(57)【要約】【課題】本発明は、スタックの劣化を抑制すると共に、未反応物などを容易に除去して劣化を防止し寿命を向上させる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池システムの運転方法は、燃料を持続的に燃料電池スタックに供給しながら第１量の酸化剤（所定量の酸化剤より少量）を前記燃料電池スタックに供給し、第２量の酸化剤（所定量の酸化剤より多量）を燃料電池スタックに供給し、第３量の酸化剤（正常運転状態で供給される所定量の酸化剤）を前記燃料電池スタックに供給することを含む。【選択図】図３
2010135315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤を反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
順次に第１、第２、第３量の酸化剤を前記燃料電池スタックに供給して前記酸化剤供給を制御する制御部と、
を含み、
前記第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より少なく、前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より多いことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給部は改質装置をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤供給部から前記燃料電池スタックに前記酸化剤を供給し、前記制御部によって開閉されながら前記燃料電池スタックに供給される酸化剤量を制御する酸化剤制御バルブをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤供給部から前記燃料電池スタックに前記酸化剤を供給し、前記制御部によって前記燃料電池スタックに供給される酸化剤量を制御する酸化剤ポンプをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックは、複数の電気生成ユニットを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記各電気生成ユニットは、膜電極集合体と少なくとも一つのセパレータを含み、前記膜電極集合体は電解質膜によって分離されたアノードとカソードを含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１量の酸化剤は、前記第３量の酸化剤の７５％〜８５％の範囲に属することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第２量の酸化剤は、前記第３量の酸化剤の１２０％〜１５０％の範囲に属することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックと接続されて前記燃料電池スタックによって生成される電気エネルギーを消費する負荷をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料電池スタックと接続されて前記燃料電池スタックによって生成される電気エネルギーを消費する負荷をさらに含み、
前記制御部は前記燃料電池スタックへの燃料供給を制御し、前記負荷に供給される電気エネルギーを制御することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池スタックを有する燃料電池システムを提供し、
前記燃料電池スタックに燃料を供給し、
前記燃料電池スタックに第１量の酸化剤を供給して前記燃料電池スタックの電圧を減少させ、
前記燃料電池スタックに第２量の酸化剤を供給し、
前記燃料電池スタックに第３量の酸化剤を供給して前記燃料電池スタックを駆動し、
前記第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より少なくて、前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より多く、
燃料と酸化剤は前記燃料電池スタックで反応して電気エネルギーを生成することを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記第１量の酸化剤は、前記第３量の酸化剤の７５％〜８５％の範囲に属することを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記第２量の酸化剤は、前記第３量の酸化剤の１２０％〜１５０％の範囲に属することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックは複数の電気生成ユニットを含み、前記各電気生成ユニットは電解質膜によって分離されたカソードとアノードを含む膜電極集合体を有し、
前記第１量の酸化剤は前記燃料電池スタックの電圧を減少させて前記電気生成ユニットのカソードで還元雰囲気を形成することを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
前記燃料電池スタックに前記第１量の酸化剤を供給する時、
