(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜とこの固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極とからなり、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す燃料電池にて、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す燃料電池の再活性化処理方法において、
前記燃料電池の再活性化処理時に、前記燃料電池の酸化剤極から排気される水素含有ガスを燃料極に供給し、この燃料極から排気される水素含有ガスを再び酸化剤極に供給することで、水素含有ガスを酸化剤極と燃料極とに循環させて利用することを特徴とする燃料電池の再活性化処理方法。
【請求項２】
燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の燃料極に燃料供給ラインを、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤供給ラインをそれぞれ接続する一方、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極から燃料排気ラインおよび酸化剤排気ラインをそれぞれ接続し、前記燃料供給ラインを分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに接続する一方、前記酸化剤排気ラインから分岐されたガス配管を燃料排気ラインに接続し、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す手段を有することを特徴とする燃料電池の再活性化処理システム。
【請求項３】
前記燃料電池の燃料供給ラインから分岐させるガス配管が酸化剤供給ラインに接続させる分岐部あるいは結合部に切替弁を設ける一方、前記酸化剤排気ラインから分岐させるガス配管が燃料排気ラインに接続される分岐部あるいは結合部に切替弁を設け、燃料電池の発電時には燃料極で使用される水素含有ガスを再活性化時には酸化剤極に供給し、酸化剤極からの水素含有ガスを燃料極排気ラインから排出するように設定したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の再活性化処理システム。
【請求項４】
前記燃料電池の燃料供給ラインに炭化水素系の原燃料を改質して水素含有ガスを製造する改質装置が具備される一方、酸化剤極に供給される水素含有ガスを、前記燃料電池発電開始前または発電停止後に前記改質装置で製造するようにしたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の再活性化処理システム。
【請求項５】
前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極に、それぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す電気制御装置には逆電流モードが備えられ、この電気制御装置としてインバータが具備されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の再活性化処理システム。
【請求項６】
前記電気制御装置として直流コンバータが具備されていることを特徴とする請求項２、５記載の燃料電池の再活性化処理システム。
【請求項７】
燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の酸化剤供給ラインに水素供給源を設ける一方、燃料排気ラインと水素含有ガス処理器を備え、酸化剤極と燃料極とに電流を流すための電源を酸化剤極と燃料極とに接続される燃料電池において、酸化剤排気ラインと燃料供給ラインとを接続し、燃料排気ラインから分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに切替弁を介して接続することを特徴とする燃料電池の再活性化処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子型燃料電池の技術に係り、特に発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にした固体高分子燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおける発電効率の低下を促す主な原因は、経時的な活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による燃料電池の電圧低下にある。活性化分極、拡散分極の増大は、電極反応に伴う生成水や燃料極からのプロトン（Ｈ＋）の移動に付随する移動水による酸化剤極の濡れの進行によって、実際に電極反応が生じている触媒の活性サイト近傍の気孔が徐々に水で閉塞されることに起因している。
【０００３】
金属イオンで電池が汚染されると、電解質膜のプロトン交換基が金属イオンに置き換わるため、電池電圧が低下する。金属イオンで汚染された燃料電池の起電力を回復させる場合、特開２００１−８５０３７公報のように、燃料極と酸化剤極に供給していた燃料および酸化剤を、それぞれ酸化剤および燃料に切替えて発電を行うことにより、プロトン交換基を置き換えていた金属イオンが移動することで燃料電池の起電力を回復させる再活性化処理方法が報告されている。
【０００４】
燃料電池システムにおいて、電圧低下の原因となっている酸化剤極側の活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大を診断する技術として、触媒の電気化学的白金表面積や酸化剤極に供給する酸化剤を空気から酸素に切替えた場合の電位差（酸素ゲイン）を測定することなどがある。
【０００５】
