JP2011505676A - 高出力燃料電池の運転方法及び高出力燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、高出力燃料電池の運転方法及び高出力燃料電池システムに関する。本発明の高出力燃料電池の運転方法は、燃料電池のカソード電極に酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する高出力燃料電池の運転方法であって、（Ｓ１）一定出力を維持するか又は出力が落ちるまで加湿気体を供給する段階；（Ｓ２）前記加湿気体を供給した後、前記（Ｓ１）段階の平均出力より大きい出力を得るために乾燥気体を供給する段階；及び（Ｓ３）前記（Ｓ２）段階で所定の出力を得た後、出力が落ちれば加湿気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持し、その後出力が再び落ちれば乾燥気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持する過程を繰り返す段階；を含む。本発明の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の最適の運転条件を提供して大きい出力が得られる。

Description

本発明は、高出力燃料電池の運転方法及び高出力燃料電池システムに関する。より詳しくは、フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を防止して電極内の水分量を最適に維持する高出力燃料電池の運転方法及び高出力燃料電池システムに関する。

近年、石油や石炭のような従来のエネルギー資源の枯渇が予測されるにつれて、それらに代替可能なエネルギーに対する関心が高くなっている。このような代替エネルギーの１つとして、高効率であってＮＯ_ｘ及びＳＯ_ｘなどの公害物質を排出せず、使用される燃料が豊富であるなどの長所から燃料電池が特に注目されている。

燃料電池は、燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させる発電システムであって、燃料としては水素と、メタノール、ブタンなどのような炭化水素が、酸化剤としては酸素が代表的に使用される。

燃料電池において、電気を発生させる最も基本的な単位は膜電極接合体（ＭＥＡ）であって、これは電解質膜と、電解質膜の両面に形成されるアノード及びカソード電極とで構成される。燃料電池の電気発生原理を示した図１及び化学式１（水素を燃料として使用した場合の燃料電池の反応式）を参照すれば、アノード電極では燃料の酸化反応が起きて水素イオン及び電子が発生し、水素イオンは電解質膜を通じてカソード電極に移動し、カソード電極では酸素（酸化剤）と電解質膜を通じて伝達された水素イオンと電子とが反応して水が生成される。このような反応を通じて外部回路に電子が移動する。

［化学式１］
アノード電極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード電極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全体反応式：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

図２は、燃料電池用膜電極接合体の一般的な構成を示した図である。図２を参照すれば、燃料電池の膜電極接合体は、電解質膜２０１と、電解質膜２０１を介在して対向するアノード電極及びカソード電極とで構成され、アノード電極及びカソード電極は触媒層２０３、２０５及び気体拡散層２０８で構成される。気体拡散層は、電極基材２０９ａ、２０９ｂ及びその上に形成された微細気孔層２０７ａ、２０７ｂで構成される。

上記のように長所が多い燃料電池の活用性を高めるために求められる高出力を実現できる燃料電池に対する研究が益々活発になっており、特に持続的な高出力を提供できる燃料電池に対する要求が増加している。

前述のように、燃料電池では水素イオンが移動して電気が発生する。ここで、水素イオンの移動に助力するものが、燃料電池の電極における反応の結果物でもある水分である。しかし、反応の結果で生成される水分の量が燃料電池のイオン伝導性を確保できるほど十分ではないため、通常加湿条件下で燃料電池が運転される。
しかし、存在する水分が過量である場合は、フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が生じ、触媒層や気体拡散層の微細な孔を塞ぐ恐れがあり、電極の３相反応点を減少させて触媒の活性面積を減少させ、結果的に燃料電池の効率を減少させる。

すなわち、燃料電池の電極における水分の量は電極の性能を左右する要素である。したがって、燃料電池から高い出力を得るためには、電極内に入り込む水分や電極で生成される水分が適切に調節されなければならない。

