(57)【要約】【課題】  酸化剤供給路の上流側と下流側における湿度の差異に起因した、電解質膜における電流集中を抑制することができ、結果として燃料電池の電圧低下を抑制することができる燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。【解決手段】  所定の期間、酸化剤電極１に供給される酸素の量を、燃料電池２０が所定の電力を発生させるのに必要な酸素の量以下（例えば、酸化剤利用率を２００％とする）する。その後、酸化電極１に供給される酸素の量を、燃料電池２０が所定の電力を発生させるのに必要な酸素の量よりも多くする（例えば、酸化剤利用率を５０％とする）。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電極と、酸化剤電極と、前記燃料電極と前記酸化剤電極とに挟持されており、含有される水分に依存してイオン伝導性が変化する電解質とを備える燃料電池において、
（ａ）所定の期間、酸化剤利用率が１００％以上の酸化剤を、前記酸化剤電極に供給する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記酸化剤電極に供給している酸化剤の量を変化させ、酸化剤利用率を１００％未満にする工程と、
を備えていることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記工程（ａ），（ｂ）を複数回繰り返して実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記燃料電池は、所定の制御下限電圧値を有する外部負荷に接続されており、
前記工程（ａ）は、
（ａ−１）前記燃料電池の電圧値が、前記外部負荷が有する前記所定の制御下限電圧値以下になる前に、前記燃料電池の接続を前記外部負荷から、前記所定の制御下限電圧以下の電圧が印加されても電流が流れる低電圧用負荷に切替える工程を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記燃料電池の電圧値が、前記外部負荷が有する前記所定の制御下限電圧値を超えた後に、前記燃料電池の接続を前記低電圧用負荷から前記外部負荷に切替える工程を含んでいる、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項５】
前記低電圧用負荷は、負荷の値の変更可能なものである、
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項６】
燃料電極と、酸化剤電極と、前記燃料電極と前記酸化剤電極とに挟持されており、含有される水分に依存してイオン伝導性が変化する電解質とを備える燃料電池と、
前記燃料電池に流れる酸化剤の流量を制御する制御部とを、備えており、
前記制御部は、
所定の期間、酸化剤利用率が１００％以上となるように、前記酸化剤電極に供給される酸化剤の流量を制御した後に、酸化剤利用率を１００％未満となるように、前記酸化剤電極に供給される酸化剤の流量を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、
前記酸化剤供給ラインに配設されており、当該酸化剤供給ラインの開閉の度合いを調節する酸化剤供給量調節手段とを、さらに備えており、
前記制御部は、前記酸化剤供給量調節手段に接続されており、当該酸化剤供給量調節手段を介して、酸化剤の流量の制御を行う、
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】
前記燃料電池から酸化剤を排出する酸化剤排出ラインと、
前記酸化剤排出ラインに配設されており、当該酸化剤排出ラインの開閉の度合いを調節する酸化剤排出量調節手段とを、さらに備えており、
前記制御部は、前記酸化剤排出量調節手段に接続されており、当該酸化剤排出量調節手段を介して、酸化剤の流量の制御を行う、
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９】
前記燃料電池に酸化剤を送る酸化剤供給手段を、さらに備えており、
前記制御部は、前記酸化剤供給手段の出力を変化させることにより、酸化剤の流量の制御を行う、
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１０】
前記制御部は、
酸化剤利用率を１００％以上とする酸化剤の流量制御と、酸化剤利用率を１００％未満とする酸化剤の流量制御とを、繰り返し実行する、
ことを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
所定の制御下限電圧値を有する外部負荷と、
前記所定の制御下限電圧以下の電圧が印加されても電流が流れる低電圧用負荷と、
前記燃料電池に対する前記外部負荷との接続、および前記燃料電池に対する前記低電圧用負荷との接続のどちらか一方の接続を、択一的に選択するスイッチ手段と、
前記燃料電池の電圧値と前記所定の制御下限電圧値とに基いて、前記スイッチ手段の接続選択動作を制御するスイッチ制御部とを、さらに備えている、
ことを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の運転方法および燃料電池システムに係る発明であって、特に、水分の含有量に依存してイオン伝導度が変化する電解質膜を備える燃料電池の運転方法、および当該燃料電池を備える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、周知のように、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は、酸化剤電極、燃料電極および両電極により挟持されている電解質膜等により構成されている。
【０００３】
上記エネルギーの変換は、酸化剤電極に酸化剤を、燃料電極に燃料を供給し、燃料と酸化剤（酸素）とを燃料電池内で電気化学的に反応させることにより成される。
【０００４】
燃料電池には、電解質膜の種類に応じて、いくつかの型に分類される。近年、高出力の得られる燃料電池として、電解質膜にプロトン（以下、水素イオン）伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた、固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００５】
固体高分子型燃料電池において、燃料電極に水素ガスを、酸化剤電極に酸化剤（酸素ガス）を供給し、次式（１），（２）のような反応が当該固体高分子型燃料電池内で起こることにより、当該固体高分子型燃料電池に接続されている外部負荷に、電流を発生させることができる。
【０００６】
