(57)【要約】【課題】電極触媒を酸化劣化させることなく、電極触媒への不純物の特異吸着を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器１６と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器２０と、を備える。これにより、燃料電池１０内に滞留する不純物にアンモニアが配位し、燃料極１２の触媒と不純物との相互作用が低下することで、燃料極１２の触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、燃料極１２の触媒を酸化させることなく燃料極１２の触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う触媒劣化を解消することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定濃度は、前記燃料極に吸着した不純物を除去するために必要なアンモニアの濃度である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定濃度は、前記燃料電池の通常運転時に前記燃料極に供給されるガス中のアンモニアの濃度よりも高い濃度である、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定濃度は、前記燃料電池の負荷を切断して開回路状態とした場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度である、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記所定濃度は、前記燃料電池を低負荷状態で運転した場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度である、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記アンモニア供給器は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器であって、前記制御器は、前記改質器に供給する原燃料の流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを前記燃料極に供給する、請求項１から５のいずれか１項に記載のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アンモニア供給器は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器であって、前記制御器は、前記改質器の改質器温度を通常運転時よりも高い所定温度に制御することで、所定濃度以上のアンモニアを前記燃料極に供給する、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記アンモニア供給器は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器、及び、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化器であって、前記制御器は、前記選択酸化器に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを前記燃料極に供給する、請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記アンモニア供給器は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器、及び、前記改質器に窒素含有ガスを供給する窒素供給器であって、前記制御器は、前記改質器に供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させるように制御することで、所定濃度以上のアンモニアを前記燃料極に供給する、請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御器は、前記燃料電池の運転時間が予め運転時間以上になった場合、前記燃料電池の起動停止回数が予め決められた起動停止回数以上になった場合、前記燃料電池の出力電圧が、予め決められた電圧以下になった場合、または、前記燃料極の電位が、予め決められた電位以上になった場合に、前記燃料電池に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御する、請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御器は、前記燃料電池の運転温度を通常運転時よりも低い所定温度に制御し、前記燃料極に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水素含有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１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池の燃料極に、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するステップを備えた、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、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に燃料極と酸化剤極を形成した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備え、水素を含む燃料ガスを燃料極に供給すると共に、酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極に供給することにより発電していた。
【０００３】
固体高分子電解質膜には、主にフッ素系化合物や炭化水素を骨格としたイオン交換樹脂が用いられている。これらの樹脂材料は、燃料電池の長期的な連続発電に伴って劣化し、硫黄化合物やフッ化化合物などが分解性生物として発生する。このうち、特に硫黄化合物が、燃料極や酸化剤極に用いられている白金などの貴金属系電極触媒に特異吸着し、電気化学的活性表面積を低下させることで、電池性能の低下を招く。
【０００４】
これに対し、不純物による電池性能の低下に対処する方法として、特許文献１にて開示されたものがある。この特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料極と酸化剤極との間に電圧を印加する外部電源を備えており、外部から高電圧を印加することで、電極触媒に特異吸着した不純物を酸化除去し、電池性能低下を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２１０５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、特許文献１に記載の技術では、電極触媒に高電圧を印加することで、電極触媒自体が酸化劣化し、電極触媒の耐久性が低下する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、電極触媒を酸化劣化させることなく、電極触媒に特異吸着した硫黄化合物などの不純物を除去することができ、なお且つ簡便な方法で不純物を除去することのできる燃料電池システムおよびその運転方法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】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器と、を備える。
【０００９】
これにより、燃料電池内に滞留する不純物にアンモニアが配位し、電極触媒と不純物との相互作用が低下することで、電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を解消することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極触媒を酸化劣化させることなく、電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができ、発電効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図２】同実施の形態の燃料電池システムに用いた燃料電池の概略構成を示す断面図