前記燃料電池スタックの電圧は０Ｖ〜０．５Ｖの範囲内の電圧に落ちることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料（例えば、水素または改質ガス）と酸化剤（例えば、酸素または空気）を用いて電気化学的に電力を生産する装置であって、外部から持続的に供給される燃料（例えば、水素または改質ガス）と酸化剤（例えば、酸素または空気）を電気化学反応を通して直接電気エネルギーに変換させる装置である。
【０００３】
燃料電池の酸化剤としては純酸素や酸素が多く含まれている空気を用い、燃料としては純水素または炭化水素系燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＨ３ＯＨ）を改質して生成された水素が多く含まれている燃料を用いる。
【０００４】
以下、説明の便宜のためにこのような燃料電池のうち、高分子電解質膜燃料電池（ＰＭＦＣ）を中心に説明する。高分子電解質膜燃料電池は出力密度及びエネルギー転換効率が高くても８０℃ほどの低い温度で作動でき、小型化、密閉化が可能で、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装備、軍事用装備、医療機器など非常に多様な分野の電源として用いられている。
【０００５】
このような高分子電解質膜燃料電池は改質装置を備えていて、燃料から水素を多く含んでいる改質ガスを生産し、燃料電池セルの積層体である燃料電池スタックを備えて前記改質ガスで電気を生産する。
【０００６】
燃料電池スタックには改質ガスと一緒に酸素が供給されて、酸素と水素から触媒を用いて電気を生産する。高分子電解質膜燃料電池は燃料使用の減少によって高効率を得るために高い作動電圧で運転する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このような高電圧運転は燃料電池スタックに設けられたカソード電極の酸化を誘発し、そのためにカソード電極触媒の活性が低下する問題を生じる。つまり、燃料電池スタックのカソード電極には白金微粒子をカーボン粒子に担持させたカーボン担持白金触媒が一般に用いられるが、この白金触媒に代表されるカソード電極触媒は酸化剤の供給で酸化皮膜が形成されて触媒の活性が低下する問題を生じる。また、運転中にカーボン粒子が酸化剤によって酸化される問題も生じる。
【０００８】
また、反応中に未反応物の集合が形成されるがこの未反応集合物を除去しないと、流路を遮って触媒被毒またはフラッシングなどの現象を生じる。このような現象は燃料電池スタックの寿命を縮める主要原因となる。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池スタックの劣化を抑制すると共に未反応物などを容易に除去し、劣化を防止し、寿命を向上させる燃料電池システム及びその運転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】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料と酸化剤を反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、順次に第１、第２、第３量の酸化剤を前記燃料電池スタックに供給して前記酸化剤供給を制御する制御部と、を含み、前記第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より少なく、前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より多いことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１１】
上記燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部をさらに含んでいてもよい。
【００１２】
上記燃料電池システムでは、前記燃料供給部は改質装置をさらに含んでいてもよい。
【００１３】
上記燃料電池システムでは、前記酸化剤供給部から前記燃料電池スタックに前記酸化剤を供給し、前記制御部によって開閉されながら前記燃料電池スタックに供給される酸化剤量を制御する酸化剤制御バルブをさらに含んでいてもよい。
【００１４】
上記燃料電池システムでは、前記酸化剤供給部から前記燃料電池スタックに前記酸化剤を供給し、前記制御部によって前記燃料電池スタックに供給される酸化剤量を制御する酸化剤ポンプをさらに含んでいてもよい。
【００１５】
上記燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックは複数の電気生成ユニットを含んでいてもよい。
【００１６】
上記燃料電池システムでは、前記各電気生成ユニットは膜電極集合体と少なくとも一つのセパレータを含み、前記膜電極集合体は電解質膜によって分離されたアノードとカソードを含んでいてもよい。
【００１７】
上記燃料電池システムでは、前記第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤の７５％〜８５％範囲に属していてもよい。
【００１８】
上記燃料電池システムでは、前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤の１２０％〜１５０％の範囲に属してもいてもよい。
【００１９】
上記燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックと接続されて前記燃料電池スタックによって生成される電気エネルギーを消費する負荷をさらに含んでいてもよい。
