(57)【要約】【課題】この発明は、複数の単位セルによって構成された燃料電池スタックにおける個々の単位セルの電圧バラツキを小さくすることができる手段を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル２が積層されてなり、内部にマニホールド６を有する。マニホールド６には、エアコンプレッサ２２が接続している。燃料電池スタック１０がＯＣ状態に置かれる運転要求があったら、エアコンプレッサ２２の回転数を上昇し、個々の単位セル２の間の酸素分圧バラツキを小さくする。【選択図】図３
2010003486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と該膜電極接合体の一方の面に接続するガス流路とを内部に備えた単位セルが複数個積層されてなり、かつ、該単位セルの各々の該ガス流路の上流が合流するマニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記マニホールドと接続し、該マニホールドを介して、複数の前記単位セルの前記ガス流路に空気を供給する空気供給機構と、
前記燃料電池スタックが、ＯＣ（Open Circuit：開回路）状態、あるいは該燃料電池スタックの電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）程度に高くなる高電位状態に置かれる運転要求があるか否かを検知する検知手段と、
前記運転要求があることが検知されたら、該運転要求に応答するための該ＯＣ状態または該高電位状態が実現される前に、前記マニホールドに接続する前記複数の単位セルの間の酸素分圧の差を小さくする分圧差低減手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
膜電極接合体と該膜電極接合体の一方の面に接続するガス流路とを内部に備えた単位セルが複数個積層されてなり、かつ、該単位セルの各々の該ガス流路の上流が合流するマニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記マニホールドと接続し、該マニホールドを介して、複数の前記単位セルの前記ガス流路に空気を供給する空気供給機構と、
前記燃料電池スタックが、ＯＣ（Open Circuit：開回路）状態、あるいは該燃料電池スタックの電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）程度まで高くなる高電位状態に置かれる運転要求があるか否かを検知する検知手段と、
前記運転要求があることが検知されたら、該運転要求に応答するための該ＯＣ状態または該高電位状態が実現される前に、前記マニホールドに流入する空気の流量が増加するように前記空気供給機構を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
膜電極接合体と該膜電極接合体の一方の面に接続するガス流路とを内部に備えた単位セルが複数個積層されてなり、かつ、該単位セルの各々の該ガス流路の上流が合流するマニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記マニホールドと接続し、該マニホールドを介して、複数の前記単位セルの前記ガス流路に空気を供給する空気供給機構と、
前記燃料電池スタックが、ＯＣ（Open Circuit：開回路）状態、あるいは該燃料電池スタックの電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）程度まで高くなる高電位状態に置かれる運転要求があるか否かを検知する検知手段と、
前記運転要求があることが検知されたら、該運転要求に応答するための該ＯＣ状態または該高電位状態が実現される前に、前記マニホールドに流入する空気流量を低減する低減手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記低減手段が、前記燃料電池スタックの各々の単位セルが酸素不足状態になる程度まで前記マニホールドに流入する空気流量を低減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】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの運転中に前記燃料電池スタックの発電を実質的に停止し、かつ、前記空気供給機構による空気供給を間欠的に行う運転状態である、間欠運転を行う間欠運転手段を備え、