しかし、このような調節は非常に難しい問題であり、現在までは効果的な解決策が提示されていない。したがって、高出力を得るためには、燃料電池の電極内で適切な水分量を維持できる技術の開発が至急に求められる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、燃料や酸化剤を追加して提供しなくても、フラッディング現象を抑制して燃料電池の出力を高められる燃料電池の運転方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の目的を解決するため、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池のカソード電極に酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する高出力燃料電池の運転方法であって、（Ｓ１）一定出力を維持するか又は出力が落ちるまで加湿気体を供給する段階、（Ｓ２）前記加湿気体を供給した後、前記（Ｓ１）段階の平均出力より大きい出力を得るために乾燥気体を供給する段階、及び（Ｓ３）前記（Ｓ２）段階で所定の出力を得た後、出力が落ちれば加湿気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持し、その後、出力が再び落ちれば乾燥気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持する過程を繰り返す段階を含むことを特徴とする。本発明者等は、一定期間加湿気体を供給してから乾燥気体を供給すれば、燃料電池の出力が著しく向上することを見出した。また、その後、加湿気体と乾燥気体とを交互に供給すれば、向上した出力を維持できることも見出した。したがって、本発明の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池から高出力を得ることができる。

本発明の燃料電池の運転方法において、燃料電池は５００ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度で運転されることが望ましい。また、前記（Ｓ１）段階及び（Ｓ３）段階で加湿気体を供給する時間は、２０秒以下であることが望ましく、前記（Ｓ２）段階及び（Ｓ３）段階で乾燥気体を供給する時間は、２５０秒以下であることが望ましいが、これに限定されることはない。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のカソード電極に酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する高出力燃料電池システムであって、単一膜電極接合体または２つ以上の膜電極接合体（assembly：アッセンブリ）及び膜電極接合体の間に介在されたセパレーターを含むスタック；前記スタックの両端に連結されて前記スタック両端の電流または電圧を測定する検出部；前記検出部と連結され、燃料電池の運転が始まるときに加湿気体供給信号を発生させ、その後、前記検出部から電流または電圧の測定値を受け取って、最初加湿気体が供給された後出力が一定に維持されるか又は低下すれば出力を上昇させるように乾燥気体供給信号を発生させ、その後は上昇された又は予め定められた出力を維持するために加湿気体供給信号または乾燥気体供給信号を交互に発生させる制御部；及び前記制御部の信号を受信し、その信号に従って乾燥気体または加湿気体を選択して供給する酸化剤供給部；を含む。

燃料電池の電気発生原理を説明するための概略図である。 一般的な燃料電池用膜電極接合体の構造を示した概略図である。 本発明の燃料電池を運転するとき、カソード電極に加湿気体、乾燥気体及び加湿気体を順次供給し、一定の電流密度（ａ：３００ｍＡ／ｃｍ^２、ｂ：５００ｍＡ／ｃｍ^２、ｃ：７００ｍＡ／ｃｍ^２、ｄ：９００ｍＡ／ｃｍ^２）で出力電圧を測定して示したグラフである。 本発明の実施例１で出力電圧を測定した結果を示したグラフである。 本発明の高出力燃料電池システムの一例を示した概略図である。 本発明の実施例１で出力電圧を測定した結果及び出力電圧の上昇程度を示したグラフである。 本発明の実施例２で出力電圧を測定した結果及び出力電圧の上昇程度を示したグラフである。

以下、本発明を詳しく説明する。本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。

前述したように、本発明者等は、燃料電池のカソード電極に酸化剤として一定期間加湿気体を供給してから乾燥気体を供給すれば、燃料電池の出力が著しく向上することを見出した。これに関し、図３は一定時間燃料電池のカソード電極に相対湿度が約１００％である加湿気体を供給した後、相対湿度が約０％である乾燥気体を供給し、再び加湿気体を供給しながら測定した電圧を示したグラフである（それぞれの電流密度はａ：３００ｍＡ／ｃｍ^２、ｂ：５００ｍＡ／ｃｍ^２、ｃ：７００ｍＡ／ｃｍ^２、ｄ：９００ｍＡ／ｃｍ^２である）。ここで、最初加湿気体を供給してから乾燥気体を供給する場合に、燃料電池の出力が上昇することが分かる。本発明は、この点に着目して燃料電池を高出力に維持できる運転方法及び高出力燃料電池システムを開示する。

