(57)【要約】  燃料電池は、厚みが５〜１０μｍの電解質膜を備える。この燃料電池の制御装置は、要求された電力量に応じて燃料電池による発電量を制御する制御部と、電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合に、電解質膜の湿度が９５％未満の場合の発電量よりも燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、を備える。
2014033790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の制御装置であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが５〜１０μｍであり、前記電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合には、前記電解質膜の湿度が９５％未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、
を備える制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記制御部は、前記要求された電力量に応じて、前記燃料電池による発電量を制御すると共に二次電池から供給する電力量も制御し、
前記制御部は、前記発電量低下部によって前記燃料電池の発電量を低下させた場合に、前記要求された電力量のうち、前記発電量の低下によって不足となる電力量を、前記二次電池から供給する、制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の制御装置であって、
更に、前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部を備え、
前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる、制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記割れ検出部は、前記電解質膜の湿度に基づいて、前記触媒層の歪みの回数を計測し、該回数に基づいて、前記触媒層の割れを検出する、制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池の制御装置であって、更に、
前記燃料電池の電流値に基づいて前記湿度を推定する湿度推定部を備える、制御装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記発電量低下部は、前記燃料電池の発電量を低下させる際に、前記燃料電池の発電量の電流を０．１Ａ／ｃｍ2とする、制御装置。
【請求項７】
前記燃料電池と、
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池の制御方法であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する工程と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが５〜１０μｍであり、前記電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合には、前記電解質膜の湿度が９５％未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる工程と、
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に備えられた電解質膜の劣化を抑制するため、例えば、特許文献１に記載の技術では、電解質膜の温度又は湿度から電解質膜のクリープ変形量とその累積値を算出して、累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発するようにしている。特許文献１に記載の技術では、このように警告を発することで、電解質膜が乾燥することによって裂けてしまうことを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−８４２６４号公報
【特許文献２】特開２００５−７１７９７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１５１２０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、燃料電池の劣化は様々な原因によって生じ得る。例えば、電解質膜は、湿度が高い状態が継続すると膨潤して変形（座屈）することがある。そうすると、電解質膜に接合する触媒層にストレスが生じて触媒層に割れが生じる場合がある。また、触媒層に割れが生じると、その割れた部分によって、電解質膜の収縮時に電解質膜に引っ張り応力が発生し、電解質膜に伸びが生じて電解質膜の一部が薄くなってしまうことがある。よって、電解質膜に限らず触媒層の劣化も抑制可能な技術が望まれている。このような問題は、特に、低コスト化の為に薄い電解質膜を採用する燃料電池において顕著になる。