CN102197529A - 燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池发电系统，其发电效率和耐久性优秀。该燃料电池发电系统具备：燃料电池(4)，其具有燃料极(2)、氧化剂极(3)、形成有燃料极(2)和氧化剂极(3)的电解质(1)；输出控制部(11)，其控制燃料电池(4)的输出；以及决定部(12)，其根据氧化剂气体中含有的供给到氧化剂极(3)的杂质的累计量来决定将燃料电池(4)设为开路状态之前要经过的时间，其中，输出控制部(11)在每个由决定部(12)决定的时间，将燃料电池(4)的发电停止规定时间并将燃料电池(4)设为开路状态。

Description

燃料电池发电系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统使由于氧化剂气体中含有的杂质而导致催化剂活性降低的氧化剂极活化，从而提高燃料电池的发电效率以及耐久性。
背景技术
如图7所示，以往的一般的燃料电池发电系统具备在电解质1的两面上形成燃料极2和氧化剂极3的燃料电池4，通过对燃料极2供给至少包含氢的燃料气体、对氧化剂极3供给至少包含氧的氧化剂气体，来进行发电。
一般使用空气(大气)作为氧化剂气体，但是空气中大多含有各种各样的杂质，这些杂质中存在有附着于氧化剂极3上而使氧化剂极3的催化剂活性降低、阻碍发电所需的化学反应而导致燃料电池4的输出电压降低的物质。
以往的燃料电池发电系统为了去除这种附着在氧化剂极3上的杂质而例如设置与进行发电的电路独立的外部电源5，在停止发电时以将附着有杂质的氧化剂极3作为正极的方式来将外部电源5电连接于燃料电池4并对燃料电池4施加电压，使氧化剂极3的电位在固定期间内成为比自然电位高的电位，由此使附着在氧化剂极3上的杂质氧化而使其脱离(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2005-259368号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，使用外部电源来使氧化剂极的电位为高电位的方法存在以下的问题：不仅系统的结构变得复杂，还需要装载二次电池等外部电源，并不经济。
本发明用于解决上述问题，其目的在于提供一种不使用外部电源而能够以简单的结构去除附着在氧化剂极上的杂质的燃料电池发电系统。
用于解决问题的方案
本发明是一种燃料电池发电系统，通过燃料气体与氧化剂气体的反应来进行发电，该燃料电池发电系统具备：燃料电池，其包括燃料极、氧化剂极以及电解质，至少包含氢的燃料气体被供给到该燃料极，至少包含氧的氧化剂气体被供给到该氧化剂极，该电解质上形成有上述燃料极和上述氧化剂极；输出控制部，其在不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压；以及决定部，其决定由上述输出控制部施加上述规定电压以上的电压的时间。
根据本发明的结构，基于决定部来决定在由于杂质引起不可逆的电压降低之前由输出控制部施加规定电压以上的电压的时间，因此不会由于电压降低而导致发电效率降低。并且，在不对上述燃料电池发电系统外部供给电力的状态下驱动对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压的输出控制部，由此不需要外部电源就可使氧化剂极为高电位，来将附着在氧化剂极上的杂质氧化，使其脱离氧化剂极来将其去除，从而能够得到燃料电池活化而能够维持所期望的性能的耐久性优秀的燃料电池发电系统。
发明的效果
本发明能够提供一种不使用外部电源而能够以简单的结构去除附着在氧化剂极上的杂质来使燃料电池活化、发电效率和耐久性良好的燃料电池发电系统。
附图说明
图1是本发明的实施方式1至5中的燃料电池发电系统的概要结构图。
图2是表示本发明的实施方式2中的燃料电池发电系统的运转方法的流程图。
图3的(a)是表示不形成开路状态时的燃料电池发电系统的堆叠体电压特性的特性图，图3的(b)是表示本发明的实施方式2中的燃料电池发电系统的堆叠体电压特性的特性图。
图4是表示本发明的实施方式3中的燃料电池发电系统的运转方法的流程图。
图5是表示本发明的实施方式4中的燃料电池发电系统的运转方法的流程图。
图6是表示利用上述燃料电池发电系统的运转方法进行运转时的堆叠体电压特性的特性图。
图7是以往的燃料电池发电系统的概要结构图。
附图标记说明
1：电解质；2：燃料极；3：氧化剂极；4：燃料电池；11：输出控制部；12：决定部；13：杂质浓度检测部；14：电压检测部；15：燃料电池旁路。
具体实施方式
第一发明是一种燃料电池发电系统，通过燃料气体与氧化剂气体的反应来进行发电，该燃料电池发电系统具备：燃料电池，其包括燃料极、氧化剂极以及电解质，至少包含氢的燃料气体被供给到该燃料极，至少包含氧的氧化剂气体被供给到该氧化剂极，该电解质上形成有上述燃料极和上述氧化剂极；输出控制部，其在不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压；以及决定部，其决定由上述输出控制部施加上述规定电压以上的电压的时间。根据本发明，基于决定部来决定在由于杂质引起不可逆的电压降低之前由输出控制部施加规定电压以上的电压的时间，因此不会由于电压降低而导致发电效率降低。并且，在不对上述燃料电池发电系统外部供给电力的状态下驱动对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压的输出控制部，由此不需要外部电源就可使氧化剂极为高电位，来将附着在氧化剂极上的杂质氧化，使其脱离氧化剂极来将其去除，从而能够得到使燃料电池活化而能够维持所期望的性能的耐久性良好的燃料电池发电系统。