前記検知手段の検知の対象となる運転要求が、前記間欠運転の要求であることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、下記の特許文献１に開示されているように、燃料電池と二次電池を組み合わせた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムには、燃費向上の観点から、必要に応じて燃料電池の発電を停止して二次電池から電力を供給する運転モードが用意されていることが多い。このような運転モードは、例えば、燃料電池システムに対する要求電力量が小さいとき（低負荷時）に使用される。また、車両搭載中の燃料電池システムの場合には、車両の低速走行中やアイドリング中にも、そのような運転モードが実行されることがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０９５７０号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の内部には、反応ガス（具体的には水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化ガス）の供給を受けて電気化学的反応を生じさせるための、膜電極接合体が備えられている。膜電極接合体は、電極触媒層が電解質膜の両面に備えられたものである。電極触媒層中の触媒は、高い電位に置かれることで劣化する。触媒の劣化を抑制する観点からは、触媒の電位が高くなり過ぎないように燃料電池の発電状態を管理することが好ましい。
【０００５】
上記従来の運転モード中には、燃料電池の内部に反応ガスが残存しかつ燃料電池の出力電力が実質的に零の状態が、実現される。このような状態は、燃料電池システムの運転中に、燃料電池を開回路（Open Circuit:ＯＣ）状態に切り換えることにより実現できる。しかしながら、ＯＣ状態における燃料電池の電圧（以下、開回路電圧またはＯＣＶとも称す）は、触媒の劣化が進む程度に高い値になる。このため、触媒の劣化抑制の観点からは不都合がある。そこで、上記運転モード中に、燃料電池の電圧が高くなりすぎないようにするための、劣化抑制運転を行うことがある。劣化抑制運転の一例としては、微小量の電流を引くことにより燃料電池の電圧をＯＣＶよりも若干低めの電圧にするというものがある。このような劣化抑制運転により、触媒の劣化を抑制しつつ燃費向上を図ることができる。
【０００６】
ところで、一般的に、燃料電池システムでは、ある程度大きな出力電圧を得るなどの目的のために、多数の単位セルを重ね合わせて構成した燃料電池スタックを用いることが多い。個々の単位セルは、それぞれが膜電極接合体および反応ガスを流すガス流路を備えている。発電の際には、これらの単位セルに対してそれぞれ空気等の酸素含有ガスが供給される。その際、個々の単位セルに対する酸素の供給具合が均一にならずに、ガス流路内の酸素分圧が個々の単位セルの間でバラつくことがある。個々の単位セルの酸素分圧にバラツキがあると、個々の単位セルの電圧が相違する。その結果、発電中に、燃料電池スタック内の個々の単位セルの電圧がある程度ばらついた状態になってしまう。
【０００７】
前述した劣化抑制運転は、触媒の劣化を抑制すべく行われる運転である。燃料電池スタックに対して劣化抑制運転を行う場合には、全ての単位セルにおいて所期の触媒劣化抑制効果が得られることが望ましい。しかしながら、上述したような単位セル間の電圧バラツキがあるときに単位セル全てに画一的な劣化抑制運転を適用すると、ある単位セルに対しては適切な劣化抑制効果が得られるものの、他の単位セルに対して劣化抑制効果が不十分あるいは過剰になるおそれがある。理想的には、個々の単位セルに対して過不足の無い劣化抑制効果を与えることが好ましい。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の単位セルによって構成された燃料電池スタックにおける個々の単位セルの電圧バラツキを小さくすることができる手段を備え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】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
膜電極接合体と該膜電極接合体の一方の面に接続するガス流路とを内部に備えた単位セルが複数個積層されてなり、かつ、該単位セルの各々の該ガス流路の上流が合流するマニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記マニホールドと接続し、該マニホールドを介して、複数の前記単位セルの前記ガス流路に空気を供給する空気供給機構と、
