が実現でき、ユーザメリットが高くなる。したがって、発電効率が燃料電池発電システムの性能を示す指標となっている。
【０００６】
このような燃料電池発電システムにおいて、実際に発電機能を担っている燃料電池スタックには、運転に伴う様々な要因により経時的に電圧が低下し、結果として発電効率が低下するという問題がある。すなわち、燃料電池スタックの経時的な電圧低下を抑制することが、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供する上で、最も重要な開発テーマとなっている。
【０００７】
このような燃料電池スタックの経時的な電圧低下には、材料劣化に起因する不可逆的な電圧低下と、可逆的な電圧低下が含まれる。後者の可逆的な電圧低下要因としては、触媒粒子に酸化皮膜が形成することによる活性低下や、電池内の水管理上の問題によるガス拡散性の低下が知られている。
【０００８】
従って、上述したような電圧低下を抑制するためには、上記のような可逆的な電圧低下要因を取り除くことが重要である。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックを搭載したシステムにおいて、カソードに水素を供給し、外部電源によりカソードからアノードへプロトンを移動させることで、カソード触媒近傍に滞留した水を取り除くことにより、水管理上の問題を克服し、ガス拡散性を改善する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２７２６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示された方法では、電圧低下を回復させるための機能を個々のシステム毎に追加する必要があり、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システムで利用できる簡便なシステムではなかった。そのため、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システムにおいて、簡便なシステム構成で燃料電池スタックの電圧を改善する方法を確立することが課題となっている。
【００１０】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであり、その第１の目的は、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システムにおいて、簡便なシステム構成で燃料電池スタックの電圧を回復させることを可能とした燃料電池システムの性能回復方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、簡便なシステム構成で燃料電池スタックの電圧を回復させることを可能とした燃料電池システム及び性能回復用外部ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料極及び酸化剤極とからなる単電池を積層した単電池積層体と、前記単電池積層体の端部に配置した燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とで構成される燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムの性能回復方法において、前記燃料電池スタックの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体を、該燃料電池システムと着脱可能に接続される性能回復用外部ユニットに含まれる外部電源に接続し、前記酸化剤極に、前記性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源から水素ガスを供給すると共に、前記燃料極側集電体から前記外部電源を経由して酸化剤極側集電体に電流を流すことを特徴とする。
【００１３】
上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃料電池システムの性能回復操作が必要となった場合に、適宜、該燃料電池システムと着脱可能に構成された性能回復用外部ユニットを接続して、燃料電池システムの酸化剤極に、性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源から水素ガスを供給すると共に、燃料極側集電体から性能回復用外部ユニットに含まれる外部電源を経由して酸化剤極側集電体に電流を流すことにより、燃料電池システムの性能回復操作を実施できる。
【００１４】
