(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで対向配置される燃料極および酸化剤極から成る単電池を複数積層し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料極および酸化剤極のそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給口と、燃料極および酸化剤極のそれぞれに不活性ガスを供給する供給口とを切替え可能に連通するガス供給配管と、前記燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置と、前記燃料電池スタックへのガスの供給及び停止を前記ガス供給配管の切替により制御するとともに前記電子負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備えた燃料電池発電システムの制御方法において、
前記制御装置は、
前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池スタックの発電を開始して開回路電圧に保持する電圧保持処理と、
前記開回路電圧に保持した燃料電池スタックに、前記電子負荷装置を制御して電気的な負荷を印加する負荷印加処理と、
前記電気的な負荷を印加した燃料電池スタックに印加を停止し、酸化剤極に供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給して電圧を下げる不活性ガス供給処理と、を実行することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項２】
前記制御装置は、前記電圧保持処理と、前記負荷印加処理と、不活性ガス供給処理とを１サイクルとして所定のサイクル数を繰り返して実行することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記不活性ガス供給処理において、酸化剤極に不活性ガスを供給した後、前記電子負荷装置を制御して燃料電池スタックに電気的な負荷を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】
電解質膜を挟んで対向配置される燃料極および酸化剤極から成る単電池を複数積層し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料極および酸化剤極のそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給口と、燃料極および酸化剤極のそれぞれに不活性ガスを供給する供給口とを切替え可能に連通するガス供給配管と、前記燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置と、前記燃料電池スタックへのガスの供給及び停止を前記ガス供給配管の切替により制御するとともに前記電子負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池スタックの発電を開始して開回路電圧に保持する電圧保持手段と、
前記開回路電圧に保持した燃料電池スタックに、前記電子負荷装置を制御して電気的な負荷を印加する負荷印加手段と、
前記電気的な負荷を印加した燃料電池スタックに印加を停止し、酸化剤極に供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給して電圧を下げる不活性ガス供給手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記電圧保持手段と、前記負荷印加手段と、不活性ガス供給手段とにより実行される一通りの処理を１サイクルとして所定のサイクル数を繰り返して実行するものであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記不活性ガス供給手段により、酸化剤極に不活性ガスを供給した後、前記電子負荷装置を制御して燃料電池スタックに電気的な負荷を印加するものであることを特徴とする請求項４又は５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、燃料電池発電システムの制御方法及び燃料電池発電システムに係り、特に、燃料電池スタックの初期化を効率的に実現する技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、反応ガスのもつ化学的エネルギを電気エネルギに変換する装置である。電気化学的反応により生成するものは水のみであるため、クリーンな発電機として期待されている。
【０００３】
さらに、この燃料電池発電システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。
【０００４】
この燃料電池発電システムの本体は電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、中でも、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。
