(57)【要約】【課題】電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供する。【解決手段】電解質膜１１の両面に、燃料極１２と酸化剤極１３とを備えた燃料電池１０を有し、燃料極１２に燃料ガス供給系３０から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極１３に酸化剤ガス供給系５０から酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システム１の運転制御方法であって、燃料電池１０の負荷移行を検出し、燃料電池１０の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の燃料電池１０の単位セル電圧が０．８５Ｖ以上で、かつ１０秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行後の単位セル電圧が０．７５Ｖを超えるように負荷移行を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池の負荷移行を検知し、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の前記燃料電池の単位セル電圧が０．８５Ｖ以上で、かつ１０秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行後の単位セル電圧が０．７５Ｖを超えるように負荷移行を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項２】
電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池の負荷移行を検知し、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の前記燃料電池の単位セル電圧が０．８５Ｖ以上で、かつ１０秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行前の単位セル電圧を０．７５Ｖ以上０．８５Ｖ未満に設定し、かつ１０秒未満の定常発電を行った後に、負荷移行を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項３】
電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池の発電あるいは停止のいずれかの高負荷から低負荷への負荷移行時において、負荷移行前の高負荷時の単位セル電圧が０．７５Ｖ未満で、かつ負荷移行後の低負荷時の単位セル電圧が０．８５Ｖ以上の条件となる場合に、少なくとも前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれか一方の供給ガス湿度を所定の条件に設定した後、負荷移行を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
前記所定の条件は、負荷移行後の供給ガス湿度が負荷移行前の供給ガス湿度よりも低くなるように供給ガスの湿度を調整して、該湿度調整したガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項５】
前記負荷移行後の供給ガス湿度をＹ（％Ｒ．Ｈ．）とし、負荷移行前の供給ガス湿度をＸ（％Ｒ．Ｈ．）とした場合に、供給ガス湿度Ｘ，Ｙが１＜Ｘ／Ｙ＜２０の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池の単位セル抵抗値を検出し、該抵抗値が所定の値以上となった場合に、加湿制御を停止することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料極を通過した燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、前記酸化剤極を通過した酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出系と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかにおいて負荷移行を検知する負荷移行検出手段と、前記燃料電池の単位セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記燃料電池の負荷サイクル運転時間を計測する運転時間計測手段と、が備えられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池に、前記燃料ガス供給系または前記酸化剤ガス供給系の少なくともいずれか一方にガス加湿制御手段が配設されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に、該燃料電池の単位セル抵抗値を検出するセル抵抗検出手段が備えられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池と並列に二次電池が備えられ、燃料電池システムの運転制御時に二次電池により電力供給を行うことを特徴とする請求項７から請求項９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、自動車等の移動体用動力源として用いられる固体高分子型の燃料電池システム、および所定の単位セル電圧、所定時間範囲での負荷変動時において、白金溶出を抑えることができる燃料電池システムの運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電極反応による生成物が水であり、地球環境への悪影響が殆どないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型の燃料電池は、他と比較して低温で動作することから、自動車等の移動体用動力源として期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の電極触媒には白金を含む貴金属をカーボンに担持した触媒が用いられているが、燃料電池の起動・停止時および保管時に高電位環境に曝されることで、白金の溶解・溶出が発生し、電池性能が低下する要因となっている。
