(57)【要約】【課題】燃料電池システムに関し、発電状態を安定させつつ電圧オーバーシュートを抑制する。【解決手段】燃料電池１の作動状態を制御する制御装置２０を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池１の電極２，３のうち、水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極の担体３１を親水性とし、触媒部３２とアイオノマー部３３とを設ける。触媒部３２は、担体３１上に触媒金属を担持させてなる部位である。アイオノマー部３３は、少なくとも触媒金属が露出するように触媒部３２の周囲に固定する。また、担体３１の表面に存在する水分量を制御する制御部２２を制御装置２０に設ける。制御部２２は、発電を開始してから所定の安定始動条件が成立するまでの起動時期における水分量を、安定始動条件が成立した後の定常運転中における水分量よりも増大させるための制御を実施する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の作動状態を制御する制御装置を備えた燃料電池システムにおいて、
水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極が、親水性の担体と、前記担体に触媒金属を担持してなる触媒部と、少なくとも前記触媒金属が露出するように前記触媒部の周囲にアイオノマーを固定してなるアイオノマー部と、を有し、
前記制御装置が、発電を開始してから所定の安定始動条件が成立するまでの起動時期に前記担体の表面に存在する水分量を、前記安定始動条件が成立した後の定常運転中における前記水分量よりも増大させる制御部を有する
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部が、前記起動時期に前記触媒金属が水に被覆され、前記定常運転中に前記触媒金属が露出するように、前記水分量を制御する
ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置が、前記電極の電気抵抗値に基づき、前記担体の表面に存在する前記水分量の推定値である推定水分量を算出する推定部を有する
ことを特徴とする、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強める
ことを特徴とする、請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記一方の電極に供給されるガス流量を減量する
ことを特徴とする、請求項３または４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部が、前記推定水分量に基づき、前記起動時期に前記電極へ供給される気体の湿度をフィードバック制御する
ことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部が、前記燃料電池のセル温度が高いほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強める
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記安定始動条件が、前記発電を開始してから所定時間が経過することである
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記一方の電極に含まれる前記アイオノマーの体積比が、１０％以上である
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの供給状態と空気極に供給される空気の供給状態とをともに制御する制御装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素（水素ガス）と酸素（空気）との化学反応を利用して電気エネルギーを抽出する燃料電池システムにおいて、燃料極や空気極に含まれる水分量を調節する技術が存在する。例えば、燃料電池の起動時に無加湿の燃料ガスを燃料極に供給することで、燃料極の近傍に残留している空気（酸素を含む空気）を排出し、逆電流の発生を防止する技術が知られている。また、燃料電池の内部に凝集した水（結露水など）を除去するために、冷却水圧力を低下させる技術も知られている（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2016-027534号公報
【特許文献２】特開2003-151597号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池の電極内部では水素と酸素との化学反応によって常に水が生成される。この生成水が触媒近傍に滞留すると、水素と酸素との化学反応が阻害され、発電状態が不安定となりうる。そこで、電極自体を撥水性とし、電極内部から生成水が円滑に除去される構造とすることが検討されている。しかしながら、電極自体に撥水処理を施した場合には、触媒金属の周囲に水素イオンを伝導させるための電解質（アイオノマー）を多量に含有させなければ、イオンの移動，拡散性を確保することが難しい。一方、触媒金属の周囲に存在するアイオノマー量が多いほど、アイオノマー中に溶解する酸素イオンが増加する。これにより、燃料電池の起動時に電圧が急激に立ち上がる現象（電圧オーバーシュート）が生じやすくなり、電極の劣化が進行しやすくなる。
【０００５】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、燃料電池の発電状態を安定させつつ電圧オーバーシュートを抑制できるようにした燃料電池システムを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）開示の燃料電池システムは、燃料電池の作動状態を制御する制御装置を備えた燃料電池システムである。水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極が、親水性の担体と、前記担体に触媒金属を担持してなる触媒部と、少なくとも前記触媒金属が露出するように前記触媒部の周囲にアイオノマーを固定してなるアイオノマー部とを有する。また、前記制御装置が、発電を開始してから所定の安定始動条件が成立するまでの起動時期に前記担体の表面に存在する水分量を、前記安定始動条件が成立した後の定常運転中における前記水分量よりも増大させる制御部を有する。