前記燃料電池スタックが、ＯＣ（Open Circuit：開回路）状態、あるいは該燃料電池スタックの電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）程度に高くなる高電位状態に置かれる運転要求があるか否かを検知する検知手段と、
前記運転要求があることが検知されたら、該運転要求に応答するための該ＯＣ状態または該高電位状態が実現される前に、前記マニホールドに接続する前記複数の単位セルの間の酸素分圧の差を小さくする分圧差低減手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
膜電極接合体と該膜電極接合体の一方の面に接続するガス流路とを内部に備えた単位セルが複数個積層されてなり、かつ、該単位セルの各々の該ガス流路の上流が合流するマニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記マニホールドと接続し、該マニホールドを介して、複数の前記単位セルの前記ガス流路に空気を供給する空気供給機構と、
前記燃料電池スタックが、ＯＣ（Open Circuit：開回路）状態、あるいは該燃料電池スタックの電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）程度まで高くなる高電位状態に置かれる運転要求があるか否かを検知する検知手段と、
前記運転要求があることが検知されたら、該運転要求に応答するための該ＯＣ状態または該高電位状態が実現される前に、前記マニホールドに流入する空気の流量が増加するように前記空気供給機構を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
膜電極接合体と該膜電極接合体の一方の面に接続するガス流路とを内部に備えた単位セルが複数個積層されてなり、かつ、該単位セルの各々の該ガス流路の上流が合流するマニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記マニホールドと接続し、該マニホールドを介して、複数の前記単位セルの前記ガス流路に空気を供給する空気供給機構と、
前記燃料電池スタックが、ＯＣ（Open Circuit：開回路）状態、あるいは該燃料電池スタックの電圧がＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）程度まで高くなる高電位状態に置かれる運転要求があるか否かを検知する検知手段と、
前記運転要求があることが検知されたら、該運転要求に応答するための該ＯＣ状態または該高電位状態が実現される前に、前記マニホールドに流入する空気流量を低減する低減手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記低減手段が、前記燃料電池スタックの各々の単位セルが酸素不足状態になる程度まで前記マニホールドに流入する空気流量を低減することを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれか１つにおいて、
前記燃料電池システムの運転中に前記燃料電池スタックの発電を実質的に停止し、かつ、前記空気供給機構による空気供給を間欠的に行う運転状態である、間欠運転を行う間欠運転手段を備え、
前記検知手段の検知の対象となる運転要求が、前記間欠運転の要求であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、燃料電池スタックがＯＣ状態または高電位状態に置かれる状況が発生する場合に、燃料電池スタックの状態がＯＣ状態または高電位状態へと実際に移行する前に、個々の単位セルの間の酸素分圧のバラツキを小さくすることができる。酸素分圧のバラツキを小さくすることにより、個々の単位セルの間の電圧バラツキを小さくすることができる。
【００１５】
第２の発明によれば、燃料電池スタックがＯＣ状態または高電位状態に置かれる状況が発生する場合に、燃料電池スタックの状態がＯＣ状態または高電位状態へと実際に移行する前に、個々の単位セルに流入する空気の流量を増加することができる。空気流量を増加することによって、個々の単位セルの間の酸素分圧のバラツキを小さくすることができる。酸素分圧のバラツキを小さくすることにより、個々の単位セルの間の電圧バラツキを小さくすることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、燃料電池スタックがＯＣ状態または高電位状態に置かれる状況が発生する場合に、燃料電池スタックの状態がＯＣ状態または高電位状態へと実際に移行する前に、個々の単位セルに流入する空気の流量を低減することができる。空気流量の低減により、個々の単位セルの間の酸素分圧のバラツキを小さくすることができる。酸素分圧のバラツキを小さくすることにより、個々の単位セルの間の電圧バラツキを小さくすることができる。
