(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１００は電極触媒として白金を含む燃料電池１０を備える。本発明の燃料電池システム１００は、低負荷運転されている燃料電池１０の発電性能を回復させるために燃料電池１０の空気極電位を低下させたのちに空気極電位を上昇させる際の、空気極電位の上昇速度が切換可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極触媒として白金を含む燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
低負荷運転されている燃料電池の発電性能を回復させるために当該燃料電池の空気極電位を低下させたのちに前記空気極電位を上昇させる際の、前記空気極電位の上昇速度が切換可能に構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記空気極電位の上昇速度を切換えるか否かを判断する判断手段と、
前記上昇速度を切換えないと判断される場合には、前記空気極電位を第１の電位から第２の電位まで第１の上昇速度で上昇させる一方で、前記上昇速度を切換えると判断される場合には、前記空気極電位を前記第１の電位から第３の電位まで前記第１の上昇速度で上昇させたのち、前記第３の電位から前記第２の電位まで前記第１の上昇速度よりも遅い第２の上昇速度で上昇させる速度制御手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の状態は、第１の状態と、前記第１の状態よりも燃料電池が劣化しやすい第２の状態とに分類され、
前記判断手段は、前記燃料電池が第２の状態である場合、前記空気極電位の上昇速度を切換えると判断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記状態検出手段は、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記判断手段は、前記燃料電池の温度が所定温度以上の場合、前記燃料電池が前記第２の状態であるとして、前記空気極電位の上昇速度を切換えると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記状態検出手段は、前記燃料電池の含水量を検出する含水量検出手段を有し、
前記判断手段は、前記燃料電池の含水量が所定含水量以上の場合、前記燃料電池が前記第２の状態であるとして、前記空気極電位の上昇速度を切換えると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記状態検出手段は、前記燃料電池の空気極電位の履歴を検出する電位履歴検出手段を有し、
前記判断手段は、前記燃料電池の空気極電位が所定電位以下である期間が所定期間以上の場合、または前記空気極電位の所定電位幅以上の変動回数が所定回数以上の場合、前記燃料電池が前記第２の状態であるとして、前記空気極電位の上昇速度を切換えると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記状態検出手段は、前記燃料電池が搭載された燃料電池自動車のアクセル開度の履歴を検出するアクセル開度履歴検出手段を有し、
前記判断手段は、前記アクセル開度が所定値以上である期間が所定期間以上の場合、前記燃料電池が前記第２の状態であるとして、前記空気極電位の上昇速度を切換えると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムを駆動用電源として搭載したことを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項９】
電極触媒として白金を含む燃料電池の運転方法であって、
低負荷運転されている燃料電池の発電性能を回復させるために当該燃料電池の空気極電位を低下させたのちに、低下された前記空気極電位を切換可能な上昇速度で上昇させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、および燃料電池自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を発生するものである。燃料電池では、電極触媒として白金または白金合金が用いられている。
【０００３】
電極触媒として白金を含む燃料電池に関する技術としては、白金触媒の酸化にともなう発電性能の低下を抑制する見地から、下記の特許文献１に示すような燃料電池装置が知られている。特許文献１に開示されている燃料電池装置は、燃料電池のカソード電位（空気極電位）を周期的に０．６Ｖｖｓ．ＳＨＥ以下に低下させることにより白金酸化物を還元して、燃料電池の性能を回復させるものである。
【特許文献１】特表２００３−５３６２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池装置では、白金の酸化および還元が繰り返されることにより白金が溶解して、長期的には燃料電池の性能が低下してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上記燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、電極触媒として白金を含む燃料電池を備える。本発明の燃料電池システムは、低負荷運転されている燃料電池の発電性能を回復させるために当該燃料電池の空気極電位を低下させたのちに前記空気極電位を上昇させる際の、前記空気極電位の上昇速度が切換可能に構成されている。
【０００９】
本発明の燃料電池の運転方法は、電極触媒として白金を含む燃料電池を備える。本発明の燃料電池の運転方法は、低負荷運転されている燃料電池の発電性能を回復させるために当該燃料電池の空気極電位を低下させたのちに、低下された前記空気極電位を切換可能な上昇速度で上昇させる。
【００１０】
本発明の燃料電池自動車は、上記燃料電池システムを駆動用電源として搭載している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の発電性能を回復させるために低下された空気極電位を上昇させる際の上昇速度が変更されるため、白金酸化物を還元するとともに、白金の溶解を抑制することができる。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池の耐久性が向上するため、燃料電池自動車の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明を燃料電池自動車の電源システムに適用した場合を例にとって説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池の発電性能を回復させるために燃料電池のカソード電位を低下させる処理において、低下されたカソード電位を上昇させる際の上昇速度を切換えることにより、燃料電池の劣化を抑制するものである。