また、従来の燃料電池においては、製造コストの低減や小型化、発電の効率化等が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述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可能である。【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の制御装置が提供される。この制御装置は、要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と；前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが５〜１０μｍであり、前記電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合には、前記電解質膜の湿度が９５％未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と；を備える。このような形態の制御装置であれば、５〜１０μｍという薄い電解質膜が、９５〜９８％ＲＨという湿度において膨潤したとしても、燃料電池の発電量を低下させることで、電解質膜の乾燥を促進することができる。よって、電解質膜に接合する触媒層に割れが生じることや、触媒層の割れに伴って電解質膜が薄くなりクロスリークが発生してしまうことを抑制することができる。【０００７】
（２）上記燃料電池の制御装置において、前記制御部は、前記要求された電力量に応じて、前記燃料電池による発電量を制御すると共に二次電池から供給する電力量も制御してもよく、前記制御部は、前記発電量低下部によって前記燃料電池の発電量を低下させた場合に、前記要求された電力量のうち、前記発電量の低下によって不足となる電力量を、前記二次電池から供給してもよい。このような形態の制御装置であれば、燃料電池の発電量を低下させた際に、不足する電力量を二次電池から供給するので、必要な電力量を適切に供給することができる。【０００８】
（３）上記燃料電池の制御装置は、更に、前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部を備えてもよく、前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせてもよい。このような形態の燃料電池であれば、触媒層に割れが生じた場合には、電解質膜を膨潤させることができるので、電解質膜が収縮することがない。よって、電解質膜の収縮時に触媒層の割れた部分によって電解質膜が伸びて薄くなることを抑制することができる。この結果、触媒層が割れた場合において、電解質膜にクロスリークが生じることを抑制することができる。【０００９】
（４）上記燃料電池の制御装置において、前記割れ検出部は、前記電解質膜の湿度に基づいて、前記触媒層の歪みの回数を計測し、該回数に基づいて、前記触媒層の割れを検出してもよい。このような形態の制御装置であれば、電解質膜の膨潤と触媒層の割れと、をどちらも燃料電池の湿度に基づいて推定できる。【００１０】
（５）上記燃料電池の制御装置は、更に、前記燃料電池の電流値に基づいて前記湿度を推定する湿度推定部を備えても良い。このような形態の制御装置であれば、電流値によって湿度を推定できるので、システムの構成を簡略化することができる。【００１１】
（６）上記燃料電池の制御装置において、前記発電量低下部は、前記燃料電池の発電量を低下させる際に、前記燃料電池の発電量の電流を０．１Ａ／ｃｍ2としてもよい。このような形態の制御装置であれば、燃料電池が必要以上に高い電位になることを抑制しつつ、電解質膜を迅速に乾燥させることができる。【００１２】
（７）本発明の他の形態によれば、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、前記燃料電池と、前記制御装置と、を備える。このような形態の燃料電池システムであれば、上述した制御装置と同様の効果を奏することができる。【００１３】
本発明は、上述した燃料電池の制御装置や燃料電池システムだけではなく、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを備える車両や、燃料電池の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】触媒層に割れが生じるメカニズムを示す説明図である。
【図３】電解質膜と触媒層のヤング率の測定結果を示す図である。
【図４】電解質膜の湿度と触媒層の相当塑性歪みの関係を示す図である。
【図５】電解質膜の湿度と触媒層の全歪みの関係を示す図である。
【図６】触媒層の疲労線図である。
【図７】燃料電池の制御処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池車両などに搭載され、運転者からの要求に応じて、モータ２００に電力を供給するシステムである。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、電流センサ１５と、制御部２０と、二次電池４０と、ＳＯＣ検出部４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、ＤＣ／ＡＣインバータ６０と、を備える。制御部２０は、本願の「制御装置」に相当する。
