(57)【要約】【課題】本発明の目的は、触媒の溶解を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。【解決手段】本発明は、触媒層を有し、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池の発電により生じた電力の少なくとも一部を負荷に供給し、前記負荷を駆動させる燃料電池システムであって、発電時における燃料電池の電圧を、燃料電池の要求負荷に対して燃料電池から出力される第１電圧と前記第１電圧より高い第２電圧との間でパルス制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第１電圧の時間（Ｔ１）／前記第１電圧の時間と前記第２電圧の時間との加算時間（Ｔ２）であるデューティ比を変化させ、前記第２電圧の時間（Ｔ２−Ｔ１）を前記第２電圧における前記触媒層の触媒溶解時間より短くすることを特徴とする燃料電池システム。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層を有し、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池の発電により生じた電力の少なくとも一部を負荷に供給し、前記負荷を駆動させる燃料電池システムであって、
発電時における燃料電池の電圧を、燃料電池の要求負荷に対して燃料電池から出力される第１電圧と前記第１電圧より高い第２電圧との間でパルス制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記第１電圧の時間（Ｔ１）／前記第１電圧の時間と前記第２電圧の時間との加算時間（Ｔ２）であるデューティ比を変化させ、前記第２電圧の時間（Ｔ２−Ｔ１）を前記第２電圧における前記触媒層の触媒溶解時間より短くす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】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船等の動力源、乗用車、バス、トラック等の車両等の動力源としての開発が進んでいる。また、燃料電池によって駆動する電動機を車両用の動力源として使用する場合には、燃料電池と蓄電装置とを併用したハイブリッドの燃料電池システム等が用いられる。
【０００３】
燃料電池と蓄電装置とを併用した燃料電池システムでは、例えば、車両のアクセル操作を一時的にオフにした場合に、車両の走行エネルギを電動機にて回生して蓄電装置を充電し、走行中に再びアクセル操作をオンにした場合に、燃料電池、バッテリによって電動機が駆動するように制御されている。しかし、このような燃料電池システムでは、アクセル操作を一時的にオフにした場合に、燃料電池の負荷が低下し、走行中に再びアクセル操作をオンにした場合に、燃料電池の負荷が上昇し、燃料電池の電位変動が起こる。このように、燃料電池の電位が変動すると、触媒層に使用する白金等の触媒が溶解する場合がある。そして、触媒が溶解すると、燃料電池の寿命が低下する。
【０００４】
例えば、特許文献１には、外部負荷へ出力する燃料電池の負荷要求が有負荷要求から無負荷要求に移行した場合に、燃料電池の負荷を時間差を持たせて低減させる負荷制御手段を備えた燃料電池システムが提案されている。特許文献１の燃料電池システムにより、負荷要求が有負荷要求から無負荷要求に移行した場合に、燃料電池の出力を時間差を持たせて低減させることができるため、その時間差の間に負荷要求が無負荷要求から有負荷要求に移行した場合には、燃料電池に発生する電位変動を抑制することができる。
【０００５】
例えば、特許文献２には、燃料電池が高負荷から低負荷に移行した場合には、温度を低下させたカソードガスを燃料電池のカソード極に供給して、カソード極の触媒層温度を通常運転時より低下させる制御手段を備えた燃料電池システムが提案されている。特許文献２の燃料電池システムにより、カソード極の触媒の酸化、とりわけ触媒のイオン化速度を低下させることができるため、燃料電池の電位変動による触媒の溶解を抑制することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７３２４１号公報
【特許文献２】特開２００７−１２２８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来の制御とは異なる方法で、触媒の溶解を抑制することができる燃料電池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】
【０００８】
本発明は、触媒層を有し、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池の発電により生じた電力の少なくとも一部を負荷に供給し、前記負荷を駆動させる燃料電池システムであって、発電時における燃料電池の電圧を、燃料電池の要求負荷に対して燃料電池から出力される第１電圧と前記第１電圧より高い第２電圧との間でパルス制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第１電圧の時間（Ｔ１）／前記第１電圧の時間と前記第２電圧の時間との加算時間（Ｔ２）であるデューティ比を変化させ、前記第２電圧の時間（Ｔ２−Ｔ１）を前記第２電圧における前記触媒層の触媒溶解時間より短くすることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、触媒の溶解を抑制する燃料電池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】