また、燃料電池の燃料としては、予め合成された純水素を使用する方法や、改質装置を用いて炭化水素系の原燃料から水素含有ガスを製造して使用する方法がある。ただし、炭化水素系の原燃料を改質して製造した水素含有ガスにはＣＯ２やＣＯ等も含まれるため、燃料極にＰｔ−Ｒｕ系の合金触媒を用いる方法や、燃料電池に供給される前の燃料ガスに酸素を添加してＣＯを酸化させてＣＯ濃度を低下させる方法（米国特許第４，９１０，０９９号明細書）等を採用し、ＣＯによる電極触媒の被毒、触媒活性の低下、電池性能の劣化を防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムにおいて、酸化剤極側の活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による電圧低下が起きた場合、燃料極と酸化剤極に供給していた燃料および酸化剤をそれぞれ酸化剤および燃料に切替えて発電中に再活性化処理を行うと、酸化剤極を閉塞していた気孔中の水の一部が燃料極へ移動するため、一旦は電圧が回復する。
【０００７】
しかし、発電（逆の極性）では元燃料極（逆の極性時は酸化剤極）に空気を供給することになり、元燃料極に生成水が生じ酸化剤極のミクロポアから十分に水を取り除くことができず、比較的短時間で電池電圧は低下していく。然るに、燃料電池システムにおいて、酸化剤極側の活性化分極、拡散分極、抵抗分極の増大による電圧低下が起きた場合、燃料電池の極性を逆にして発電中に再活性化処理を行っても、電圧の回復は初期的なものに限定され燃料電池の長寿命化は実現できない。
【０００８】
また、燃料ガスにＣＯを含む場合に対応して燃料極に合金触媒を用いた場合には、酸化剤極の触媒として十分には機能しないので満足な電池性能が得られない。したがって、燃料電池の長寿命化を実現するにあたってはＣＯによるカーボン腐食を防ぐことも大きな課題となる。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するために提案されたものであり、固体高分子型燃料電池の発電効率の向上やシステムの長寿命化を可能にする燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の再活性化処理方法は、請求項１に記載したように、固体高分子電解質膜とこの固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極とからなり、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す燃料電池にて、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す燃料電池の再活性化処理方法において、前記燃料電池の再活性化処理時に、前記燃料電池の酸化剤極から排気される水素含有ガスを燃料極に供給し、この燃料極から排気される水素含有ガスを再び酸化剤極に供給することで、水素含有ガスを酸化剤極と燃料極とに循環させて利用することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項２に記載したように、燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の燃料極に燃料供給ラインを、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤供給ラインをそれぞれ接続する一方、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極から燃料排気ラインおよび酸化剤排気ラインをそれぞれ接続し、前記燃料供給ラインを分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに接続する一方、前記酸化剤排気ラインから分岐されたガス配管を燃料排気ラインに接続し、発電の停止状態で、前記燃料電池の酸化剤極に水素含有ガスを供給し、かつ燃料極および酸化剤極に電源を接続し、この電源により燃料極から電源を介して酸化剤極に電流を流す手段を有することを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項３に記載したように、前記燃料電池の燃料供給ラインから分岐させるガス配管が酸化剤供給ラインに接続させる分岐部あるいは結合部に切替弁を設ける一方、前記酸化剤排気ラインから分岐させるガス配管が燃料排気ラインに接続される分岐部あるいは結合部に切替弁を設け、燃料電池の発電時には燃料極で使用される水素含有ガスを再活性化時には酸化剤極に供給し、酸化剤極からの水素含有ガスを燃料極排気ラインから排出するように設定したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項４に記載したように、前記燃料電池の燃料供給ラインに炭化水素系の原燃料を改質して水素含有ガスを製造する改質装置が具備される一方、酸化剤極に供給される水素含有ガスを、前記燃料電池発電開始前または発電停止後に前記改質装置で製造するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
さらに、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項５に記載したように、前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池の燃料極および酸化剤極に、それぞれ燃料および酸化剤を供給して発生した起電力を電気的出力として外部に取り出す電気制御装置には逆電流モードが備えられ、この電気制御装置としてインバータが具備されていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項６に記載したように、前記電気制御装置として直流コンバータが具備されていることを特徴とする。
【００２４】
さらに、本発明の燃料電池の再活性化処理システムは、請求項７に記載したように、燃料電池は固体高分子電解質膜を挟んで配置された燃料極と酸化剤極とを備え、前記燃料電池の酸化剤供給ラインに水素供給源を設ける一方、燃料排気ラインと水素含有ガス処理器を備え、酸化剤極と燃料極とに電流を流すための電源を酸化剤極と燃料極とに接続される燃料電池において、酸化剤排気ラインと燃料供給ラインとを接続し、燃料排気ラインから分岐させたガス配管を酸化剤供給ラインに切替弁を介して接続することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の再活性化処理方法およびそのシステムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００２６】