【００２０】
上記燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池スタックと接続されて前記燃料電池スタックによって生成される電気エネルギーを消費する負荷をさらに含み、前記制御部は前記燃料電池スタックへの燃料供給を制御し、前記負荷に供給される電気エネルギーを制御してもよい。
【００２１】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックを有する燃料電池システムを提供し、
前記燃料電池スタックに燃料を供給し、
前記燃料電池スタックに第１量の酸化剤を供給して前記燃料電池スタックの電圧を減少させ、前記燃料電池スタックに第２量の酸化剤を供給し、そして、前記燃料電池スタックに第３量の酸化剤を供給して前記燃料電池スタックを駆動し、前記第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より少なくて、前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤より多く、燃料と酸化剤は前記燃料電池スタックで反応して電気エネルギーを生成することを特徴とする燃料電池システムの運転方法が提供される。
【００２２】
上記燃料電池システムの運転方法では、前記第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤の７５％〜８５％の範囲に属していてもよい。
【００２３】
上記燃料電池システムの運転方法では、前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤の１２０％〜１５０％の範囲に属していてもよい。
【００２４】
上記燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池スタックは複数の電気生成ユニットを含み、前記各電気生成ユニットは電解質膜によって分離されたカソードとアノードを含む膜電極集合体を有し、前記第１量の酸化剤は前記燃料電池スタックの電圧を減少させて前記電気生成ユニットのカソードで還元雰囲気を形成してもよい。
【００２５】
上記燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池スタックに前記第１量の酸化剤を供給する時、前記燃料電池スタックの電圧は０Ｖ〜０．５Ｖの範囲内の電圧に落ちてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように本発明によれば、酸化剤の供給量を減少させて還元雰囲気にすることによって酸化されたカソード触媒を還元させて劣化を防止できる。また、酸化剤の供給量を増加させることによって燃料電池スタック内部に残留する反応生成物と未反応物を容易に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を概略的に示した構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池スタックの構造を示した分解斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの運転方法を示したフローチャートである。
【図４】実施例１に係る燃料電池システムの運転方法によって駆動された燃料電池システムの性能と、比較例１の方法によって駆動された燃料電池システムの性能を比較して示したグラフである。
【図５】実施例１に係る運転方法によって駆動された燃料電池スタックの寿命評価を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２９】
本発明の第１実施形態による燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムの運転中に燃料電池スタックから燃料を継続して供給しながら所定量の酸化剤より少ない第１量の酸化剤を前記燃料電池スタックに供給し、前記所定量の酸化剤より多い第２量の酸化剤を前記燃料電池スタックに供給し、さらに前記燃料電池スタックに正常運転状態で供給される酸化剤量である第３量の酸化剤を供給する場合を含む。ここで、「所定量」の酸化剤は正常駆動状態で供給される酸化剤の量を意味し、これは、本技術分野において公知になっているように、適用される燃料電池の形式とその容量により変動する。
【００３０】
前記第１量の酸化剤を供給する時に、カソード電極内部が還元雰囲気になる還元電圧に前記燃料電池スタックの電圧を減少させることができる。
【００３１】
前記還元電圧は０Ｖ〜０．５Ｖでありうる。
【００３２】
前記燃料電池スタックに供給される第１量の酸化剤は前記第３量の酸化剤（つまり、所定量の酸化剤）の７５％〜８５％範囲内でよい。前記第１量の酸化剤が供給される時間は略２秒〜５秒内でよい。前記第２量の酸化剤は前記第３量の酸化剤の１２０％〜１５０％範囲内でよい。前記第２量の酸化剤が供給される時間は略２秒〜５秒内でよい。前記第２量の酸化剤を供給する時に、前記燃料電池スタック内に残留される未反応物と反応生成物が除去できる。
【００３３】
前記燃料電池システムは酸化剤の供給量を調節する酸化剤制御バルブまたは酸化剤ポンプをさらに含むことができる。
【００３４】
