(57)【要約】【課題】カソード触媒層の損傷に起因する燃料電池の性能の低下を精度よく評価できる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池と、電力供給部と、前記燃料電池の温度に関する温度情報が前記燃料電池の温度は氷点下以下である所定温度以下を示すか否かを判定する温度判定部と、前記燃料電池の温度は前記所定温度以下であると判定された場合にプロトンポンプ処理を実行する制御部と、前記プロトンポンプ処理の実行中での区間内での、少なくとも一つの電解質膜を挟む位置にある第１ターミナルプレート又は第１セパレータと第２ターミナルプレート又は第２セパレータとの電位差を取得する電位差取得部と、前記区間を流れる電流値と、前記電位差とに基づいて前記燃料電池の性能を評価する評価部と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図６
2018010779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟むアノード触媒層及びカソード触媒層にそれぞれ導通した第１及び第２セパレータをそれぞれ含む複数のセルが積層された状態で、複数の前記セルのうち一端に配置された前記セルの前記第１セパレータに導通接続した第１ターミナルプレートと、複数の前記セルのうち他端に配置された前記セルの前記第２セパレータに導通接続した第２ターミナルプレートとにより挟持されている燃料電池と、
前記第１ターミナルプレート又は前記第１セパレータに正極が接続され、前記正極が接続された位置よりも前記第２ターミナルプレート側に位置した前記第２セパレータ又は前記第２ターミナルプレートに負極が接続された電力供給部と、
前記燃料電池の温度に関する温度情報が前記燃料電池の温度は氷点下以下である所定温度以下を示すか否かを判定する温度判定部と、
前記燃料電池の温度は前記所定温度以下であると判定された場合に、少なくとも前記アノード触媒層に燃料ガスを供給して前記電力供給部により前記正極及び負極が接続された前記燃料電池の区間に電流を流すプロトンポンプ処理を実行し、前記プロトンポンプ処理では、当該プロトンポンプ処理によって前記区間を流れる電流値と同じ電流値を前記燃料電池の発電によって流す場合に必要な必要燃料ガス量以上の燃料ガス量を前記アノード触媒層に供給し必要な必要酸化剤ガス量未満の酸化剤ガス量を前記カソード触媒層に供給し又は酸化剤ガスを供給しない制御部と、
前記プロトンポンプ処理の実行中での、前記区間内であって少なくとも一つの前記電解質膜を挟む位置にある前記第１ターミナルプレート又は前記第１セパレータと前記第２ターミナルプレート又は前記第２セパレータとの電位差を取得する電位差取得部と、
前記区間を流れる電流値と、前記電位差とに基づいて前記燃料電池の性能を評価する評価部と、
を備えた燃料電池システム。
【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】
燃料電池の触媒層の抵抗値や、燃料電池が氷点下に曝された履歴に基づいて、燃料電池の性能を評価する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−６０６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池では、氷点下での環境での起動により、電解質膜内に残存していた水がカソード触媒層にまで移動してカソード触媒層で凍結する可能性がある。このような氷点下での環境での燃料電池の起動が繰り返されることにより、電解質膜とカソード触媒層との境界付近でカソード触媒層に亀裂が発生したり、電解質膜から部分的に剥離して損傷を受ける可能性がある。このようなカソード触媒層の損傷に起因した燃料電池の性能を、精度よく評価できることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、上述した触媒層の抵抗値に基づいて燃料電池の性能を評価する手法では、触媒層内の陽イオン不純物の増加によっても抵抗値が増大する。このため、触媒層の抵抗値の増大が、陽イオン不純物の増加に基づくものであるのか、又はカソード触媒層の損傷に基づくものであるのかの判別が困難である。また、氷点下履歴に基づいて燃料電池の性能を評価する手法では、燃料電池の物性値等を直接測定するものではなく、予め実験により取得された氷点下履歴との比較に基づいて触媒層の性能を推定するものであるため、この手法もカソード触媒層の損傷に起因する燃料電池の性能を精度よく評価できない可能性がある。
【０００６】
本発明は、カソード触媒層の損傷に起因する燃料電池の性能の低下を精度よく評価できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質膜を挟むアノード触媒層及びカソード触媒層にそれぞれ導通した第１及び第２セパレータをそれぞれ含む複数のセルが積層された状態で、複数の前記セルのうち一端に配置された前記セルの前記第１セパレータに導通接続した第１ターミナルプレートと、複数の前記セルのうち他端に配置された前記セルの前記第２セパレータに導通接続した第２ターミナルプレートとにより挟持されている燃料電池と、前記第１ターミナルプレート又は前記第１セパレータに正極が接続され、前記正極が接続された位置よりも前記第２ターミナルプレート側に位置した前記第２セパレータ又は前記第２ターミナルプレートに負極が接続された電力供給部と、前記燃料電池の温度に関する温度情報