(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は、燃料電池１０、状態検出手段５０，６０、電位決定手段９０、および電位制御手段３０，７０，９０を有する。燃料電池１０は、電極触媒として白金を含む。状態検出手段５０，６０は、燃料電池１０の状態を検出する。電位決定手段９０は、検出された燃料電池１０の状態に基づいて、燃料電池１０の空気極電位の目標値である目標電位を決定する。電位制御手段３０，７０，９０は、決定された目標電位まで燃料電池１０の空気極電位を低下させることにより、燃料電池１０の発電性能を回復させる。【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と、
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、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する電位決定手段と、
前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる電位制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電位決定手段は、前記燃料電池が劣化しやすい状態であるほど前記目標電位が高くなるように、前記燃料電池の状態に基づいて前記目標電位を決定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】
前記電位決定手段は、可逆水素電極電位に対して０．６Ｖ以上の範囲で予め設定される複数の電位レベルの中から、前記燃料電池の状態に対応する一の電位レベルを選択して、前記目標電位として決定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、
前記電位決定手段は、前記検出される温度が高いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定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、
前記電位決定手段は、前記検出される含水量が多いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定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、
前記電位決定手段は、前記燃料電池の空気極電位が所定値以下である期間が長いほど、または前記空気極電位の所定の電位幅以上の変動回数が多いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定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、
前記電位決定手段は、前記アクセル開度が所定値以上である期間が長いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定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状態を検出する段階と、
前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する段階と、
前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる段階と、
を有す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、燃料電池、状態検出手段、電位決定手段、および電位制御手段を有する。前記燃料電池は、電極触媒として白金を含む。前記状態検出手段は、前記燃料電池の状態を検出する。前記電位決定手段は、前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する。前記電位制御手段は、前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる。
【０００９】
本発明の燃料電池の運転方法は、状態検出段階、電位決定段階、および電位制御段階を有する。前記状態検出段階は、電極触媒として白金を含む燃料電池の状態を検出する。前記電位決定段階は、前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する。前記電位制御段階は、前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる。
【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る空気極電位の目標電位が燃料電池の状態に応じて変更されるため、白金の溶解を抑制しつつ、白金酸化物を還元することができる。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、燃料電池の状態に応じて、燃料電池のカソード電位を可逆水素電極電位（ＲＨＥ）に対して０．６Ｖまたは０．８Ｖの電位まで低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復させるものである。
【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）に接続されている。本実施の形態のコンプレッサ３０は、制御部９０によって制御され、燃料電池１０のカソード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、コンプレッサ３０および負荷器７０を制御するものである。制御部９０は、コンプレッサ３０および負荷器７０を制御して、燃料電池１０のカソード電位を低下させる。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、コンプレッサ３０および負荷器７０に指令信号を送信する。コンプレッサ３０、負荷器７０、および制御部９０は、電位制御手段として機能する。また、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のカソード電位の目標値である目標電位を決定する電位決定部（電位決定手段）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の状態に基づいて目標電位が決定され、決定された目標電位まで燃料電池１０のカソード電位を低下させることにより、燃料電池１０の発電性能が回復される。以下、図３〜図８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の目標電位が決定される（ステップＳ１０２）。本実施の形態では、燃料電池１０の温度および含水量に基づいて、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの目標電位が決定される。目標電位を決定する処理の詳細については後述する。
【００３５】
次に、燃料電池１０の単セル１１あたりのセル電圧が検出される（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、電圧検出部４０が燃料電池１０を構成する一の単セル１１の電圧をセル電圧として検出する。
【００３６】
次に、触媒として用いられている白金の被覆率が算出される（ステップＳ１０４）。本実施の形態では、燃料電池１０に用いられる材料毎に、セル電圧と被覆率との関係を示すセル電圧−被覆率変換テーブルが予め定められており、ステップＳ１０３に示す処理で算出されたセル電圧に応じて被覆率が算出される。なお、セル電圧が低いほど、被覆率は高くなる。
【００３７】
次に、白金を被覆している物質が白金酸化物のみか否かが判断される（ステップＳ１０５）。本実施の形態では、ステップＳ１０１に示す処理で用いられる所定時間に対応して材料毎に予め求められている白金の被覆率と、ステップＳ１０４の被覆率とを比較して、白金が白金酸化物によってのみ覆われているか否かが判断される。ステップＳ１０４で算出される被覆率が時間に応じて定められている被覆率よりも大きい場合、白金酸化物以外の物質（以下、コンタミ物質と称する）が白金酸化物とともに白金を覆っていると判断される。
【００３８】
コンタミ物質が白金酸化物とともに白金を覆っていると判断される場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、白金酸化物とともにコンタミ物質を除去するために、ステップＳ１１０に示す処理に移行する。一方、白金が白金酸化物のみで覆われていると判断される場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、燃料電池１０へのカソードガスの供給が停止される（ステップＳ１０６）。本実施の形態では、制御部９０がコンプレッサ３０に指令信号を送信して、コンプレッサ３０を停止することにより、燃料電池１０へのカソードガスの供給が停止される。その結果、燃料電池１０のカソード電位が低下する。
【００３９】
