(57)【要約】  発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを提供する。  燃料極２と、酸化剤極３と、燃料極２と酸化剤極３が形成された電解質１を有する燃料電池４と、燃料電池４の出力を制御する出力制御部１１と、酸化剤ガス中に含まれ、酸化剤極３に供給される不純物の積算量から燃料電池４を開回路状態にするまでの時間を決定する決定部１２とを備えた燃料電池発電システムにおいて、出力制御部１１は、決定部１２が決定した時間毎に、燃料電池４の発電を所定の時間停止して燃料電池４を開回路状態にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、
少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、
前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部と、
前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の通常運転時より高い電圧である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記所定電圧以上の電圧は、前記酸化剤極に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の負荷を切断して開回路状態として得られる電圧である請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧である請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記決定部は、前記燃料電池の発電時間を積算する発電時間積算部を備え、前記発電時間積算部により得られた積算時間により、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物濃度検出部を備え、前記決定部は、前記不純物濃度検出部で検出した不純物濃度と、前記酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスの供給量から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガスに含まれる不純物は、硫黄化合物である請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記決定部は、前記電圧検出部で検出した電圧から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記出力制御部は、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する回数が所定の回数を上回り、前記電圧検出部で検出する電圧が所定の電圧より一定時間下回ったとき、前記燃料電池の発電を停止させ、少なくとも前記酸化剤ガスの供給を停止して前記酸化剤極の電位を所定の電位まで下げた後、再び前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を所定の時間開回路状態にした後、前記燃料電池の発電を再開する請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記燃料極に供給する前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記燃料電池の前記燃料極をバイパスする燃料電池バイパスラインを備え、前記燃料ガスの一部を前記燃料電池バイパスラインに供給して、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とする請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記出力制御部は、前記燃料電池の負荷変動に応じて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃料電池の出力を制御し、前記決定部が決定した時間毎に、前記燃料電池の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス中に含まれる不純物により触媒活性が低下した酸化剤極を活性化し、燃料電池の発電効率および耐久性の向上を図った燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な燃料電池発電システムは、図７に示すように、電解質１の両面に燃料極２と酸化剤極３を形成した燃料電池４を備え、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃料極２に供給し、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極３に供給することにより発電していた。【０００３】
一般的に酸化剤ガスには空気（大気）が用いられるが、空気中には様々な不純物が含まれている場合が多く、これらの不純物の中には酸化剤極３に付着して酸化剤極３の触媒活性を低下させ、発電に必要な化学反応を阻害して燃料電池４の出力電圧を低下させる物質がある。【０００４】
従来の燃料電池発電システムは、こうした酸化剤極３に付着した不純物を除去するため、例えば、発電する回路とは別に外部電源５を設け、発電停止時に不純物が付着した酸化剤極３が正極となるように、燃料電池４に外部電源５を電気的に接続して燃料電池４に電圧を印加し、一定期間、酸化剤極３の電位を自然電位より高い電位にすることにより、酸化剤極３に付着した不純物を酸化させ脱離させていた（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開２００５−２５９３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、外部電源を用いて酸化剤極の電位を高電位にする方法は、システムの構成が複雑になるだけでなく、二次電池などの外部電源を搭載する必要があり、経済的でないという課題があった。【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、外部電源を使用せずに、簡単な構成で酸化剤極に付着した不純物を除去することができる燃料電池発電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】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部と、前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、を備えたものである。【０００９】
本発明の構成によれば、決定部に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部を駆動することにより、外部電源を必要とせずに、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化し、脱離させて除去することとなり、燃料電池が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、外部電源を使用せずに、簡単な構成で酸化剤極に付着した不純物を除去することができ、燃料電池を活性化することとなり、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１から５における燃料電池発電システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの運転方法を示すフローチャート
【図３】図３（ａ）は開回路状態にしない場合の燃料電池発電システムのスタック電圧挙動を示す特性図であり、図３（ｂ）は本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのスタック電圧挙動を示す特性図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの運転方法を示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの運転方法を示すフローチャート
【図６】同燃料電池発電システムの運転方法により運転した場合のスタックの電圧挙動を示す特性図
【図７】従来の燃料電池発電システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部と、前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、を備えた燃料電池発電システムである。本発明によれば、決定部に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部を駆動することにより、外部電源を必要とせずに、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化し、脱離させて除去することとなり、燃料電池が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の通常運転時より高い電圧とするものであり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明において、前記所定電圧以上の電圧は、前記酸化剤極に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧であり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１５】
第４の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の負荷を切断して開回路状態として得られる電圧であり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１６】
第５の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧であり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１７】
第６の発明は、第１から第５の発明のいずれかにおいて、前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与するものであり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１８】
第７の発明は、第１から第５の発明のいずれかにおいて、前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与するものであり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１９】
第８の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記決定部は、前記燃料電池の発電時間を積算する発電時間積算部を備え、前記発電時間積算部により得られた積算時間により、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するものであり、発電時間を積算するという非常に簡単な構成に基づき、酸化剤極に付着した不純物を除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００２０】
第９の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物濃度検出部を備え、前記決定部は、前記不純物濃度検出部で検出した不純物濃度と、前記酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスの供給量から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定することにより、酸化剤ガス中の不純物の濃度をリアルタイムに検出して、実際の不純物の積算量に応じて酸化剤極に付着した不純物を除去して燃料電池を活性化できるので、より発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００２１】
第１０の発明は、第１から第９の発明のいずれかにおいて、前記酸化剤ガスに含まれる不純物は、硫黄化合物であり、酸化剤極を被毒して活性を低下させる硫黄化合物を、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与することにより、硫黄化合物が酸化されやすい自然電位近傍で酸化除去することができるので、より発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００２２】
第１１の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記決定部は、前記電圧検出部で検出した電圧から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定することにより、不純物を直接的に検出する手段がなくても不純物の積算量に対応して低下する燃料電池の電圧から、酸化剤極の活性状態を判定し、電圧が正常時の電圧に対して低い場合に、燃料電池を活性化することができるので、燃料電池発電システムをさらに簡素化することができる。
【００２３】
第１２の発明は、第１１の発明において、前記出力制御部は、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する回数が所定の回数を上回り、前記電圧検出部で検出する電圧が所定の電圧より一定時間下回ったとき、前記燃料電池の発電を停止させ、少なくとも前記酸化剤ガスの供給を停止して前記酸化剤極の電位を所定の電位まで下げた後、再び前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を所定の時間開回路状態にした後、前記燃料電池の発電を再開し、発電中に開回路状態にしても電圧が回復しない場合に、起動停止をすることにより酸化剤極の電位を高電位（自然電位）から低電位まで昇降させ、様々な不純物を酸化除去するので、さらに燃料電池の活性を回復することができる。
【００２４】