燃料電極反応：  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（１）
酸化剤電極反応：  ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ・・・（２）
式（１），（２）から分かるように、固体高分子型燃料電池では、燃料電極上において、水が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンは、固体高分子電解質膜を介して酸化剤電極に移動し、電子は、外部負荷を介して酸化剤電極に移動する。そして、酸化剤電極上において、当該電子、水素イオンおよび外部から供給される酸素が、相互に反応することにより、水が発生する。
【０００７】
ところで、燃料電池は、上記電解質膜、酸化剤電極、燃料電極の他に、酸化剤側セパレータおよび燃料側セパレータを備えている。
【０００８】
酸化剤側セパレータ内には、酸化剤を流通させるための酸化剤供給路が、酸化剤供給口から酸化剤排出口に連通するように形成されている。燃料側セパレータ内においても、酸化剤側セパレータと同様の構造で、燃料供給路が燃料供給口と燃料排出口を連通するように形成されている。
【０００９】
酸化剤供給路が露出している酸化剤側セパレータの面は、酸化剤電極と重ね合わせられる。また、燃料供給路が露出している燃料側セパレータの面は、燃料電極と重ね合わせられる。さらに、酸化剤電極と燃料電極とを電解質膜を介して接続する。以上により、一単位の単燃料電池が構成される。
【００１０】
上記構成の固体高分子型燃料電池の単燃料電池の動作について説明する。
【００１１】
酸化剤側セパレータの酸化剤供給口より供給された酸素含有ガス（例えば空気）は、酸化剤供給路を通って、酸化剤電極に供給される。これに対して、燃料側セパレータの燃料供給口より供給された燃料である水素含有ガスは、燃料供給路を通って、燃料電極に供給される。
【００１２】
このとき、固体高分子型燃料電池外部において、酸化剤電極と燃料電極とを外部負荷を介して電気的に接続すると、酸化剤電極側では、式（２）の反応が生じ、酸化剤供給路を通って、未反応ガスと水とが酸化剤排出口に排出される。
【００１３】
また、このとき燃料電極側では、式（１）の反応が生じ、未反応ガスは燃料供給路を通って、燃料排出口より排出されることとなる。この反応によって、燃料電極で発生した電子は、燃料側セパレータ、外部負荷および酸化剤側セパレータを介して、酸化剤電極へと流れる。
【００１４】
上記固体高分子型燃料電池は、水素および酸素を供給し続けることにより、上記反応が継続される。しかし、固体高分子型燃料電池を継続的に運転した場合、当該電池の内部では、反応生成物である水が、酸化剤供給路の下流側に滞留する。これは、酸化剤の流れにより、上流側で生成した水が、酸化剤供給路の下流側へ集まるためである。
【００１５】
一方、酸化剤供給路の上流では、上流側で生成した水のみが関与するため、下流側より乾燥しやすい。このため、固体高分子型燃料電池の電極面内で水分布が不均一化する（上流側から下流側へ進むに連れて水分は多くなる）という問題が生じる。
【００１６】
生成された水は、酸化剤電極を介して固体高分子電解質膜を湿潤させる。当該電解質膜のイオン伝導性は、膜の水分含有量にほぼ比例する（非特許文献１）。したがって、上記水分布の不均一化は、電解質膜抵抗の不均一化を引き起こす。その結果、電解質膜中の抵抗の大きな領域に面した、乾燥した酸化剤供給路の上流部には、電流があまり流れない。これに対して、電解質膜中の抵抗の小さな領域に面した、湿潤な酸化剤供給路の下流部には、電流が集中する。つまり、固体高分子電解質膜において、電流が集中する現象が起こる。
【００１７】
当該電流集中は、固体高分子型燃料電池の電圧低下の要因となる分極の増大、反応熱による材料劣化など深刻な問題の引き金となる。
【００１８】
これまでも、このような水分布の不均一化による電流集中を改善する方策として、幾つかの技術が公開されている（特許文献１、特許文献２）。
【００１９】
特許文献１は、空気（酸化剤）の供給口と排出口を周期的に切り替えることで、水分分布を改善する工夫がなされている。
【００２０】
また、特許文献２は、下流側の濡れを軽減することで、電流集中を改善する燃料電池の運転方法が開示されている。具体的には、酸化剤ガスの流量を増加させることで、下流側の相対湿度を低下させて下流部を乾燥させる方法について開示されている。
【００２１】
【非特許文献１】「Ｗａｔｅｒ  Ｕｐｔａｋｅ  ｂｙ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｎａｆｉｏｎ１１７  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ」、  Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．，  １４０（１９９３）  ｐｐ１０４１−１０４７）
【特許文献１】特表２００１−５２５５９６号公報
【特許文献２】特開２００３−５９５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかし、特許文献１に係る発明では、ガスの切り替えには切り替え弁が必要となる。したがって、配管が複雑になり、かつ配管スペースが二つになるなどの理由により、燃料電池の低コスト化、小型化が難しい。また、圧力損失が大きくなることや、ガス欠を防止するために弁の切り替えタイミングを微妙に制御する必要が有ることなど、容易にその運転を実現することは困難である。
【００２３】
また、特許文献２に係る発明では、下流側の湿度を下げることはできるが、同じ程度、上流側の相対湿度も低下させてしまう。したがって、電流の不均一化を厳密に解消することは困難である。
【００２４】
そこで、この発明は、簡略なシステムにより、酸化剤供給路の上流側と下流側における湿度の差異に起因した、電解質膜における電流集中を効果的に抑制することができ、結果として燃料電池の電圧低下を抑制することができる、燃料電池の運転方法および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の燃料電池の運転方法は、燃料電極と、酸化剤電極と、前記燃料電極と前記酸化剤電極とに挟持されており、含有される水分に依存してイオン伝導性が変化する電解質とを備える燃料電池において、（ａ）所定の期間、酸化剤利用率が１００％以上の酸化剤を、前記酸化剤電極に供給する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記酸化剤電極に供給している酸化剤の量を変化させ、酸化剤利用率を１００％未満にする工程と、を備えている。
【００２６】