図１（ａ）は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の発電システムの概略的な一実施形態を示すものである。
【００２７】
固体高分子型燃料電池１には燃料電池スタック２が備えられ、この燃料電池スタック２は燃料極３と酸化剤極４とが配置される。燃料電池スタック２の燃料極３には燃料供給ライン６が接続される一方、燃料極３に供給されて反応したガスを排気する燃料排気ライン７が接続される。
【００２８】
燃料供給ライン６には燃料供給源としての水素供給源８が備えられる一方、燃料排気ライン７には水素含有ガス処理装置９が備えられる。さらに、燃料電池スタック２の酸化剤極４には酸化剤供給ライン１０が接続される一方、酸化剤極４に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤排気ライン１１が接続される。加えて、酸化剤供給ライン１０には酸化剤供給源１２が備えられる。また、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４に電気制御装置１３を介して電気配線１４が接続される。
【００２９】
図１（ａ）において実線矢印ａ、ｂは固体高分子型燃料電池１の発電時のガスの流れをそれぞれ示す。また、破線矢印ｃは固体高分子型燃料電池１の発電時の電流の流れを示す。
【００３０】
固体高分子型燃料電池１の発電では、燃料電池スタック２の燃料極３に水素供給源８から燃料ガスとして水素含有ガスを、および酸化剤極４に酸化剤供給源１２から酸素含有ガスをそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置１３にて回収し出力させる設計である。
【００３１】
図１（ｂ）は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池スタックの一例を示すものである。
【００３２】
図１（ｂ）は図１（ａ）に示す燃料電池スタック２のＡ−Ａ矢視方向から切断した断面図である。
【００３３】
図１（ｂ）において、燃料電池スタック２は、単電池１５が複数積層された構成を持ち、単電池１５には燃料極３と酸化剤極４とが備わっており、その燃料極３と酸化剤極４に固体高分子電解質膜１６が挟持される。その燃料極３および酸化剤極４には、ガス拡散層１７と触媒層１８とがそれぞれ備わっている。
【００３４】
さらに、単電池１５の燃料極３には燃料ガス流路１９が備えられる一方、酸化剤極４には酸化剤ガス流路２０が備えられる。
【００３５】
なお、燃料電池スタック２を構成する複数積層された単電池１５は、燃料極３と酸化剤極４とが交互に積層され、燃料極３と酸化剤極４とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池１５間にセパレータ２１が挟持される。
【００３６】
図１（ａ）にて燃料供給ライン６から燃料電池スタック２に水素含有ガスが供給されると、図２に示す燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５の燃料極３に備えられる燃料ガス流路１９に水素含有ガスが供給される。
【００３７】
同時に、図１（ａ）にて酸化剤供給ライン１０から燃料電池スタック２に酸素供給ガスが供給されると、図２に示す燃料電池スタック２を構成する個々の単電池１５の酸化剤極４に備えられる酸化剤ガス流路２０に酸素含有ガスが供給される。これにより、固体高分子型燃料電池１の発電が行われる。
【００３８】
図２は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの一実施形態を示すものである。
【００３９】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２は、図１（ｂ）に示す燃料電池スタック２が備えられ、この燃料電池スタック２は燃料極３と酸化剤極４とが配置される。燃料電池スタック２の燃料極３には燃料供給ライン６が接続される一方、燃料極３に供給されて反応したガスを排気する燃料排気ライン７が接続される。
【００４０】
燃料極３に接続された燃料供給ライン６には不活性ガス供給源２３が備えられる。さらに、燃料電池スタック２の酸化剤極４には酸化剤供給ライン１０が接続される一方、酸化剤極４に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤排気ライン１１が接続される。加えて、酸化剤供給ライン１０には水素供給源８が備えられる一方、酸化剤排気ライン１１には水素含有ガス処理装置９が備えられる。
【００４１】
すなわち、燃料供給ライン６を不活性ガス供給ラインとして利用し、燃料排気ライン７を不活性ガス排気ラインとして利用する一方、酸化剤供給ライン１０を燃料供給ラインとして利用し、酸化剤排気ライン１１を燃料排気ラインとして利用するものである。
【００４２】
また、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４に電源２４を介して電気配線２５が接続される。
【００４３】
図２において実線矢印ｄ、ｅは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理時のガスの流れをそれぞれ示す。また、破線矢印ｆは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理時の電流の流れを示す。
【００４４】
この固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２は、図１（ａ）に示す発電を行った固体高分子型燃料電池１において、図２に示すように再活性化処理を行う。
【００４５】