【０００７】
（２）前記制御部が、前記起動時期に前記触媒金属が水に被覆され、前記定常運転中に前記触媒金属が露出するように、前記水分量を制御することが好ましい。
（３）前記制御装置が、前記電極の電気抵抗値に基づき、前記担体の表面に存在する前記水分量の推定値である、推定水分量を算出する推定部を有することが好ましい。
（４）前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強めることが好ましい。例えば、前記燃料電池の動作が停止する直前に前記冷却能力を強めることで、あらかじめ加湿しておくことが好ましい。
【０００８】
（５）前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記一方の電極に供給されるガス流量を減量することが好ましい。例えば、前記起動時期における前記ガス流量を減量することで、前記燃料電池で生成される水分の飛散，拡散を抑制し、電極表面の水分が増加しやすい環境にすることが好ましい。
（６）前記制御部が、前記推定水分量に基づき、前記起動時期に前記電極へ供給される気体の湿度をフィードバック制御することが好ましい。例えば、前記起動時期における前記湿度が前記定常運転中よりも高くなるように、前記制御部が前記フィードバック制御を実施することが好ましい。
【０００９】
（７）前記制御部が、前記燃料電池のセル温度が高いほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強めることが好ましい。
（８）前記安定始動条件が、「前記発電を開始してから所定時間が経過すること」であることが好ましい。
（９）前記一方の電極に含まれる前記アイオノマーの体積比が、１０％以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
燃料電池の起動時期における水分量を定常運転中よりも増大させることで、起動直後の電圧オーバーシュートを抑制することができ、燃料電池の制御性を高めることができる。これにより、電極の触媒部の劣化を防止することができ、燃料電池の品質を向上させることができる。また、電極には、触媒金属が露出するようにアイオノマーが固定されるため、触媒近傍に三相界面を形成することができ、燃料電池の発電状態を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムが適用された車両の構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池システムの構成を説明するためのブロック図である。
【図３】（Ａ）は高分子電解質型燃料電池（PEFC）のセル構造を示す模式図であり、（Ｂ）はアルカリ型燃料電池（AFC）のセル構造を示す模式図である。
【図４】（Ａ）は一方の電極表面の構造を示す模式図、（Ｂ）は他方の電極表面の構造を示す模式図である。
【図５】電極のセル抵抗値と推定水分量との関係を例示するグラフである。
【図６】（Ａ）は燃料電池の起動時における触媒表面の含水状態を示す模式図、（Ｂ）が定常時における含水状態を示す模式図である。
【図７】燃料電池システムの制御内容（停止時）を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池システムの制御内容（起動時）を示すフローチャートである。
【図９】変形例としての制御内容（起動時）を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して実施形態としての燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【００１３】
［１．構成］
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１の作動状態を制御する制御装置２０を備えた燃料電池システムであり、図１に示す車両４０（FCV；Fuel Cell Vehicle）に搭載される。この車両４０には、走行用のモーター４１，インバーター４２，走行用のバッテリー４３が搭載される。バッテリー４３は、車両４０の駆動源であるモーター４１の主電源であるとともに燃料電池１の発電電力を蓄える蓄電装置であり、例えば複数のセルを内蔵するユニット型のリチウムイオン二次電池である。モーター４１は、電動機としての機能と発電機としての機能とを兼ね備えた交流電動発電機（モータージェネレーター）である。図１に示す車両４０は、前輪用及び後輪用のモーター４１を搭載しており、前方側に配置されたモーター４１が前輪を駆動し、後方側に配置されたモーター４１が後輪を駆動する。
【００１４】
バッテリー４３と各モーター４１との間には、インバーター４２が介装される。インバーター４２は、バッテリー４３側の直流電力とモーター４１側の交流電力とを相互に変換する変換器（DC-ACインバーター）である。モーター４１の力行時には、バッテリー４３側からモーター４１側へと交流の駆動電力が供給される。一方、モーター４１の回生発電時には、モーター４１側からバッテリー４３側へと直流の回生電力が供給される。インバーター４２とモーター４１との間は三相交流電力線（充放電回路）で接続され、インバーター４２とバッテリー４３との間は直流電力線で接続される。三相交流電力線における交流電圧は、モーター４１の駆動電圧や発電電圧に応じて変動し、例えば最大で600[V]前後まで上昇しうる。一方、直流電力線における直流の電圧は、バッテリー４３の充放電電圧に応じて変動し、例えば200〜300[V]の範囲内で変動する。
【００１５】
燃料電池１は、変圧器４４を介して直流電力線に接続される。この変圧器４４は、燃料電池１側の直流電圧とバッテリー４３側の直流電圧とを相互に変換する変換器（DC-DCコンバーター）である。本実施形態の燃料電池１には、燃料ガスが流通する燃料通路１１と、酸素を含む空気が流通する空気通路１２と、冷却水が流通する冷却水通路１７とが接続される。燃料通路１１には、燃料バルブ４６を介して、既成の燃料ガスを貯留するための燃料タンク４５が接続される。また、空気通路１２には、所定の流量で空気を送給するための空気ブロアー４７が設けられる。燃料極２に供給される燃料ガスの流量は、燃料バルブ４６の開度を調節することで変更される。同様に、空気極３に供給される空気の流量は、空気ブロアー４７の回転速度を調節することで変更される。なお、車両４０が内燃機関を搭載する場合には、内燃機関の燃料（ガソリン，軽油など）を改質することによって燃料ガスを生成してもよく、燃料タンク４５を省略してもよい。