以下、本発明の燃料電池の運転方法について詳しく説明する。

本発明による燃料電池の運転方法は、燃料電池のカソード電極に酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する高出力燃料電池の運転方法であって、まず一定出力を維持するか又は出力が落ちるまで加湿気体を供給する（Ｓ１）。

図３に示されたように、最初加湿気体を供給する間には出力が大きく変化することがなく、経時的に一定水準を維持するか又は少し下落することが見られる。

加湿気体及び乾燥気体は、酸化剤として当分野で使用する酸化剤であれば制限なく使用することができる。例えば、空気または酸素であり得るが、これに制限されることはない。

加湿気体の湿度は、電極に必要な最小限の水分以上を供給可能な範囲であれば制限なく選択することができ、例えば相対湿度が７０％以上であり得るが、これに限定されることはない。加湿気体の相対湿度が高いほど本発明が目的とする加湿効果が高くなり、例えば、相対湿度は９９．９９９９％であり得るが、これに限定されることはない。

次に、前記加湿気体を供給した後、前記（Ｓ１）段階の平均出力より大きい出力を得るために乾燥気体を供給する（Ｓ２）。

図３に示されたように、最初加湿気体が供給された後に乾燥気体を供給すれば、燃料電池の出力が上昇し、特に電流密度が高いほど出力の上昇が著しいことが分かる。これは、乾燥気体が供給されながら電極内のフラッディング現象が解消され、３相反応点で水分が蒸発してより容易にＯ_２が３相反応点に到達するため、燃料電池の出力が上昇すると考えられる。

乾燥気体の湿度は、電極のフラッディング現象を解消可能な範囲であれば制限なく選択することができ、例えば相対湿度が２０％以下であり得るが、これに限定されることはない。乾燥気体の相対湿度が低いほど本発明が目的とする乾燥効果が高くなり、例えば、相対湿度は最低０．０００１％であり得るが、これに限定されることはない。

次いで、前記（Ｓ２）段階で所定の出力を得た後、出力が落ちれば加湿気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持し、その後、出力が再び落ちれば乾燥気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持する過程を繰り返す（Ｓ３）。

図３に示されたように、乾燥気体を供給する時間が経過すれば出力が最高点に到達してしばらく維持されてから再び落ちることが分かる。

カソード電極に乾燥気体が供給される間、出力が上昇した後一定の値で維持される区間では、フラッディング現象が解消し、また３相反応点の水分が蒸発して出力上昇に寄与するが、イオノマー内部の水分も共に蒸発して出力が減少するようになる。結局、電池全体の出力が一定した区間が現れる。

その後、乾燥気体が供給され続けば、フラッディング現象が完全に除去され、イオノマー内部の水分が過度に蒸発し、イオノマーを介したプロトンの伝達が円滑でなくなり、出力が低下し始める。

したがって、図３に示されたように、２次加湿気体を供給すれば水分不足が解消され、出力が上昇する。しかし、継続的な加湿気体の供給は、再び過度な水分供給をもたらし、燃料電池の出力が低下し始める。

したがって、本発明による燃料電池の運転方法は、２次加湿気体が供給された後、出力が低下すれば、再び乾燥気体を供給して水分量を調節する段階を含む。このような過程を繰り返して加湿気体と乾燥気体とを交互に供給することで、高出力を提供することができる。このような方式で最初出力である（Ｓ１）段階の平均出力より大きい出力を維持することができる。