また、請求項６に記載の燃料電池システムは、燃料電極と、酸化剤電極と、前記燃料電極と前記酸化剤電極とに挟持されており、含有される水分に依存してイオン伝導性が変化する電解質とを備える燃料電池と、前記燃料電池に流れる酸化剤の流量を制御する制御部とを、備えており、前記制御部は、所定の期間、酸化剤利用率が１００％以上となるように、前記酸化剤電極に供給される酸化剤の流量を制御した後に、酸化剤利用率を１００％未満となるように、前記酸化剤電極に供給される酸化剤の流量を制御する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の請求項１に記載の燃料電池の運転方法は、燃料電極と、酸化剤電極と、前記燃料電極と前記酸化剤電極とに挟持されており、含有される水分に依存してイオン伝導性が変化する電解質とを備える燃料電池において、（ａ）所定の期間、酸化剤利用率が１００％以上の酸化剤を、前記酸化剤電極に供給する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記酸化剤電極に供給している酸化剤の量を変化させ、酸化剤利用率を１００％未満にする工程と、を備えているので、例えば、酸化剤電極に面して配設された一本の酸化剤供給路を通して、酸化剤を酸化剤電極に供給した場合、工程（ａ）により、酸化剤供給路の上流域でのみ水を発生させ、下流域では水でなく水素を発生させることができる。よって、酸化剤供給路の下流域より上流域が湿潤となるので、燃料電池の通常運転時に生ずる電解質膜の含有水分分布の不均一化（酸化剤供給路の上流域より下流域が湿潤）を、均一化させることができる。これにより、電解質膜の電流集中を抑制することができ、燃料電池の電圧低下を防止することができる。
【００２８】
また、請求項６に記載の燃料電池システムは、燃料電極と、酸化剤電極と、前記燃料電極と前記酸化剤電極とに挟持されており、含有される水分に依存してイオン伝導性が変化する電解質とを備える燃料電池と、前記燃料電池に流れる酸化剤の流量を制御する制御部とを、備えており、前記制御部は、所定の期間、酸化剤利用率が１００％以上となるように、前記酸化剤電極に供給される酸化剤の流量を制御した後に、酸化剤利用率を１００％未満となるように、前記酸化剤電極に供給される酸化剤の流量を制御するので、請求項１に記載の発明と同様な効果を有する燃料電システム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】
【００２９】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００３０】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る燃料電池スタックシステムの構成を示す図である。
【００３１】
図１において、スタック構造の固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する）２０には、外部定電流負荷３０が接続されている。また、燃料電池２０には、酸化剤を燃料電池２０に供給するための酸化剤供給ライン４０、酸化剤を燃料電池２０から排出するための酸化剤排出ライン５０、燃料を燃料電池２０に供給するための燃料供給ライン６０、および燃料を燃料電池２０から排出するための燃料排出ライン７０が、各々接続されている。
【００３２】
また、図１に示すように、酸化剤供給ライン４０には、さらに酸化剤を燃料電池２０に送るブロワ−やコンプレッサ等の酸化剤供給手段４１と、燃料電池２０への酸化剤の供給量を調節するための酸化剤供給量調節手段４２とが配設されている。また、酸化剤排出ライン５０には、さらに燃料電池２０からの酸化剤の排出量を調節するための酸化剤排出量調節手段５１が配設されている。
【００３３】
また、酸化剤供給量調節手段４２には、当該酸化剤供給量調節手段４２の開閉の度合いを制御する制御部２００が接続されている。制御部２００は、燃料電池２０と外部定電流負荷３０との間に流れる電流値と、燃料電池２０内に流れる酸化剤の流量値（本実施の形態では、酸化剤供給ライン４０に流れる酸化剤の流量値）とをモニタしている。そして、当該モニタの結果に応じて、制御部２００は、酸化剤供給量調節手段４２の開閉の度合いを制御する。
【００３４】
また、燃料供給ライン６０には、さらに燃料を供給する燃料供給手段６１と、燃料電池２０への燃料の供給量を調節するための燃料供給量調節手段６２とが配設されている。また、燃料排出ライン７０には、さらに燃料電池２０からの燃料の排出量を調節するための燃料排出量調節手段７１が配設されている。
【００３５】
図２に、スタック構造の燃料電池２０の断面構造を示す。図２に示すように、複数の単燃料電池１０を図面の横方向に積み重ねること（直列的に接続すること）により、燃料電池２０は構成されている。ここで、単燃料電池１０の有効面積は、１００ｃｍ2程度である。本実施の形態では、単燃料電池１０を７０枚積層することにより、スタック構造の燃料電池２０が構成されている。
【００３６】
図３に、単燃料電池１０の断面構造を示す。図３に示すように、単燃料電池１０は、酸化剤電極１、燃料電極２、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜と称する）３、酸化剤側セパレータ４および燃料側セパレータ５により、構成されている。
【００３７】
酸化剤電極１は、電解質膜３を介して燃料電極２に接続されている。さらに、酸化剤電極１の電解質膜３が接続されていない面に、酸化剤側セパレータ４が接続されている。また、燃料電極２の電解質膜３が接続されていない面に、燃料側セパレータ５が接続されている。
【００３８】
酸化剤側セパレータ４内には、酸化剤供給路６が配設されている。ここで、図３では、酸化剤側セパレータ４内には、複数の酸化剤供給路６の断面が現れているが、これは、図４の酸化剤側セパレータ４の平面図が示すように、複数回折り返された一本の酸化剤供給路６が酸化剤側セパレータ４内に配設されているからである。
【００３９】
また、燃料側セパレータ５内には、燃料供給路７が配設されている。ここで、図３では、燃料側セパレータ５内には、複数の燃料供給路７の断面が現れているが、これは、図５の燃料側セパレータ５の平面図が示すように、複数回折り返された一本の燃料供給路７が燃料側セパレータ５内に配設されているからである。
【００４０】
図３から分かるように、酸化剤供給路６は、酸化剤電極１に面するように、酸化剤側セパレータ４内に配設されており、燃料供給路７は、燃料電極２に面するように、燃料側セパレータ５内に配設されている。
【００４１】
ここで、酸化剤電極１は、酸化剤極触媒層とガス拡散層とで構成されており、燃料電極２は、燃料極触媒層とガス拡散層とで構成されている。
【００４２】