【０００４】
たとえば特許文献１には、燃料電池の停止時において、セル電圧が０．９Ｖ以上となる時間を１０分以内に制御して、電極触媒層の劣化を抑制する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１７２１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の制御方法を実施しても、白金の溶解・溶出は依然として進行する。すなわち、特許文献１では燃料電池が無負荷になる際の過渡時について何ら考慮されていないため、良好な電池性能を長期間に亘って維持できず、耐久性に劣っている。
【０００６】
また、燃料電池自動車などにおいては、負荷サイクル（負荷変動）を伴う燃料電池の運転が行われている。かかる負荷変動を伴う運転モードでは、酸化剤極の電位が大きく変化するため、条件によっては電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出が発生し、燃料電池の性能が低下する要因となっている。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたものであり、電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池を備えた燃料電池システムおよびその運転制御方法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】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法は、電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、前記燃料電池の負荷移行を検知し、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の前記燃料電池の単位セル電圧が０．８５Ｖ（ｖ．ｓ．ＲＨＥ）以上で、かつ１０秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行後の単位セル電圧が０．７５Ｖを超えるように負荷移行を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように構成された本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法によれば、白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位（０．７５Ｖ）までセル電圧を下げないで酸化白金の還元を抑えることにより、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池を備えた燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。
【００１２】
図１を参照して、本発明に係る燃料電池システム１は、燃料極１２と酸化剤極１３とを備えた燃料電池（燃料電池スタック）１０と、該燃料電池１０の燃料極１２の一方に接続された燃料ガス供給系３０と、上記燃料極１２の他方に接続された燃料ガス排出系４０と、上記燃料電池１０の酸化剤極１３の一方に接続された酸化剤ガス供給系５０と、上記酸化剤極１３の他方に接続された酸化剤ガス排出系６０と、から概ね構成されている。
【００１３】
燃料電池１０は、電解質膜１１を挟んで両面に、電解触媒層として燃料極１２と酸化剤極１３とが積層されている。この燃料電池１０には、該燃料電池１０の負荷移行を検知する負荷移行検出手段２１、前記燃料電池１０の負荷サイクル運転時間を検出する運転時間計測手段２２、前記燃料電池１０の単位セル抵抗値を検出するセル抵抗検出手段２３および前記燃料電池１０の単位セル電圧を検出するセル電圧検出手段２４が備えられている。
【００１４】
また、燃料電池１０の燃料極１２および酸化剤極１３間には、二次電池２５が並列接続されている。要求負荷に対して燃料電池１０の電力が不足した場合には、燃料電池１０に並列に接続した二次電池２５から電力供給を行うことによって、不足する電力分を供給することが可能となる。
【００１５】
燃料ガス供給系３０は、たとえば、燃料ガスとして水素を供給する流路であって、その上流側から順に水素ボンベ３１および該水素ボンベ３１の水素供給量を調節する流量制御弁３２が配設されている。
【００１６】
燃料ガス排出系４０は、上記燃料極１２を通過した排出水素を循環、または外部へ排出する流路であって、その上流側から順にコンプレッサ４１、逆止弁４２および切替え弁４３が配設されている。この燃料ガス排出系４０のコンプレッサ４１と逆止弁４２との間には循環流路４４が分岐接続されており、該循環流路４４は上記燃料ガス供給系３０における流量制御弁３２の下流側に接続されている。この循環流路４４には逆止弁４５が介設され、上記切替え弁４３を閉成してコンプレッサ４１を運転することにより、循環流路４４を介して排出水素を燃料ガス排出系４０から燃料ガス供給系３０へと循環させるようになっている。すなわち、燃料電池１０で発電反応に利用されずに燃料極１２を通過した排出水素は循環流路４４を通り、再び燃料ガス供給路１０へと供給されることになる。排出水素中にたとえば窒素などの水素以外の物質が多く含まれ場合には、燃料ガス排出系４０の上記切替え弁４３を開放することにより、排出水素をシステム外部へと排出する。
【００１７】