したがって、加湿気体と乾燥気体との供給を交代する時点は、燃料電池の出力が求められる高出力値より低下する時点であり得る。

当業者であれば、燃料電池を運転しながら燃料電池が提供する出力から加湿気体と乾燥気体との供給を交代する時点を容易に把握することができる。例えば、加湿気体は供給され始めてから２０秒以下で供給され得るが、これに限定されることはない。加湿気体が２０秒を超過して供給されれば、フラッディング現象が発生することがある。また、乾燥気体は供給され始めてから２５０秒以下で供給され得る。乾燥気体の供給が２５０秒を超過すると、電解質膜に水分が足りなくなることがある。前記加湿気体及び乾燥気体の供給時間は、それぞれフラッディング現象が生じないか、または電解質膜が本格的に乾燥されなければ良いので、その下限に特別な制限はない。例えば、加湿気体は１〜２０秒間、乾燥気体は１〜２５０秒間供給され得るが、これは単なる例示に過ぎず、これに限定されることはない。

図４、図６及び図７は、それぞれ本発明の非制限的な実施例により、最初加湿気体を供給してから乾燥気体を供給して出力を上昇させた後、再び加湿気体と乾燥気体とを交互に供給しながら一定の電流密度で測定した出力電圧を示したグラフである。図４には、最初加湿気体供給区間では一定した出力電圧を示し、乾燥気体を供給する区間では出力が著しく上昇し、その後、加湿気体と乾燥気体とを交互に供給する区間（ａ）では上昇した出力電圧が維持されることがよく示されている。

また、図６及び図７を参照すれば、高出力を得た後、加湿気体と乾燥気体とを交互に供給する区間（図４のａ区間に対応する区間）である高出力区間で、平均出力を基準にして出力が上昇と下降とを繰り返すことが確認できる。前述したように、高出力区間におけるこのような出力の上昇と下降は、加湿気体と乾燥気体とを繰り返して交差供給するためである。高出力区間における平均出力値、最高出力値及び最低出力値は、燃料電池が適用される分野によって多様且つ適切に選択することができるため、特別に制限されない。例えば、高出力区間における出力値として、最低出力値が高出力区間の平均出力の９０％であり、最高出力値が高出力区間の平均出力の１１０％であり得るが、これは単なる例示に過ぎず、これに限定されることはない。

また、本発明の運転方法において、特に電流密度が高いほど出力の上昇が著しいため、燃料電池が５００ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度で運転される場合に一層効果的に高出力が得られる。燃料電池が適用される分野に応じて求められる電流密度が多様であるので、前記電流密度の上限は特に制限されない。例えば、約１、０００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度でも運転でき、自動車に適用される場合には１、２００ｍＡ／ｃｍ^２ないし１、４００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で運転されることもある。

以下、添付された図面を参照にして本発明の燃料電池の運転方法による一例として高出力燃料電池システムについて詳しく説明する。しかし、ここに記載される具現例と図面に示された構成は本発明の最も望ましい一例に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変更例があり得ることを理解せねばならない。

本発明の一例として提供される燃料電池システムは、燃料電池のカソード電極に酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する燃料電池システムであって、単一膜電極接合体または２つ以上の膜電極接合体及び膜電極接合体の間に介在されたセパレーターを含むスタック；前記スタックの両端に連結され、前記スタック両端の電流または電圧を測定する検出部；前記検出部と連結され、燃料電池の運転が始まるときに加湿気体供給信号を発生させ、その後は前記検出部から電流または電圧の測定値を受け取って、最初加湿気体が供給された後出力が一定に維持されるか又は低下すれば出力を上昇させるように乾燥気体供給信号を発生させ、その後は上昇された又は予め定められた出力を維持するために加湿気体供給信号または乾燥気体供給信号を交互に発生させる制御部；及び前記制御部の信号を受信し、その信号に従って乾燥気体または加湿気体を選択して供給する酸化剤供給部；を含む。