【００１６】
燃料電池１０は、モータ２００への電力供給源として機能する。本実施形態における燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。周知のように、各発電体１１は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、膜電極接合体のそれぞれの面に配置されたガス拡散層と、ガス拡散層を介して膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、を有する。本実施形態では、電解質膜の厚みは５〜１０μｍである。なお、燃料電池１０は周知の構成のため、図１には、燃料電池１０に反応ガスを供給するための流路等については示していない。燃料電池１０への反応ガスの供給量は燃料電池１０によって制御される。
【００１７】
燃料電池１０は、直流配線３０を介してＤＣ／ＡＣインバータ６０に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ６０には、モータ２００が接続されている。直流配線３０には、電流センサ１５が接続されている。電流センサ１５は、燃料電池１０が出力する電流値を計測して、制御部２０に送信する。
【００１８】
二次電池４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して、直流配線３０に接続されている。二次電池４０は、燃料電池１０とともにモータ２００への電力供給源として機能する。二次電池４０は、例えば、リチウムイオン電池で構成することができる。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制御することにより、燃料電池１０を発電させる電流値および電圧値と、二次電池４０の充放電とを制御する。
【００１９】
二次電池４０には、ＳＯＣ検出部４５が接続されている。ＳＯＣ検出部４５は、二次電池４０の充電状態であるＳＯＣ（State of Charge）を検出し、制御部２０に送信する。二次電池４０のＳＯＣとは、二次電池４０の充電容量に対する二次電池４０の充電残量（蓄電量）の比率を意味する。ＳＯＣ検出部４５は、二次電池４０の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池４０のＳＯＣを検出する。
【００２０】
ＤＣ／ＡＣインバータ６０は、燃料電池１０と二次電池４０とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。モータ２００によって回生電力が発生する場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ６０が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して二次電池４０に蓄電される。
【００２１】
制御部２０は、ＣＰＵとメモリとを備えるコンピュータによって構成されている。制御部２０は、モータ２００を駆動するために運転者から要求された出力（電力量）に応じて、燃料電池システム１００全体からモータ２００に供給する電力量を制御する。制御部２０は、要求された出力に対する燃料電池１０による発電量と二次電池４０から供給する電力量との配分をそれぞれ調整する。制御部２０は、例えば、燃料電池１０による発電量を低下させた場合には、発電量の低下によって不足となる電力量を二次電池４０から供給させる。
【００２２】
制御部２０は、ＣＰＵがメモリに記憶された所定のプログラムを実行することで、湿度推定部２１、膨潤判定部２２、割れ検出部２３、発電量低下部２４としても機能する。
【００２３】
湿度推定部２１は、電流センサ１５によって検出された燃料電池１０の電流値に基づき、燃料電池１０に備えられた電解質膜の湿度を推定する。制御部２０のメモリには、燃料電池１０の電流値と電解質膜の湿度との対応関係が予め定められたマップが記憶されている。湿度推定部２１は、このマップを参照することで、燃料電池１０の電流値から電解質膜の湿度を推定する。
【００２４】
膨潤判定部２２は、湿度推定部２１によって推定された電解質膜の湿度に基づき、電解質膜が膨潤しているか否かを判定する。本実施形態では、膨潤判定部２２は、推定された電解質膜の湿度が、９５％ＲＨ以上となる場合に、電解質膜が膨潤していると判定する。判定の基準を９５％ＲＨとした理由は後述する。
【００２５】
発電量低下部２４は、電解質膜が膨潤していると判断される場合に、電解質膜が膨潤していない場合の発電量よりも、燃料電池１０の発電量を低下させる。
【００２６】
割れ検出部２３は、湿度推定部２１によって推定された電解質膜の湿度に基づき、触媒層の歪みの回数を推定する。割れ検出部２３は、さらに、推定された触媒層の歪みの回数に基づいて、触媒層に割れが生じたか否かを推定する。つまり、割れ検出部２３は、湿度推定部２１によって推定された電解質膜の湿度に基づいて、触媒層に割れが生じたか否かを推定する。電解質膜の湿度に基づいて触媒層に割れが生じたか否かを推定する具体的な方法を説明するにあたり、まず、触媒層に割れが生じるメカニズムについて以下説明する。
