(57)【要約】【課題】燃料電池の性能低下を検知し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】メディエーターに、ポリオキソメタレートを用い、循環流路を有する循環機構と、酸化剤供給機構と、酸化剤極循環液中に含まれるメディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、酸化剤極における酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、性能回復機構の性能回復モードを実行させる検知機構を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持される電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、前記酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムであって、
前記メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレートであり、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、
前記メディエーターを含有する酸化剤極循環液を前記酸化剤極へ供給し、前記酸化剤極から排出された前記酸化剤極循環液を、再び前記酸化剤極へ戻す循環流路を有する循環機構と、
前記メディエーターを酸化させる酸化剤を前記酸化剤極循環液に供給する酸化剤供給機構と、
前記循環流路上に設けられ、前記酸化剤極循環液中に含まれる前記メディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、
前記循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、前記酸化剤極における前記酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、前記性能回復機構の性能回復モードを実行させる検知機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化促進モードは、前記循環機構における前記酸化剤極循環液の循環速度の調整、及び、前記酸化剤供給機構における前記酸化剤の供給量の調整の少なくとも一方の調整を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水分量調整モードは、前記酸化剤極循環液に水を供給する水供給機構、及び、前記酸化剤極循環液中に含まれる水を除去する水除去機構を用いて前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検知機構は、前記酸化剤極循環液の光線透過率を測定する光線透過率測定機構、及び、前記酸化剤極循環液の吸光度を測定する吸光度測定機構の少なくとも一方の測定機構を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記検知機構は、前記酸化剤極循環液のｐＨを測定するｐＨ測定機構を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記検知機構は、前記性能回復機構において前記酸化促進モード及び前記水分量調整モードの少なくとも一方の性能回復モードの実行中に、前記検知機構において前記酸化剤極循環液の特性値が許容範囲内であることを検知した場合に、前記性能回復機構の前記性能回復モードを停止させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持される電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、前記酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムの制御方法であって、
前記メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレートであり、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、
前記膜電極接合体と、
前記メディエーターを含有する酸化剤極循環液を前記酸化剤極へ供給し、前記酸化剤極から排出された前記酸化剤極循環液を、再び前記酸化剤極へ戻す循環流路を有する循環機構と、
前記メディエーターを酸化させる酸化剤を前記酸化剤極循環液に供給する酸化剤供給機構と、
前記循環流路上に設けられ、前記酸化剤極循環液中に含まれる前記メディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、
前記循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、前記酸化剤極における前記酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを検知する検知機構と、を備える燃料電池システムを準備し、
前記検知機構において得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、前記性能回復機構の性能回復モードを実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。そのため、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。
【０００３】