第二发明如下：在第一发明中，上述规定电压以上的电压是比上述燃料电池通常运转时的电压高的电压。从而能够得到能够使氧化剂极为高电位来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第三发明如下：在第一发明中，上述规定电压以上的电压是使附着在上述氧化剂极上的杂质氧化所需的电压。从而能够得到能够使氧化剂极为高电位来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第四发明如下：在第一发明至第三发明的任一发明中，上述规定电压以上的电压是切断上述燃料电池的负载从而设为开路状态而得到的电压。从而能够得到能够使氧化剂极为高电位来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第五发明如下：在第一发明至第三发明的任一个发明中，上述规定电压以上的电压是将上述燃料电池发电系统的负载设为低负载而得到的电压。从而能够得到能够使氧化剂极为高电位来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第六发明如下：在第一发明至第五发明的任一发明中，上述输出控制部在分别对上述燃料极和上述氧化剂极供给燃料气体和氧化剂气体并且不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下，对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压。从而能够得到能够使氧化剂极为高电位来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第七发明如下：在第一发明至第五发明的任一个发明中，上述输出控制部在停止分别对上述燃料极和上述氧化剂极供给燃料气体和氧化剂气体并且不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下，对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压。从而能够得到能够使氧化剂极为高电位来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第八发明如下：在第一发明至第七发明的任一个发明中，上述决定部具备对上述燃料电池的发电时间进行累计的发电时间累计部，该决定部根据由上述发电时间累计部得到的累计时间来决定对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的时间。从而能够得到能够基于累计发电时间这样非常简单的结构来将附着在氧化剂极上的杂质去除来使燃料电池活化的燃料电池发电系统。
第九发明如下：在第一发明至第七发明的任一个发明中，还具备对上述氧化剂气体所含有的杂质的浓度进行检测的杂质浓度检测部，上述决定部基于由上述杂质浓度检测部检测出的杂质浓度和被供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的供给量来计算被供给到上述氧化剂极的杂质的累计量，从而决定对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的时间。由此实时地检测氧化剂气体中的杂质的浓度，能够根据实际的杂质的累计量来将附着在氧化剂极上的杂质氧化去除，从而使燃料电池活化，因此能够得到发电效率和耐久性更加良好的燃料电池发电系统。
第十发明如下：在第一发明至第九发明的任一个发明中，上述氧化剂气体所含有的杂质是硫化合物。通过对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压，能够在硫化合物易于被氧化的自然电位附近将使氧化剂极中毒而使活性降低的硫化合物氧化去除，因此能够得到发电效率和耐久性更加良好的燃料电池发电系统。
第十一发明如下：在第一发明至第七发明的任一个发明中，还具备对上述燃料电池的电压进行检测的电压检测部，上述决定部基于由上述电压检测部检测到的电压来计算被供给到上述氧化剂极的杂质的累计量，从而决定对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的时间。由此，即使没有直接检测杂质的部件也能够根据与杂质的累计量相应地降低的燃料电池的电压来判断氧化剂极的活性状态，在电压低于正常时的电压的情况下使燃料电池活化，因此能够进一步简化燃料电池发电系统。
第十二发明如下：在第十一发明中，在对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的次数超过规定的次数而上述电压检测部检测到的电压在固定时间内仍低于规定的电压时，上述输出控制部使上述燃料电池停止发电，并至少停止供给上述氧化剂气体，以使上述氧化剂极的电位下降到规定的电位，之后，再次供给上述氧化剂气体，使上述燃料电池在规定的时间内处于开路状态，之后，重新开始上述燃料电池的发电。在即使在发电过程中形成开路状态电压也不恢复的情况下，通过起动停止来将氧化剂极的电位从高电位(自然电位)升降到低电位，来氧化去除各种杂质，从而能够进一步恢复燃料电池的活性。
第十三发明如下：在第四发明中，在将供给到上述燃料极的上述燃料气体的压力维持为低于供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的压力的状态下，通过上述输出控制部将上述燃料电池设为开路状态。由此从燃料极侧交叉泄漏(Cross Leak)到氧化剂极侧的氢气量降低，从而能够进一步提高氧化剂极的电位，因此附着在氧化剂极上的杂质更易于被氧化，能够进一步活化。