【図３】同実施の形態の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図５】同実施の形態の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート
【図６】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図７】同実施の形態の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート
【図８】本発明の実施の形態４にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図９】同実施の形態の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート
【図１０】本発明の実施の形態５にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図１１】同実施の形態の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池の燃料極に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器と、を備えた燃料電池システムである。
【００１３】
上記構成により、燃料電池内に蓄積した不純物にアンモニアが配位し、電極触媒と不純物との相互作用が低下することで、電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明における所定濃度が、燃料極に吸着した不純物を除去するために必要なアンモニアの濃度であるものである。
【００１５】
第１の発明における所定濃度を、燃料極に吸着した不純物を除去するために必要なアンモニアの濃度とすることで、燃料電池内に蓄積した不純物に配位するアンモニアを十分に供給することができ、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００１６】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明における所定濃度が、燃料電池の通常運転時に燃料極に供給されるガス中のアンモニアの濃度よりも高い濃度であるものである。
【００１８】
第１または第２の発明における所定濃度を、燃料電池の通常運転時に燃料極に供給されるガス中のアンモニアの濃度よりも高い濃度とすることで、燃料電池内に蓄積した不純物に配位するアンモニアを十分に供給することができ、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００１９】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００２０】
第４の発明は、特に、第１または第２の発明における、所定濃度が、燃料電池の負荷を切断して開回路状態とした場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度であるものである。
【００２１】
第１または第２の発明における所定濃度を、燃料電池の負荷を切断して開回路状態とした場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度とすることで、燃料電池内に蓄積した不純物に配位するアンモニアを十分に供給することができ、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００２２】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００２３】
第５の発明は、特に、第１または第２の発明における所定濃度が、燃料電池を低負荷状態で運転した場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度であるものである。
【００２４】
第１または第２の発明における所定濃度を、燃料電池を低負荷状態で運転した場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度とすることで、燃料電池内に蓄積した不純物に配位するアンモニアを十分に供給することができ、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００２５】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００２６】
第６の発明は、特に、第１から第５のいずれかの発明におけるアンモニア供給器が、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器であって、制御器が、改質器に供給する原燃料の流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給するものである。
【００２７】
第１から第５のいずれかの発明における、アンモニア供給器を、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器とし、制御器が、改質器に供給する原燃料の流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池に供給することができるため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【００２８】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００２９】
第７の発明は、特に、第１から第６のいずれかの発明におけるアンモニア供給器が、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器であって、制御器が、改質器の改質器温度を通常運転時よりも高い所定温度に制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給するものである。
【００３０】
第１から第６のいずれかの発明におけるアンモニア供給器を、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器とし、制御器が、改質器の改質器温度を通常運転時よりも高い所定温度に制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池に供給することができるため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【００３１】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００３２】
第８の発明は、特に、第１から第７のいずれかの発明におけるアンモニア供給器が、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器、及び、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化器であって、制御器が、選択酸化器に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給するものである。
【００３３】
第１から第７のいずれかの発明におけるアンモニア供給器を、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器、及び、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化器とし、制御器が、選択酸化器に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池に供給することができるため、燃料電池システムのコストを増加させることなく電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【００３４】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００３５】