固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２では、燃料電池スタック２の燃料極３に不活性ガス供給源２３から不活性ガスを燃料供給ライン６を介して供給し、同時に酸化剤極４に水素供給源８から燃料ガスとして水素含有ガスを酸化剤供給ライン１０を介して供給し、電源２４から電気配線２５を介して燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４とに電流を流せるものとし、これにより再活性化処理が実施される。
【００４６】
例えば２５ｃｍ２の固体高分子型燃料電池１を所定時間、例えば７０００時間発電させた後、この固体高分子型燃料電池１について、発電の停止状態で再活性化処理が行われる。この再活性化処理時には、電池温度が２５℃となるような条件下にて、図２に示すように、酸化剤極４に例えば水素利用率７０％の水素を供給し、燃料極３から電源２４を介して酸化剤極４に流す電流密度を例えば０．３５Ａ／ｃｍ２として１時間、固体高分子型燃料電池１の再活性化処理を行う。
【００４７】
図３に固体高分子型燃料電池１の再活性化処理前後の電気化学的な活性度の比較を示す。例えば７０００時間発電した燃料電池について再活性化処理前と処理後の固体高分子型燃料電池１の酸化剤極４に供給する空気を酸素に切替た場合の電圧差（酸素ゲイン）と、酸化剤極の触媒層についての電気化学的白金表面積を示したものである。さらに燃料電池の再活性化処理前後の比較のために運転初期のデータも示す。
【００４８】
この再活性化処理によって酸化剤極４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４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る。酸素ゲインに関しては運転（発電）初期のデータに迫るほど回復する。すなわち、酸化剤極４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ることを示している。
【００４９】
図４は燃料電池の電圧降下と再活性化処理の効果を示すデータ図である。所要時間、例えば７０００時間発電した固体高分子型燃料電池１に再活性化処理を行った後さらに、所要時間、例えば１５０００時間まで発電し、固体高分子型燃料電池１における電圧の経時変化を示したものである。
【００５０】
７０００時間後の再活性化処理によって固体高分子型燃料電池１の電圧は、ほぼ運転（発電）初期の電圧まで回復し、元の劣化電圧に戻るまでに同様に約７０００時間程度経過している。すなわち再活性化処理により、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、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、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、固体高分子型燃料電池システムの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。
【００５１】
図５は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの他の実施形態を示すものである。
【００５２】
図５において破線矢印ｃは固体高分子型燃料電池１の発電時の電流の流れ、破線矢印ｆは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理時の電流の流れをそれぞれ示す。なお、図１（ａ）に付される固体高分子型燃料電池１の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
燃料電池スタック２の燃料極３および酸化剤極４には燃料供給ライン６および酸化剤供給ライン１０がそれぞれ接続される。燃料供給ライン６からバイパスライン２９、切替弁３０を介して酸化剤供給ライン１０に接続される。
【００５４】
さらに、燃料電池スタック２の燃料極３および酸化剤極４には燃料排気ライン７および酸化剤排気ライン１１がそれぞれ接続される。酸化剤排気ライン１１の途中に切替弁３１が設けられ、酸化剤排気ライン１１は切替弁３１およびバイパスライン３２を介して燃料排気ライン７に接続される。
【００５５】
また、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４に電源２４を介して電気配線２５が接続される。
【００５６】
固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ａにおいて、再活性化時に酸化剤極４に供給される水素含有ガスは、水素供給源８から水素供給ライン６から分岐し、切替弁３０から酸化剤極４へ供給される。一方、酸化剤極４から排気された水素含有ガスは、酸化剤排気ライン１１の切替弁３１を介して燃料排気ライン７へ合流し、水素含有ガス処理装置９へ送られ処理される。
【００５７】
なお、電源２４から電気配線２５を介して燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４とに電流を流せるものとし、これにより再活性化処理が実施される。
【００５８】
その際、酸化剤極４に供給する水素含有ガスは固体高分子型燃料電池１の発電時に使用する水素供給源８を利用でき、さらに、酸化剤極４から排気される水素含有ガスの処理は固体高分子型燃料電池１の発電時に使用する水素含有ガス処理装置９を利用できる。
【００５９】
このため、固体高分子型燃料電池１の発電システムのガス配管と再活性化システムのガス配管を同一のシステム内に納めることができ、燃料電池の活性化処理のための燃料電池発電システム以外の水素供給源８および水素含有ガス処理装置９を準備することなく、酸化剤極４のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、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、固体高分子型燃料電池システムの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。