【００１６】
冷却水通路１７は、冷却水を循環させることによって燃料電池１を冷却するための冷媒流路である。この冷却水通路１７には、冷却水ポンプ４８，流路切替バルブ４９，ラジエーター５０が介装される。冷却水ポンプ４８は、冷却水の流量や圧力を増減させるための圧送装置である。冷却水の流量は、冷却水ポンプ４８の圧送量（作動速度）を変更することで調節される。流路切替バルブ４９は、燃料電池１を通過した冷却水がラジエーター５０側に流通する流量と、ラジエーター５０を迂回して再び燃料電池１側へ還流する流量との割合を制御する流量制御弁である。ラジエーター５０は、外気と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器である。冷却水は、ラジエーター５０で空冷される。ラジエーター５０には、管状の冷媒通路が互いに間隔を空けて列設されたラジエーターコアが設けられ、その内部を冷却水が通過する。また、ラジエーターコアの外表面には多数の放熱フィンが突設され、ラジエーターコアの熱が外気に晒されて放熱される。
【００１７】
ラジエーター５０よりも車両４０の後方側にはラジエーターファン５１が設けられ、前方側には開閉グリル５２が配置される。ラジエーターファン５１は、ラジエーター５０を通過する外気の流速を増加させるための送風機である。開閉グリル５２は、車両４０の前方から外気が導入される開口面積（ルーバー角度）を調節可能な電動ルーバーである。冷却水の温度は、流路切替バルブ４９における冷却水の分流割合や、ラジエーターファン５１の回転速度や開閉グリル５２の開度などを調節することで変更可能である。例えば、ラジエーター５０を迂回する流量を減少させるほど冷却水の温度が低温となり、燃料電池１の冷却能力が強められる。一方、迂回流量を増加させるほど冷却水の温度が高温となり、冷却能力が弱められる。なお、ラジエーターコアを通過する外気の流量が多く、あるいは外気温度が低いほど、冷却水の温度が低下しやすくなる。
【００１８】
図２に示す燃料電池システムは、燃料電池１の燃料極２（アノード）に供給される燃料ガスの供給状態と空気極３（カソード）に供給される空気の供給状態とをともに制御する制御装置２０を備えた燃料電池システムである。燃料電池１の種類は、例えば高分子電解質型（PEFC；Polymer Electrolyte Fuel Cell），リン酸型（PAFC；Phosphoric Acid Fuel Cell），固体酸化物型（SOFC；Solid Oxide Fuel Cell），アルカリ電解質型（AFC；Alkaline Fuel Cell）などである。
【００１９】
燃料極２には、燃料通路１１を介して燃料ガスが供給され、空気極３には、空気通路１２を介して酸素を含む空気が供給される。燃料極２と空気極３との間には電解質部４が設けられる。電解質部４の組成は、燃料電池１の種類に応じて決定される。例えば、PEFCの場合にはプロトン（水素イオンH+）の伝導性を持った高分子膜（フッ素系膜）が使用される。また、AFCの場合には、水酸化物イオン（OH-）の伝導性を持った電解液（水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの水溶液）に含浸された高分子膜，多孔質体などが使用される。
【００２０】
燃料極２，空気極３には、電極表面に付着（残留）している水分の量を把握すべく、電極２，３間の電気抵抗値を計測する抵抗センサー１５が取り付けられる。ここでは、図２に示すように、燃料電池１のセル抵抗値R（すなわち、電解質部４を挟む燃料極２と空気極３との間の電気抵抗値）が計測される。抵抗センサー１５で計測されたセル抵抗値Rの情報は、制御装置２０に伝達される。抵抗センサー１５の具体例としては、抵抗計，テスター，インピーダンス計測器などが挙げられる。なお、抵抗センサー１５は、燃料電池１に内蔵させてもよいし、燃料電池１と別設してもよい。
【００２１】
本実施形態の燃料電池１には、セル温度Tを検出する温度センサー１６が設けられる。図２中に示す温度センサー１６は、燃料極２の温度を検出する位置に配置されているが、温度センサー１６の検出位置はこれに限定されず、空気極３や電解質部４の温度を検出してもよいし、セルスタック外表面の温度（スタック温度）を検出してもよい。また、複数箇所の温度を検出し、それらの平均値をセル温度Tとして検出，算出する構成としてもよい。
【００２２】
図２に示すように、燃料通路１１には燃料加湿器１３が介装され、空気通路１２には空気加湿器１４が介装される。燃料加湿器１３は、燃料通路１１に水滴や水蒸気を供給することで、燃料ガスの湿度を上昇させるように機能する。同様に、空気加湿器１４は空気極３に導入される空気の湿度を上昇させる機能を持つ。これらの加湿器１３，１４から供給される水は、車載の水タンクにあらかじめ補充しておいてもよいし、燃料電池１のオフガスから回収される凝結水を再利用してもよい。加湿器１３，１４の作動状態は、制御装置２０が管理する。図２では、オフガスから凝結水を回収して再利用するタイプの加湿器１３，１４を例示する。
【００２３】
加湿器１３，１４は、少なくとも「水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極」に気体を供給する通路上に設けられる。例えば、PEFCの場合には、少なくとも空気通路１２に空気加湿器１４が設けられ、燃料加湿器１３は省略可能である。また、AFCの場合には、少なくとも燃料通路１１に燃料加湿器１３が設けられ、空気加湿器１４は省略可能である。本実施形態の加湿器１３，１４は、凝結水を回収すべくオフガスを冷却する熱交換器としての機能を持つ。これにより、オフガスに含まれる水分が再利用される。凝縮水が回収された後のオフガスは、再び燃料通路１１や空気通路１２に導入されることとしてもよいし、オフガス浄化装置を介して車外へ排出してもよい。
【００２４】
ここで、PEFCのセル構造及び反応式を図３（Ａ）に示し、AFCのセル構造及び反応式を図３（Ｂ）に示す。燃料電池１の基本構造は、その種類に関わらずほぼ同一である。すなわち、燃料極２にはアノード電極層５，水素拡散層７，水素セパレーター９が設けられ、空気極３にはカソード電極層６，酸素拡散層８，酸素セパレーター１０が設けられる。