【００２７】
図２は、触媒層に割れが生じるメカニズムを示す説明図である。図２（Ａ）には、燃料電池１０を構成する発電体１１を示している。上述のように、発電体１１は、厚みが５〜１０μｍの電解質膜１２と、触媒層１３と、ガス拡散層１４とを備えている。電解質膜１２の発電に伴って電解質膜１２が膨潤すると、図２（Ｂ）に示すように、ガス拡散層１４（あるいはマイクロポーラス層）による拘束が弱い部分において、電解質膜１２が伸びて座屈してしまう。そうすると、電解質膜１２の両面に配置された触媒層１３にも歪みが生じ、図２（Ｃ）に示すように、触媒層１３に割れが生じる。その後、図２（Ｄ）に示すように、触媒層１３に割れが生じた状態で電解質膜１２が乾燥して収縮すると、触媒層１３の割れた部分に接する電解質膜１２に引張応力が加わる。このようにして、電解質膜の膨潤と乾燥とが繰り返されると、図２（Ｅ）に示すように、触媒層１３の割れた部分において電解質膜１２が伸びて薄くなる。このように電解質膜１２が薄くなると、その薄くなった部分を通じてガスのクロスリークが増大してしまう。よって、本実施形態の制御部２０は、後述する制御処理を実行して電解質膜１２の膨潤を抑制することで、触媒層１３の割れや、電解質膜１２が伸びて薄くなることを抑制する。
【００２８】
次に、電解質膜１２が膨潤しているか否かを判定するための基準値について説明する。
図３は、電解質膜１２と触媒層１３のヤング率の測定結果の例を示す図である。図３に示すように、電解質膜１２は、湿度が高くなるとほぼ一定の割合でヤング率が下がる傾向がある。しかし、触媒層１３は、液水状態、すなわち、１００％ＲＨに近付くと、急激にヤング率が低下する。これは、触媒層１３に含まれる電解質が水分を吸収すると膨潤して電解質の体積率が高くなり、電解質が軟らかくなることに起因する。このような触媒層１３の物性に基づき、電解質膜１２の湿潤に伴う触媒層１３の応力解析（シミュレーション）を行い、電解質膜１２の湿度と触媒層１３の歪みの関係を調べた。
【００２９】
図４および図５は、電解質膜１２の湿度と触媒層１３の歪みの関係を示す図である。図４は、電解質膜１２の湿度に応じた触媒層１３の相当塑性歪みを示し、図５は、電解質膜１２の湿度に応じた触媒層１３の全歪みを示している。図４に示すように、電解質膜１２の湿度が９７％ＲＨよりも大きい場合には、電解質膜１２に座屈が起こることにより（図２（Ｂ）参照）、触媒層１３に塑性歪みが発生することがわかる。これに対して、電解質膜１２の湿度が９７％以下であれば、塑性歪みは発生していない。この結果は、図３に示したヤング率の測定結果とも整合する。よって、触媒層１３に歪みが生じているか否か、つまり、電解質膜１２に座屈が生じるほど電解質膜１２が膨潤しているか否か、は、電解質膜１２の湿度が９７％ＲＨ以上であるか否かに応じて判断することができる。しかし、実際の電解質膜１２には温度分布があり、推定された湿度よりも実際の湿度が高くなる部分も生じ得る。よって、本実施形態では、電解質膜１２が膨潤しているか否かの判断基準である湿度を、９５％ＲＨとした。
【００３０】
上述したように、シミュレーション上、触媒層１３の塑性歪みは、電解質膜１２の湿度が９７％ＲＨ以下であれば生じない。しかし、図５に示すように、全歪みについては、湿度が９７％ＲＨ以下であっても発生する。全歪みには、塑性歪みだけではなく、弾性歪みも含まれるからである。この弾性歪みによる影響について以下説明する。
【００３１】
図６は、触媒層１３の疲労線図である。横軸は触媒層１３に割れが生じた歪みの回数Ｎを示し、縦軸は全歪みΔεを示している。この疲労線図は、図４，５の解析結果が得られた環境と同一の環境下で実験を行い、触媒層１３に割れが起こる回数を測定することで得られた。この疲労線図によれば、触媒層１３に割れが起こる歪みの回数と、触媒層１３の全歪みとの間に一定の関係があることがわかる。例えば、図６に示した例では、湿度１００％ＲＨに対応する全歪みが１０回起こると、触媒層１３に割れが発生している。これに対して、湿度９５％ＲＨに対応する全歪みについては、１００００回もの回数が起こった場合に触媒層１３に割れが発生する。つまり、電解質膜１２の湿度が９７％ＲＨ以下であっても、膨潤と乾燥が長期間に亘って繰り返された場合には、触媒層１３が弾性歪みによって疲労して割れてしまうことがわかる。全歪みと破損が起こる回数は、一般的に、以下の式（１）によって表すことができる。
【００３２】
Δε・Ｎfα＝Ｃ    ・・・（１）
（Δεは全歪み、Ｎfは破損が起こる回数、αおよびＣは定数）
【００３３】
以上で説明したように、触媒層１３の全歪みは、電解質膜１２の湿度に応じて決まる。そのため、割れ検出部２３は、湿度推定部２１によって推定された電解質膜１２の湿度が、膨潤と判断される湿度（９７％ＲＨ）に到達する回数を計測し、その回数が、図６に示した疲労線図に基づいて予め定められた閾値（回数）に達した場合に、触媒層１３に割れが生じたと推定することができる。ただし、膨潤と判断される湿度はシミュレーション上は９７％ＲＨであるが、上記のように、本実施形態では、９５％ＲＨとしている。よって、本実施形態では、割れ検出部２３は、電解質膜１２の湿度が９５％以上になる回数が、図６において９７％ＲＨに対応する回数に達した場合に、触媒層１３に割れが生じたと推定する。