【０００５】
一般家庭用の小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスを燃料極にそして大気中の空気を酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、および発電に伴う発熱を回収する廃熱回収系等から構成されている。
【０００６】
このように、燃料電池発電システムの運転には燃料の投入が前提となるため、燃料投入量に対する発電電力量で定義される発電効率が高いほど、燃料使用量の削減が実現でき、ユーザーメリットが高くなる。したがって、発電効率が燃料電池発電システムの性能を示す指標となっている。
【０００７】
この燃料電池発電システムにおいて、実際に発電機能を担っている燃料電池スタックは、所定の負荷電流における出力電圧が高いほど、高い発電効率が得られるため、出力電圧が高い高性能な燃料電池スタックが要求されている。
【０００８】
固体高分子形燃料電池は、初期的には電極の濡れの進行に伴う三相界面の増加による電池性能の向上、長期的には電極劣化に伴う電池性能の低下が生じる。したがって、製造直後の燃料電池スタックは、予め所定の出力電圧が得られるように、電極の濡れ性を最適化させる燃料電池スタックの初期化操作が必要である。
【０００９】
燃料電池スタック初期化操作としては、燃料電池スタックの発電状態において、燃料電池スタックに接続された負荷装置の電気的負荷を所定の閾値まで周期的に変動させる方法（特許文献１，２，３参照）、所定の発電電圧を段階的に保持する方法（特許文献４参照）が提案されている。
【００１０】
燃料電池本体の性能向上のためには電極の濡れの進行に伴う三相界面の増加が必要である。三相界面は、気体、固体、液体の三相から成る界面だが、一般的には、気体は電池本体に供給されるガス、固体は電池本体の電極内の触媒、液体は水と考えられている。
【００１１】
燃料電池本体において、燃料極に水素リッチな燃料ガスを、酸化剤極に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セルの一対の電極で以下の数１及び２に示す電気化学反応がそれぞれ進行し、電極間で起電力が生じる。
［数１］
燃料極  ：２Ｈ2   →  ４Ｈ+ ＋４ｅ- 
［数２］
酸化剤極：Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ-   →  ２Ｈ2 Ｏ
【００１２】
燃料極では、上記数１の反応式に示すように、供給した水素ガスを水素イオンと電子に解離する（水素酸化反応）。その際、水素イオンは電解質膜を通り、また、電子は外部回路を通り酸化剤極にそれぞれ移動する。
【００１３】
一方、酸化剤極では、上記数２の反応式に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と上述の水素イオンおよび電子が電気化学的に反応（酸素還元反応）して水を生成する。
【００１４】
三相界面の形成及び増加には、液体が存在し、存在する液体を広げる駆動力が必要である。従来より、このような電気化学反応により生成された水を利用して三相界面の増加を図った技術が提案されている（特許文献１〜４参照）。電気化学反応で水を生成し、電気的な負荷を印加することで電子及び水素イオンが移動し、電極内の水素イオンの移動に伴って水が移動し電極内を広がっていくことで三相界面が増加される。
【特許文献１】特開２００７−６６６６６号公報
【特許文献２】特開２００５−３４００２２号公報
【特許文献３】特開２００５−２５１３９６号公報
【特許文献４】特開２００５−１５８７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、燃料電池本体の電極に使用されている触媒の担持体には、一般的にカーボン材料が用いられており、カーボン材料は撥水性が強い材料である。このような撥水性の強いカーボン材料で構成された触媒層の細孔内においては、水の移動は難しい。そこで、電極内の三相界面を効果的に増加させる方法として、水を移動させる駆動力のほかに、水が移動しやすい環境を作ることが必要となる。
【００１６】
そこで、発明者らはカーボン材料の微小腐食がカーボン材料の撥水性を弱めていることに着目し、自然電圧から開回路電圧にすることでカーボンが腐食することを見出した。以下に発明者らの研究により得たデータの一部と知見を示す。
【００１７】
図１０は、燃料極に燃料ガスとして純水素、酸化剤極に不活性ガスとして窒素を供給して自然電位の状態から、酸化剤極に供給するガスを窒素から酸化剤ガスとしての空気に切り替えて開回路電圧にした場合の電池スタック電圧と、酸化剤極から排出される炭酸ガスを四重極質量分析器で検出し検出された炭酸ガス濃度を経時的に表したグラフである。
【００１８】
自然電位の状態から開回路電圧に至る変化において、炭酸ガス濃度が急激に上昇し、数３に示されるような化学反応により電極内のカーボンが腐食して排出されていることが分かる。