酸化剤極触媒層および燃料極触媒層は、共に電解質膜３に接続されており、貴金属担持カーボンブラック（ＰｔまたはＰｔ合金（Ｐｔ−Ｒｕ，Ｐｔ−Ｍｏ等）をカーボンブラックに高分散担持させたもの）から成る。また、ガス拡散層は、酸化剤側セパレータ４（または燃料側セパレータ５）に接続されており、カーボンペーパから成る。
【００４３】
また、電解質膜３は、当該電解質膜３に含有される水分に依存してプロトン（以下、水素イオン）伝導性が変化する、固体高分子電解質膜であり、例えばパーフルオロスルホン酸から成る膜がある。当該電解質膜３は、含有される水分量が増加するとイオン伝導性は上昇し、含有される水分量が減少するとイオン伝導性は下降する。
【００４４】
また、各セパレ−タ４，５は、カーボン板（カーボンを樹脂で固めたもの）等から成る。
【００４５】
酸化剤側セパレータ４内には、図４に示すように、複数回折り返されて配設されている１本の酸化剤供給路６、当該酸化剤供給路６の一端に接続される酸化剤供給口６ａ、および当該酸化剤供給路６の他端に接続される酸化剤排出口６ｂが、設けられている。ここで、酸化剤供給口６ａは、図１に示した酸化剤供給ライン４０に接続され、酸化剤排出口６ｂは、図１に示した酸化剤排出ライン５０に接続される。
【００４６】
また、燃料側セパレータ５内には、図５に示すように、複数回折り返されて配設されている１本の燃料供給路７、当該燃料供給路７の一端に接続される燃料供給口７ａ、および当該燃料供給路７の他端に接続される燃料排出口７ｂが、設けられている。ここで、燃料供給口７ａは、図１に示した燃料供給ライン６０に接続され、燃料排出口７ｂは、図１に示した燃料排出ライン７０に接続される。
【００４７】
ここで、酸化剤供給口６ａおよび酸化剤排出口６ｂは、各酸化剤側セパレータ４に共通して連設されている。また、酸化剤側セパレータ４間には、燃料側セパレータ５が存する。よって、図５に示すように、各燃料側セパレータ５内にも酸化剤供給口６ａおよび酸化剤排出口６ｂの断面が現れるが、当該両口６ａ，６ｂは当然、燃料供給路７には接続されていない。
【００４８】
同様に、燃料供給口７ａおよび燃料排出口７ｂは、各燃料側セパレータ５に共通して連設されている。また、燃料側セパレータ５間には、酸化剤側セパレータ４が存する。よって、図４に示すように、各酸化剤側セパレータ４内にも燃料供給口７ａおよび酸化剤排出口７ｂの断面が現れるが、当該両口７ａ，７ｂは当然、酸化剤供給路６には接続されていない。
【００４９】
なお、図２には図示していないが、単燃料電池１０間には、発電により発生する熱を冷却する媒体を流通させる、冷却媒体流路が配設されている。
【００５０】
次に、図６に基いて、上記構成の燃料電池２０の運転方法の流れについて、具体的に説明する。
【００５１】
まずはじめに、燃料電池２０の温度を７５℃に保った状態で、酸化剤供給手段４１から酸化剤供給ライン４０を通して、露点７０℃の酸化剤（本実施の形態では、空気）を燃料電池２０（具体的には、酸化剤供給口６ａ）へ流す。一方、燃料供給手段６１から燃料供給ライン６０を通して、燃料（本実施の形態では、ＣＯを２０ｐｐｍ含有する改質模擬ガス（水素７５％、残りＣＯ2））を燃料電池２０（具体的には、燃料供給口７ａ）へ流す。これにより、燃料電池２０は、通常の発電運転を実施する（図６のステップＳ１）。
【００５２】
このとき、制御部２００は、外部定電流負荷３０に流れる電流値と、燃料電池２０酸化剤供給ライン４０に流れる酸化剤の流量値とをモニタしている。そして、制御部２００は、当該モニタしている電流値と流量値とから計算し、酸化剤供給ライン４０に、酸化剤利用率５０％相当の酸化剤が流れるように（例えば、６８ｌ／ｍｉｎ程度の流量で酸化剤を流す）、酸化剤供給量調節手段４２を調節する（図６のステップＳ１）。
【００５３】
一方、燃料供給量調節手段６２を調節することにより、燃料利用率８０％相当の流量で燃料を流す。これにより、２５Ａの定電流負荷で通常の燃料電池２０の発電運転が実施される（図６のステップＳ１）。
【００５４】
ここで、酸化剤（または燃料）利用率とは、（燃料電池が所定の電力を発生させるのに必要な酸化剤（または燃料）の量）／（酸化剤電極（または燃料電極）に供給される酸化剤（または燃料）の量）に１００を乗じた値で定義される。
【００５５】
例えば、酸化剤利用率が１００％であるなら、供給される酸化剤のすべてが、所定の電力の発電に寄与することを示す。また、酸化剤利用率が１００％未満であるなら、供給される酸化剤の一部が、所定の電力の発電に寄与することを示す。また、酸化剤利用率が１００％より大きければ、供給される酸化剤の量が、所定の電力を発電させるのに不足していることを示す。
【００５６】
さて、上記のように、燃料電池２０に対して空気および燃料が供給されると、空気は、酸化剤側セパレータ４の酸化剤供給路６に注入され、燃料は、燃料側セパレータ５の燃料供給路７に注入される。すると、通常の運転を実施している各単燃料電池１０内では、式（１），（２）の反応が起こり、酸化剤供給路６内に水が発生する。
【００５７】
酸化剤供給路６の上流側（つまり、酸化剤供給口６ａ側）で発生した水は、下流側（つまり、酸化剤排出口６ｂ側）へと流れるので、酸化剤供給路６の上流から下流に進むに連れて、水分量が累積的に増大する。つまり、従来技術で説明したように、酸化剤供給路６の上流よりも下流の方が湿度が高くなる湿度の不均一化が生じる。
【００５８】
ところで、上記のように電解質膜３は、当該電解質膜３が含有する水分量に依存して、当該電解質膜３のイオン伝導性は変化する。
【００５９】
以上の湿度の不均一化と電解質膜３の特性を考慮すると、酸化剤供給路６の上流に面する、酸化剤電極１を介した電解質膜３の第一の領域でのイオン伝導性よりも、酸化剤供給路６の下流に面する、酸化剤電極１を介した電解質膜３の第二の領域でのイオン伝導性の方が良くなる。
【００６０】
当該イオン伝導性の不均一により、電解質膜３の第二の領域において、電流集中が発生し、当該電流集中により、単燃料電池１０の電圧低下を引き起こす。例えば、上記酸素、燃料の流量で燃料電池２０の通常の運転をした場合、運転当初の単燃料電池１０の平均電圧値は７５０ｍＶであったが、そのままの状態で通常の運転を継続し、運転から１００時間経過すると、単燃料電池１０の平均電圧値は７４０ｍＶまで低下する。
【００６１】
そこで、本実施の形態に係る燃料電池２０の運転方法では、通常の燃料電池２０の運転から１００時間後に、酸化剤供給路調節手段４２を調節する（具体的に、空気量を絞る。図６のステップＳ２）。
【００６２】
具体的に、運転から１００時間後に、制御部２００は、外部定電流負荷３０に流れる電流値と、酸化剤供給ライン４０に流れる酸化剤の流量値とをモニタし、また、当該両値に基いて酸化剤供給量調節手段４２を制御することにより、酸化剤利用率を１００％以上にまで高める。本実施の形態では、酸化剤利用率を２００％（例えば空気流量：１７ｌ／ｍｉｎ）にまで高め、当該空気量が絞られた空気を酸化剤供給ライン４０に流す（図６のステップＳ２）。