そして、カソード電位がモニタリングされる（ステップＳ１０７）。本実施の形態では、ステップＳ１０２に示す処理で決定された目標電位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。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、カソード電位が目標電位まで到達したか否かが判断される（ステップＳ１０８）。カソード電位が目標電位まで到達しない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、カソード電位が目標電位に到達するまで待機する。
【００４２】
一方、カソード電位が目標電位に到達した場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、燃料電池１０へのカソードガスの供給が再開され（ステップＳ１０９）、処理が終了される。本実施の形態では、制御部９０が、コンプレッサ３０に指令信号を送信して、コンプレッサ３０を作動させることにより、燃料電池１０へのカソードガスの供給が再開される。
【００４３】
以上のとおり、ステップＳ１０６〜Ｓ１０９に示す処理によれば、燃料電池１０へのカソードガスの供給を停止することにより、燃料電池１０のカソード電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの目標電位まで一時的に低下される。その結果、白金の溶解を抑制しつつ白金酸化物が還元されることにより、燃料電池１０の発電性能が回復される。
【００４４】
一方、ステップＳ１０５に示す処理において、白金が白金酸化物とコンタミ物質とによって覆われていると判断される場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、燃料電池１０から電流が取り出される（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。その結果、カソード電位が低下するとともに、燃料電池１０の発電にともなって水が生成される。
【００４５】
そして、カソード電位がモニタリングされる（ステップＳ１１１）。本実施の形態では、ステップＳ１０２に示す処理で算出された目標電位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。なお、セル電圧からカソード電位を算出する方法は、ステップＳ１０７に示す処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００４６】
次に、カソード電位が目標電位まで到達したか否かが判断される（ステップＳ１１２）。カソード電位が目標電位まで到達しない場合（ステップＳ１１２：ＮＯ）、カソード電位が目標電位に到達するまで待機する。
【００４７】
一方、カソード電位が目標電位に到達した場合（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、燃料電池１０からの電流の取り出しが停止され（ステップＳ１１３）、処理が終了される。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。
【００４８】
以上のとおり、ステップＳ１１０〜Ｓ１１３に示す処理によれば、燃料電池１０から電流を取り出すことにより、燃料電池１０のカソード電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの目標電位まで一時的に低下される。その結果、白金の溶解を抑制しつつ白金酸化物が還元されることにより、燃料電池１０の発電性能が回復される。加えて、燃料電池１０の発電にともなって生成される水の流れにより、コンタミ物質が取り除かれる。
【００４９】
次に、図４を参照して、図３のステップＳ１０２に示す目標電位決定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目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。
【００５０】
図４に示すとおり、本実施の形態の目標電位決定処理では、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。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、目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。
【００５４】
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、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの目標電位が決定される。より具体的には、燃料電池１０が高温・高含水量状態でない場合、燃料電池１０の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。一方、燃料電池１０が高温・高含水量状態である場合、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池１０の発電性能が回復するように、カソード電位の目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。そして、上述したとおり、燃料電池１０のカソード電位が目標電位まで低下されることにより、燃料電池１０の発電性能が回復される。
【００５５】
次に、図６を参照して、燃料電池のカソード電位の目標電位と燃料電池の劣化度合いとの関係について説明する。
【００５６】
図６は、燃料電池のカソード電位の目標電位と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図である。図６（Ａ）は、燃料電池のカソード電位を変化させる処理を説明するための図であり、図６（Ｂ）は、燃料電池のカソード電位を変化させる処理を繰り返した場合の触媒表面積（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  ＥＣＡ）の減少度合いを示す図である。
【００５７】
図６（Ａ）に示すとおり、温度８０℃かつ湿度１００％の環境化で、燃料電池のカソード電位を０．９５Ｖｖｓ．ＲＨＥと種々の目標電位との間で繰り返し変化させ、触媒表面積を測定した。図６（Ｂ）の横軸はサイクル数であり、縦軸は、触媒表面積である。
【００５８】
図６（Ｂ）に示すとおり、燃料電池のカソード電位を繰り返し変化させる場合、燃料電池のカソード電位の目標電位が低いほど、燃料電池の触媒表面積の減少は大きくなる。言い換えれば、燃料電池のカソード電位を低い電位まで低下させるほど多くの白金が溶解し、燃料電池の劣化は進行する。したがって、本実施の形態における燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能を回復させるためには、カソード電位を高めの目標電位（たとえば、０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下させる。一方、燃料電池の発電性能を迅速に回復させるためには、カソード電位を低めの目標電位（たとえば、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下させる。
【００５９】
次に、図７を参照して、燃料電池の温度および含水量と燃料電池の劣化度合いとの関係について説明する。
【００６０】
図７（Ａ）は、燃料電池の温度と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図であり、図７（Ｂ）は、燃料電池の含水量と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）の横軸は、サイクル数であり、縦軸は、触媒表面積である。なお、図７（Ｂ）では、燃料電池の含水量として、燃料電池に供給されるガスの湿度を検出している。
【００６１】
図７（Ａ）に示すとおり、燃料電池の温度が高いほど、燃料電池の触媒表面積の減少は大きくなる。言い換えれば、燃料電池の温度が高いほど、燃料電池は劣化しやすい。したがって、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、燃料電池の温度が高い場合には、カソード電位を高めの電位（０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下させて、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能を回復させる。一方、燃料電池の温度が低い場合には、カソード電位を低めの電位（たとえば、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下させて、燃料電池の発電性能を迅速に回復させる。
【００６２】
また、図７（Ｂ）に示すとおり、燃料電池の含水量が高いほど、燃料電池の触媒表面積の減少は大きくなる。言い換えれば、燃料電池の含水量が高いほど、燃料電池は劣化しやすい。したがって、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、燃料電池の含水量が多い場合には、カソード電位を高めの電位（０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下させて、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能を回復させる。一方、燃料電池の含水量が少ない場合には、カソード電位を低めの電位（たとえば、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ）まで低下させて、燃料電池の発電性能を迅速に回復させる。