【００１５】
図１に示すとおり、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０、燃料タンク２０、コンプレッサ３０、電圧検出部４０、温度検出部５０、抵抗検出部６０、負荷器７０、電流検出部８０、および制御部９０を備える。
【００１６】
燃料電池１０は、水素および酸素の供給を受けて電力を生成するものである。燃料電池１０は、単位電池としての単セルが複数積層されて構成される。各単セルには、電極触媒として白金が用いられている。燃料電池１０についての詳細な構成については後述する。
【００１７】
燃料タンク２０は、燃料電池１０に供給されるアノードガス（水素を含む燃料ガス）を貯蔵するものである。燃料タンク２０は、水素供給用配管を通じて、燃料電池１０のアノード（燃料極）にアノードガスを供給する。
【００１８】
コンプレッサ３０は、燃料電池１０にカソードガス（たとえば、空気）を供給するものである。コンプレッサ３０は、酸素供給用配管を通じて、燃料電池１０のカソード（空気極）にカソードガスを供給する。
【００１９】
電圧検出部４０は、燃料電池１０のセル電圧を検出するものである。電圧検出部４０は、燃料電池１０に取り付けられる電圧センサを含み、燃料電池１０を構成する複数の単セルのうち一の単セルのセル電圧を検出する。電圧検出部４０は、制御部９０に電気的に接続されており、電圧検出部４０からの信号は、制御部９０に送信される。
【００２０】
温度検出部５０は、温度検出手段として、燃料電池１０の温度を検出するものである。温度検出部５０は、温度センサを含み、燃料電池１０の温度を検出する。温度検出部５０は、制御部９０に電気的に接続されており、温度検出部５０からの信号は、制御部９０に送信される。
【００２１】
抵抗検出部６０は、燃料電池１０の抵抗値を検出するものである。抵抗検出部６０は、燃料電池１０に電気的に並列に接続される抵抗計を含み、燃料電池１０の電気的な抵抗値を測定する。また、抵抗検出部６０は、燃料電池１０の含水量を検出する含水量検出手段として機能する。抵抗検出部６０は、制御部９０に電気的に接続されており、抵抗検出部６０からの信号は、制御部９０に送信される。
【００２２】
負荷器７０は、燃料電池１０から電流を取り出すものである。負荷器７０は、燃料電池１０に電気的に並列に接続されており、燃料電池１０で発生される電力を消費または蓄電する。本実施の形態の負荷器７０は、燃料電池自動車を駆動させるための駆動モータ、燃料電池１０の補機、および二次電池を含む。負荷器７０は、制御部９０によって制御され、燃料電池１０から電流を取り出す。
【００２３】
電流検出部８０は、燃料電池１０を流れる電流を検出するものである。電流検出部８０は、燃料電池１０と負荷器７０との間に設けられる電流計を含み、燃料電池１０と負荷器７０との間を流れる電流を検出する。電流検出部８０は、制御部９０に電気的に接続されており、電流検出部８０からの信号は、制御部９０に送信される。
【００２４】
制御部９０は、燃料電池１０のカソード電位を変化させるものである。制御部９０は、負荷器７０を制御して、燃料電池１０のカソード電位を変化させる。制御部９０は、電圧検出部４０、温度検出部５０、抵抗検出部６０、および電流検出部８０から信号を受信して、負荷器７０に指令信号を送信する。また、本実施の形態の負荷器７０および制御部９０は、燃料電池のセル性能を回復させるために低下されたカソード電位を上昇する際のカソード電位の上昇速度を制御する速度制御手段として機能する。制御部９０は、温度検出部５０および抵抗検出部６０で検出される燃料電池１０の温度および含水量に基づいて、燃料電池１０のカソード電位の上昇速度を切換えるか否かを判断する判断部（判断手段）として機能する。
【００２５】
次に、図２を参照して、本実施の形態の燃料電池１０について詳細に説明する。
【００２６】
図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル構造を示す斜視図である。上述したとおり、本実施の形態の燃料電池１０は、アノードガスとカソードガスとの反応により起電力を生じる単位電池としての単セルが複数積層されて構成されている。
【００２７】
図２に示すとおり、燃料電池１０を構成する各単セル１１は、ＭＥＡ１２と、ＭＥＡ１２の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１３とから構成される。
【００２８】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１４と、固体高分子電解質膜１４を両側から挟み込むアノード１５およびカソード１６と、を有する。固体高分子電解質膜１４は、水素イオンを通す高分子電解質膜から構成される。アノード１５は、アノード触媒層１５Ａおよびガス拡散層１５Ｂから構成され、カソード１６は、カソード触媒層１６Ａおよびガス拡散層１６Ｂから構成される。カソード触媒層１６Ａは、電極触媒として白金（Ｐｔ）を含む。カソード触媒層１６Ａは、白金の粒子が、たとえば、炭素粉末の担体によって担持されてなる。なお、本実施の形態とは異なり、電極触媒として、Ｐｔ−Ｍｏ合金、Ｐｔ−Ｆｅ合金、Ｐｔ−Ｎｉ合金、およびＰｔ−Ｃｏ合金などの白金合金が用いられてもよい。
【００２９】
セパレータ１３は、導電性を有する材料により形成される。セパレータ１３の一方の面の発電に寄与するアクティブ領域には、ＭＥＡ１２にアノードガスを流通させるアノードガス流路１７Ａをなす溝部１７が形成されている。一方、セパレータ１３の他方の面のアクティブ領域には、ＭＥＡ１２にカソードガスを流通させるカソードガス流路１８Ａをなす溝部１８が形成されている。アノードガスは、アノードガス導入口より導入されて溝部１７を流れ、アノードガス排出口より排出される。カソードガスは、カソードガス導入口より導入されて溝部１８を流れ、カソードガス排出口より排出される。
【００３０】