第９の発明は、特に、第１から第８のいずれかの発明におけるアンモニア供給器が、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器、及び、改質器に窒素含有ガスを供給する窒素供給器であって、制御器が、改質器に供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させるように制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給するものである。
【００３６】
第１から第８のいずれかの発明におけるアンモニア供給器を、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器、及び、改質器に窒素含有ガスを供給する窒素供給器とし、制御器が、改質器に供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させるように制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池に供給することができるため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【００３７】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００３８】
第１０の発明は、特に、第１から第９のいずれかの発明における制御器が、燃料電池の運転時間が予め運転時間以上になった場合、燃料電池の起動停止回数が予め決められた起動停止回数以上になった場合、燃料電池の出力電圧が、予め決められた電圧以下になった場合、または、燃料極の電位が、予め決められた電位以上になった場合に、燃料電池に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御するものである。
【００３９】
第１から第９のいずれかの発明における制御器が、燃料電池の運転時間が予め運転時間以上になった場合、燃料電池の起動停止回数が予め決められた起動停止回数以上になった場合、燃料電池の出力電圧が、予め決められた電圧以下になった場合、又は、燃料極の電位が、予め決められた電位以上になった場合に、燃料電池に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御することにより、電極触媒表面への不純物の特異吸着が低減され、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００４０】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００４１】
第１１の発明は、特に、第１から第１０のいずれかの発明における制御器が、燃料電池の運転温度を通常運転時よりも低い所定温度に制御し、燃料極に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御するものである。
【００４２】
第１から第１０のいずれかの発明における制御器が、燃料電池の運転温度を通常運転時よりも低い所定温度に制御し、燃料極に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御することにより、燃料電池内部に凝縮水が発生し、凝縮水と共に、水溶性の不純物の排出が促進されるため、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００４３】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う電極触媒劣化を防止することができる。
【００４４】
第１２の発明は、特に、第１から第１１のいずれかの発明における水素含有ガスに含まれる不純物が、硫黄化合物であるものである。
【００４５】
第１３の発明は、水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池の燃料極に、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するステップを備えた、燃料電池システムの運転方法である。
【００４６】
水素含有ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池の燃料極に、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するステップを備えることで、燃料電池内に蓄積した不純物にアンモニアが配位し、電極触媒と不純物との相互作用が低下するため、電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。その結果、発電効率の低下を防止することができる。
【００４７】
また、電極触媒を酸化させることなく電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う触媒劣化を防止することができる。
【００４８】
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、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。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。
【００４９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、アンモニア供給器１６と、制御器２０とを備えている。また、燃料電池１０は、燃料極１２と、酸化剤極１４とを備えている。
【００５０】
燃料電池１０は、燃料極１２に供給される水素含有ガスと、酸化剤極１４に供給される酸化剤ガスとの反応により発電を行う。発電により生じた電力は、燃料電池システム１００の外部にある外部負荷へと供給される。
【００５１】
なお、発電により生じた電力は、燃料電池システム１００の内部にある内部負荷へと供給されてもよい。内部負荷としては、例えば、制御器２０、アンモニア供給器１６、およびその他のポンプ等の補機が挙げられる。
【００５２】
水素含有ガスは、都市ガスを原燃料として生成される。なお、天然ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコールを、原燃料とすることもできる。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。酸化剤ガスは、例えば、酸素を含有するガスとする。酸化剤ガスとしては、例えば、空気および酸素を添加した空気等を用いることができる。
【００５３】
燃料電池１０は、固体高分子電解質膜１の両側に酸化剤極１４と燃料極１２とを配置した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで狭持し、これを複数積層して構成される。
【００５４】
図２は、本実施の形態の燃料電池システム１００に用いた燃料電池１０の概略構成を示す断面図である。
【００５５】
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００に用いた燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１１を備えるが、そのうちの一つの燃料電池セル１１のみ図示している。燃料電池１０（燃料電池スタック）は、燃料電池セル１１が複数積層されて構成される。
【００５６】
一つの燃料電池セル１１は、中心に固体高分子電解質膜１が配置されている。固体高分子電解質膜１の一方の面には、燃料極側触媒層２と、燃料極側ガス拡散層４と、燃料ガス流路６が形成された燃料極側セパレータ８とが配置されている。固体高分子電解質膜１の他方の面には、酸化剤極側触媒層３と、酸化剤極側ガス拡散層５と、酸化剤ガス流路７が形成された酸化剤極側セパレータ９とが配置されている。
【００５７】
燃料極側触媒層２および酸化剤極側触媒層３は、白金などの貴金属もしくは非貴金属を担持した、多孔質カーボンで構成される。燃料極側ガス拡散層４および酸化剤極側ガス拡散層５は、撥水化処理を施したカーボン繊維および多孔質カーボンの複合材から構成される。燃料極側セパレータ８および酸化剤極側セパレータ９は、カーボンおよび金属等の導電性材料で構成される。