本発明の第２実施形態による燃料電池システムは、電解質膜と電解質膜の一側に配置されたカソード電極と、電解質膜の他側に配置されたアノード電極を含む膜電極集合体と、前記膜電極集合体の両面に付着されたセパレータを有する複数の電気生成ユニットを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料電池システムの構成要素を制御する制御部と、を含む。
【００３５】
前記制御部は、順次に前記燃料電池スタックに第１量の酸化剤を供給し、前記燃料電池スタックに第２量の酸化剤を供給し、前記燃料電池スタックに第３量の酸化剤を供給するように制御する。前記第１量の酸化剤は所定量の酸化剤より少なく、前記第２量の酸化剤は所定量の酸化剤より多く、第３量の酸化剤は所定量の酸化剤である。前記のように「所定量」の酸化剤は正常運転状態で供給される酸化剤の量を意味する。
【００３６】
前記制御部は前記燃料電池スタックに前記第３量（所定量）の酸化剤の７５％〜８５％の第１量の酸化剤を供給でき、この時に前記燃料電池スタックの電圧は減少して前記カソード電極内部が還元雰囲気になる還元電圧になりうる。前記還元電圧は０Ｖ〜０．５Ｖ内でありうる。前記制御部は前記燃料電池スタックに前記第３量（所定量）の酸化剤の１２０％〜１５０％の第２量の酸化剤を供給することができる。
【００３７】
前記燃料電池システムは前記制御部と接続されて、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤の流量を調節する酸化剤ポンプまたは酸化剤制御バルブをさらに含むことができる。
【００３８】
本発明の第１実施形態は、燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関するものであって、より詳しくはカソード触媒を還元させて燃料電池の内部で発生した反応生成物または未反応物を容易に除去できる燃料電池システムに関するものである。
【００３９】
図１は本発明の第１実施形態による燃料電池システムの全体的な構成を概略的に示した構成図である。
【００４０】
図１を参照して説明すると、燃料電池システム１００は燃料を改質して水素を発生させて水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ;ＰＥＭＦＣ）方式を採用することができる。
【００４１】
ただし、本発明がこれに制限されるのではなく、本実施形態による燃料電池システムはメタノール、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、ブタンガスなどのように水素を含む液体または気体燃料を使用できる。この場合、本発明による燃料電池スタック２０は電気生成ユニットによる液体または気体燃料と酸素の直接的な反応を通して電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）方式として構成される。
【００４２】
このような燃料電池システム１００に用いられる燃料としては、メタノール、エタノールまたは天然ガス、ＬＰＧなどのように液状または気体状で構成される炭化水素系燃料を使用する。
【００４３】
そして、本燃料電池システム１００は水素と反応する酸化剤として別途の保存手段に保存された酸素ガスを用いることができ、空気を使用することもできる。
【００４４】
本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料を用いて改質ガスを発生させる改質装置３０と、改質装置３０と接続されて改質ガスと酸化剤を用いて電力を発生させる燃料電池スタック２０と、改質装置３０に燃料を供給する燃料供給部１０と、電気生成のための酸化剤を燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部５０と、を含んで構成される。
【００４５】
前記改質装置３０は改質反応によって液状の燃料を燃料電池スタック２０の電気生成に必要な水素ガスに転換するだけでなく、前記水素ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる装置である。通常前記改質装置３０は液状の燃料を改質して水素ガスを発生させる改質部と、その水素ガスから一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素低減部を含む。改質部は水蒸気改質、部分酸化または発熱反応などの触媒反応を通して前記燃料を水素が豊富な改質ガスに切り換える。そして、一酸化炭素低減部は水性ガス転換方法、選択的酸化方法などのような触媒反応または分離膜を利用した水素の精製などのような方法で改質ガスから一酸化炭素を排除してその濃度を低減させる。
【００４６】
前記改質装置は選択的に省略できる。前記のように、本実施形態は改質装置を要しない燃料電池を含む。例えば、直接酸化型燃料電池は燃料を改質する必要がなく燃料電池スタックに直接供給させるために改質装置を有しない。
【００４７】
燃料供給部１０は改質装置３０と接続設置されて、液状の燃料を保存する燃料タンク５１と、燃料タンク５１に接続されて設けられる燃料ポンプ１１を備える。前記燃料ポンプ１１は所定のポンピングパワーによって、燃料タンク５１に保存された液状の燃料を燃料タンク５１の内部から排出させる機能を有する。
【００４８】
酸化剤供給部５０は燃料電池スタック２０と接続設置され、所定のポンピング力で外部空気を吸入して燃料電池スタック２０に供給できる酸化剤ポンプ１３を備える。酸化剤ポンプ１３は制御部７０と接続され、制御部７０は前記酸化剤ポンプ１３を制御して前記燃料電池スタックへの酸化剤供給を制御する。