［数３］
酸化剤極：Ｃ＋２Ｈ2 Ｏ  →  ＣＯ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- 
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、触媒層内のカーボン材料の撥水性を弱め、電気化学反応により生成された水が移動しやすい環境を作りだすことによって、三相界面の形成及びその増加を最適化する燃料電池発電システムの制御方法及び燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
以上の課題を解決するため、本発明の燃料電池発電システムの制御方法は、電解質膜を挟んで対向配置される燃料極および酸化剤極から成る単電池を複数積層し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池スタックと、前記燃料極および酸化剤極のそれぞれに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給口と、燃料極および酸化剤極のそれぞれに不活性ガスを供給する供給口とを切替え可能に連通するガス供給配管と、前記燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置と、前記燃料電池スタックへのガスの供給及び停止を前記ガス供給配管の切替により制御するとともに前記電子負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備えた燃料電池発電システムの制御方法において、前記制御装置は、前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池スタックの発電を開始して開回路電圧に保持する電圧保持処理と、前記開回路電圧に保持した燃料電池スタックに、前記電子負荷装置を制御して電気的な負荷を印加する負荷印加処理と、前記電気的な負荷を印加した燃料電池スタックに印加を停止し、酸化剤極に供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給して電圧を下げる不活性ガス供給処理と、を実行することを特徴とする。
【００２１】
以上のような態様では、制御装置の制御により、電子負荷装置から燃料電池スタックに対して電気的な負荷を印加することによって、燃料極では、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、また、電子は外部回路を通り酸化剤極にそれぞれ移動する。一方、酸化剤極では、供給した酸化剤ガス中の酸素と上述の水素イオンおよび電子が電気化学的に反応して水を生成する。このとき電極内のカーボンが微小腐食により酸化剤極のカーボン材料の撥水性が減少しているので、酸化剤極で生成した水はカーボン材料の表面上を水が拡散しやすくなっており、生成水によって電極の濡れ面積が拡大する。このように自然電位から開回路電圧への電圧上昇によりカーボン材料の撥水性を減少させて、燃料電池スタックに負荷を印加し水を生成することによって電極の濡れが進行する。
【発明の効果】
【００２２】
以上のような本発明によれば、触媒層内のカーボン材料の撥水性を弱め、電気化学反応により生成された水が移動しやすい環境を作りだすことによって、三相界面の形成及びその増加を最適化する燃料電池発電システムの制御方法及び燃料電池発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】
【００２３】
以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１〜図９を参照して具体的に説明する。
【００２４】
［１．第１の実施形態］
図１は本実施形態の燃料電池発電スタックの初期化方法を実現する燃料電池発電システムの構成図である。なお、図中の実線はガス配管を示し、破線は電気配線の結線図を示す。また、燃料電池スタックは、燃料極、酸化剤極及び前記両極を対向配置してなる電解質膜とから成る単位セルを、任意数積層した積層体で構成するが、本図では便宜上単セル分のみ記載している。
【００２５】
［１−１．構成］
図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システムの構成は、従来と同様である。すなわち、燃料電池スタック１の燃料極１ａおよび酸化剤極１ｂとそれぞれ連通するガス供給口に接続されたガス供給配管、および燃料電池スタック集電端子に燃料極側を負極、酸化剤極側を正極となるように接続された電子負荷装置２と、燃料電池スタック１から排出されるガスを処理する触媒燃焼器３とからなる。
【００２６】
このガス供給配管には水素供給バルブ４ａ、燃料極側窒素供給バルブ４ｂ、燃料極側ガス切替バルブ４ｃ、空気供給バルブ４ｄ、酸化剤極側窒素供給バルブ４ｅ、酸化剤極側ガス切替バルブ４ｆが配置され、ガス排出配管には排出バルブ４ｇが配置されている。
【００２７】