【００５８】
燃料極１２は、燃料極側触媒層２および燃料極側ガス拡散層４により構成される。酸化剤極１４は、酸化剤極側触媒層３および酸化剤極側ガス拡散層５により構成される。複数の燃料電池セル１１を積層して、両極に集電板、絶縁板および端板を配置し、締結板で強固に締結することにより、燃料電池１０（燃料電池スタック）が構成される。
【００５９】
水素含有ガスは、燃料極側セパレータ８に形成された燃料ガス流路６を通じて、燃料極側ガス拡散層４へと供給される。燃料極側ガス拡散層４に供給された水素含有ガスは、更に、燃料極側触媒層２へと供給される。酸化剤ガスは、酸化剤極側セパレータ９に形成された酸化剤ガス流路７を通じて、酸化剤極側ガス拡散層５へと供給される。酸化剤極側ガス拡散層５に供給された酸化剤ガスは、更に、酸化剤極側触媒層３へと供給される。
【００６０】
アンモニア供給器１６は、燃料極１２側にアンモニア含有ガスを供給する。アンモニア供給器１６は、アンモニアを含有するガスを貯留するボンベとする。なお、反応等によりアンモニアを発生するアンモニア生成器とすることもできる。アンモニア供給器１６から燃料電池１０へ供給されたアンモニアは、燃料ガス流路６を通じて、燃料極側ガス拡散層４および燃料極側触媒層２へと供給される。
【００６１】
制御器２０は、制御機能を有し、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えたものとすることもできる。演算部としては、ＣＰＵとする。なお、ＭＰＵとすることもできる。記憶部は、メモリーとする。制御器２０は、集中制御を行う単独の制御器で構成される。なお、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されてもよい。制御器２０は、計時器（図示せず）を備えてもよい。
【００６２】
制御器２０は、アンモニア供給器１６から燃料電池１０に所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給する。ここで、「所定濃度以上のアンモニア」とは、燃料極１２に特異吸着した不純物を除去するために必要なアンモニア濃度である。また、「所定のタイミング」とは、制御器２０により、燃料極１２の電極触媒に特異吸着した不純物を除去する必要があると判断されたタイミングである。
【００６３】
不純物の除去が必要となるタイミングとは、燃料極１２の電極触媒に不純物が特異吸着し、触媒の有効反応サイトが減少することで、発電効率が低下するタイミングである。所定のタイミングで不純物を除去することで、不純物の特異吸着による発電効率の低下を防止することができる。
【００６４】
より具体的には、例えば、定格運転電流が５０Ａ、水素含有ガスの露点が６０℃、酸化剤ガスの露点が６０℃、燃料電池１０の運転温度が８０℃、水素含有ガスの利用率が８０％、酸素含有ガスの利用率が５０％で燃料電池１０を運転した場合に、固体高分子電解質膜１から放出される硫酸は０．０１５μｍｏｌ／ｈと想定される。その際に燃料極１２へ蓄積する硫酸は、０．００７５μｍｏｌ／ｈとなる。
【００６５】
そこで、所定のタイミングとなる累積発電時間は、燃料極１２への硫酸蓄積により効率が低下する硫酸蓄積量である３７．５μｍｏｌに達する５０００ｈに設定する。
【００６６】
そして、累積発電時間５０００ｈで蓄積した硫酸を定格運転条件で除去するために燃料極１２へ供給するアンモニアは、５ｐｐｍ以上の濃度で、３０分間以上供給するように制御する。
【００６７】
以下、不純物が硫酸である場合を例として、アンモニアの供給により、燃料電池１０に蓄積した不純物が除去させるメカニズムを説明する。
【００６８】
所定濃度以上のアンモニアを供給することで、
Ｈ2ＳＯ4＋２ＮＨ3→（ＮＨ4）2ＳＯ4
の反応により、燃料極１２の電極触媒に特異吸着した硫酸（Ｈ2ＳＯ4）が電極触媒表面から除去される。
【００６９】
すなわち、アンモニアが硫酸に配位することで、アンモニアと硫酸の間にイオン結合が形成され、燃料極１２の電極触媒表面と硫酸との相互作用が低下することで、燃料極１２の電極触媒表面から硫酸の脱離が促進され、燃料極１２の電極触媒への不純物の特異吸着が抑制される。
【００７０】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また燃料極１２の電極触媒を酸化させることなく燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う燃料極１２の電極触媒劣化を解消することができる。
【００７１】
また、制御器２０により、所定濃度以上のアンモニア濃度を燃料極１２に供給すると共に、燃料電池１０の運転温度を通常運転時よりも低い所定の温度に制御した状態で実施する。
【００７２】
「運転温度を通常運転時よりも低い所定の温度に制御した状態」とは、通常運転時と同じ電力を外部に供給した状態で制御された燃料電池１０の運転温度が、通常運転時よりも低い運転温度になるよう制御することである。
【００７３】
なお、通常運転時と同じ燃料電池１０の外部への負荷を切断して開回路状態とした燃料電池１０の運転温度や、通常運転時と同じ外部に電力を供給せずに内部負荷のみに電力を供給した状態の燃料電池１０の運転温度が、通常運転時よりも低い温度になるよう制御することもできる。
【００７４】
具体的には、例えば通常運転温度として制御している運転温度８０℃に対して、４５℃以下まで運転温度を下げるように制御する。
【００７５】
燃料電池１０の運転温度を下げることで、凝縮水量が増加し、燃料電池１０の内部に蓄積した水溶性の不純物が凝縮水に捕捉され、凝縮水の排出と共に燃料電池１０の外部に排出されることで、燃料極１２の電極触媒からの不純物除去を促進することができる。
【００７６】
図３は、本実施の形態の燃料電池システム１００の運転方法を示すフローチャートである。図３に示す本実施の形態の燃料電池システム１００の運転動作は、制御器２０の制御により実行される。
【００７７】
燃料電池システム１００において、まず、所定のタイミングか否かの判定（燃料極１２に特異吸着した不純物の除去が必要か否かの判定）が行われる（ステップＳ１０１）。該判定は、制御器２０が、燃料電池システム１００の累積発電時間に基づいて、予め定められた閾値以上であるか否かの判定基準に基づいて、所定のタイミングか否かを判定する。
【００７８】
ステップＳ１０１の累積発電時間が所定時間経過した場合（ＹＥＳ）には、所定のタイミングと判断し、燃料電池１０の運転温度を通常運転時よりも低い所定温度に制御する（ステップＳ１０２）。燃料電池１０の運転温度が所定温度に制御された後、アンモニア供給器１６から燃料電池１０の燃料極１２にアンモニアを供給する（ステップＳ１０３）。
【００７９】
燃料極１２にアンモニアを供給した後、所定濃度以上のアンモニアが供給されたか否かの判定が行われる（ステップＳ１０４）。ステップ１０４のアンモニアが所定濃度以上供給された場合（ＹＥＳ）には、アンモニアの供給を停止する（ステップＳ１０５）。
【００８０】
アンモニアの供給を停止した後は、燃料電池１０の運転温度を通常運転時の温度に制御する（ステップＳ１０６）。燃料電池１０の運転温度が通常運転条件に到達後、ステップＳ１０１に戻り、図３の運転動作が繰り返し実施される。
【００８１】
以上のように、本実施の形態１の燃料電池システム１００は、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器１６と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器２０とを備えることで、アンモニアが不純物に配位し、イオン結合を形成することで、燃料極１２の電極触媒と不純物との相互作用が低下し、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。
【００８２】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、燃料極１２の電極触媒を酸化させることなく、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う燃料極１２の電極触媒劣化を防止することができる。