【００６０】
なお、図５に示された固体高分子型燃料電池１の再活性化処理システム２２Ａに、燃料ガス供給源としての水素供給源８から供給される燃料を改質する改質装置３３を備えてもよい。改質装置３３は燃料ガスを触媒を用いて改質するもので、構成する触媒は高温で改質性能を効果的に発揮する。一方、改質装置３３の起動、すなわち昇温に時間を費やすことに配慮し、改質装置３３の各触媒は適切な温度条件に維持されている。然るに固体高分子型燃料電池１の発電開始直前、または発電停止直後に固体高分子型燃料電池１の再活性化処理を実施することが望ましい。
【００６１】
この場合、燃料電池発電開始直前または発電停止直後のタイミングで酸化剤極４に水素含有ガスを供給するので、改質装置３３の各触媒の設定温度、流量等が最適条件で維持されており、通常再活性化処理システム起動時に触媒の昇温等に必要な起動時間を待たずに、酸化剤極４に水素含有ガスを供給することができる。
【００６２】
図６は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第３実施形態を示すものである。
【００６３】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｂは、水素含有ガスの流量を計測する流量計３４と電源電流の制御装置３５とを備えた場合の系統図である。
【００６４】
図６において破線矢印ｆは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理の際の電流の流れを示す。なお、図２に付される固体高分子型燃料電池１の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
さらに、水素供給源８の下流側には流量計３４が設置され、この流量計３４で水素含有ガスの流量値を計測する。その流量計３４から電気配線３６を介して制御装置３５が接続される。
【００６６】
この固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｂは、図１（ａ）に示す発電を行った固体高分子型燃料電池１において、図６に示すように再活性化処理を行う。
【００６７】
固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｂにおいて、燃料電池スタック２の酸化剤極４に水素含有ガスが供給される。この酸化剤極４に供給される水素含有ガスは、水素供給源８から供給され、反応した後、さらにその酸化剤極４から排気される。この水素含有ガスは水素含有ガス処理装置９に送られ処理される。また、酸化剤供給ライン１０に備えられた流量計３４で水素含有ガスの流量を計測しており、この流量計３４の指示流量値によって、燃料電池スタック２の燃料極３から電源２４を介して酸化剤極４へ流す電源２４からの電流値を、制御装置３５により制御できるように構成され、この制御装置３５により再活性化処理が実施される。
【００６８】
図７に燃料電池の再活性化処理有無による発電時間と燃料電池スタックの平均電圧の関係を示す。
【００６９】
ここで双方の燃料電池スタックとも約７００時間毎に発電停止を行い、本実施の形態の燃料電池スタック２には停止時に酸化剤極４に供給した水素の利用率が例えば７０％となるように、燃料極３から電源２４を介して酸化剤極４に電流を流す上述の再活性化処理を２０分間実施する。
【００７０】
図７に示すように従来の燃料電池スタック２と比較して固体高分子型燃料電池１の電圧の低下を抑制できる。
【００７１】
すなわち、固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｂ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４のガス拡散性の悪化および触媒有効表面積の低下を防止し、固体高分子型燃料電池１の電圧の低下を防止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できる。
【００７２】
図８は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第４実施形態を示すものである。
【００７３】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｃは、電源電流を計測する電流計３７と水素含有ガスの流量制御装置３８とを備えた場合の系統図である。
【００７４】
図８において破線矢印ｆは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理の際の電流の流れを示す。なお、図２に付される固体高分子型燃料電池１の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００７５】
さらに、電源２４には電流計３７が設置され、この電流計３７で燃料極３から電源２４を介して酸化剤極４に流れる電流値を計測する。その電流計３７から電気配線３９を介して流量制御装置３８が接続される。
【００７６】
この固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｃは、図１（ａ）に示す発電を行った固体高分子型燃料電池１において、図８に示すように再活性化処理を行う。
【００７７】
固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｃにおいて、電源２４には、燃料極３から電源２４を介して酸化剤極４に流す電流値を計測する電流計３７が備えられ、電流計３７はその指示電流値によって、燃料ガス供給源としての水素供給源８から酸化剤極４に供給される水素流量を制御できる流量制御器３８が接続される。これにより再活性化処理を実施する。
【００７８】
図６および図８の何れの場合でも酸化剤極４に供給される水素含有ガスを所定の水素利用率に維持することが可能なので、Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−という反応によるカーボン腐食を防ぐことができ、固体高分子型燃料電池システムの長寿化を実現できる。