第１３の発明は、第４の発明において、前記燃料極に供給する前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とすることにより、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークする水素量が低減し、酸化剤極の電位をさらに上昇させることができるので、酸化剤極に付着した不純物がより酸化され、より活性化することができる。
【００２５】
第１４の発明は、第４の発明において、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とし、発電を一時停止する間だけ、燃料極に供給する燃料ガスの流量を減らすので、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークする水素量が低減し、酸化剤極の電位をさらに上昇させることができるので、酸化剤極に付着した不純物がより酸化され、より活性化することができる。
【００２６】
第１５の発明は、第１３の発明において、前記燃料電池の前記燃料極をバイパスする燃料電池バイパスラインを備え、前記燃料ガスの一部を前記燃料電池バイパスラインに供給して、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とし、発電を一時停止する間だけ、燃料ガスの一部を燃料電池バイパスラインに供給して燃料極に供給する燃料ガスの圧力を下げ、燃料処理部で生成する燃料ガスの総量を一定に保持しながら供給するので、燃料処理部の制御を簡素化することができる。
【００２７】
第１６の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記出力制御部は、前記燃料電池の負荷変動に応じて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃料電池の出力を制御し、前記決定部が決定した時間毎に、前記燃料電池の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与することにより、酸化剤極を活性化し、燃料ガスや酸化剤ガスの消費量が少ない出力が低いときに発電を停止するので、発電に用いられない燃料ガスや酸化剤ガスの消費量を最小限に留めることができ効率よく燃料電池の活性化を行うことができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【００３０】
本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムは、水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質１（以下、電解質１と記す）の両面に燃料極２と酸化剤極３を形成した膜電極接合体６を有する燃料電池４を備え、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃料極２に、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極３に供給することにより発電することができる。
【００３１】
燃料電池発電システムは、燃料電池４と、少なくとも外部負荷に交流電力を供給するインバータなどの電力出力部と、補機や制御基板の電源などの内部負荷を、有するものである。
【００３２】
燃料極２および酸化剤極３は、耐酸化性の高い多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。燃料極２は、耐ＣＯ性を有する白金−ルテニウムの合金触媒によって構成される。なお、燃料極２に用いられる触媒は白金−ルテニウム合金に限られるものではない。
【００３３】
また、ガス拡散層は撥水処理を施したカーボンペーパーによって構成される。なお、ガス拡散層はカーボンペーパーに限られるものでなく、カーボンクロスやカーボン不織布でもよい。
【００３４】
電解質１の両面に燃料極２と酸化剤極３を形成した膜電極接合体６の周囲にはガスの混合やリークを防止するため、一対のガスケットを配置し、燃料極２および酸化剤極３にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有するカーボン製の導電性の一対のセパレータ板７１，７２で挟持して、単セルが構成される。
【００３５】
さらに、複数の単セルを積層して、両端に集電板、絶縁板および端板を配置し、締結ロッドで強固に締結してスタックが構成される。各セルの間には冷却水を供給排出する流路を設け、スタックの外部への放熱を防止し、安定した温度を保持するため、周囲に断熱材が配置されている。
【００３６】
上記構成の燃料電池４に、燃料ガスを供給する燃料処理部８と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部９を接続し、燃料電池発電システムが構成される。
【００３７】
燃料処理部８は、メタンなどの炭化水素を含む都市ガスなどの原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを供給し、付臭剤などに含まれる硫黄化合物を吸着除去する脱硫部８１と、メタンなどの炭化水素を含む原料ガスを改質する改質部８２と、改質反応で発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成部８３と、さらにＣＯを選択的に酸化除去するＣＯ除去部８４で構成される。
【００３８】
原料ガスは、まず脱硫部８１で脱硫された後、改質部８２で改質されて水素を含む燃料ガスとなる。原料ガスにメタンを用いた場合、改質部８２では、水蒸気を伴って（化１）で示した反応が起こり、燃料ガスである水素とともに約１０％のＣＯが発生する。
【００３９】
【化１】
2010023949.tif 000003
【００４０】
燃料電池４の運転温度域において燃料極２に含まれる白金触媒はわずかなＣＯでも被毒し、その触媒活性が低下するため、改質部８２で発生したＣＯは（化２）で示すようにＣＯ変成部８３で二酸化炭素に変成され、その濃度は約５０００ｐｐｍまで減少する。下流側のＣＯ除去部８４ではＣＯだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化されてしまうので、このＣＯ変成部８３においてできるだけＣＯ濃度を低下させる必要がある。
【００４１】
【化２】
2010023949.tif 000004
【００４２】
さらに残ったＣＯは（化３）で示すようにＣＯ除去部８４において選択酸化空気供給部８５で大気中から取り込んだ空気によって選択的に酸化され、その濃度は燃料極２の触媒活性の低下を抑制できる約１０ｐｐｍ以下までに減少する。
【００４３】
【化３】
2010023949.tif 000005
【００４４】
なお、燃料処理部８は、上記水蒸気改質法に限るものでなく、オートサーマル法などの水素生成方法でもよい。
【００４５】
また、燃料極２の手前に発電中燃料極２に空気を供給するエアブリード部１０を設け、燃料処理部８で生成した燃料ガスに１〜２％程度の空気を混合し、わずかに残るＣＯの影響をさらに軽減させる構成が採用されている。なお、燃料ガスに含まれるＣＯ濃度によりエアブリード部１０を省略してもよい。
【００４６】
酸化剤ガス供給部９は、酸化剤ガスを取り込むブロワ９１と、酸化剤ガス中の不純物を除去する不純物除去部９２と、酸化剤ガスを加湿する加湿器９３で構成され、燃料電池４の酸化剤極３に加湿した酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとは、少なくとも酸素を含む（あるいは酸素を供給することのできる）ガスの総称であり、例えば、大気（空気）が挙げられる。
【００４７】
ここで、上記構成の燃料電池４の動作について説明する。燃料極２および酸化剤極３にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して負荷を接続すると、燃料極２に供給された燃料ガス中に含まれる水素は反応式（化４）で示すように燃料極２の触媒層と電解質の界面で電子を放って水素イオンとなる。
【００４８】
【化４】
2010023949.tif 000006
【００４９】
水素イオンは電解質１を通って酸化剤極３へと移動し、酸化剤極３の触媒層と電解質の界面で電子を受け取り、酸化剤極３に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する。この反応式は（化５）のようになる。
【００５０】
【化５】
2010023949.tif 000007
【００５１】
全反応を（化６）に示す。
【００５２】
【化６】
2010023949.tif 000008
【００５３】
このとき負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用でき、また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱を熱エネルギーとして利用できる。
【００５４】
また、図１において、出力制御部１１は、負荷変動に応じて燃料電池４の出力を制御している。燃料電池４の負荷が上がり、多くの発電量を必要とする場合は、燃料処理部８に供給する原料ガスの供給量を増加させ、生成する燃料ガス量を増加し、また、ブロワ９１の能力値を上げて酸化剤ガスの供給量を増加させる。
【００５５】
逆に、あまり発電量が必要とされない場合は、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を低減させて、出力を低減することができる構成となっている。
【００５６】
ところで、大気中には様々な不純物が含まれている場合が多く、例えば、火山や燃焼排ガスなどに含まれている二酸化硫黄などの硫黄化合物や、工場や自動車の燃焼排ガスなどに多く含まれている窒素酸化物、あるいは悪臭成分であるアンモニアなどが含まれている。
【００５７】
これらの不純物は燃料電池４に悪影響を及ぼし、酸化剤ガスに混入して酸化剤極３に到達した場合、酸化剤極３に含まれる触媒に付着（吸着）して発電に必要な化学反応を阻害するため、燃料電池４の出力が低下することがある。中でも硫黄化合物は比較的吸着力が強く、多量の硫黄化合物が蓄積した場合、除去することが困難になり、燃料電池４の発電効率や耐久性を劣化させる原因となる。
【００５８】
一方、酸化剤極３の電極電位によって、前記不純物の酸化反応を促進させることができ、水や空気と反応させることにより、酸化剤極３に付着した不純物を酸化剤極３から脱離させやすくすることができる。
【００５９】
本実施の形態における燃料電池発電システムは、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極２と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極３と、燃料極２と酸化剤極３が形成された電解質１を含む燃料電池４と、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部１１と、出力制御部１１により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部１２とを備えたものである。
【００６０】
ここで、燃料電池発電システムの外部負荷（図示せず）に交流電力を供給するインバータなどの電力出力部（図示せず）があって、燃料電池４はこの外部負荷と燃料電池発電システム内部にある補機や制御基板の電源などの内部負荷（図示せず）に電力を供給していて、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態とは、内部負荷の全てあるいは一部はそのままで外部負荷を切断する状態である。
【００６１】
本実施の形態の構成によれば、決定部１２に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に出力制御部１１により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部１１を駆動することにより、外部電源を必要とせずに、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化し、脱離させて除去することとなり、燃料電池４が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６２】
この所定電圧以上の電圧は、燃料電池４の通常運転時より高い電圧とするものであり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
また、所定電圧以上の電圧は、酸化剤極３に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧であり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６３】
また、所定電圧以上の電圧は、燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧であり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６４】
さらに、所定電圧以上の電圧は、燃料電池４の負荷を切断して開回路状態として得られる電圧であり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６５】
この、燃料電池４の負荷を切断して開回路状態として得られる所定電圧以上の電圧を用いて、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去する構成について、以下に説明する。
【００６６】
酸化反応が促進される電極電位は不純物の種類により異なり、二酸化硫黄などの硫黄化合物は発電時より高い電極電位で酸化されやすく、発明者らは、出力制御部１１で燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を設定し、この開回路状態の自然電位でも燃料電池の発電時より高い電極電位が得られ、酸化剤極３に付着したかなりの部分の硫黄化合物を酸化することが可能となり、更に、供給が継続されている酸化剤ガスによって酸化された硫黄化合物を酸化剤極３から脱離させて除去できることを見出した。
【００６７】
そこで本発明では、ある程度の量が蓄積すると不可逆な電圧低下を引き起こす硫黄化合物に着目し、不可逆な電圧低下を引き起こす前の少ない積算量のときに、燃料電池４を開回路状態にして酸化剤極３を高電位（自然電位）にして、酸化剤極３に付着した硫黄化合物を酸化除去して燃料電池４を活性化する構成とした。