【００８３】
また、制御器２０が、燃料電池１０の運転時間が予め運転時間以上になった場合、燃料電池１０の起動停止回数が予め決められた起動停止回数以上になった場合、燃料電池１０の出力電圧が、予め決められた電圧以下になった場合、又は、燃料極１２の電位が、予め決められた電位以上になった場合のいずれかの場合には、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御することにより、燃料電池１０の燃料極１２に蓄積する不純物量を所定量に制限することで、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が低減され、電極触媒表面への不純物の特異吸着を効果的に抑制することができる。
【００８４】
また、制御器２０が、燃料電池１０の運転温度を通常運転時よりも低い所定温度に制御し、燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するよう制御することにより、燃料電池１０内部に凝縮水が発生し、凝縮水と共に、水溶性の不純物の排出が促進されるため、燃料電池１０の内部に蓄積した不純物による燃料極１２の電極触媒表面への特異吸着を効果的に抑制することができる。その結果、発電効率の低下を防止することができる。
【００８５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システム２００の概略構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、燃料電池１０と、アンモニア供給器１６と、制御器２０とを備えている。本実施の形態の燃料電池システム２００のアンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０から構成される。
【００８６】
制御器２０は、所定のタイミングと判断した場合（燃料極１２に特異吸着した不純物の除去が必要と判断した場合）に、原燃料供給器３１を制御することで、改質器３０に供給する原燃料の流量を、通常運転時よりも減少させるように制御する。
【００８７】
改質器３０に供給する原燃料は、窒素ガスもしくは窒素含有化合物を含む天然ガスを原燃料とする。なお、窒素ガスもしくは窒素含有化合物を含む、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素やメタノール、エタノール等のアルコールを用いることもできる。
【００８８】
改質器３０の改質反応は、水蒸気改質反応とする。なお、オートサーマル反応および部分酸化反応とすることもできる。改質器３０には、改質触媒が充填される。改質触媒は粒状に形成され、改質触媒を支持する支持板によって保持される。なお、改質触媒がハニカム構造をなすように構成されているような場合には、支持板が設けられなくてもよい。
【００８９】
改質器３０に充填される改質触媒は、Ｒｕを含むものとする。なお、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉからなる郡の中から選択される少なくとも１種類を用いることもできる。なお、改質反応を進行させることが可能であれば、いずれの触媒であっても構わない。
【００９０】
改質触媒は担体に担持されている。担体としては、アルミナとする。なお、活性成分を担持できるものであれば、特に限定されず、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ゼオライトからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることもできる。
【００９１】
改質器３０の上流には、原燃料の流量を調整することができる、原燃料供給器３１が備られている。原燃料供給器３１は、昇圧器と流量調整弁により構成される。なお、昇圧器もしくは流量調整弁のいずれか一方により構成することもできる。
【００９２】
改質器３０は、改質器３０を覆う側壁を介して、燃焼器（図示せず）で生成された燃焼排ガスによって、加熱されるように構成される。なお、改質器３０を加熱する手段は、上記に限定されず、いずれの形態とすることもできる。
【００９３】
改質器３０は、改質器温度が４５０〜６８０℃の温度範囲で、窒素ガスもしくは窒素含有化合物を含む原燃料を供給することで、窒素を効率よくアンモニアに変換することができるため、改質器３０に供給する原燃料の流量を通常運転時よりも減少させることで、改質触媒を通過する原燃料の速度が低下し、原燃料ガス中の窒素が改質触媒に接触する頻度が増加し、アンモニアの生成反応率が上昇するため、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することができる。
【００９４】
「所定濃度以上のアンモニア」とは、燃料極１２に吸着した不純物を除去するために必要なアンモニア濃度以上であり、かつ、通常運転時に燃料極１２に供給されるアンモニア濃度よりも高い濃度である。
【００９５】
「通常運転時に燃料極１２に供給されるアンモニア濃度よりも高い濃度」とは、通常運転時と同じ電力を外部に供給した状態で、燃料極１２に供給されるアンモニア濃度が、通常運転時よりも高い濃度である。
【００９６】
具体的には、例えば通常運転時に燃料極１２に供給されるアンモニア濃度は０．５ｐｐｍ以下であるが、不純物を除去する際に燃料極１２に供給するアンモニア濃度は、５ｐｐｍ以上となるように制御する。
【００９７】
「原燃料の流量を通常運転時よりも減少させる」とは、燃料電池システム２００の外部もしくは内部に通常運転時と同じ電力を供給した状態で、改質器３０に供給される原燃料の流量が、通常運転時よりも減少させるように制御することである。
【００９８】
なお、通常運転時と同じ燃料電池システム２００の外部、もしくは内部に電力を供給しない状態で、改質器３０に供給される原燃料の流量を、通常運転時よりも減少させるように制御することもできる。
【００９９】
具体的には、例えば通常運転時に改質器３０に供給される原燃料流量約３．０ＮＬ／ｍｉｎに対して、所定濃度のアンモニアを供給する際には、約２．５ＮＬ／ｍｉｎまで減少させるよう制御する。
【０１００】
図５は、本実施の形態の燃料電池システム２００の運転方法を示すフローチャートである。図５に示す本実施の形態の燃料電池システム２００の運転動作は、制御器２０の制御により実行される。
【０１０１】
燃料電池システム２００において、まず、所定のタイミングか否かの判定が行われる（ステップＳ２０１）。該判定は、制御器２０が、燃料電池システム２００の累積起動停止
回数に基づいて、予め定められた閾値以上であるか否かの判定基準に基づいて、所定のタイミングか否かを判定する。
【０１０２】
より具体的には、例えば、定格運転電流が５０Ａ、水素含有ガスの露点が６０℃、酸化剤ガスの露点が６０℃、燃料電池１０の運転温度が８０℃、水素含有ガスの利用率が８０％、酸素含有ガスの利用率が５０％で、燃料電池１０を運転した場合に、固体高分子電解質膜１から放出される硫酸は０．０１５μｍｏｌ／ｈと想定される。その際に燃料極１２へ蓄積する硫酸は、０．００７５μｍｏｌ／ｈとなる。
【０１０３】
そこで、所定のタイミングとなる累積起動停止回数は、発電時間２０ｈ、停止時間４ｈとした場合に、燃料極１２への硫酸蓄積による効率低下が発生する硫酸蓄積量が３７．５μｍｏｌとなる２０８回に設定する。
【０１０４】
ステップＳ２０１の累積起動停止回数が所定回数経過した場合（ＹＥＳ）には、所定のタイミングと判断し、原燃料供給器３１を制御することで、改質器３０に供給する原燃料の流量を通常運転時よりも減少させるように制御する（ステップＳ２０２）。
【０１０５】
燃料極１２にアンモニアを供給した後、所定濃度以上のアンモニアが供給されたか否かの判定が行われる（ステップＳ２０３）。ステップ２０３のアンモニアが所定濃度以上供給された場合（ＹＥＳ）には、原燃料流量を通常運転時の流量に制御する（ステップＳ２０４）。アンモニアの供給を停止した後は、ステップＳ２０１に戻り、図５の運転動作が繰り返し実施される。
【０１０６】