アノードガス流路１７Ａおよびカソードガス流路１８Ａにアノードガスおよびカソードガスをそれぞれ流通させると、水素はアノード触媒層１５Ａの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜１４を通過する。カソード触媒層１６Ａでは固体高分子電解質膜１４を通過してきた水素イオンと外部回路（不図示）を経由してきた電子がカソードガス中に含まれる酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード１５がマイナスに、カソード１６がプラスになり、図２に示すとおり、アノード１５とカソード１６との間で直流電圧が発生する。本実施の形態では、この直流電圧を電圧検出部４０によって検出する。なお、通電していない状態では、この直流電圧は、理想的には１．２３Ｖである。しかしながら、燃料電池には内部抵抗が存在するため、電圧検出部４０によって検出される電圧は、理想的な電圧よりも低い値を示す。
【００３１】
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０の発電性能を回復させるためにカソード電位を低下させる処理において、低下されたカソード電位を上昇させる際の上昇速度が燃料電池１０の状態に応じて切換えられる。以下、図３〜図７を参照して、本実施の形態の燃料電池システム１００における燃料電池の運転方法について説明する。
【００３２】
図３は、本実施の形態の燃料電池システムによる燃料電池の運転方法を説明するためのフローチャートである。
【００３３】
図３に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、まず、白金触媒が酸化される酸化領域において、燃料電池１０の運転が継続されていることが検知される（ステップＳ１０１）。具体的には、たとえば、燃料電池１０のセル電圧（またはカソード電位）が０．８Ｖ以上の値を維持している状態が所定時間以上継続しているか否かを判定することによって、酸化領域における燃料電池１０の運転の継続が検知される。なお、酸化領域における燃料電池の運転が継続されている状態とは、たとえば、渋滞時に、燃料電池自動車が長時間アイドリング運転されている状態である。このような低負荷運転状態では、白金の酸化が進行して、セル電圧がゆっくりと低下する。
【００３４】
次に、燃料電池１０の発電性能を回復させるために低下されるカソード電位を上昇させる際に、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される（ステップＳ１０２）。本実施の形態では、後続する処理において所定の回復電位（第１の電位）まで一時的に低下される燃料電池１０のカソード電位を上昇させる際に、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される。カソード電位の上昇速度を切換えるか否かを判断する処理の詳細については後述する。
【００３５】
次に、カソード電位を低下させるために、燃料電池１０から電流が取り出される（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、制御部９０が、負荷器７０に指令信号を送信して負荷器７０を作動させ、燃料電池１０から電流を取り出させる。電流が取り出されることにより、燃料電池１０のカソード電位が低下する。
【００３６】
次に、カソード電位がモニタリングされる（ステップＳ１０４）。本実施の形態では、燃料電池１０の発電性能を回復するための電位として予め設定される回復電位（たとえば、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで、カソード電位が低下したことを検知するために、セル電圧からカソード電位が算出されてモニタリングされる。本実施の形態では、セル電圧からカソード電位を算出して直接的にモニタリングすることにより、燃料電池１０のカソード電位を正確に制御する。ここで、セル電圧とカソード電位とは、次のような関係にある。
【００３７】
セル電圧＝カソード電位−アノード電位−（電流ｉ×内部抵抗Ｒ）
一般的に、アノード側の過電圧は無視できるほど小さいので、燃料電池１０に電流が流れない状態であれば、カソード電位は、セル電圧と同じ値を示す。一方、燃料電池１０に電流が流れる場合、電流検出部８０によって電流ｉが検出され、抵抗検出部６０で検出される燃料電池１０の抵抗値を単セル１１の積層数で割ることにより、一の単セル１１の内部抵抗Ｒが算出される。そして、これらの値に基づいて、セル電圧からカソード電位が算出される。
【００３８】
次に、回復電位までカソード電位が低下したか否かが判断される（ステップＳ１０５）。カソード電位が回復電位まで低下しない場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、カソード電位が回復電位に低下するまで待機する。カソード電位が回復電位まで低下されることにより、白金酸化物が還元されて、燃料電池１０の発電性能が回復される。
【００３９】
一方、カソード電位が回復電位まで低下した場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、燃料電池１０からの電流の取り出しが停止される（ステップＳ１０６）。本実施の形態では、制御部９０が、負荷器７０に指令信号を送信して負荷器７０の作動を停止させることにより、燃料電池１０からの電流の取り出しが停止される。電流の取り出しが停止されることにより、カソード電位は上昇する。
【００４０】
次に、ステップＳ１０２の処理結果にしたがって、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される（ステップＳ１０７）。カソード電位の上昇速度を切換えないと判断される場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、電流の取り出しが停止されたまま処理が終了される。その結果、カソード電位は、回復電位から目標電位（第２の電位）まで、当初の上昇速度（以下、第１の上昇速度と称する）で上昇する。
【００４１】
一方、カソード電位の上昇速度を切換えると判断される場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、カソード電位がモニタリングされる（ステップＳ１０８）。本実施の形態では、カソード電位の上昇速度を切換える時点を示す切換電位（第３の電位）までカソード電位が到達したことを検知するために、カソード電位が算出されてモニタリングされる。なお、カソード電位を算出する方法は、ステップＳ１０４に示す処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００４２】