【００６８】
また、燃料電池４を開回路状態にするときの酸化剤極３に供給される不純物の積算量の閾値は、不可逆な電圧低下を引き起こさず、また、自然電位を１秒から１０分程度保持すれば回復する限界量を予め実験的に求めておき、その限界量に達する前の積算量を閾値とした。
【００６９】
ここで、不純物の積算量の閾値は、前記限界量の主旨を満足する値であれば良く、不純物の直接的な量であっても良いし、不純物の量に相当する間接的な量であっても良いもので、この不純物の積算量の閾値により、燃料電池を開回路状態にする時期を決定する決定部１２を備えている。
【００７０】
本実施の形態の構成によれば、決定部１２に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に燃料電池を開回路状態にする時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、決定部１２で決定された時期に燃料電池４を開回路状態にする出力制御部１１により、外部電源を必要とせずに、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化し、酸化剤ガスによって酸化された不純物を脱離させて除去することとなり、燃料電池４が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００７１】
次に、不純物の積算量の閾値を得る具体例を以下に説明する。
【００７２】
不純物の積算量は、燃料電池４の発電時間の経過とともに加算されていくものである。そこで、決定部１２は、燃料電池４の発電時間を積算する発電時間積算部（図示せず）を備え、発電時間積算部により得られた積算時間が不純物の積算量の閾値に相当する時間となった時に、燃料電池４を開回路状態にする時期を決定する。決定部１２で決定された時期に、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料がスと酸化剤ガスを各々供給した状態で燃料電池４の負荷を切断して開回路状態とする。
【００７３】
本実施の形態によれば、発電時間を積算するという非常に簡単な構成に基づき、酸化剤極３に付着した不純物を除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００７４】
なお、前述の説明で、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、開回路状態とする説明を行ったが、開回路状態とすることなく、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与すればよいものであり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００７５】
さらに、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与する構成としても良い。これは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態であっても、供給停止の直前まで燃料極２と酸化剤極３に供給されていたガスにより、所定の電圧が付与されるものである。
【００７６】
（実施の形態２）
図１は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【００７７】
本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムは、実施の形態１における決定部１２に備えられた発電時間積算部を削除し、酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物濃度検出部１３を備えたものであり、他の構成要素には同一符号を付与して説明を省略する。
【００７８】
出力制御部１１に繋がる決定部１２は、不純物除去部９２の不純物除去率から推定される不純物除去部９２後流の不純物の濃度と、酸化剤ガスの供給量および酸化剤極に供給される不純物の積算量から演算し、燃料電池４を開回路状態にするまでの時間を決定して、出力制御部１１に燃料電池４を開回路状態にするタイミングの指令を出すことができる。
【００７９】
大気中の不純物の濃度は、燃料電池発電システムが設置された場所の不純物情報から予め通常時の平均濃度を決定部１２に入力しておくか、その都度インターネットなどの通信部を介して自動的に取得することができるが、本実施の形態では、不純物濃度検出部１３を搭載し、設置環境のリアルタイムな酸化剤ガス中に含まれる不純物濃度を検出する構成とした。不純物濃度検出部１３には二酸化硫黄を検出できる二酸化硫黄ガスセンサを用いた。
【００８０】
次に、本発明の燃料電池発電システムの運転シーケンスについて、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００８１】
まず、決定部１２が不純物濃度検出部１３で検出する二酸化硫黄の濃度と、不純物除去部９２の二酸化硫黄の除去率と、発電を開始してからブロワ９１が酸化剤極３に供給した酸化剤ガスの供給量から酸化剤極に供給される不純物（二酸化硫黄）の積算量を演算して燃料電池４を開回路状態にする時期を決定する（ステップ１０１）。
【００８２】
次に、予め実験的に求めていた積算量の閾値に対してステップ１０１で求めた積算量が多いかを判断する（ステップ１０２）。
【００８３】
積算量が閾値を越えていれば、出力制御部１１で燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を（１秒〜１０分程度）維持する（ステップ１０３）。結果的に燃料電池の発電が停止状態となるので、図２では、発電停止と表記する。
【００８４】
そして、１秒〜１０分程度開回路状態にしたら、負荷を接続して再び発電を開始する（ステップ１０４、１０５）。
【００８５】
このとき、実施の形態１と同様に、開回路状態にすることにより燃料電池４の活性が回復し、燃料電池発電システムの発電効率や耐久性を向上することができる。
【００８６】
また、酸化剤極３の触媒層中に含まれるカーボンは高電位で腐食や酸化を起こし劣化しやすくなるが、本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、開回路状態とすることにより電極電位は自然電位までしか上がらないため、触媒層を構成するカーボンの酸化を抑制することができる。
【００８７】
次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池発電システムの効果を確認するため、実際に燃料電池４の酸化剤極３に不純物（二酸化硫黄）を含む酸化剤ガスを供給しながら模擬試験を行った。供給する二酸化硫黄の濃度は実際の大気中に含まれる平均的な濃度を不純物除去部９２で除去した後の濃度とした。図３に実験結果を示す。
【００８８】
図３（ａ）は、不純物を供給しながら、開回路状態を入れないで発電した場合のスタック電圧の推移を示す。発電開始から一定時間後の電圧（図中の黒丸）が徐々に低下していることが判る。これは酸化剤ガス中の二酸化硫黄が徐々に酸化剤極３に蓄積し、触媒を被毒するために化学反応が阻害され活性が低下することによるものと考えられる。
【００８９】
一方、本発明の運転方法によるスタック電圧は図３（ｂ）に示したように、発電中、不純物の積算量に応じて周期的に開回路状態にすることで、発電開始から一定時間後の電圧（図中の黒丸）が低下することなく一定に推移することが判った。
【００９０】
したがって、本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、酸化剤ガス中に不純物の濃度をリアルタイムに検出して、実際の不純物の積算量に応じて酸化剤極３に付着した不純物を酸化させて除去して燃料電池４を活性化できるので、燃料電池４の発電効率と耐久性を向上させることができる。
【００９１】
（実施の形態３）
図１は、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【００９２】
本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムは、図１において不純物濃度検出部１３を削除し、燃料電池４の電圧を検出する電圧検出部１４を備え、電圧検出部１４で検出する電圧が、燃料電池４の出力と発電時間積算部による積算時間と発電開始からの時間で定まる所定の電圧を一定時間下回ったときを、燃料電池４を開回路状態にする時期として決定部１２が決定する点以外は、実施の形態２の燃料電池発電システムと同様であり、実施の形態２と異なる点について詳細を説明する。
【００９３】
前述したように、燃料電池４の電圧は不純物により低下し、所定の濃度以下であれば、濃度に応じて電圧がシフトするので、電圧をモニタしていれば、不純物濃度検出部１３のような手段がなくても、ある程度不純物の濃度およびその積算量を知ることができる。
【００９４】
したがって、不純物とは無関係に耐久とともに徐々に低下する電圧と、起動直後にリカバリ効果により徐々に低下する電圧を考慮すれば、電圧検出部１４で検出する電圧から不純物の積算量に相当する閾値を求めることができる。
【００９５】
本実施の形態３では、決定部１２が、電圧検出部１４で検出した電圧から酸化剤ガス中に含まれ、酸化剤極３に供給される不純物の積算量を演算して燃料電池４を開回路状態にする時期を決定し、不純物濃度検出部１３などがなくても不純物の積算量に対応して低下する燃料電池４の電圧から、酸化剤極３の活性状態を判定し、電圧が正常時の電圧に対して低い場合に、燃料電池４を開回路状態にするので、燃料電池発電システムをさらに簡素化することができる。
【００９６】
さらに、出力制御部１１が、発電が開始されてからの燃料電池４を開回路状態にした回数が、所定の回数を上回り、それでも電圧検出部１４で検出する電圧が、所定の電圧より一定時間下回った場合、燃料電池４の負荷を切断して燃料電池４の発電を強制的に停止させ、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止して酸化剤極３の電位を所定の電位まで下げた後、再起動して所定の時間燃料電池４を開回路状態にした後、発電を再開する構成とした。
【００９７】
なお、燃料ガスの供給は必ずしも停止する必要はなく、温度が高温で安定している燃料処理部８を起動停止して無駄なエネルギーを消費しないという点で、燃料ガスの供給は停止しない方が望ましい。
【００９８】
図４に本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの運転方法のフローチャートを示す。
【００９９】
まず、電圧検出部１４が燃料電池４の電圧をモニタしている（ステップ２０１）。
【０１００】
電圧検出部１４が検出する電圧が、不可逆な電圧低下を与える限界量に達する手前の積算量の不純物が付着した時の電圧である閾値よりも低くなったか否かを決定部１２が判定し、決定部１２は燃料電池４を開回路状態にする時期を決定する（ステップ２０２）。出力制御部１１は、電圧検出部１４が検出した電圧が閾値未満の時に、燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を所定時間（１秒〜１０分程度）維持する（ステップ２０３）。結果的に燃料電池の発電が停止状態となるので、図４では、発電停止と表記する。
【０１０１】
そして、１秒〜１０分程度開回路状態にしたら、再び、燃料電池４の負荷を接続して開回路状態を停止させ、発電を開始する（ステップ２０４、２０５）。
【０１０２】
さらに、発電を開始してから開回路状態にした回数をカウントアップし（ステップ２０６）、開回路状態にした回数が所定の回数（閾値）を越えても電圧が上がらないと判断した場合（ステップ２０７）は、燃料電池４の負荷を切断し強制的に起動停止させる通常の発電停止モードに移行する。
【０１０３】
まず、発電を停止し（ステップ２０８）、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止する（ステップ２０９）。
【０１０４】
このとき、燃料極２側には燃料ガスである水素が存在しているので、スタックの電圧はほぼ酸化剤極３の電極電位と同等とみなすことができる。酸化剤極３の電極電位が０〜０．２Ｖ程度まで低下、あるいはそれに相当する時間が経過したら（ステップ２１０）、酸化剤極３へ酸化剤ガスの供給を再開する（ステップ２１１）。酸化剤ガスが供給され始めると、酸化剤極３の電極電位が上昇し、自然電位となる。
【０１０５】
そして、燃料電池４の負荷を接続させ発電を再開する（ステップ２１２）。
【０１０６】
本実施の形態によれば、発電中に複数回以上、開回路状態にしても電圧が回復しない場合に、起動停止をすることにより酸化剤極３の電位を高電位（自然電位）から低電位まで昇降させることとなり、酸化剤極３が酸化状態から還元状態になり、酸化剤極３の活性を回復することができる。
【０１０７】
また、開回路状態にすることにより、酸化剤極３に付着した不純物が酸化されるので、起動停止により発生する凝縮水や、発電時に発生する生成水に溶解させて、系外に排出することができ、開回路状態と起動停止の組み合わせで不純物の影響をさらに緩和することができる。
【０１０８】
（実施の形態４）
図１は、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【０１０９】
本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムは、実施の形態２の燃料電池発電システムにおいて、燃料極２に供給する燃料ガスの圧力を、酸化剤極３に供給する酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、出力制御部１１が燃料電池４の負荷を所定の時間切断して燃料電池４を開回路状態にして酸化剤極３を活性化する点以外は、実施の形態２の燃料電池発電システムと同様であり、実施の形態２と異なる点について詳細を説明する。
【０１１０】
本実施の形態の構成は、前述の実施の形態１から３の何れかによる決定部１２に基づき、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に燃料電池を開回路状態にする時期を決定する。決定部１２で決定された時期に、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも低くする。その後、出力制御部１１が、燃料電池４の負荷を所定の時間切断して燃料電池４を開回路状態にする。