以上のアンモニア供給器１６と原燃料供給器３１を除く、燃料電池システム２００の構成は、図１に示す実施の形態１の燃料電池システム１００と同様の構成とする。よって、実施の形態１の燃料電池システム１００と共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明は省略する。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器１６と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器２０とを備えることで、アンモニアが不純物に配位し、イオン結合を形成することで、燃料極１２の電極触媒と不純物との相互作用が低下し、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。
【０１０８】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、燃料極１２の電極触媒を酸化させることなく燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う燃料極１２の触媒劣化を防止することができる。
【０１０９】
また、アンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０であって、制御器２０が、改質器３０に供給する原燃料の流量を通常運転時よりも減少させるよう制御し、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池１０に供給することができる。
【０１１０】
このため、燃料電池システム２００のコストを増加させることなく、燃料電池１０の燃料極１２の電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【０１１１】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システム３００の概略構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施の形態の燃料電池システム３００は、燃料電池１０と、アンモニア供給器１６と、制御器２０とを備えている。本実施の形態の燃料電池
システム３００のアンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０から構成される。
【０１１２】
アンモニア供給器１６を構成する改質器３０は、実施の形態２に示す原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０と同様である。
【０１１３】
制御器２０は、所定のタイミングと判断した場合（燃料極１２に特異吸着した不純物の除去が必要と判断した場合）に、燃焼器を制御することで、改質器３０の改質器温度を通常運転時よりも高い所定温度に制御する。
【０１１４】
「改質器温度を通常運転時よりも高い所定温度に制御する」とは、燃料電池システム３００の外部もしくは内部に通常運転時と同じ電力を供給した状態で、改質器３０の改質器温度を、通常運転時よりも高い所定温度に制御することである。なお、通常運転時と同じ燃料電池システム３００の外部もしくは内部に電力を供給しない状態で、改質器３０の改質器温度が、通常運転時よりも高い所定温度に制御することもできる。
【０１１５】
具体的には、例えば、通常運転時の改質器３０の改質器温度６３０℃に対して、所定濃度のアンモニアを供給する際には、６５０℃以上の改質器温度に制御する。
【０１１６】
「通常運転時に燃料極１２に供給されるアンモニア濃度よりも高い濃度」とは、通常運転時と同じ電力を外部に供給した状態で、燃料極１２に供給されるアンモニア濃度が、通常運転時よりも高い濃度である。
【０１１７】
「所定濃度以上のアンモニア」とは、燃料極１２に吸着した不純物を除去するために必要なアンモニア濃度以上であり、かつ、通常運転時に燃料電池１０の外部への負荷を切断した開回路状態で、燃料極１２に供給されるアンモニア濃度が、通常運転時よりも高い濃度である。
【０１１８】
「燃料電池１０の外部への負荷を切断して開回路状態とした場合に得られるアンモニア濃度よりも高い濃度」とは、通常運転時と同じ外部および内部に電力を供給しない状態で燃料極１２に供給されるアンモニア濃度が、通常運転時よりも高い濃度である。
【０１１９】
具体的には、例えば、通常時の開回路状態で燃料極１２に供給されるアンモニア濃度は３ｐｐｍ以下であるが、不純物を除去する際に燃料極１２に供給するアンモニア濃度は、５ｐｐｍ以上となるように制御する。
【０１２０】
図７は、本実施の形態の燃料電池システム３００の運転方法を示すフローチャートである。図７に示す本実施の形態の燃料電池システム３００の運転動作は、制御器２０の制御により実行される。
【０１２１】
燃料電池システム３００において、まず、所定のタイミングか否かの判定が行われる（ステップＳ１０１）。該判定は、制御器２０が、燃料電池システム３００の燃料電池１０の出力電圧に基づいて、予め定められた閾値以下であるか否かの判定基準に基づいて、所定のタイミングか否かを判定する。
【０１２２】
より具体的には、例えば、定格運転電流が５０Ａ、水素含有ガスの露点が６０℃、酸化剤ガスの露点が６０℃、燃料電池１０の運転温度が８０℃、水素含有ガスの利用率が８０％、酸素含有ガスの利用率が５０％で、燃料電池１０を運転した場合に、固体高分子電解質膜１から放出される硫酸は０．０１５μｍｏｌ／ｈと想定される。その際に燃料極１２へ蓄積する硫酸は、０．００７５μｍｏｌ／ｈとなる。
【０１２３】
そこで、出力電圧の閾値としては、燃料極１２への硫酸蓄積による効率が低下する硫酸蓄積量が３７．５μｍｏｌ以上となる際に、燃料極１２の電圧が１０ｍＶ低下するため、予め設定した想定燃料極電圧から１０ｍＶ低下した電圧とする。
【０１２４】
ステップＳ３０１の燃料電池１０の出力電圧が閾値以下である場合（ＹＥＳ）には、所定のタイミングと判断し、燃焼器を制御することで、改質器３０の改質器温度を通常運転時よりも高い所定温度に制御する（ステップＳ３０２）。
【０１２５】
燃料極１２にアンモニアを供給した後に、所定濃度以上のアンモニアが供給されたか否かの判定が行われる（ステップＳ３０３）。ステップ３０３のアンモニアが所定濃度以上供給された場合（ＹＥＳ）には、改質器３０の改質器温度を通常運転時の温度に制御する（ステップＳ３０４）。アンモニアの供給を停止した後は、ステップＳ３０１に戻り、図７の運転動作が繰り返し実施される。
【０１２６】
以上の本実施の形態の燃料電池システム３００の構成は、図４に示す実施の形態２の燃料電池システム２００と同様の構成とする。よって、実施の形態２の燃料電池システム２００と共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１２７】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム３００は、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器１６と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器２０とを備えることで、アンモニアが不純物に配位し、イオン結合を形成することで、燃料極１２の電極触媒と不純物との相互作用が低下し、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。
【０１２８】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、燃料極１２の電極触媒を酸化させることなく燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う燃料極１２の電極触媒劣化を防止することができる。
【０１２９】
また、アンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０であって、制御器２０が、改質器３０の改質器温度を通常運転時よりも増加させるように制御し、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池１０の燃料極１２に供給することができるため、燃料電池システム３００のコストを増加させることなく、燃料電池１０の燃料極１２の電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【０１３０】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４にかかる燃料電池システム４００の概略構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施の形態の燃料電池システム４００は、燃料電池１０と、アンモニア供給器１６と、制御器２０とを備えている。