図５は、本発明の一例による高出力燃料電池システムの構成を示した概略図である。図面を参照すれば、本発明の高出力燃料電池システムは、膜電極接合体としてアノード電極５１１、カソード電極５１２、及び電解質膜５１３；燃料電池の気体出入口であるアノード入口５０１、アノード出口５０２、カソード入口５０３、及びカソード出口５０４；検出部として出力電流及び出力電圧測定ライン５０７；制御部５１４；及び酸化剤供給部として乾燥気体ライン５０６、弁５１６、加湿器５１５、及び加湿気体ライン５０５を含む。

本発明で使用する膜電極接合体は、図２に示されたように、当分野で使用する通常の膜電極接合体が制限なく使用され得る。本発明の燃料電池用膜電極接合体は、電解質膜２０１と、前記電解質膜２０１を介在して相互対向するアノード電極及びカソード電極とを含む。前記アノード電極及びカソード電極は、気体拡散層２０８及び触媒層２０３、２０５を含む。本発明の燃料電池用気体拡散層２０８は、基材２０９ａ、２０９ｂ及び基材の一面に形成される微細気孔層２０７ａ、２０７ｂを含み得る。

本発明の電解質膜は両電極を分離させ、プロトンと水分の伝達通路になる。本発明の電解質膜としては、当分野で使用する電解質膜を制限なく使用でき、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、炭化水素系ポリマー、ポリイミド、ポリビニリデンフルオライド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル、ドープされたポリベンズイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、これらの酸及び塩基からなる群より選択される高分子を使用することができるが、これに限定されることはない。

本発明の触媒層は、酸化反応及び還元反応が起きる場所である。アノード電極及びカソード電極にそれぞれ存在し、触媒及びポリマーイオノマーを含む。

触媒としては、当分野で使用するものであれば制限なく使用でき、例えば、金属触媒または炭素系支持体に担持された金属触媒であり得る。前記金属触媒としては、代表的に白金、ルテニウム、オスミウム、白金‐ルテニウム合金、白金‐オスミウム合金、白金‐パラジウム合金、白金‐モリブデン合金、白金‐ロジウム合金、及び白金‐遷移金属合金からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されることはない。

前記炭素系支持体は炭素系物質であり得るが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック（ｄｅｎｋａ ｂｌａｃｋ）、ケッチェンブラック（ｋｅｔｊｅｎ ｂｌａｃｋ)、活性カーボン、メソポーラスカーボン（ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｈｏｒｎ）、炭素ナノリング（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｒｉｎｇ）、炭素ナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、及びスーパーＰ（登録商標）からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物であることが望ましい。

前記ポリマーイオノマーとしては、当分野で通常使用するものであれば制限なく使用することができる。例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）イオノマーまたはスルホン化ポリトリフルオロスチレンのようなスルホン化されたポリマーを代表的に使用できるが、これに限定されることはない。

本発明の気体拡散層は、セパレーターと触媒層との間で電流伝導体の役割を果たし、反応物であるガス及び生成物である水の通路になる。したがって、気体拡散層はガスが通過し易いように多孔性（２０〜９０％）構造になっている。

気体拡散層としては、当分野で使用する気体拡散層を制限なく使用することができる。代表的に、カーボン紙、炭素布、及び炭素フェルトからなる群より選択される導電性基材を含んでなり得る。前記気体拡散層は前記導電性基材の一面に形成される微細気孔層をさらに含み得、微細気孔層は炭素系物質及びフッ素系樹脂を含んで形成され得る。

前記炭素系物質としては、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック、活性カーボン、メソポーラスカーボン、炭素ナノチューブ、炭素ナノ繊維、炭素ナノホーン、炭素ナノリング、炭素ナノワイヤ、フラーレン（Ｃ６０）、及びスーパーＰからなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されることはない。