【０１１１】
本実施の形態によれば、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも低くすることにより、燃料極２側から酸化剤極３側へクロスリークする水素量が低減し、酸化剤極３の電位をさらに上昇させることができるので、酸化剤極３に付着した不純物がより酸化されやすくなり、より活性化することができる。
【０１１２】
燃料極２に供給する燃料ガスの圧力は、燃料ガスの流量を減少させることにより低減させた。
【０１１３】
また、図１に示すように、燃料電池４の燃料極２をバイパスするように燃料電池バイパスライン１５を備え、燃料電池４を活性化するときだけ、燃料ガスの一部を燃料電池バイパスライン１５に供給して、燃料極２に供給する燃料ガス流量を減少して燃料ガスの圧力を、酸化剤極３に供給する酸化剤ガスの圧力よりも低く維持することにより、燃料処理部８で生成する燃料ガスの総量を一定に保持しながら供給することができ、燃料処理部８の制御を簡素化することができる。
【０１１４】
（実施の形態５）
図１は、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【０１１５】
本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムは、実施の形態２の燃料電池発電システムにおいて、決定部１２が決定した燃料電池４を開回路状態にする時期に、出力制御部１１が、燃料電池４の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、燃料ガスと酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、燃料電池４の負荷を切断して燃料電池４を開回路状態にする点以外は、実施の形態２の燃料電池発電システムと同様であり、実施の形態２と異なる点について詳細を説明する。
【０１１６】
本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムの運転シーケンスについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
【０１１７】
まず、決定部１２が不純物濃度検出部１３で検出する二酸化硫黄の濃度と、不純物除去部９２の二酸化硫黄の除去率と、発電を開始してからブロワ９１が酸化剤極３に供給した酸化剤ガスの供給量から不純物の積算量を算出する（ステップ３０１）。
【０１１８】
次に、予め実験的に求めていた積算量の閾値に対してステップ３０１で求めた積算量が多いかを判断する（ステップ３０２）。
【０１１９】
積算量が閾値を越えていれば、燃料電池４の出力を強制的に下げ、それに応じて燃料ガスと酸化剤ガスの供給量を低減させる（ステップ３０３）。このときの出力および燃料ガスと酸化剤ガスの供給量は、燃料電池発電システムの最小出力とそれに応じた供給量に設定されている。
【０１２０】
そして、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が閾値に達したら、燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を所定の時間（１秒〜１０分程度）維持する（ステップ３０４、３０５）。結果的に燃料電池の発電が停止状態となるので、図５では、発電停止と表記する。
【０１２１】
そして、１秒〜１０分程度開回路状態にしたら、再び、燃料電池４の負荷を接続して開回路状態を停止させ、発電を開始する（ステップ３０６、３０７）。
【０１２２】
本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムによれば、燃料ガスや酸化剤ガスの消費量が少ない出力が低いときに発電を停止するので、発電に用いられない燃料ガスや酸化剤ガスの消費量を最小限に留めることができ効率よく燃料電池の活性化を行うことができる。
【０１２３】
また、図６に開回路状態にする前後のスタック電圧の電圧挙動を示す。発電開始から不純物の積算量が電圧低下を与える限界量に達する前の時間ｔが経過した後に、燃料電池４の出力を下げ、同時に燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量も低減させた。このときスタック電圧は上昇した。さらに、その直後に燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態とし、さらにスタック電圧を上昇させ、開回路電圧を約１０秒間保持した。
【０１２４】
その後再び負荷を接続して、元の発電状態に戻すため燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を増加させてから、燃料電池４の出力を増加させた。そして、開回路状態にして活性化した時点から、再度時間ｔ後に同様の活性化処理を行った。
【０１２５】
時間ｔにおける不純物の積算量は同じであり、同じ積算量の不純物を同じ動作で確実に除去して活性化するので、不純物に対して耐性の強い燃料電池発電システムを得ることができる。
【０１２６】
ところで、燃料電池発電システムは原料ガスとして都市ガスを用いるが、ガス供給ラインにはマイコンメーターと呼ばれる安全装置が付いていることがある。マイコンメーターはガスの流量をモニタするガスメーターであり、ガス漏れ時にガスの供給を自動的に遮断する機能を有している。
【０１２７】
例えば、ガスの消費量が一定の期間、一定の流量で変動がない場合、ガスが漏れていると判断し、ガスを遮断する。一方、燃料電池発電システムは他のガス機器と比較して連続で使用される可能性が高く、一定の出力で発電した場合、ガス漏れが発生していないにもかかわらず、ガスが遮断される可能性が出てくる。
【０１２８】
ガスが強制的に遮断された場合、省エネ性の低下や、機器の耐久性への影響が懸念される。そこで、一定の出力で所定に時間以上連続して発電した場合、燃料電池発電システムの出力を強制的に変動、低減させガスの使用量を変動させる技術が知られている。
【０１２９】
この一定の出力で連続して発電する所定の時間が、本発明の不純物の積算量が電圧低下を与える限界量に達する前の時間ｔよりも小さい場合、マイコンメーターの誤検知防止のために出力を低減させ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量が低減したタイミングで燃料電池４を短時間だけ開回路状態にして、酸化剤極３を活性化してもよく、このタイミングで活性化すれば、より効果的に燃料電池４の発電効率と耐久性を向上することができる。
【０１３０】
なお、前述の実施の形態２から実施の形態５では、特に、酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与する構成として、燃料電池４の負荷を切断して開回路状態とする構成を説明したが、所定電圧以上の電圧は、燃料電池４の通常運転時より高い電圧、酸化剤極４に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧、燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧のいずれかを選択してもよいものである。
【０１３１】
また、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態を説明したが、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態としても良いものである。
【０１３２】
本出願は、２００８年８月２９日出願の日本特許出願、特願２００８−２２１４０１に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【０１３３】
以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明の燃料電池発電システムは、酸化剤ガス中に含まれ、酸化剤極に供給される不純物の積算量に応じて酸化剤極を高電位にして燃料電池の活性化し、発電効率と耐久性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１    電解質
２    燃料極
３    酸化剤極
４    燃料電池
１１  出力制御部
１２  決定部
１３  不純物濃度検出部
１４  電圧検出部
１５  燃料電池バイパスライン
【図１】
2010023949.tif 000009
【図２】
2010023949.tif 000010
【図３】
2010023949.tif 000011
【図４】
2010023949.tif 000012
【図５】
2010023949.tif 000013
【図６】
2010023949.tif 000014
【図７】
2010023949.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月29日(2010.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、
少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、
出力制御部と、
前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、を備え、
前記出力制御部は、
前記燃料電池システムの内部負荷及び外部負荷に電力を供給する通常運転を行い、前記所定電圧以上の電圧を付与する時期に、前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断し、前記酸化剤極に前記通常運転時より高く、かつ、開回路状態で得られる電圧以下の電圧を付与するよう制御する、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記出力制御部は、前記所定電圧以上の電圧を付与する時期に、前記燃料電池発電システムの前記内部負荷の全部又は一部に電力を供給し、前記酸化剤極に前記通常運転時より高く、かつ、開回路状態で得られる電圧より低い電圧を付与するよう制御する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記出力制御部は、前記所定電圧以上の電圧を付与する時期に、前記燃料電池発電システムの前記内部負荷の一部に電力を供給し、
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池発電システムの内部負荷を低負荷として得られる電圧である、請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、かつ前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断した状態で前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与するよう制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断した状態で前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与するよう制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記決定部は、前記燃料電池の発電時間を積算する発電時間積算部を備え、前記発電時間積算部により得られた積算時間により、前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガスに含まれる不純物は、硫黄化合物である請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池の発電中の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記決定部は、前記電圧検出部で検出した電圧から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記出力制御部は、発電を開始してから前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与する回数が所定の回数を上回り、前記電圧検出部で検出する電圧が所定の電圧より一定時間下回ったとき、前記燃料電池の発電を停止させ、少なくとも前記酸化剤ガスの供給を停止して前記酸化剤極の電位を所定の電位まで下げた後、再び前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を所定の時間開回路状態にした後、前記燃料電池の発電を再開する請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記燃料極に供給する前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池の前記燃料極をバイパスする燃料電池バイパスラインを備え、前記燃料ガスの一部を前記燃料電池バイパスラインに供給して、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記出力制御部は、前記燃料電池の負荷変動に応じて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃料電池の出力を制御し、
前記決定部が決定した時間毎に、前記燃料電池が電力を供給する前記燃料電池システムの外部負荷に対する前記燃料電池の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、
前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断した状態で、前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与するよう制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月9日(2011.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス中に含まれる不純物により触媒活性が低下した酸化剤極を活性化し、燃料電池の発電効率および耐久性の向上を図った燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な燃料電池発電システムは、図７に示すように、電解質１の両面に燃料極２と酸化剤極３を形成した燃料電池４を備え、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃料極２に供給し、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極３に供給することにより発電していた。