次に、カソード電位が切換電位（たとえば、０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで到達したか否かが判断される（ステップＳ１０９）。カソード電位が切換電位まで到達しない場合（ステップＳ１０９：ＮＯ）、カソード電位が切換電位に到達するまで待機する。一方、カソード電位が切換電位まで到達した場合（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、カソード電位の上昇速度が切換えられる（ステップＳ１１０）。本実施の形態では、制御部９０が、負荷器７０に指令信号を送信して、燃料電池１０が負荷器７０を作動させることにより、カソード電位の上昇速度を切換える。より具体的には、カソード電位が切換電位に到達した時点で燃料電池１０から電流が取り出されることにより、カソード電位の上昇速度が第１の上昇速度から当該第１の上昇速度よりも遅い第２の上昇速度に切換えられる。
【００４３】
以上のとおり、図３に示すフローチャートの処理によれば、まず、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される。そして、判断結果に基づいてカソード電位が切換えられる。具体的には、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断される場合には、回復電位から目標電位まで第１の上昇速度でカソード電位が上昇される。一方、カソード電位の上昇速度を切換えると判断される場合には、カソード電位が切換電位まで第１の上昇速度で上昇されたのち、第１の上昇速度よりも遅い第２の上昇速度で上昇される。
【００４４】
次に、図４を参照して、図３のステップＳ１０２に示す切換判断処理について詳細に説明する。図４は、本実施の形態における切換判断処理を説明するためのフローチャートである。
【００４５】
図４に示すとおり、本実施の形態の切換判断処理では、まず、燃料電池１０の温度が検出される（ステップＳ２０１）。本実施の形態では、温度検出部５０によって燃料電池１０の温度が検出される。温度検出部５０は、たとえば、燃料電池１０のガス排出口近傍に配置される単セル１１の温度を検出する。また、温度検出部５０は、セパレータとガス拡散層との間の温度、または、ガス拡散層と触媒層との間の温度を検出する。
【００４６】
次に、燃料電池１０の含水量が検出される（ステップＳ２０２）。本実施の形態では、抵抗検出部６０により燃料電池１０の抵抗値が検出されて含水量が算出される。より具体的には、燃料電池１０の抵抗値と含水量との関係を示す抵抗値−含水量変換テーブルが予め定められており、抵抗検出部６０により検出される抵抗値に基づいて燃料電池１０の含水量が算出される。なお、含水量が少ないほど、燃料電池１０の抵抗値は大きくなる。
【００４７】
次に、燃料電池１０が高温・高含水量状態であるか否かが判断される（ステップＳ２０３）。本実施の形態では、図５に示すような予め設定されている変換テーブルに基づいて、ステップＳ２０１，Ｓ２０２に示す処理で検出された温度および含水量から、燃料電池１０が高温・高含水量状態であるか否かが判断される。
【００４８】
燃料電池１０が高温・高含水量状態ではないと判断される場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、燃料電池１０は劣化しにくい状態（第１の状態）であるとして、燃料電池１０の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断される。一方、燃料電池１０が高温・高含水量状態であると判断される場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、燃料電池１０が劣化しやすい状態（第２の状態）であるとして、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ発電性能が回復するように、上昇速度を切換えると判断される。
【００４９】
以上のとおり、図４に示すフローチャートの処理によれば、燃料電池１０の温度および含水量に基づいて、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される。具体的には、燃料電池１０が高温・高含水量状態にある場合には、燃料電池が劣化しやすい状態にあるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断される。一方、燃料電池１０が高温・高含水量状態にない場合には、燃料電池が劣化しにくい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断される。
【００５０】
そして、このように構成される本実施の形態における燃料電池の運転方法によれば、燃料電池１０が高温・高含水量状態にない場合には、燃料電池１０の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の上昇速度が切換えられることなく上昇される。一方、燃料電池１０が高温・高含水量状態である場合には、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ発電性能が回復するように、カソード電位が目標電位に到達するまでの時間が長くなるように上昇速度が切換えられる。
【００５１】
次に、図６を参照して、本実施の形態におけるカソード電位の変化について説明する。図６は、本実施の形態の燃料電池の発電性回復処理におけるカソード電位の時間変化を示す図である。図６の縦軸はカソード電位であり、横軸は時間である。
【００５２】
図６の実線は、カソード電位の上昇速度を切換える場合のカソード電位の変化を示し、破線は、カソード電位の上昇速度を切換えない場合のカソード電位の変化を示す。
【００５３】
図６の破線で示すとおり、カソード電位の上昇速度を切換えない場合、発電性能を回復させるために、回復電位（０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下されたカソード電位は、第１の上昇速度で目標電位（０．９５Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで上昇される。
【００５４】
一方、実線で示すとおり、カソード電位の上昇速度を切換える場合、カソード電位は、回復電位から切換電位（０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで第１の上昇速度で上昇され、切換電位に到達した時点で上昇速度が切換えられ、目標電位まで第２の上昇速度で上昇される。
【００５５】
そして、このような構成によれば、燃料電池が劣化しやすい場合には、カソード電位が目標電位まで到達する時間が長くなるように、カソード電位の上昇速度を遅くすることにより、燃料電池の劣化が抑制される。
【００５６】
次に、図７を参照して、本実施の形態における燃料電池の運転方法による燃料電池の発電性能の回復および劣化抑制のメカニズムについて説明する。