前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶｄＦ）、ポリビニールアルコール、セルロースアセテート、ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレンのコポリマー（ＰＶｄＦ‐ＨＦＰ）またはスチレン‐ブタジエンゴム（ＳＢＲ）からなる群より選択されるいずれか１種または２種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されることはない。

前記気体拡散層の厚さは、必要に応じて適切に採択することができる。例えば、１００〜４００μｍであり得るが、これに限定されることはない。厚さが薄過ぎれば、触媒層とセパレーターとの間で電気接触抵抗が大きくなり、また十分な耐圧縮力を持つことができない一方、厚過ぎれば、反応物であるガスの移動が難しくなるため、適正の厚さを維持しなければならない。

このとき、触媒層は前記気体拡散層の微細気孔層と電解質膜との間に形成される。

前記セパレーターは、膜電極接合体が電気的に連結されることを防止し、外部から供給された燃料及び酸化剤を膜電極接合体に伝達する役割を果たす。セパレーターとしては、当分野で通常使用するものであれば制限なく使用することができる。例えば、黒鉛またはステンレススチールなどを代表的に使用することができるが、これに限定されることはない。

アノード入口５０１に流入される燃料としては、気体状または液体状の水素または炭化水素燃料を使用でき、炭化水素燃料としてはメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたは天然ガスが挙げられる。

カソード入口５０３に流入される酸化剤としては、酸素または空気を代表的に使用でき、加湿気体ライン５０５または乾燥気体ライン５０６を通って流入される。

本発明の燃料電池システムで検出部５０７は、前記スタックの両端に連結されて燃料電池の運転中に電流及び電圧を測定する。当分野には燃料電池の両端と電気的に連結されて電流及び電圧を測定する多様な装置が存在し、これを制限なく使用することができる。

本発明の燃料電池システムで制御部５１４は、最初乾燥気体の供給によって設定される最高出力または予め定められた出力と検出部５０７から伝送された出力とを比べ、加湿気体または乾燥気体の供給可否を決定し、酸化剤供給部に信号を伝送する。

具体的に、燃料電池を運転するとき、最初は一定出力を維持するか又は出力が落ちるまで加湿気体供給信号を酸化剤供給部に伝送する。次いで、出力を上昇させるように乾燥気体供給信号を酸化剤供給部に伝送する。このとき、乾燥気体供給信号の伝送は検出部５０７から伝送される出力を参考し、出力が上昇した後上昇した出力を維持するか、又は予め定められた出力以下に出力が低下するまで続く。

次いで、検出部５０７から伝送された出力が前記上昇した出力または予め定められた出力以下に低下すれば、加湿気体供給信号を再び伝送する。検出部から伝送される出力をチェックし続け、加湿気体供給信号を伝送した後、再び出力が前記上昇した出力または予め定められた出力以下に低下すれば、乾燥気体供給信号を伝送し、その後は検出部５０７から伝送される出力が前記上昇した出力または予め定められた出力以下に低下しないように、前述したように加湿気体供給信号と乾燥気体供給信号とを交互に酸化剤供給部に伝送する。

すなわち、制御部５１４は、最初加湿気体が供給される間に検出部から伝送された平均出力より大きい出力を下限値として予め定め、予め定められた出力以下に出力が低下しないように加湿気体と乾燥気体の供給信号を酸化剤供給部に伝送する。

制御部５１４は当分野で周知の多様な方法で具現でき、例えば、上記のような過程を具現するプログラム及び前記プログラムを実行する電気回路、マイクロプロセッサなどであり得るが、これに限定されることはない。

本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤供給部は制御部５１４から信号を受信して酸化剤として加湿気体または乾燥気体をカソード電極に供給する。加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する方式は、通常使用する多様な方法を制限なく適用することができる。