電極層５，６は、触媒貴金属（白金や白金ルテニウムなど）を担持した導電性の担体と電解質との複合体である。担体は電子が伝導されるチャンネル（通り道）として機能し、電解質はイオンが伝導されるチャンネルとして機能する。
【００２５】
拡散層７，８は、電極層５，６での反応物質を効率よく拡散しつつ、導電性や水分の流動性を維持するための多孔体である。これらの拡散層７，８は、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどに撥水性の高い樹脂を含浸させることで形成される。
セパレーター９，１０は、拡散層７，８に対して燃料ガスや空気を均一に拡散させるための多孔質部材であり、導電性物質で形成される。セパレーター９，１０の表面には溝が設けられ、その表面を拡散層７，８に対して密着させることで、気体の流路が形成される。また、セパレーター９，１０の裏面や内部には冷却水が流通する流路が設けられ、冷却水通路１７が接続される。
【００２６】
電解質部４の内部を移動するイオンは、図３（Ａ）に示すPEFCではプロトンH+であり、図３（Ｂ）に示すAFCでは水酸化物イオンOH-である。したがって、水素と酸素とが化合して水が生成される電極は、PEFCでは空気極３となり、AFCでは燃料極２となる。
本実施形態の燃料電池１では、水が生成される一方の電極が、図４（Ａ）に示す構造を有する。すなわちこの構造は、PEFCでは少なくとも空気極３のカソード電極層６に適用され、AFCでは少なくとも燃料極２のアノード電極層５に適用される。
【００２７】
図４（Ａ）中の符号３１は炭素担体（カーボンブラック，担体）であり、符号３２は触媒金属（白金粒子や白金ルテニウム粒子）が担持されてなる触媒部である。また、符号３３はアイオノマー（電解質ポリマー）が固定されたアイオノマー部であり、符号３４は親水部である。親水部３４は、炭素担体３１の表面に親水処理（酸化処理）を施し、酸性官能基を結合させることで形成される。酸性官能基の種類としては、水酸基，カルボキシ基，カルボニル基，キノン基などが挙げられる。なお、親水部３４を炭素担体３１の一部とみなせば、炭素担体３１自体が親水性を有するものといえる。
【００２８】
アイオノマー部３３は、少なくとも触媒金属が露出するように、触媒部３２の周囲に固定される。好ましくは、触媒部３２の周囲を親水部３４が囲むように、触媒部３２に対して間隔を空けてアイオノマー部３３が配置される。図４（Ａ）に示すように、アイオノマー部３３が触媒部３２を被覆しないように、比較的少量のアイオノマーが炭素担体３１の表面に固定される。本実施形態のアイオノマーの体積比（電極層５，６における体積比）は、６０％未満とする。ただし、電極層５，６におけるアイオノマーの含有量が少なすぎる場合には炭素担体３１の結着性が低下することから、体積比の下限値は１０％（体積比を１０％以上）とする。
【００２９】
上記の通り、図４（Ａ）に示す構造は、少なくとも水が生成される一方の電極に適用される。他方の電極については、同様の構造としてもよいし、図４（Ｂ）に示すような構造としてもよい。図４（Ｂ）に示す構造は、炭素担体３１が親水部３４を持たず、アイオノマー部３３が触媒金属を被覆するように、比較的多量のアイオノマーが炭素担体３１の表面に固定された構造である。この場合、アイオノマーの体積比は、少なくとも水が生成される一方の電極における、アイオノマーの体積比よりも大きいことが好ましく、６０％未満でなくてもよい。
【００３０】
制御装置２０（FC-ECU）は、燃料電池１及び加湿器１３，１４の作動状態や、燃料電池１の冷却能力（冷却水やラジエーター５０の作動状態など）を制御する電子制御装置〔ECU（Electronic Control Unit）〕である。制御装置２０の内部には、内部バスを介して互いに接続されたプロセッサ，メモリ，インタフェイス装置などが内蔵される。プロセッサは、例えば制御ユニット（制御回路）や演算ユニット（演算回路），キャッシュメモリ（レジスタ）などを内蔵する処理装置である。また、メモリは、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、ROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory），不揮発メモリなどを含む。制御装置２０で実施される制御の内容は、ファームウェアやアプリケーションプログラムとしてメモリに記録，保存されている。プログラムの内容は、プログラムの実行時にメモリ空間内に展開され、プロセッサで実行される。
【００３１】
制御装置２０には、燃料加湿器１３，空気加湿器１４，抵抗センサー１５が接続される。制御装置２０は、抵抗センサー１５で検出されたセル抵抗値Rに基づき、炭素担体３１の表面に存在する水分量の推定値である推定水分量Wを算出する機能と、その推定水分量Wに基づいて加湿器１３，１４の作動状態や燃料電池１の冷却能力を制御する機能とを併せ持つ。また、制御装置２０は、燃料電池１の起動時期と定常運転中とで異なる制御を実施する。
【００３２】
ここでいう「起動時期」とは、動作を停止していた燃料電池１が作動し始めてから所定の安定始動条件が成立するまで（例えば、所定時間が経過するまで、あるいは、所定の出力で発電させた状態でセル電圧が所定値以下になるまで）の時期である。また、所定の安定始動条件が成立した後、燃料電池１の動作が停止するまでの期間が「定常運転中」である。なお、停止中の燃料電池１を作動させるための条件（発電条件）は任意に設定することができる。例えば、燃料電池システムが適用された車両の内燃機関が安定的に作動している状態であることや、内燃機関の燃料残量が所定量以上であること、車載バッテリーの充電率が所定値以下になっていることなどが挙げられる。
【００３３】
［２．制御構成］
制御装置２０には、加湿器１３，１４の作動状態を制御するための要素として、推定部２１，制御部２２が設けられる。また、制御部２２には、冷却能力調整部２３，ガス流量調整部２４，湿度調整部２５が設けられる。これらの要素は、制御装置２０の機能を便宜的に分類して示したものであり、個々の要素を独立したプログラムとして記述してもよいし、これらの機能を兼ね備えた複合プログラムとして記述してもよい。これらのプログラムは、ROM，RAM，不揮発メモリ，リムーバブルメディア内に記録され、プロセッサによって実行される。あるいは、これらのプログラムが光ディスクや半導体メモリなどの記録媒体（リムーバブルメディア）に記録され、記録媒体ドライブを介してメモリ上に読み込まれた上で実行される。
