(57)【要約】【課題】不純物除去手段を比較的長期にわたって使用でき、発電用のガス中に含まれる不純物による燃料電池の出力低下や耐久性の低下を抑制する。【解決手段】酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路と酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスするバイパス経路５１を切り替える酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を備え、制御器８が、不純物供給量判定手段７が判定した不純物供給量が所定の不純物供給量を超えた場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御する。【選択図】図１
2016033863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、
前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、
前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、所定動作を行う場合、または前記不純物の供給量が所定量を超えたと判定できる条件を満たした場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記不純物の供給量を判定する不純物供給量判定手段を備え、
前記制御器は、前記不純物供給量判定手段が判定した不純物供給量が所定の不純物供給量を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
起動から次の停止までの連続発電における連続発電時間を計測する連続発電時間計測手段を備え、
前記制御器は、前記連続発電時間計測手段が計測した連続発電時間が所定の連続発電時間を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
起動から次の停止までの連続発電における累積発電電力量を計測する累積発電電力量計測手段を備え、
前記制御器は、前記累積発電電力量計測手段が計測した累積発電電力量が所定の発電電力量を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
起動から次の停止までの連続発電における前記ガス供給手段の運転時間を計測する運転時間計測手段を備え、
前記制御器は、前記運転時間計測手段が計測した運転時間が所定の運転時間を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
起動から次の停止までの連続発電における前記ガス供給手段の累積ガス供給量を計測する累積ガス供給量計測手段を備え、
前記制御器は、前記累積ガス供給量計測手段が計測した累積ガス供給量が所定のガス供給量を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
停電を検知する停電検知手段を備え、
前記制御器は、前記停電検知手段が停電を検知した場合に、前記燃料電池への前記ガス
の供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記燃料電池の触媒の活性回復動作を行う場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記活性回復動作は、前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作、並びに、前記燃料電池の電極の電位を上昇及び降下させる動作のうちの少なくとも１つの動作である、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作は、前記燃料電池の冷却動作、前記燃料電池に供給するガス中の単位流量当たりの水分量を増加させる動作、及び、前記燃料電池に供給するガスの圧力を増加させる動作のうちの少なくとも１つの動作である、
請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の電極電位を上昇及び降下させる動作は、外部電源からの電圧を印加し、電位を掃引する動作、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを制御する動作、前記燃料電池と負荷との切断及び接続を行う動作、前記燃料電池に不活性ガスを流す動作、並びに、前記燃料電池のアノードに酸化剤ガスを流す動作、カソードに燃料ガスを流す動作のうちの少なくとも１つの動作である、
請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記ガス供給手段は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であり、
前記不純物除去手段は、酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去する酸化剤ガス不純物除去手段である、
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】
前記ガス供給手段は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段であり、
前記不純物除去手段は、燃料ガス中に含まれる不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段である、
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１４】
前記不純物は、硫黄化合物、アンモニアのうち少なくともいずれか一種を含む、
請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池に吸着した前記不純物は、発電停止時に、前記燃料電池内で凝縮してできた凝縮水により洗い流される、
請求項１から１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給手段と、
前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、
前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、
前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
通常は、前記バイパス経路を用いて前記燃料電池に前記発電用のガスを供給し、
起動から次の停止までの連続発電において、
連続発電時間が所定の連続発電時間を超えた場合、
累積発電電力量が所定の発電電力量を超えた場合、
前記ガス供給手段の運転時間が所定の運転時間を超えた場合、
前記ガス供給手段の累積ガス供給量が所定のガス供給量を超えた場合、
停電を検知した場合、
のうち少なくともいずれか一つの場合に、前記経路切替手段を前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替える、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１７】
燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給系に、ガス供給手段と、前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
通常は、前記バイパス経路を用いて前記燃料電池に前記発電用のガスを供給し、
前記燃料電池の触媒の活性回復動作を行う場合に、前記経路切替手段を前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替える、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１８】
前記ガス供給手段、前記不純物除去手段、前記バイパス経路、前記経路切替手段を有する前記ガス供給系は、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系の少なくともどちらか一方である、
請求項１７に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１９】
前記活性回復動作は、前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作、並びに、前記燃料電池の電極の電位を上昇及び降下させる動作のうちの少なくとも１つの動作である、請求項１７または１８に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２０】
前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作は、前記燃料電池の冷却動作、前記燃料電池に供給するガス中の単位流量当たりの水分量を増加させる動作、及び、前記燃料電池に供給するガスの圧力を増加させる動作のうちの少なくとも１つの動作である、
請求項１９に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２１】
前記燃料電池の電極電位を上昇及び降下させる動作は、外部電源からの電圧を印加し、電位を掃引する動作、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを制御する動作、前記燃料電池と負荷との切断及び接続を行う動作、前記燃料電池に不活性ガスを流す動作、並びに、前記燃料電池のアノードに酸化剤ガスを流す動作、カソードに燃料ガスを流す動作のうちの少なくとも１つの動作である、
請求項１９に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電用のガス中に含まれる不純物による燃料電池の出力低下や耐久性の低下を抑制した燃料電池システムおよびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを反応させ、電気と熱を作り出し、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するので、高い発電効率を得ることができる。
【０００３】
燃料電池は、固体電解質膜を挟むように設けられたカソードとアノードで構成され、カソードの酸化剤ガス流路に酸化剤ガス、アノードの燃料ガス流路に燃料ガスをそれぞれ供給することにより、発電が可能となる。
【０００４】
アノードに供給された水素は、電子を放出し、水素イオンとなり、水素イオン伝導性を有する電解質膜中を通って、カソードへ移動する。カソードへ移動した水素イオンは、カソードで酸素と電子と反応して水を生成する。
【０００５】