【００５７】
図７は、本実施の形態における燃料電池の運転方法における白金の状態変化を説明するための図である。なお、図７では、燃料電池のカソード電位の上昇速度を切換えることなく目標電位まで上昇させる場合を比較例として示している。
【００５８】
図７（Ｂ）に示すとおり、比較例では、燃料電池の発電性能を回復させるために、燃料電池のカソード電位を０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ未満の電位まで低下させ、第１の上昇速度で目標電位まで上昇させる。この場合、白金酸化物（ＰｔＯｘ）が白金（Ｐｔ）に還元される現象に加えて、白金が白金イオン（Ｐｔｎ＋）にイオン化される現象が発生するものと考えられる。したがって、比較例では、触媒活性が回復されて燃料電池の発電性能が回復する一方で、白金の溶解および再凝集が促進され、触媒表面積が減少する。加えて、溶解した白金が電解質膜の内部で再析出することにより、電解質膜の劣化が引き起こされる。その結果、比較例では、燃料電池の発電性能が一時的に回復するものの、長期的には燃料電池の性能が低下する。
【００５９】
一方、図７（Ａ）に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、燃料電池のカソード電位を０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまで低下させ、第１の上昇速度で切換電位まで上昇させたのち、第２の上昇速度で目標電位まで上昇させる。この場合、白金酸化物の一部が還元されるとともに、残りの白金酸化物（ＰｔＯｘ）が状態変化を起こし、白金表面に保護被膜として残留するものと考えられる。そして、状態変化を起こした白金酸化物（ＰｔＯｘ）によって、白金の溶解が抑制され、燃料電池の劣化が抑制されると考えられる。
【００６０】
以上のとおり、本実施の形態における燃料電池の運転方法によれば、燃料電池が劣化しやすい状態にある場合には、カソード電位が目標電位まで到達する時間が長くなるように、カソード電位の上昇速度が切換えられ、白金の溶解が抑制される。一方、燃料電池が劣化しにくい状態にある場合には、カソード電位が目標電位まで切換えられることなく上昇される。その結果、燃料電池の発電性能を回復するとともに、燃料電池の耐久性を向上することができる。
【００６１】
なお、上述した実施の形態では、燃料電池の温度および含水量に基づいて、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断された。しかしながら、燃料電池の温度のみからカソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断されてもよく、あるいは、燃料電池の含水量のみからカソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断されてもよい。
【００６２】
次に、図８を参照して、本実施の形態における燃料電池システム１００を搭載した燃料電池自動車について説明する。
【００６３】
図８は、本実施の形態における燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車を説明する図である。本実施の形態における燃料電池自動車２００は、燃料電池システム１００を駆動用電源として搭載している。燃料電池１０によって生成される電力により自動車２００のモータが駆動され、自動車２００が走行する。上述したとおり、燃料電池自動車２００が渋滞に巻き込まれ、燃料電池１０の低負荷運転が長期間継続される場合であっても、上述した処理により燃料電池１０の発電性能は維持される。そして、本実施の形態の燃料電池自動車２００によれば、燃料電池１０の耐久性が向上されるため、自動車２００の信頼性が向上する。
【００６４】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００６５】
（ａ）本実施の形態の燃料電池システムは、低負荷運転されている燃料電池の発電性能を回復させるために燃料電池のカソード電位を低下させたのちにカソード電位を上昇させる際の、カソード電位の上昇速度が切換可能に構成されている。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるために低下されたカソード電位を上昇させる際の上昇速度が変更されるため、白金酸化物を還元するとともに、白金の溶解を抑制ことができる。その結果、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００６６】
（ｂ）本実施の形態の燃料電池システムは、温度検出部、抵抗検出部、負荷器、および制御部を有する。温度検出部および抵抗検出部は、燃料電池の状態を検出する。制御部は、検出された燃料電池の状態に基づいて、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かを判断する。負荷器および制御部は、上昇速度を切換えないと判断される場合には、前記空気極電位を回復電位から目標電位まで第１の上昇速度で上昇させる一方で、上昇速度を切換えると判断される場合には、カソード電位を回復電位から切換電位まで第１の上昇速度で上昇させたのち、切換電位から目標電位まで第１の上昇速度よりも遅い第２の上昇速度で上昇させる。したがって、燃料電池の状態に応じてカソード電位が目標電位まで到達する時間を長くすることができるため、白金の溶解を確実に抑制することができる。
【００６７】
（ｃ）燃料電池の状態は、第１の状態と、第１の状態よりも燃料電池が劣化しやすい第２の状態とに分類され、制御部は、燃料電池が第２の状態である場合、カソード電位の上昇速度を切換えると判断する。したがって、燃料電池が劣化しやすい状態である場合、燃料電池の劣化抑制を優先して発電性能が回復されるため、燃料電池の耐久性を確実に向上させることができる。
【００６８】
（ｄ）制御部は、燃料電池の温度が所定温度以上の場合、燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断する。したがって、燃料電池の温度を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００６９】
（ｅ）制御部は、燃料電池の含水量が所定含水量以上の場合、燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断する。したがって、燃料電池の含水量を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００７０】