が前記燃料電池の温度は氷点下以下である所定温度以下を示すか否かを判定する温度判定部と、前記燃料電池の温度は前記所定温度以下であると判定された場合に、少なくとも前記アノード触媒層に燃料ガスを供給して前記電力供給部により前記正極及び負極が接続された前記燃料電池の区間に電流を流すプロトンポンプ処理を実行し、前記プロトンポンプ処理では、当該プロトンポンプ処理によって前記区間を流れる電流値と同じ電流値を前記燃料電池の発電によって流す場合に必要な必要燃料ガス量以上の燃料ガス量を前記アノード触媒層に供給し必要な必要酸化剤ガス量未満の酸化剤ガス量を前記カソード触媒層に供給し又は酸化剤ガスを供給しない制御部と、前記プロトンポンプ処理の実行中での、前記区間内であって少なくとも一つの前記電解質膜を挟む位置にある前記第１ターミナルプレート又は前記第１セパレータと前記第２ターミナルプレート又は前記第２セパレータとの電位差を取得する電位差取得部と、前記区間を流れる電流値と、前記電位差とに基づいて前記燃料電池の性能を評価する評価部と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、カソード触媒層の損傷に起因する燃料電池の性能の低下を精度よく評価できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】図２（ａ）は、スイッチ回路の説明図である。図２（ｂ）は、燃料電池のセルを示す断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、氷点下での環境で燃料電池システムが起動した場合でのカソード触媒層の損傷の説明図である。
【図４】図４はプロトンポンプ処理の説明図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ通常発電時及びプロトンポンプ反応時でのカソード触媒層でのプロトンＨ＋の残量の説明図である。
【図６】。図６は、制御ユニットが実行する性能評価制御の一例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、電圧センサにより取得された電位差の一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池システム１の構成を示す説明図である。この実施例は、燃料電池システム１を車両に適用した例である。図１に示すように、燃料電池システム１は、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、電力系５０、及び制御ユニット６０を含む。燃料電池２０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する。酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガスとしての、酸素を含む空気を燃料電池２０に供給する。燃料ガス配管系４０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する。電力系５０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット６０は、システム全体を統括制御する。
【００１１】
燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、複数のセルを積層したスタック構造を備えている。詳しくは後述する。
【００１２】
燃料電池２０には、出力電流及び電圧をそれぞれ検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂ、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃが取り付けられている。
【００１３】
酸化剤ガス配管系３０は、エアコンプレッサ３１、酸化剤ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、及びエアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１を有している。
【００１４】
エアコンプレッサ３１は、モータＭ１により駆動され、外気から取り込んだ酸素を含む空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池２０のカソード極に供給する。モータＭ１には、その回転数を検出する回転数検出センサ３ａが取り付けられている。酸化剤ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２０のカソード極に導く。燃料電池２０のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス流路３４を介して排出される。
【００１５】
加湿モジュール３３は、酸化剤ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気し、カソード極出口付近には背圧調整弁Ａ１が配設されている。燃料電池２０から排出される酸化剤ガスの圧力、即ちカソード背圧は背圧調整弁Ａ１によって調圧される。カソードオフガス流路３４における燃料電池２０と背圧調整弁Ａ１の間には、カソード背圧を検出する圧力センサ３ｂが取り付けられている。
【００１６】
燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、気液分離器４６、及び水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２を有している。
【００１７】
燃料ガス供給源４１は、燃料電池２０へ燃料ガスである水素ガスを供給するタンクである。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード側に導き、上流側から順にタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、インジェクタＨ３が配設されている。これらバルブ及びインジェクタは、燃料電池２０へ燃料ガスを供給、遮断する電磁弁である。
【００１８】
燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２０へ還流させ、上流側から順に気液分離器４６、水素循環ポンプ４５、及び不図示の逆止弁が配設されている。燃料電池２０から排出された未反応燃料ガスは、水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスや気液分離器４６内に貯留された水をシステム外に排気し、排気排水弁Ｈ５が配設されている。
【００１９】
電力系５０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、スイッチ回路５５、トラクションモータＭ３、及び補機モータＭ４を備えている。
【００２０】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２からの直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力でき、燃料電池２０からの直流電圧又はトラクションインバータ５３により直流に変換されたトラクションモータＭ３からの電圧を調整してバッテリ５２に出力可能である。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２０の出力電圧が制御される。
【００２１】
バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能である。燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、その充電状態を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。
【００２２】
トラクションインバータ５３、補機インバータ５４は、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７１及び７２を駆動する。トラクションモータＭ３には、その回転数を検出する回転数検出センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、モータＭ１及びＭ２を総称したものである。
【００２３】
制御ユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを含み、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御ユニット６０は、アクセルペダル８０の回動を検出するアクセルペダルセンサ８１、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検出センサ５ｂから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２０の発電を制御する。
【００２４】
また制御ユニット６０は、燃料電池２０の性能を評価する性能評価制御を実行する。性能評価制御は、制御ユニット６０のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、温度判定部、制御部、電位差取得部、及び評価部により実現される。詳しくは後述する。
【００２５】
次にスイッチ回路５５について説明する。図２（ａ）は、スイッチ回路５５の説明図である。尚、図２（ａ）においては高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１等の図示は省略してある。スイッチ回路５５は、燃料電池２０と高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１との間に配置されており、燃料電池２０が通常発電時と後述するプロトンポンプ処理時とで、燃料電池２０とバッテリ５２とが接続される電極の極性を切り替える切替部である。通常発電時では、図２（ａ）に示すようにスイッチ回路５５のスイッチＳ１及びＳ２により、燃料電池２０及びバッテリ５２の負極同士が接続され正極同士が接続される。プロトンポンプ処理時では、制御ユニット６０によりスイッチＳ１及びＳ２が制御されて、バッテリ５２の正極及び負極は、それぞれ通常発電時での燃料電池２０の負極及び正極に接続される。
【００２６】
燃料電池２０のセル１０について説明する。図２（ｂ）は、燃料電池２０のセル１０を示す断面図である。燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。図２（ｂ）のように、セル１０は、電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが形成され、他方の面にカソード触媒層１４ｃが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１を備える。