近年、燃料電池の中でも、メディエーターを用いて間接的に燃料の酸化反応及び酸素の還元反応の少なくとも一方の反応を行うレドックス型燃料電池が注目されている。例えば、特許文献１には、メディエーターとしてポリオキソメタレートを用いたレドックス型燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第１０／１２８３３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレドックス型燃料電池は、メディエーターの再生が不十分であると燃料電池の性能が低下していくが、その性能低下を容易に検知し回復させることができないという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、燃料電池の性能低下を検知し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持される電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、前記酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムであって、
前記メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレートであり、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、
前記メディエーターを含有する酸化剤極循環液を前記酸化剤極へ供給し、前記酸化剤極から排出された前記酸化剤極循環液を、再び前記酸化剤極へ戻す循環流路を有する循環機構と、
前記メディエーターを酸化させる酸化剤を前記酸化剤極循環液に供給する酸化剤供給機構と、
前記循環流路上に設けられ、前記酸化剤極循環液中に含まれる前記メディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、
前記循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、前記酸化剤極における前記酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、前記性能回復機構の性能回復モードを実行させる検知機構を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記酸化促進モードは、前記循環機構における前記酸化剤極循環液の循環速度の調整、及び、前記酸化剤供給機構における前記酸化剤の供給量の調整の少なくとも一方の調整を行うことが好ましい。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記水分量調整モードは、前記酸化剤極循環液に水を供給する水供給機構、及び、前記酸化剤極循環液中に含まれる水を除去する水除去機構を用いて前記酸化剤極循環液中の水分量を調整することが好ましい。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記検知機構は、前記酸化剤極循環液の光線透過率を測定する光線透過率測定機構、及び、前記酸化剤極循環液の吸光度を測定する吸光度測定機構の少なくとも一方の測定機構を含むことが好ましい。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記検知機構は、前記酸化剤極循環液のｐＨを測定するｐＨ測定機構を含むことが好ましい。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記検知機構は、前記性能回復機構において前記酸化促進モード及び前記水分量調整モードの少なくとも一方の性能回復モードの実行中に、前記検知機構において前記酸化剤極循環液の特性値が許容範囲内であることを検知した場合に、前記性能回復機構の前記性能回復モードを停止させることが好ましい。
【０００８】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持される電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、前記酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムの制御方法であって、
前記メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレートであり、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、
前記膜電極接合体と、
前記メディエーターを含有する酸化剤極循環液を前記酸化剤極へ供給し、前記酸化剤極から排出された前記酸化剤極循環液を、再び前記酸化剤極へ戻す循環流路を有する循環機構と、
前記メディエーターを酸化させる酸化剤を前記酸化剤極循環液に供給する酸化剤供給機構と、
前記循環流路上に設けられ、前記酸化剤極循環液中に含まれる前記メディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、
前記循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、前記酸化剤極における前記酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを検知する検知機構と、を備える燃料電池システムを準備し、
前記検知機構において得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、前記性能回復機構の性能回復モードを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の性能低下を検知し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図３】制御の概要を示す図である。
【図４】制御の概要を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池システムの制御方法の一例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】
【００１１】
１．燃料電池システム
本発明の燃料電池システムは、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持される電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、前記酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムであって、