また、このとき発生する熱エネルギーを回収するため、燃料電池の冷却水流路に冷却水を流通させて熱を回収する構成となっている。
【０００６】
ところで、カソードに供給される酸化剤ガス中、あるいは、アノードに供給される燃料ガス中に不純物が含まれる場合、不純物が、カソード、あるいは、アノードの触媒を被毒したり、電解質膜の水素イオン伝導性を阻害したりして、燃料電池の出力低下や耐久性の低下が発生するという課題があった。
【０００７】
従来、酸化剤ガス中、あるいは、燃料ガス中に含まれる不純物による燃料電池の出力低下や耐久性の低下を抑制するため、除去したい不純物に適した不純物除去手段を備え、酸化剤ガス中、あるいは、燃料ガス中に含まれる不純物を除去して供給していた。
【０００８】
不純物除去手段には、一般に、フィルタなどが用いられることが多く、フィルタで不純物を吸着、あるいは、分離して除去している。
【０００９】
カソードに供給する酸化剤ガスには大気を用いる場合が多いが、大気中には、窒素酸化物、硫黄化合物、粉塵などの燃料電池の出力や耐久性に影響を与える様々な不純物が含まれており、酸性ガス除去フィルタや除塵フィルタなどで取り除くことができる（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
一方、アノードに供給する燃料ガスには、例えば都市ガスなどの主成分である炭化水素系のガスを改質反応で改質して生成した水素が用いられるが、原料に窒素が含まれていると、燃料ガス中に不純物としてアンモニアが含まれる場合があり、アンモニア除去手段などにより、燃料ガス中のアンモニアを除去していた（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
しかしながら、これらの不純物除去手段は、運転中、常時、物理的あるいは化学的に不純物を吸着、吸収させて除去するため寿命が短く、交換頻度が多くなったり、容量を大きくしたりして、小型化できない、経済的でないという課題があった。
【００１２】
そこで、従来の燃料電池システムは、不純物濃度検出手段と、流路切替手段を備え、不
純物の濃度が所定の値を超えたら、流路切替手段を不純物除去手段が不純物を除去するように流路を切り替えて、不純物除去手段の消耗を抑制して寿命を延ばしていた（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１５９２８１号公報
【特許文献２】特開平６−８４５３７号公報
【特許文献３】特開２００８−２３４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、不純物濃度検出手段を用いる方法では、ガス経路の途中に不純物濃度センサを取り付ける必要があり、装置が大型化するだけでなく、除去する不純物によっては複数の不純物濃度センサを備えなければならず、経済的でないという課題があった。
【００１５】
また、濃度が低くても長時間運転することにより燃料電池に影響を与える不純物は、不純物濃度センサによって検出することが困難なため、不純物を除去できない可能性があった。
【００１６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、不純物濃度センサを用いることなく、不純物除去手段を比較的長期にわたって使用でき、発電用のガス中に含まれる不純物による燃料電池の出力低下や耐久性の低下を抑制した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】
【００１７】
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、燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給手段と、前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段と、制御器と、を備え、前記制御器は、所定動作を行う場合、または前記不純物の供給量が所定量を超えたと判定できる条件を満たした場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００１８】
これにより、不純物濃度センサを用いることなく、不純物除去手段を比較的長期にわたって使用でき、発電用のガス中に含まれる不純物による燃料電池の出力低下や耐久性の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、不純物濃度センサを用いることなく、不純物除去手段を比較的長期にわたって使用でき、発電用のガス中に含まれる不純物による燃料電池の出力低下や耐久性の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図
【図２】同実施の形態の燃料電池システムの出力低下率の連続発電時間依存性を示す特性図
【図３】本発明の実施の形態６における燃料電池システムの概略構成図
【図４】本発明の実施の形態７における燃料電池システムの概略構成図
【図５】本発明の実施の形態８における燃料電池システムの概略構成図
【図６】同実施の形態の燃料電池システムの制御動作の一例を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態９における燃料電池システムの概略構成図
【図８】本発明の実施の形態１０における燃料電池システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給手段と、前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段と、制御器と、を備え、前記制御器が、所定動作を行う場合、または前記不純物の供給量が所定量を超えたと判定できる条件を満たした場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御する、燃料電池システムである。
【００２２】
本発明者らは、酸化剤ガス、あるいは、燃料ガス中に含まれる不純物の、燃料電池の出力や耐久性へ与える影響度は、不純物の供給量（不純物濃度と供給時間の積）に相関があり、燃料電池を起動停止することで、燃料電池に蓄積した不純物の影響をある程度解消でき、起動から停止までの発電の間に蓄積する不純物の供給量が少ないときはより長時間、出力低下することなく安定して発電することができ、また耐久性に影響を与えないことを見出した。
【００２３】
本発明の構成により、通常、不純物の供給量が燃料電池に影響を与えない所定の供給量以下では、不純物除去手段で不純物を除去することなく、ガスを供給し、不純物の供給量が燃料電池に影響を与える所定の供給量を超えた場合に、不純物除去手段で不純物を除去したガスを供給して、燃料電池への影響を緩和するので、燃料電池をより長時間、出力低下することなく安定して発電することができるようになるだけでなく、不純物の供給量が燃料電池に影響のある所定の供給量を超えたときだけ、不純物除去手段で不純物を除去してガスを供給するので、不純物除去手段の消耗が抑えられ、寿命を延ばすことが可能となり、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００２４】
また、制御器が所定動作を行う場合に、不純物除去手段で不純物を除去してガスを供給するので、不純物除去手段の消耗が抑えられ、寿命を延ばすことが可能となり、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００２５】
第２の発明は、特に、第１の発明に加えて、前記不純物の供給量を判定する不純物供給量判定手段を備え、前記制御器が、前記不純物供給量判定手段が判定した不純物供給量が所定の不純物供給量を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００２６】
本発明の構成により、通常、不純物の供給量が燃料電池に影響を与えない所定の供給量以下では、不純物除去手段で不純物を除去することなく、ガスを供給し、不純物の供給量が燃料電池に影響を与える所定の供給量を超えた場合に、不純物除去手段で不純物を除去したガスを供給して、燃料電池への影響を緩和するので、燃料電池をより長時間、出力低下することなく安定して発電することができるようになるだけでなく、不純物の供給量が燃料電池に影響のある所定の供給量を超えたときだけ、不純物除去手段で不純物を除去してガスを供給するので、不純物除去手段の消耗が抑えられ、寿命を延ばすことが可能となり、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００２７】
第３の発明は、特に、第１の発明に加えて、起動から次の停止までの連続発電における
連続発電時間を計測する連続発電時間計測手段を備え、前記制御器が、前記連続発電時間計測手段が計測した連続発電時間が所定の連続発電時間を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００２８】
通常、酸化剤ガスには、大気を用いる場合が多いが、大気中の不純物の平均濃度はある範囲内で安定しており、また、燃料ガス中の不純物の平均濃度は改質反応の条件で決まるため、ある程度安定しており、単位時間当たりに燃料電池に供給されるそれぞれのガス中に含まれる不純物の平均供給量は安定していると推定される。
【００２９】
本発明の構成により、連続発電時間計測手段が、燃料電池に影響のある不純物の供給量を、不純物の推定平均濃度と、起動してからの連続発電時間から推定し、推定した不純物の供給量が所定の供給量を超える発電時間を計測し、制御器が、所定の連続発電時間を超えたら不純物除去手段で不純物を除去するように経路切替手段を切り替えるように制御するので、不純物の燃料電池への影響を緩和することができ、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００３０】
第４の発明は、特に、第１の発明に加えて、起動から次の停止までの連続発電における累積発電電力量を計測する累積発電電力量計測手段を備え、前記制御器が、前記累積発電電力量計測手段が計測した累積発電電力量が所定の発電電力量を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００３１】
本発明者らは、燃料電池に流れる電流の電流密度が高く、電力量が高いほど燃料電池に供給される不純物による影響は大きく、電流密度が低く、電力量が低いときは燃料電池への影響が小さく、累積の発電電力量（発電電力と発電時間の積）が不純物の供給量に相関していることを見出した。
【００３２】
本発明の構成により、累積発電電力量計測手段が、燃料電池の累積発電電力量から不純物の供給量を推定し、推定した不純物の供給量が所定の供給量を超える累積電力量を計測し、制御器が、所定の累積発電電力量を超えたら不純物除去手段で不純物を除去するように経路切替手段を切り替えるように制御するので、不純物の燃料電池への影響を緩和することができ、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００３３】