【００３４】
推定部２１は、電極の電気抵抗値に基づき、炭素担体３１の表面に存在する推定水分量Wを算出するものである。ここでは、少なくとも水が生成される一方の電極についての推定水分量Wが算出される。他方の電極についての水分量は算出しなくてもよい。推定水分量Wは、抵抗センサー１５での検出値に基づいて推定される。ここで、セル抵抗値Rと推定水分量Wとの対応関係を図５に例示する。セル抵抗値Rは、炭素担体３１の表面に存在する推定水分量Wが多いほど減少し、推定水分量Wが少ないほど増加する。したがって、抵抗センサー１５で検出されたセル抵抗値Rが低いほど、推定水分量Wが多いものと推定することができる。なお、セル抵抗値Rと推定水分量Wとの対応関係は、燃料極２，空気極３のそれぞれについて（電極毎に）あらかじめ試験や実験を通して取得しておけばよい。
【００３５】
制御部２２は、少なくとも水が生成される一方の電極に関して、炭素担体３１の表面に存在する水分量を制御するものである。他方の電極についての水分量は、制御対象から除外してもよい。ここでは、燃料電池１の起動時期における水分量を、定常運転中における水分量よりも増大させる制御が実施される。本実施形態の制御部２２は、起動時期に触媒部３２の触媒金属が水に被覆され、定常運転中にはその触媒金属が露出するように、水分量を制御する機能を持つ。
【００３６】
ここで、炭素担体３１の表面における起動時期の水分分布を図６（Ａ）に示し、定常運転中の水分分布を図６（Ｂ）に示す。燃料電池１が起動した直後には、触媒部３２の周囲が水３５に囲まれた状態とされる。これにより、例えばPEFCの場合には触媒金属の表面に酸素イオンO2-が接近しにくくなり、水素と酸素との化合がブロックされる。同様に、AFCの場合には触媒金属の表面に水酸化物イオンOH-が接近しにくくなり、水の生成がブロックされる。したがって、燃料電池１の起動直後に発生しうる電圧オーバーシュートが抑制される。
【００３７】
一方、燃料電池１の定常運転中には、触媒部３２の周囲から水３５が取り除かれ、触媒金属が露出した状態となる。これに加えて、炭素担体３１の表面に親水部３４が形成されていることから、水３５がアイオノマー部３３，親水部３４の表面に沿って濡れ広がるように分布し、触媒部３２とアイオノマー部３３との間が水３５によって架橋される。これにより、例えばPEFCの場合には触媒金属の表面に酸素イオンO2-やプロトンH+が接近しやすくなり、水素と酸素との化合が促進される。したがって、定常運転中の発電状態が安定化する。
【００３８】
本実施形態の制御部２２は、燃料電池１の起動時期に図６（Ａ）の水分分布を実現すべく、三種類の制御を実施する。第一の制御は、通常よりも湿潤な状態にしておくことで、水分残存量を確保する制御である。この制御は、おもに燃料電池１の停止時に実施されるが、燃料電池１の起動時期に実施することも可能である。第一の制御は、冷却能力調整部２３で実施される。第二の制御は、燃料電池１に供給される気体（燃料ガスや空気）の流量を変更することによって、水分残存量を確保する制御である。この制御は、燃料電池１の起動時期にガス流量調整部２４で実施される。第三の制御は、燃料電池１に供給される気体（燃料ガスや空気）の湿度を変更することによって、水分残存量を確保する制御である。この制御は、燃料電池１の起動時期に湿度調整部２５で実施される。
【００３９】
冷却能力調整部２３は、燃料電池１の冷却能力を調整するものである。ここでは、推定水分量Wに基づく冷却能力調整と、セル温度Tに基づく冷却能力調整とが実施される。
前者の冷却能力調整では、推定水分量Wが少ないほど燃料電池１の冷却能力が強められ、推定水分量Wが多いほど冷却能力が弱められる。冷却能力を強化するための手段としては、冷却水ポンプ４８の圧送量を増加させる（作動速度を加速する）ことやラジエーターファン５１を加速すること、開閉グリル５２の開口面積を広げること、ラジエーター５０を迂回する流量を減少させることなどが挙げられる。燃料電池１の冷却能力を強めることで、燃料極２や空気極３自体の温度（スタック温度やセル温度T）が低下し、電極表面が通常よりも湿潤な状態になる。これにより、次回の起動時期における水分残存量が確保され、図６（Ａ）の水分分布が実現する。
【００４０】
後者の冷却能力調整では、セル温度Tが高いほど燃料電池１の冷却能力が強められ、セル温度Tが低いほど冷却能力が弱められる。冷却能力を強化するための手段については、推定水分量Wに基づく冷却能力調整と同様である。セル温度Tが高いほど燃料電池１の冷却能力を強めることで、燃料極２や空気極３自体の温度（スタック温度やセル温度T）が低下し、電極表面が通常よりも湿潤な状態になる。これにより、次回の起動時期における水分残存量が確保され、図６（Ａ）の水分分布が実現する。
【００４１】
ガス流量調整部２４は、推定水分量Wに基づいて燃料電池１のガス流量を調整するものである。ここでは、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体の流量が調整される。例えばPEFCでは、空気極３に供給される空気の流量が調整される。空気の流量の変更するには、空気ブロアー４７の回転速度を調節すればよい。本実施形態のガス流量調整部２４は、推定水分量Wが少ないほどガス流量を減量し、推定水分量Wが多いほどガス流量を増量する。このような制御により、水分残存量が多い場合にはその水分が飛散，拡散して減少しやすくなる。反対に、水分残存量が少ない場合には水分の飛散，拡散が抑制され、水分が増加しやすくなる。
【００４２】
湿度調整部２５は、推定水分量Wに基づいて燃料電池１のガス湿度を調整するものである。ここでは、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体の湿度が調整される。他方の電極に供給される気体の湿度に関しては、制御対象から除外してもよい。例えばPEFCでは、少なくとも空気極３に供給される空気の湿度が調整される。
本実施形態の湿度調整部２５は、推定水分量Wに基づいてガス湿度をフィードバック制御する機能を持つ。すなわち、湿度調整部２５は、推定部２１で推定された推定水分量Wを「計測値」として、その計測値を所定の「目標値」に漸近させるフィードバック制御を実施する。