【０００３】
一般的に酸化剤ガスには空気（大気）が用いられるが、空気中には様々な不純物が含まれている場合が多く、これらの不純物の中には酸化剤極３に付着して酸化剤極３の触媒活性を低下させ、発電に必要な化学反応を阻害して燃料電池４の出力電圧を低下させる物質がある。
【０００４】
従来の燃料電池発電システムは、こうした酸化剤極３に付着した不純物を除去するため、例えば、発電する回路とは別に外部電源５を設け、発電停止時に不純物が付着した酸化剤極３が正極となるように、燃料電池４に外部電源５を電気的に接続して燃料電池４に電圧を印加し、一定期間、酸化剤極３の電位を自然電位より高い電位にすることにより、酸化剤極３に付着した不純物を酸化させ脱離させていた（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開２００５−２５９３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、外部電源を用いて酸化剤極の電位を高電位にする方法は、システムの構成が複雑になるだけでなく、二次電池などの外部電源を搭載する必要があり、経済的でないという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、外部電源を使用せずに、簡単な構成で酸化剤極に付着した不純物を除去することができる燃料電池発電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】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部と、前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、を備えたものである。
【０００９】
本発明の構成によれば、決定部に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部を駆動することにより、外部電源を必要とせずに、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化し、脱離させて除去することとなり、燃料電池が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、外部電源を使用せずに、簡単な構成で酸化剤極に付着した不純物を除去することができ、燃料電池を活性化することとなり、発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１から５における燃料電池発電システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの運転方法を示すフローチャート
【図３】図３（ａ）は開回路状態にしない場合の燃料電池発電システムのスタック電圧挙動を示す特性図であり、図３（ｂ）は本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムのスタック電圧挙動を示す特性図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの運転方法を示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの運転方法を示すフローチャート
【図６】同燃料電池発電システムの運転方法により運転した場合のスタックの電圧挙動を示す特性図
【図７】従来の燃料電池発電システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部と、前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、を備えた燃料電池発電システムである。本発明によれば、決定部に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部を駆動することにより、外部電源を必要とせずに、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化し、脱離させて除去することとなり、燃料電池が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の通常運転時より高い電圧とするものであり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明において、前記所定電圧以上の電圧は、前記酸化剤極に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧であり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１５】
第４の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の負荷を切断して開回路状態として得られる電圧であり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１６】
第５の発明は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧であり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１７】
第６の発明は、第１から第５の発明のいずれかにおいて、前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与するものであり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１８】
第７の発明は、第１から第５の発明のいずれかにおいて、前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与するものであり、酸化剤極を高電位にして、酸化剤極に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００１９】
第８の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記決定部は、前記燃料電池の発電時間を積算する発電時間積算部を備え、前記発電時間積算部により得られた積算時間により、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するものであり、発電時間を積算するという非常に簡単な構成に基づき、酸化剤極に付着した不純物を除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００２０】
第９の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物濃度検出部を備え、前記決定部は、前記不純物濃度検出部で検出した不純物濃度と、前記酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスの供給量から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定することにより、酸化剤ガス中の不純物の濃度をリアルタイムに検出して、実際の不純物の積算量に応じて酸化剤極に付着した不純物を除去して燃料電池を活性化できるので、より発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００２１】
第１０の発明は、第１から第９の発明のいずれかにおいて、前記酸化剤ガスに含まれる不純物は、硫黄化合物であり、酸化剤極を被毒して活性を低下させる硫黄化合物を、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与することにより、硫黄化合物が酸化されやすい自然電位近傍で酸化除去することができるので、より発電効率および耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００２２】
第１１の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記決定部は、前記電圧検出部で検出した電圧から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定することにより、不純物を直接的に検出する手段がなくても不純物の積算量に対応して低下する燃料電池の電圧から、酸化剤極の活性状態を判定し、電圧が正常時の電圧に対して低い場合に、燃料電池を活性化することができるので、燃料電池発電システムをさらに簡素化することができる。
【００２３】
第１２の発明は、第１１の発明において、前記出力制御部は、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する回数が所定の回数を上回り、前記電圧検出部で検出する電圧が所定の電圧より一定時間下回ったとき、前記燃料電池の発電を停止させ、少なくとも前記酸化剤ガスの供給を停止して前記酸化剤極の電位を所定の電位まで下げた後、再び前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を所定の時間開回路状態にした後、前記燃料電池の発電を再開し、発電中に開回路状態にしても電圧が回復しない場合に、起動停止をすることにより酸化剤極の電位を高電位（自然電位）から低電位まで昇降させ、様々な不純物を酸化除去するので、さらに燃料電池の活性を回復することができる。
【００２４】
第１３の発明は、第４の発明において、前記燃料極に供給する前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とすることにより、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークする水素量が低減し、酸化剤極の電位をさらに上昇させることができるので、酸化剤極に付着した不純物がより酸化され、より活性化することができる。
【００２５】
第１４の発明は、第４の発明において、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とし、発電を一時停止する間だけ、燃料極に供給する燃料ガスの流量を減らすので、燃料極側から酸化剤極側へクロスリークする水素量が低減し、酸化剤極の電位をさらに上昇させることができるので、酸化剤極に付着した不純物がより酸化され、より活性化することができる。
【００２６】
第１５の発明は、第１３の発明において、前記燃料電池の前記燃料極をバイパスする燃料電池バイパスラインを備え、前記燃料ガスの一部を前記燃料電池バイパスラインに供給して、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とし、発電を一時停止する間だけ、燃料ガスの一部を燃料電池バイパスラインに供給して燃料極に供給する燃料ガスの圧力を下げ、燃料処理部で生成する燃料ガスの総量を一定に保持しながら供給するので、燃料処理部の制御を簡素化することができる。
【００２７】
第１６の発明は、第１から第７の発明のいずれかにおいて、前記出力制御部は、前記燃料電池の負荷変動に応じて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃料電池の出力を制御し、前記決定部が決定した時間毎に、前記燃料電池の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与することにより、酸化剤極を活性化し、燃料ガスや酸化剤ガスの消費量が少ない出力が低いときに発電を停止するので、発電に用いられない燃料ガスや酸化剤ガスの消費量を最小限に留めることができ効率よく燃料電池の活性化を行うことができる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【００３０】
本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムは、水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質１（以下、電解質１と記す）の両面に燃料極２と酸化剤極３を形成した膜電極接合体６を有する燃料電池４を備え、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃料極２に、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極３に供給することにより発電することができる。
【００３１】
燃料電池発電システムは、燃料電池４と、少なくとも外部負荷に交流電力を供給するインバータなどの電力出力部と、補機や制御基板の電源などの内部負荷を、有するものである。
【００３２】
燃料極２および酸化剤極３は、耐酸化性の高い多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。燃料極２は、耐ＣＯ性を有する白金−ルテニウムの合金触媒によって構成される。なお、燃料極２に用いられる触媒は白金−ルテニウム合金に限られるものではない。
【００３３】
また、ガス拡散層は撥水処理を施したカーボンペーパーによって構成される。なお、ガス拡散層はカーボンペーパーに限られるものでなく、カーボンクロスやカーボン不織布でもよい。
【００３４】
電解質１の両面に燃料極２と酸化剤極３を形成した膜電極接合体６の周囲にはガスの混合やリークを防止するため、一対のガスケットを配置し、燃料極２および酸化剤極３にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有するカーボン製の導電性の一対のセパレータ板７１，７２で挟持して、単セルが構成される。
【００３５】
さらに、複数の単セルを積層して、両端に集電板、絶縁板および端板を配置し、締結ロッドで強固に締結してスタックが構成される。各セルの間には冷却水を供給排出する流路を設け、スタックの外部への放熱を防止し、安定した温度を保持するため、周囲に断熱材が配置されている。