第５の発明は、特に、第１の発明に加えて、起動から次の停止までの連続発電における前記ガス供給手段の運転時間を計測する運転時間計測手段を備え、前記制御器が、前記運転時間計測手段が計測した運転時間が所定の運転時間を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００３４】
この構成により、不純物の含まれるガスを供給するガス供給手段の運転した時間から燃料電池に供給された不純物の供給量を推定して、所定の運転時間以上で不純物を除去するように供給経路を切り替えるので、不純物の燃料電池への影響を緩和することができ、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００３５】
第６の発明は、特に、第１の発明に加えて、起動から次の停止までの連続発電における前記ガス供給手段の累積ガス供給量を計測する累積ガス供給量計測手段を備え、前記制御器が、前記累積ガス供給量計測手段が計測した累積ガス供給量が所定のガス供給量を超えた場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００３６】
この構成により、累積ガス供給量（ガス供給速度とガス供給時間の積）から燃料電池に蓄積する不純物の供給量を推定し、所定のガス供給量を超えた場合に限って、不純物を除去するように燃料電池へのガスの供給経路を切り替えることができるようになる。
【００３７】
例えば、高利用率、あるいは、低出力時などガス供給量が少ない時は供給される不純物の供給量も少ないので、燃料電池は不純物を除去することなく、長時間安定して発電することができ、例えば、低利用率、あるいは、高出力時などガス供給量が多い時は供給される不純物の供給量も多いので、不純物除去手段を介して不純物の供給量を低減して燃料電池にガスを供給して、さらに長時間安定して発電することができ、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００３８】
第７の発明は、特に、第１の発明に加えて、停電を検知する停電検知手段を備え、前記制御器が、前記停電検知手段が停電を検知した場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００３９】
この構成により、通常時は、不純物除去手段をバイパスするバイパス経路を通じて燃料電池に発電用のガスを供給して発電し、長時間連続して発電することが要求される停電時には、停電を検知したら、不純物除去手段を経由する経路に切り替えて不純物を除去して長時間安定して発電することを可能とするので、停電時においても性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００４０】
第８の発明は、特に、第１の発明における前記制御器が、前記燃料電池の触媒の活性回復動作を行う場合に、前記燃料電池への前記ガスの供給経路を、前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替わるように前記経路切替手段を制御するのである。
【００４１】
本発明者らは、触媒の活性回復動作を行う場合に、不純物の少ないガスを使うと活性回復動作による活性回復効果がより高くなり、通常発電時に不純物の吸着により低下した活性をより効果的に復活させることができることを見出した。
【００４２】
従って、本構成によって、活性回復動作を行うときには不純物除去手段を経由する経路を通った不純物のないガスが供給されるので、活性回復動作による活性回復効果がより高くなり、通常発電時に不純物の吸着により低下した活性を高い確率で復活させることができる。
【００４３】
また、通常発電の時には不純物除去手段をバイパスするバイパス経路を通ったガスが燃料電池に供給されるので、不純物除去手段の寿命を延ばすことができる。
【００４４】
第９の発明は、特に、第８の発明における前記活性回復動作が、前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作、並びに、前記燃料電池の電極の電位を上昇及び降下させる動作のうちの少なくとも１つの動作であることを特徴とするものである。
【００４５】
本活性回復動作の中で、触媒内の水分量を増加させる動作により、触媒に吸着している不純物を水に溶かして除去することができる。
【００４６】
また、燃料電池の電極の電位を上昇させることにより、触媒に付着している不純物が酸化されて、触媒との吸着力を弱めることができ、燃料電池の電極の電位を降下させることにより、触媒を還元して活性化することができる。
【００４７】
第１０の発明は、特に、第９の発明における、前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作が、前記燃料電池の冷却動作、前記燃料電池に供給するガス中の単位流量当たりの水分量を増加させる動作、及び、前記燃料電池に供給するガスの圧力を増加させる動作のうちの少なくとも１つの動作であることを特徴とするものである。
【００４８】
第１１の発明は、特に、第９の発明における、前記燃料電池の電極電位を上昇及び降下させる動作が、外部電源からの電圧を印加し、電位を掃引する動作、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを制御する動作、前記燃料電池と負荷との切断及び接続を行う動作、前記燃料電池に不活性ガスを流す動作、並びに、前記燃料電池のアノードに酸化剤ガスを流す動作、カソードに燃料ガスを流す動作のうちの少なくとも１つの動作であることを特徴とするものである。
【００４９】
第１２の発明は、特に、第１から第１１のいずれか１つの発明における前記ガス供給手段が、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であり、前記不純物除去手段が、酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去する酸化剤ガス不純物除去手段であることを特徴とするものである。
【００５０】
本発明の構成により、予め想定される酸化剤ガス中の不純物の平均的な濃度と供給時間から、燃料電池に影響を与える供給量を求め、所定の供給量以上で酸化剤ガス不純物除去手段で酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去し、燃料電池の不純物による影響を緩和して、燃料電池が長時間継続して安定に発電することを可能とするので、酸化剤ガス中に不純物が存在しても、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００５１】
第１３の発明は、特に、第１から第１１のいずれか１つの発明における前記ガス供給手段が、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段であり、前記不純物除去手段が、燃料ガス中に含まれる不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段であることを特徴とするものである。
【００５２】
本発明の構成により、予め想定される燃料ガス中の不純物の平均的な濃度と供給時間から、燃料電池に影響を与える供給量を求め、所定の供給量以上で燃料ガス不純物除去手段で燃料ガス中に含まれる不純物を除去し、燃料電池への影響を緩和して、燃料電池が長時間継続して安定に発電することを可能とするので、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００５３】
第１４の発明は、特に、第１から第１３のいずれか１つの発明における前記不純物が、硫黄化合物、アンモニアのうち少なくともいずれか一種を含むことを特徴とするものである。
【００５４】
本発明者らは、大気中にある二酸化硫黄などの硫黄化合物は、燃料電池のカソード触媒に吸着して蓄積する特性を有するが、所定の蓄積量以下では、燃料電池に対して顕著な出力低下や、耐久性に影響を与えず、燃料電池を起動停止させることで、その蓄積をある程度解消することができるが、燃料電池が長時間、連続して発電され、不純物の蓄積量（供給量）が所定値以上になると、一回の起動停止では完全に解消することができないために、徐々に出力が低下したり、耐久性が低下したりすることを見出した。
【００５５】
また、燃料ガス中に副産物として生成するアンモニアは、電解質膜中に蓄積したり、アノードおよびカソード触媒に吸着して蓄積する特性を有するが、所定の蓄積量以下では、燃料電池に対して顕著な出力低下や、耐久性に影響を与えず、燃料電池を起動停止させる
ことで、その蓄積をある程度解消することができるが、燃料電池が長時間、連続して発電され、アンモニアの蓄積量（供給量）が所定値以上になると、一回の起動停止では完全に解消することができないために、徐々に出力が低下したり、耐久性が低下することを見出した。
【００５６】
本発明の構成により、予め想定される酸化剤ガス中の硫黄化合物、あるいは燃料ガス中のアンモニアの平均的な濃度と供給時間から、燃料電池に影響を与えるそれぞれの供給量を求め、所定の供給量以上で不純物除去手段でガス中に含まれる硫黄化合物、あるいは、アンモニアを除去し、燃料電池への影響を緩和して、燃料電池が長時間継続して安定に発電することを可能とするので、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【００５７】
第１５の発明は、特に、第１から第１４のいずれか１つの発明における、前記燃料電池に吸着した前記不純物が、発電停止時に、前記燃料電池内で凝縮してできた凝縮水により洗い流されることを特徴とするものである。
【００５８】
この構成により、不純物除去手段をバイパスするバイパス経路を通じて燃料電池に発電用のガスを供給して発電した場合においても、発電中に電極に蓄積した不純物を、発電停止時に、燃料電池の電池温度が低下する時に生成する凝縮水で洗い流して触媒層から排除するので、燃料電池の出力低下や、耐久性の低下のない燃料電池システムを得ることができる。
【００５９】
第１６の発明は、燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給手段と、前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、通常は、前記バイパス経路を用いて前記燃料電池に前記発電用のガスを供給し、起動から次の停止までの連続発電において、連続発電時間が所定の連続発電時間を超えた場合、累積発電電力量が所定の発電電力量を超えた場合、前記ガス供給手段の運転時間が所定の運転時間を超えた場合、前記ガス供給手段の累積ガス供給量が所定のガス供給量を超えた場合、停電を検知した場合、のうち少なくともいずれか一つの場合に、前記経路切替手段を前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替える、燃料電池システムの運転方法である。