前記メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレートであり、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、
前記メディエーターを含有する酸化剤極循環液を前記酸化剤極へ供給し、前記酸化剤極から排出された前記酸化剤極循環液を、再び前記酸化剤極へ戻す循環流路を有する循環機構と、
前記メディエーターを酸化させる酸化剤を前記酸化剤極循環液に供給する酸化剤供給機構と、
前記循環流路上に設けられ、前記酸化剤極循環液中に含まれる前記メディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、
前記循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、前記酸化剤極における前記酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、前記性能回復機構の性能回復モードを実行させる検知機構を備えることを特徴とする。
【００１２】
酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムにおいて、メディエーターとして用いられるポリオキソメタレート（ＰＯＭ）は、酸化剤極において還元され、酸化剤供給機構による酸化剤の供給により酸化される。
本発明者らは、燃料電池の性能が低下する原因が、燃料電池の運転の際に酸化剤極において還元されたＰＯＭ還元体（ＰＯＭ−）の再生（酸化）が十分でない場合があること、及び、酸化剤極循環液中の水が燃料電池の運転時の熱により蒸発することや、ＰＯＭ−の酸化により生成する水によって酸化剤極循環液中の水分量が増大することにより、酸化剤極循環液中の水分量が燃料電池の通常運転をするための適正な範囲から外れるためであることを見出した。
また、ＰＯＭ−の再生（酸化）が十分でない場合、未反応のＰＯＭ−の残留により酸化剤極循環液の色が濃くなり、粘度が大きくなることを見出した。
さらに、酸化剤極循環液中の水分量が多い（ＰＯＭの濃度が低下した）場合、酸化剤極循環液の粘度が小さくなること、密度が小さくなること、ｐＨが高くなること、イオン伝導度が小さくなること、抵抗値が大きくなることを見出した。
そして、酸化剤極循環液中の水分量が少ない（ＰＯＭの濃度が上昇した）場合、酸化剤極循環液の粘度が大きくなること、密度が大きくなること、ｐＨが低くなりすぎることを見出した。
上記知見から、性能回復機構出口における酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する特性値を測定することにより、酸化剤極循環液の状態の良否を判断することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明によれば、燃料電池の性能低下を検知し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる。
【００１３】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
図１に示す燃料電池システム１００は、燃料極１、酸化剤極２、燃料極１及び酸化剤極２に挟持される電解質膜３を有する膜電極接合体を基本構造とする燃料電池セル４と、循環流路２１及び循環ポンプ２２を有する循環機構２０と、酸化剤供給機構３２と、性能回復器３１を有する性能回復機構３０と、検知機構４０と、燃料ガス流路５１と、燃料ガス供給部５２と、を備える。図１において、性能回復機構３０は、性能回復モードとして、循環機構２０を用いて酸化剤極循環液の循環速度の調整をする酸化促進モード及び酸化剤供給機構３２を用いて酸化剤の供給量の調整をする酸化促進モードを実行する。
【００１４】
図２は、本発明の燃料電池システムの別の構成の一例を示す図である。図２において、図１と共通するものについては、同様の符号を付し、説明を省略する。
図２に示す燃料電池システム２００において、性能回復機構３０は、性能回復器３１、水供給機構３３及び水除去機構３４を有する。図２において、性能回復機構３０は、性能回復モードとして、循環機構２０を用いて酸化剤極循環液の循環速度の調整をする酸化促進モード、酸化剤供給機構３２を用いて酸化剤の供給量の調整をする酸化促進モード及び水供給機構３３と水除去機構３４とを用いて酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードを実行する。
【００１５】
燃料電池セル４は、当該燃料電池セル４が複数集合してなるセル集合部としてもよい。
セル集合部は、燃料電池セル４を複数積層して構成される燃料電池スタックを含む概念である。
電解質膜３は、プロトン伝導性を有する膜であれば、特に限定されず、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：ＤｕＰｏｎｔ社製）等のパーフルオロスルホン酸ポリマー系電解質膜のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。
酸化剤極２には、グラッシーカーボン、カーボン板、カーボンフェルト等の導電性炭素材料を用いることができる。
燃料極１には、当該燃料極１において直接燃料ガスを酸化させる場合は、従来公知の触媒（例えば白金等）を用いることができる。一方、燃料極１においてもメディエーターを用いて反応を行う場合は、酸化剤極２と同様に上記導電性炭素材料を用いることができる。
【００１６】
循環機構２０は、循環流路２１を有し、酸化促進モードを実行する観点から、必要に応じ循環ポンプ２２等を有する。
循環流路２１は、メディエーターを含有する酸化剤極循環液を酸化剤極２へ供給し、酸化剤極２から排出された酸化剤極循環液を、再び酸化剤極２へ戻す。
循環機構２０は循環ポンプ２２の駆動により酸化剤極循環液の循環速度の調整をする。  酸化剤極循環液は、メディエーターを含有するものであれば特に限定されない。