【００１０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、蓄電装置１２と、コンバータ１４と、インバータ１６と、電子制御ユニット１８と、を有するものである。燃料電池１０は、インバータ１６を介して負荷２０に接続されている。蓄電装置１２は、コンバータ１４を介して燃料電池１０と並列に接続されている。
【００１２】
燃料電池１０は、反応ガス（アノードガス、カソードガス）の供給を受けて発電するものであり、発電した電力は、負荷２０に供給されるとともに、余剰分が蓄電装置１２に供給される。燃料電池１０の構造は、図示はしないが、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極とを有する膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両外側を挟持する一対のセパレータとを有する。また、本実施形態の燃料電池１０は、上記説明した構成を単位セルとして、複数積層したものであってもよい。
【００１３】
燃料電池１０を構成するアノード極、カソード極は、触媒層及び拡散層を有する。触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層又は電解質膜上に成膜することにより形成される。燃料電池１０を構成する拡散層は、カーボンクロス等の多孔質材料等が用いられる。燃料電池１０を構成する電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜等が用いられる。燃料電池１０を構成するセパレータは、アノード極又はカソード極に反応ガスを供給するものであり、金属板、カーボン板等が用いられる。
【００１４】
蓄電装置１２としては、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、鉛二次電池等の各種二次電池や、電気二重層キャパシタ、レドックスキャパシタ等の各種キャパシタ等が用いられる。この蓄電装置１２は、燃料電池１０で発電した電力の余剰分（例えば、燃料電池１０で発電した電力から負荷２０に供給する電力を差し引いた分）を充電し、充電した電力を放電して、燃料電池１０と共に負荷２０に電力を供給するものである。
【００１５】
負荷２０は、燃料電池１０、蓄電装置１２と電力のやり取りを行うものであり、例えば、電動機として駆動する駆動用モータ等が挙げられる。また、電動機として駆動する駆動用モータは、発電機として駆動するものであってもよい。燃料電池１０又は蓄電装置１２からの直流電力が、インバータ１６により交流電力に変換されて、負荷２０（駆動用モータ）に供給される。なお、駆動用モータが直流モータ等である場合には、燃料電池１０又は蓄電装置１２からの直流電力は、インバータ１６を介さずに、駆動用モータに直接供給される。
【００１６】
電子制御ユニット１８は、ＣＰＵを中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、その他に、処理プログラム等が記録されたＲＯＭ、一時的にデータを記憶するＲＡＭ、入出力ポートを備えるものである。電子制御ユニット１８は、負荷２０に要求されるパワー（負荷要求パワー）に見合う電力が燃料電池１０、蓄電装置１２から出力されるように電力の分配制御を行う電力分配制御手段、負荷要求パワーと蓄電装置１２の充電に必要な電力との和に見合う電力が燃料電池１０から出力されるように燃料電池１０を制御する手段等を備える。電子制御ユニット１８による燃料電池１０、蓄電装置１２の電力分配は、特に制限されるものではないが、燃料電池１０から出力されることを基本とし、負荷要求パワーに対して燃料電池１０から出力される電力だけでは不足する場合、蓄電装置１２から出力される電力によって補われる。
【００１７】
コンバータ１４は、後述するように、燃料電池１０の出力電圧をパルス制御する制御手段としての機能を有する。また、コンバータ１４は、蓄電装置１２の充放電を行わせる機能を有しており、例えば、アクセル操作を一時的にオフにした場合には、車両の走行エネルギを負荷２０（発電機）にて回生して蓄電装置１２に充電させることができる。
【００１８】
以下に、本実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。燃料電池システムの動作については、電気自動車等の車両に図１に示す燃料電池システムを搭載した場合を例として説明する。
【００１９】
