(57)【要約】【課題】燃料電池の発熱量を効果的に低減させながら発電性能を回復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】燃料電池システム１００は、燃料電池４０の温度を測定する温度センサ５０と、燃料電池４０の電圧を還元電位まで低下させることで燃料電池４０の発電性能を回復させるリフレッシュ制御を実行する制御装置８０と、を備え、制御装置８０は、温度センサ５０により検知される温度が所定値以上である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を実行する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜電極接合体を含む燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
前記燃料電池の電圧を還元電位まで低下させることで前記燃料電池の発電性能を回復させるリフレッシュ制御を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度センサにより検知される温度が所定値以上である場合に、前記触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらず前記リフレッシュ制御を実行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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電する。燃料電池は、例えば燃料電池自動車（FCV:Fuel Cell Vehicle）に搭載されて車載電源システムとして機能する。
【０００３】
燃料電池は、時間の経過とともに化学反応を促進する白金触媒が酸化し、その酸化物が白金触媒の表面に蓄積されることで発電性能が低下する（この状態を触媒の被毒とも称する）。このため、燃料電池システムは、酸素及び水素の一方の供給量を低下させることにより燃料電池のセル電圧を一時的に低下させる。これにより、酸化物が還元されるため、燃料電池の発電性能が回復する。なお、このように発電性能を回復させる動作を、以下の説明では「リフレッシュ制御」と称する。下記特許文献１では、触媒の表面に蓄積される酸化物の状況に応じて、当該酸化物を除去するリフレッシュ制御を行い、燃料電池の出力を回復させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０７８４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の発熱量は、例えば高負荷要求時に特に増加する。上記のリフレッシュ制御は燃料電池のセル電圧を一時的に低下させるものであるので、このリフレッシュ制御を例えば高負荷要求時に行うことで燃料電池の発熱量を低減させるという考え方がある。しかしながら、上記特許文献１では、酸化物の状況（言い換えれば、被毒の状況）に応じてリフレッシュ制御を行うものであるため、発熱量を低減させるために具体的にどのようにリフレッシュ制御を行うかについては何ら考慮されていなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池の発熱量を効果的に低減させながら発電性能を回復させることができる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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の温度を測定する温度センサと、燃料電池の電圧を還元電位まで低下させることで燃料電池の発電性能を回復させるリフレッシュ制御を実行する制御部と、を備え、制御部は、温度センサにより検知される温度が所定値以上である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を実行する。
【０００８】
かかる構成によれば、燃料電池の温度が所定値以上（例えば９０℃以上）である場合には、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を行うため、リフレッシュ制御を利用して燃料電池の発熱量を効果的に低減させることができる。これにより、燃料電池で生じた熱を放熱するための装置を追加、大型化することなくリフレッシュ制御により燃料電池の発熱量を低減させることができ、発電性能を回復させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の発熱量を効果的に低減させながら発電性能を回復させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】リフレッシュ制御により電圧−電流特性が向上することを示す説明図である。
【図４】リフレッシュ制御により発熱量が低下することを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１２】
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１３】
燃料電池４０は、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて化学反応することにより発電して電力を発生する。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の実運転動作点における出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。単セルを多数積層してなる燃料電池４０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池４０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-               …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ    …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ             …（３）
【００１４】
なお、アノード極は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層と、を有する。同様に、カソード極は、触媒層とガス拡散層とを有する。高分子電解質膜は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜、アノード極、及びカソード極によって膜電極接合体が形成される。
【００１５】
燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンク、インジェクタ及び様々な弁等を含んで構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
【００１６】
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００１７】
バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ１１０に並列接続されており、バッテリ６０とインバータ１１０の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３０が設けられている。
【００１８】
インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ１１５へ供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。
【００２０】
バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００２１】
制御装置８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、ＦＣ電圧を検出する電圧センサ１４０や、ＦＣ電流を検出する電流センサ１５０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき、当該システム各部を中枢的に制御する。なお、温度センサ５０は、燃料電池出口の温度を測定する。
【００２２】
ところで、燃料電池４０の電解質膜の表面には、化学反応を促進する白金触媒が塗布されている。白金触媒は発電により酸化し、その酸化物が白金触媒の表面に蓄積されることで燃料電池４０の発電性能は低下する。このため、制御装置８０は、発電性能を回復するリフレッシュ制御を実行する。リフレッシュ制御では、制御装置８０は、酸化ガス及び水素ガスの一方の供給量を低下させることにより燃料電池４０のセル電圧を一時的に低下（例えば０．６（Ｖ）以下）させる。これにより、酸化物が還元されるため、燃料電池の発電性能が回復する。
【００２３】
こうしたリフレッシュ制御を例えば高負荷要求時に実行するように制御する例がある。すなわち、燃料電池４０を車両に搭載した場合、例えば高負荷要求時には燃料電池の発熱量が大きくなるので、上記したリフレッシュ制御を実行して燃料電池のセル電圧を一時的に低下させて発熱量を低下させるように制御することが考えられる。しかしながら、車両において高負荷要求時は過渡的なものが多く、必要以上にリフレッシュ制御を行うことで燃料電池の劣化を促進させるおそれがある。このように、高負荷要求時に常にリフレッシュ制御を実行することで燃料電池の劣化が促進するという問題が生じる可能性があるので、本実施形態では以下のようにリフレッシュ制御を実行する。
【００２４】
図２は、本実施形態での燃料電池システムで実行されるリフレッシュ制御の一例を示すフローチャートである。
【００２５】
まず、ステップＳ１０では、酸化ガス及び水素ガスを燃料電池４０に供給して電気化学反応により発電を開始、つまり、定常の通常発電を行う。
【００２６】
次いで、ステップＳ２０では、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０により検知される温度が所定値（例えば９０℃）以上であるか否かを判定する。燃料電池４０の温度が所定値以上であれば（ステップＳ２０（ＹＥＳ））、ステップＳ３０に移行する。一方で、燃料電池４０の温度が所定値未満であれば（ステップＳ２０（ＮＯ））、ステップＳ２５に移行する。
【００２７】
ステップＳ２５では、触媒層に形成される酸化膜の状況（被毒の状況）を判定し、その状況に応じてリフレッシュ制御を実行する必要があるか否かを判定する。酸化膜の状況としては、例えば触媒層に形成された酸化膜の量（推定量）が所定値以上であるか等を基準とすることが挙げられる。触媒層に形成された酸化膜の状況によりリフレッシュ制御を実行する必要がないと判定した場合には（ステップＳ２５（ＮＯ））、ステップＳ１０に戻りステップＳ１０以降の処理を繰り返す。一方で、触媒層に形成された酸化膜の状況によりリフレッシュ制御を実行する必要があると判定した場合には（ステップＳ２５（ＹＥＳ））、ステップＳ４０に移行して後述するリフレッシュ制御を実行する。
【００２８】
ステップＳ２０（ＹＥＳ）に続くステップＳ３０では、前回実行したリフレッシュ制御（後述のステップＳ４０）から規定時間が経過したか否かを判定する。規定時間としては、任意の時間に設定することができるが、例えば、リフレッシュ制御を実行したとしても燃料電池の劣化を促進させないようにする観点から、触媒に酸化被膜が再度付着する反応時間を目安に設定をする。この規定時間が経過していなければ、ステップＳ１０に戻り規定時間が経過したと判定されるまでステップＳ１０以降の処理を繰り返す。一方で、前回実行したリフレッシュ制御から規定時間が経過したと判定された場合には、ステップＳ４０に移行する。
【００２９】
ステップＳ４０では、リフレッシュ制御を実行する。リフレッシュ制御としては、例えば燃料電池４０への酸化ガス供給を制御、或いは、放電装置の掃引電流を制御することで燃料電池４０の電圧を還元電位まで低下させる。例えば、供給する酸化ガスの供給を意図的に削減することや、瞬間的に掃引電流を増加させることで還元電位まで低下させる。リフレッシュ制御の実行後は、ステップＳ１０に戻り既述したステップＳ１０以降の処理を繰り返す。このように本実施形態では、燃料電池４０の温度が所定値以上である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を実行する。
【００３０】
リフレッシュ制御を実行することにより、電流−電圧特性が向上すること、及び、燃料電池の発熱量が低下することを図３、図４を参照しながら説明する。図３は、リフレッシュ前後における電流−電圧特性を説明するためのグラフであり、図４は、リフレッシュ前後における電流−発熱量の関係を説明するためのグラフである。図３において、横軸は、電流を示し、縦軸は燃料電池４０のセル電圧を示す。なお、セル電圧とは、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単体の電圧を示す。図４において横軸は電流を示し、縦軸は燃料電池４０の発熱量を示す。
【００３１】
セル電圧は、白金触媒の酸化物の蓄積のため、使用時間の経過に伴って低下するが、リフレッシュ制御を実行することにより増加する（図３に示すＡ→Ａ´）。つまり、電圧−電流特性が向上し、同じ燃料電池の出力の動作点がＡ→Ａ´へ移動する。すると、図４に示す発熱量−電流特性上で動作点がＢ→Ｂ´へ移動し、燃料電池の発熱量が低下する。発熱量が低下することで、小型の放熱装置においても制御狙いの水温が実現できるようになり（偏差が小さくなり）、掃引できる電流（出力）が増加する。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池の温度が所定値以上（例えば９０℃以上）である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を行うことにより、リフレッシュ制御を利用して燃料電池の発熱量を効果的に低減させることができる。これにより、燃料電池で発生した熱を放熱するための装置を追加、大型化することなく燃料電池システムの発熱量を低減させることができる。また本実施形態によれば、前回実行したリフレッシュ制御から規定時間が経過したか否かを条件としてリフレッシュ制御を実行するので、必要以上にリフレッシュ制御を実行することが制限され、そのような制限なくリフレッシュ制御を実行する構成と比較して燃料電池の劣化が促進することを抑制することができる。
【００３３】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料ガス供給源
４０…燃料電池
５０…温度センサ
６０…バッテリ
７０…酸化ガス供給源
８０…制御装置
１００…燃料電池システム
１１０…インバータ
１１５…トラクションモータ
１２０…補機類
１３０…コンバータ
１４０…電圧センサ
１５０…電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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