【００１７】
第４の発明によれば、低減手段によって個々の単位セルに流入する空気の流量を低減する際に、個々の単位セルを強制的に酸素不足状態にすることができる。このような酸素不足状態を作り出すことによって、個々の単位セルの間の酸素分圧のバラツキを小さくすることができる。酸素分圧のバラツキを小さくすることにより、個々の単位セルの間の電圧バラツキを小さくすることができる。
【００１８】
第５の発明によれば、間欠運転の実行前に、個々の単位セルの間の電圧バラツキを小さくすることができる。間欠運転中には、空気供給機構による間欠的な空気供給によって、燃料電池スタックの単位セルの電位が変動する。第５の発明によれば、間欠運転中の電位変動の程度が個々の単位セルでバラついてしまうことを、抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施の形態１． 
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成図である。実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、複数の単位セル２と、エンドプレート８とを備えている。図１では説明の便宜上単位セル２を８個ほど図示しているが、一般的には数百枚の単位で単位セルが積層される。個々の単位セル２は、内部に、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を備えている。実施の形態１では、膜電極接合体は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が設けられたものとする。また、実施の形態１においては、電極触媒層は、カーボンを担体とし、白金を触媒として設けられた層である。
【００２０】
個々の単位セル２は、膜電極接合体の両面に沿ってそれぞれ延びるガス流路を備えている。膜電極接合体のアノード面側のガス流路には、水素ガスが供給される。膜電極接合体のカソード面側のガス流路には、空気が供給される。図１には、説明の簡略化のため、空気が供給されるカソード側のガス流路４のみを示している。このような反応ガスの供給を受けて、水素と酸素による電気化学的反応が生じ、発電が行われる。
【００２１】
個々の単位セル２のガス流路４は、マニホールド６に合流している。マニホールド６は、燃料電池スタック１０内を、個々の単位セル２が積層する方向に貫通して伸びている。このマニホールド６により、個々の単位セル２に空気を分配することができる。また、個々の単位セル２のガス流路４は、マニホールド７にも接続している。マニホールド７には、単位セル２の膜電極接合体上を伝って流れた空気（カソードオフガス）が、流れ込む。
【００２２】
実施の形態１の燃料電池システムは、マニホールド６と接続する管路２０を備えている。管路２０にはエアコンプレッサ２２が設けられている。管路２０の図１紙面左側の端部は、大気に開放されている。エアコンプレッサ２２により、空気が取り込まれて燃料電池スタック１０に供給される。
【００２３】
また、実施の形態１の燃料電池システムは、マニホールド７に接続する管路２４を備えている。管路２４から、燃料電池スタック１０のカソードオフガスが排出される。管路２４には、調圧弁２６が設けられている。調圧弁２６の開度を調節することにより、マニホールド６、個々の単位セル２のガス流路４、マニホールド７内の圧力が変化する。つまり、燃料電池スタック１０のカソード側の背圧を調節することができる。
【００２４】
実施の形態１の燃料電池システムは、セル電圧モニタ３０を備えている。セル電圧モニタ３０は、個々の単位セル２に接続する端子を有し（図示は省略）、個々の単位セル２の電圧を個別に計測することができる。また、実施の形態１の燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、エアコンプレッサ２２、調圧弁２６、セル電圧モニタ３０に接続している。
【００２５】
なお、図示は省略するが、実施の形態１の燃料電池システムは、個々の単位セル２のアノード側のガス流路に水素を供給するための水素供給系を有している。この水素供給系は、高圧の水素が貯留された水素タンク、この水素タンクから水素ガスを減圧して燃料電池スタック１０に供給するためのレギュレータなどを含む。実施の形態１の燃料電池システムが運転されているときには、個々の単位セル２のアノード側のガス流路内は、この水素供給系から供給された高純度の水素ガスで満たされている。