酸化剤ガス供給系５０は、たとえば、酸化剤ガスとして空気を供給する流路であって、その上流側から順にコンプレッサ５１、上流側三方弁５２、ガス加湿制御手段としての加湿装置５３および下流側三方弁５４が配設されている。上流側三方弁５２と下流側三方弁５４との間には酸化剤ガスバイパス流路５５が接続されている。コンプレッサ５１を運転することにより外気から導入される空気は、酸化剤ガス供給系５０を介して酸化剤極１３に供給される。酸化剤ガス供給系５０に介設された加湿装置５３は、酸化剤極１３に供給される空気を加湿する。加湿装置５３により供給ガス湿度を所定値に調整することにより、負荷変動時における電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑えることが可能となる。特に、本実施形態のように、酸化剤ガス供給系５０側に供給ガス湿度を調整できる加湿装置５３を介設することが効果的であった。また、三方弁５２、５３を切り替えて空気をバイパス流路５５に導入することにより、加湿装置５３を通過させないで酸化剤極１３に供給することも可能である。
【００１８】
なお、本実施形態では、酸化剤ガス供給系５０に加湿装置５３を介設しているが、これに限るものではなく、燃料ガス供給系３０に介設してもよく、搭載スペースが許容されるならば、酸化剤ガス供給系５０および燃料ガス供給系３０の双方に介設してもよい。
【００１９】
酸化剤ガス排出系６０は、上記酸化剤極１３を通過した排出空気を外部へ排出する流路であって、大気開放されている。すなわち、燃料電池１０で発電反応に使用されなかった排出空気は、酸化剤ガス排出系６０を介してシステム外部へと排出される。
【００２０】
次に、以上の如く構成された燃料電池システム１の運転制御方法について説明する。
【００２１】
燃料電池１０の電気化学反応において、燃料極（アノード極）１２の電極触媒層上で燃料の酸化により生成したプロトンは、電極触媒層内に分散された固体高分子電解質ポリマーを介して電解質膜１１に到達し、さらに該電解質膜１１内を通過して酸化剤極（カソード極）１３側に移行する。その後、同じく酸化剤極１３の電極触媒層に分散された固体高分子電解質ポリマーを通って酸化剤極１３の電極触媒上に達し、酸素ガスおよび外部回路を通ってきた電子と反応して水を生成する。
【００２２】
既述したように、燃料電池１０の運転中、特に負荷変動を伴う運転モードにおいて電極触媒層に含まれる白金（Ｐｔ）が溶出し易い。これは、特に負荷変動時（燃料電池１０の単位セル電圧の変化時）の白金の酸化反応（Ｐｔ→ＰｔＯ）、および酸化白金の還元反応（ＰｔＯ→Ｐｔ）による白金の電子状態変化が白金の溶解・溶出現象の主要因として関わっていると考えられる。特に、０．８５Ｖ以上のセル電圧で１０秒を超える時間だけ一定保持運転を行った場合に、酸化白金（ＰｔＯ）の形成量が多くなり、これが白金（Ｐｔ）に還元される際に電極触媒層に含まれる白金（Ｐｔ）の溶解・溶出が進行し易くなる。
【００２３】
以上の知見に基づいて、本発明に係る燃料電池システム１の第１から第３の運転制御方法を説明する。
【００２４】
上述したように、本実施形態の燃料電池１０は、負荷移行検出手段２１、セル電圧計測手段２４および運転時間計測手段２２を備えている。これらの検出手段を用いて、第１の運転制御方法は、燃料電池１０の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷変動前の単位セル電圧が所定値（０．８５Ｖ）以上で、かつ一定時間（１０秒）を超える運転を検知した場合に、負荷移行後の単位セル電圧を白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位（ＰｔＯ→Ｐｔの還元電位０．７５Ｖ）まで電位を下げないでＰｔＯを還元させないように運転制御を行う。このような運転制御を行うことにより、負荷サイクルに伴う燃料電池１０の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑制することができ、高耐久性を有する燃料電池１０を備えた燃料電池システム１を実現することができる。
〔第１の運転制御方法〕
図２は、第１の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
【００２５】
図１および図２を参照して第１の運転制御方法を説明する。負荷移行検出手段２１は、常に燃料電池１０の負荷状態を検知している。負荷移行したかどうかはセル電圧検出手段２４により検出されていた電圧が変化したか否かによって判断している。この負荷移行検出手段２１が負荷移行を検知すると（ステップ１；以下、「Ｓ１」のように表記する。）、セル電圧検出手段２４により負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）以上であるか否かを検出する（Ｓ２）。
【００２６】
ステップ２において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）未満である場合（Ｖ１＜０．８５Ｖ）(Ｓ２：ＮＯ）には、そのまま負荷移行させて処理を終了する（Ｓ３）。他方、ステップ２において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）以上である場合（Ｖ１≧０．８５Ｖ）（Ｓ２：ＹＥＳ）には、運転時間計測手段２２により単位セル電圧（Ｖ１≧０．８５Ｖ）が所定時間（１０秒）を超えるか否かを検出する（Ｓ４）。
【００２７】
ステップ４において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１≧０．８５Ｖ）が所定時間（１０秒）以下である場合（Ｔ１≦１０ｓｅｃ．）（Ｓ４：ＮＯ）には、そのまま負荷移行して処理を終了する（Ｓ５）。他方、ステップ４（Ｓ４）において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１≧０．８５Ｖ）が所定時間（１０秒）を超える場合（Ｔ１＞１０ｓｅｃ．）(Ｓ４：ＹＥＳ）には、セル電圧検出手段２４により負荷移行後の単位セル電圧（Ｖ２）が所定値（０．７５Ｖ）を超えるか否かを検出する（Ｓ６）。