制御装置５は、これらのバルブ４の開閉及び切り替え、電子負荷装置２の印加電流の制御を行うものである。すなわち、バルブ４は、制御装置５によりその開閉及びガスの切り替えの制御がなされ、これにより燃料極１ａには、窒素または水素の供給及び排出がなされ、酸化剤極１ｂには窒素または空気の供給及び排出がなされるようになっている。また、制御装置５により、電子負荷装置２の印加電流を制御し、燃料電池スタックに任意の電流を印加するように構成されている。
【００２８】
ここで、燃料電池スタック１は、積層数３４セルの内部加湿方式を用いており、スタックに供給されるガスは、スタック内部で加湿され、電極内部では相対湿度１００％となる。なお、外部加湿方式のセルを用いる場合には、図２に示すようにスタックに供給するガスを相対湿度が１００％近傍となるように、燃料電池スタック１の上流側に加湿器６を配置する。
【００２９】
［１−２．作用］
［１−２−１．作用の概要］
次に上記構成の燃料電池発電システムの初期化処理の作用の概要について説明する。燃料極１ａに水素ガス、酸化剤極１ｂに窒素を供給して自然電位の状態から、酸化剤極１ｂへ供給するガスを窒素から空気に切り替えることによって開回路電圧になる。このような、自然電位から開回路電圧への急激な電圧変化により酸化剤極１ｂの電極内は、数４に示すような化学反応が生じる。
【００３０】
［数４］
酸化剤極：Ｃ＋２Ｈ2 Ｏ  →  ＣＯ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- 
数４に示す化学反応のように、自然電位から開回路電圧への急激な電圧変化により酸化剤極の電極内に使用しているカーボン材料の撥水性が減少する。
【００３１】
そこで、制御装置５の制御により、電子負荷装置２により燃料電池スタック１に対して電気的な負荷を印加することによって、燃料極１ａ、酸化剤極１ｂでは次に示すような電気化学反応が生じる。
［数５］
燃料極：２Ｈ2   →  ４Ｈ+ ＋４ｅ- 
［数６］
酸化剤極：Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ-   →  ２Ｈ2 Ｏ
【００３２】
燃料極１ａでは、数５に示すように水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、また、電子は外部回路を通り酸化剤極１ｂにそれぞれ移動する。一方、酸化剤極１ｂでは、数６に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と上述の水素イオンおよび電子が電気化学的に反応して水を生成する。
【００３３】
このように、酸化剤極１ｂで水が生成されるためには燃料極１ａから酸化剤極１ｂへの水素イオンの移動が必要である。また、水素イオンは水を伴うため、水素イオンが移動することによって水が移動していく。電極内の三相界面の形成かつその増加には水の生成と水の移動が必要であるため、水素イオンを常時供給し動かすことが必要である。
【００３４】
この点、例えば、電子が移動する外部回路部分に固定抵抗を用い電流を取って水素イオンを動かすことも可能であるが、三相界面が十分に形成されていない状態の電池においては経時的な電圧低下量が大きい。そのため個々の電池性能や用いる固定抵抗体の抵抗量によっては電流が取れなくなるか、あるいは固定抵抗に流れる電流が経時的に少なくなってしまう可能性がある。触媒層内の三相界面の形成をより速く、より多く行うためには、より多くの水素イオンを常時動かし続けることが必要であり、そのためには外部回路には一定の電流を常時採取可能な電子負荷装置がより好ましい。
【００３５】
また、このとき数４に示したように、電極内のカーボンが微小腐食により酸化剤極１ｂのカーボン材料の撥水性が減少しているので、酸化剤極１ｂで生成した水はカーボン材料の表面上を水が拡散しやすくなっており、生成水によって電極の濡れ面積が拡大する。
【００３６】
その後、燃料電池スタックに対する電気的な負荷を印加するのを止めて、制御装置５により、酸化剤極１ｂへ供給するガスを空気から窒素に切り替えて、スタック電圧を自然電位に低下させる。このように自然電位から開回路電圧への電圧上昇によりカーボン材料の撥水性を減少させて、燃料電池スタックに負荷を印加し水を生成することによって電極の濡れが進行する。
【００３７】
［１−２−２．作用の詳細］
次に本実施形態の燃料電池発電システムの初期化方法について、図３のフローチャートを参照して具体的に説明する。まず、燃料電池スタック１とガス系配管、電気系配線の接続を行った後、制御装置５の制御により、燃料極窒素バルブ４ｂ、酸化剤極窒素バルブ４ｅおよび排出バルブ４ｇをそれぞれ開き、燃料極ガス切替バルブ４ｃと酸化剤極ガス切替バルブ４ｆとを窒素側に切り替えて燃料極１ａ、および酸化剤極１ｂを窒素でパージする（Ｓ３０２）。
【００３８】
窒素パージの完了を確認し（Ｓ３０３）完了した場合には（ＹＥＳ）、燃料極窒素バルブ４ｂを閉止し、燃料極ガス切替バルブ４ｃを燃料極１ａ側に切り替えた後（Ｓ３０４）、水素供給バルブ４ａを開き（Ｓ３０５）、燃料極１ａに水素を供給する。
【００３９】