【００３４】
図７は、燃料電池１０の制御処理のフローチャートである。この制御処理は、燃料電池システム１００が運転されている間、制御部２０が繰り返し実行する処理である。制御部２０は、この制御処理を開始すると、まず、二次電池４０のＳＯＣが上限値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。この上限値は、二次電池４０の寿命や性能に基づいて予め設定されている。二次電池４０のＳＯＣが上限値を超えていれば（ステップＳ１０：ＮＯ）、制御部２０は、後述するステップＳ８０に処理を移行させて、二次電池４０により電力供給を行う。
【００３５】
二次電池４０のＳＯＣが上限値以下と判断した場合には（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、制御部２０は、更に、二次電池４０のＳＯＣが下限値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ２０）。下限値は、例えば、２０〜３０％とすることができる。制御部２０は、二次電池４０のＳＯＣが下限値以下であると判断すると（ステップＳ２０：ＮＯ）、燃料電池１０に発電を行わせる（ステップＳ３０）。このとき、アイドリング運転時には、アイドリング運転に必要な電力量よりも大きな発電量となるように燃料電池１０の電流値を設定して発電を行わせる。こうすることで、アイドリング運転に用いられない余剰電力を二次電池に積極的に充電することができる。
【００３６】
制御部２０によって、二次電池４０のＳＯＣが下限値よりも大きいと判断されると（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、まず、湿度推定部２１が、燃料電池１０の電流値に基づいて、電解質膜１２の湿度を推定する（ステップＳ４０）。そして、割れ検出部２３が、予測された湿度に基づいて触媒層１３の割れを推定する（ステップＳ５０）。湿度の推定方法や割れの推定方法は既に説明したとおりである。
【００３７】
触媒層１３に割れが生じていないと推定された場合には（ステップＳ６０：ＮＯ）、膨潤判定部２２が、電解質膜１２が膨潤しているか否かを判定する（ステップＳ７０）。本実施形態では、膨潤判定部２２は、ステップＳ４０で予測された湿度が９５％ＲＨ以上の場合に、電解質膜１２が膨潤していると判定する。つまり、本実施形態では、一般的に膨潤状態になり得る９９〜１００％ＲＨという高い湿度に限らず、９５〜９８％ＲＨという比較的低い湿度においても、電解質膜１２が膨潤していると判断される。膨潤判定部２２によって、電解質膜１２が膨潤していると判定されると（ステップＳ７０：ＹＥＳ）、発電量低下部２４が、燃料電池の電流値（電流密度）を、電解質膜１２が膨潤していると判定される前の電流値（つまり、電解質膜１２の湿度が９５％未満の場合の電流値）、よりも低い電流値である０．１Ａ／ｃｍ2に設定して発電量を低下させる（ステップＳ８０）。このステップＳ８０によれば、電解質膜１２が膨潤していると推定される場合に、燃料電池１０による発電量が抑制されるので、電解質膜１２の乾燥が促進される。その結果、図２（Ｃ）に示したように、触媒層１３に割れが生じてしまうことを抑制することができる。なお、制御部２０は、燃料電池１０の発電量を抑制することで不足となる電力を、二次電池４０から供給する。本実施形態では、上記ステップＳ３０において、アイドリング運転時に余剰電力が二次電池４０に蓄電されているため、ステップＳ８０において燃料電池１０の発電量を抑制しても、その不足分を二次電池４０から供給することができる。ステップＳ８０において設定する電流値を０Ａ／ｃｍ2としないのは、燃料電池１０が高電位になることを回避して白金等の触媒が劣化してしまうことを抑制するためである。
【００３８】
制御部２０は、ステップＳ７０において、電解質膜１２が膨潤していないと判定すると（ステップＳ７０：ＮＯ）、上述したステップＳ３０に処理を移行させて燃料電池１０による発電を継続させる。ステップＳ３０では、上述のように、アイドリング運転時に、燃料電池１０によって積極的に発電が行われ、二次電池４０に余剰電力が充電される。
【００３９】
また、ステップＳ５０において、触媒層１３に割れが発生していると推定された場合には（ステップＳ６０：ＹＥＳ）、制御部２０は、電解質膜１２が膨潤しているか否かにかかわらず、処理をステップＳ３０に移行させる。触媒層１３に割れが発生している場合に電解質膜１２が乾燥すると、図３（Ｅ）に示したように、電解質膜１２の一部が伸びて薄くなり、クロスリークが増大するおそれがある。そのため、制御部２０は、触媒層１３に割れが発生していると推定された場合には、燃料電池１０に積極的に発電を行わせることで、電解質膜１２を極力膨潤させて、電解質膜１２に伸びが生じないようにする。
【００４０】