（ｆ）本実施の形態の燃料電池自動車は、上記燃料電池システムを駆動用電源として搭載している。したがって、燃料電池の耐久性が向上するため、燃料電池自動車の信頼性が向上する。
【００７１】
（ｇ）本実施の形態における燃料電池の運転方法は、低負荷運転されている燃料電池の発電性能を回復させるために燃料電池のカソード電位を低下させたのちにカソード電位を上昇させる際の、カソード電位の上昇速度を切換えることができる。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるために低下されたカソード電位を上昇させる際の上昇速度が変更されるため、白金酸化物を還元するとともに、白金の溶解を抑制ことができる。その結果、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００７２】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、燃料電池の温度および含水量からカソード電位の上昇速度を切換えるか否かを判断した。本実施の形態は、燃料電池のカソード電位の履歴から上昇速度を切換えるか否かを判断する。
【００７３】
図９は、本発明の第２の実施の形態における切換判断処理を説明するためのフローチャートである。なお、切換判断処理を除いては、本実施の形態の燃料電池システムの構成は、第１の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００７４】
図９に示すとおり、本実施の形態の切換判断処理では、まず、燃料電池１０のカソード電位の履歴が取得される（ステップＳ３０１）。本実施の形態では、燃料電池１０のカソード電位の履歴が記憶部（不図示）に記憶されており、処理開始時点から所定時間前までのカソード電位の履歴データが取得される。
【００７５】
次に、カソード電位の履歴データにおいて、カソード電位が所定値以下になった期間があるか否かが判断される（ステップＳ３０２）。ここで、所定値とは、燃料電池１０が高負荷運転状態であることを判定するための電位である。カソード電位が所定値以下になった期間がない場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）、ステップＳ３０５以下の処理に移行する。一方、カソード電位が所定値以下になった期間がある場合（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、カソード電位が所定値以下になった期間が所定時間以上であるか否かが判断される（ステップＳ３０３）。
【００７６】
カソード電位が所定値以下になった期間が所定時間未満の場合（ステップＳ３０３：ＮＯ）、ステップＳ３０５以下の処理に移行する。一方、カソード電位が所定値以下になった期間が所定時間以上の場合（ステップＳ３０３：ＹＥＳ）、燃料電池１０は劣化しやすい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断され（ステップＳ３０４）、処理が終了される。
【００７７】
一方、カソード電位が所定値以下になった期間がない場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）、または所定値以下になった期間が所定時間（たとえば、１時間）未満の場合（ステップＳ３０３：ＮＯ）、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所があるか否かが判断される（ステップＳ３０５）。ここで、所定の電位幅とは、燃料電池の運転状態が高負荷運転状態から低負荷運転状態まで、または低負荷運転状態から高負荷運転状態まで大きく変化したことを判定するための電位幅である。カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所がない場合（ステップＳ３０５：ＮＯ）、燃料電池１０は劣化しにくい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断され（ステップＳ３０６）、処理が終了される。
【００７８】
一方、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所がある場合（ステップＳ３０５：ＹＥＳ）、カソード電位の履歴データにおいて、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所の数が所定数以上か否かが判断される（ステップＳ３０７）。カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所の数が所定数以上の場合（ステップＳ３０７：ＹＥＳ）、燃料電池１０は劣化しやすい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断され（ステップＳ３０４）、処理が終了される。一方、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所の数が所定数未満の場合（ステップＳ３０７：ＮＯ）、燃料電池１０は劣化しにくい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断され（ステップＳ３０６）、処理が終了される。
【００７９】
以上のとおり、図９に示すフローチャートの処理によれば、燃料電池１０のカソード電位の履歴に基づいて、燃料電池のカソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される。具体的には、燃料電池のカソード電位が所定電位以下である期間が所定時間未満の場合、またはカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が所定回数未満の場合、燃料電池の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断される。一方、燃料電池のカソード電位が所定値以下である期間が所定時間以上の場合、またはカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が所定回数以上の場合、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能が回復するように、カソード電位の上昇速度を切換えると判断される。
【００８０】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００８１】