【００６３】
このときの単燃料電池１０の平均電圧変化を図７に示す。図７において、実線データは、単燃料電池の平均電圧値の変化を示しており、点線データは、酸化剤利用率の変化を示している。なお、左側の縦軸に、単燃料電池平均電圧値（単位：ｍＶ）をとっており、右側の縦軸に、酸化剤利用率（単位：％）をとっており、横軸は時間をとっている。
【００６４】
図７から分かるように、１００時間経過後、酸化剤利用率を５０％から２００％にまで上昇させると、単燃料電池１０の平均電圧値は、０．１Ｖ以下にまで低下した。これは、以下の理由に基くものである。
【００６５】
つまり、酸化剤利用率が高い（１００％以上である）ので、酸化剤供給路６に供給された空気中の酸素は、酸化剤供給路６の上流域で水を生成することにより消費し尽くされる。したがって、上流域で酸素が消費されたため、酸化剤供給路６の下流域では、窒素雰囲気となる。よって、水の生成は、酸化剤供給路６の下流域では起こらない。そのため、単燃料電池１０の電圧は、酸素の拡散律速による濃度分極の増大により、０．１Ｖ以下にまで低下するのである。
【００６６】
酸化剤利用率を２００％に保ったまま、一分間保持した後、図７に示すように再び酸化剤利用率をもとの５０％に戻し、通常の燃料電池の運転を実施する（図６のステップＳ３）。
【００６７】
具体的には、制御部２００が、酸化剤供給ライン４０に酸化剤利用率５０％相当の酸化剤が流れるように、モニタしている電流地と流量値とに応じて、酸化剤供給量調節手段４２を調節（制御）する（図６のステップＳ３）。
【００６８】
すると、図７から分かるように、単燃料電池１０の平均電圧値は、７４８ｍＶまで回復し、初期の平均電圧値（７５０ｍＶ）とほぼ同じ平均電圧値まで回復した。これは、以下の理由に基くものである。
【００６９】
まず図８に、負電極に水素を、正電極に窒素を流し、両電極間の電位差を変化させることにより、外部負荷に流れる電流を計測したサイクリックボルタモグラムを示す。
【００７０】
図８が示すように、両電極間の電位差を０．７Ｖ付近から低電位側に変化させると、約０．３Ｖ以下で触媒である白金表面に水素が吸着するピークが、正電極において観測される。次いで、約０．１Ｖ以下でこの吸着水素が還元されて水素発生するピークが、正電極４において観測される。
【００７１】
つまり、正電極に窒素を流し、負電極に水素を流した場合には、両電極間の電位差が約０．１Ｖ以下になると、正電極において水素が発生するのである。これは、次式（３），（４）に示される水素／水素の濃淡電池が形成されるからである。
【００７２】
負電極反応：  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（３）
正電極反応：  ２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2・・・（４）
そこで、酸化剤利用率を２００％にまで高められた空気が、酸化剤供給ライン４０に流れる本実施の形態について考えると、上記の通り、酸化剤供給路６の上流域において、ほぼ酸素は消費され尽くされるため、当該上流域においてのみ水が発生する。
【００７３】
これに対して、酸化剤供給路６の下流域には、ほとんど酸素が流れず、窒素のみが流れる。当該状態において、両電極間の電位差が約０．１Ｖ以下に低下すると、当該下流域では、水素／水素の濃淡電池が形成され、酸化剤供給路６の下流域では水素が発生する。つまり、水素が発生するということは、当該発生している領域においては酸素は存せず、水が生成されないことを意味する。
【００７４】
以上のように、酸化剤利用率を２００％まで増加させたときは、酸化剤供給路６の上流部では水が生成するため、当該上流域に対面する第一の領域の電解質膜３が湿潤化し、当該領域における電解質膜３のイオン伝導性が上昇する。
【００７５】
一方、酸化剤供給路６の下流域では、水素濃淡電池が形成され水素が発生し、水の生成反応が起こらないため、当該下流域に対面する第二の領域の電解質膜３が乾燥し、当該領域における電解質膜３のイオン伝導性が下降する。
【００７６】
この結果として、下流域に偏っていた水分布を均一化されることができ、燃料電池２０の電圧値が向上する。
【００７７】
また、通常運転時（酸化剤利用率５０％時）には、燃料電池２０の酸化剤電極４は、高電位で酸化雰囲気にさらされている。しかし、酸化剤利用率を２００％とし、低電位にした場合には、水素発生が発生し還元雰囲気になる。
【００７８】
したがって、酸化剤電極４の触媒能を低下させるような酸化物などが、触媒表面を覆っているような場合は、当該還元雰囲気化において、当該酸化物の還元処理がなされ、触媒を再び活性化される効果もある。
【００７９】
なお、本実施の形態においては、酸化剤利用率を５０％から２００％に増大させたが、実験では、酸化剤利用率が１００％の場合にも同様の向上効果が見られた。
【００８０】
しかし、酸化剤利用率が１００％未満の場合には、電圧が０．１Ｖ以下にまで下がらず、酸化剤供給路６の下流域で十分に水素が発生しない単燃料電池１０が観測された。当該水素が発生しない単燃料電池１０では、水分布の均一化が不十分なため、当該単燃料電池１０の平均電圧値は、初期の平均電圧値まで回復させることができなかった。
【００８１】
これは、単燃料電池１０を積層したスタック構造の燃料電池２０では、各単燃料電池１０に空気が均一に分配されないためである。
【００８２】
実験の結果、各単燃料電池１０に空気が均一に分配されない、スタック構造の燃料電池２０の場合には、酸化剤利用率が１００％以上なら、全ての単燃料電池１０に対して上記電圧の回復効果を得ることができた。
【００８３】
また、水素発生の始まる電圧値は、式（５）に示すネルンストの式により、温度、正極、負極の水素濃度などにより変化するが、種々条件で実験・検討を行なった結果、単燃料電池１０の平均電圧値が約０．１Ｖ以下で水素が発生することを確認した。
【００８４】
Ｅ＝Ｅ0−（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（ＰH2,A／ＰH2,C）  ・・・（５）
ここで、Ｅは、平衡電位（Ｖ）であり、Ｅ0は、標準状態での平衡電位（＝０Ｖ）であり、Ｒは、気体定数（＝８．３１４Ｊ／（Ｋｍｏｌ））であり、Ｆは、ファラデー定数（＝９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）であり、Ｔは、温度（Ｋ）であり、ＰH2,Aは、燃料電極での水素分圧（Ｐａ）であり、ＰH2,Cは、酸化剤電極での水素分圧（Ｐａ）である。
【００８５】