【００２６】
単位セル２内部に設けられている触媒は、高い電位に置かれることで劣化する。開回路電圧（Open Circuit Voltage:ＯＣＶ）近傍まで燃料電池スタック１０の電圧が上昇すると、カソード電位が上昇し、触媒劣化が問題となる。触媒の劣化抑制の観点からは、触媒の電位が高くなり過ぎないように燃料電池スタック１０の発電状態を管理することが好ましい。
【００２７】
そこで、実施の形態１の燃料電池システムでは、燃料電池の電圧が高くなりすぎないようにするための、劣化抑制運転が行われる。具体的には、実施の形態１の劣化抑制運転では、システムへの要求出力が零もしくは特に低くなった場合に、微小量の出力電流が引かれることにより燃料電池スタック１０の電圧がＯＣＶよりも若干低い値（例えばＯＣＶより０．１Ｖ低い電圧）に調節される。これにより、触媒の劣化が抑制される。
【００２８】
［実施の形態１の動作］
燃料電池スタック１０の発電中に、個々の単位セル２の電圧がある程度ばらついた状態になることがある。図２（ａ）は、実施の形態１の燃料電池システムの運転中に生じうる、燃料電池スタック１０内の酸素分圧バラツキを模式的に示す図である。図１の構成を簡略化して示している。通常発電中は、エアコンプレッサ２２によってマニホールド６へと継続的に空気が供給されている。マニホールド６から、各単位セル２に対してそれぞれ空気が供給される。その際、個々の単位セル２に対する酸素の供給具合が均一にならずに、ガス流路４内の酸素分圧が個々の単位セル２の間でバラつくことがある。具体的には、燃料電池スタック１０の構造では、マニホールド６の上流側（図２紙面左側）の単位セル２では十分な酸素分圧が確保されていても、マニホールド６の下流側（図２紙面右側）のいくつかの単位セル２では酸素分圧が相対的に少なくなる事態が生じうる。
【００２９】
このような事態は、燃料電池スタック１０の発電中に、発電のために必要となる酸素量をちょうど含む量の空気を、燃料電池スタック１０に対して供給している場合に起こりやすい。言い換えれば、上記の事態は、エアコンプレッサ２２が供給した空気が燃料電池スタック１０内を通過して管路２４へと流れ出るまでに、供給された酸素が個々の単位セル２内でほぼ全て消費される場合に起こりやすい。
【００３０】
個々の単位セル２内の酸素分圧にバラツキがあると、個々の単位セル２のカソードの電極触媒層の電位（以下、単に「カソード電位」とも称す）が相違する。つまり、個々の単位セル２の電圧が相違する。その結果、発電中に、燃料電池スタック内の個々の単位セルの電圧がある程度ばらついた状態になってしまう。図２（ａ）に示す酸素分圧バラツキの傾向は、そのまま、単位セル２の電圧のバラツキとみなすことができる。つまり、図２（ａ）の状態では、マニホールド６の上流側（図２紙面左側）の単位セル２の電圧は均一に同程度の大きさになっており、マニホールド６の下流側（図２紙面右側）のいくつかの単位セル２では電圧が低い。
【００３１】
前述した劣化抑制運転は、触媒の劣化を抑制すべく行われるものである。燃料電池スタック１０に対して劣化抑制運転を行う場合には、全ての単位セル２に対して触媒劣化抑制効果が得られることが望ましい。しかしながら、上述したような単位セル２間の電圧バラツキがあるときに単位セル２全てに画一的な劣化抑制運転を適用すると、ある単位セル２に対しては適切な効果が得られるものの、他の単位セル２に対して効果が不足或いは過剰になってしまう。
【００３２】
具体的には、次のような不都合が挙げられる。仮に、劣化抑制運転の内容を、全ての単位セル２の電圧が所定値（例えば、ＯＣＶより０．１Ｖ低い電圧値）以下になるように、システムを運転するというものにしたとする。この場合には、効率が悪いという欠点がある。また、仮に、劣化抑制運転の内容を、単位セル２の電圧の平均値（以下、「平均セル電圧」とも称す）が所定値以下になるようにシステムを運転するというものにしたとする。この場合、電圧が平均セル電圧を下回る単位セル２では、劣化抑制効果が得られる。しかし、電圧が平均セル電圧を上回る単位セル２では、劣化抑制が不十分になるおそれがある。
【００３３】
（酸素分圧均一化の動作）
そこで、実施の形態１の燃料電池システムでは、このような電圧バラツキを小さくするための動作が行われる。先ず、エアコンプレッサ２２の回転数が増加される。これにより、エアコンプレッサ２２による空気流量が増加する。また、エアコンプレッサ２２の回転数増加とともに、調圧弁２６が開き気味に制御される。
【００３４】
このような動作により、燃料電池スタック１０に対して、多くの（言い換えれば過剰な量の）空気を供給することができる。その結果、マニホールド６の下流側に接続する単位セル２まで、十分に酸素を行き渡らせることができる。