第十四发明如下：在第四发明中，在减少供给到上述燃料极的上述燃料气体的流量来将上述燃料气体的压力维持为低于供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的压力的状态下，通过上述输出控制部将上述燃料电池设为开路状态。在暂时停止发电的期间减少供给到燃料极的燃料气体的流量，因此从燃料极侧交叉泄漏到氧化剂极侧的氢气量降低，从而能够进一步提高氧化剂极的电位，因此附着在氧化剂极上的杂质更易于被氧化，能够进一步活化。
第十五发明如下：在第十三发明中，还具备对上述燃料电池的上述燃料极设旁路的燃料电池旁路，在将上述燃料气体的一部分供给到上述燃料电池旁路来减少供给到上述燃料极的上述燃料气体的流量从而将上述燃料气体的压力维持为低于供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的压力的状态下，通过上述输出控制部将上述燃料电池设为开路状态。在暂时停止发电的期间将燃料气体的一部分供给到燃料电池旁路来降低供给到燃料极的燃料气体的压力，在将燃料处理部中生成的燃料气体的总量保持固定的同时进行供给，因此能够简化燃料处理部的控制。
第十六发明如下：在第一发明至第七发明的任一发明中，上述输出控制部根据上述燃料电池的负载变动来控制上述燃料气体和上述氧化剂气体的供给量从而控制上述燃料电池的输出，每隔由上述决定部决定的时间将上述燃料电池的输出强制减少到规定的输出以下，并且将上述燃料气体和上述氧化剂气体降低到规定的供给量之后，对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压。由此将氧化剂活化，在燃料气体、氧化剂气体的消耗量较少的、输出较低时停止发电，因此能够将未用于发电的燃料气体、氧化剂气体的消耗量限制为最小，从而能够高效地进行燃料电池的活化。
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于本实施方式。
(实施方式1)
图1示出了本发明的实施方式1的燃料电池发电系统的概要结构图。
本发明的实施方式1的燃料电池发电系统具备燃料电池4，该燃料电池4具有在固体高分子电解质1(下面记载为电解质1)的两面上形成燃料极2和氧化剂极3的膜电极接合体6，该固体高分子电解质1由具有氢离子传导性的全氟碳化磺酸聚合物构成，本实施方式1的燃料电池发电系统能够通过对燃料极2供给至少包含氢的燃料气体、对氧化剂极3供给至少包含氧的氧化剂气体来进行发电。
燃料电池系统具有燃料电池4、至少对外部负载提供交流电力的逆变器(inverter)等的电力输出部、以及辅机、控制基板的电源等内部负载。
燃料极2和氧化剂极3包括催化剂层和气体扩散层，该催化剂层是由在抗氧化性高的多孔质碳上承载铂等贵金属而得到的催化剂以及具有氢离子传导性的高分子电解质的混合物构成的，该气体扩散层层叠在催化剂层之上，具有通气性和电子传导性。燃料极2是由具有抗CO性的铂-钌合金催化剂构成的。此外，用于燃料极2的催化剂并不限于铂-钌合金。
另外，气体扩散层是由实施过防水处理的复写纸(carbon paper)构成的。此外，气体扩散层并不限于复写纸，也可以是碳纤维布(carbon cloth)、碳无纺布。
在电解质1的两面形成燃料极2和氧化剂极3的膜电极接合体6的周围，配置有一对密封垫以防止发生气体的混合、泄漏，由碳制的一对具有导电性的隔板71、72夹持该膜电极接合体6，从而构成单体，其中，上述隔板71、72具有分别对燃料极2和氧化剂极3供给排出燃料气体和氧化剂气体的气体流路。
然后，层叠多个单体，在两端配置集电板、绝缘板以及端板，用连接杆牢牢地连接在一起，从而构成堆叠体。各单体之间设置有供给排出冷却水的流路，为了防止热量放出到堆叠体的外部以保持稳定的温度，在周围配置有绝热材料。
上述结构的燃料电池4上连接有供给燃料气体的燃料处理部8和供给氧化剂气体的氧化剂气体供给部9，从而构成燃料电池发电系统。
燃料处理部8对包含甲烷等碳化氢的城市燃气等原料气体进行改性来供给含氢的燃料气体，该燃料处理部8包括：脱硫部81，其对着嗅剂等中含有的硫化合物进行吸附去除；改性部82，其对包含甲烷等碳化氢的原料气体进行改性；CO转化部，其对通过改性反应产生的一氧化碳(CO)进行转化；以及CO去除部84，其进一步选择性地对CO进行氧化去除。
原料气体首先在脱硫部81中进行脱硫，之后通过改性部82进行改性而成为含氢的燃料气体。在原料气体中使用甲烷的情况下，该甲烷在改性部82中与水蒸气产生[化学式1]所示的反应，从而在产生作为燃料气体的氢气的同时产生约10％的CO。
[化学式1]
CH4+H2O→CO+3H2
在燃料电池4的运转温度区中，即使一点点CO也会使燃料极2所含有的铂催化剂中毒，从而使其催化剂活性降低，因此改性部82中产生的CO如[化学式2]所示那样在CO转化部83中被转化为二氧化碳，其浓度减少到约5000ppm。由于在下游侧的CO去除部84中不仅CO被氧化，连燃料气体的氢气也被氧化，因此在该CO转化部83中需要尽可能地降低CO浓度。
[化学式2]
CO+H2O→CO2+H2
仍残留的CO如[化学式3]所示那样在CO去除部84中被由选择氧化空气供给部85从大气中取入的空气选择性地氧化，其浓度减少到能够抑制燃料极2的催化剂活性降低的程度即约10ppm以下。
[化学式3]
Figure BPA00001354938500101
此外，燃料处理部8也可以采取自热(Autothermal)法等制氢方法，而不限于上述水蒸气改性法。
另外，采用如下的结构：将在发电时对燃料极2提供空气的空气放出部10设置在燃料极2的近处，在燃料处理部8中生成的燃料气体中混合1～2％左右的空气，进一步减轻残留的少量CO的影响。此外，也可以根据燃料气体所包含的CO浓度而省略空气放出部10。
氧化剂气体供给部9包括取入氧化剂气体的鼓风机91、去除氧化剂气体中杂质的杂质去除部92、以及对氧化剂气体进行加湿的加湿器93，氧化剂气体供给部9用于对燃料电池4的氧化剂极3提供加湿后的氧化剂气体。氧化剂气体是指至少包含氧(或者能够供给氧)的气体的总称，例如可以举出大气(空气)。