【００４９】
前記燃料電池システムは燃料電池スタック２０と酸化剤供給部５０の間には酸化剤の供給量を調節する酸化剤制御バルブ（図示せず）を選択的に備えることができる。酸化剤制御バルブは前記制御部７０と接続され、前記制御部７０は前記酸化剤制御バルブを制御して酸化剤供給を制御する。この時、前記制御部７０は酸化剤ポンプ１３を制御するのではなく前記酸化剤制御バルブを制御する。しかし、酸化剤制御バルブが省略される場合には、制御部７０は酸化剤ポンプ１３を制御して酸化剤供給を制御する。
【００５０】
図２は図１に示した燃料電池スタックの構造を示した分解斜視図である。
【００５１】
図１及び図２を参照して説明すると、本燃料電池システム１００に適用される燃料電池スタック２０は改質された燃料と酸化剤の酸化／還元反応を誘導して電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部２４を備える。
【００５２】
各々の電気生成部２４は電気を発生させる単位セルを意味し、燃料と酸化剤中の酸素を酸化／還元させる膜電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ:ＭＥＡ）２１及び燃料と酸化剤を膜電極集合体に供給するためのセパレータ（当業界では二極式プレートともいう。）２３、２５を含む。
【００５３】
電気生成部２４は膜電極集合体２１を中心に置いてその量側にセパレータ２３、２５が各々配置された構造を有する。膜電極集合体２１は中央に配置された電解質膜と電解質膜の一側に配置されたカソード電極と電解質膜の他側に配置されたアノード電極を含む。
【００５４】
燃料電池システム１００は前記のような複数の電気生成部２４が連続的に配置されることによって燃料電池スタック２０を構成する。ここで燃料電池スタック２０の最外側に配置されたセパレータをエンドプレート２７という。
【００５５】
前記のように、燃料電池システム１００は制御部７０をさらに含んでいるが、制御部７０は燃料供給部１０、酸化剤供給部５０、酸化剤制御バルブ、及び負荷６０と接続設置されて、燃料電池システム１００の全体的な駆動を制御する。前記のように、前記制御部７０は酸化剤供給部内で酸化剤ポンプ１３または酸化剤制御バルブを制御して酸化剤供給を制御する。
【００５６】
燃料電池スタック２０で発生された電気エネルギーを消費する負荷６０が燃料電池スタック２０と電気的に接続設置されるが、負荷６０は自動車のモータ、直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ、または家庭用電熱機器など多様な電気機器でなりうる。
【００５７】
図３は本発明の第１実施形態による燃料電池システムの運転方法を示したフローチャートである。図３を参照して説明すると、本実施形態による燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システム１００の運転中に燃料電池スタック２０に燃料を継続して供給しながら、所定量酸化剤より少ない第１量の酸化剤を燃料電池スタック２０に供給する段階（Ｓ１０１）と、所定量酸化剤より多い第２量の酸化剤を燃料電池スタック２０に供給する段階（Ｓ１０２）、及び前記燃料電池スタック２０に正常運転状態の供給量の第３量の酸化剤を供給する段階（Ｓ１０３）を含む。前記のように、「所定量」の酸化剤は正常運転状態で供給される酸化剤の量であり、これは燃料電池のタイプとその容量により変動する。
【００５８】
第１量の酸化剤供給段階（Ｓ１０１）において、燃料電池スタックの運転中に燃料を継続して供給しながら酸化剤の供給量を減少させて、減少した量の酸化剤を燃料電池スタックに供給する。この時に供給される第１量の酸化剤は第３量（所定量）の酸化剤の７５％〜８５％を燃料電池スタックに供給する。
【００５９】
第１量の酸化剤が所定量酸化剤の７５％より少ないと、燃料電池スタックに逆電圧が掛かって劣化する問題が生じ、酸化剤の供給を再開する時にカソード触媒を構成するカーボン粒子が腐食される問題が生じる。前記第１量の酸化剤が所定量酸化剤の８５％より多いと、燃料電池スタック２０の電圧を下げるのに時間がかかって、還元雰囲気になれないため触媒が安定的に還元できない問題が生じる。
【００６０】
酸化剤供給が前記第１量まで減少する時（Ｓ１０２）には、静電圧制御を通して燃料電池スタック２０の電圧を０Ｖ近くまで減少させられる。この時、燃料電池スタック２０の電圧はカソード電極の内部が還元雰囲気になる還元電圧に減少される。ここで還元電圧は０Ｖ〜０．５Ｖの範囲内に設定できる。
【００６１】
酸化剤の供給量が減少しながら燃料電池スタック２０内部の電圧を還元電圧まで減少すると、カソード電極内部に還元雰囲気になって、酸化された触媒が数秒以内に還元できる。
【００６２】
燃料電池システムの運転中にカソード電極の白金（Ｐｔ）触媒は酸化されて活性が低下する問題があるが、本実施形態のように還元雰囲気になると白金触媒を還元させて触媒被毒物を容易に除去することができる。
【００６３】
本実施形態のように空気の供給を中断せずに空気の供給量を減少させた後、電圧を下げると燃料電池スタック２０に逆電圧がかかるのを防止することができる。
【００６４】