【００３５】
図２（ｂ）は、実施の形態１の動作を行った後の、燃料電池スタック１０内の酸素分圧状態を模式的に示す図である。実施の形態１の動作により、個々の単位セル２の酸素分圧のバラツキを小さくすることができる。その結果、個々の単位セル２の電圧バラツキを、小さくすることができる。
【００３６】
（ＥＣＵ４０が記憶する制御内容）
ここで、実施の形態１における、上記の酸素分圧均一化の制御内容の決定方法について説明する。実施の形態１では、ＥＣＵ４０が、予め、以下の方法に従って決定した制御内容を記憶している。ＥＣＵ４０が記憶する内容は、具体的には、次の（1）および（2）である。
（1）エアコンプレッサ２２の流量増加制御が行われる時間の長さである時間Ｔ
（2）流量増加制御の際における、エアコンプレッサ２２の回転数上昇幅（ΔＮ）と、セル電圧バラツキの大きさ（ΔＶ）との関係を定めたマップ
【００３７】
実施の形態１では、時間Ｔが、ある程度短めの時間（例えば１秒程度）に固定的に設定される。これは、次のような理由による。実施の形態１では、上述した酸素分圧均一化の動作が、劣化抑制運転の前に実行される。例えば実施の形態１の燃料電池システムが車両に搭載された場合を想定すると、劣化抑制運転が行われる場合とは、ドライバからの要求出力が零もしくは特に低くなった場合、つまり、アクセルオフや低速運転時である。このような場合、上述した酸素分圧均一化の動作をなるべく短時間で済ませたい。このような観点から、実施の形態１では、時間Ｔが、ある程度短めの例えば１秒程度の時間に設定される。
【００３８】
上記（2）のマップは、次のように作成される。燃料電池スタック１０を構成する多数の単位セル２のうち、酸素分圧が相対的に多い単位セル２は電圧が高く、酸素分圧が相対的に低い単位セル２は電圧が低い。換言すれば、最も高い電圧を示す単位セル２の電圧値Ｖｍａｘと、最も低い電圧を示す単位セル２の電圧値Ｖｍｉｎとの差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）が大きいほど、個々の単位セル２間の酸素分圧のバラツキが大きい。そこで、実施の形態１では、ΔＶが大きいほど回転数上昇幅ΔＮが大きくなるようにΔＮとΔＶとの関係を定めたマップを準備する。回転数上昇幅ΔＮが大きければ大きいほど、現在の空気流量からの流量の増分は多くなる。実施の形態１のマップに従って制御を行うことにより、単位セル２の電圧値の差ΔＶが大きいほど現在の空気流量からの流量の増分を多くすることができる。以上のように、マップが作成される。
【００３９】
なお、より具体的には、例えば設計段階で次に述べる手法が行われることにより、上記のマップが作成される。先ず、燃料電池スタック１０のマニホールド６下流端の単位セル２（図１の紙面右端の単位セル２）が対象とされ、この対象の単位セル２のガス流路４の下流端部に、酸素濃度センサが取り付けられる。また、当該酸素濃度センサの位置に、圧力センサが設けられる。酸素濃度センサと圧力センサの出力に基づいて、単位セル２のガス流路４の下流端部の酸素分圧が計測される。この状態で、セル電圧バラツキの大きさΔＶが様々に変更されながら、１秒間で酸素分圧が十分に上昇するような回転数幅ΔＮが記録される。
【００４０】
上記の実験を行う一方で、セル電圧モニタを用いて、上記の実験で記録したΔＶとΔＮが適切か否かが確認される。具体的には、燃料電池スタック１０にあるΔＶの電圧バラツキが存在する状況下で、エアコンプレッサ２２の回転数が、このΔＶに対応するΔＮ分上昇される。このとき、１秒経過後に全ての単位セル２の電圧が同じ値に概ね収束していれば、このときのΔＶとΔＮの関係が適切であると判断される。
【００４１】
これらの手法によって定めた時間Ｔおよび上記マップを用いることにより、セル電圧のバラツキの程度（すなわちΔＶ）が毎回異なっても、予め定めた時間Ｔ内で十分な酸素分圧均一化効果を得ることができる。なお、本発明はこれに限られるものではなく、シミュレーションモデルにより予測した酸素分圧バラツキに基づいて、マップの作成や時間の決定を行ってもよい。
【００４２】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図３を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図３は、実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートであり、実施の形態１の燃料電池システムの運転中に実行される。
【００４３】