【００３６】
上記構成の燃料電池４に、燃料ガスを供給する燃料処理部８と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部９を接続し、燃料電池発電システムが構成される。
【００３７】
燃料処理部８は、メタンなどの炭化水素を含む都市ガスなどの原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを供給し、付臭剤などに含まれる硫黄化合物を吸着除去する脱硫部８１と、メタンなどの炭化水素を含む原料ガスを改質する改質部８２と、改質反応で発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成部８３と、さらにＣＯを選択的に酸化除去するＣＯ除去部８４で構成される。
【００３８】
原料ガスは、まず脱硫部８１で脱硫された後、改質部８２で改質されて水素を含む燃料ガスとなる。原料ガスにメタンを用いた場合、改質部８２では、水蒸気を伴って（化１）で示した反応が起こり、燃料ガスである水素とともに約１０％のＣＯが発生する。
【００３９】
【化１】
2010023949.tif 000016
【００４０】
燃料電池４の運転温度域において燃料極２に含まれる白金触媒はわずかなＣＯでも被毒し、その触媒活性が低下するため、改質部８２で発生したＣＯは（化２）で示すようにＣＯ変成部８３で二酸化炭素に変成され、その濃度は約５０００ｐｐｍまで減少する。下流側のＣＯ除去部８４ではＣＯだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化されてしまうので、このＣＯ変成部８３においてできるだけＣＯ濃度を低下させる必要がある。
【００４１】
【化２】
2010023949.tif 000017
【００４２】
さらに残ったＣＯは（化３）で示すようにＣＯ除去部８４において選択酸化空気供給部８５で大気中から取り込んだ空気によって選択的に酸化され、その濃度は燃料極２の触媒活性の低下を抑制できる約１０ｐｐｍ以下までに減少する。
【００４３】
【化３】
2010023949.tif 000018
【００４４】
なお、燃料処理部８は、上記水蒸気改質法に限るものでなく、オートサーマル法などの水素生成方法でもよい。
【００４５】
また、燃料極２の手前に発電中燃料極２に空気を供給するエアブリード部１０を設け、燃料処理部８で生成した燃料ガスに１〜２％程度の空気を混合し、わずかに残るＣＯの影響をさらに軽減させる構成が採用されている。なお、燃料ガスに含まれるＣＯ濃度によりエアブリード部１０を省略してもよい。
【００４６】
酸化剤ガス供給部９は、酸化剤ガスを取り込むブロワ９１と、酸化剤ガス中の不純物を除去する不純物除去部９２と、酸化剤ガスを加湿する加湿器９３で構成され、燃料電池４の酸化剤極３に加湿した酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとは、少なくとも酸素を含む（あるいは酸素を供給することのできる）ガスの総称であり、例えば、大気（空気）が挙げられる。
【００４７】
ここで、上記構成の燃料電池４の動作について説明する。燃料極２および酸化剤極３にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して負荷を接続すると、燃料極２に供給された燃料ガス中に含まれる水素は反応式（化４）で示すように燃料極２の触媒層と電解質の界面で電子を放って水素イオンとなる。
【００４８】
【化４】
2010023949.tif 000019
【００４９】
水素イオンは電解質１を通って酸化剤極３へと移動し、酸化剤極３の触媒層と電解質の界面で電子を受け取り、酸化剤極３に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する。この反応式は（化５）のようになる。
【００５０】
【化５】
2010023949.tif 000020
【００５１】
全反応を（化６）に示す。
【００５２】
【化６】
2010023949.tif 000021
【００５３】
このとき負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用でき、また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱を熱エネルギーとして利用できる。
【００５４】
また、図１において、出力制御部１１は、負荷変動に応じて燃料電池４の出力を制御している。燃料電池４の負荷が上がり、多くの発電量を必要とする場合は、燃料処理部８に供給する原料ガスの供給量を増加させ、生成する燃料ガス量を増加し、また、ブロワ９１の能力値を上げて酸化剤ガスの供給量を増加させる。
【００５５】
逆に、あまり発電量が必要とされない場合は、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を低減させて、出力を低減することができる構成となっている。
【００５６】
ところで、大気中には様々な不純物が含まれている場合が多く、例えば、火山や燃焼排ガスなどに含まれている二酸化硫黄などの硫黄化合物や、工場や自動車の燃焼排ガスなどに多く含まれている窒素酸化物、あるいは悪臭成分であるアンモニアなどが含まれている。
【００５７】
これらの不純物は燃料電池４に悪影響を及ぼし、酸化剤ガスに混入して酸化剤極３に到達した場合、酸化剤極３に含まれる触媒に付着（吸着）して発電に必要な化学反応を阻害するため、燃料電池４の出力が低下することがある。中でも硫黄化合物は比較的吸着力が強く、多量の硫黄化合物が蓄積した場合、除去することが困難になり、燃料電池４の発電効率や耐久性を劣化させる原因となる。
【００５８】
一方、酸化剤極３の電極電位によって、前記不純物の酸化反応を促進させることができ、水や空気と反応させることにより、酸化剤極３に付着した不純物を酸化剤極３から脱離させやすくすることができる。
【００５９】
本実施の形態における燃料電池発電システムは、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極２と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極３と、燃料極２と酸化剤極３が形成された電解質１を含む燃料電池４と、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部１１と、出力制御部１１により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部１２とを備えたものである。
【００６０】
ここで、燃料電池発電システムの外部負荷（図示せず）に交流電力を供給するインバータなどの電力出力部（図示せず）があって、燃料電池４はこの外部負荷と燃料電池発電システム内部にある補機や制御基板の電源などの内部負荷（図示せず）に電力を供給していて、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態とは、内部負荷の全てあるいは一部はそのままで外部負荷を切断する状態である。
【００６１】
本実施の形態の構成によれば、決定部１２に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に出力制御部１１により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部１１を駆動することにより、外部電源を必要とせずに、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化し、脱離させて除去することとなり、燃料電池４が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６２】
この所定電圧以上の電圧は、燃料電池４の通常運転時より高い電圧とするものであり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
また、所定電圧以上の電圧は、酸化剤極３に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧であり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６３】
また、所定電圧以上の電圧は、燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧であり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６４】
さらに、所定電圧以上の電圧は、燃料電池４の負荷を切断して開回路状態として得られる電圧であり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００６５】
この、燃料電池４の負荷を切断して開回路状態として得られる所定電圧以上の電圧を用いて、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去する構成について、以下に説明する。
【００６６】
酸化反応が促進される電極電位は不純物の種類により異なり、二酸化硫黄などの硫黄化合物は発電時より高い電極電位で酸化されやすく、発明者らは、出力制御部１１で燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を設定し、この開回路状態の自然電位でも燃料電池の発電時より高い電極電位が得られ、酸化剤極３に付着したかなりの部分の硫黄化合物を酸化することが可能となり、更に、供給が継続されている酸化剤ガスによって酸化された硫黄化合物を酸化剤極３から脱離させて除去できることを見出した。
【００６７】
そこで本発明では、ある程度の量が蓄積すると不可逆な電圧低下を引き起こす硫黄化合物に着目し、不可逆な電圧低下を引き起こす前の少ない積算量のときに、燃料電池４を開回路状態にして酸化剤極３を高電位（自然電位）にして、酸化剤極３に付着した硫黄化合物を酸化除去して燃料電池４を活性化する構成とした。
【００６８】
また、燃料電池４を開回路状態にするときの酸化剤極３に供給される不純物の積算量の閾値は、不可逆な電圧低下を引き起こさず、また、自然電位を１秒から１０分程度保持すれば回復する限界量を予め実験的に求めておき、その限界量に達する前の積算量を閾値とした。
【００６９】
ここで、不純物の積算量の閾値は、前記限界量の主旨を満足する値であれば良く、不純物の直接的な量であっても良いし、不純物の量に相当する間接的な量であっても良いもので、この不純物の積算量の閾値により、燃料電池を開回路状態にする時期を決定する決定部１２を備えている。
【００７０】
本実施の形態の構成によれば、決定部１２に基づいて、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に燃料電池を開回路状態にする時期を決定するので、電圧低下による発電効率が低下することが無いものである。更に、決定部１２で決定された時期に燃料電池４を開回路状態にする出力制御部１１により、外部電源を必要とせずに、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化し、酸化剤ガスによって酸化された不純物を脱離させて除去することとなり、燃料電池４が活性化し、所望の性能を維持できることとなる耐久性に優れた燃料電池発電システムを得ることができる。
【００７１】
次に、不純物の積算量の閾値を得る具体例を以下に説明する。
【００７２】
不純物の積算量は、燃料電池４の発電時間の経過とともに加算されていくものである。そこで、決定部１２は、燃料電池４の発電時間を積算する発電時間積算部（図示せず）を備え、発電時間積算部により得られた積算時間が不純物の積算量の閾値に相当する時間となった時に、燃料電池４を開回路状態にする時期を決定する。決定部１２で決定された時期に、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で燃料電池４の負荷を切断して開回路状態とする。
【００７３】
本実施の形態によれば、発電時間を積算するという非常に簡単な構成に基づき、酸化剤極３に付着した不純物を除去して燃料電池４を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００７４】
なお、前述の説明で、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、開回路状態とする説明を行ったが、開回路状態とすることなく、燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与すればよいものであり、酸化剤極３を高電位にして、酸化剤極３に付着した不純物を酸化除去して燃料電池を活性化することができる燃料電池発電システムを得ることができる。
【００７５】
さらに、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与する構成としても良い。これは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態であっても、供給停止の直前まで燃料極２と酸化剤極３に供給されていたガスにより、所定の電圧が付与されるものである。
【００７６】
（実施の形態２）
図１は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【００７７】
本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムは、実施の形態１における決定部１２に備えられた発電時間積算部を削除し、酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物濃度検出部１３を備えたものであり、他の構成要素には同一符号を付与して説明を省略する。
【００７８】
出力制御部１１に繋がる決定部１２は、不純物除去部９２の不純物除去率から推定される不純物除去部９２後流の不純物の濃度と、酸化剤ガスの供給量および酸化剤極に供給される不純物の積算量から演算し、燃料電池４を開回路状態にするまでの時間を決定して、出力制御部１１に燃料電池４を開回路状態にするタイミングの指令を出すことができる。
【００７９】
大気中の不純物の濃度は、燃料電池発電システムが設置された場所の不純物情報から予め通常時の平均濃度を決定部１２に入力しておくか、その都度インターネットなどの通信部を介して自動的に取得することができるが、本実施の形態では、不純物濃度検出部１３を搭載し、設置環境のリアルタイムな酸化剤ガス中に含まれる不純物濃度を検出する構成とした。不純物濃度検出部１３には二酸化硫黄を検出できる二酸化硫黄ガスセンサを用いた。