このとき、酸化剤極１ｂに吸着している微量の酸素により、燃料極１ａに水素を供給した直後に、一時的に起電力が発生し、その後、水素のクロスオーバー量に応じた自然電位に安定する。なお、本実施形態では、燃料極を基準とした平均セル電圧は８０ｍＶとなる。ここで、水素供給量は、電流密度０．８Ａ／ｃｍ2 における燃料利用率８０％相当の水素を供給する。
【００４０】
また、燃料極１ａに水素供給後、酸化剤極窒素バルブ４ｅを閉止し、酸化剤極ガス切替バルブ４ｆを酸化剤極１ｂ側に切り替える。この後、空気供給バルブ４ｄを開き、酸化剤極１ｂに空気を供給する。空気供給量は、電流密度０．８Ａ／ｃｍ2 における燃料利用率５０％相当の量とする。
【００４１】
このとき、開回路電圧が９００ｍＶ以上であるかを確認する（Ｓ３０６）。開回路電圧が９００ｍＶ以上であれば（ＹＥＳ）、Ｓ３１５に進む。なお、本実施形態における、この場合の各セル平均の開回路電圧は９８０ｍＶとなる。
【００４２】
一方、開回路電圧が９００ｍＶ以下であれば（Ｓ３０６のＮＯ）、開回路電圧の状態を一定時間保持し３０秒間保持したことを保持完了の条件として確認する（Ｓ３０７）。電子負荷装置により、燃料電池スタック１に０．８Ａ／ｃｍ2 相当の電流を印加し（Ｓ３０８）、０．８Ａ／ｃｍ2 での発電状態を保持する（Ｓ３０９）。
【００４３】
本実施形態では、発電状態を１０分間保持したことを保持完了の条件として確認し（Ｓ３１０）、この後、燃料電池スタック１に対する電気的な負荷を遮断し（Ｓ３１１）、空気供給バルブ４ｄを閉止する（Ｓ３１２）。また、酸化剤極ガス切替バルブ４ｆを窒素側に切り替えた後、酸化剤極窒素バルブ４ｅを開き（Ｓ３１３）、酸化剤極１ｂの窒素パージを行って自然電位まで電圧を低下させる（Ｓ３１４）。各セル電圧が自然電位まで低下してから５分間保持したことを窒素パージの完了とする（Ｓ３１４のＹＥＳ）。
【００４４】
このように、自然電位から開回路電圧にし、電子負荷装置による発電操作を経て、窒素パ−ジを行って自然電位まで低下させる１連の操作を１サイクルとする。本実施形態では、本サイクルを１０サイクル実施している（Ｓ３０５〜Ｓ３１４）。
【００４５】
ここで、所定のスタック性能を満足させるために必要なサイクル数は、同一仕様のスタックを用いて同一条件で予め初期化操作を実施した予備検討により決定された値を用いる。図４にこのサイクル数とセル電圧との関係を示すように、１０サイクル〜５０サイクルにおいて良好な効果が得られ、５０サイクル以上では却って電圧低下が見られる。このように、本発明において所定のスタック性能を満足させるためには１０サイクル〜５０サイクルがより好ましい実施形態である。
【００４６】
サイクル操作実施後は、燃料極及び酸化剤極の両極を不活性ガスに切り替えて両極のガス配管内をパージして（Ｓ３１５）初期化操作を終了する。以上のような初期化操作時の電圧及び電流トレンドを図５に示す。
【００４７】
［１−３．効果］
以上のような本実施形態の燃料電池発電システムにおいて燃料電池スタックの初期化方法を実施した際のセル性能として燃料電池スタックの平均セル電圧を図６に示す。図６においては、効果を比較するため、初期化操作を実施しない場合の電圧（比較例）も示す。なお、上記セル電圧の測定条件はすべて同一であり、燃料極１ａに水素（燃料利用率８０％）、酸化剤極１ｂに空気（酸素利用率６０％）を供給し、電池温度７０℃、電流密度０．２Ａ／ｃｍ2 におけるスタック平均セル電圧を示したものである。
【００４８】
同図から明らかなように、初期化を実施しない比較例と比較して、実用上問題のないレベルまでスタック平均セル電圧は上昇しており、初期化による効果が得られていることがわかる。このように、本実施形態の燃料電池発電システムにおける初期化方法により電極の濡れ性を最適化することが可能となる。
【００４９】
［２．第２の実施形態］
第２の実施形態は第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態において電気的な負荷を印加して保持した燃料電池スタック１に対して電気的な負荷を印加する処理に代えて、酸化剤極１ｂに供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガス切り替えて不活性ガスを供給する工程で、電気的な負荷を印加して電圧を下げる処理を実行するものである。なお、燃料電池発電システムの装置構成並びに上記の処理以外は第１の実施形態と同様である。そこで、以下では第１の実施形態と異なる処理についてのみ説明する。
【００５０】
本実施形態では、図７のフローチャートに示すとおり、ステップＳ７１４〜Ｓ７１７の処理に特徴を有するものであり、具体的には、酸化剤極１ｂへの供給ガスを空気から窒素に切り替えて酸化剤極１ｂを窒素パージするに際し（Ｓ７１３）、燃料電池スタックに接続されている電子負荷装置５により低電流を印加し（Ｓ７１４）、速やかにスタック電圧を低下させて、電圧が低下し所定の時間保持した後（Ｓ７１５，Ｓ７１６）、電気的な負荷を印加するのを止める処理（Ｓ７１７）を実施する。
【００５１】
ここで、上記のような電子負荷装置５により燃料電池スタック１に負荷を印加する処理においては、燃料極１ａ、酸化剤極１ｂには次に示すような電気化学反応が生じる。