【００６３】
次に、図８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。
【００６４】
図８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８では、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る場合を比較例として示している。
【００６５】
図８（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。
【００６６】
一方、図８（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、燃料電池の状態に応じて、燃料電池のカソード電位を０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥまで低下させる。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。
【００６７】
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０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥまで低下され、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０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまで低下され、燃料電池の発電性能が迅速に回復される。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。
【００６８】
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目標電位が決定された。しかしながら、燃料電池の温度のみから目標電位を決定してもよく、含水量のみから目標電位を決定してもよい。
【００６９】
また、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応じて、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥおよび０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの２つの電位レベルのうち一方の電位レベルが選択され、目標電位として決定された。しかしながら、燃料電池の状態に応じて、３つ以上の電位レベルの中から一の電位レベルを選択し、目標電位として決定してもよい。このような電位レベルは、０．６〜０．９５Ｖｖｓ．ＲＨＥの範囲で設定されることが好ましい。目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ未満の場合、白金が溶解しやすく、燃料電池の劣化を確実に抑制することができない。目標電位が０．９５Ｖｖｓ．ＲＨＥを超える場合、材料によっては白金酸化物が還元されず、燃料電池の発電性能が回復しない。
【００７０】
次に、図９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。
【００７１】
図９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のアイドリング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。
【００７２】
そして、このような燃料電池自動車２００が実際に使用される地域および季節に応じて、燃料電池の温度および含水量は異なる。たとえば、モスクワの１月の平均気温は−９．５℃、最低気温は−１６．２℃であるのに対して、ニューデリーの６月の平均気温は３３．８℃、最高気温は３９．９℃である。したがって、図７（Ａ）において破線で示す−１０℃程度での触媒表面積の減少曲線と３０℃または５０℃に対応する触媒表面積の減少曲線との関係を勘案すれば、燃料電池の温度を検出して燃料電池のカソード電位の目標電位を決定することにより、３０％程度の触媒表面積の減少抑制効果が期待される。
【００７３】
また、砂漠地帯の湿度（ＲＨ）は２０〜３０％であるのに対し、東南アジアの雨季の湿度は、８０〜９０％である。したがって、図７（Ｂ）に示す含水量と触媒表面積との関係を勘案すれば、燃料電池の含水量を検出して燃料電池のカソード電位の目標電位を決定することにより、３０％程度の触媒表面積の減少抑制効果が期待される。
【００７４】
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。
【００７５】
（ａ）本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池、温度検出部、抵抗検出部、コンプレッサ、負荷器、および制御部を備える。燃料電池は、電極触媒として白金を含む。温度検出部および抵抗検出部は、燃料電池の温度および含水量を検出する。制御部は、検出された燃料電池の状態に基づいて、燃料電池のカソード電位の目標値である目標電位を決定する。コンプレッサ、負荷器、および制御部は、決定された目標電位まで燃料電池のカソード電位を低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復させる。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るカソード電位の目標電位が燃料電池の状態に応じて変更されるため、白金の溶解を抑制しつつ、白金酸化物を還元することができる。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。
【００７６】
（ｂ）制御部は、燃料電池が劣化しやすい状態であるほど目標電位が高くなるように、燃料電池の状態に基づいて目標電位を決定する。したがって、燃料電池が劣化しやすい状態であるほど、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。
【００７７】
（ｃ）制御部は、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥ以上の範囲で予め設定される２つの電位レベルの中から燃料電池の状態に対応する一の電位レベルを選択して、目標電位として決定する。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より一層向上させることができる。
【００７８】
（ｄ）制御部は、燃料電池の温度が高いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。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。
【００７９】
（ｅ）制御部は、燃料電池の含水量が多いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。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。
【００８０】
（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。
【００８１】
（ｇ）本実施の形態における燃料電池の運転方法は、状態検出段階、電位決定段階、および電位制御段階を有する。状態検出段階は、電極触媒として白金を含む燃料電池の状態を検出する。電位決定段階は、検出された燃料電池の状態に基づいて、燃料電池のカソード電位の目標値である目標電位を決定する。電位制御段階は、決定された目標電位まで燃料電池のカソード電位を低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復させる。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るカソード電位の目標電位が燃料電池の状態に応じて変更されるため、白金の溶解を抑制しつつ、白金酸化物を還元することができる。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。
【００８２】
（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目標電位を決定した。本実施の形態は、燃料電池のカソード電位の履歴から目標電位を決定する。
【００８３】
図１０は、本発明の第２の実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。なお、目標電位決定処理を除いては、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、本実施の形態の目標電位決定処理では、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。
【００８５】