例えば、図５に示されたように、本発明による酸化剤供給部は、燃料電池のカソード入口５０３に連結された乾燥気体ライン５０６；前記乾燥気体ライン上に備えられた３方弁５１６；及び前記３方弁から分岐されて燃料電池の酸化剤入力部に連結され、ライン上に加湿器５１５が備えられた加湿気体ライン５０５；を含み得るが、これに限定されることはない。ここで、酸化剤供給部は制御部５１４の信号に従って３方弁の方向を変え、加湿気体と乾燥気体とを交互に供給する。具体的に、制御部５１４から乾燥気体供給信号を受信すれば、３方弁は加湿気体ラインを閉めて乾燥気体ラインを開け、乾燥気体を供給する。逆に、加湿気体供給信号を受信すれば、３方弁は乾燥気体ラインを閉めて加湿気体ラインを開け、加湿気体を供給する。

酸化剤供給部から供給される加湿気体の湿度は、電極に必要な最小限の水分以上を供給できる範囲であれば制限なく選択することができる。例えば、相対湿度は７０％以上であり得るが、これに限定されることはない。加湿気体の相対湿度が高いほど、本発明が目的とする加湿効果が高くなり、例えば、相対湿度は９９．９９９９％であり得るが、これに限定されることはない。

酸化剤供給部から供給される乾燥気体の湿度は、電極のフラッディング現象を解消可能な範囲であれば制限なく選択することができる。例えば、相対湿度は２０％以下であり得るが、これに限定されることはない。乾燥気体の相対湿度が低いほど、本発明が目的とする乾燥効果が高くなり、例えば、相対湿度は最低０．０００１％であり得るが、これに限定されることはない。

図５に示された乾燥気体ライン、加湿気体ライン、弁、及び加湿器の種類及び位置は、本発明の一例を示したものに過ぎず、その位置及び構成は多様に変更できることを理解しなければならない。

以下、本発明を具体的に説明するために実施例を挙げて詳しく説明する。しかし、本発明による実施例は多種の他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は、当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供される。

実施例１
電解質膜（ナフィオン１１２、デュポン社製）の両面に白金触媒を使用した触媒層を形成し、グラファイトファイバー（ｇｒａｐｈｉｔｅ ｆｉｂｅｒ）で製造した気体拡散層を接着させて単位電池を製造した。

上記のようにして製造した単位電池を７０℃の電池温度及び水素／空気条件下で運転して９００ｍＡ／ｃｍ^２における電圧変化を測定した。このときの気体化学量論は１．３（アノード気体）及び２．０（カソード気体）であった。

運転を始めてから６３秒までは相対湿度１００％（±０．５）の加湿気体をカソードに供給し、その後１３２秒までは相対湿度０％（±０．５）の乾燥気体をカソードに供給した。乾燥気体を供給してから５２８秒までは出力電圧が上昇してから下落すれば加湿気体と乾燥気体とを交互に供給して出力を維持させた。５２８秒後には加湿気体のみを供給し、８５０秒で運転を停止した。

燃料電池の運転中に出力電圧の変化を観察し、その結果を図６に示した。

実施例２
１Ａ／ｃｍ^２における電圧変化を測定し、運転を始めてから８３秒までは加湿気体をカソードに供給し、その後２０９秒までは乾燥気体を供給した。その後７０５秒までは出力電圧が上昇してから下落すれば加湿気体と乾燥気体とを交互に供給し、７０５秒後には加湿気体のみを供給してから１０６０秒で運転を停止した。その他は実施例１と同様の方法で燃料電池を運転した。

燃料電池の運転中に出力電圧の変化を観察し、その結果を図７に示した。

図６及び図７を参照すれば、図３に示されたように、一定湿度を持つ気体をカソード電極に供給した場合とは違って、本発明の燃料電池システムは大きい出力を継続的に維持することができる。また、最初加湿気体を供給したときの平均出力より、乾燥気体を供給した後上昇した出力を維持させる間の平均出力が、それぞれ約１６．５％及び１７．６％上昇したことが分かる。