【００４３】
以下、定常運転中の目標値を「定常時目標水分量W0」と呼び、起動時の目標値を「起動時目標水分量W1」と呼ぶ。起動時目標水分量W1は、少なくとも定常時目標水分量W0よりも大きな値に設定される（W1>W0）。定常時目標水分量W0，起動時目標水分量W1の具体的な値は、あらかじめ設定された固定値としてもよいし、燃料電池１の作動状態（環境温度，環境湿度，発電出力など）に応じて設定される可変値としてもよい。例えば、環境湿度が高く、炭素担体３１の表面における推定水分量Wが増加しやすいと考えられる場合には、目標水分量W0，W1をやや低めに設定してもよい。
【００４４】
湿度調整部２５は、推定部２１で推定された推定水分量W（計測値）から目標値を減じた値が大きいほど、加湿器１３，１４から噴射される水分を減少させて気体の湿度を低下させる。一方、推定部２１で推定された推定水分量Wから目標値を減じた値が小さいほど、加湿器１３，１４から噴射される水分を増加させて気体の湿度を上昇させる。このような制御により、推定部２１で推定された推定水分量Wが目標値に漸近する。
【００４５】
［３．フローチャート］
［３−１．FC停止時］
図７は、燃料電池１の停止時における制御例を示すフローチャートである。本フローは、燃料電池１の作動中に所定の周期で繰り返し実施されるが、発電に関する制御については記載を省略している。ステップＡ１では、FC停止条件（燃料電池１の停止条件）が成立するか否かが判定される。FC停止条件の具体例としては、バッテリー４３の充電率が所定値に達したことや、燃料タンク４５に残留している燃料量が所定値以下まで減少したことなどが挙げられる。FC停止条件が成立しない場合には、FC停止条件が成立するまで条件判定が繰り返される。
【００４６】
一方、FC停止条件が成立すると、環境温度，環境湿度，発電出力（要求出力）などの各種情報が制御装置２０で取得される（ステップＡ２）。また、抵抗センサー１５で検出されたセル抵抗値Rの情報は、推定部２１に伝達される（ステップＡ３）。推定部２１は、セル抵抗値Rに基づいて推定水分量Wを算出する（ステップＡ４）。推定水分量Wは、例えば図５に示すようなセル抵抗値Rと推定水分量Wとの関係に基づいて推定される。
【００４７】
続いて制御部２２において、推定水分量Wが第一所定値W1以上であるか否かが判定される（ステップＡ５）。第一所定値W1は、図６（Ａ）に示すような起動時期の水分分布を実現しうる水分量の上限値である。ここで、W1≦Wである場合には、水分量がやや過剰であることになるため、冷却能力調整部２３が燃料電池１の冷却能力を弱める制御を実施する（ステップＡ７）。例えば、冷却水ポンプ４８の圧送量が削減され、またはラジエーターファン５１が減速される。あるいは、開閉グリル５２の開口面積が狭められ、またはラジエーター５０を迂回する冷却水の流量が増加するように、流路切替バルブ４９が制御される。また、続くステップＡ８では、燃料電池１に供給されていた気体（燃料ガス，空気）を外部に排出するためのパージ操作が実行されて、ステップＡ１２に進む。このように、燃料電池１の冷却能力を弱めつつパージ操作を実行することで、燃料電池１のスタック温度やセル温度Tが上昇し、電極表面の過剰な水分が除去される。
【００４８】
一方、ステップＡ５でW1＞Wである場合にはステップＡ６に進み、推定水分量Wが第二所定値W2未満であるか否かが判定される。第二所定値W2は、図５中に示す通り、第一所定値W1よりも小さい値を持ち、図６（Ａ）に示すような起動時期の水分分布を実現しうる水分量の下限値である。ここで、W＜W2である場合には、水分量がやや不足していることになるため、冷却能力調整部２３が燃料電池１の冷却能力を強める制御を実施する（ステップＡ９）。また、この場合のパージ操作は、燃料電池１が完全に停止するまでの間に電極表面をより湿潤な状態にすべく一時的に停止されて（ステップＡ１０）、ステップＡ１２に進む。このように、燃料電池１の冷却能力を強めつつ一時的にパージ操作を停止させることで、燃料電池１のスタック温度やセル温度Tが低下し、電極表面の水分量が増加する。
【００４９】
ステップＡ６でW≧W2である場合（すなわち、W2≦W＜W1である場合）には、水分量が適性な範囲内にあることから、冷却能力調整部２３が通常の冷却能力で燃料電池１を冷却する制御を実施するとともに（ステップＡ１１）、パージ操作を実行する（ステップＡ８）。このような制御により、電極表面の水分分布が適切な状態に維持された状態で、ガスパージが進行する。また、ステップＡ１２では、制御部２２において、パージ完了条件が成立したか否かが判定される。パージ完了条件の具体例としては、FC停止条件が成立してからの経過時間が所定時間に達したことや、燃料電池１のセル電圧が所定値以下まで低下したことなどが挙げられる。パージ完了条件が不成立の場合にはステップＡ２に進み、引き続きパージ操作や冷却能力の調整が継続される。また、パージ完了条件が成立すると、燃料電池１の動作が停止する（ステップＡ１３）。
【００５０】
［３−２．FC起動時］
図９は、燃料電池１の起動時における制御例を示すフローチャートである。本フローは、燃料電池１の作動状態に関わらず、所定の周期で繰り返し実施される。ステップＢ１では、FC起動条件（燃料電池１の起動条件）が成立するか否かが判定される。FC起動条件の具体例としては、バッテリー４３の充電率が所定値未満になったことや、他の電子制御装置（例えばエンジンECUやモーターECUなど）やドライバーからの起動要求が伝達されたことなどが挙げられる。FC起動条件が成立しない場合には、FC起動条件が成立するまで条件判定が繰り返される。
【００５１】
一方、FC起動条件が成立すると、安定始動条件が成立したか否かが判定される（ステップＢ２）。安定始動条件とは、前述の通り、起動時期と定常運転中とを区別するための条件である。安定始動条件が成立する場合には、通常のガス流量が設定されて（ステップＢ１０）、燃料電池１の定常運転が実施される。一方、安定始動条件が成立しない場合（すなわち起動時期である場合）には、ガス流量を調整する制御を実施するためのフローに進む。
【００５２】
まず、環境温度，環境湿度，発電出力（要求出力）などの各種情報が制御装置２０で取得される（ステップＢ３）。また、抵抗センサー１５で検出されたセル抵抗値Rの情報が、推定部２１に伝達される（ステップＢ４）。推定部２１は、セル抵抗値Rに基づいて推定水分量Wを算出する（ステップＢ５）。ここでは、例えば図５に示すようなセル抵抗値Rと推定水分量Wとの関係に基づいて、推定水分量Wが推定される。