【００２８】
ステップ６において、負荷移行後の単位セル電圧（Ｖ２）が所定値（０．７５Ｖ）を超える場合（Ｖ２＞０．７５Ｖ）には、そのまま負荷移行して処理を終了する（Ｓ７）。他方、ステップ６において、負荷移行後の単位セル電圧（Ｖ２）が所定値（０．７５Ｖ）以下である場合（Ｖ２≦０．７５Ｖ）には（Ｓ６：ＮＯ）、ステップ６（Ｓ６）へと戻り、負荷移行後の単位セル電圧が酸化白金の還元電位（０．７５Ｖ）を超えるように運転制御を行う。
【００２９】
すなわち、第１の運転制御方法によれば、白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位（０．７５Ｖ）までセル電圧を下げないで、酸化白金の還元を抑えることにより、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池１０を備えた燃料電池システム１を提供することができる。
〔第２の運転制御方法〕
車両からの要求負荷が大きい場合、たとえば、燃料電池１０の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷変動前の単位セル電圧が所定値（０．８５Ｖ）以上で、かつ一定時間（１０秒）を超える運転をした後、負荷移行後に求められる単位セル電圧が白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位（０．７５Ｖ）まで下げるような負荷が求められた場合には、次のような運転制御が効果的である。
【００３０】
すなわち、第２の運転制御方法は、負荷移行直前に０．７５Ｖ以上０．８５Ｖ未満の電位範囲で、かつ１０秒未満の一定保持運転することにより、酸化白金（ＰｔＯ）の形成量を少なくして、白金（Ｐｔ）に還元される量を少なくすることにより、その直後における負荷移行が、負荷サイクルに伴う電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑制する上で効果を奏し、白金の溶解・溶出が進行し易い条件における運転制御方法として有効である。
【００３１】
図３は、第２の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
【００３２】
図１および図３を参照して第２の運転制御方法を説明する。負荷移行検出手段２１は、常に燃料電池１０の負荷状態を検知しており、この負荷移行検出手段２１が負荷移行を検知すると（Ｓ１１）、セル電圧検出手段２４により負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）以上であるか否かを検出する（Ｓ１２）。
【００３３】
ステップ１２において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）未満である場合（Ｖ１＜０．８５Ｖ）（Ｓ１２：ＮＯ）には、そのまま負荷移行して処理を終了する（Ｓ１３）。他方、ステップ１２において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）以上である場合（Ｖ１≧０．８５Ｖ）（Ｓ１２：ＹＥＳ）には、運転時間計測手段２２により単位セル電圧（Ｖ１≧０．８５Ｖ）が所定時間（１０秒）を超えるか否かを検出する（Ｓ１４）。
【００３４】
ステップ１４において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１≧０．８５Ｖ）が所定時間（１０秒）以下である場合（Ｔ１≦１０ｓｅｃ．）には（Ｓ１４：ＮＯ）、そのまま負荷移行して処理を終了する（Ｓ１５）。他方、ステップ１４において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１≧０．８５Ｖ）が所定時間（１０秒）を超える場合（Ｔ１＞１０ｓｅｃ．）には（Ｓ１４：ＹＥＳ）、セル電圧検出手段２４により負荷移行後の単位セル電圧（Ｖ２）が所定値（０．７５Ｖ）を超えるか否かを検出する（Ｓ１６）。
【００３５】
ステップ１６において、負荷移行後の単位セル電圧（Ｖ２）が所定値（０．７５Ｖ）を超える場合（Ｖ２＞０．７５Ｖ）には（Ｓ１６：ＹＥＳ）、そのまま負荷移行して処理を終了する（Ｓ１７）。他方、ステップ１６において、負荷移行後の単位セル電圧（Ｖ２）が所定値（０．７５Ｖ）以下である場合（Ｖ２≦０．７５Ｖ）には（Ｓ１６：ＮＯ）、所定時間（Ｔ２；Ｔ２＜１０ｓｅｃ．）の発電を行い、単位セル電圧（Ｖ２）が０．７５Ｖ≦単位セル電圧＜０．８５Ｖの範囲に達した後（Ｓ１８）、負荷移行し（Ｓ１９）、処理を終了する。
【００３６】
すなわち、第２の運転制御方法によれば、単位セル電圧が０．７５Ｖ以上０．８５Ｖ未満の範囲で、かつ１０秒未満の一定保持運転することにより、酸化白金の形成量を少なくして、白金に還元される量を少なくするため、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池１０を備えた燃料電池システム１を提供することができる。
〔第１および第２の運転制御方法の作用〕
次に、図５から図８を参照して、第１の運転制御方法および第２の運転制御方法の作用を考察する。
【００３７】
セル電圧のサイクル周期によってＰｔ溶出量が異なっており、たとえば、図５を用いてこの現象を説明する。
【００３８】
図５は負荷サイクルと白金溶出割合との関係を示す説明図である。図５は０．６Ｖから０．９５Ｖの範囲で単位セル電圧が変動する場合であり、（ａ）に示すＡは１０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅで変動する場合、（ｂ）に示すＢは６０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅで変動する場合である。