在此，对上述结构的燃料电池4的动作进行说明。当分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体并连接负载时，供给到燃料极2的燃料气体中含有的氢气如反应式[化学式4]所示那样在燃料极2的催化剂层和电解质的表面放出电子而成为氢离子。
[化学式4]
H2→2H++2e-
氢离子通过电解质1而移动到氧化剂极3，在氧化剂极3的催化剂层和电解质的表面接收电子，与供给到氧化剂极3的氧化剂气体中含有的氧进行反应而生成水。该反应式如[化学式5]。
[化学式5]
Figure BPA00001354938500111
[化学式6]表示整个反应。
[化学式6]
Figure BPA00001354938500112
能够将此时流经负载的电子的流动作为直流的电能来利用，而一系列的反应是发热反应，因此能够将反应热用作热能。
另外，在图1中，输出控制部11根据负载变动来控制燃料电池4的输出。构成为以下的结构：在燃料电池4的负载上升而需要较多发电量的情况下，增加供给到燃料处理部8的原料气体的供给量，来增加生成的燃料气体量，另外，提高鼓风机91的性能值来增加氧化剂气体的供给量。
反之，在不是很需要发电量的情况下，能够减少燃料气体和氧化剂气体的供给量，来降低输出。
但是，大气中大多含有各种各样的杂质，例如，含有火山或燃烧所排出的气体等中所包含的二氧化硫等硫化合物、工厂或汽车的燃烧排气中大量包含的氮氧化物、或者作为恶臭成分的氨等。
这些杂质会对燃料电池4产生不良影响，它们在混入氧化剂气体中而到达氧化剂极3的情况下，有时会附着(吸附)在氧化剂极3所包含的催化剂上而阻碍发电所需的化学反应，因此燃料电池4的输出会降低。其中硫化合物的吸附力较强，在累积了大量硫化合物的情况下，将其去除就变得困难，其成为使燃料电池4的发电效率、耐久性劣化的原因。
另一方面，能够利用氧化剂极3的电极电位来促进上述杂质的氧化反应，通过使该杂质与水、空气进行反应，能够使附着在氧化剂极3上的杂质易于脱离氧化剂极3。
本实施方式中的燃料电池发电系统具备：燃料电池4，其包括燃料极2、氧化剂极3以及电解质1，至少包含氢的燃料气体被供给到该燃料极2，至少包含氧的氧化剂气体被供给到该氧化剂极3，该电解质1上形成有燃料极2和氧化剂极3；输出控制部11，其在不对燃料电池发电系统外部供给电力的状态下对氧化剂极3施加规定电压以上的电压；以及决定部12，其决定由输出控制部11施加规定电压以上的电压的时间。
在此，存在对燃料电池发电系统的外部负载(未图示)提供交流电力的逆变器等电力输出部(未图示)，燃料电池4对该外部负载和位于燃料电池发电系统内部的辅机、控制基板的电源等内部负载(未图示)提供电力，不对燃料电池发电系统外部供给电力的状态是指原样保持全部内部负载或一部分内部负载而切断外部负载的状态。
根据本实施方式的结构，基于决定部12来决定在由于杂质引起不可逆的电压降低之前由输出控制部11施加规定电压以上的电压的时间，因此不会由于电压降低而导致发电效率降低。并且，在不对上述燃料电池发电系统外部供给电力的状态下驱动对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压的输出控制部11，由此不需要外部电源就可使氧化剂极3为高电位，来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化，使其脱离氧化剂极而将其去除，从而能够得到使燃料电池4活化而能够维持所期望的性能的耐久性良好的燃料电池发电系统。
该规定电压以上的电压是比燃料电池4通常运转时的电压高的电压，从而能够得到能够使氧化剂极3为高电位来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化去除、从而使燃料电池4活化的燃料电池发电系统。
另外，规定电压以上的电压是使附着在氧化剂极3上的杂质氧化所需的电压，从而能够得到能够使氧化剂极3为高电位来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化去除、从而使燃料电池4活化的燃料电池发电系统。
另外，规定电压以上的电压是使燃料电池发电系统的负载为低负载而得到的电压，从而能够得到能够使氧化剂极3为高电位来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化去除、从而使燃料电池4活化的燃料电池发电系统。
并且，规定电压以上的电压是切断燃料电池4的负载从而设为开路状态而得到的电压，从而能够得到能够使氧化剂极3为高电位来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化去除、从而使燃料电池4活化的燃料电池发电系统。
下面，说明使用该切断燃料电池4的负载从而设为开路状态而得到的规定电压以上的电压来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化去除的结构。
促进氧化反应的电极电位根据杂质的种类而不同，二氧化硫等硫化合物在比发电时高的电极电位下易于被氧化，发明者们发现：通过设定如下的开路状态即在由输出控制部11分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下切断燃料电池4的负载的状态，以该开路状态的自然电位也可以得到比燃料电池发电时高的电极电位，从而能够将附着在氧化剂极3上的相当一部分硫化合物氧化，并且，能够使被继续供给的氧化剂气体所氧化的硫化合物脱离氧化剂极3而将其去除。