【０１３１】
実施の形態４の燃料電池システム４００のアンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０、及び、改質器３０で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化器４０から構成される。
【０１３２】
選択酸化器４０は、改質器３０で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減する。水素含有ガス中の一酸化炭素は、選択酸化器４０には、酸化触媒が充填される。酸化触媒としては、Ｐｔを含む触媒とする。なお、Ｒｕ、Ｒｈ、ＰｄおよびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることもできる。
【０１３３】
選択酸化器４０の酸化反応に必要な酸素含有ガスは、酸素供給器４１より供給される。酸素供給器４１は、送風器と流量調整弁から構成される。送風器はブロワとする。なお、送風器はファン等も用いることができ、これらに限定されるものではない。
【０１３４】
制御器２０は、所定のタイミングと判断した場合（燃料極１２に特異吸着した不純物の除去が必要と判断した場合）に、酸素供給器４１を制御することで、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させるよう制御する。
【０１３５】
選択酸化器４０は、改質器３０で生成された一酸化炭素を酸化すると共に、改質器３０で生成されたアンモニアも酸化分解するため、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させることで、選択酸化器４０における改質器３０で生成されたアンモニアの酸化分解が抑制され、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することができる。
【０１３６】
「所定濃度以上のアンモニア」とは、燃料極１２に吸着した不純物を除去するために必要なアンモニア濃度以上であり、かつ、燃料電池１０を低負荷状態で運転した場合に供給されるアンモニア濃度よりも高い濃度である。
【０１３７】
「低負荷状態で運転した場合に供給されるアンモニア濃度よりも高い濃度」とは、通常運転時と同じ外部に電力を供給せずに、内部負荷のみに電力を供給した状態で燃料極１２に供給されるアンモニア濃度が、通常運転時よりも高い濃度である。
【０１３８】
具体的には、例えば、通常時の低負荷運転状態で燃料極１２に供給されるアンモニア濃度は２ｐｐｍ以下であるが、不純物を除去する際に燃料極１２に供給するアンモニア濃度は、５ｐｐｍ以上となるように制御する。
【０１３９】
「酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させる」とは、燃料電池システム４００の外部もしくは内部に通常運転時と同じ電力を供給した状態で、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量が、通常運転時よりも減少するように制御することである。
【０１４０】
なお、通常運転時と同じ燃料電池システム４００の外部もしくは内部に電力を供給しない状態で、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量が、通常運転時よりも減少するように制御することもできる。
【０１４１】
具体的には、例えば、通常運転時に選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量約０．０８ＮＬ／ｍｉｎに対して、所定濃度のアンモニアを供給する際には、約０．０４ＮＬ／ｍｉｎまで減少させるよう制御する。
【０１４２】
図９は、実施の形態４にかかる燃料電池システム４００の運転方法を示すフローチャートである。図９に示す実施の形態４の燃料電池システム４００の運転動作は、制御器２０の制御により実行される。
【０１４３】
燃料電池システム４００において、まず、所定のタイミングか否かの判定が行われる（ステップＳ４０１）。該判定は、制御器２０が、燃料電池システム４００の燃料電池１０の燃料極１２の電位に基づいて、予め定められた閾値以上であるか否かの判定基準に基づいて、所定のタイミングか否かを判定する。
【０１４４】
より具体的には、例えば、定格運転電流が５０Ａ、水素含有ガスの露点が６０℃、酸化剤ガスの露点が６０℃、燃料電池１０の運転温度が８０℃、水素含有ガスの利用率が８０
％、酸素含有ガスの利用率が５０％で燃料電池を運転した場合に、固体高分子電解質膜１から放出される硫酸は０．０１５μｍｏｌ／ｈと想定される。その際に燃料極１２へ蓄積する硫酸は、０．００７５μｍｏｌ／ｈとなる。
【０１４５】
そこで、燃料極１２の電位の閾値は、硫酸蓄積量が３７．５μｍｏｌ以上となる際に、燃料極１２の電位が１０ｍＶ増加するため、予め設定した想定燃料極電位から１０ｍＶ増加した電位とする。
【０１４６】
ステップＳ４０１の燃料電池１０の燃料極１２の電位が閾値以上である場合（ＹＥＳ）には、所定のタイミングと判断し、酸素供給器４１を制御することで、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させるよう制御する（ステップＳ４０２）。
【０１４７】
燃料極１２にアンモニアを供給した後、所定濃度以上のアンモニアが供給されたか否かの判定が行われる（ステップＳ４０３）。ステップ４０３のアンモニアが所定濃度以上供給された場合（ＹＥＳ）には、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時の流量に制御する（ステップＳ４０４）。アンモニアの供給を停止した後は、ステップＳ４０１に戻り、図９の運転動作が繰り返し実施される。
【０１４８】
以上のアンモニア供給器１６と酸素供給器４１を除く、燃料電池システム４００の構成は、図４に示す実施の形態２の燃料電池システム２００または図６に示す実施の形態３の燃料電池システム３００と同様の構成とする。よって、実施の形態２の燃料電池システム２００または実施の形態３の燃料電池システム３００と共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１４９】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム４００においては、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器１６と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器２０とを備えることで、アンモニアが不純物に配位し、イオン結合を形成することで、燃料極１２の電極触媒と不純物との相互作用が低下し、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。
【０１５０】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、燃料極１２の電極触媒を酸化させることなく燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う燃料極１２の電極触媒劣化を防止することができる。
【０１５１】
また、アンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０と、改質器３０で生成した水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化器４０であって、制御器２０は、選択酸化器４０に供給される酸素含有ガスの流量を通常運転時よりも減少させるよう制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池１０に供給することができるため、燃料電池システム４００のコストを増加させることなく、燃料極１２電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【０１５２】