まず、電子制御ユニット１８により、車両のアクセルペダルの踏み込み量、ブレーキペダルの踏み込み量、シフトポジション、車速等の各種情報から、電気自動車等の車両における負荷要求パワーが算出される。算出された負荷要求パワーに見合う電力が燃料電池１０、蓄電装置１２から出力されるように、燃料電池１０、蓄電装置１２それぞれの要求負荷が決定される。そして、決定された要求負荷に応じて、燃料電池１０を発電させる。その際、コンバータ１４により、燃料電池１０の要求負荷に対して燃料電池１０から出力される電圧がパルス制御される。
【００２０】
図２は、コンバータによりパルス制御された燃料電池の出力電圧と時間との関係を示す図である。コンバータ１４によるパルス制御は、燃料電池１０の発電時において、燃料電池１０の要求負荷に対して出力される第１電圧（Ｖ１）と第１電圧（Ｖ１）より高い第２電圧（Ｖ２）との間で行われる。ここで、第２電圧（Ｖ２）は、燃料電池１０の要求負荷に対して出力される第１電圧（Ｖ１）より高い電圧であれば特に制限されるものではないが、例えば、０．８〜１．２Ｖの範囲で設定される。また、コンバータ１４は、第１電圧（Ｖ１）の時間（Ｔ１）／第１電圧（Ｖ１）の時間と第２電圧（Ｖ２）の時間との加算時間（Ｔ２）として表されるデューティ比を変化させ、第２電圧（Ｖ２）の時間（Ｔ２−Ｔ１）を第２電圧（Ｖ２）における触媒層の触媒溶解時間より短くなるように調整する。
【００２１】
通常、アクセル操作のオン等によって燃料電池１０の要求負荷が高くなると、燃料電池１０から出力される電圧は低くなり、アクセル操作のオフ等によって燃料電池１０の要求負荷が低くなると、燃料電池１０から出力される電圧は高くなる。このような、燃料電池１０の要求負荷の変動に伴う燃料電池１０の電位変動により、触媒層を構成する触媒の溶解が引き起こされる。特に、燃料電池１０の出力電圧が低い状態から高い状態へ移行し、高い出力電圧が所定時間（すなわち、触媒層の触媒溶解時間）以上維持されることにより、触媒が溶解する。しかし、本実施形態では、燃料電池１０の要求負荷の変動に関わらず、発電時における燃料電池１０の電圧を、常に燃料電池１０の要求負荷に対して出力される第１電圧（Ｖ１）と第１電圧（Ｖ１）より高い第２電圧（Ｖ２）との間でパルス制御を行い、第２電圧（Ｖ２）の時間（Ｔ２−Ｔ１）が第２電圧（Ｖ２）における触媒層の触媒溶解時間より短くなるように、デューティ比が調整されている。したがって、通常の燃料電池のように高い出力電圧が所定時間（すなわち、触媒層の触媒溶解時間）以上維持されることがないため、燃料電池１０の電位変動による触媒の溶解が抑制される。
【００２２】
触媒層の触媒溶解時間は、使用する触媒の種類、触媒の担持量、燃料電池１０の発電容量等によって変わる。そのため、第１電圧の時間（Ｔ１）、第１電圧（Ｖ１）の時間と第２電圧の時間との加算時間（Ｔ２）又は第２電圧の時間（Ｔ２−Ｔ１）は、使用する燃料電池１０に合わせて適宜設定される。例えば、触媒層の触媒溶解時間が３ｓｅｃである場合、少なくとも第２電圧の時間（Ｔ２−Ｔ１）が数ｍｓｅｃ〜３ｓｅｃの範囲であることが好ましい。
【００２３】
ここで、燃料電池１０のパルス制御で、第２電圧（Ｖ２）の時間（Ｔ２−Ｔ１）が第２電圧（Ｖ２）における触媒層の触媒溶解時間より短くなるように、デューティ比を調整した結果、負荷２０の負荷要求パワーに対して、燃料電池１０から出力される電力では不足する場合、蓄電装置１２から出力される電力により補足される。なお、負荷２０の負荷要求パワーが、蓄電装置１２から出力されることを基本とする場合でも、燃料電池１０のパルス制御は上記同様に行われる。
【００２４】
このように、パルス制御された燃料電池１０から出力される電力（及び蓄電装置１２から出力される電力）により、負荷２０（モータ）が駆動する。なお、本実施形態では、例えば、アクセル操作のオン、オフ等により負荷２０の負荷要求パワーが変動するか否かに関わらず、燃料電池の発電時では、上記説明した燃料電池１０の電圧のパルス制御を行う。
【００２５】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムは、発電時における燃料電池の電圧を、燃料電池１０の要求負荷に対して出力される第１電圧（Ｖ１）と第１電圧（Ｖ１）より高い第２電圧（Ｖ２）との間でパルス制御し、第２電圧（Ｖ２）の時間（Ｔ２−Ｔ１）が第２電圧における触媒層の触媒溶解時間より短くなるように、デューティ比を調整することにより、燃料電池の電位変動による触媒の溶解を抑制することができる。
【００２６】
上記本実施形態に係る燃料電池システムは、電気自動車に搭載されたものを例としたが、これに制限されるものではなく、例えば、燃料電池から出力される電力を負荷に供給するようなシステムであれば、どのようなものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】コンバータによりパルス制御された燃料電池の出力電圧と時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池システム、１０  燃料電池、１２  蓄電装置、１４  コンバータ、１６  インバータ、１８  電子制御ユニット、２０  負荷。
【図１】
2010129343.tif 000002
【図２】
2010129343.tif 000003