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００では、厚みが５〜１０μｍの薄い電解質膜１２を採用しているため、９５〜９８％ＲＨという比較的低い湿度であっても電解質膜１２が膨潤し、座屈してしまう。しかし、本実施形態では、電解質膜１２が膨潤していると推定される場合には、燃料電池１０による発電量を低下させることで、電解質膜１２を乾燥させる。そのため、薄い電解質膜１２の膨潤に伴って生じる電解質膜１２の変形（図２（Ｂ）参照）や、電解質膜１２の変形に伴う触媒層１３の割れ（図２（Ｃ）参照）、触媒層１３の割れに伴う電解質膜１２の伸び（図２（Ｅ）参照）、電解質膜１２の伸びに伴うクロスリークの発生（図２（Ｅ）参照）、をすべて抑制することができる。この結果、燃料電池１０に薄い電解質膜１２を採用することが可能になるので、燃料電池１０の小型化や低コスト化を図ることができる。また、本実施形態では、燃料電池１０による発電量を低下させても、それまで積極的に余剰電力を充電していた二次電池４０から電力を供給することができるので、要求される電力量を適切に供給することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、電解質膜１２の温度分布を考慮し、電解質膜の湿度が９５％ＲＨ以上である場合に、電解質膜１２が膨潤していると判定する。そのため、電解質膜１２が膨潤しているか否かを適切に判断することができる。なお、膨潤しているか否かの判定基準となる湿度は、９５％ＲＨに限らず、燃料電池１０の特性や耐久性に応じて他の値とすることも可能である。
【００４２】
また、本実施形態では、電解質膜１２の湿度を、湿度センサ等を用いることなく燃料電池の電流値に基づいて推定するので、システムの構成を簡略化することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、電解質膜１２が膨潤していると判定された場合に、燃料電池１０の発電量の電流値を０．１Ａ／ｃｍ2とする。そのため、燃料電池１０が必要以上に高い電位になることを抑制しつつ、電解質膜１２を迅速に乾燥させることができる。なお、電流値は、燃料電池１０が高電位になることを回避しつつ発電を抑制可能であれば、０．１Ａ／ｃｍ2に限らず、他の電流値であってもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、触媒層１３に割れが生じていると推定される場合には、電解質膜１２が膨潤しているか否かにかかわらず、燃料電池１０に発電を行わせる。つまり、触媒層１３に割れが生じていると推定される場合には、電解質膜１２が既に膨潤した状態であっても、燃料電池１０に発電を行わせる。本実施形態では、電解質膜１２が膨潤していると判定された場合には、原則として、電解質膜１２を乾燥させる制御を行うため、触媒層に割れが発生することが抑制される。しかし、図６に示したように、電解質膜１２が、膨潤と判断される湿度より低い湿度であっても、弾性歪みによって触媒層１３に割れが生じる場合がある。そのため、触媒層１３に割れが生じていると推定される場合には、電解質膜１２が膨潤した状態であっても、燃料電池１０に発電を行わせることで、その膨潤状態を継続させる。このように、電解質膜１２を膨潤させておけば、図２（Ｅ）に示したように、電解質膜１２の乾燥によって電解質膜１２が伸びて薄くなることを抑制することができる。この結果、電解質膜１２にクロスリークが生じることを抑制することが可能になる。
【００４５】
また、本実施形態では、電解質膜１２の湿度を燃料電池１０の電流値に基づき推定し、その湿度に基づき触媒層１３の歪みの回数を計測し、更に、その回数に基づいて触媒層１３の割れを推定する。つまり、電解質膜１２の膨潤と、触媒層１３の割れと、をどちらも燃料電池１０の電流値に基づいて推定することができる。よって、各種センサが不要となり、システムの構成を簡略化することができる。
【００４６】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、以下のような変形も可能である。
上記実施形態では、図７のステップＳ８０に示したように、燃料電池１０の電流値（発電量）を低下させることで、電解質膜１２の湿度を低下させている。これに対して、電流値を維持したまま、燃料電池１０の温度を高くしても良い。また、電流値を維持したまま、カソードの背圧を低下させても良い。また、電流値を維持したまま、アノードストイキを低下させても良い。これらの制御を行っても、電解質膜１２の湿度を低下させることが可能である。ただし、上記実施形態のように燃料電池１０の発電量を低下させれば、他の手法よりも素早く電解質膜１２の湿度を低下させることができるので、クロスリークの発生を迅速に抑制することが可能になる。
【００４７】
上記実施形態では、電解質膜１２の湿度が９５％ＲＨと推定された場合に、即座に、電流値を下げる制御を行っている。これに対して、電解質膜１２の湿度が、所定時間（例えば、５秒）、継続して９５％ＲＨ以上であると推定された場合に、電流値を下げることとしても良い。
【００４８】
上記実施形態では、燃料電池１０の湿度や触媒層１３の歪み、触媒層１３の割れを、燃料電池１０の電流値に基づいて推定しているが、各種センサを用いて検出しても良い。
【００４９】
上記実施形態では、電解質膜１２の厚みを５〜１０μｍとしたが、電解質膜１２の厚みはこれに限られず、種々の厚みを採用することが可能である。