酸化剤極循環液に用いる溶媒は、特に限定されないが、水が好ましい。
メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレート（ＰＯＭ）であればよい。なお、ＰＯＭについては、特表２０１１−５１０４６６号公報等に開示されている。メディエーターの初期の投入量は、特に限定されないが、例えば、燃料電池セル４が最大の性能（Ｉ−Ｖ性能）を示す量か、又は、それ以上の量を入れることが好ましい。
酸化剤供給機構３２は、性能回復器３１に酸化剤を供給し、メディエーターを酸化させる。不要になった酸化剤を含むガスは、性能回復器３１から大気中に排出される。
酸化剤供給機構３２は、メディエーターを酸化させる酸化剤を酸化剤極循環液に供給することができるものであれば特に限定されず、エアコンプレッサー等が挙げられる。
酸化剤は、酸素ガス、空気等が挙げられる。
【００１７】
性能回復機構３０は、循環流路２１上に設けられ、通常、性能回復器３１を有し、必要に応じ、水供給機構３３、水除去機構３４を有する。
性能回復機構３０は、酸化剤極循環液中に含まれるメディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できるものであれば特に限定されず、両方の性能回復モードを実行できるものであることが好ましい。
酸化促進モードによる酸化剤極循環液中に含まれるメディエーターの酸化反応を促進させる方法は、特に限定されないが、循環機構２０による酸化剤極循環液の循環速度の調整及び酸化剤供給機構３２による酸化剤の供給量の調整の少なくとも一方の調整を行うことが好ましく、酸化剤供給機構３２による酸化剤の供給量の調整を優先的に行うことがより好ましい。
水分量調整モードによる酸化剤極循環液中の水分量の調整方法は、特に限定されないが、水供給機構３３及び水除去機構３４を用いる方法が好ましい。
水供給機構３３は、性能回復器３１に水を供給し、水除去機構３４は、循環流路２１を流れる酸化剤極循環液中の過剰量の水分を排出する。
水供給機構３３は、酸化剤極循環液に水を供給することができるものであれば特に限定されず、例えば、貯水タンク及びウォーターポンプ等が挙げられる。
酸化剤極循環液に水を供給する方法は、特に限定されないが、例えば、ウォーターポンプを用いて貯水タンクから水を供給する方法、水除去機構３４により除去された水を貯水タンクに貯蔵し、ウォーターポンプを用いて水を再供給する方法等が挙げられる。
水除去機構３４は、酸化剤極循環液中に含まれる水を除去することができるものであれば特に限定されず、例えば逆浸透膜、ヒーター等が挙げられる。
逆浸透膜は、水を透過させる一方でＰＯＭを透過させない性質を有するものであれば特に限定されず、電解質膜３と同様の材料を用いることができる。
ヒーターは、酸化剤極循環液を加熱して酸化剤極循環液中の水分を蒸発させることができるものであれば特に限定されない。
【００１８】
性能回復モードにおける要求循環速度、要求酸化剤供給量及び要求水分量の算出方法は、特に限定されないが、予め実験等で、特性値と要求循環速度、要求酸化剤供給量、要求水分量との関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群と測定された特性値とを照合することによって算出することが好ましい。
図３は、制御の概要を示すため、要求循環速度と特性値との関係が直線で規定された場合の一例を示す図である。図３に示すように循環速度を低下させるとメディエーターの酸化反応を促進させることができる。また、要求循環速度と特性値との関係を示す検量線と、測定した特性値とを照合することにより、要求循環速度を容易に算出することができる。
図４は、制御の概要を示すため、要求酸化剤供給量と特性値との関係が直線で規定された場合の一例を示す図である。図４に示すように酸化剤供給量を増加させるとメディエーターの酸化反応を促進させることができる。また、要求酸化剤供給量と特性値との関係を示す検量線と、測定した特性値とを照合することにより、要求酸化剤供給量を容易に算出することができる。なお、実際の関係は実験等によって決定されるのが好ましく、図３及び図４の例に限定されない。
【００１９】
検知機構４０は、少なくとも循環流路２１上の性能回復機構３０下流側且つ酸化剤極２上流側に設けられていればよい。
検知機構４０は、酸化剤極２における酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、性能回復機構３０の性能回復モードを実行させる。
検知機構４０は、性能回復機構３０において酸化促進モード及び水分量調整モードの少なくとも一方の性能回復モードの実行中に、検知機構４０において酸化剤極循環液の測定値が許容範囲内であることを検知した場合に、性能回復機構３０の性能回復モードを停止させることが好ましい。
酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値としては、酸化剤極循環液の吸光度、光線透過率、粘度、密度等が挙げられ、化学的特性値としては、酸化剤極循環液の水素イオン指数（ｐＨ）等が挙げられ、電気的特性値としては、酸化剤極循環液の抵抗値、イオン伝導度等が挙げられる。
特性値の所定値によって定められた許容範囲は、燃料電池システムの規模、性能等により適宜設定することができる。
酸化促進モードを実行するための特性値の所定値は、少なくとも１つの値が設定されていればよい。
一方、水分量調整モードを実行するための特性値の所定値は、酸化剤極循環液中の水分量が過剰であるか否かを検知するための所定値と、酸化剤極循環液中の水分量が不足しているか否かを検知するための所定値の２つの値が設定されていればよい。
また、水分量調整モードを実行するための特性値の所定値は、特性値の値そのものであってもよいし、特性値から算出される水分量の値であってもよい。
例えば、水分量調整モードを実行するための特性値の所定値として、特性値から算出される水分量の値を選択する場合は、水分量の許容範囲の上限値を超えるときは水を除去し、水分量の許容範囲の下限値に満たないときは水を供給するように設定することができる。