因此，在本发明中，构成为以下结构：着眼于当累积了某种程度的量时就会引起不可逆的电压降低的硫化合物，在该硫化合物的量成为引起不可逆的电压降低之前的较少累计量时，将燃料电池4设为开路状态来使氧化剂极3为高电位(自然电位)，将附着在氧化剂极3上的硫化合物氧化去除，从而使燃料电池4活化。
另外，关于将燃料电池4设为开路状态时的供给到氧化剂极3的杂质的累计量的阈值，预先通过实验求出不会引起不可逆的电压降低、或保持自然电位1秒钟～10分钟左右就恢复的极限值，将达到该极限值之前的累计量作为阈值。
在此，杂质的累计量的阈值只要是满足上述极限值的目的的值即可，可以是杂质的直接量，也可以是与杂质的量相当的间接量，具备根据该杂质的累计量的阈值来决定将燃料电池设为开路状态的时间的决定部12。
根据本实施方式的结构，基于决定部12来决定在由于杂质引起不可逆的电压降低之前将燃料电池设为开路状态的时间，因此不会由于电压降低而导致发电效率降低。并且，通过利用在决定部12决定的时间将燃料电池4设为开路状态的输出控制部11，不需要外部电源就可使氧化剂极3为高电位，来将附着在氧化剂极3上的杂质氧化，使其脱离氧化剂极来将其去除，从而能够得到使燃料电池4活化而能够维持所期望的性能的耐久性良好的燃料电池发电系统。
接着，在下面说明得到杂质的累计量的阈值的具体例。
杂质的累计量是随着燃料电池4的发电时间的经过而增加的。因此，决定部12具备累计燃料电池4的发电时间的发电时间累计部(未图示)，决定在由发电时间累计部得到的累计时间变为与杂质的累计量的阈值相当的时间时将燃料电池4设为开路状态的时间。在由决定部12决定的时间，输出控制部11在分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下切断燃料电池4的负载来形成开路状态。
根据本实施方式，能够得到以下的燃料电池发电系统：能够通过累计发电时间这样非常简单的结构将附着在氧化剂极3上的杂质去除来使燃料电池4活化。
此外，在上述说明中，说明了输出控制部11在分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下形成开路状态的情况，但是可以得到以下的燃料电池发电系统：不形成开路状态，只要在不对燃料电池发电系统外部提供电力的状态下对氧化剂极3施加规定电压以上的电压即可，从而能够使氧化剂极3为高电位，将附着在氧化剂极3上的杂质氧化去除来将燃料电池4活化。
并且，输出控制部11也可以构成为在停止分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体且不对燃料电池发电系统外部供给电力的状态下对氧化剂极3施加规定电压以上的电压。在分别停止燃料气体和氧化剂气体的供给的状态下，也可以利用停止供给之前供给到燃料极2和氧化剂极3的气体来施加规定的电压。
(实施方式2)
图1示出了本发明的实施方式2中的燃料电池发电系统的概要结构图。
本发明的实施方式2的燃料电池发电系统删除了实施方式1中的决定部12所具备的发电时间累计部，而具备检测氧化剂气体中含有的杂质的浓度的杂质浓度检测部13，对其它结构要素附加相同附图标记而省略说明。
与输出控制部11连接的决定部12能够根据基于杂质去除部92的杂质去除率估计出的经过杂质去除部92之后的杂质的浓度以及氧化剂气体的供给量和供给到氧化剂极的杂质的累计量进行计算，从而决定将燃料电池4设为开路状态之前要经过的时间，来对输出控制部11发出将燃料电池4设为开路状态的时间的指令。
关于大气中的杂质的浓度，能够根据设置燃料电池发电系统的场所的杂质信息来预先将平时的平均浓度输入到决定部12中，或者每次都通过因特网等通信部自动获取，但是在本实施方式中，构成为装载杂质浓度检测部13，来检测设置环境的实时的氧化剂气体中含有的杂质浓度。杂质浓度检测部13中使用了能够检测二氧化硫的二氧化硫气体传感器。
接着，使用图2的流程图说明本发明的燃料电池发电系统的运转时序。
首先，决定部12根据由杂质浓度检测部13检测出的二氧化硫的浓度、杂质去除部92的二氧化硫的去除率、以及开始发电后由鼓风机91供给到氧化剂极3的氧化剂气体的供给量来计算被供给到氧化剂极的杂质(二氧化硫)的累计量，来决定将燃料电池4设为开路状态的时间(步骤101)。
接着，判断在步骤101中求出的累计量是否大于预先通过实验求出的累计量的阈值(步骤102)。
如果累计量超过阈值，则维持以下的开路状态[1秒钟～10分钟左右](步骤103)：在由输出控制部11分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下切断燃料电池4的负载。就结果来说燃料电池的发电变为停止状态，因此在图2中表述为停止发电。
然后，在置于开路状态1秒钟～10分钟左右之后，连接负载，重新开始发电(步骤104、105)。
此时，与实施方式1同样地，能够通过形成开路状态来恢复燃料电池4的活性，从而提高燃料电池发电系统的发电效率、耐久性。
另外，氧化剂极3的催化剂层中含有的碳在高电位下易被腐蚀或氧化而劣化，但是根据本实施方式的燃料电池发电系统，通过形成开路状态，电极电位仅上升到自然电位，因此能够抑制构成催化剂层的碳的氧化。
接着，为了确认上述结构的本实施方式的燃料电池发电系统的效果，实际对燃料电池4的氧化剂极3供给含有杂质(二氧化硫)的氧化剂气体来进行模拟试验。所供给的二氧化硫的浓度为将实际的大气中含有的平均浓度经过杂质去除部92去除之后的浓度。图3示出了试验结果。
图3的(a)示出了供给杂质且未进入开路状态而进行发电的情况下的堆叠体电压的变化。可知从发电开始起经过固定时间后电压(图中的黑圆)逐渐降低。认为这是因为，氧化剂气体中的二氧化硫在氧化剂极3上逐渐累积，使催化剂中毒而阻碍化学反应，从而活性降低。
另一方面，可知：通过如图3的(b)所示那样在发电过程中根据杂质的累计量而周期性地形成开路状态，利用本发明的运转方法得到的堆叠体电压从发电开始起经过固定时间后的电压(图中的黑圆)不会降低而稳定地变化。