【００５３】
続いて制御部２２において、推定水分量Wが第一所定値W1以上であるか否かが判定される（ステップＢ６）。ここで、W1≦Wである場合には水分量がやや過剰であることになるため、ガス流量調整部２４がガス流量を増量する制御を実施する（ステップＢ７）。例えば、燃料バルブ４６が開放方向に制御され（制御対象が燃料極２である場合）、あるいは空気ブロアー４７の回転速度が増速される（制御対象が空気極３である場合）。これにより、電極表面の水分がガス中に拡散しやすくなり、電極表面の過剰な水分が除去される。
【００５４】
一方、ステップＢ６でW1＞Wである場合にはステップＢ８に進み、推定水分量Wが第二所定値W2未満であるか否かが判定される（ただしW2＜W1）。ここで、W＜W2である場合には、水分量がやや不足していることになるため、ガス流量調整部２４がガス流量を減量する制御を実施する（ステップＢ９）。例えば、燃料バルブ４６が閉鎖方向に制御され（制御対象が燃料極２である場合）、あるいは空気ブロアー４７の回転速度が減速される（制御対象が空気極３である場合）。これにより、電極表面の水分がガス中に拡散しにくくなり、電極表面の水分量が増加する。
【００５５】
また、ステップＢ８でW≧W2である場合（すなわち、W2≦W＜W1である場合）には、水分量が適性な範囲内にあることから、ガス流量調整部２４がガス流量を通常のガス流量に制御する（ステップＢ１０）。このような制御により、電極表面の水分分布が適切な状態に維持された状態となる。なお、ステップＢ２で安定始動条件が成立した場合にも、ステップＢ１０が実行される。したがって、ガス流量が調整されるのは起動時期内のみであり、定常運転中には通常のガス流量となる。
【００５６】
図１０は、燃料電池１の起動時における別の制御例を示すフローチャートである。本フローは、燃料電池１の作動状態に関わらず、所定の周期で繰り返し実施される。まず、FC起動条件（燃料電池１の起動条件）が成立するか否かが判定され（ステップＣ１）、FC起動条件が成立すると、環境温度，環境湿度，発電出力（要求出力）などの各種情報が制御装置２０で取得され（ステップＣ２）、発電開始からの経過時間が計測される（ステップＣ３）。この経過時間の情報は、燃料電池１の起動時期と定常運転中とを区別するために用いられる。
【００５７】
推定部２１では、少なくとも水が生成される一方の電極に関して、炭素担体３１の表面に存在する水分量が推定水分量Wとして算出が推定される（ステップＣ４）。ここでは、抵抗センサー１５で検出されたセル抵抗値Rに基づき、推定水分量Wが推定される。その後、安定始動条件が成立するか否かが判定される（ステップＣ５）。例えば、発電開始からの経過時間が所定時間以上になったときには、安定始動条件が成立するものと判断されて、定常時目標水分量W0が設定される（ステップＣ６）。一方、安定始動条件が不成立の場合には、起動時目標水分量W1が設定される（ステップＣ７）。起動時目標水分量W1は、定常時目標水分量W0よりも大きな値とされる。
【００５８】
その後、制御部２２から湿度調整部２５へと制御信号が出力され、ガス湿度が調整されるとともに、水分量Wのフィードバック制御が実施される（ステップＣ８，Ｃ９）。すなわち、燃料電池１の起動期間においては、推定水分量Wが起動時目標水分量W1に漸近する（望ましくは最終的に一致する）ように、加湿器１３，１４の作動状態が制御される。また、起動期間が過ぎた定常運転中には、推定水分量Wが定常時目標水分量W0に漸近する（望ましくは最終的に一致する）ように、加湿器１３，１４の作動状態が制御される。したがって、燃料電池１の起動期間における電極は、定常運転中よりも湿潤な状態となる。
【００５９】
［４．効果］
（１）上記の燃料電池システムでは、燃料電池１の起動時期における水分量を定常運転中よりも増大させる制御が実施される。これにより、例えばPEFCでは、燃料電池１の起動時期に触媒部３２と接触する酸素イオンO2-を減少させることができ、起動直後の電圧オーバーシュートを抑制することができる。同様に、AFCの場合は、燃料電池１の起動時期に触媒部３２と接触する水酸化物イオンOH-を減少させることができる。このように、燃料電池１の種類に関わらず、少なくとも水が生成される一方の電極に対して上記の制御を実施することで、燃料電池１の制御性を高めることができる。また、発電電圧の急変が抑えられることから、電極の触媒部３２の劣化進行を防止することができ、燃料電池１の品質を向上させることができる。
【００６０】
（２）上記の燃料電池システムでは、図６（Ａ）に示すように、起動時期に触媒部３２の触媒金属が水に被覆されるように水分量が制御される。このような制御により、触媒部３２の周囲における酸素イオン濃度をより確実に低下させることができ、電圧オーバーシュートの抑制効果を高めることができる。また、定常運転中には、図６（Ｂ）に示すように、触媒金属が露出するように水分量が制御される。このような制御により、触媒部３２の周囲における酸素イオン濃度をより確実に上昇させることができ、発電効率を高めることができる。
【００６１】
（３）上記の制御装置２０には、炭素担体３１の表面に存在する推定水分量Wを、電極の電気抵抗値に基づいて算出する推定部２１が設けられる。これにより、推定水分量Wの推定精度を向上させることができ、電極表面の水分分布の状態（炭素担体３１の表面の湿潤状態）を精度よく把握することができる。したがって、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができ、燃料電池１の制御性をさらに向上させることができる。
【００６２】
上記の制御装置２０では、図５に示すように、電極２，３間のセル抵抗値Rに基づいて推定水分量Wが算出される。このように、セル抵抗値Rを用いることで、炭素担体３１の表面に付着している水分量を精度良く算出することができる。なお、炭素担体３１の表面が親水性であることから、ここで算出される水分は炭素担体３１の「表面」に存在する可能性が高い。つまり推定水分量Wは、触媒金属の露出度と強い相関を持つ。したがって、推定水分量Wに基づく制御を実施することで、触媒部３２における触媒反応性の強さを制御することができる。
【００６３】