特性値から水分量を算出する方法は、特に限定されず、予め実験等で、特性値に対応する水分量を測定したデータ群を用意し、そのデータ群と測定された特性値とを照合することにより水分量を算出する方法等が挙げられる。
なお、酸化促進モードを実行するために選択される特性値と、水分量調整モードを実行するために選択される特性値は、同じであっても異なっていてもよく、特性値が同じである場合の酸化促進モードを実行するための所定値と、水分量調整モードを実行するための所定値とは、同じ値であっても異なる値であってもよい。
【００２０】
検知機構４０は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。
検知機構４０は、酸化剤極循環液の光線透過率を測定する光線透過率測定機構、及び、酸化剤極循環液の吸光度を測定する吸光度測定機構の少なくとも一方の測定機構を含むことが好ましい。光線透過率測定機構は、酸化剤極循環液の光線透過率を測定することができるものであれば特に限定されず、光線透過率測定計等が挙げられる。吸光度測定機構は、酸化剤極循環液の吸光度を測定することができるものであれば特に限定されず、吸光度測定計等が挙げられる。
また、検知機構４０は、酸化剤極循環液のｐＨを測定するｐＨ測定機構を含むことが好ましい。ｐＨ測定機構としては、酸化剤極循環液のｐＨを測定することができるものであれば特に限定されず、ｐＨメーター等が挙げられる。
さらに、検知機構４０は、酸化剤極循環液の粘度を測定する粘度測定機構、密度を測定する密度測定機構、イオン伝導度を測定するイオン伝導度測定機構、抵抗を測定する抵抗測定機構からなる群より選ばれる少なくとも１種の測定機構を含むことが好ましい。粘度測定機構としては、酸化剤極循環液の粘度を測定することができるものであれば特に限定されず、粘度計等が挙げられる。密度測定機構、イオン伝導度測定機構、及び、抵抗測定機構としては、それぞれ、酸化剤極循環液の密度、イオン伝導度、抵抗を測定することができるものであれば特に限定されず、従来公知のものを採用することができる。
【００２１】
燃料ガス供給部５２は、燃料ガス流路５１を介して燃料電池セル４に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給部５２としては、例えば、液体水素タンク、圧縮水素タンク等を用いることができる。
【００２２】
２．燃料電池システムの制御方法
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に挟持される電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、前記酸化剤極においてメディエーターを用いて反応を行うレドックス型燃料電池システムの制御方法であって、
前記メディエーターは、ケイ素、バナジウム、モリブデン及びタングステンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含むポリオキソメタレートであり、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、
前記膜電極接合体と、
前記メディエーターを含有する酸化剤極循環液を前記酸化剤極へ供給し、前記酸化剤極から排出された前記酸化剤極循環液を、再び前記酸化剤極へ戻す循環流路を有する循環機構と、
前記メディエーターを酸化させる酸化剤を前記酸化剤極循環液に供給する酸化剤供給機構と、
前記循環流路上に設けられ、前記酸化剤極循環液中に含まれる前記メディエーターの酸化反応を促進させる酸化促進モード、及び、前記酸化剤極循環液中の水分量を調整する水分量調整モードよりなる群から選ばれる少なくとも一つの性能回復モードを実行できる性能回復機構と、
前記循環流路上の性能回復機構下流側且つ酸化剤極上流側に設けられ、前記酸化剤極における前記酸化剤極循環液の反応性の程度と相関する物理的特性値、化学的特性値、及び電気的特性値からなる群より選ばれた特性値を、当該酸化剤極循環液について測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを検知する検知機構と、を備える燃料電池システムを準備し、
前記検知機構において得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であることを検知した場合に、前記性能回復機構の性能回復モードを実行することを特徴とする。
【００２３】
本発明の燃料電池システムの制御方法で準備する燃料電池システムは、上記１．燃料電池システムで説明した燃料電池システムであるため、説明を省略する。
【００２４】
図５は、酸化促進モードを実行する場合の燃料電池システムの制御方法の典型例を示したフローチャートである。
まず、検知機構４０により酸化剤極循環液の反応性と相関する特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、特性値が許容範囲内である場合には、制御を終了する。一方、得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、酸化剤供給機構３２により酸化剤供給量を調整させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、再度性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、酸化剤供給機構３２により酸化剤供給量を調整させる。一方、得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。
なお、燃料電池システムの制御の開始時期は、特に限定されず、燃料電池の要求電流量に対する電圧値をモニターし、電圧値が所定値よりも低いと判断されたときを制御開始の始期として設定してもよい。
また、検知機構４０による２回目以降の特性値の測定を行う場合の開始時期は、特に限定されず、一回目の測定後間断なく連続して測定してもよいし、一定の時間、間隔をあけて測定してもよい。