【００８０】
次に、本発明の燃料電池発電システムの運転シーケンスについて、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００８１】
まず、決定部１２が不純物濃度検出部１３で検出する二酸化硫黄の濃度と、不純物除去部９２の二酸化硫黄の除去率と、発電を開始してからブロワ９１が酸化剤極３に供給した酸化剤ガスの供給量から酸化剤極に供給される不純物（二酸化硫黄）の積算量を演算して燃料電池４を開回路状態にする時期を決定する（ステップ１０１）。
【００８２】
次に、予め実験的に求めていた積算量の閾値に対してステップ１０１で求めた積算量が多いかを判断する（ステップ１０２）。
【００８３】
積算量が閾値を越えていれば、出力制御部１１で燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を（１秒〜１０分程度）維持する（ステップ１０３）。結果的に燃料電池の発電が停止状態となるので、図２では、発電停止と表記する。
【００８４】
そして、１秒〜１０分程度開回路状態にしたら、負荷を接続して再び発電を開始する（ステップ１０４、１０５）。
【００８５】
このとき、実施の形態１と同様に、開回路状態にすることにより燃料電池４の活性が回復し、燃料電池発電システムの発電効率や耐久性を向上することができる。
【００８６】
また、酸化剤極３の触媒層中に含まれるカーボンは高電位で腐食や酸化を起こし劣化しやすくなるが、本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、開回路状態とすることにより電極電位は自然電位までしか上がらないため、触媒層を構成するカーボンの酸化を抑制することができる。
【００８７】
次に、上記構成の本実施の形態の燃料電池発電システムの効果を確認するため、実際に燃料電池４の酸化剤極３に不純物（二酸化硫黄）を含む酸化剤ガスを供給しながら模擬試験を行った。供給する二酸化硫黄の濃度は実際の大気中に含まれる平均的な濃度を不純物除去部９２で除去した後の濃度とした。図３に実験結果を示す。
【００８８】
図３（ａ）は、不純物を供給しながら、開回路状態を入れないで発電した場合のスタック電圧の推移を示す。発電開始から一定時間後の電圧（図中の黒丸）が徐々に低下していることが判る。これは酸化剤ガス中の二酸化硫黄が徐々に酸化剤極３に蓄積し、触媒を被毒するために化学反応が阻害され活性が低下することによるものと考えられる。
【００８９】
一方、本発明の運転方法によるスタック電圧は図３（ｂ）に示したように、発電中、不純物の積算量に応じて周期的に開回路状態にすることで、発電開始から一定時間後の電圧（図中の黒丸）が低下することなく一定に推移することが判った。
【００９０】
したがって、本実施の形態の燃料電池発電システムによれば、酸化剤ガス中に不純物の濃度をリアルタイムに検出して、実際の不純物の積算量に応じて酸化剤極３に付着した不純物を酸化させて除去して燃料電池４を活性化できるので、燃料電池４の発電効率と耐久性を向上させることができる。
【００９１】
（実施の形態３）
図１は、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【００９２】
本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムは、図１において不純物濃度検出部１３を削除し、燃料電池４の電圧を検出する電圧検出部１４を備え、電圧検出部１４で検出する電圧が、燃料電池４の出力と発電時間積算部による積算時間と発電開始からの時間で定まる所定の電圧を一定時間下回ったときを、燃料電池４を開回路状態にする時期として決定部１２が決定する点以外は、実施の形態２の燃料電池発電システムと同様であり、実施の形態２と異なる点について詳細を説明する。
【００９３】
前述したように、燃料電池４の電圧は不純物により低下し、所定の濃度以下であれば、濃度に応じて電圧がシフトするので、電圧をモニタしていれば、不純物濃度検出部１３のような手段がなくても、ある程度不純物の濃度およびその積算量を知ることができる。
【００９４】
したがって、不純物とは無関係に耐久とともに徐々に低下する電圧と、起動直後にリカバリ効果により徐々に低下する電圧を考慮すれば、電圧検出部１４で検出する電圧から不純物の積算量に相当する閾値を求めることができる。
【００９５】
本実施の形態３では、決定部１２が、電圧検出部１４で検出した電圧から酸化剤ガス中に含まれ、酸化剤極３に供給される不純物の積算量を演算して燃料電池４を開回路状態にする時期を決定し、不純物濃度検出部１３などがなくても不純物の積算量に対応して低下する燃料電池４の電圧から、酸化剤極３の活性状態を判定し、電圧が正常時の電圧に対して低い場合に、燃料電池４を開回路状態にするので、燃料電池発電システムをさらに簡素化することができる。
【００９６】
さらに、出力制御部１１が、発電が開始されてからの燃料電池４を開回路状態にした回数が、所定の回数を上回り、それでも電圧検出部１４で検出する電圧が、所定の電圧より一定時間下回った場合、燃料電池４の負荷を切断して燃料電池４の発電を強制的に停止させ、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止して酸化剤極３の電位を所定の電位まで下げた後、再起動して所定の時間燃料電池４を開回路状態にした後、発電を再開する構成とした。
【００９７】
なお、燃料ガスの供給は必ずしも停止する必要はなく、温度が高温で安定している燃料処理部８を起動停止して無駄なエネルギーを消費しないという点で、燃料ガスの供給は停止しない方が望ましい。
【００９８】
図４に本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムの運転方法のフローチャートを示す。
【００９９】
まず、電圧検出部１４が燃料電池４の電圧をモニタしている（ステップ２０１）。
【０１００】
電圧検出部１４が検出する電圧が、不可逆な電圧低下を与える限界量に達する手前の積算量の不純物が付着した時の電圧である閾値よりも低くなったか否かを決定部１２が判定し、決定部１２は燃料電池４を開回路状態にする時期を決定する（ステップ２０２）。出力制御部１１は、電圧検出部１４が検出した電圧が閾値未満の時に、燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を所定時間（１秒〜１０分程度）維持する（ステップ２０３）。結果的に燃料電池の発電が停止状態となるので、図４では、発電停止と表記する。
【０１０１】
そして、１秒〜１０分程度開回路状態にしたら、再び、燃料電池４の負荷を接続して開回路状態を停止させ、発電を開始する（ステップ２０４、２０５）。
【０１０２】
さらに、発電を開始してから開回路状態にした回数をカウントアップし（ステップ２０６）、開回路状態にした回数が所定の回数（閾値）を越えても電圧が上がらないと判断した場合（ステップ２０７）は、燃料電池４の負荷を切断し強制的に起動停止させる通常の発電停止モードに移行する。
【０１０３】
まず、発電を停止し（ステップ２０８）、少なくとも酸化剤ガスの供給を停止する（ステップ２０９）。
【０１０４】
このとき、燃料極２側には燃料ガスである水素が存在しているので、スタックの電圧はほぼ酸化剤極３の電極電位と同等とみなすことができる。酸化剤極３の電極電位が０〜０．２Ｖ程度まで低下、あるいはそれに相当する時間が経過したら（ステップ２１０）、酸化剤極３へ酸化剤ガスの供給を再開する（ステップ２１１）。酸化剤ガスが供給され始めると、酸化剤極３の電極電位が上昇し、自然電位となる。
【０１０５】
そして、燃料電池４の負荷を接続させ発電を再開する（ステップ２１２）。
【０１０６】
本実施の形態によれば、発電中に複数回以上、開回路状態にしても電圧が回復しない場合に、起動停止をすることにより酸化剤極３の電位を高電位（自然電位）から低電位まで昇降させることとなり、酸化剤極３が酸化状態から還元状態になり、酸化剤極３の活性を回復することができる。
【０１０７】
また、開回路状態にすることにより、酸化剤極３に付着した不純物が酸化されるので、起動停止により発生する凝縮水や、発電時に発生する生成水に溶解させて、系外に排出することができ、開回路状態と起動停止の組み合わせで不純物の影響をさらに緩和することができる。
【０１０８】
（実施の形態４）
図１は、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【０１０９】
本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムは、実施の形態２の燃料電池発電システムにおいて、燃料極２に供給する燃料ガスの圧力を、酸化剤極３に供給する酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、出力制御部１１が燃料電池４の負荷を所定の時間切断して燃料電池４を開回路状態にして酸化剤極３を活性化する点以外は、実施の形態２の燃料電池発電システムと同様であり、実施の形態２と異なる点について詳細を説明する。
【０１１０】
本実施の形態の構成は、前述の実施の形態１から３の何れかによる決定部１２に基づき、不純物による不可逆な電圧低下を引き起こす前に燃料電池を開回路状態にする時期を決定する。決定部１２で決定された時期に、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも低くする。その後、出力制御部１１が、燃料電池４の負荷を所定の時間切断して燃料電池４を開回路状態にする。
【０１１１】
本実施の形態によれば、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも低くすることにより、燃料極２側から酸化剤極３側へクロスリークする水素量が低減し、酸化剤極３の電位をさらに上昇させることができるので、酸化剤極３に付着した不純物がより酸化されやすくなり、より活性化することができる。
【０１１２】
燃料極２に供給する燃料ガスの圧力は、燃料ガスの流量を減少させることにより低減させた。
【０１１３】
また、図１に示すように、燃料電池４の燃料極２をバイパスするように燃料電池バイパスライン１５を備え、燃料電池４を活性化するときだけ、燃料ガスの一部を燃料電池バイパスライン１５に供給して、燃料極２に供給する燃料ガス流量を減少して燃料ガスの圧力を、酸化剤極３に供給する酸化剤ガスの圧力よりも低く維持することにより、燃料処理部８で生成する燃料ガスの総量を一定に保持しながら供給することができ、燃料処理部８の制御を簡素化することができる。
【０１１４】
（実施の形態５）
図１は、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの概略構成図を示すものである。
【０１１５】
本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムは、実施の形態２の燃料電池発電システムにおいて、決定部１２が決定した燃料電池４を開回路状態にする時期に、出力制御部１１が、燃料電池４の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、燃料ガスと酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、燃料電池４の負荷を切断して燃料電池４を開回路状態にする点以外は、実施の形態２の燃料電池発電システムと同様であり、実施の形態２と異なる点について詳細を説明する。
【０１１６】
本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムの運転シーケンスについて、図５のフローチャートを用いて説明する。
【０１１７】
まず、決定部１２が不純物濃度検出部１３で検出する二酸化硫黄の濃度と、不純物除去部９２の二酸化硫黄の除去率と、発電を開始してからブロワ９１が酸化剤極３に供給した酸化剤ガスの供給量から不純物の積算量を算出する（ステップ３０１）。
【０１１８】
次に、予め実験的に求めていた積算量の閾値に対してステップ３０１で求めた積算量が多いかを判断する（ステップ３０２）。
【０１１９】
積算量が閾値を越えていれば、燃料電池４の出力を強制的に下げ、それに応じて燃料ガスと酸化剤ガスの供給量を低減させる（ステップ３０３）。このときの出力および燃料ガスと酸化剤ガスの供給量は、燃料電池発電システムの最小出力とそれに応じた供給量に設定されている。
【０１２０】
そして、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が閾値に達したら、燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態を所定の時間（１秒〜１０分程度）維持する（ステップ３０４、３０５）。結果的に燃料電池の発電が停止状態となるので、図５では、発電停止と表記する。
【０１２１】
そして、１秒〜１０分程度開回路状態にしたら、再び、燃料電池４の負荷を接続して開回路状態を停止させ、発電を開始する（ステップ３０６、３０７）。
【０１２２】
本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムによれば、燃料ガスや酸化剤ガスの消費量が少ない出力が低いときに発電を停止するので、発電に用いられない燃料ガスや酸化剤ガスの消費量を最小限に留めることができ効率よく燃料電池の活性化を行うことができる。
【０１２３】
また、図６に開回路状態にする前後のスタック電圧の電圧挙動を示す。発電開始から不純物の積算量が電圧低下を与える限界量に達する前の時間ｔが経過した後に、燃料電池４の出力を下げ、同時に燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量も低減させた。このときスタック電圧は上昇した。さらに、その直後に燃料極２および酸化剤極３に各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給した状態で燃料電池４の負荷を切断するという、開回路状態とし、さらにスタック電圧を上昇させ、開回路電圧を約１０秒間保持した。
【０１２４】