【００６０】
この方法により、通常、不純物の供給量が燃料電池に影響を与えない所定の供給量以下では、不純物を除去することなく、ガスを供給し、不純物の供給量が燃料電池に影響を与える所定の供給量を超えた場合に、不純物を除去したガスを供給して、燃料電池への影響を緩和するので、燃料電池をより長時間、出力低下することなく安定して発電することができるようになるだけでなく、不純物の供給量が燃料電池に影響のある所定の供給量を超えたときだけ、不純物除去手段で不純物を除去してガスを供給するので、不純物除去手段の消耗が抑えられ、寿命を延ばすことが可能となり、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムの運転方法を得ることができる。
【００６１】
第１７の発明は、燃料電池に発電用のガスを供給するガス供給系に、ガス供給手段と、前記ガス中に含まれる不純物を除去する不純物除去手段と、前記不純物除去手段をバイパスさせるバイパス経路と、前記不純物除去手段を経由させる経路と前記バイパス経路とを切り替える経路切替手段とを有する燃料電池システムの運転方法であって、通常は、前記バイパス経路を用いて前記燃料電池に前記発電用のガスを供給し、前記燃料電池の触媒の活性回復動作を行う場合に、前記経路切替手段を前記バイパス経路から前記不純物除去手段を経由する経路に切り替える、燃料電池システムの運転方法である。
【００６２】
本発明者らは、触媒の活性回復動作を行う場合に、不純物の少ないガスを使うと活性回復動作による活性回復効果がより高くなり、通常発電時に不純物の吸着により低下した活性をより効果的に復活させることができることを見出した。
【００６３】
従って、本構成によって、活性回復動作を行うときには不純物除去手段を経由する経路を通った不純物のないガスが供給されるので、活性回復動作による活性回復効果がより高くなり、通常発電時に不純物の吸着により低下した活性を高い確率で復活させることができる。
【００６４】
また、通常発電の時には不純物除去手段をバイパスするバイパス経路を通ったガスが燃料電池に供給されるので、不純物除去手段の寿命を延ばすことができる。
【００６５】
第１８の発明は、特に、第１７の発明における、前記ガス供給手段、前記不純物除去手段、前記バイパス経路、前記経路切替手段を有する前記ガス供給系が、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系の少なくともどちらか一方であることを特徴とするものである。
【００６６】
従って、本構成によって、活性回復動作を行うときには、不純物除去手段を経由する経路を通った不純物のない酸化剤ガスが燃料電池のカソードに供給、または、不純物除去手段を経由する経路を通った不純物のない水素含有ガスが燃料電池のアノードに供給されるので、活性回復動作による活性回復効果がより高くなり、通常発電時に不純物の吸着により低下した活性を高い確率で復活させることができる。
【００６７】
また、通常発電の時には不純物除去手段をバイパスするバイパス経路を通ったガスが燃料電池に供給されるので、不純物除去手段の寿命を延ばすことができる。
【００６８】
第１９の発明は、特に、第１７または第１８の発明における前記活性回復動作が、前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作、並びに、前記燃料電池の電極の電位を上昇及び降下させる動作のうちの少なくとも１つの動作であることを特徴とするものである。
【００６９】
第２０の発明は、特に、第１９の発明における、前記燃料電池の触媒内の水分量を増加させる動作が、前記燃料電池の冷却動作、前記燃料電池に供給するガス中の単位流量当たりの水分量を増加させる動作、及び、前記燃料電池に供給するガスの圧力を増加させる動作のうちの少なくとも１つの動作であることを特徴とするものである。
【００７０】
第２１の発明は、特に、第１９の発明における、前記燃料電池の電極電位を上昇及び降下させる動作が、外部電源からの電圧を印加し、電位を掃引する動作、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを制御する動作、前記燃料電池と負荷との切断及び接続を行う動作、前記燃料電池に不活性ガスを流す動作、並びに、前記燃料電池のアノードに酸化剤ガスを流す動作、カソードに燃料ガスを流す動作のうちの少なくとも１つの動作であることを特徴とするものである。
【００７１】
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が、先に説明した実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００７２】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図を示す。
【００７３】
本発明の実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１のカソードに
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段２と、燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去する酸化剤ガス不純物除去手段４１と、酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスして酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去することなくカソードに酸化剤ガス供給手段２からの酸化剤ガスを供給するパイパス経路５１と、酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路とバイパス経路５１とを切り替える酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２と、酸化剤ガス中に含まれる不純物の供給量を判定する不純物供給量判定手段７と、制御器８を備えた構成となっている。
【００７４】
燃料電池１は、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質からなる電解質膜と、電解質膜を挟むように設けられたカソードおよびアノードで構成される燃料電池セルを複数積層して締結したスタックで構成される。
【００７５】
カソードは、電解質膜の一方の面に、１５ｃｍ×１５ｃｍの大きさで形成され、白金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置されたカーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成される。
【００７６】
アノードは、電解質膜のもう一方の面に、カソードと対向するように同じく１５ｃｍ×１５ｃｍの大きさで形成され、白金ルテニウム合金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置された、カーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成される。
【００７７】
カソードおよびアノードの形成された電解質膜は樹脂製の枠体に固定され、さらに、その枠体を、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路、および、燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されたカーボンと樹脂で構成された一対の平板状セパレータで挟持して、燃料電池セルが構成されている。
【００７８】
ここで、電解質膜、カソード、および、アノードを構成する材料は前記した材料に限定されるものではなく、運転条件などに応じて適宜選択されることが好ましい。
【００７９】
酸化剤ガス供給手段２は、酸化剤ガスとして大気を用い、ブロワや、ポンプなどで燃料電池１のカソードに少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給する構成となっている。さらに、供給する酸化剤ガスの露点を調整するため、カソード出口から排出されたオフ酸化剤ガスと全熱交換する加湿器を備えた。
【００８０】
燃料ガス供給手段３は、原料ガスに都市ガスなどの炭化水素ガスを用い、原料ガスを水蒸気と改質反応させることにより、アノードに少なくとも水素を含む燃料ガスを供給する構成となっている。
【００８１】
また、都市ガスなどのように原料ガス中に硫黄化合物などの付臭剤が含まれる場合は、脱硫器を備え、さらに、アノードを被毒する、改質反応後の燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の影響を低減するため、改質反応後に、変成部と、選択酸化部を備え、一酸化炭素の濃度をアノード触媒に影響のない濃度まで低減する構成となっている。
【００８２】
また、必要に応じてアノードに空気を添加（エアブリード）して、さらに一酸化炭素の影響を軽減することができる。
【００８３】
ここで、酸化剤ガスとして用いられる大気中には、自動車や、工場、あるいは、家庭用燃焼器具などから排出される燃焼排ガスに由来する窒素酸化物、硫黄酸化物の他、未燃炭化水素や、揮発性有機化合物、あるいは、アンモニア、硫化水素などの悪臭由来の不純物
、またあるいは、粉塵などの粒状物質、など様々な不純物が含まれる可能性があり、これらの不純物の中には硫黄化合物など燃料電池１のカソード触媒を被毒して、出力低下や、耐久性低下などの悪影響を与えるものも含まれている。
【００８４】
酸化剤ガス不純物除去手段４１は、酸化剤ガス中に含まれ、燃料電池１に悪影響を与える上述した各種不純物を除去することができる構成であり、酸性ガスフィルタ、アルカリ性ガスフィルタ、除塵フィルタを備えている。
【００８５】
本実施の形態１の不純物供給量判定手段７として、起動から次の停止までの連続発電における連続発電時間を計測する連続発電時間計測手段を用いることができる。
【００８６】
連続発電時間計測手段を用いた場合は、制御器８は、連続発電時間計測手段が計測した連続発電時間が所定の連続発電時間を超えた場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御することができる。
【００８７】
本実施の形態の構成により、連続発電時間計測手段が、燃料電池１に影響のある不純物の供給量を、起動してからの連続発電時間より推定し、推定した不純物の供給量が所定の供給量を超える発電時間を計測し、制御器８が、所定の連続発電時間を超えたら酸化剤ガス不純物除去手段４１で不純物を除去するように酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を切り替えるように制御することができる。