上記のように、単燃料電池１０の平均電圧値が約０．１Ｖ以下で水素が発生するので、単燃料電池１０をｎ個積層したスタック構造の燃料電池２０の場合には、（０．１×ｎ）Ｖ以下（本実施の形態では、単燃料電池１０の数は７０なので、７Ｖ以下）まで電圧値が下げれば、各単燃料電池１０の下流域において水素が発生し、水が発生していないと考えられる。
【００８６】
ただし、すべての単燃料電池１０において、確実に水素発生させるためには、単燃料電池１０の平均電圧値を（０．０７５×ｎ）Ｖ以下、さらに好ましくは、（０．０５０×ｎ）Ｖ以下まで低下させることが効果的である。これにより空気の分配にかかわらず、すべての単燃料電池１０において確実に、水素を発生させることができる。
【００８７】
そして、上記実験結果からも分かるように、当該０．１Ｖ以下の単燃料電池１０の平均電圧値を得、すべての単燃料電池１０において確実に水素を発生させるためには、酸素利用率が１００％以上である必要がある。
【００８８】
単燃料電池１０の平均電圧値を低下させる方法としては、上記のように酸化剤利用率をより高くする方法が、より簡易な方法である。なぜなら、酸化剤利用率は、酸化剤供給量調節手段４２を制御することにより、酸化剤供給ライン４０に流れる空気の流量を変えることができるからである。
【００８９】
また、各単燃料電池１０の平均電圧値を０．１Ｖ以下にするためには、酸化剤利用率を１００％以上にすればよく、当該酸化剤利用率は、理論的には無限大まで設定可能である。当該無限大とは、酸化剤利用率の定義式より、酸化剤供給ライン４０に流れる酸化剤の量を０に限りなく近づける（つまり、空気供給の停止）ことを意味する。
【００９０】
制御部２００が酸化剤供給量調節手段４２を制御することにより、酸化剤供給ライン４０を閉鎖する。空気（酸素）が完全に流れなくなるまでは、酸化剤利用率は高い状態（無限大には達していないが、上昇し続けている状態）にある。
【００９１】
したがって、当該状態の単燃料電池１０において、酸化剤供給路６の上流域では水が発生し、下流域では水素が発生する。
【００９２】
しかし、酸化剤供給ライン４０に流れる空気（酸素）が完全に止まった状態（つまり、酸化剤利用率が無限大となった状態）では、酸化剤供給路６の上流域で水が発生しなくなるとともに、酸化剤電極１における水素の発生も増大することにより、酸化剤電極１の水素分圧が、燃料電極２の水素分圧と等しくなる。
【００９３】
したがって、単燃料電池としての起電力も水素濃淡電池としての起電力も発生しなくなり、外部定電流負荷３０に電流が流れなくなり、最終的には、水、水素の発生も起こらなくなる。
【００９４】
このため、制御部２００の制御の下、酸化剤供給量調節手段４２により酸化剤供給ライン４０を閉鎖した場合には、電解質膜３の水分均一化の効果は、空気（酸素）の供給が止まる酸化剤利用率が高い期間（つまり、無限大になるまでの期間）に限定される。しかし、それでも空気（酸素）の供給を止めた場合にも、単燃料電池１０の平均電圧値を回復させる効果はある。
【００９５】
酸化剤利用率１００％以上に高める他の方法としては、酸化剤を含まないあらゆる物質の中から任意に選択した物質、およびそれらの混合物により酸化剤ガスを希釈する方法があり、当該方法は、装置、安全上問題がなければ採用することができる。
【００９６】
酸化剤を含まないガスとしては、窒素、アルゴン、二酸化炭素などの不活性ガスの他、水蒸気、燃料電池の燃料として使用される水素およびメタンなどの炭化水素化合物などから選択できる。
【００９７】
また、その他の方法として、負荷電流を高める方法でも酸化剤利用率を高めることは可能である。ただし、燃料である水素の欠乏により、電極触媒として使用しているカーボンブラックが酸化腐食するなど弊害があるため、燃料利用率が１００％を超えないように、好ましくは９０％を超えないように注意する必要がある。
【００９８】
なお、本実施の形態では、制御部２００が酸化剤供給量調節手段４２を制御することにより、酸化剤利用率を変化させる例について言及した。これには限らない。
【００９９】
例えば、制御部２００を酸化剤排出量調節手段５１に接続し、当該酸化剤排出量調節手段５１の開閉度合いを制御することにより、酸化剤利用率を変化させることも可能である。また、制御部２００を酸化剤供給手段４１に接続し、当該酸化剤供給手段４１のブロー度合いを制御することにより、酸化剤利用率を変化させることも可能である。
【０１００】
＜実施の形態２＞
本実施の形態に係る燃料電池２０の運転方法は、実施の形態１で示した燃料電池システム（図１）をそのまま利用している。以下、本実施の形態に係る燃料電池２０の運転方法について、具体的に説明する。なお、実施の形態１と重複する部分については、説明を省略する。
【０１０１】
まずはじめに、実施の形態１で説明した、通常の燃料電池２０の運転を実施する（図６のステップＳ１）。初期の単燃料電池１０の平均電圧値は、７５０ｍＶであった。
【０１０２】
上記通常の燃料電池２０の運転を継続し、１日（２４時間）経過後に、制御部２００の制御の下、図６のステップＳ２の処理を施した。つまり、酸化剤利用率を１００％以上（本実施の形態では２００％）にまで高め、単燃料電池１０の平均電圧値を０．１Ｖ以下（スタック構造の燃料電池２０の電圧値は、単燃料電池１０の数は７０なので、７Ｖ以下）にまで低下させ、当該状態を１分間保持した。
【０１０３】
その後、制御部２００の制御の下、再び酸化剤利用率を５０％に戻し、通常の燃料電池２０の運転処理を施した（図６のステップＳ３）。当該通常の燃料電池２０運転を１日行った後に、制御部２００の制御の下、図６のステップＳ２の運転処理（酸化剤利用率２００％を１分間保持）を施し、再び図６のステップＳ３の通常の運転処理を再開した。
【０１０４】
制御部２００の制御の下、上記サイクルを繰り返しながら、燃料電池２０の運転を１０００時間行った。なお、図９は、上記運転中における、単燃料電池１０の平均電圧値と酸化剤利用率の変化の一部を示したものである。実線データは、単燃料電池１０の平均電圧値の変化を示しており、点線データは、酸化剤利用率の変化を示している。図９に示すように、一日おきに図６のステップＳ２の運転処理が行われている。
【０１０５】
図１０に、燃料電池２０に対して上記サイクル運転を施した場合の、単燃料電池１０の平均電圧値の時系列変化を示す。図１０において、白丸は、サイクル運転を施した場合のデータであり、黒丸は、サイクル運転を施さずに、１０００時間通常の運転処理を施した場合のデータである。
【０１０６】
図１０に示すように、燃料電池２０に対して１０００時間通常の運転処理を施した場合には、当初７５０ｍＶであった単燃料電池１０の平均電圧値が、約７２０ｍＶまで低下していることが分かる。
【０１０７】
これに対して、燃料電池２０に対して、上記サイクル処理を伴いながら１０００時間の運転処理を施した場合には、当初７５０ｍＶであった単燃料電池１０の平均電圧値が、約７４０ｍＶまでにしか低下していないことが分かる。