因而，根据本实施方式的燃料电池发电系统，实时地检测氧化剂气体中含有的杂质的浓度，根据实际的杂质的累计量使附着在氧化剂极3上的杂质氧化来将其去除，从而能够将燃料电池4活化，因此，能够提高燃料电池4的发电效率和耐久性。
(实施方式3)
图1示出了本发明的实施方式3中的燃料电池发电系统的概要结构图。
本发明的实施方式3的燃料电池发电系统在图1中删除杂质浓度检测部13而具备对燃料电池4的电压进行检测的电压检测部14，由决定部12以如下的方式进行决定：将由电压检测部14检测的电压在固定时间内未达到规定电压的时间决定为将燃料电池4设为开路状态的时间，该规定电压是根据燃料电池4的输出、发电时间累计部的累计时间、以及从发电开始起经过的时间来确定出的，除了这一点以外，本实施方式3与实施方式2的燃料电池发电系统相同，详细说明与实施方式2的不同点。
如上所述，燃料电池4的电压由于杂质而降低，如果该杂质的浓度为规定的浓度以下，则电压与浓度相应地变化，因此只要对电压进行监视，即使没有杂质浓度检测部13这样的部件也能够获知某种程度的杂质浓度及其累计量。
因而，只要考虑与杂质无关而随着耐久性而逐渐降低的电压和在起动之后由于恢复效应而逐渐降低的电压，就能够根据电压检测部14检测到的电压求出与杂质的累计量相当的阈值。
在本实施方式3中，决定部12根据由电压检测部14检测到的电压来计算包含在氧化剂气体中来供给到氧化剂极3的杂质的累计量，来决定将燃料电池4设为开路状态的时间，即使没有杂质浓度检测部13等也可根据与杂质的累计量相对应地降低的燃料电池4的电压来判断氧化剂极3的活性状态，在电压低于正常时的电压的情况下，将燃料电池4设为开路状态，因此能够将燃料电池发电系统进一步简化。
并且，构成为以下结构：在即使从开始发电起将燃料电池4设为开路状态的次数超过规定的次数但是电压检测部14检测到的电压在固定时间内仍低于规定的电压时，输出控制部11切断燃料电池4的负载而强制停止燃料电池4的发电，并至少停止氧化剂气体的供给以使氧化剂极3的电位下降到规定的电位，之后，重新起动，使燃料电池4在规定的时间内处于开路状态，之后，重新开始发电。
此外，不一定非要停止燃料气体的供给，对温度较高而稳定的燃料处理部8进行起动停止会浪费能量，基于这一点，期望不停止燃料气体的供给。
图4中示出了本发明的实施方式3的燃料电池发电系统的运转方法的流程图。
首先，电压检测部14对燃料电池4的电压进行监视(步骤201)。
由决定部12判断电压检测部14检测到的电压是否变得低于阈值、即附着有即将达到导致不可逆的电压降低的极限值的累计量的杂质时的电压，决定部12决定将燃料电池4设为开路状态的时间(步骤202)。在电压检测部14检测到的电压未达到阈值时，输出控制部11维持以下的开路状态[1秒钟～10分钟左右](步骤203)：在分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下切断燃料电池4的负载。就结果来说燃料电池的发电变为停止状态，因此在图4中表述为停止发电。
然后，在置于开路状态1秒钟～10分钟左右之后，再次连接燃料电池4的负载来停止开路状态，重新开始发电(步骤204、205)。
并且，计算从开始发电起形成开路状态的次数(步骤206)，在判断为即使形成开路状态的次数超过规定次数(阈值)电压也没有上升的情况下(步骤207)，转变为切断燃料电池4的负载来强制起动停止的普通的发电停止模式。
首先，停止发电(步骤208)，至少停止氧化剂气体的供给(步骤209)。
此时，燃料极2侧存在作为燃料气体的氢，因此堆叠体电压可视为与氧化剂极3的电极电位大致相等。在氧化剂极3的电极电位降低到0～0.2V左右时、或者经过与其相当的时间后(步骤210)，重新开始对氧化剂极3供给氧化剂气体(步骤211)。当开始供给氧化剂气体时，氧化剂极3的电极电位上升，变为自然电位。
然后，连接燃料电池4的负载来重新开始发电(步骤212)。
根据本实施方式，在发电时即使形成多次以上的开路状态、电压也不恢复的情况下，通过起动停止来将氧化剂极3的电位从高电位(自然电位)升降到低电位，氧化剂极3从氧化状态变为还原状态，从而能够恢复氧化剂极3的活性。
另外，通过设为开路状态，附着在氧化剂极3上的杂质被氧化，因此能够使其溶解于通过起动停止产生的冷凝水、发电时产生的生成水而排出到系统外，利用开路状态和起动停止的组合能够进一步缓和杂质的影响。
(实施方式4)
图1示出了本发明的实施方式4中的燃料电池发电系统的概要结构图。
本发明的实施方式4的燃料电池发电系统在实施方式2的燃料电池发电系统中，在将供给到燃料极2的燃料气体的压力维持为低于供给到氧化剂极3的氧化剂气体的压力的状态下，输出控制部11切断燃料电池4的负载规定时间来将燃料电池4设为开路状态，将氧化剂极3活化，除了这一点以外与实施方式2的燃料电池发电系统相同，详细说明与实施方式2的不同点。
在本实施方式的结构中，基于上述实施方式1至3中的任一个的决定部12来决定在由于杂质引起不可逆的电压降低之前将燃料电池设为开路状态的时间。在决定部12决定的时间，使燃料气体的压力低于氧化剂气体的压力。之后，输出控制部11切断燃料电池4的负载规定时间来将燃料电池4设为开路状态。
根据本实施方式，通过使燃料气体的压力低于氧化剂气体的压力，从燃料极2侧交叉泄漏到氧化剂极3侧的氢气量降低，从而能够进一步提高氧化剂极3的电位，因此附着在氧化剂极3上的杂质更易于被氧化，氧化剂极3能够进一步活化。
通过减少燃料气体的流量来降低供给到燃料极2的燃料气体的压力。
另外，如图1所示，具备燃料电池旁路15以对燃料电池4的燃料极2设旁路，仅在对燃料电池4进行活化时将燃料气体的一部分供给到燃料电池旁路15，来减少供给到燃料极2的燃料气体流量，从而将燃料气体的压力维持为低于供给到氧化剂极3的氧化剂气体的压力，由此，能够在将燃料处理部8生成的燃料气体的总量保持固定的同时进行供给，从而能够简化燃料处理部8的控制。