【００２７】
電解質膜１２は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
【００２８】
ＭＥＡ１１の両側には、一対の撥水層（アノード側撥水層１６ａとカソード側撥水層１６ｃ）と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層１７ａとカソードガス拡散層１７ｃ）と、が配置されている。一対の撥水層は、ＭＥＡ１１内に含まれる水分を適正量に保つために設けられている。ＭＥＡ１１、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）１５と称す。
【００２９】
アノード側撥水層１６ａ、カソード側撥水層１６ｃ、アノードガス拡散層１７ａ、及びカソードガス拡散層１７ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。
【００３０】
ＭＥＧＡ１５の両側には、ＭＥＧＡ１５を挟持する一対のセパレータ（第１セパレータ１８ａと第２セパレータ１８ｃ、以下単にセパレータと称する）が配置されている。セパレータ１８ａ及び１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。セパレータ１８ａ及び１８ｃは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。セパレータ１８ａは、アノードガス拡散層１７ａとの間にアノードガス流路１９ａを形成する。セパレータ１８ｃは、カソードガス拡散層１７ｃとの間にカソードガス流路１９ｃを形成する。燃料電池の発電中においては、アノードガス流路１９ａを燃料ガスが流通し、カソードガス流路１９ｃを酸化剤ガスが流通する。なお、アノードとカソードの両方にガス拡散層を備える構成を例に示したが、これに限定されない。アノードとカソードの一方又は両方にガス拡散層を備えない構成であってもよい。この場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から直接撥水層を介して触媒層にガスが供給される。ガス拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用されてもよい。尚、セパレータ１８ａのアノードガス流路１９ａが形成された面とは反対側の面、及び、セパレータ１８ｃのカソードガス流路１９ｃが形成された面とは反対側の面には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。
【００３１】
上述したように、アノード側撥水層１６ａ、カソード側撥水層１６ｃ、アノードガス拡散層１７ａ、カソードガス拡散層１７ｃ、セパレータ１８ａ、及びセパレータ１８ｃは、電子伝導性を有している。このため、セパレータ１８ａ及び１８ｃは、それぞれ、アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃにそれぞれ導通している。このように、燃料電池２０では、電解質膜１２を挟むアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃにそれぞれ導通したセパレータ１８ａ及び１８ｃをそれぞれ含む複数のセル１０が積層されている。
【００３２】
次に、氷点下での環境で燃料電池システム１が起動した場合でのカソード触媒層１４ｃの損傷について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、氷点下での環境で燃料電池システム１が起動した場合でのカソード触媒層１４ｃの損傷の説明図である。燃料電池システム１が起動して燃料電池２０が発電を開始すると、電解質膜１２に残存していた水がカソード触媒層１４ｃに移動する場合がある。これは、電解質膜１２内を移動するプロトンＨ＋に随伴して水がカソード触媒層１４ｃ側へ移動することが主な理由と考えられる。このような現象が氷点下での環境で発生すると、カソード触媒層１４ｃにまで移動した水が電解質膜１２との境界付近で凍結して氷となり、その際にその体積が増大する。このため、カソード触媒層１４ｃの電解質膜１２との境界付近で発生した氷によって応力が加わると考えられる。このような現象が繰り返されると、応力によって、図３（ｂ）に示すように部分的な亀裂ｘや、電解質膜１２からの剥離が生じる可能性がある。
【００３３】
このようなカソード触媒層１４ｃの損傷に起因した燃料電池２０の性能を精度よく評価するために、制御ユニット６０は、プロトンポンプ処理を実行して、プロトンポンプ処理中での燃料電池２０の性能を評価する。図４はプロトンポンプ処理の説明図である。まず、プロトンポンプ処理を説明するために、燃料電池２０の構造について説明する。図４には、燃料電池２０やバッテリ５２、スイッチ回路５５を示しているが、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１等については図示を省略してある。また、図４では、図の明瞭化のために、アノード側撥水層１６ａ、アノードガス拡散層１７ａ、及びセパレータ１８ａをまとめてアノードＡｎとして図示し、カソード側撥水層１６ｃ、カソードガス拡散層１７ｃ、及びセパレータ１８ｃをまとめてカソードＣａとして図示している。また、図４には、積層されたセル１０の両端にそれぞれ配置された第１ターミナルプレート２１及び第２ターミナルプレート２２（以下、単にターミナルプレートと称する）を示している。