(57)【要約】【課題】燃料電池の出力を回復する時期と方法とを最適化する。【解決手段】燃料電池システムは、アノードとカソードと電解質層とを備える燃料電池と、前記燃料電池の運転状態を表すパラメータを測定する測定部と、制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池への要求出力の増加幅が基準値以上の場合に、前記カソードの背圧制御（ステップＳ５４）を行い、その後、前記要求出力が、前記パラメータに基づいて得られる前記燃料電池が発電可能な出力より大きい場合に、前記電解質層に担持された触媒の活性を回復させるリフレッシュ制御を行う（ステップＳ１６０）。【選択図】図２
2014053249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノードとカソードと電解質層とを備える燃料電池と、
前記燃料電池の運転状態を表すパラメータを測定する測定部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池への要求出力の増加幅が基準値以上の場合に、前記カソードの背圧制御を行い、
その後、前記要求出力が、前記パラメータに基づいて得られる前記燃料電池が発電可能な出力より大きい場合に、前記電解質層に担持された触媒の活性を回復させるリフレッシュ制御を行う、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
冷却媒体により、前記燃料電池を冷却させる冷却部と、
前記冷却媒体の温度を測定する温度センサと、を備え、
前記制御部は、前記冷却媒体の温度が適正温度となるように、前記冷却部の温度制御を行う、燃料システム。
【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。
【背景技術】
【０００２】
アノードガスとカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。そして、燃料電池システムの出力の回復手段に関する種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。たとえば、特許文献１に記載された技術においては、燃料電池の出力が低く、かつ燃料電池に対する運転要求が高負荷である場合に、触媒の活性を回復させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１８２５２号公報
【特許文献２】特開２００９−４１６０号公報
【特許文献３】特開２００９−２３１２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された技術は、燃料電池の出力の回復手段を触媒活性の回復のみに限定している。また、出力の回復手段は触媒の活性回復以外にも、カソード背圧を増加する方法や、燃料電池の温度制御などの方法がある。一方、これらの出力の回復手段は、どのような場合にどの方法を選択するべきかわからないという課題があった。そのため、燃料電池システムにおいて、出力を回復する時期と方法とを最適化することが可能な技術が望まれていた。そのほか、従来の燃料電池システムにおいては、その小型化や、省資源化、製造の容易化、製造の精確さ、作業性の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードとカソードと電解質層とを備える燃料電池と；前記燃料電池の運転状態を表すパラメータを測定する測定部と；制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池への要求出力の増加幅が基準値以上の場合に、前記カソードの背圧制御を行い、その後、前記要求出力が、前記パラメータに基づいて得られる前記燃料電池が発電可能な出力より大きい場合に、前記電解質層に担持された触媒の活性を回復させるリフレッシュ制御を行う。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力を回復する時期と方法とを最適化できる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、冷却媒体により、前記燃料電池を冷却させる冷却部と；前記冷却媒体の温度を測定する温度センサと；を備え、前記制御部は、前記冷却媒体の温度が適正温度となるように、前記冷却部の温度制御を行う。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度制御を含めて、燃料電池の出力を回復する時期と方法を最適化できる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、本発明の燃料システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】制御部１０が燃料電池システム１の出力を制御する際の処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施形態において、燃料電池システム１は車両に搭載されている。
【００１１】
燃料電池システム１は、燃料電池６０と、制御部１０と、電流の供給を制御する電流制御部３０と、を備えている。
【００１２】
燃料電池システム１は、燃料電池６０で反応に使用するカソードガスおよびアノードガスを供給および循環するために、カソードガス供給循環系統８２とアノードガス供給循環系統８４を備えている。カソードガス供給循環系統８２は、カソードガスである酸素を圧縮するエアコンプレッサ７２と、排出されたカソードガスの圧力（カソード背圧）を測定する圧力計７６とを備えている。また、アノードガス供給循環系統８４は、アノードガスである水素を循環させるアノードガスポンプ７４を備えている。