【００５０】
上記実施形態の図７のステップＳ６０で示した処理は必須ではない。すなわち、触媒層１３に割れが生じた場合に、発電を継続する処理は省略可能である。この場合、割れが生じたか否かを推定する処理（ステップＳ５０）も省略することができる。
【００５１】
上記実施形態において、燃料電池１０の発電量の制御は、電流値によって制御しても良いし、電圧によって制御しても良い。
【００５２】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池
１１…発電体
１２…電解質膜
１３…触媒層
１４…ガス拡散層
１５…電流センサ
２０…制御部
２１…湿度推定部
２２…膨潤判定部
２３…割れ検出部
２４…発電量低下部
３０…直流配線
４０…二次電池
４５…ＳＯＣ検出部
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０…ＤＣ／ＡＣインバータ
１００…燃料電池システム
２００…モータ
【図１】
2014033790.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月5日(2014.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の制御装置であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが５〜１０μｍであり、前記電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合には、前記電解質膜の湿度が９５％ＲＨ未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる、
制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記制御部は、前記要求された電力量に応じて、前記燃料電池による発電量を制御すると共に二次電池から供給する電力量も制御し、
前記制御部は、前記発電量低下部によって前記燃料電池の発電量を低下させた場合に、前記要求された電力量のうち、前記発電量の低下によって不足となる電力量を、前記二次電池から供給する、制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記割れ検出部は、前記電解質膜の湿度に基づいて、前記触媒層の歪みの回数を計測し、該回数に基づいて、前記触媒層の割れを検出する、制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池の制御装置であって、更に、
前記燃料電池の電流値に基づいて前記湿度を推定する湿度推定部を備える、制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記発電量低下部は、前記燃料電池の発電量を低下させる際に、前記燃料電池の発電量の電流を０．１Ａ／ｃｍ２とする、制御装置。
【請求項６】
前記燃料電池と、
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の制御方法であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する工程と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが５〜１０μｍであり、前記電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合には、前記電解質膜の湿度が９５％ＲＨ未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる工程と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する工程と、
前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる工程と、
を備える制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明は、上述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可能である。
本発明の第１の形態は、燃料電池の制御装置であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが５〜１０μｍであり、前記電解質膜の湿度が９５〜９８％ＲＨの場合には、前記電解質膜の湿度が９５％ＲＨ未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる、制御装置である。その他、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
【国際調査報告】
2014033790.tif 000010
2014033790.tif 000011
2014033790.tif 000012
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