ターミナルプレート２１及び２２は、金属製であって電子伝導性を有し、複数のセル１０からの電圧及び電流を取り出すために用いられる。ターミナルプレート２１は、燃料電池２０の一端に配置されたセル１０のアノードＡｎのセパレータ１８ａに隣接して導通接続している。ターミナルプレート２２は、燃料電池２０の他端に配置されたセル１０のカソードＣａのセパレータ１８ｃに隣接して導通接続している。従って、燃料電池２０では、複数のセル１０が積層された状態で、ターミナルプレート２１及び２２により挟持されている。尚、燃料電池２０は、ターミナルプレート２１及び２２を挟持するように一対の絶縁プレートが配置され、複数のセル１０、ターミナルプレート２１及び２２、及び絶縁プレートを締結するために、これらは一対のエンドプレートで挟持されている。
【００３４】
プロトンポンプ処理においては、まず制御ユニット６０はスイッチ回路５５のスイッチＳ１及びＳ２を制御することにより、バッテリ５２は、ターミナルプレート２１に正極が接続されターミナルプレート２２に負極が接続された電力供給部の一例となる。次に、燃料電池２０のアノードＡｎ側に燃料ガスを供給するが、燃料電池２０のカソードＣａ側には酸化剤ガスの供給は行わない。次に制御ユニット６０は、バッテリ５２により燃料電池２０に電力を供給して、燃料電池２０に目標電流値の電流を流すプロトンポンプ反応を生じさせるプロトンポンプ処理を実行する。プロトンポンプ処理では、燃料電池２０の発電によって上記の目標電流値の電流を出力する場合に必要な必要燃料ガス量よりも多くの燃料ガス量をアノード触媒層１４ａに供給する。ここで、プロトンポンプ処理の実行中での目標電流値は、バッテリ５２の電力消費量を抑制するために比較的低い値に予め設定されており、実際に燃料電池２０を流れる電流値は電流センサ２ａにより測定されている。従って制御ユニット６０は、電流センサ２ａの測定値が目標値に収束するように高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１やトランクションインバータ５３、補機インバータ５４をフィードバック制御する。
【００３５】
これにより、図４のように、複数のセル１０でのアノード触媒層１４ａでＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の化学反応が生じる。アノード触媒層１４ａで発生したプロトンＨ＋は、電解質膜１２を介して、カソード触媒層１４ｃに拡散する。初めのうちは、プロトンＨ＋はカソード触媒層１４ｃに濃度拡散する。一方、アノードＡｎに接するターミナルプレート２１にバッテリ５２の正極が接続され、カソードＣａに接するターミナルプレート２２にバッテリ５２の負極が接続されていることから、ターミナルプレート２１に接するセル１０で発生した電子ｅ−はバッテリ５２に向かって移動し、ターミナルプレート２２に接するセル１０にはバッテリ５２から電子ｅ−が供給される。複数のセル１０のカソード触媒層１４ｃでは、アノード触媒層１４ａから拡散してきたプロトンＨ＋と、隣接するセル１０又はバッテリ５２から供給された電子ｅ−によって、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２の化学反応が生じる。カソード触媒層１４ｃではプロトンＨ＋が消費されることから、アノード触媒層１４ａからカソード触媒層１４ｃへのプロトンＨ＋の拡散が継続される。このような、アノード触媒層１４ａでプロトンＨ＋を発生させ、電解質膜１２を介してカソード触媒層１４ｃにプロトンＨ＋を移動させて、カソード触媒層１４ｃでＨ２を生成する反応を、プロトンポンプ反応と称す。
【００３６】
プロトンＨ＋及び電子ｅ−の移動によって、ターミナルプレート２１及び２２間に電流Ｉが流れ、ターミナルプレート２１及び２２間に電位差が生じる。尚、隣接する２つのセル１０のうちの、電解質膜１２を介さずに互い隣接したセパレータ１８ａ及び１８ｃでは電位差は略生じない。このようなセパレータ１８ａ及び１８ｃは導通接続しており、セパレータ１８ｃからセパレータ１８ａに電子ｅ−が流れるからである。
【００３７】
また、このようにプロトンポンプ反応が生じる際にも、主にプロトンＨ＋が電解質膜１２の移動に伴って電解質膜１２内に存在していた水がカソード触媒層１４ｃに移動する。
【００３８】
制御ユニット６０は、このようなプロトンポンプ反応時に、カソード触媒層１４ｃの損傷が反映された燃料電池２０の性能を精度よく評価できる。その理由を以下に説明する。燃料電池２０の通常発電時では、燃料電池２０の総過電圧は、主に、（ａ）触媒層での電子抵抗、（ｂ）ガス拡散層での電子抵抗、（ｃ）電解質膜でのプロトン抵抗、（ｄ）水素酸化反応（ＨＯＲ：Hydrogen Oxidation Reaction）過電圧、（ｅ）触媒層プロトン抵抗、（ｆ）酸素還元反応（ＯＲＲ: Oxygen Reduction Reaction）過電圧の合計となる。ここで、上記（ａ）及び（ｄ）は総過電圧に対して小さく、また、上記（ｂ）及び（ｃ）は、カソード触媒層１４ｃの損傷によらずに略一定である。また、上述のようにカソード触媒層１４ｃが損傷した場合には、上記（ｅ）の抵抗が増大する。このため、通常発電時での燃料電池２０の出力電流値及び電圧値に基づいて燃料電池２０の性能を評価することも考えられる。しかしながら、上記（ｆ）のＯＲＲ過電圧は、電解質膜１２から移動したプロトンＨ＋がカソード触媒層１４ｃに供給されている酸素と結合して水が生成される反応（２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）に伴う過電圧であり、総過電圧の大半を占めることが知られている。このため、カソード触媒層１４ｃの損傷が反映された燃料電池２０の性能を精度よく評価できない可能性がある。