【００８８】
上記構成の燃料電池システムを用いて、酸化剤ガス中に、燃料電池１のカソード触媒に蓄積して出力や耐久性に影響を与える可能性のある不純物が存在した場合の、発電試験を実施した。
【００８９】
酸化剤ガス中に添加する不純物には二酸化硫黄を用い、その添加濃度は酸化剤ガスに対して、一般大気レベルの約５ｐｐｂとした。
【００９０】
アノードに水素利用率が７０％となるように燃料ガスを供給し、カソードに酸素利用率が５０％となるように不純物として二酸化硫黄を含有する空気を供給し、燃料電池１に流れる電流を徐々に増加し、燃料電池システムの出力が７５０Ｗとなるように発電を開始した。
【００９１】
このときの燃料電池１に流れる電流密度は約０．２Ａ／ｃｍ2、アノードの露点は約６５℃、カソードの露点は約６５℃、燃料電池１の平均温度が約６５℃で安定していた。そして、起動してからの連続発電時間が２０時間を経過したところで、発電を停止した。このとき燃料電池１の単セル電圧は一度、約１Ｖまで上昇した後、徐々に低下して、約０Ｖとなった。
【００９２】
また、このとき燃料電池１の平均温度は約６５℃から、停止時に４０℃以下まで低下した。また、本試験では、不純物の限界供給量を調べるため、酸化剤ガスをバイパス経路５１のみに流通するように酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２の動作を一時的に停止した。
【００９３】
そして、発電を停止してから４時間後に再度発電を開始し、この一連の起動から停止のサイクルを５回繰り返した。このとき、停止する直前の電圧値の傾き（電圧低下率）はほぼ０μＶ／ｈであり、顕著な出力低下は見られず、繰り返し耐久性に問題のないことを確認した。
【００９４】
次に、起動してからの連続発電時間が４０、６０、１００、１４０時間となるように発電時間を延長して、同様に発電し、それぞれの連続発電時間経過後に発電を停止し、その４時間後に再度発電を開始した。
【００９５】
この一連の起動から停止のサイクルをそれぞれ５回繰り返し、それぞれ起動してからの連続発電時間が２０時間経過した時点の電圧低下率を求めた。試験結果を図２に示す。
【００９６】
図２より、連続発電時間が６０時間までは電圧低下率は約０μＶ／ｈであったが、それよりも連続発電時間が長い場合、電圧低下率が大きくなる傾向があり、すなわち、連続発電時間が長いと電圧が少しずつ低下して、耐久性が短くなることが示唆された。
【００９７】
以上の結果から、連続発電時間が６０時間以下であれば、不純物を除去しなくとも、一回の起動停止で、不純物の蓄積が解消され、出力低下や耐久性の低下はないと推定されるが、連続発電時間が６０時間よりも大きい場合、不純物を除去しなければ、一回の起動停止で、不純物の蓄積量の全ては解消されず、連続発電時間が長いほど、不純物の蓄積量が徐々に増加して、出力や耐久性に影響を与えるおそれがあることが判った。
【００９８】
次に、一時的に停止していた酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２の動作を通常状態に戻し、連続発電時間計測手段の計測する連続発電時間が、大気中の二酸化硫黄の上限供給量に相当する６０時間を超えたら、制御器８が酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２で供給経路を切り替えて、酸化剤ガス不純物除去手段４１が、二酸化硫黄を除去するようにして、同様に、連続発電時間を１００、１４０時間とした場合の試験を行ったところ、いずれも起動からの連続発電時間が６０時間を超えたところで、酸化剤ガスの供給経路がバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わり、出力低下が回復する傾向が見られた。
【００９９】
このときの、起動してから２０時間後の出力低下率は、図２に示したように、いずれも約０μＶ／ｈとなることを確認した。
【０１００】
次に、二酸化硫黄などの硫黄化合物以外の、大気中に含まれる可能性のある窒素酸化物、アンモニア、揮発性有機化合物などの不純物について、同様の試験を行ったところ、大気中の濃度レベルで、一時的な出力低下を与えるものの、二酸化硫黄のように燃料電池１に蓄積するような挙動は見られず、これらの不純物による出力低下は可逆的に速やかに回復し、耐久性に顕著な影響を与えず、出力低下率はいずれも０μＶ／ｈであることが判った。
【０１０１】
つまり、一般的な大気において、耐久性に影響を与える主な不純物は二酸化硫黄であることを確認した。
【０１０２】
ところで、一般大気中の二酸化硫黄の平均濃度は数ｐｐｂ〜５ｐｐｂ程度で安定しており、単位時間当たりに燃料電池１に供給される実際の酸化剤ガス中に含まれる二酸化硫黄の平均供給量は安定していると推定される。
【０１０３】
本実施の形態１の連続発電時間計測手段は、燃料電池１に影響のある不純物の供給量を、起動してからの連続発電時間から推定し、推定した不純物の供給量が所定の供給量（例えば、二酸化硫黄の場合、５ｐｐｂで６０ｈ）を超える連続発電時間（例えば、二酸化硫黄の場合、６０時間）を計測する構成となっており、制御器８が、所定の連続発電時間（例えば、二酸化硫黄の場合、６０時間）を超えたら酸化剤ガス不純物除去手段４１で不純物を除去するように酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を切り替えるように制御するので、二酸化硫黄の燃料電池１への影響を緩和することができ、長時間、出力低下するこ
となく、安定して発電できることが判った。
【０１０４】
なお、不純物の限界の供給量、すなわち、連続発電時間計測時間で計測する所定の発電時間は電流密度や、ガス露点などの運転条件、触媒量や、ガス拡散層のガス透気度などの材料条件、不純物の種類や濃度に依存するので、事前に実験的に燃料電池システムを設置する環境を模擬して、想定される不純物の限界の供給量を求めておくことが好ましい。
【０１０５】
また、本実施の形態１の燃料電池１に吸着した不純物は、発電停止時に、燃料電池１内で凝縮してできた凝縮水により洗い流される。
【０１０６】
この構成により、酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスするバイパス経路５１を用いて発電した場合においても、発電中に電極に蓄積した不純物を、発電停止時に、燃料電池１の電池温度が低下する時に生成する凝縮水で洗い流して触媒層から排除するので、燃料電池１の出力低下や、耐久性の低下のない燃料電池システムを得ることができる。
【０１０７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成において、不純物供給量判定手段７として、起動から次の停止までの連続発電における累積発電電力量を計測する累積発電電力量計測手段を用いたものであり、制御器８が、累積発電電力量計測手段が計測した累積発電電力量が所定の発電電力量を超えた場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御する点が実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１０８】
上記構成の燃料電池システムを用いて、実施の形態１と同様にして、酸化剤ガス中に、燃料電池１のカソード触媒に蓄積して出力や耐久性に影響を与える可能性のある不純物の存在下で、発電電力を変えて、発電試験を実施した。
【０１０９】
酸化剤ガス中に添加する不純物には二酸化硫黄を用い、その添加濃度は酸化剤ガスに対して、それぞれ一般大気レベルの約５ｐｐｂとなるように調整した。
【０１１０】
アノードに水素利用率が７０％、ガス露点が６５℃となるように燃料ガスを供給し、カソードに酸素利用率が５０％、ガス露点が６５℃となるように、不純物として二酸化硫黄を含有する空気を供給し、燃料電池１に流れる電流を徐々に増加させ、５００Ｗ、および、２５０Ｗにおける電流密度がそれぞれ約０．１３Ａ／ｃｍ2、および、約０．０７Ａ／ｃｍ2としたときの、それぞれの出力挙動について調べた。
【０１１１】
起動してからの連続発電時間を変えて、発電して停止するサイクルをそれぞれ５回繰り返し行い、実施の形態１と同様に、電圧低下率と連続発電時間の関係を調べたところ、７５０Ｗにおける上限の連続発電時間が６０時間であったのに対し、５００Ｗ、および、２５０Ｗにおける連続発電時間の上限はそれぞれ、約９０時間と、約１８０時間となることが判った。
【０１１２】
ここで、それぞれの発電時間内に燃料電池１に供給された二酸化硫黄の供給量は、いずれも約０．８ｃｃであり、同じ供給量であることが判った。
【０１１３】
すなわち、これは燃料電池１の出力や耐久性は不純物の積算暴露量で説明することができ、不純物の供給量は、発電電力量（発電電力と発電時間の積）の累積に相関していることになり、本実施の形態２の構成によれば、累積発電電力量計測手段が、燃料電池１の累積発電電力量から不純物の供給量を推定し、推定した不純物の供給量が所定の供給量を超
える累積電力量を計測し、制御器８が、所定の累積発電電力量を超えたら酸化剤ガス不純物除去手段４１で不純物を除去するように酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を切り替えるように制御するので、発電電力が高い場合においても、不純物の燃料電池１への影響を緩和することができ、長時間、出力低下することなく、安定して発電することが可能となる。
【０１１４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成において、不純物供給量判定手段７として、起動から次の停止までの連続発電における酸化剤ガス供給手段２の運転時間を計測する運転時間計測手段を用いたものであり、制御器８が、運転時間計測手段が計測した運転時間が所定の運転時間を超えた場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御する点が実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１１５】