その結果、予め個々の燃料電池システムに性能回復用装置を組み込む必要がなくなり、燃料電池システムが大型化することを防止でき、燃料電池システムの製造コストが大幅に低減できる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、燃料極及び酸化剤極とからなる単電池を積層した単電池積層体と、前記単電池積層体の端部に配置した燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とで構成される燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給ラインと、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料極からの既反応ガスを排気する燃料排気ラインと、前記酸化剤極からの既反応ガスを排気する酸化剤排気ラインとからなる燃料電池システムにおいて、前記酸化剤供給ラインに第１の外部ポート切替弁が設けられ、この第１の外部ポート切替弁を介して分岐された第１のガス配管の先端に外部酸化剤極ガス供給ポートが配設され、この外部酸化剤極ガス供給ポートが、該燃料電池システムと着脱可能に接続される性能回復用外部ユニットに含まれる水素ガス供給源と着脱可能に構成され、前記酸化剤排気ラインに第２の外部ポート切替弁が設けられ、この第２の外部ポート切替弁を介して分岐された第２のガス配管の先端に外部酸化剤極ガス排気ポートが配設され、この外部酸化剤極ガス排気ポートが、前記性能回復用外部ユニットに含まれるバイパス配管の一端と着脱可能に構成され、前記燃料供給ラインに第３の外部ポート切替弁が設けられ、この第３の外部ポート切替弁を介して分岐された第３のガス配管の先端に外部燃料極ガス供給ポートが配設され、この外部燃料極ガス供給ポートが、前記バイパス配管の他端と着脱可能に構成され、前記燃料排気ラインに第４の外部ポート切替弁が設けられ、この第４の外部ポート切替弁を介して分岐された第４のガス配管の先端に外部燃料極ガス排気ポートが配設され、この外部燃料極ガス排気ポートが、前記性能回復用外部ユニットに含まれる燃焼器と着脱可能に構成され、前記燃料電池スタックの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体とそれぞれ電気的に接続された一対の外部電源用接続端子が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
上記のような構成を有する請求項６に記載の発明によれば、燃料電池システムの性能回復操作が必要となった場合に、適宜、該燃料電池システムと着脱可能に構成された性能回復用外部ユニットを接続して、性能回復操作を実施することができる。
【００１７】
請求項７に記載の性能回復用外部ユニットは、性能回復操作の対象となる燃料電池システムの燃料極側集電体及び酸化剤極側集電体と電気的に接続可能な外部電源と、前記燃料電池システムの酸化剤極に水素ガスを供給する水素ガス供給源と、前記燃料電池システムの燃料極から排出される水素ガスを燃焼する燃焼器とを備え、前記水素ガス供給源に接続された水素ガス供給ラインに、第１のリサイクル切替弁を配設すると共に、前記燃焼器に接続された水素ガス排出ラインに、第２のリサイクル切替弁を配設し、前記第１のリサイクル切替弁と第２のリサイクル切替弁との間に、リサイクルラインを設け、前記燃料電池システムの酸化剤極から排出された水素ガスを、燃料極に導入するバイパス配管を備えたことを特徴とする。
【００１８】
上記のような構成を有する請求項７に記載の発明によれば、汎用性の高い外部ユニットが得られるので、この外部ユニットを性能回復操作が必要な一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システムに接続することにより、簡便なシステム構成で、効率の良い性能回復操作が実施できるようになる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のような本発明によれば、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システムにおいて、簡便なシステム構成で燃料電池スタックの電圧を回復させることを可能とした燃料電池システムの性能回復方法を提供することができる。また、本発明によれば、簡便なシステム構成で燃料電池スタックの電圧を回復させることを可能とした燃料電池システム及び性能回復用外部ユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図１は、本発明による燃料電池システムの性能回復方法に関する実施形態を示す構成図であり、図中の実線はガス配管、破線は電気配線の結線図、一点鎖線は燃料電池システムを内部に収納した筐体の境界、点線は性能回復用外部ユニットをそれぞれ示している。
【００２１】
（１）構成
（１−１）燃料電池システムＡの構成
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムＡにおいては、燃料電池スタック１の燃料極１ａに燃料供給ライン４及び燃料排出ライン５が接続され、この燃料供給ライン４を介して、都市ガスを改質器２により改質して得られた水素リッチガスが供給されるように構成されている。