図３のルーチンでは、先ず、ＯＣ要求があるか否かが検知される（ステップＳ１００）。このステップでは、燃料電池スタック１０が、ＯＣ状態あるいは高電位状態に置かれるような運転要求があるか否かが検知される。ここでいう高電位状態とは、燃料電池スタック１０の電圧がＯＣＶ程度まで高くなる状態のことを指す。具体的には、実施の形態１では、燃料電池システムに対する要求出力が所定値以下の場合に、ＯＣ要求があると判定する。現時点でＯＣ要求が無い場合には、今回のルーチンが終了する。
【００４４】
ＯＣ要求があることが検知された場合には、空気量制御が行われる（ステップＳ１０２）。このステップでは、燃料電池スタック１０の発電状態を現状のまま維持しつつ、エアコンプレッサ２２の回転数を上昇させる処理が実行される。具体的には、先ず、ＥＣＵ４０が、セル電圧モニタ３０の計測する個々の単位セル２の電圧値のうち、最大値と最小値の差ΔＶを算出する。次いで、この差ΔＶに応じた回転数上昇幅ΔＮを、前述のマップから読み出す。その後、現在のエアコンプレッサ２２の回転数をΔＮだけ上昇させる。また、ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０のガス流路４内の圧力が同程度に維持されるように、調圧弁２６を開き気味に制御する。これらの制御によって、個々の単位セル２の電圧のバラツキを、小さくすることができる。
【００４５】
ステップＳ１０２の後、ＯＣ運転を現実に開始する処理が実行される（ステップＳ１０４）。つまり、燃料電池スタック１０の負荷が零にされる。これに引き続いて、劣化抑制運転の処理が実行される（ステップＳ１０６）。このステップでは、燃料電池スタック１０から若干の出力電流を取り出すことにより、個々の単位セル２の電圧をＯＣＶから若干（例えば０．１Ｖ程度）低下させる。なお、ステップＳ１０４とステップＳ１０６とが一括に行われても良い。この場合には、ステップＳ１０２の後単位セル２の電圧が始めからＯＣＶより若干低い電圧値になるように、出力電流が調節される。その後、今回のルーチンが終了する。
【００４６】
以上の処理によれば、燃料電池スタック１０の電圧がＯＣＶ程度に高くなるような運転要求があった場合に、燃料電池スタック１０内の個々の単位セル２の電圧バラツキを小さくすることができる。その結果、劣化抑制運転を画一的に行ったとしても、個々の単位セル２に対して均等に過不足なく、劣化抑制効果を与えることができる。尚、実施の形態１では、劣化抑制運転時に、個々の単位セル２の電圧をＯＣＶから０．１Ｖ程度低下させることを例示した。しかしながら、劣化抑制運転時における個々の単位セル２の電圧は、劣化が抑制される程度の電圧であればよく、必ずしもＯＣＶより０．１Ｖ低い電圧に限られるものではない。
【００４７】
尚、上述した実施の形態１では、単位セル２が前記第１乃至３の発明における「単位セル」に、マニホールド６が前記第１乃至３の発明における「マニホールド」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１では、図３のフローチャートのステップＳ１００が実行されることにより、前記第１乃至３の発明における「検知手段」が実現されている。また、実施の形態１では、図３のフローチャートのステップＳ１０２が実行されることにより、前記第１の発明における「分圧差低減手段」および前記第２の発明における「制御手段」が実現されている。
【００４８】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、燃料電池システムに対する要求出力が所定値以下の場合に、ＯＣ要求があると判定している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ＯＣ要求の有無の判定は、下記のように様々に行うことができる。
【００４９】
例えば、燃料電池と二次電池を組み合わせた車両搭載型燃料電池システムにおいて、車両の低速走行中やアイドリング中、アクセルオフ時などに、燃料電池の発電を停止して二次電池から電力を供給する運転モードが実行されることがある。実施の形態１の燃料電池システムに二次電池を加え、このような運転モードを実行するように構成してもよい。その場合には、車速が所定値以下か否か、アイドリング中か否か、あるいはアクセルオフか否かに基づいて、ＯＣ要求の有無の判定を行うことができる。
【００５０】
また、燃料電池システムの運転中に燃料電池スタックの発電を実質的に停止し、かつ、エアコンプレッサ２２による空気供給を間欠的に行う運転（所謂、間欠運転）を行う場合がある。実施の形態１の燃料電池システムでこのような間欠運転を行う場合には、間欠運転の実行要求の有無に基づいて、ＯＣ要求の有無の判定を行うことができる。