第２量の酸化剤供給が行われる段階（Ｓ１０２）では、電圧が減少した後に燃料電池スタック２０に酸化剤の供給を増加させるが、この時には所定量酸化剤より多い第２量の酸化剤を燃料電池スタック２０に供給して未反応物または反応生成物を除去できる。この時に供給される酸化剤の第２量は第３量（所定量）酸化剤の１２０％〜１５０％であり、第２量の酸化剤が供給される時間は略２秒〜５秒である。
【００６５】
前記第２量酸化剤が第３量（所定量）酸化剤の１２０％より少ないと、反応生成物などを容易に除去できない問題があって、第２量酸化剤が第３量（所定量）酸化剤の１５０％よりさらに多いと、急激な酸化によって触媒の劣化が生じる問題がある。
【００６６】
第１量の酸化剤を供給した後に第２量の酸化剤を供給すると、高い圧力（つまり、正常運転条件での圧力より高い圧力）で供給される酸化剤によって燃料電池スタック内部に生成された水と不純物などを容易に除去することができる。また、酸化剤の供給を中断しないため酸化剤の供給を中断した後に酸化剤を再供給する時に発生されるカーボン粒子が酸化される現象を防止することができる。
【００６７】
第３量（所定量）の酸化剤を供給する段階（Ｓ１０３）では、酸化剤の供給量を増加させて不純物を除去した後、再び酸化剤供給量を正常運転状態で供給される所定量酸化剤に調節して燃料電池スタック２０に供給しながら正常運転を実施する。
【００６８】
このように本実施形態による燃料電池システム１００の運転方法によると、酸化剤の供給量を減少して触媒を還元できるだけではなく、酸化剤の供給量を増加させて内部の不純物を容易に除去することができる。そのために燃料電池スタックの劣化を防止し寿命が向上される。
【００６９】
燃料電池システム１００は前記燃料電池システム運転方法を行えるように燃料電池システムの構成要素を制御できる制御部７０を含む。前記制御部７０は燃料供給部１０、酸化剤供給部５０、酸化剤制御バルブ１７、及び負荷６０と接続されて設けられる。
【００７０】
制御部７０は燃料電池スタック２０に供給される酸化剤の供給量を減少させることによって第１量の酸化剤を供給し、これによって燃料電池スタック２０の電圧が減少した後に燃料電池スタック２０に供給される酸化剤を正常運転状態で供給される所定量酸化剤より多く第２量の酸化剤を供給した後、燃料電池スタックに正常運転状態で供給される第３量（所定量）の酸化剤を供給するように制御する。
【００７１】
また、制御部７０は減少した酸化剤の少量酸化剤の量と、供給時間及び電圧の減少程度と電圧減少時間、過剰酸化剤の量と供給時間などを制御して、燃料電池スタック内部の触媒を還元させるだけでなく、内部生成物などを除去する。
【実施例】
【００７２】
＜実施例１＞
実施例１での燃料電池システムは、所定量の酸化剤より少ない第１量の酸化剤を供給することによって運転された。前記第１量の酸化剤は約２〜３秒間供給された。その後、所定量の酸化剤より多い第２量の酸化剤が前記燃料電池スタックに供給された。前記第２量の酸化剤は約２〜３秒間供給された。その後、所定量（第３量）の酸化剤が前記燃料電池スタックに供給された。この時、所定量は正常運転状態で供給される酸化剤の量である。全体運転方法は１時間の間に行われた。
【００７３】
実施例１の方法で駆動された燃料電池システムは、０．６５Ｖ、６０℃で４５０ｍＷ／ｃｍ２の初期性能を現わした。アノード電極の湿度は８０％であり、カソード電極は乾燥した状態だった。また、燃料ｓｔｏｉｃ：酸化剤ｓｔｏｉｃは１．２:２．５であった。燃料ｓｔｏｉｃは電気を生成するために必要な最小燃料量に対して燃料電池に供給された燃料量の測定値であり、酸化剤ｓｔｏｉｃは電気を生成するために必要な最小酸化剤量に対して燃料電池に供給された酸化剤量の測定値である。
【００７４】
＜比較例１＞
比較例１での燃料電池システムは、燃料電池スタックに所定量の酸化剤を供給しながら運転された。
【００７５】
図４は実施例１による燃料電池システムの運転方法によって駆動された燃料電池システムの性能と比較例１の方法によって駆動された燃料電池システムの性能を比較して示したグラフである。図４に示したように、比較例１により運転された燃料電池システムの性能は実施例１により運転された燃料電池システムの性能に比べて非常に劣っていることが分かった。特に、実施例１による燃料電池システムの運転方法に従う場合、燃料電池スタックの劣化を防止して性能減少率が比較例１に比べて顕著に低いことが分かった。
【００７６】
図５は実施例１による運転方法によって駆動された燃料電池スタックの寿命評価を示したグラフである。寿命評価は１０時間運転、２時間休息で行われ、総２００時間を運転した。図５に示したように１００時間以上運転しても性能減少が殆ど発生しなかった。図５に示すように、縦軸方向において、グラフの下部には主に電流の値がプロットされ、その上には主に電圧の値がプロットされ、最も上には主に出力の値がプロットされた。
【００７７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００７８】
１００    燃料電池システム
１０    燃料供給部
２０    燃料電池スタック
５０    酸化剤供給部
６０    負荷
２１    膜電極集合体
２４    電気生成部
３０    改質装置
６０    負荷
７０    制御部
【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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