【００７９】
図９は、固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第５の実施形態を示すものである。
【００８０】
この実施形態に示された固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｄは電気制御装置４０を備えた場合の系統図を示す。
【００８１】
図９において破線矢印ｃは固体高分子型燃料電池１の発電時の電流の流れ、破線矢印ｆは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理時の電流の流れをそれぞれ示す。なお、図５に付される固体高分子型燃料電池１の再活性化システムの部材と同じ部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００８２】
この固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｄは、図９および図１０（ａ）に示すように、電気制御装置４０を構成するインバータ４１を燃料電池スタック２に電気的に接続し、さらにインバータ４１の交流側には系統交流電源４２が接続され、燃料電池の発電時には系統交流電源４２との連系運転が行われている。
【００８３】
ここでインバータ４１に燃料電池スタック２からの直流電力を交流電力に変換する機能、および系統交流電源４２からの交流電力を直流電力に変換する機能を持たせると、電気制御装置４０を逆電流モードにして系統交流電源４２からの交流電力をインバータ４１で変換することで、再活性化処理に必要な直流電力の電源を得ることができる。
【００８４】
また、図１０（ａ）の変形例として図１０（ｂ）に示すように、直流コンバータ４３を備えてもよい。図１０（ｂ）は電気制御装置４０として直流コンバータ４３を具備した場合の系統図である。固体高分子型燃料電池１の基本的な構成は、図９に示される固体高分子型燃料電池１と同様であるので説明を省略する。
【００８５】
電気制御装置４０を構成する直流コンバータ４３を介して２４Ｖの二次電池４４を燃料電池スタック２に電気的に接続する。ここで直流コンバータ４３には燃料電池スタック２の発電によって得られる直流電力を所定の電圧に変換し、二次電池４４を充電する機能と、二次電池４４の放電により得られる直流電力を所定の電圧に変換する機能を有する。これらの機能を持たせると、逆電流モードにして直流コンバータ４３で変換することで、再活性化処理に必要な直流電力の電源を得ることができる。
【００８６】
図９の電気制御装置４０として例に挙げた、図１０（ａ）および図１０（ｂ）何れの場合も、固体高分子型燃料電池１における発電システムの電気配線と再活性化システムの電気配線を同一のシステム内に納めることができ、固体高分子型燃料電池１の再活性化処理のための燃料電池システム以外の電源を準備することなく、酸化剤極４のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、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、固体高分子型燃料電池システムの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。
【００８７】
図１１は、固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第６の実施形態を示すものである。
【００８８】
図１１において破線矢印ｆは固体高分子型燃料電池１の再活性化処理時の電流の流れを示す。
【００８９】
この実施形態に示される固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｅは、図１（ｂ）に示す燃料電池スタック２を備えており、この燃料電池スタック２は燃料極３と酸化剤極４とが配置される。燃料電池スタック２の燃料極３には燃料供給ライン６が接続される一方、燃料極３に供給されて反応したガスを排気する燃料排気ライン７が接続される。さらに、燃料電池スタック２の酸化剤極４には酸化剤供給ライン１０が接続される一方、酸化剤極４に供給されて反応したガスを排気する酸化剤排気ライン１１が接続される。加えて、酸化剤供給ライン１０には水素供給源８が備えられる一方、燃料排気ライン７には水素含有ガス処理装置９が備えられる。
【００９０】
さらに、酸化剤排気ライン１１は燃料供給ライン６と接続される一方、燃料排気ライン７は切替弁４５、バイパスライン４６、切替弁３０を介し酸化剤供給ライン１０に接続される。なお、バイパスライン４６には昇圧ブロア４７が具備されている。
【００９１】
また、燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４に電源２４を介して電気配線２５が接続される。
【００９２】
この固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｅは、図１（ａ）に示す発電を行った固体高分子型燃料電池１において、図１１に示すように再活性化処理を行う。
【００９３】
この固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｅは、図１１に示すように、水素含有ガスが水素供給源８から切替弁３０を介して酸化剤極４に供給されてここで反応する。
【００９４】
一方、酸化剤極４から排気された水素含有ガスは、酸化剤排気ライン１１から燃料供給ライン６を経て燃料極３に供給される。さらに、燃料極３から排気される水素含有ガスは燃料排気ライン７から分岐して、切替弁４５を介して水素含有ガス処理装置９で処理される。
【００９５】
また、燃料電池スタック２の燃料極３から排気された水素含有ガスは、切替弁４５から接続されたバイパスライン４６を経て切替弁３０を介して再び酸化剤極４に供給され、電源２４から電気配線２５を介して燃料電池スタック２の燃料極３と酸化剤極４とに電流を流せるものとし、これにより再活性化処理が実施される。
【００９６】