この構成により、不純物の含まれる酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段２の運転した時間から燃料電池１に供給された不純物の供給量を推定して、所定の運転時間以上で不純物を除去するように供給経路を切り替えるので、不純物の燃料電池１への影響を緩和することができ、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１１６】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成において、不純物供給量判定手段７として、起動から次の停止までの連続発電における酸化剤ガス供給手段２の累積酸化剤ガス供給量を計測する累積酸化剤ガス供給量計測手段を用いたものであり、制御器８が、累積酸化剤ガス供給量計測手段が計測した累積酸化剤ガス供給量が所定の酸化剤ガス供給量を超えた場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御する点が実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１１７】
この構成により、累積酸化剤ガス供給量（酸化剤ガス供給速度と酸化剤ガス供給時間の積）から燃料電池１に蓄積する不純物の供給量を推定し、所定の酸化剤ガス供給量を超えた場合に限って、不純物を除去するように切り替えることができるようになる。
【０１１８】
例えば、高利用率、あるいは、低出力時など酸化剤ガス供給量が少ない時は供給される不純物の供給量も少ないので、燃料電池１は不純物を除去することなく、長時間安定して発電することができ、例えば、低利用率、あるいは、高出力時など酸化剤ガス供給量が多い時は供給される不純物の供給量も多いので、酸化剤ガス不純物除去手段４１を用いて不純物の供給量を低減して燃料電池１に酸化剤ガスを供給して、さらに長時間安定して発電することができ、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１１９】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成において、不純物供給量判定手段７の代わりに停電を検知する停電検知手段を備え、制御器８が、停電検知手段が停電を検知した場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御する点が実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１２０】
この構成により、通常時は、酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスするバイパス経路５１を用いて発電し、長時間連続して発電することが要求される停電時には、停電検知手段が、停電を検知したら、酸化剤ガス不純物除去手段４１を用いて不純物を除去して長時間安定して発電することを可能とするので、停電時においても性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１２１】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成において、図３に示すように、酸化剤ガス供給手段２から燃料電池１までの酸化剤ガス経路に、酸化剤ガス不純物除去手段４１と、酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスするバイパス経路５１と、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を設けず、燃料ガス供給手段３から燃料電池１までの燃料ガス経路に、燃料ガス中に含まれる不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段４２と、燃料ガス不純物除去手段４２をバイパスして燃料ガス不純物除去手段４２で不純物を除去することなくアノードに燃料ガス供給手段３からの燃料ガスを供給するバイパス経路５２と、燃料ガス不純物除去手段４２を経由する経路とバイパス経路５２とを切り替える燃料ガス経路切替手段６２１，６２２を備え、不純物供給量判定手段７が、燃料ガス中に含まれる不純物の供給量を判定し、制御器８が、不純物供給量判定手段７が、決定した不純物の供給量が、予め実験的に求めた所定の供給量を超えた場合に、燃料ガス経路切替手段６２１，６２２をバイパス経路５２から燃料ガス不純物除去手段４２を経由する経路に切り替わるように制御する点が実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１２２】
ここで、燃料ガス中には、窒素が含まれる原料ガスを改質させることで不純物としてアンモニアが含まれる。アンモニア濃度は、原料ガスに含まれる窒素濃度と相関している。アンモニアは、燃料電池１に供給されると、電解質中のスルホン酸基と結合して、水素イオン電導性を低下させたり、アノード触媒、および、電解質膜を移動したアンモニウムイオンがカソード触媒を被毒したりする特性を有している。
【０１２３】
燃料ガス不純物除去手段４２は、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去する構成であり、例えば、高分子電解質膜の片側に水などのアンモニア吸収液を流通させ、もう一方の側にアンモニアを含んだ燃料ガスを流通させる構造のものを複数積層した構成のものを用いることができる。
【０１２４】
本発明者らは、アンモニアが、所定の蓄積量以下では、燃料電池１に対して顕著な出力低下や、耐久性に影響を与えず、燃料電池１を起動停止させることで、その蓄積をある程度解消することができるが、燃料電池１が長時間、連続して発電され、アンモニアの蓄積量（供給量）が所定値以上になると、一回の起動停止では完全に解消することができないために、徐々に出力が低下したり、耐久性が低下したりすることを見出した。
【０１２５】
本実施の形態６の構成により、予め想定される燃料ガス中のアンモニアの平均的な濃度と供給時間から、燃料電池１に影響を与える供給量を実施の形態１と同様にして実験的に求め、所定の供給量以上で燃料ガス不純物除去手段４２で燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去し、燃料電池１への影響を緩和することができる。
【０１２６】
なお、酸化剤ガス供給手段２側で実施したように、本実施の形態６の不純物供給量判定手段７の代わりに、起動から次の停止までの連続発電における連続発電時間を計測する連続発電時間計測手段、あるいは、累積発電電力量を計測する累積発電電力量計測手段、あるいは、燃料ガス供給手段３の運転時間を計測する運転時間計測手段、燃料ガス供給手段３の累積燃料ガス供給量を計測する累積燃料ガス供給量計測手段、あるいは、停電を検知
する停電検知手段のいずれかの手段を選択して用いることができ、いずれも同様の効果が得られ、所定のアンモニアの供給量に相当する閾値以上で燃料ガス不純物除去手段４２が燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去し、燃料電池１への影響を緩和して、燃料電池１が長時間継続して安定に発電することを可能とするので、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１２７】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成において、図４に示すように、燃料ガス供給手段３から燃料電池１までの燃料ガス経路に、燃料ガス中に含まれる不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段４２と、燃料ガス不純物除去手段４２をバイパスして燃料ガス不純物除去手段４２で不純物を除去することなくアノードに燃料ガス供給手段３からの燃料ガスを供給するバイパス経路５２と、燃料ガス不純物除去手段４２を経由する経路とバイパス経路５２とを切り替える燃料ガス経路切替手段６２１，６２２を備え、不純物供給量判定手段７が、酸化剤ガス、あるいは、燃料ガス中に含まれる不純物のうち、最も燃料電池１に影響の与える不純物の供給量を判定し、制御器８が、不純物供給量判定手段７が、決定した不純物の供給量が、予め実験的に求めた所定の供給量を超えた場合に、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路に切り替わるように制御、または、燃料ガス経路切替手段６２１，６２２をバイパス経路５２から燃料ガス不純物除去手段４２を経由する経路に切り替わるように制御する点を追加した構成である。それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１２８】
この構成によれば、通常、不純物の供給量が燃料電池１に影響を与えない所定の供給量以下では、不純物を除去することなく、ガスを供給し、不純物の供給量が燃料電池１に影響を与える所定の供給量を超えた場合に、不純物を除去したガスを供給して、燃料電池１への影響を緩和するので、燃料電池１をより長時間、出力低下することなく安定して発電することができるようになるだけでなく、不純物の供給量が燃料電池１に影響のある所定の供給量を超えたときだけ、酸化剤ガス不純物除去手段４１、燃料ガス不純物除去手段４２で不純物を除去してガスを供給するので、酸化剤ガス不純物除去手段４１、燃料ガス不純物除去手段４２の消耗が抑えられ、寿命を延ばすことが可能となり、性能や耐久性に優れ、経済的な燃料電池システムの運転方法を得ることができる。
【０１２９】
（実施の形態８）
図５は、本発明の実施の形態８における燃料電池システムを示す概略構成図である。
【０１３０】
本発明の実施の形態８の燃料電池システムの燃料電池１は、電解質膜の両面にアノード及びカソードを対向して形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。
【０１３１】
ここで、電解質は、例えば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で構成される。
【０１３２】
また、アノードとカソードは、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及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及び電子伝導性を有するガス拡散層で構成される。
【０１３３】
このとき、アノードの触媒として、一般に、燃料ガス中に含まれる不純物、特に一酸化炭素による被毒を抑制する白金−ルテニウムの合金触媒が用いられる。また、ガス拡散層として、撥水処理を施したカーボンペーパーやカーボンクロス、あるいはカーボン不織布などが用いられる。
【０１３４】
そして、ＭＥＡを挟むようにして、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータが互いに対向するように配置され、アノード側セパレータのＭＥＡ側の面には燃料ガスを供給、排出する燃料ガス流路が、カソード側セパレータのＭＥＡ側の面には酸化剤ガスを供給、排出する酸化剤ガス流路が形成されている。
【０１３５】
ここで、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、主にカーボンなどの導電性を有する材料で形成される。