【００１３】
燃料電池６０は、アノード部６２とカソード部６４とを備える。燃料電池６０は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池であり、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池６０の単電池は、イオン交換膜からなる電解質層の一方の面にカソード部６４を有し、他方の面にアノード部６２を有する。カソード部６４とアノード部６２とを含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられる。さらに、カソードおよびアノードを両側から挟み込むように一対のセパレータが設けられている。そして一方のセパレータであるカソードガス供給循環系統８２に酸素が供給され、他方のセパレータであるアノードガス供給循環系統８４に水素が供給される。これらのガス供給により燃料電池６０は電力を発生する。なお、燃料電池６０としては、固体分子電解質型のほか、燐酸型や溶融炭酸塩型など種々のタイプのものを採用できる。
【００１４】
燃料電池６０は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池６０は、燃料電池６０を冷却するための冷却水循環装置９０を備える。冷却水循環装置９０は、冷却水の温度を計測する温度計９２を備える。
【００１５】
燃料電池システム１の運転は、制御部１０によって制御される。また、制御部１０は、アクセル開度センサ２０からの出力信号が入力される。制御部１０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部１０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムにしたがって、アノードガスポンプ７４の駆動や電流制御部３０の制御を行い、燃料電池システム１の運転を制御する。
【００１６】
Ａ２．燃料電池システム１の制御処理：
図２は、制御部１０が燃料電池システム１の出力を制御する際の処理を示すフローチャートである。燃料電池システム１の運転時において、燃料電池６０の出力を回復する時期と方法とを最適化できる処理である。この処理は、所定時間ごとに繰り返し実行される。
【００１７】
燃料電池システム１の運転が開始されたときには、まず、制御部１０は、要求出力の増加幅が基準値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５０）。なお、「要求出力」とは、制御部１０により算出された、アクセル開度センサ２０への入力などを介して燃料電池６０に要求される出力をいう。また、「要求出力の増加幅」は、アクセル開度センサ２０からの出力信号により、制御部１０が決定する。車両運転中における要求出力が増加する場合としては、急発進時や他の車両の追い抜き時、坂を登る時などが挙げられる。また、「基準値」は、燃料電池６０の出力の容量に応じて予め設定された値である。
【００１８】
ステップＳ５０において、要求出力の増加幅が基準値以上と判定されたとき（ステップＳ５０、ＮＯ）、制御部１０は、燃料電池システム１における直前の運転履歴（直前の運転状態）から、以下の式（１）に従って必要酸素濃度を算出する（ステップＳ５２）。
［数１］
ｉ=APtｉref0,ORR(1-θ)m(CO2/CrefO2)γexp(-αcFηORR/RT)         （１）
なお、「ｉ」は電流密度、「APt」はカソード白金表面積、「ｉref0,ORR」はカソード交換電流密度、「θ」は酸化被膜率、「CO2」は必要酸素濃度、「CrefO2」は基準酸素濃度、「αc」は電荷移動係数、「Ｆ」はファラデー定数、「Ｒ」は気体定数、「Ｔ」は冷却水温度、「ηORR」はカソード過電圧、「m、γ」は実験定数である。
【００１９】
ここで、カソード白金表面積「APt」の値と、カソード交換電流密度「ｉref0,ORR」の値は、燃料電池６０の設計段階で決まる一定値である。酸化被膜率「θ」の値は、燃料電池６０の設計段階で決まるパラメータと、そのときの燃料電池６０の出力電流により定められる値である。基準酸素濃度「CrefO2」の値は、基準状態の酸素濃度であり、慣例的に１００kpa-absが用いられる。なお、「kpa-abs」は、絶対圧力を表す単位である。冷却水温度「Ｔ」の値は、温度計９２により得られる。カソード過電圧「ηORR」とは、カソードにおいて熱力学的に求められる理論電位Ｅと実際に反応が進行するときの電位Ｅrealとの差をいう。「理論電位Ｅ」は以下の式（２）に従って算出され、「実際に反応が進行するときの電位Ｅreal」は、セル電圧により得られる。
［数２］
E=｛−（ΔH0−TΔS）−RT・ln(ａH2・ａO21/2/ａH20)｝/2F      （２）
なお、「ΔH0」は標準生成エンタルピー、「ΔS」は標準生成エントロピー、「ａ」はそれぞれの物質の活量である。
【００２０】
ステップＳ５２の算出後、カソード背圧が必要酸素濃度となるように圧力計７６によりカソード背圧を測定して、制御部１０はカソード背圧を制御する（ステップＳ５４）。
【００２１】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、要求出力の増加幅が基準値以上と判定されたとき（ステップＳ５０、ＮＯ）、制御部１０は、カソードの背圧制御を優先して行う。カソードの背圧制御は、後述する温度制御（ステップＳ１２０）やリフレッシュ運転（ステップＳ１６０）と比べてレスポンスが早い。このため、燃料電池６０の出力を回復する時期と方法とを最適化することができる。
【００２２】