【００３９】
これに対して、プロトンポンプ反応時では、燃料電池２０の総過電圧は、主に、（ａ）触媒層での電子抵抗、（ｂ）ガス拡散層での電子抵抗、（ｃ）電解質膜でのプロトン抵抗、（ｄ）水素酸化反応（ＨＯＲ：Hydrogen Oxidation Reaction）過電圧、（ｅ）触媒層プロトン抵抗、（ｇ）水素発生反応（ＨＥＲ: hydrogen Evolution Reaction）過電圧の合計となる。ここで、プロトンポンプ反応時では、燃料電池２０のカソードＣａ側でのＯＲＲ反応は略生じないため、上記ＯＲＲ過電圧は略ゼロであり、代わりに上記（ｇ）のＨＥＲ過電圧が生じる。ＨＥＲ過電圧は、電解質膜１２から移動したプロトンＨ＋がカソード触媒層１４ｃで電子ｅ−と反応して水素が生成される反応（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）であり、総過電圧に対して小さいことが知られている。従って、総過電圧に占める上記（ｅ）の抵抗の割合は、プロトンポンプ反応時での方が通常発電時よりも大きい。このため、プロトンポンプ反応時での総過電圧に相関する、ターミナルプレート２１及び２２の電位差に基づいて、カソード触媒層１４ｃの損傷が反映された燃料電池２０の性能を精度よく評価することができる。
【００４０】
プロトンポンプ反応時に燃料電池２０の性能を精度よく評価できる理由は他にもある。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ通常発電時及びプロトンポンプ反応時でのカソード触媒層１４ｃでのプロトンＨ＋の残量の説明図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、曲線Ｐａ及びＰｂをカソード触媒層１４ｃに重ねて示している。曲線Ｐａは、通常発電時でのＯＲＲ反応により消費されるプロトンＨ＋の残量を模式的に示しており、電解質膜１２から離れるに従ってプロトンＨ＋は徐々に消費されていく。これに対して曲線Ｐｂは、プロトンポンプ反応時でのＨＥＲ反応に伴って消費されるプロトンＨ＋の残量を模式的に示しており、電解質膜１２との境界付近でのカソード触媒層１４ｃで大部分のプロトンＨ＋が消費される。
【００４１】
ここで図５（ａ）及び図５（ｂ）には、上述した亀裂ｘが発生しやすい箇所を点線で示している。亀裂ｘが発生しやすい箇所では、通常発電時での曲線Ｐａよりも曲線Ｐｂの方が多く重なっている。即ち、亀裂ｘが発生していた場合には、通常発電時よりもプロトンポンプ反応時でのプロトンＨ＋の消費量への影響が大きいことを示している。従って、亀裂ｘが発生していた場合には、通常発電時よりもプロトンポンプ反応時での方が、上記の（ｅ）の触媒層プロトン抵抗が増大する。このため、カソード触媒層１４ｃの損傷に起因する燃料電池２０の性能の低下を精度よく評価することができる。
【００４２】
また、燃料電池２０の性能評価制御は、氷点下での燃料電池システム１の起動時に実行される。この理由について説明する。複数のセル１０は一対のエンドプレートにより両側から挟持されているため、実際にはカソード触媒層１４ｃに亀裂や剥離が生じていたとしても、性能評価制御時には亀裂が塞がっていたり、カソード触媒層１４ｃが電解質膜１２に密着していることも考えられ、精度よく燃料電池２０の性能を評価できない可能性がある。ここで、上述したように氷点下での燃料電池システム１の起動時には、電解質膜１２内に存在していた水がカソード触媒層１４ｃにまで移動し、カソード触媒層１４ｃの亀裂や電解質膜１２とカソード触媒層１４ｃとの間で水が氷に変化してその隙間が開かれる可能性がある。このため、この状態で燃料電池２０の性能を評価することにより、カソード触媒層１４ｃの損傷に起因する燃料電池２０の性能の低下を精度よく評価することができる。
【００４３】
また、燃料電池２０の発熱量は、通常発電時よりもプロトンポンプ反応時の方が少ない。このため、氷点下での燃料電池システム１の起動時にプロトンポンプ反応を生じさせることにより、上述したようにカソード触媒層１４ｃの亀裂や電解質膜１２とカソード触媒層１４ｃとの間での氷の溶解を抑制でき、カソード触媒層１４ｃの損傷に起因する燃料電池２０の性能の低下を精度よく評価することができる。
【００４４】
次に、制御ユニット６０が実行する性能評価制御について説明する。図６は、制御ユニット６０が実行する性能評価制御の一例を示すフローチャートである。制御ユニット６０は、燃料電池システム１の起動直後であるか否かを判定する（ステップＳ１）。起動直後とは、例えば燃料電池システム１が起動してから数秒以内を意味する。
【００４５】
次に制御ユニット６０は、燃料電池２０の温度に関する温度情報が、燃料電池２０の温度が０℃未満であることを示しているか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、燃料電池２０の温度情報とは、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃの出力値から得られる情報であるが、例えば燃料電池２０を冷却する冷媒の温度を検出する水温センサの出力値や、又は外気温を検出する外気温センサの出力値を燃料電池２０の温度情報として用いてもよい。ステップＳ２の処理は、燃料電池２０の温度に関する温度情報が燃料電池２０の温度は氷点下以下である所定温度以下を示すか否かを判定する温度判定部が実行する処理の一例である。ステップＳ１及びＳ２の一方で否定判定がなされると本制御は終了する。