［数７］
燃料極  ：２Ｈ2   →  ４Ｈ+ ＋４ｅ- 
［数８］
酸化剤極：Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ-   →  ２Ｈ2 Ｏ
【００５２】
酸化剤極１ｂに不活性ガスの窒素が導入された後、電子負荷装置で燃料電池スタック１に電気的な負荷を印加することで、燃料極１ａで解離した水素イオンと電子（数７を参照）がそれぞれ水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通り酸化剤極１ｂに移動した後、数８で示されるように酸化剤極１ｂで残存した酸素と燃料極１ａから移動してきた水素イオンと電子とが酸素還元反応をして酸化剤極１ｂの酸素が消費される。
【００５３】
このことにより、酸化剤極１ｂの電位が下がり、スタック電圧は下がることとなる。本実施形態では電流密度０．０１Ａ／ｃｍ2 となるように電流値を設定して１分間実施した。
【００５４】
なお、第１の実施形態と同様、燃料電池スタック１に電気的な負荷を印加する場合、外部回路部分に固定抵抗を用いても良い。ただし、本実施形態では、スタック電圧を下げる時間を短くするために酸化剤極１ｂで積極的に酸素還元反応を行って酸化剤極１ｂの酸化剤を消費することを目的としている。そのため、固定抵抗を用いた場合、抵抗体の抵抗量によっては電流が取れなくなって消費が十分に行えない場合もある。したがって、燃料電池スタックに電気的な負荷を印加する場合には、一定の電流を常時採取可能な電子負荷装置等がより好ましい。
【００５５】
電子負荷装置で電流を取って所定時間保持し（Ｓ７１６）、その後電気的な負荷を切る（Ｓ７１７）。このように、自然電位から開回路電圧にし、電子負荷装置による発電操作を経て、負荷を印加しながら窒素パ−ジを所定時間行い、その後負荷を切る１連の操作を１サイクルとして、本サイクルを１０サイクル実施する（Ｓ７０６〜Ｓ７１７の処理）。サイクル操作実施後は、燃料極及び酸化剤極の両極を不活性ガスに切り替えて両極のガス配管内をパージして（Ｓ７１８）初期化操作を終了する。以上のような初期化操作時の電圧及び電流トレンドを図８に示す。
【００５６】
以上のような本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、第１の実施形態に加えて、酸化剤極１ｂへ供給するガスを酸化剤ガスから不活性ガスに切り替えた後に燃料電池スタック１に対して負荷を印加したため酸化剤極１ｂの酸素の消費が強制的に行われる。これにより、電圧の低下時間が短縮され、燃料電池スタックの初期化処理がより効率化される。なお、効果を比較するため、図９に電流を取らない場合の初期化方法（比較例）の１サイクルの実施時間を示す。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態における燃料電池システムを示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態における燃料電池システムの変形例を示す構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態における燃料電池スタックの初期化方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の燃料電池発電システムにおけるサイクル回数とセル電圧との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第１の実施形態における燃料電池スタックの初期化操作時の電圧及び電流トレンドを示す図。
【図６】本発明の第１の実施形態における燃料電池スタックの初期化操作時の平均セル電圧を示すグラフ。
【図７】本発明の第２の実施形態における燃料電池スタックの初期化方法を示すフローチャート。
【図８】本発明の第２の実施形態における燃料電池スタックの初期化操作時の電圧及び電流トレンドを示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態における燃料電池スタックの初期化操作時の１サイクル時間を示すグラフ。
【図１０】開回路電圧時のスタック電圧変化と酸化剤極の排ガス中から検出される炭酸ガス濃度の関係を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
１…燃料電池スタック
１ａ…燃料電池スタック燃料極
１ｂ…燃料電池スタック酸化剤極
１ｃ…燃料電池スタック電解質膜
２…電子負荷装置
３…触媒燃焼器
４ａ…水素バルブ
４ｂ…燃料極窒素バルブ
４ｃ…燃料極ガス切替バルブ
４ｄ…空気バルブ
４ｅ…酸化剤極窒素バルブ
４ｆ…酸化剤極ガス切替バルブ
４ｇ…排気バルブ
５…制御装置
６…加湿器
【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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