【０１０８】
つまり、上記サイクル運転を施すことにより、燃料電池２０の電圧値の低下を抑制することができる。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、酸化剤利用率を２００％に増大させたが、１００％でも同様の向上効果を得ることができた。
【０１１０】
しかし、酸化剤利用率が１００％未満の場合には、単燃料電池１０を積層したスタック構造の燃料電池２０では、各単燃料電池１０に空気が均一に分配されないため、電圧が０．１Ｖ以下にまで下がらず、酸化剤供給路６の下流域で十分に水素が発生しない単燃料電池１０もあった。この場合、当該水素が発生しない単燃料電池１０では、水分布の均一化が不十分なため、当該単燃料電池１０の平均電圧値は、初期の平均電圧値まで回復させることができなかった。
【０１１１】
このように、制御部２００の制御の下、燃料電池２０に対して、通常運転、高酸化剤利用率（１００％以上）での運転、通常運転を複数回繰り返し行うことにより、定期的に電解質膜３の水分分布を均一化させることができ、長期間に渡って燃料電池２０を運転した場合にも、当該運転の間、単燃料電池１０の平均電圧値の減少を抑制し続けることができる。
【０１１２】
なお、燃料電池２０に対して施した、本実施の形態に係る運転処理において、高い酸化剤利用率（１００％以上）で保持する時間を１分間としたが、当該保持時間は任意に設定することが可能である。
【０１１３】
ただし、当該保持時間が短いと、電解質膜３の水分均一化の効果が小さく、反対に保持時間が長いと、燃料電池システムが発電していない時間が長くなり、燃料の無駄が多く非効率な運転となる。したがって、高い酸化剤利用率を保持する時間は、電解質膜３の水分均一化の効果と、燃料電池システムの発電効率とを考慮した、時間範囲内で設定することが望ましい。
【０１１４】
また、本実施の形態に係る燃料電池の運転方法では、酸化剤利用率を１００％以上にする処理（図６のステップＳ２）を、１日に１回のペースで行っているが、当該ペースも任意に設定可能である。
【０１１５】
ただし、酸化剤利用率を１００％以上にする処理（図６のステップＳ２）を頻繁に施すと、電解質膜３の水分均一化の効果は大きくなるが、燃料電池システムが発電していない期間が長くなり、燃料の無駄が多く非効率となる。
【０１１６】
逆に、酸化剤利用率を１００％以上にする処理（図６のステップＳ２）を頻度を少なくして施すと、発電していない期間が短くなり効率的であるが、電解質膜３の水分均一化の効果は小さくなる。
【０１１７】
このため、酸化剤利用率を１００％以上にする処理（図６のステップＳ２）の頻度は、電解質膜３の水分均一化の効果と、燃料電池システムの発電効率とを考慮した範囲内で設定することが望ましい。
【０１１８】
＜実施の形態３＞
図１１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示した図である。図１１は、図１に示した燃料電池システムとほぼ同じ構成であるが、以下の点において異なる。
【０１１９】
具体的には、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池２０に接続される外部負荷としてインバータ８０を採用している。さらに、当該インバータ８０と並列に可変直流抵抗などの低電圧用負荷９０が接続されている。ここで、燃料電池２０に対する、インバータ８０および低電圧用負荷９０の接続は、スイッチ手段１００により切替え可能となっている。つまり、スイッチ手段１００により、燃料電池２０に対するインバータ８０の接続と、燃料電池に対する低電圧用負荷９０との接続は、択一的に選択される。
【０１２０】
また、インバータ８０は、０．１×ｎ（単燃料電池１０の数）Ｖより大きい制御下限電圧値を有している。当該インバータ８０は、制御下限電圧値以下では、負荷が取れない状態となる。
【０１２１】
これに対して、低電圧用負荷９０は、制御下限電圧値以下の電圧が印加された場合においても、当該低電圧用負荷９０には電流が流れ、負荷を取ることができる。
【０１２２】
本実施の形態に係る燃料電池システムでは、さらに、スイッチ手段１００を制御するスイッチ制御部３００が設けられている。スイッチ制御部３００は、燃料電池２０の電圧値を検知することができる。そして、検知した電圧値と上記制御下限電圧値とに基いて、スイッチ制御部３００は、スイッチ手段１００の切替えを制御する。
【０１２３】
その他の構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムと同様なので、ここでの説明は省略する。
【０１２４】
次に、図１１に示した燃料電池システムの動作について説明する。
【０１２５】
図６のステップＳ１で説明した内容と同様な、通常の燃料電池の運転を実施する（図１２のステップＳ１１）。このとき、燃料電池２０は、インバータ８０に接続されている。したがって、当該運転により、インバータ８０には２５Ａの一定電流の負荷をかけられた。また、単燃料電池１０の初期平均電圧値は、７５０ｍＶであった。
【０１２６】
上記通常の燃料電池２０の運転を１０００時間行う。当該通常の燃料電池２０の運転により、実施の形態１で説明したように、電解質膜３の含有水分分布に不均一性が生じる。これにより、各単燃料電池１０の電圧値は低下し、通常の運転の１０００時間経過後には、単燃料電池１０の平均電圧値は、７１５ｍＶまで低下した。
【０１２７】
次に、通常の運転から１０００時間経過後、図６のステップＳ２で説明した内容と同様な方法で、燃料電池２０の運転（つまり、酸化剤利用率を２００％にした燃料電池１０の運転）を開始する（図１２のステップＳ１２）。つまり、酸化剤利用率を５０％から２００％に変更して、燃料電池の運転を継続する。
【０１２８】
この際、実施の形態１で説明したように、燃料電池２０の電圧は低下する。しかし、燃料電池２０の電圧値がインバータ８０の制御下限電圧値以下になると、上記したように負荷が取れなくなる（つまり、単燃料電池１０の両電極１，２間に０．１Ｖ以下の電圧が発生しなくなり）。したがって、実施の形態１で説明したような電解質膜３の含有水分分布の均一化の効果得られなくなる。
【０１２９】
そこで、本実施の形態に係る燃料電池２０の運転方法では、燃料電池２０の電圧（単燃料電池の電圧×単燃料電池の個数）が、インバータ８０の制御下限電圧値以下になる前に、スイッチ手段１００を制御することにより、燃料電池２０との接続をインバータ８０から低電圧用負荷９０に切り替える（図１２のステップＳ１３）。
【０１３０】