(实施方式5)
图1示出了本发明的实施方式5中的燃料电池发电系统的概要结构图。
本发明的实施方式5的燃料电池发电系统在实施方式2的燃料电池发电系统中，在决定部12决定的将燃料电池4设为开路状态的时间，输出控制部11将燃料电池4的输出强制减少到规定的输出以下，在燃料气体和氧化剂气体降低到规定的供给量之后，切断燃料电池4的负载来将燃料电池4设为开路状态，除了这一点以外与实施方式2的燃料电池发电系统相同，详细说明与实施方式2的不同点。
使用图5的流程图来说明本发明的实施方式5的燃料电池系统的运转时序。
首先，决定部12根据杂质浓度检测部13检测到的二氧化硫的浓度、杂质去除部92的二氧化硫的去除率、以及从开始发电起由鼓风机1供给到氧化剂极3的氧化剂气体的供给量来计算杂质的累计量(步骤301)。
接着，判断在步骤301中求出的累计量是否大于预先通过试验求出的累计量的阈值(步骤302)。
如果累计量超过阈值，则强制降低燃料电池4的输出，并与此相应地降低燃料气体和氧化剂气体的供给量(步骤303)。此时的输出以及燃料气体和氧化剂气体的供给量被设定为燃料电池发电系统的最小输出和与此相应的供给量。
然后，如果燃料气体和氧化剂气体的供给量未达到阈值，则维持以下的开路状态规定时间(1秒钟～10分钟左右)(步骤304、305)：在分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下切断燃料电池4的负载。就结果来说燃料电池的发电变为停止状态，因此在图5中表述为停止发电。
然后，在置于开路状态1秒钟～10分钟左右之后，再次连接燃料电池4的负载来停止开路状态，重新开始发电(步骤306、307)。
根据本发明的实施方式4的燃料电池发电系统，在燃料气体、氧化剂气体的消耗量较少而输出较低时停止发电，因此能够将未用于发电的燃料气体、氧化剂气体的消耗量限制为最小，从而能够高效地进行燃料电池的活化。
另外，图6中示出了形成开路状态前后的堆叠体电压的电压特性。从开始发电起经过了杂质的累计量达到导致电压降低的极限值之前的时间t之后，降低燃料电池4的输出，同时也减少燃料气体和氧化剂气体的供给量。此时堆叠体电压上升。并且，紧接着形成开路状态即在分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态下切断燃料电池4的负载的状态，使堆叠体电压进一步上升，保持开路电压约10秒钟。
之后再次连接负载，恢复到原来的发电状态，为此增加燃料气体和氧化剂气体的供给量，之后使燃料电池4的输出增加。然后，在从形成开路状态来进行活化的时刻起经过时间t后再次进行同样的活化处理。
时间t中的杂质的累计量是相同的，以相同的动作可靠地去除相同累计量的杂质来进行活化，因此能够得到对于杂质耐性较强的燃料电池发电系统。
另外，燃料电池发电系统使用城市燃气作为原料气体，有时在气体供给线路上安装有被称为微电脑安全切断功能燃气表(マイコンメ一タ一)的安全装置。微电脑安全切断功能燃气表是监视气体流量的气体流量计，具有在气体泄漏时自动切断气体供给的功能。
例如，这种微电脑安全切断功能燃气表会在气体的消耗量在固定期间内为固定的流量而不发生变动的情况下，判断为气体泄漏并切断气体。另一方面，燃料电池发电系统与其它气体设备相比连续使用的可能性较高，在以固定的输出进行发电的情况下，有可能尽管未发生气体泄漏、气体也被切断。
在气体被强制切断的情况下，有可能对节约耗能、设备耐久性产生影响。因此，已知一种如下技术：在以固定的输出连续发电规定时间以上的情况下，强制改变、降低燃料电池发电系统的输出来使气体的使用量发生变动。
在以固定的输出连续发电的该规定时间小于本发明中的杂质的累计量达到导致电压降低的极限值之前的时间t的情况下，也可以为了防止微电脑安全切断功能燃气表的错误检测而降低输出，在燃料气体以及氧化剂气体的供给量减少的时间使燃料电池4保持短时间的开路状态，来使氧化剂极3活化，如果在该时间进行活化，则能够更有效地提高燃料电池4的发电效率和耐久性。
此外，在上述的实施方式2至实施方式5中，特别是作为对氧化剂极3施加规定电压以上的电压的结构，说明了切断燃料电池4的负载来形成开路状态的结构，但是也可以选择比燃料电池4通常运转时高的电压、使附着在氧化剂极3上的杂质氧化所需的电压、将燃料电池发电系统的负载设为低负载而得到的电压中的任一个作为规定电压以上的电压。
另外，说明了输出控制部11分别对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态，但是也可以是分别停止对燃料极2和氧化剂极3供给燃料气体和氧化剂气体的状态。
本申请基于2008年8月29日申请的日本专利申请特愿2008-221401，以此为参考制作了本申请的内容。
以上说明了本发明的各种实施方式，但是本发明并不限定于上述实施方式中示出的事项，本领域技术人员根据说明书的记载以及公知技术对其进行变更/应用，这也是本发明所预料到的，包含于要求保护的范围内。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池发电系统根据包含在氧化剂气体中来供给到氧化剂极的杂质的累计量将氧化剂极设为高电位来进行燃料电池的活化，具有提高发电效率和提高耐久性的效果，从而适用于使用高分子型固体电解质的燃料电池、燃料电池设备、安置用燃料电池热电联产系统。

Claims (16)

1.一种燃料电池发电系统，通过燃料气体与氧化剂气体的反应来进行发电，该燃料电池发电系统具备：
燃料电池，其包括燃料极、氧化剂极以及电解质，至少包含氢的燃料气体被供给到该燃料极，至少包含氧的氧化剂气体被供给到该氧化剂极，该电解质上形成有上述燃料极和上述氧化剂极；