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１０に示すように、本実施の形態の燃料電池システム５００は、燃料電池１０と、アンモニア供給器１６と、制御器２０とを備えている。本実施の形態の燃料電池システム５００のアンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０、及び、改質器３０に窒素含有ガスを供給する窒素供給器５０を備えている。
【０１５３】
改質器３０は、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素を原燃料とする。なお、メタノール、エタノール等のアルコールや、窒素ガス、もしくは窒素含有化合物を含む、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の炭化水素を原燃料として用いることもできる。
【０１５４】
窒素供給器５０は、送風器と流量調整弁から構成される。窒素含有ガスを送風器は、ブロワとする。なお、この送風器は、ファン等も用いることができ、これらに限定されるものではない。窒素供給器５０から改質器３０に供給される窒素含有ガスは、大気中の空気とする。なお、窒素含有ガスボンベ等に貯蔵されたものを用いることもできる。
【０１５５】
制御器２０は、所定のタイミングと判断した場合（燃料極１２に特異吸着した不純物の除去が必要と判断した場合）に、窒素供給器５０を制御することで、改質器３０に供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させるように制御する。
【０１５６】
供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させることで、原燃料ガス中の窒素が燃料極１２の電極触媒に接触する頻度が増加し、アンモニアの生成反応率が上昇するため、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することができる。
【０１５７】
「原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させる」とは、燃料電池システム５００の外部もしくは内部に通常運転時と同じ電力を供給した状態で、改質器３０に供給される原燃料ガス中の窒素濃度が、通常運転時よりも増加するように制御することである。
【０１５８】
また、燃料電池システム５００の外部もしくは内部に電力を供給しない状態で、改質器３０に供給される窒素含有ガスの流量が、通常運転時よりも減少するように制御することもできる。
【０１５９】
具体的には、例えば通常運転時に改質器３０に供給される原燃料中の窒素濃度は５％以下であるが、不純物を除去する際には、改質器３０に供給される原燃料中の窒素濃度を１０％以上となるように制御する。
【０１６０】
図１１は、本実施の形態にかかる燃料電池システム５００の運転方法を示すフローチャートである。本実施の形態の燃料電池システム５００の運転動作は、制御器２０の制御により実行される。
【０１６１】
燃料電池システム５００において、まず、所定のタイミングか否かの判定が行われる（ステップＳ５０１）。該判定は、制御器２０が、燃料電池システム５００の累積発電時間に基づいて、予め定められた閾値以上であるか否かの判定基準に基づいて、所定のタイミングか否かを判定する。
【０１６２】
より具体的には、例えば、定格運転電流が５０Ａ、水素含有ガスの露点が６０℃、酸化剤ガスの露点が６０℃、燃料電池１０の運転温度が８０℃、水素含有ガスの利用率が８０％、酸素含有ガスの利用率が５０％で燃料電池１０を運転した場合に、固体高分子電解質膜１から放出される硫酸は０．０１５μｍｏｌ／ｈと想定される。その際に燃料極１２に蓄積する硫酸は、０．００７５μｍｏｌ／ｈとなる。
【０１６３】
そこで、所定のタイミングとなる累積発電時間は、燃料極１２への硫酸蓄積により効率が低下する硫酸蓄積量である３７．５μｍｏｌに達する５０００ｈに設定する。
【０１６４】
ステップＳ５０１の累積発電時間が所定時間経過した場合（ＹＥＳ）には、所定のタイ
ミングと判断し、窒素供給器５０を制御することで、改質器３０に供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させるように制御する（ステップＳ５０２）。
【０１６５】
燃料極１２にアンモニアを供給した後、所定濃度以上のアンモニアが供給されたか否かの判定が行われる（ステップＳ５０３）。ステップ５０３のアンモニアが所定濃度以上供給された場合（ＹＥＳ）には、改質器３０に供給される原燃料中の窒素濃度を通常濃度に制御する（ステップＳ５０４）。アンモニアの供給を停止した後は、ステップＳ５０１に戻り、図１１のフローチャートが繰り返し実施される。
【０１６６】
以上のアンモニア供給器１６と窒素供給器５０を除く、燃料電池システム５００の構成は、図４に示す実施の形態２の燃料電池システム２００または図６に示す実施の形態３の燃料電池システム３００と同様の構成とする。よって、実施の形態２の燃料電池システム２００または実施の形態３の燃料電池システム３００と共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１６７】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム５００は、燃料電池１０の燃料極１２に所定濃度以上のアンモニアを供給するアンモニア供給器１６と、所定濃度以上のアンモニアを所定のタイミングで供給するよう制御する制御器２０とを備えることで、アンモニアが不純物に配位し、イオン結合を形成することで、燃料極１２の電極触媒と不純物との相互作用が低下し、燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制される。
【０１６８】
その結果、発電効率の低下を防止することができる。また、燃料極１２の電極触媒を酸化させることなく燃料極１２の電極触媒表面への不純物の特異吸着が抑制できるため、不純物除去に伴う燃料極１２の電極触媒劣化を防止することができる。
【０１６９】
また、アンモニア供給器１６は、原燃料を改質して水素含有ガスを生成する改質器３０と、改質器３０に窒素含有ガスを供給する窒素供給器５０であって、制御器２０は、改質器３０に供給される原燃料中の窒素濃度を通常運転時よりも増加させるように制御することで、所定濃度以上のアンモニアを燃料極１２に供給することにより、簡素なシステムで所定濃度のアンモニアを燃料電池１０に供給することができるため、燃料電池システム５００のコストを増加させることなく、燃料極１２の電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明は、電極触媒を酸化劣化させることなく、電極触媒への不純物の特異吸着を抑制することができ、発電効率の低下を防止することができるので、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【０１７１】
１  固体高分子電解質膜
２  燃料極側触媒層
３  酸化剤極側触媒層
４  燃料極側ガス拡散層
５  酸化剤極側ガス拡散層
６  燃料ガス流路
７  酸化剤ガス流路
８  燃料極側セパレータ
９  酸化剤極側セパレータ
１０  燃料電池
１１  燃料電池セル
１２  燃料極
１４  酸化剤極
１６  アンモニア供給器
２０  制御器
３０  改質器
３１  原燃料供給器
４０  選択酸化器
４１  酸素供給器
５０  窒素供給器
１００  燃料電池システム
２００  燃料電池システム
３００  燃料電池システム
４００  燃料電池システム
５００  燃料電池システム
【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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