具体的には、スイッチ制御部３００が、燃料電池２０の電圧値の低下を検知している。そして、燃料電池２０の電圧値がインバータの制御下限電圧値以下になる前に、スイッチ制御手段３００は、スイッチ手段１００の切替えを制御する。結果、燃料電池２０との接続をインバータ８０から低電圧用負荷９０に切り替えられる（図１２のステップＳ１３）。
【０１３１】
これにより、酸化剤利用率を２００％として燃料電池２０を運転し、燃料電池２０の電圧値が低下し続けたとしても、単燃料電池１０の両電極１，２間に０．１Ｖ以下の電圧を発生させることができる。
【０１３２】
したがって、実施の形態１で説明したような、電解質膜３の含有水分分布の均一化効果を奏することができる。
【０１３３】
酸化剤利用率を２００％に保ち一分間保持した後、再び酸化剤利用率をもとの５０％に戻して、通常の燃料電池２０の運転を再開する（図１２のステップＳ１４）。
【０１３４】
この際、スイッチ制御部３００が、燃料電池２０の電圧値の上昇を検知している。そして、燃料電池２０の電圧値がインバータの制御下限電圧値を超えた時点で、スイッチ制御手段３００は、スイッチ手段１００の切替えを制御する。結果として、燃料電池２０との接続を低電圧用負荷９０からインバータ８０に切り替えられる（図１２のステップＳ１５）。
【０１３５】
その後、インバータにおいて２５Ａの一定電流が流れている状態での、単燃料電池１０の平均電圧値を測定した結果、７４７ｍＶとなり、初期の平均電圧値（＝７５０ｍＶ）とほぼ同じ電圧値まで回復した。
【０１３６】
通常の燃料電池２０の動作を再開してから、次に、一日に一回の割合で上記一連の動作（図１２のステップＳ１１〜Ｓ１５）を繰り返し実施し、さらに１０００時間運転を継続した。
【０１３７】
上記一連の動作を繰り返し行い、さらに１０００時間経過（運転初期から２０００時間経過）した後に、単燃料電池１０の平均電圧値を測定すると、７３５ｍＶ以上の電圧値であった。
【０１３８】
以上のように、インバータ８０が有する制御下限電圧値を境として、スイッチ制御手段３００の制御の下、燃料電池２０に対する接続をインバータ８０から低電圧用負荷９０に切替えることにより、外部負荷（今の場合インバータ８０）による制約を受けることなく、電解質膜３の含有水分分布の均一化処理を行うことができる。
【０１３９】
本実施の形態における低電圧用負荷９０としては、可変直流抵抗の他に、固定抵抗を採用しても良い。また、固定抵抗の負荷をいくつか用意し、燃料電池２０の電圧値の低下に合わせて、段階的に接続することも可能である。さらに、システム上の制約がなければ、電子負荷等のあらゆる直流負荷を使用することが可能である。
【０１４０】
なお、低電圧用負荷９０として、一つの固定抵抗を採用した場合には、印加される電位が減少するに連れて、固定抵抗に流れる電流も線形的に減少する。ところで、回路内に流れる電流値が小さいと、燃料電池２０内における空気の消費量が少なくなるので、電圧値の減少速度は減退する。
【０１４１】
したがって、低電圧用負荷９０として、一つの固定抵抗を採用した場合には、当該固定抵抗に印加される電位が低い範囲においては、回路に流れる電流値は小さいので、燃料電池２０の電圧値を迅速に減少させることができない。つまり、燃料電池２０の電圧値が、当該燃料電池２０内で水素を発生させることができる電圧値に達するには、長時間要する。
【０１４２】
これに対して、低電圧用負荷９０として、可変直流抵抗や電子負荷などの様に、抵抗などの負荷を変化させることができる物を採用することにより、当該可変直流抵抗等に印加される電圧値が下がるに連れて、抵抗値を小さくすることにより、回路に流れる電流値が小さくなるのを抑制することができる。
【０１４３】
したがって、低電圧用負荷９０として、可変直流抵抗等を採用した場合には、当該可変直流抵抗等に印加される電位が低い範囲においても、負荷を変更することにより回路に流れる電流値を大きな値に保持することができる。よって、燃料電池２０の電圧値をより迅速に減少させることができる。つまり、短時間で、燃料電池２０の電圧値が、当該燃料電池２０内で水素を発生させることができる電圧値に達する。
【０１４４】
上記各実施の形態では、燃料電池２０の連続運転中に、本発明に係る処理を施す場合について言及した。しかし、燃料電池２０の停止中に、本発明に係る処理を施すためにだけ燃料電池２０を動作させても良く、また、また、燃料電池２０の起動過程中に、本発明に係る処理を施しても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】燃料電池の構成を示す断面図である。
【図３】単燃料電池の構成を示す断面図である。
【図４】酸化剤側セパレータの平面図である。
【図５】燃料側セパレータの平面図である。
【図６】実施の形態１に係る燃料電池の運転の流れを示す図である。
【図７】酸化剤利用率の変化に伴い、単燃料電池の平均電圧値が変化する様子を示す図である。
【図８】サイクリックボルタモグラムを示す図である。
【図９】酸化剤利用率の変化に伴い、単燃料電池の平均電圧値が変化する様子を示す図である。
【図１０】実施の形態２に係る発明の効果を説明するための図である。
【図１１】実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図１２】実施の形態３に係る燃料電池の運転の流れを示す図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１  酸化剤電極、２  燃料電極、３  電解質膜、４  酸化剤側セパレータ、５  燃料側セパレータ、６  酸化剤供給路、７  燃料供給路、１０  単燃料電池、２０  燃料電池、３０  外部定電流負荷、４０  酸化剤供給ライン、４１  酸化剤供給手段、４２  酸化剤供給量調節手段、５０  酸化剤排出ライン、５１  酸化剤排出量調節手段、６０  燃料供給手段、６１  燃料供給手段、６２  燃料供給量調節手段、７０  燃料排出ライン、７１燃料排出量調節手段、８０  インバータ、９０  低電圧用負荷、１００  スイッチ手段、２００  制御部、３００  スイッチ制御部、６ａ  酸化剤供給口、６ｂ  酸化剤排出口、７ａ  燃料供給口、７ｂ  燃料排出口。
【図１】
2005268091.tif 000003
【図２】
2005268091.tif 000004
【図３】
2005268091.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005268091.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005268091.tif 000011
【図１０】
2005268091.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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