【００５１】
なお、実施の形態１では空気流量の増大を行う時間Ｔが固定値にされているが、本発明はこれに限られるものではない。時間Ｔは可変とされても良い。なお、エアコンプレッサ２２の流量増加時に、調圧弁２６は必ずしも開き気味に制御されなくともよい。
【００５２】
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のハードウェア構成は、図１に示した実施の形態１の燃料電池システムの構成で実現できる。このため、実施の形態２の燃料電池システムのハードウェア構成は図示および説明を省略する。
【００５３】
実施の形態１では、個々の単位セル２に供給される空気量を増加させることにより、個々の単位セル２の間の酸素分圧のバラツキが小さくされる。これに対し、実施の形態２では、逆に、個々の単位セル２に供給される空気量が低減されることにより、個々の単位セル２の酸素分圧のバラツキが小さくされる。
【００５４】
図４は、実施の形態２の燃料電池システムの動作を説明するための図である。実施の形態２では、ＯＣ要求が検知された場合には、燃料電池スタック１０の発電状態は現状のまま維持し、その上で、個々の単位セル２が酸素不足状態になる程度までエアコンプレッサ２２の回転数を下げる。ここでいう酸素不足状態とは、個々の単位セル２に対して供給されている酸素量が、現在の発電に必要な酸素量よりも少なくなっている状態を意味する。
【００５５】
エアコンプレッサ２２の回転数が低下された結果、図４に示すように、個々の単位セル２の酸素分圧が均一に少なくなり、全ての単位セル２が酸素不足状態になる。その結果、単位セル２の電圧バラツキが小さくなる。なお、エアコンプレッサ２２の回転数の下げ幅に関するマップや、制御時間は、実施の形態１と同様に実験あるいはシミュレーションによって決定しておく。それらの情報は、予めＥＣＵ４０に記憶される。
【００５６】
上記の動作の後、図３のフローチャートにおけるステップＳ１０４およびＳ１０６の処理が実行される。以上述べたように、実施の形態２によれば、燃料電池スタック１０の電圧がＯＣＶ程度に高くなるような運転要求があった場合に、燃料電池スタック１０内の個々の単位セル２の電圧ばらつきを小さくすることができる。その結果、劣化抑制運転を画一的に行ったとしても、個々の単位セル２に対して、均等に過不足なく、劣化抑制効果を与えることが可能になる。
【００５７】
なお、実施の形態２では、上述した、エアコンプレッサ２２の回転数が低下される処理により、前記第４の発明における「低減手段」が実現されている。なお、実施の形態２では、個々の単位セル２が酸素不足状態になる程度までエアコンプレッサ２２の回転数を減少させたが、本発明はこれに限られない。個々の単位セル２内の酸素分圧を低減するように、エアコンプレッサ２２の回転数を減少させればよい。
【００５８】
なお、実施の形態１と実施の形態２は、それぞれ次のような特徴を備えている。実施の形態２では、「通常発電中の電圧」→「酸素不足状態における低電圧」→「劣化抑制運転による高電位」というように、単位セル２の電圧が比較的大きく上下動する。触媒は、触媒が電位変動を受けることによっても劣化する。これに対し、実施の形態１では、そのような大きな電位変動を伴わずに、個々の単位セル２の電圧バラツキの低減、劣化抑制運転という一連の処理を進めることができる。また、これに対し、実施の形態２は、エアコンプレッサ２２の消費動力を上げる必要がないので、燃費向上という観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明にかかる実施の形態１の燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するための図である。
【図３】実施の形態１のシステムにおいてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明にかかる実施の形態２の燃料電池システムの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６０】
２  単位セル          ４  ガス流路
６、７  マニホールド  ８  エンドプレート
１０  燃料電池スタック    ２０、２４  管路
２２  エアコンプレッサ
２６  調圧弁      ３０  セル電圧モニタ
４０  ＥＣＵ
【図１】
2010003486.tif 000003
【図２】
2010003486.tif 000004
【図３】
2010003486.tif 000005
【図４】
2010003486.tif 000006