【００２２】
また、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂには酸化剤供給ライン６及び酸化剤排出ライン７が接続され、この酸化剤供給ライン６を介して、空気ブロワ３からの空気が供給されるように構成されている。また、燃料電池スタック１で得られた直流電力は、電気制御装置８により交流電力に変換されて、外部負荷９に供給されるように構成されている。
【００２３】
また、前記酸化剤供給ライン６には酸化剤極入口ボールバルブ（請求項の第１の外部ポート切替弁に相当する）１０ａが、一方、前記酸化剤排出ライン７には酸化剤極出口ボールバルブ（請求項の第２の外部ポート切替弁に相当する）１０ｂが設けられ、また、前記燃料供給ライン４には燃料極入口ボールバルブ（請求項の第３の外部ポート切替弁に相当する）１０ｃが、一方、前記燃料排出ライン５には燃料極出口ボールバルブ（請求項の第４の外部ポート切替弁に相当する）１０ｄが設けられている。
【００２４】
これらのボールバルブ１０ａ〜１０ｄは、それぞれ切り替え弁としての機能と、閉止弁としての機能の両方を有している。例えば、酸化剤極入口ボールバルブ１０ａを例にとると、酸化剤極１ｂと空気ブロワ３、あるいは、酸化剤極１ｂと後述する外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａとをそれぞれ切り替えて連通させるような切替弁としての機能と、酸化剤極１ｂを両者とも連通させない閉止機能を有している。
【００２５】
また、本実施形態の燃料電池システムＡにおいては、該システムをその内部に収納した筐体２０に、外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａ、外部酸化剤極ガス排気ポート１１ｂ、外部燃料極ガス供給ポート１１ｃ及び外部燃料極ガス排気ポート１１ｄが設けられている。
【００２６】
そして、外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａと前記酸化剤極入口ボールバルブ１０ａとの間には、第１のガス配管１２が配設され、外部酸化剤極ガス排気ポート１１ｂと前記酸化剤極出口ボールバルブ１０ｂとの間には、第２のガス配管１３が配設されている。また、外部燃料極ガス供給ポート１１ｃと前記燃料極入口ボールバルブ１０ｃとの間には、第３のガス配管１４が配設され、外部燃料極ガス排気ポート１１ｄと前記燃料極出口ボールバルブ１０ｄとの間には、第４のガス配管１５が配設されている。
【００２７】
さらに、筐体２０には、筐体外部に設けられた外部電源３０と燃料電池スタック１とを接続するための外部電源用接続端子１６ａ、１６ｂが設けられている。なお、この外部電源用接続端子１６ａは、燃料電池スタック１の酸化剤極側集電体と電気的に接続され、外部電源用接続端子１６ｂは、燃料電池スタック１の燃料極側集電体と電気的に接続されている。
【００２８】
（１−２）性能回復用外部ユニットＢの構成
本実施形態の性能回復用外部ユニット（以下、外部ユニットという）Ｂには、外部電源３０、水素ボンベ３１及び燃焼器３２が設けられている。そして、前記外部電源３０は、燃料電池システムの性能回復操作時に、上述した燃料電池システムＡの外部電源用接続端子１６ａ、１６ｂに接続できるように構成されている。
【００２９】
また、前記水素ボンベ３１には、水素ガス供給ライン３３が接続され、その一端は、上述した燃料電池システムの外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａに着脱可能な構成とされている。また、前記水素ガス供給ライン３３には、第１のリサイクル切替弁３４ａが配設されている。
【００３０】
さらに、前記燃焼器３２には、水素ガス排出ライン３５が接続され、その一端は、上述した燃料電池システムの外部燃料極ガス排気ポート１１ｄに着脱可能な構成とされている。また、前記水素ガス排出ライン３５には、第２のリサイクル切替弁３４ｂが配設されている。そして、前記第１のリサイクル切替弁３４ａと第２のリサイクル切替弁３４ｂとの間には、リサイクルライン３６が設けられている。
【００３１】
また、上述した燃料電池システムＡの外部酸化剤極ガス排気ポート１１ｂと燃料極ガス供給ポート１１ｃの間には、バイパス配管３７が着脱可能に配設されている。
【００３２】
上記のような構成部材からなる外部ユニットＢが、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システム等の各燃料電池システムＡに、随時接続されて、以下に述べるような性能回復操作が実施されるように構成されている。
【００３３】
（２）作用
（２−１）通常発電時
本実施形態の燃料電池システムＡは、通常発電時には、燃料電池スタック１の燃料極１ａに都市ガスを改質器２により改質して得られた水素リッチガスを供給すると共に、酸化剤極１ｂに空気ブロワ３からの空気を供給し、得られた直流電力を電気制御装置８により交流電力に変換して、外部負荷９に供給する。