【０１３６】
そして、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータとＭＥＡは、それぞれの流体が異なる流体の流路及び外部にリークしないように、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットによりシールされている。
【０１３７】
そして、上記構成のＭＥＡと各セパレータ及びからなるセルを複数積層し、燃料電池スタック（燃料電池１）が構成されている。
【０１３８】
ここで、電解質膜、カソード、およびアノードを構成する材料は上記した材料に限定されるものではなく、運転条件などに応じて適宜選択されることが好ましい。
【０１３９】
また、燃料電池１には、アノード側に水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、カソード側に大気中の酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段２が接続されている。
【０１４０】
酸化剤ガス供給手段２は、酸化剤ガスとして大気を用い、ブロワや、ポンプなどで燃料電池１のカソードに少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給する構成となっている。さらに、供給する酸化剤ガスの露点を調整するため、カソード出口から排出されたオフ酸化剤ガスと全熱交換する加湿器を備えた。
【０１４１】
燃料ガス供給手段３は、原料ガスに都市ガスなどの炭化水素ガスを用い、原料ガスを水蒸気と改質反応させることにより、アノードに少なくとも水素を含む燃料ガスを供給する構成となっている。
【０１４２】
また、都市ガスなどのように原料ガス中に硫黄化合物などの付臭剤が含まれる場合は、脱硫器を備え、さらに、アノードを被毒する、改質反応後の燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の影響を低減するため、改質反応後に、変成部と、選択酸化部を備え、一酸化炭素の濃度をアノード触媒に影響のない濃度まで低減する構成となっている。
【０１４３】
また、必要に応じてアノードに空気を添加（エアブリード）して、さらに一酸化炭素の影響を軽減することができる。
【０１４４】
ここで、酸化剤ガスとして用いられる大気中には、自動車や、工場、あるいは、家庭用燃焼器具などから排出される燃焼排ガスに由来する窒素酸化物、硫黄酸化物の他、未燃炭化水素や、揮発性有機化合物、あるいは、アンモニア、硫化水素などの悪臭由来の不純物、またあるいは、粉塵などの粒状物質、など様々な不純物が含まれる可能性があり、これらの不純物の中には硫黄化合物など燃料電池１のカソード触媒を被毒して、出力低下や、耐久性低下などの悪影響を与えるものも含まれている。
【０１４５】
さらに、酸化剤ガス不純物除去手段４１は、大気中の塵埃を除去する除塵フィルタと、二酸化硫黄や、硫化水素などの硫黄系不純物や、窒素酸化物など大気中の酸性ガスを除去する酸性ガス除去フィルタと、アンモニアなど大気中のアルカリ性ガスを除去するアルカリ性ガス除去フィルタで構成される。なお、酸化剤ガス不純物除去手段４１では、設置さ
れる環境や、燃料電池１の耐コンタミ性などに応じてそれぞれのフィルタを選択することができる。
【０１４６】
また、燃料電池１には、燃料電池１の電池電圧を検出するための電圧検出器（図示せず）が設けられている。
【０１４７】
そして、酸化剤ガス供給手段２と燃料電池１とを接続する配管（酸化剤ガス供給路）には、酸化剤ガス供給弁が設けられている。また、燃料電池１には、カソードで使用されなかった酸化剤ガス等のガスが排出される配管（酸化剤ガス排出路）が接続されており、該酸化剤ガス排出路には、酸化剤ガス排出弁（図示せず）が設けられている。
【０１４８】
この構成により、燃料電池１の発電停止中に酸化剤ガス供給弁と酸化剤ガス排出弁を閉じることにより、カソードに外部より侵入する酸素が遮断され、カソード内の酸素濃度が速やかに低下し、カソードの電極電位が速やかに低下して、低電位が保持される。よって、カソードの触媒を効率よく還元して、活性化することができる。
【０１４９】
また、制御器８は、燃料電池１の起動、発電、停止の動作を制御するとともに、内部負荷及び電力出力器の動作を制御することができる。さらに、制御器８は、酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路と酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスするバイパス経路５１とを切り替える酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を操作して、通常運転の時には酸化剤ガス供給経路をバイパス経路５１に切り替え、起動、停止、および活性回復動作時には酸化剤ガス供給経路を酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由する経路へと切り替えることが出来る。
【０１５０】
また、制御器８は、燃料電池システムを構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよく、例えば、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。
【０１５１】
なお、制御器８は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、燃料電池システムの制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器８は、マイクロコントローラで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（programmable logic controller）、論理回路等によって構成されていてもよい。
【０１５２】
ところで、燃料電池１の発電に用いる酸化剤ガスには、通常、設置される環境にある大気が用いられるが、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、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ある。
【０１５３】
これらの不純物は燃料電池１に悪影響を及ぼし、酸化剤ガスに混入してカソードの触媒に吸着して発電に必要な化学反応を阻害して、燃料電池１の出力を低下させることがある。特に、硫黄化合物は比較的吸着力が強く、多量の硫黄化合物がカソードに蓄積すると、除去することが困難となり、燃料電池１の発電効率や耐久性を劣化させる原因となる。
【０１５４】
本発明者らは、発電性能へ与える影響の比較的大きいこの硫黄化合物に着目し、鋭意検討した結果、触媒活性化動作を行う際に、不純物の少ないガスを用いることにより、触媒活性化の効果がより高くなることを見出した。
【０１５５】
すなわち、耐久試験により電圧が低下した燃料電池１に対して、触媒活性動作を行う際に、不純物を含まないガスを利用すると、電圧の上昇率が高くなることがわかった。
この現象は、カソードの不純物に対してのみだけでなく、アノードの不純物例えばアンモニアに対しても有効であった。
【０１５６】
以下、硫黄化合物の中でも大気中に含まれる二酸化硫黄を例として、不純物による触媒活性の低下を抑制することのできる燃料電池システムの動作シーケンスの一例について図６のフローチャートを用いながら説明する。
【０１５７】
燃料電池１が定常発電状態にあるとき、ガス経路は酸化剤ガス不純物除去手段４１を通らないバイパス経路５１を用いて発電する。ガス中の不純物濃度にもよるが触媒が徐々に被毒され、電圧が下がってくる。電圧が一定値を下回った場合、制御器８により酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を制御することにより酸化剤ガスガス供給経路をバイパス経路５１から酸化剤ガス不純物除去手段４１を通る経路へ切り替えてから、種々の活性回復動作を行う。
【０１５８】
ここでは、規定電圧で閾値を設けたが、運転時間などで規定してもよい。この活性回復動作は単独で行ってもいいし、起動動作や停止動作と合わせて活性回復動作を行ってもよい。
【０１５９】
そして、活性回復動作が終わり、定常運転を開始したら、再び酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を制御器８により制御することによりガス供給経路を酸化剤ガス不純物除去手段４１を通る経路からバイパス経路５１へと切り替える。最終的にシステム停止時に活性回復操作を行って停止する。ここで、活性回復動作の終了は、電圧で判断したり、時間を決めて行うことも可能である。
【０１６０】
一般的に活性回復動作は、大きく分けて３つの種類に分けられる。一種類目は、電極の電位を上昇させることにより触媒に付着した不純物を酸化させることにより不純物の触媒への吸着力を弱くするというものである。例えば、硫黄化合物が不純物として含まれていた場合、二酸化硫黄になることで触媒への吸着力は弱くなる。
【０１６１】
２種類目は、電極の電位を下降させることにより触媒自体が還元されて活性を取り戻すというものである。３種類目は、触媒内の水分量を増加させることにより、触媒に吸着している不純物を水に溶かして排出させるというものである。
【０１６２】
これら３種類の活性回復動作は、少なくとも１種類の動作でも効果はあるが、３種類の動作を行うとより効果は大きくなる。さらに、３種類の動作は、続けて行っても、時間を置いて行っても効果はあるが、続けて行うとより効果は大きくなる。
【０１６３】
まず、１種類目と２種類目の電極の電位を上昇させたり下降させたりする活性回復動作について説明する。
【０１６４】
一つ目は、燃料電池１に外部電源を接続させ、電圧を印加することにより電位を上昇させたり下降させたりする動作である。この操作を行う時には、参照電極となるアノードには水素ガスを、作用電極となるカソードには電池反応に不活性なガス（例えば窒素）を流すことが好ましい。
【０１６５】
２つ目は、燃料電池１に接続させる負荷を大きくしたり小さくしたりすることにより、電位を変化させる方法である。例えば外部負荷を小さくすれば電圧は高くなり、カソードの電位は高く、高い負荷をかければ、電位は低くなる。さらには負荷との切断を行えば、最も高電位になる。
【０１６６】
３つ目は、燃料電池１に不活性なガスを流したり、アノードに酸化剤ガスを流したり、カソードに燃料ガスを流すことである。これらのガスは、ガス経路を通して電極に流してもよいし、例えばカソードに供給するガスのみを止めて高分子電解質膜を通してアノード側から燃料ガスを拡散させてもよいし、さらに発電状態と同じ向きの負荷をかけることによりカソードで水素ガスを発生させてもよい。
【０１６７】