その後再び負荷を接続して、元の発電状態に戻すため燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を増加させてから、燃料電池４の出力を増加させた。そして、開回路状態にして活性化した時点から、再度時間ｔ後に同様の活性化処理を行った。
【０１２５】
時間ｔにおける不純物の積算量は同じであり、同じ積算量の不純物を同じ動作で確実に除去して活性化するので、不純物に対して耐性の強い燃料電池発電システムを得ることができる。
【０１２６】
ところで、燃料電池発電システムは原料ガスとして都市ガスを用いるが、ガス供給ラインにはマイコンメーターと呼ばれる安全装置が付いていることがある。マイコンメーターはガスの流量をモニタするガスメーターであり、ガス漏れ時にガスの供給を自動的に遮断する機能を有している。
【０１２７】
例えば、ガスの消費量が一定の期間、一定の流量で変動がない場合、ガスが漏れていると判断し、ガスを遮断する。一方、燃料電池発電システムは他のガス機器と比較して連続で使用される可能性が高く、一定の出力で発電した場合、ガス漏れが発生していないにもかかわらず、ガスが遮断される可能性が出てくる。
【０１２８】
ガスが強制的に遮断された場合、省エネ性の低下や、機器の耐久性への影響が懸念される。そこで、一定の出力で所定に時間以上連続して発電した場合、燃料電池発電システムの出力を強制的に変動、低減させガスの使用量を変動させる技術が知られている。
【０１２９】
この一定の出力で連続して発電する所定の時間が、本発明の不純物の積算量が電圧低下を与える限界量に達する前の時間ｔよりも小さい場合、マイコンメーターの誤検知防止のために出力を低減させ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量が低減したタイミングで燃料電池４を短時間だけ開回路状態にして、酸化剤極３を活性化してもよく、このタイミングで活性化すれば、より効果的に燃料電池４の発電効率と耐久性を向上することができる。
【０１３０】
なお、前述の実施の形態２から実施の形態５では、特に、酸化剤極３に所定電圧以上の電圧を付与する構成として、燃料電池４の負荷を切断して開回路状態とする構成を説明したが、所定電圧以上の電圧は、燃料電池４の通常運転時より高い電圧、酸化剤極４に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧、燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧のいずれかを選択してもよいものである。
【０１３１】
また、出力制御部１１は、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態を説明したが、燃料極２と酸化剤極３に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態としても良いものである。
【０１３２】
本出願は、２００８年８月２９日出願の日本特許出願、特願２００８−２２１４０１に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【０１３３】
以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明の燃料電池発電システムは、酸化剤ガス中に含まれ、酸化剤極に供給される不純物の積算量に応じて酸化剤極を高電位にして燃料電池の活性化し、発電効率と耐久性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。
【符号の説明】
【０１３５】
１    電解質
２    燃料極
３    酸化剤極
４    燃料電池
１１  出力制御部
１２  決定部
１３  不純物濃度検出部
１４  電圧検出部
１５  燃料電池バイパスライン
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、
少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、
前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する出力制御部と、
前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、
を備えた燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の通常運転時より高い電圧である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記所定電圧以上の電圧は、前記酸化剤極に付着した不純物を酸化させるのに必要な電圧である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池の負荷を切断して開回路状態として得られる電圧である請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池発電システムの負荷を低負荷として得られる電圧である請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ前記燃料電池発電システム外部に電力を供給しない状態で前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記決定部は、前記燃料電池の発電時間を積算する発電時間積算部を備え、前記発電時間積算部により得られた積算時間により、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記酸化剤ガス中に含まれる不純物の濃度を検出する不純物濃度検出部を備え、前記決定部は、前記不純物濃度検出部で検出した不純物濃度と、前記酸化剤極に供給された前記酸化剤ガスの供給量から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガスに含まれる不純物は、硫黄化合物である請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記決定部は、前記電圧検出部で検出した電圧から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記出力制御部は、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する回数が所定の回数を上回り、前記電圧検出部で検出する電圧が所定の電圧より一定時間下回ったとき、前記燃料電池の発電を停止させ、少なくとも前記酸化剤ガスの供給を停止して前記酸化剤極の電位を所定の電位まで下げた後、再び前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を所定の時間開回路状態にした後、前記燃料電池の発電を再開する請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記燃料極に供給する前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記燃料電池の前記燃料極をバイパスする燃料電池バイパスラインを備え、前記燃料ガスの一部を前記燃料電池バイパスラインに供給して、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態で、前記出力制御部によって前記燃料電池に対して開回路状態とする請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
前記出力制御部は、前記燃料電池の負荷変動に応じて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃料電池の出力を制御し、前記決定部が決定した時間毎に、前記燃料電池の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、前記酸化剤極に所定電圧以上の電圧を付与する請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010023949.tif 000022
【図２】
2010023949.tif 000023
【図３】
2010023949.tif 000024
【図４】
2010023949.tif 000025
【図５】
2010023949.tif 000026
【図６】
2010023949.tif 000027
【図７】
2010023949.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月13日(2011.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池発電システムであって、
少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極が形成された電解質とを含む燃料電池と、
出力制御部と、
前記出力制御部により所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する決定部と、
を備え、
前記出力制御部は、
前記燃料電池システムの内部負荷及び外部負荷に電力を供給する通常運転を行い、前記所定電圧以上の電圧を付与する時期に、前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断し、前記酸化剤極に前記通常運転時より高く、かつ、開回路状態で得られる電圧以下の電圧を付与するよう制御する、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記出力制御部は、前記所定電圧以上の電圧を付与する時期に、前記燃料電池発電システムの前記内部負荷の全部又は一部に電力を供給し、前記酸化剤極に前記通常運転時より高く、かつ、開回路状態で得られる電圧より低い電圧を付与するよう制御する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記出力制御部は、前記所定電圧以上の電圧を付与する時期に、前記燃料電池発電システムの前記内部負荷の一部に電力を供給し、
前記所定電圧以上の電圧は、前記燃料電池発電システムの内部負荷を低負荷として得られる電圧である、請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスを各々供給した状態で、かつ前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断した状態で前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与するよう制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記出力制御部は、前記燃料極と前記酸化剤極に燃料ガスと酸化剤ガスの供給を各々停止した状態で、かつ前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断した状態で前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与するよう制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記決定部は、前記燃料電池の発電時間を積算する発電時間積算部を備え、前記発電時間積算部により得られた積算時間により、前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガスに含まれる不純物は、硫黄化合物である請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池の発電中の電圧を検出する電圧検出部を備え、前記決定部は、前記電圧検出部で検出した電圧から前記酸化剤極に供給される不純物の積算量を演算して前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与する時期を決定する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記出力制御部は、発電を開始してから前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与する回数が所定の回数を上回り、前記電圧検出部で検出する電圧が所定の電圧より一定時間下回ったとき、前記燃料電池の発電を停止させ、少なくとも前記酸化剤ガスの供給を停止して前記酸化剤極の電位を所定の電位まで下げた後、再び前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を所定の時間開回路状態にした後、前記燃料電池の発電を再開する請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記燃料極に供給する前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池の前記燃料極をバイパスする燃料電池バイパスラインを備え、前記燃料ガスの一部を前記燃料電池バイパスラインに供給して、前記燃料極に供給する前記燃料ガス流量を減少して前記燃料ガスの圧力を、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの圧力よりも低く維持した状態とする請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記出力制御部は、前記燃料電池の負荷変動に応じて前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給量を制御して前記燃料電池の出力を制御し、
前記決定部が決定した時間毎に、前記燃料電池が電力を供給する前記燃料電池システムの外部負荷に対する前記燃料電池の出力を強制的に低減させ、所定の出力以下で、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが所定の供給量まで低減した後、
前記燃料電池発電システムの外部負荷と前記燃料電池との接続を切断した状態で、前記酸化剤極に前記所定電圧以上の電圧を付与するよう制御する、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【国際調査報告】
2010023949.tif 000029
2010023949.tif 000030
2010023949.tif 000031
2010023949.tif 000032