（４）制御装置２０の制御部２２には、推定水分量Wに基づいて燃料電池１の冷却能力を調整する冷却能力調整部２３が設けられる。冷却能力調整部２３では、推定水分量Wが少ないほど、燃料電池１の冷却能力を強める制御が実施される。このような制御により、燃料電池１が停止する直前における電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることが容易となる。したがって、次回の起動時期における水分残存量を確保することができ、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。
【００６４】
（５）制御部２２には、推定水分量Wに基づいて燃料電池１のガス流量を調整するガス流量調整部２４が設けられる。ガス流量調整部２４は、推定水分量Wが少ないほど、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体のガス流量を減量する制御が実施される。このような制御により、燃料電池１の起動直後における電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることが容易となる。したがって、起動時期における水分残存量を確保することができ、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。
【００６５】
（６）制御部２２には、推定水分量Wに基づいて燃料電池１のガス湿度を調整する湿度調整部２５が設けられる。湿度調整部２５は、推定水分量Wに基づき、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体のガス湿度をフィードバック制御する。このような制御により、燃料電池１の起動直後における電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることが容易となり、起動時期における水分残存量を確保することができる。したがって、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。
【００６６】
（７）上記の冷却能力調整部２３は、セル温度Tに基づく冷却能力調整を実施しうる。この冷却能力調整においては、セル温度Tが高いほど燃料電池１の冷却能力が強められ、セル温度Tが低いほど冷却能力が弱められる。このような制御により、推定水分量Wを算出することなく、電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることができ、起動時期における水分残存量を確保することができる。したがって、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。
【００６７】
（８）上記の制御装置２０では、燃料電池１が発電を開始してから所定時間が経過するまでの間は電極２，３の表面が通常よりも湿潤な状態となるように制御される。このように、所定時間が経過するまでの間は水分量を多めにすることで、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。一方、所定時間が経過した後には水分量が少なめに制御されるため、発電効率をより確実に向上させることができる。
【００６８】
（９）上記の燃料電池１では、電極２，３のうち、少なくとも水が生成される一方の電極の表面に、体積比が１０％以上のアイオノマー部３３が設けられる。これにより、炭素担体３１の結着性を向上させることができる。また、アイオノマー部３３の体積比を６０％未満とすることで、炭素担体３１の表面に付着する水が触媒表面を被覆する状態と触媒部３２が露出する状態との二状態を生成しやすくすることができる。これにより、前者の状態では、触媒部３２の表面を水で覆うことで電圧オーバーシュートを防止することができ、後者の状態では発電効率を高めることができる。
【００６９】
［５．変形例］
上述の実施形態では、内燃機関を備えた車両に搭載される燃料電池システムを例示したが、燃料電池システムの適用対象はこのような車両に限定されることはなく、例えば電気自動車に適用することも可能である。また、家庭用電気製品，鉄道，船舶，航空機，工場，非常用電源設備などにも適用してもよい。適用対象の種類にかかわらず、燃料電池１の発電状態を安定させつつ起動直後の電圧オーバーシュートを抑制することができる。
【００７０】
上述の実施形態では、安定始動条件が「燃料電池１が起動してから所定時間が経過すること」である場合の制御を例示したが、別の条件を用いることも可能である。例えば、「燃料電池１の発電量が所定量以上になること」，「燃料ガスの供給量が所定量以上になること」，「所定の出力で発電させた状態でセル電圧が所定値以下になること」などを安定始動条件とし、これらの条件が成立するまでは水分量を増大させることが考えられる。少なくとも、起動直後における炭素担体３１の表面の湿潤状態を高くすることで（つまり、起動時の水分量を定常時よりも多めに制御することで）、上述の実施形態と同様の作用，効果を獲得することができる。
【００７１】
上述の実施形態では、炭素担体３１（カーボンブラック）の電極２，３を例示したが、担体の組成はこれに限定されることはなく、金属担体やセラミックス担体としてもよい。少なくとも、担体に触媒部３２，アイオノマー部３３，親水部３４を設けることで、上述の実施形態と同様の作用，効果を奏するものとなる。
【符号の説明】
【００７２】
１  燃料電池
２  燃料極
３  空気極
４  電解質部
１１  燃料通路
１２  空気通路
１３  燃料加湿器
１４  空気加湿器
１５  抵抗センサー
１６  温度センサー
１７  冷却水通路
２０  制御装置
２１  推定部
２２  制御部
２３  冷却能力調整部
２４  ガス流量調整部
２５  湿度調整部
３１  炭素担体（担体）
３２  触媒部
３３  アイオノマー部
３４  親水部
３５  水
【図１】
2019083178.tif 000003
【図２】
2019083178.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019083178.tif 000008
【図７】
2019083178.tif 000009
【図８】
2019083178.tif 000010
【図９】
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