【００３４】
（２−２）発電停止時
一方、発電停止時には、空気ブロワ３を停止すると共に、燃料電池スタック１の酸化剤極１ｂの入口及び出口に設けられたボールバルブ１０ａ、１０ｂを閉止させることにより、酸化剤供給ライン６及び酸化剤排出ライン７を遮断した状態で発電を継続し、酸化剤極１ｂの残存酸素を消費させた後、電磁開閉装置１７により外部負荷９を遮断させると共に、燃料極１ａの入口及び出口に設けられたボールバルブ１０ｃ、１０ｄを閉止して、燃料電池スタック１を密封する。
【００３５】
（２−３）性能回復操作時
（２−３−１）準備処理
次に、本実施形態の燃料電池システムＡの性能回復操作について説明する。すなわち、上記シーケンスにて発電が停止された状態で、筐体２０内に収納された燃料電池システムＡと、前記外部ユニットＢとを以下のようにして接続する。
【００３６】
まず、燃料電池スタック１の酸化剤極側集電体及び燃料極側集電体とそれぞれ電気的に接続された外部電源用接続端子１６ａ、１６ｂと外部電源３０を接続する。
【００３７】
また、外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａに、水素ガス供給ライン３３を介して水素ボンベ３１を接続し、外部酸化剤極ガス排気ポート１１ｂと外部燃料極ガス供給ポート１１ｃにバイパス配管３７を接続する。さらに、外部燃料極ガス排気ポート１１ｄに、水素ガス排出ライン３５を介して燃焼器３２を接続する。
【００３８】
これらの接続作業がすべて完了した後に、前記ボールバルブ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄをそれぞれ外部ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ側に切り替える。これにより、性能回復操作の前準備が完了する。
【００３９】
（２−３−２）再活性化操作
続いて、燃料電池システムの性能回復のために、以下のような再活性化操作が実行される。
まず、水素ボンベ３１のバルブを開くことにより、水素ガス供給ライン３３→外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａ→第１のガス配管１２→酸化剤極入口ボールバルブ１０ａを経由して、水素ガスが酸化剤極１ｂへ供給される。
【００４０】
さらに、酸化剤極１ｂから排出された水素は、酸化剤極出口ボールバルブ１０ｂ→第２のガス配管１３→外部酸化剤極ガス排気ポート１１ｂ→バイパス配管３７→第３のガス配管１４→燃料極入口ボールバルブ１０ｃを経由して、燃料極１ａに供給される。また、燃料極１ａから排出された水素は、燃料極出口ボールバルブ１０ｄ→第４のガス配管１５→外部燃料極ガス排気ポート１１ｄ→水素ガス排出ライン３５を経由して燃焼器３２に導入され、燃焼器３２により燃焼処理されるように構成されている。
【００４１】
ただし、本実施形態においては、上記のようにして酸化剤極１ｂ及び燃料極１ａに水素を充填させた後（本実施形態では、水素ボンベ３１のバルブを開いてから約１０秒後）、水素ボンベ３１のバルブを閉止すると共に、前記リサイクル切替弁３４ａ、３４ｂをそれぞれリサイクルライン側に切り替え、燃料極側集電体から外部電源３０を経由して酸化剤極側集電体に電流密度が０．４Ａ／ｃｍ2となるように直流電流を流し、１０分間の再活性化操作を実施する。
【００４２】
ここで、通電操作中は、酸化剤極１ｂではＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-、燃料極１ａでは２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2で記述される反応がそれぞれ生じるために、結果として水素が酸化剤極１ｂから電解質を介して燃料極１ａに移動する反応が生じる。それと共に、燃料極１ａから排出された水素は、リサイクルライン３６を経由して再び酸化剤極１ｂに還流される。したがって、水素は消費されずに酸化剤極１ｂと燃料極１ａ間を循環する形態をとる。
【００４３】
なお、燃料電池スタックのガス系の圧損が高く、上述のような水素還流が困難な場合には、リサイクルライン３６にリサイクルブロワ３８を設置して、水素を還流させる構成にしても良い。また、本実施形態においては、水素ボンベ３１のバルブを開いてから１０秒後のタイミングで、直流電流の通電操作を開始したが、燃焼器３２の温度上昇を確認した後に、直流電流の通電操作を開始するようにしても良い。
【００４４】
（２−３−３）再活性化操作の終了
次に、再活性化操作の停止方法について説明する。