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）。
【００８６】
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、目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（ステップＳ３０４）、処理が終了される。
【００８７】
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、目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（ステップＳ３０６）、処理が終了される。
【００８８】
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、目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（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、目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（ステップＳ３０６）、処理が終了される。
【００８９】
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のカソード電位の履歴に基づいて、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの目標電位が決定される。より具体的には、燃料電池のカソード電位が所定値以下である期間が短い場合、またはカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が少ない場合、燃料電池の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。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長い場合、またはカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が多い場合、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、カソード電位の目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。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。
【００９０】
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。
【００９１】
（ｈ）制御部は、燃料電池のカソード電位が所定値以下である期間が長いほど、または燃料電池のカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が多いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。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。
【００９２】
（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目標電位を決定する実施の形態である。
【００９３】
図１１は、本発明の第３の実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。なお、目標電位決定処理を除いては、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。
【００９４】
図１１に示すとおり、本実施の形態の目標電位決定処理では、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。
【００９５】
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、目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（ステップＳ４０３）、処理が終了される。
【００９６】
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、目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（ステップＳ４０３）、処理が終了される。
【００９７】
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、目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定され（ステップＳ４０５）、処理が終了される。
【００９８】
以上のとおり、図１１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、０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥまたは０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥの目標電位が決定される。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短い場合、燃料電池の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の目標電位が０．６Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。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長い場合、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、カソード電位の目標電位が０．８Ｖｖｓ．ＲＨＥに決定される。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。
【００９９】
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。
【０１００】
（ｉ）制御部は、アクセル開度が所定値以上である期間が長いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
たとえば、上述した第１〜第３の実施の形態では、燃料電池へのカソードガスの供給を停止することにより、あるいは、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、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。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【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に示す目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４に示す目標電位決定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】図１に示す燃料電池システムにおける目標電位と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図である。
【図７】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池の温度および含水量と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図である。
【図８】図３に示す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９】図１に示す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１０】本発明の第２の実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０４】
１０  燃料電池、
２０  燃料タンク、
３０  コンプレッサ（電位制御手段）、
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（電位制御手段）、
８０  電流検出部、
９０  制御部（電位制御手段および電位決定手段）、
１００  燃料電池システム、
２００  燃料電池自動車。
【図１】
2010027297.tif 000003
【図２】
2010027297.tif 000004
【図３】
2010027297.tif 000005
【図４】
2010027297.tif 000006
【図５】
2010027297.tif 000007
【図６】
2010027297.tif 000008
【図７】
2010027297.tif 000009
【図８】
2010027297.tif 000010
【図９】
2010027297.tif 000011
【図１０】
2010027297.tif 000012
【図１１】
2010027297.tif 000013