また、アノードに供給するガスを止めて高分子電解質膜を通してカソード側から酸化剤ガスを拡散させてもよい。これらのいずれかの方法により、電極の電位を上昇させたり下降させたりすることが可能となり、触媒へ吸着している不純物の酸化や、触媒の還元が起こり、活性が回復する。
【０１６８】
次に、３種類目の触媒内の水分量を増加させる活性回復動作について説明する。一つ目は、燃料電池１を冷却して温度を下げることである。これは、冷却水の流速を上げてもよいし、冷却水の温度を下げてもよいし、ヒーターで温度を制御している燃料電池１であれば温度制御を切ってもよい。
【０１６９】
２つ目は、燃料電池１に供給するガス中の単位流量辺りの水分量を増加させることである。これには供給ガスの露点を上げるとよい。３つ目は、燃料電池１に供給するガスの圧力を増加させることである。これには、ガスの供給量を上げてもよいし、燃料電池１のガス排出口のサイズを小さくして圧力を上げてもよい。圧力が上がることにより燃料電池１内の露点が下がり、凝縮水が増える。これらのいずれかの方法により、凝縮水を増やすことができ、触媒内の水分量が増えて、不純物を水に溶かして洗い流すことが出来る。
【０１７０】
上記構成の燃料電池システムを用いて、酸化剤ガス中に、燃料電池１のカソード触媒に蓄積して出力や耐久性に影響を与える可能性のある不純物が存在した場合の、発電試験を実施した。なお、本発電試験によって、本発明がこれに限定されるものではない。
【０１７１】
酸化剤ガスはバイパス経路５１を通るように酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を切り替えるよう制御器８で制御する構成にした。
【０１７２】
酸化剤ガス中に添加する不純物には二酸化硫黄を用い、その添加濃度は酸化剤ガスに対して大気レベルの約５ｐｐｂとした。
【０１７３】
アノードに水素利用率が７０％となるように、カソードは利用率０％になるようにし、不純物として二酸化硫黄を含有する空気を供給し、燃料電池１に流れる電流を徐々に増加し、燃料電池システムの出力が７５０Ｗとなるように発電を開始した。この時の燃料電池１に流れる電流密度は約０．２Ａ／ｃｍ2、アノードの露点は約６５℃、カソードの露点は約６５℃、燃料電池１の平均温度は約６５℃とした。
【０１７４】
次に、起動してから連続発電を開始し、電圧が２０μＶ低下したところで、制御器８により酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を制御して酸化剤ガスが酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由して燃料電池１に供給されるように切り替えてから、停止した。
【０１７５】
この時燃料電池１の単セル電圧は一度、約１Ｖまで上昇した後、徐々に低下して、約０Ｖとなった。また、この時燃料電池１の平均温度は約６５℃から停止時に４０℃以下まで低下した。その４時間後に再度運転を開始し、制御器８により酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を制御して、酸化剤ガスがバイパス経路５１を経由して燃料電池１に供給されるように切り替えた。この一連の起動から停止のサイクルを５回繰り返した。
【０１７６】
それぞれ、発電開始から２０時間を経過した時の電圧の変化を調べたところ、５回のサ
イクル毎での電圧低下量はいずれも０μＶ／ｈｒであり、起動停止時の不純物除去により出力低下が回復したことを確認した。
【０１７７】
本実施の形態８の燃料電池システムを用いた運転方法によると、起動停止時に、約１Ｖ程度の高い電圧までカソードの電位が上がるので、触媒に吸着している不純物が酸化され、停止した後０Ｖまで電圧が低下するので触媒が還元されて活性が回復し、さらに停止時に６５℃から４０℃まで燃料電池１の温度が低下するので凝縮水により不純物が溶けて洗い流されるという活性回復動作を行うことができる。
【０１７８】
酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２により起動停止時に酸化剤ガス不純物除去手段４１を経由した酸化剤ガスを燃料電池１に供給することにより、電圧の低下率が小さくなり活性回復動作の効果を向上させることができ、さらに酸化剤ガス不純物除去手段４１を透過するガス量を少なくできるので酸化剤ガス不純物除去手段４１の寿命を長くすることができた。したがって、燃料電池１の出力低下や耐久性の低下のない燃料電池システムでありながら、酸化剤ガス不純物除去手段４１の長寿命化も測ることが出来る経済的な燃料電池システムを得ることが可能となった。
【０１７９】
（実施の形態９）
図７は、本発明の実施の形態９における燃料電池システムを示す概略構成図である。本発明の実施の形態９の燃料電池システムは、実施の形態８の燃料電池システムの構成において、酸化剤ガス供給手段２から燃料電池１までの酸化剤ガス経路に、酸化剤ガス不純物除去手段４１と、酸化剤ガス不純物除去手段４１をバイパスするバイパス経路５１と、酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２を設けず、燃料ガス供給手段３から燃料電池１までの燃料ガス経路に、燃料ガス中に含まれる不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段４２と、燃料ガス不純物除去手段４２をバイパスして燃料ガス不純物除去手段４２で不純物を除去することなくアノードに燃料ガス供給手段３からの燃料ガスを供給するバイパス経路５２と、燃料ガス不純物除去手段４２を経由する経路とバイパス経路５２とを切り替える燃料ガス経路切替手段６２１，６２２を備え、起動停止、および活性回復動作の時には燃料ガス不純物除去手段４２を通る経路を通る燃料ガスが燃料電池１に供給されるように運転される。その他の構成は実施の形態８と同じであり、詳細な説明は省略する。
【０１８０】
ここで、燃料ガス中には、窒素が含まれる原料ガスを改質させることで不純物としてアンモニアが含まれる。アンモニア濃度は、原料ガスに含まれる窒素濃度と相関する。アンモニアは、燃料電池１に供給されると電解質中のスルホン酸基と結合して、水素イオン伝導性を低下させたり、アノード触媒および電解質膜を移動したアンモニウムイオンがカソード触媒を被毒したりする。
【０１８１】
燃料ガス不純物除去手段４２は、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去する構成であり、例えば、高分子電解質膜の片側に水などのアンモニア吸収液を流通させ、もう一方の側にアンモニアを含んだ燃料ガスを流通させる構造のものを複数積層した構成のものを用いることが出来る。
【０１８２】
本発明者らは、アンモニアが、所定の蓄積量以下では、燃料電池１に対して顕著な出力低下や、耐久性に影響を与えず、燃料電池１を起動停止させることで、その蓄積をある程度解消することが出来るが、燃料電池１が長時間連続して発電され、アンモニアの蓄積量が所定値以上になると、一回の起動停止では完全に解消することが出来ないために、徐々に出力が低下したり、耐久性が低下したりすることを見出した。
【０１８３】
本実施の形態９の構成により、起動停止時の活性回復動作の時には、燃料ガス不純物除去手段４２を通る経路を経由した不純物を含まない燃料ガスが燃料電池１に供給されるた
め、出力の回復率が高くなるため、燃料電池１への影響を緩和して、燃料電池１が長時間継続して安定に発電することを可能とする。さらに、燃料ガス不純物除去手段４２を透過する燃料ガスのガス量を少なくできるので燃料ガス不純物除去手段４２の寿命を長くすることができる。従って、燃料電池１の出力低下や耐久性の低下のない燃料電池システムでありながら、燃料ガス不純物除去手段４２の長寿命化も図ることができる、経済的な燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１８４】
（実施の形態１０）
図８は、本発明の実施の形態１０における燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施の形態１０の燃料電池システムは、実施の形態８の発明において、燃料ガス供給手段３から燃料電池１までの燃料ガス経路に、燃料ガス中に含まれる不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段４２と、燃料ガス不純物除去手段４２をバイパスして燃料ガス不純物除去手段４２で不純物を除去することなくアノードに燃料ガス供給手段３からの燃料ガスを供給するバイパス経路５２と、燃料ガス不純物除去手段４２を経由する経路とバイパス経路５２とを切り替える燃料ガス経路切替手段６２１，６２２を備え、起動停止、および活性回復動作の時には酸化剤ガス経路切替手段６１１，６１２と燃料ガス経路切替手段６２１，６２２を制御して、酸化剤ガス不純物除去手段４１、燃料ガス不純物除去手段４２を経由したガスを燃料電池１に供給するように運転される。その他の構成は実施の形態８と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。
【０１８５】
この構成によれば、酸化剤ガスへ不純物が混入している場合にも燃料ガスへ不純物が混入している場合にも、活性回復動作による出力回復効果が向上するため、燃料電池１が長時間継続して安定に発電することを可能とするので性能や耐久性に優れ、また、活性回復動作の時のみの酸化剤ガス不純物除去手段４１または燃料ガス不純物除去手段４２の利用であるために、酸化剤ガス不純物除去手段４１と燃料ガス不純物除去手段４２の消耗が抑えられ、酸化剤ガス不純物除去手段４１と燃料ガス不純物除去手段４２の寿命を延ばすことが可能となり、経済的な燃料電池システムの運転方法を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【０１８６】
以上のように、本発明の燃料電池システムおよびその運転方法は、ガス中の不純物に対する耐性を向上することができ、定置用燃料電池システムなどの用途に適用できる。
【符号の説明】
【０１８７】
１  燃料電池
２  酸化剤ガス供給手段
３  燃料ガス供給手段
７  不純物供給量判定手段
８  制御器
４１  酸化剤ガス不純物除去手段
４２  燃料ガス不純物除去手段
５１，５２  バイパス経路
６１１，６１２  酸化剤ガス経路切替手段
６２１，６２２  燃料ガス経路切替手段
【図１】
2016033863.tif 000003
【図３】
2016033863.tif 000004
【図４】
2016033863.tif 000005
【図５】
2016033863.tif 000006
【図６】
2016033863.tif 000007
【図７】
2016033863.tif 000008
【図８】
2016033863.tif 000009
【図２】
2016033863.tif 000010