【００４６】
ステップＳ１及びＳ２の双方で肯定判定の場合、制御ユニット６０は上述したプロトンポンプ処理を実行する（ステップＳ３）。ここで上述したように、プロトンポンプ処理においては、燃料電池２０に流れる電流値は予め所定の目標電流値となるように高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１やトランクションインバータ５３、及び補機インバータ５４が制御されている。
【００４７】
次に制御ユニット６０は、プロトンポンプ処理中でのターミナルプレート２１及び２２の電位差を電圧センサ２ｂにより取得する（ステップＳ４）。図７は、電圧センサ２ｂにより取得された電位差の一例を示している。図７では、曲線Ｖａは、カソード触媒層１４ｃに損傷がない場合での電位差を示しており、曲線Ｖｂは、カソード触媒層１４ｃに亀裂が生じている場合での電位差を示している。尚、電圧センサ２ｂが検出する電位差は、ターミナルプレート２１の電位に対するターミナルプレート２２の電位の大きさである。このため、図７では、曲線Ｖａ及びＶｂの何れも定常状態で負の値を示している。ステップＳ４の処理は、プロトンポンプ処理の実行中での、バッテリ５２の正極及び負極が接続された燃料電池２０の区間内での、少なくとも一つの電解質膜１２を挟むターミナルプレート２１又はセパレータ１８ａとターミナルプレート２２又はセパレータ１８ｃとの電位差を取得する電位差取得部が実行する処理の一例である。
【００４８】
次に制御ユニット６０は、燃料電池２０を流れる目標電流値とターミナルプレート２１及び２２の電位差とに基づいて、燃料電池２０の性能評価を実行する（ステップＳ５）。具体的には、取得した電位差を目標電流値により除算することによって得られる抵抗値の絶対値を、性能評価の結果として算出する。
【００４９】
次に制御ユニット６０は、性能評価に基づいて燃料電池２０の性能が低下しているか否かを判定する（ステップＳ６）。例えば、算出された抵抗値の絶対値が予め定められた所定値以上の場合には、燃料電池２０の性能が低下していると判定される。ステップＳ６の処理は、バッテリ５２の正極及び負極が接続された燃料電池２０の区間を流れる電流値と、上述した電位差とに基づいて燃料電池２０の性能を評価する評価部が実行する処理の一例である。否定判定の場合には本制御は終了される。
【００５０】
肯定判定の場合には、制御ユニット６０は掃気時間の増加補正を実行する（ステップＳ７）。ここで掃気時間とは、燃料電池システム１の運転終了時に燃料電池２０内に残留する水分を、エアコンプレッサ３１により供給される酸化剤ガス及びインジェクタＨ３から噴射される燃料ガスにより排出する掃気処理が実行される時間である。性能が低下していると判定された場合、即ち上述したようにカソード触媒層１４ｃが損傷を受けていると考えられる場合には、掃気時間を予め定められた時間よりも増加させることにより、掃気処理による燃料電池２０からの水分の排出能力を増大させる。これにより、燃料電池システム１の運転終了後での電解質膜１２内に残留する水分量を低減でき、その後の氷点下での燃料電池システム１の起動に起因するカソード触媒層１４ｃの損傷の拡大を抑制して燃料電池２０の性能の低下を抑制できる。
【００５１】
尚、上記の性能評価制御の終了後は、制御ユニット６０はスイッチ回路５５を制御することによりバッテリ５２と燃料電池２０との接続を元の状態に戻し、燃料電池２０に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池２０を通常発電させる。
【００５２】
ステップＳ５では、燃料電池２０を流れる目標電流値を用いたが、電流センサ２ａの測定値を用いてもよい。また、プロトンポンプ処理においては、燃料電池２０を流れる電流値が目標電流値となるように制御されるが、このような目標電流値を設定せずに、プロトンポンプ反応時に電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂの測定値を用いて、燃料電池２０の抵抗値を算出してもよい。
【００５３】
ステップＳ６では、算出された抵抗値の絶対値が、車両出荷後の初期に同一条件下で取得された抵抗値の絶対値と比較して、所定値以上大きい場合に性能が低下していると判定してもよい。また、プロトンポンプ処理中での燃料電池２０を流れる電流値が目標電流値に制御される場合には、実際に燃料電池２０を流れる電流値は一定であるとみなして、抵抗値を算出することなく、電位差の絶対値が所定値以上大きい場合、又は電位差の絶対値が車両出荷後の初期に同一条件下で取得された電位差の絶対値よりも所定値以上大きい場合に、性能が低下していると判定してもよい。電位差は、抵抗値に相関する値だからである。
【００５４】
また、ステップＳ６の判定は以下のように行ってもよい。まず、燃料電池２０の温度が０℃以上であってそれ以外の条件が同一の場合でのプロトンポンプ処理中での抵抗値の絶対値又は電位差の絶対値を予め取得しておく。次に、燃料電池２０の温度が０℃未満でのプロトンポンプ処理中での抵抗値の絶対値又は電位差の絶対値を取得し、この取得した値が、燃料電池２０の温度が０℃以上の場合での抵抗値の絶対値又は電位差の絶対値よりも所定値以上大きい場合に、性能が低下していると判定してもよい。
【００５５】