（ｈ）制御部は、燃料電池のカソード電位が所定電位以下である期間が所定期間以上の場合、またはカソード電位の所定電位幅以上の変動回数が所定回数以上の場合、燃料電池が劣化しやすいであるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断する。したがって、燃料電池のカソード電位の履歴を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００８２】
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、燃料電池が搭載された燃料電池自動車のアクセル開度の履歴からカソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される実施の形態である。
【００８３】
図１０は、本発明の第３の実施の形態における切換判断処理を説明するためのフローチャートである。なお、切換判断処理を除いては、本実施の形態の燃料電池システムの構成は、第１の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８４】
図１０に示すとおり、本実施の形態の切換判断処理では、まず、燃料電池自動車２００のアクセル開度の履歴が取得される（ステップＳ４０１）。本実施の形態では、燃料電池自動車２００のアクセル開度の履歴が記憶部（不図示）に記憶されており、処理開始時点から所定時間前までのアクセル開度の履歴データが取得される。
【００８５】
次に、アクセル開度の履歴データにおいて、アクセル開度が所定値以上になった期間があるか否かが判断される（ステップＳ４０２）。ここで、所定値とは、燃料電池が高負荷運転状態であることを判定するためのアクセル開度である。アクセル開度が所定値以上になった期間がない場合（ステップＳ４０２：ＮＯ）、燃料電池１０は劣化しにくい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断され（ステップＳ４０３）、処理が終了される。
【００８６】
一方、アクセル開度が所定値以上になった期間がある場合（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、アクセル開度が所定値以上になった期間が所定時間以上か否かが判断される（ステップＳ４０４）。アクセル開度が所定値以上になった期間が所定時間未満である場合（ステップＳ４０４：ＮＯ）、燃料電池１０は劣化しにくい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断され（ステップＳ４０３）、処理が終了される。
【００８７】
アクセル開度が所定値以上になった期間が所定時間以上の場合（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）、燃料電池１０が劣化しやすい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断され（ステップＳ４０５）、処理が終了される。
【００８８】
以上のとおり、図１０に示すフローチャートの処理によれば、燃料電池１０を搭載する燃料電池自動車２００のアクセル開度に基づいて、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かが判断される。より具体的には、燃料電池のアクセル開度が所定値以上である期間が所定時間未満の場合、燃料電池の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の上昇速度を切換えないと判断される。一方、燃料電池のアクセル開度が所定値以上である期間が所定時間以上の場合、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能が回復するように、カソード電位の上昇速度を切換えると判断される。そして、このような構成の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の状態に応じてカソード電位の上昇速度が切換えられることにより、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００８９】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１および第２の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００９０】
（ｉ）制御部は、アクセル開度が所定値以上である期間が所定期間以上の場合、燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、カソード電位の上昇速度を切換えると判断する。したがって、燃料電池自動車のアクセル開度の履歴を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００９１】
以上のとおり、説明した第１〜第３の実施の形態において、本発明の燃料電池システム、燃料電池の運転方法、および燃料電池自動車を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【００９２】
たとえば、上述した第１〜第３の実施の形態では、燃料電池の状態に基づいて、カソード電位の上昇速度を切換えるか否かを判断した。しかしながら、カソード電位の上昇速度を切換える判断は、切換えるか否かに限定されることなく、燃料電池の状態に応じて切換電位が変更されてもよい。この場合、燃料電池が劣化しやすい状態であるほど、切換電位が低くなるように変更される。
【００９３】
また、上述した第１〜第３の実施の形態では、燃料電池から電流を取り出すことにより、燃料電池のカソード電位を目標電位まで低下させた。しかしながら、燃料電池のカソード電位を低下させる手法としては、カソードガスの供給停止、フラッディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）、還元剤の供給、アノードとカソードとの短絡、またはカソードガスの減圧などの種々の方法を用いることができる。フラッディング処理では、燃料電池の温度を低下させたり、高加湿ガスを供給したり、液水を供給したりすることによりガスが流れない状態を作り出し、カソード電位を低下させる。還元剤の供給処理では、水素、過酸化水素、ヒドラジン、アスコルビン酸、クエン酸などの酸化剤を含むガスを燃料電池に供給することによりカソード電位を低下させる。
【実施例】
【００９４】
以下、実施例を用いて本発明の実施の形態をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、本実施例によって何ら限定されるものではない。
【００９５】