さらに、昇圧ブロワ４７を駆動することによって、再活性化処理に酸化剤極４で必要な水素含有ガスが循環され、過剰な水素含有ガスを使用することなく、酸化剤極４のガス拡散性の改善を示す酸素ゲインの減少と、電気化学的白金表面積の増加の増加を促し、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、固体高分子型燃料電池システムの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。
【００９７】
図１２は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第７の実施形態を示すものである。
【００９８】
この実施形態に示される固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｆは、図１１に示す固体高分子型燃料電池１の再活性化システム２２Ｅを複数並列に接続した構成であるので、図１１に付される固体高分子型燃料電池１の再活性化システムに用いられる部材と同じ部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００９９】
このような構成においても同様な効果が確認できる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体高分子型燃料電池システムの燃料電池の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および触媒有効表面積の低下を防止または改善することができ、カーボン腐食を防ぐことも可能なので、燃料電池の発電効率の向上やシステムの長寿命化を実現する燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の発電システムの一例を示す概略的な系統図、（ｂ）は固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池スタックの一例を示す図。
【図２】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの一実施形態を示す概略的な系統図。
【図３】再活性化処理前後における燃料電池の電気化学的な活性度の比較を示す図。
【図４】燃料電池の電圧降下と再活性化処理の効果を示す図。
【図５】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの他の実施形態を示す概略的な系統図。
【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第３実施形態を示す概略的な系統図。
【図７】再活性化処理有無による発電時間と燃料電池スタックの平均電圧の関係を示す図。
【図８】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第４実施形態を示す概略的な系統図。
【図９】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第５実施形態を示す概略的な系統図。
【図１０】（ａ）は電気制御装置としてインバータを具備した場合、（ｂ）は電気制御装置として直流コンバータを具備した場合をそれぞれ示す系統図。
【図１１】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第６実施形態を示す概略的な系統図。
【図１２】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムにおける燃料電池の再活性化システムの第７実施形態を示す概略的な系統図。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  燃料電池スタック
３  燃料極
４  酸化剤極
６  燃料供給ライン
７  燃料排気ライン
８  水素供給源
９  水素含有ガス処理装置
１０  酸化剤供給ライン
１１  酸化剤排気ライン
１２  酸化剤供給源
１３  電気制御装置
１４  電気配線
１５  単電池
１６  固体高分子電解質膜
１７  ガス拡散層
１８  触媒層
１９  燃料ガス流路
２０  酸化剤ガス流路
２１  セパレータ
２２  一実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２２Ａ  その他の実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２２Ｂ  第３実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２２Ｃ  第４実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２２Ｄ  第５実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２２Ｅ  第６実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２２Ｆ  第７実施形態における固体高分子型燃料電池の再活性化システム
２３  不活性ガス供給源
２４  電源
２５  電気配線
２９  バイパスライン
３０  切替弁
３１  切替弁
３２  バイパスライン
３３  改質装置
３４  流量計
３５  制御装置
３６  電気配線
３７  電流計
３８  流量制御装置
３９  電気配線
４０  電気制御装置
４１  インバータ
４２  系統交流電源
４３  直流コンバータ
４４  二次電池
４５  切替弁
４６  バイパスライン
４７  昇圧ブロア
ａ  燃料電池の発電時のガスの流れ
ｂ  燃料電池の発電時のガスの流れ
ｃ  燃料電池の発電時の電流の流れ
ｄ  燃料電池の再活性化時のガスの流れ
ｅ  燃料電池の再活性化時のガスの流れ
ｆ  燃料電池の再活性化時の電流の流れ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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