次に、ステップＳ５２においてカソード背圧を制御した後、もしくは、ステップＳ５０において、制御部１０により要求出力の増加幅が基準値以下と判定された後（ステップＳ５０、ＹＥＳ）、燃料電池６０への要求出力が、設定出力より大きいか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、「設定出力」とは、セル電圧とカソード背圧から制御部１０により算出された燃料電池６０が発電可能な出力をいう。要求出力が設定出力より小さい場合は（Ｓ１００、ＹＥＳ）、フローを終了する。
【００２３】
ステップＳ１００において、要求出力は設定出力より大きいと制御部１０が判定した場合（Ｓ１００、ＮＯ）、制御部１０は、式（１）から燃料電池６０を冷却する冷却水の適正温度を算出する（ステップＳ１１０）。ここで、「適正温度」とは、燃料電池の出力効率が高い状態となる冷却水の温度をいう。
【００２４】
ステップＳ１１０の算出後、冷却水の温度が適正温度となるように温度計９２により冷却水の温度を測定して、制御部１０は冷却水の温度を制御する（ステップＳ１２０）。冷却水の温度制御という、効果が現れるまでに時間のかかる処理を他の回復処理に比べて早い段階で行うことにより、燃料電池６０の出力を回復する時期と方法とを最適化できる。
【００２５】
続いて、制御部１０は、変更された冷却水の温度に基づいて設定出力を再計算し、要求出力が設定出力より大きいか否かについて判定を行う（ステップＳ１３０）。この判定で、要求出力が設定出力より小さい場合は（Ｓ１３０、ＹＥＳ）、フローを終了する。
【００２６】
一方、要求出力は設定出力より大きいと制御部１０が判定した場合（Ｓ１３０、ＮＯ）、制御部１０は、燃料電池システム１における直前の運転履歴から、活性項の算出を行う（ステップＳ１４０）。なお、「活性項」とは、式（１）における「exp(-αcFηORR/RT)」の項をいう。ステップＳ１４０で算出する活性項を「現在活性項」と呼ぶ。
【００２７】
ステップＳ１４０における算出の結果、現在活性項の値と初期活性項の値との比較を行う（ステップＳ１５０）。ここで、「初期活性項」の値は、算出された活性項の値のうち、所定時間ごとに制御部１０に記憶され、更新されている値をいう。
【００２８】
現在活性項と初期活性項との比較を行った結果、初期活性項が現在活性項より大きい場合は（Ｓ１５０、ＹＥＳ）、制御部１０によりリフレッシュ運転が行われる（ステップＳ１６０）。ここで、「リフレッシュ運転」とは、燃料電池６０への酸素の供給をいったん停止し、且つ燃料電池６０の発電電圧を触媒層の還元領域まで下げて、触媒層を活性化する還元処理をいう。この処理により、触媒に吸着された酸素が離れ、燃料電池６０の出力電圧の低下を抑制できる。
【００２９】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、後述するカソードの背圧制御よりもエネルギの損の少ないリフレッシュ運転を優先して行えるため、燃料電池の出力を回復する時期と方法とを最適化できる。
【００３０】
一方、現在活性項と初期活性項との比較を行った結果、初期活性項が現在活性項より小さい場合は（Ｓ１５０、ＮＯ）、現在活性項を使用して、式（１）に従って必要酸素濃度を算出する（ステップＳ１７０）。式（１）の必須酸素濃度以外の各パラメータは、前述のように、直前の運転状態から得られる。ステップＳ１７０の算出後、カソード背圧が必要酸素濃度となるように圧力計７６によりカソード背圧を測定して、制御部１０はカソード背圧を制御する（ステップＳ１８０）。ステップＳ１８０の後、フローはステップＳ１００に戻される。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、温度制御（ステップＳ１２０）とリフレッシュ運転（ステップＳ１６０）と背圧制御（ステップＳ１８０）とを最適な時期に行うことができる。
【００３２】
なお、課題を解決するための手段に記載の「測定部」は、本実施形態における「アクセル開度センサ２０、圧力計７６」に相当する。「冷却部」は、「冷却水循環装置９０」に相当する。「温度センサ」は、「温度計９２」に相当する。
【００３３】
Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様で実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３４】
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態において、温度制御（ステップＳ１２０）を行うフローとしたが、本発明はこれに限られない。つまり、温度制御をなくしてもよく、リフレッシュ運転（ステップＳ１６０）や背圧制御（ステップＳ１８０）を先に行っても良い。これにより、より早くリフレッシュ運転（ステップＳ１６０）や背圧制御（ステップＳ１８０）を行うことができる。
【００３５】
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態において、アクセル開度センサ２０により要求出力の増加幅を決定したが、本発明はこれに限られない。本発明は車両に限定されないためである。
【００３６】
上記実施形態において、酸素濃度や冷却水の温度などのパラメータについては関係式を用いて算出したが、本発明はこれに限られない。関係式からの算出以外の方法として、例えば、マップを使用する方法を用いても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池システム
１０…制御部
２０…アクセル開度センサ
３０…電流制御部
６０…燃料電池
６２…アノード部
６４…カソード部
７２…エアコンプレッサ
７４…アノードガスポンプ
７６…圧力計
８２…カソードガス供給循環系統
８４…アノードガス供給循環系統
９０…冷却水循環装置
９２…温度計
【図１】
2014053249.tif 000003
【図２】
2014053249.tif 000004