【００３９】
図５（ｃ）に示すように、Ｂの６０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅの場合は、白金溶出割合が急激に上昇し、２０００サイクル程度で白金溶出割合が４０％を超えている。他方、Ａの１０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅの場合は、白金溶出割合が緩やかに上昇し、５０００サイクル程度で白金溶出割合が４０％を超え、１００００サイクルに至っても白金溶出割合が５０％を超えていない。これにより、負荷サイクルが１０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅ以下である場合には、白金溶出割合が少ないことが分かる。
【００４０】
また、カソード極の高電位時における保持時間が酸化白金（ＰｔＯ）の形成量に影響しており、カソード極の電位によってＰｔＯの形成量が変わる。
【００４１】
ＰｔＯの形成量が多い場合には、ＰｔＯの還元電位（０．７５Ｖ）より高い電位（＞０．７５Ｖ）でサイクルした方がＰｔ溶解量は小さくなっており、たとえば、図６を用いてこの現象を説明する。図６は電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。
【００４２】
図６は６０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅで単位セル電圧が変動する場合であり、（ａ）に示すＣは０．８０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合、（ｂ）に示すＤは０．６０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合である。
【００４３】
図６（ｃ）に示すように、Ｄの０．６０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合に比して、Ｃの０．８０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合の方が緩やかに白金溶出割合が上昇している。これにより、単位セル電圧が０．７５Ｖより高い電位であるには、白金溶出割合が少ないことが分かる。
【００４４】
図７および図８は電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。
図７は６０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅで単位セル電圧が変動する場合であり、（ａ）に示すＥは０．８０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合、（ｂ）に示すＦは０．６０Ｖから０．８０Ｖと、０．８０Ｖから０．９５Ｖとの範囲で二段階に電圧変動する場合、（ｃ）に示すＧは０．６０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合である。なお、（ａ）に示すＥは請求項１および第１の運転制御方法に相当し、（ｂ）に示すＦは請求項２および第２の運転制御方法に相当し、（ｃ）に示すＧは従来の運転方法に相当する。
【００４５】
図８に示すように、Ｇの０．６０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合に比して、Ｅの０．８０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合、およびＦの０．６０Ｖから０．８０Ｖと、０．８０Ｖから０．９５Ｖとの範囲で二段階に電圧変動する場合の方が緩やかに白金溶出割合が上昇している。さらに、Ｆの０．６０Ｖから０．８０Ｖと、０．８０Ｖから０．９５Ｖとの範囲で二段階に電圧変動する場合よりも、Ｅの０．８０Ｖから０．９５Ｖの範囲で電圧変動する場合の方がさらに緩やかに白金溶出割合が上昇している。これにより、セル電圧が０．８０Ｖを下回らない場合には、白金溶出割合が少ないことが分かる。
〔第３の運転制御方法〕
第３の運転制御方法は、燃料電池１０の発電あるいは停止のいずれかの高負荷から低負荷への負荷移行時において、負荷移行前の高負荷時の単位セル電圧が０．８５Ｖ以上で、かつ負荷移行後の低負荷時の単位セル電圧が０．７５未満の条件となる場合に、供給ガス湿度を所定の条件に設定する。この所定の条件は、負荷移行後の供給ガス湿度が負荷移行前の供給ガス湿度よりも低くなるように湿度調整して、該湿度調整したガスを燃料電池１０に供給する。
【００４６】
また、上記負荷移行後の供給ガス湿度をＹ（％Ｒ．Ｈ．）とし、上記負荷移行前の供給ガス湿度をＸ（％Ｒ．Ｈ．）とした場合に、供給ガス湿度Ｘ，Ｙが１＜Ｘ／Ｙ＜２０の関係を有することが好ましい。これは、Ｘ／Ｙが１より小さくなると、電極触媒層に含まれる白金の酸化電流が大きくなるため、白金の溶解・溶出が進行し易くなり、耐久性が低下する可能性があるからである。他方、Ｘ／Ｙが２０より大きくなると、白金の溶解・溶出耐性は優れるものの、電極触媒層が低含水状態を継続することにより、電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）あるいは電解質膜１１が乾燥するため、良好な電池性能が得られ難くなる可能性があるからである。