【００２５】
図６は、酸化促進モードを実行する場合の燃料電池システムの制御方法の別の典型例を示したフローチャートである。
まず、検知機構４０により酸化剤極循環液の反応性と相関する特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、特性値が許容範囲内である場合には、制御を終了する。一方、得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、循環機構２０により循環速度を適正な速度に調整させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、再度性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、循環機構２０により循環速度を適正な速度に調整させる。一方、得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。
【００２６】
図７は、酸化促進モードを実行する場合の燃料電池システムの制御方法の別の典型例を示したフローチャートである。
まず、検知機構４０により酸化剤極循環液の反応性と相関する特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、特性値が許容範囲内である場合には、制御を終了する。一方、得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、酸化剤供給機構３２により酸化剤供給量を調整させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。一方、得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、循環機構２０により循環速度を適正な速度に調整させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、再度性能回復機構３０に酸化促進モードを実行させ、酸化剤供給機構３２により酸化剤供給量を調整させつつ、循環機構２０により循環速度を適正な速度に調整させる。一方、得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。
【００２７】
図８は、水分量調整モードを実行する場合の燃料電池システムの制御方法の典型例を示したフローチャートである。
まず、検知機構４０により酸化剤極循環液の反応性と相関する特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、特性値が許容範囲内である場合には、制御を終了する。一方、得られた特性値が許容範囲外である場合には、得られた特性値から水分量を算出し、当該水分量が、所定値によって定められた（１）許容範囲の上限値を超えるか、（２）下限値未満か検知する。
（１）算出した水分量が許容範囲の上限値を超える場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に水分量調整モードを実行させ、水除去機構３４により酸化剤極循環液中の水を除去させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、得られた特性値が許容範囲外である場合には、再度得られた特性値から水分量を算出する。一方、得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。
（２）算出した水分量が許容範囲の下限値未満である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に水分量調整モードを実行させ、水供給機構３３により酸化剤極循環液に水を供給させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、得られた特性値が許容範囲外である場合には、再度得られた特性値から水分量を算出する。一方、得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。
【００２８】
図９は、酸化促進モード及び水分量調整モードを実行する場合の燃料電池システムの制御方法の典型例を示したフローチャートである。
まず、検知機構４０により酸化剤極循環液の反応性と相関する特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。そして、特性値が許容範囲内である場合には、制御を終了する。一方、得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に酸化促進モード及び水分量調整モードを実行させ、酸化剤供給機構３２により酸化剤供給量を調整させ、かつ、酸化剤極循環液中の水分量を調整（水の供給又は除去）させる。そして、再度酸化剤極循環液の特性値を測定し、得られた特性値が許容範囲外か否か検知する。得られた特性値が許容範囲外である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０に酸化促進モード及び水分量調整モードを実行させ、酸化剤供給機構３２により酸化剤供給量を調整させつつ、水分量を調整（水の供給又は除去）させる。一方、得られた特性値が許容範囲内である場合には、検知機構４０は、性能回復機構３０の性能回復モードを停止し、制御を終了する。
【符号の説明】
【００２９】
１  燃料極
２  酸化剤極
３  電解質膜
４  燃料電池セル
２０  循環機構
２１  循環流路
２２  循環ポンプ
３０  性能回復機構
３１  性能回復器
３２  酸化剤供給機構
３３  水供給機構
３４  水除去機構
４０  検知機構
５１  燃料ガス流路
５２  燃料ガス供給部
１００  燃料電池システム
２００  燃料電池システム
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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