ステップＳ７の処理は、掃気処理による燃料電池２０内からの排水効果が増大する処理であれば上記に限定されず、例えば、掃気処理時でのエアコンプレッサ３１の回転速度を増大させて掃気流量を増大させる処理や、掃気を脈動させる処理であってもよい。ステップＳ７の処理は、掃気処理に関する処理に限定されない。例えば、氷点下の環境下で燃料電池２０を目標温度にまで昇温させる暖機処理での昇温速度を上昇させる処理であってもよい。これにより、氷点下の環境下での燃料電池２０の温度を早期に０℃以上に昇温して、カソード触媒層１４ｃの亀裂や隙間にある氷を早期に溶融させて、その後の燃料電池２０の通常発電での性能の低下を最小限に抑制できる。
【００５６】
またステップＳ４において、電解質膜１２を介さずに互いに隣接したセパレータ１８ａ及び１８ｃの電位差以外の電位差であればよい。上述したように、電解質膜１２を介さずに隣接したセパレータ１８ａ及び１８ｃでは、電位差が生じないからである。従ってステップＳ４においては、少なくとも一つの電解質膜１２を挟むターミナルプレート２１と何れかセル１０のセパレータ１８ｃとの電位差、ターミナルプレート２２と何れかのセル１０のセパレータ１８ａとの電位差、何れかのセル１０のセパレータ１８ａと何れかのセル１０のセパレータ１８ｃとの電位差の、何れかを取得すればよい。例えば、燃料電池２０の複数のセルのうち、カソード触媒層１４ｃが損傷を受けやすいセル１０が予め特定できている場合には、そのセル１０を含む区間での電位差を取得してもよい。特に、各セルの電圧または複数のセル間の電圧を取得できるセルモニターにより、電位差を取得してもよい。また、予め車両に搭載された電圧センサ２ｂ以外の電圧センサを用いて電位差を取得してもよい。また、この場合での性能評価制御は、車両点検時など実行される。
【００５７】
車両に搭載されたバッテリ５２の代わりに、外部電源により燃料電池２０に電力を供給してもよい。この場合の性能評価制御は、車両点検時など実行される。また、外部電源により燃料電池２０に電力を供給する場合には、外部電源の正極及び負極をそれぞれターミナルプレート２１及び２２に接続することに限定されない。例えば、外部電源の正極及び負極を、それぞれターミナルプレート２１及びセパレータ１８ｃに接続してもよいし、それぞれセパレータ１８ａ及びターミナルプレート２２に接続してもよい。また、正極をセパレータ１８ａに接続し、負極を正極が接続されたセパレータ１８ａよりもターミナルプレート２２側にあるセパレータ１８ｃに接続してもよい。例えば、燃料電池２０の複数のセルのうち、カソード触媒層１４ｃが損傷を受けやすいセルが予めわかっている場合には、そのセルを含む区間で外部電源により電力を供給してもよい。この場合、電力が供給されている区間内で電位差を取得すればよい。
【００５８】
プロトンポンプ処理においては、カソード触媒層１４ｃに酸化剤ガスの供給は停止されているが、これに限定されない。プロトンポンプ処理時に燃料電池２０に流れる電流値と同じ電流値を、通常発電により燃料電池２０から出力させる場合に必要な必要酸化剤ガス量よりも少ない酸化剤ガス量をカソード触媒層１４ｃに供給してもよい。また、プロトンポンプ処理において、カソード触媒層１４ｃに、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性ガスを供給してもよい。
【００５９】
スイッチ回路５５の機能を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に組み込んでもよい。例えば絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、燃料電池２０とバッテリ５２との接続の極性を切換えてもよい。ステップＳ２の処理において、０℃未満ではなく、所定のマージンを設けた０℃未満の所定の温度、例えば−５℃以下の場合に、ステップＳ３以降の処理が実行されてもよい。
【００６０】
ステップＳ６及びＳ７の処理は必ずしも必要ではない。制御ユニット６０は、性能評価の結果を、有線通信又は無線通信を介して外部の情報処理装置に送信してもよい。
【００６１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  セル
１１  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２  電解質膜
１４ａ  アノード触媒層
１４ｃ  カソード触媒層
１５  膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１６ａ  アノード側撥水層
１６ｃ  カソード側撥水層
１７ａ  アノードガス拡散層
１７ｃ  カソードガス拡散層
１８ａ  第１セパレータ
１８ｃ  第２セパレータ
１９ａ  アノードガス流路
１９ｃ  カソードガス流路
２０  燃料電池
２１  第１ターミナルプレート
２２  第２ターミナルプレート
５２  バッテリ（電力供給部）
５５  スイッチ回路
６０  制御ユニット（温度判定部、制御部、電位差取得部、評価部）
【図１】
2018010779.tif 000003
【図２】
2018010779.tif 000004
【図３】
2018010779.tif 000005
【図４】
2018010779.tif 000006
【図５】
2018010779.tif 000007
【図６】
2018010779.tif 000008
【図７】
2018010779.tif 000009