【００４７】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１はセル抵抗検出手段２３を備えており、該セル抵抗検出手段２３による検出抵抗値が所定の値以上となった場合に、加湿制御を停止する。このような運転制御により、電極触媒層が低含水状態を継続することによる該触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）あるいは電解質膜１１の回復不可能な劣化を前もって回避することができる。そして、仮に燃料電池１０の電力が要求負荷に対して不足した場合には、燃料電池１０に並列接続された二次電池２５によって、不足する電力分を供給することができる。
【００４８】
以上のような運転制御を行うことにより、白金の酸化電流を抑えて、酸化白金（ＰｔＯ）の形成を抑えることができるため、負荷サイクルに伴う電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑制する上で効果を示し、白金の溶解・溶出が進行し易い条件における運転制御方法として有効である。
【００４９】
図４は、第３の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
【００５０】
図１および図４を参照して第３の運転制御方法を説明する。負荷移行検出手段２１は、常に燃料電池１０の負荷状態を検知しており、この負荷移行検出手段２１が負荷移行を検知すると（Ｓ２１）、セル電圧検出手段２４により負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）以上であるか否かを検出する（Ｓ２２）。
【００５１】
ステップ２２において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）未満である場合（Ｖ１＜０．８５Ｖ）には（Ｓ２２：ＮＯ）、処理を終了する。他方、ステップ２２において、負荷移行前の単位セル電圧（Ｖ１）が所定値（０．８５Ｖ）以上である場合（Ｖ１≧０．８５Ｖ）には（Ｓ２２：ＹＥＳ）、加湿装置５３により供給空気への加湿制御を開始する（Ｓ２３）。
【００５２】
この加湿制御は供給空気の加湿量が所定値になるまで続けられ、ステップ２４において加湿量が所定値に達すると、燃料電池１０に加湿空気の供給を開始する（Ｓ２５）。
【００５３】
そして、セル抵抗検出手段２３により単位セル抵抗が所定値にあるか否かを検出する（Ｓ２６）。ステップ２６において、単位セル抵抗が所定値にない場合には、加湿装置５３の加湿制御を停止する（Ｓ２７）。他方、単位セル抵抗が所定値に達している場合には、負荷移行後の単位セル電圧が０．７５Ｖ以上となるように負荷移行し（Ｓ２８）、処理を終了する。
【００５４】
次に、図９を参照して、第３の運転制御方法の作用を考察する。図９は、ガス加湿量と白金溶出割合の関係を示す説明図である。
【００５５】
図９において、Ｈは１００％Ｒ．Ｈ．の加湿量の白金溶出割合、Ｉは７０％Ｒ．Ｈ．の加湿量の白金溶出割合、およびＪは５０％Ｒ．Ｈ．の加湿量の白金溶出割合を示している。図示するように、供給ガスの加湿量が少なくなるにつれて、白金溶出割合がより緩やかに上昇している。これにより、供給ガスの加湿量を５０％Ｒ．Ｈ．に近づけて少なくした方が白金溶出割合も少なくなることが分かる。
【００５６】
すなわち、第３の運転制御方法によれば、電極触媒層への供給ガス湿度を所定の湿度に設定することにより、白金の酸化電流を抑えて、酸化白金の形成を抑えることができるため、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池１０を備えた燃料電池システム１を提供することができる。
【００５７】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池システム１およびその運転制御方法によれば、従来よりも優れた耐久性を得ることができるため、車両などの移動体用電源の他、定置用電源として、信頼性の高い燃料電池システム１を実現することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。
【図２】第１の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
【図３】第２の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
【図４】第３の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
【図５】負荷サイクルと白金溶出割合との関係を示す説明図である。
【図６】電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。
【図７】６０ｓｅｃ／ｃｙｃｌｅでの単位セル電圧の変動を示す説明図である。
【図８】電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。
【図９】ガス加湿量と白金溶出割合の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    燃料電池システム、
１０    燃料電池、
１１    電解質膜、
１２    燃料極、
１３    酸化剤極、
２１    負荷移行検出手段、
２２    運転時間計測手段、
２３    セル抵抗検出手段、
２４    セル電圧検出手段、
２５    二次電池、
３０    燃料ガス供給系、
３１    水素ボンベ、
３２    流量制御弁、
４０    燃料ガス排出系、
４１    コンプレッサ、
４２    逆止弁、
４３    切替え弁、
４４    循環流路、
４５    逆止弁、
５０    酸化剤ガス供給系、
５１    コンプレッサ、
５２    上流側三方弁、
５３    加湿装置、
５４    下流側三方弁、
５５    バイパス流路、
６０    酸化剤ガス排出系。
【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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