输出控制部，其在不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下对上述氧化剂极施加规定电压以上的电压；以及
决定部，其决定由上述输出控制部施加上述规定电压以上的电压的时间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述规定电压以上的电压是比上述燃料电池通常运转时的电压高的电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述规定电压以上的电压是使附着在上述氧化剂极上的杂质氧化所需的电压。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述规定电压以上的电压是切断上述燃料电池的负载从而设为开路状态而得到的电压。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述规定电压以上的电压是将上述燃料电池发电系统的负载设为低负载而得到的电压。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述输出控制部在对上述燃料极和上述氧化剂极分别供给燃料气体和氧化剂气体并且不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下，对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述输出控制部在停止对上述燃料极和上述氧化剂极分别供给燃料气体和氧化剂气体并且不对上述燃料电池发电系统的外部供给电力的状态下，对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述决定部具备对上述燃料电池的发电时间进行累计的发电时间累计部，该决定部根据由上述发电时间累计部得到的累计时间来决定对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的时间。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
还具备对上述氧化剂气体所含有的杂质的浓度进行检测的杂质浓度检测部，上述决定部基于由上述杂质浓度检测部检测出的杂质浓度和被供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的供给量来计算被供给到上述氧化剂极的杂质的累计量，从而决定对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的时间。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述氧化剂气体所含有的杂质是硫化合物。
11.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
还具备对上述燃料电池的电压进行检测的电压检测部，上述决定部基于由上述电压检测部检测到的电压来计算被供给到上述氧化剂极的杂质的累计量，从而决定对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的时间。
12.根据权利要求11所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
在对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压的次数超过规定的次数而上述电压检测部检测到的电压在固定时间内仍低于规定的电压时，上述输出控制部使上述燃料电池停止发电，并至少停止供给上述氧化剂气体，以使上述氧化剂极的电位下降到规定的电位，之后，再次供给上述氧化剂气体，使上述燃料电池在规定的时间内处于开路状态，之后，重新开始上述燃料电池的发电。
13.根据权利要求4所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
在将供给到上述燃料极的上述燃料气体的压力维持为低于供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的压力的状态下，通过上述输出控制部将上述燃料电池设为开路状态。
14.根据权利要求4所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
在减少供给到上述燃料极的上述燃料气体的流量来将上述燃料气体的压力维持为低于供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的压力的状态下，通过上述输出控制部将上述燃料电池设为开路状态。
15.根据权利要求13所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
还具备对上述燃料电池的上述燃料极设旁路的燃料电池旁路，在将上述燃料气体的一部分供给到上述燃料电池旁路来减少供给到上述燃料极的上述燃料气体的流量从而将上述燃料气体的压力维持为低于供给到上述氧化剂极的上述氧化剂气体的压力的状态下，通过上述输出控制部将上述燃料电池设为开路状态。
16.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池发电系统，其特征在于，
上述输出控制部根据上述燃料电池的负载变动来控制上述燃料气体和上述氧化剂气体的供给量从而控制上述燃料电池的输出，每隔由上述决定部决定的时间将上述燃料电池的输出强制减少到规定的输出以下，并且将上述燃料气体和上述氧化剂气体降低到规定的供给量之后，对上述氧化剂极施加上述规定电压以上的电压。
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