本実施例では、本発明の燃料電池の運転方法による燃料電池の耐久性向上効果を調べるために、カソード電位の上昇速度を切換えつつカソード電位を繰り返し変化させ、時間の経過にともなう触媒表面積（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  ＥＣＡ）の変化を測定した。
【００９６】
（比較例）
比較例では、燃料電池のカソード電位を０．９５Ｖｖｓ．ＲＨＥから０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまで低下させ、上昇速度を切換えることなくカソード電位を０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥから０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥまで第１の上昇速度で上昇させる処理を繰り返した。
【００９７】
（実施例）
実施例では、図１１に示すとおり、燃料電池のカソード電位を０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥから０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまで低下させ、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥから０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥまで上昇させる処理において、種々の切換電位でカソード電位の上昇速度を切換えた。具体的には、切替電位を０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ、０．７５Ｖｖｓ．ＲＨＥ、０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥ、０．８５Ｖｖｓ．ＲＨＥ、および０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥに設定し、各切換電位においてカソード電位の第１の上昇速度から第２の上昇速度に切換える処理を繰り返した。測定結果を図１２に示す。
【００９８】
図１２（Ａ）は、カソード電位の上昇速度の切替電位と燃料電池の触媒表面積との関係を示す図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示される上昇速度の各切換電位に対して、触媒表面積の減少割合の係数値をプロットした図である。図１２（Ａ）の縦軸は触媒表面積であり、横軸はサイクル数である。図１２（Ｂ）の縦軸は速度係数であり、横軸は切換電位である。
【００９９】
図１２（Ａ）を参照すれば、カソード電位を変化させる処理が繰り返されることにより、時間の経過にともなって触媒表面積が減少することが分かる。
【０１００】
また、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）を参照すれば、カソード電位の上昇速度を切換えない比較例（図１２の△）の方が、カソード電位の上昇速度を種々の切換電位で切換える実施例と比較して、触媒表面積の減少が大きいことが分かる。言い換えれば、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥから０．９５Ｖｖｓ．ＲＨＥまでカソード電位を上昇させる時間が長くなるように、カソード電位の上昇速度を切換えることにより、燃料電池の劣化が抑制されることが分かる。たとえば、カソード電位の上昇速度を０．９Ｖｖｓ．ＲＨＥで切換える場合には、カソード電位の上昇速度を切換えない場合よりも触媒表面積の減少が１０％程度抑制されることが分かる。
【０１０１】
したがって、燃料電池の発電性能を回復させる処理において低下されたカソード電位の上昇速度を切換えることにより、燃料電池の耐久性が向上されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル構造を示す斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムによる燃料電池の運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】図３のステップＳ１０２に示す切換判断処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４に示す切換判断処理において燃料電池が高温・高含水量状態であるか否かを判断する処理を説明するための図である。
【図６】本実施の形態の燃料電池の運転方法におけるカソード電位の時間変化を示す図である。
【図７】本実施の形態の燃料電池の運転方法における白金の状態変化を説明するための図である。
【図８】本実施の形態における燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における切換判断処理を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における切換判断処理を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の燃料電池の運転方法による燃料電池の耐久性の向上効果を示す図である。
【図１２】本発明の燃料電池の運転方法による燃料電池の耐久性の向上効果を示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  燃料電池、
２０  燃料タンク、
３０  コンプレッサ、
４０  電圧検出部、
５０  温度検出部（状態検出手段）、
６０  抵抗検出部（状態検出手段）、
７０  負荷器（速度制御手段）、
８０  電流検出部、
９０  制御部（判断手段および速度制御手段）、
１００  燃料電池システム、
２００  燃料電池自動車。
【図１】
2010040285.tif 000003
【図２】
2010040285.tif 000004
【図３】
2010040285.tif 000005
【図４】
2010040285.tif 000006
【図５】
2010040285.tif 000007
【図６】
2010040285.tif 000008
【図７】
2010040285.tif 000009
【図８】
2010040285.tif 000010
【図９】
2010040285.tif 000011
【図１０】
2010040285.tif 000012
【図１１】
2010040285.tif 000013
【図１２】
2010040285.tif 000014