上述したような１０分間の再活性化操作の後、直流電流の通電操作を停止すると共に、ボールバルブ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄをすべて閉止状態とし、燃料電池スタック１を封入する。その後、外部電源用接続端子１６ａ、１６ｂに接続した外部電源３０、外部酸化剤極ガス供給ポート１１ａに接続した水素ボンベ３１、外部酸化剤極ガス排気ポート１１ｂと外部燃料極ガス供給ポート１１ｃに接続したバイパス配管３７、外部燃料極ガス排気ポート１１ｄに接続した燃焼器３２をすべて取り外し、一連の性能回復操作を終了する。
【００４５】
（３）効果
図２は、本実施形態の効果を示す図であり、７，０００時間発電した燃料電池について、再活性化操作前と操作後の燃料電池スタックの酸化剤極に供給する空気を酸素に切り替えた場合の電圧差（酸素ゲイン）のセル平均と、各セルの酸化剤極の触媒層についての電気化学的白金表面積の平均を示したものである。さらに比較のために運転初期のデータも示す。
【００４６】
図から明らかなように、上記の再活性化操作によって酸化剤極のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、酸化剤極の触媒活性の改善を示す電気化学的白金表面積の増加が確認でき、酸素ゲインに関しては、運転初期のデータに迫るほど回復した。このことは、酸化剤極の触媒層の一次粒子で形成されるミクロポアを閉塞している水を十分取り除くことができたことを示している。
【００４７】
また、図３は、７，０００時間発電した燃料電池に再活性化操作を行った後、さらに１５，０００時間まで発電し、電池電圧の経時変化を示したものである。
【００４８】
図から明らかなように、７，０００時間後の再活性化操作によって、電池電圧はほぼ初期電圧まで回復し、元の電圧に戻るまでに同様に約７，０００時間経過していることがわかる。すなわち、本実施形態によれば、電池性能を経時的に低下させる原因となっている酸化剤極のガス拡散性の悪化及び触媒有効表面積の低下を防止または改善し、燃料電池の電圧の低下を防止または回復させることによって、発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にすることができる。
【００４９】
さらに、本実施形態によれば、燃料電池システムの性能回復操作が必要となった時に、適時、外部ユニットＢを燃料電池システムＡに接続して性能回復操作を実施することができるので、予め個々の燃料電池システムに性能回復用装置を組み込む必要がない。その結果、燃料電池システムが大型化することを防止でき、燃料電池システムの製造コストが大幅に低減できる。
【００５０】
また、汎用性の高い外部ユニットを用いることにより、この外部ユニットを性能回復操作が必要な一般家庭用の小型コージェネレーションシステムや車載用燃料電池システムに接続することにより、簡便なシステム構成で、効率の良い性能回復操作が実施できる。
【００５１】
（４）他の実施形態
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、ＬＰＧガスを使用する燃料電池システムについては、ＬＰＧガスボンベの交換作業の際に、上記の外部ユニットを携行したガス屋等によって、容易に性能回復操作を実施することができる。また、水素ボンベの運搬には、ＬＰＧガスボンベの配達に用いる車をそのまま使用できるという利点もある。
【００５２】
また、性能回復操作時において、燃料電池システムの酸化剤極に水素を流通させる前に、予め酸化剤極を窒素雰囲気にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の燃料電池システム及び外部ユニットの構成を示す図。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの性能回復方法の効果を示す図。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの性能回復方法の効果を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１…燃料電池スタック
１ａ…燃料極
１ｂ…酸化剤極
２…改質器
３…空気ブロワ
８…電気制御装置
９…外部負荷
１０ａ…酸化剤極入口ボールバルブ
１０ｂ…酸化剤極出口ボールバルブ
１０ｃ…燃料極入口ボールバルブ
１０ｄ…燃料極出口ボールバルブ
１１ａ…外部酸化剤極ガス供給ポート
１１ｂ…外部酸化剤極ガス排気ポート
１１ｃ…外部燃料極ガス供給ポート
１１ｄ…外部燃料極ガス排気ポート
１２〜１５…第１〜第４のガス配管
１６…外部電源用接続端子
１７…電磁開閉装置
３０…外部電源
３１…水素ボンベ
３２…燃焼器
３３…水素ガス供給ライン
３４…リサイクル切替弁
３５…水素ガス排出ライン
３６…リサイクルライン
３７…バイパス配管
３８…リサイクルブロワ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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