本発明の燃料電池の運転方法によれば、一時的に大きい出力を求める状況でも効果的に高出力が得られるだけでなく、燃料や酸化剤の使用量は従来と同様であっても従来の燃料電池より大きい出力を得る運転が可能である。

また、本発明の燃料電池システムは、従来の燃料電池より大きい出力が出せる。このような本発明による燃料電池の運転方法及び燃料電池システムは、燃料電池が使用される全ての産業分野に適用でき、特により大きい出力が求められる自動車、家庭用電熱機器などに好適に適用できる。

Claims (16)

1. 燃料電池のカソードに酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する、高出力燃料電池の運転方法であって、
   （Ｓ１）一定出力を維持するか又は出力が低下するまで加湿気体を供給する段階と、
   （Ｓ２）前記加湿気体を供給した後、前記（Ｓ１）段階の平均出力より大きい出力を得るために乾燥気体を供給する段階と、
   （Ｓ３）前記（Ｓ２）段階で所定の出力を得た後、出力が低下すれば加湿気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持し、その後出力が再び低下すれば乾燥気体を供給して出力を上昇させ前記所定の出力を維持する過程を繰り返す段階とを含んでなる、燃料電池の運転方法。
2. 前記（Ｓ１）段階及び（Ｓ３）段階において、加湿気体を供給する時間が２０秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
3. 前記（Ｓ２）段階及び（Ｓ３）段階において、乾燥気体を供給する時間が２５０秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
4. 前記燃料電池が、５００ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度で運転されることを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
5. 前記（Ｓ１）段階の平均出力より前記（Ｓ３）段階の平均出力がより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
6. 前記（Ｓ３）段階の出力値が、下記数式１による値を持つことを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
   （Ｓ３）段階の平均出力の９０％≦（Ｓ３）段階の出力値≦（Ｓ３）段階の平均出力の１１０％ （数式１）
7. 前記加湿気体が、相対湿度が７０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
8. 前記乾燥気体が、相対湿度が２０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高出力燃料電池の運転方法。
9. 燃料電池のカソード電極に酸化剤として加湿気体または乾燥気体を選択的に供給する、高出力燃料電池システムであって、
   単一膜電極接合体または２つ以上の膜電極接合体と、前記２つ以上の膜電極接合体の間に介在されたセパレーターを備えたスタックと、
   前記スタックの両端に連結され、前記スタック両端の電流または電圧を測定する検出部と、
   前記検出部と連結され、燃料電池の運転が始まるときに加湿気体供給信号を発生させ、その後は前記検出部から電流または電圧の測定値を受け取って、最初加湿気体が供給された後、出力が一定に維持されるか又は低下すれば出力を上昇させるように乾燥気体供給信号を発生させ、その後は上昇された又は予め定められた出力を維持するために加湿気体供給信号または乾燥気体供給信号を交互に発生させる制御部と、
   前記制御部の信号を受信し、その信号に従って乾燥気体または加湿気体を選択して供給する酸化剤供給部とを備えてなる、高出力燃料電池システム。
10. 前記加湿気体を供給する時間が、２０秒以下であることを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。
11. 前記乾燥気体を供給する時間が、２５０秒以下であることを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。
12. 前記燃料電池が、５００ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度で運転されることを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。
13. 酸化剤として最初加湿気体が供給される間の平均出力より、その後乾燥気体と加湿気体とが交互に供給される間の平均出力がより大きいことを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。
14. 最初加湿気体が供給された後、上昇した出力が維持される高出力区間では、出力値が下記数式２による値を持つことを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。
    高出力区間の平均出力の９０％≦高出力区間の出力値≦高出力区間の平均出力の１１０％ （数式２）
15. 前記加湿気体が、相対湿度が７０％以上であることを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。
16. 前記乾燥気体が、相対湿度が２０％以下であることを特徴とする、請求項９に記載の高出力燃料電池システム。

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