(57)【要約】【課題】  触媒金属の還元処理を行って活性を回復させる。【解決手段】  電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、燃料電池の起動処理を開始する段階（Ｓ１）と、燃料電池のアノードにアノードガスを供給する段階（Ｓ２、Ｓ３）と、燃料電池のアノードとカソードとの間で触媒金属の還元電流を流す段階（Ｓ４、Ｓ５）と、アノードとカソードとの間の電圧が基準電圧以下になったときに燃料電池の起動処理を終了する段階（Ｓ６）と、を含む。【選択図】            図４
2007053020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の起動処理を開始する段階と、
前記燃料電池のアノードにアノードガスを供給する段階と、
前記燃料電池のアノードとカソードとの間で前記触媒金属の還元電流を流す段階と、
前記アノードと前記カソードとの間の電圧が基準電圧以下になったときに前記燃料電池の起動処理を終了する段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項２】
前記還元電流を流す段階の前に、
前記カソードにカソードガスが流れ込まないように前記カソードガスの供給を遮断する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項３】
前記還元電流を流す段階の前に、
前記カソードに不活性ガスを供給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項４】
前記アノードガスを供給する段階は、
前記アノードの流路の全体がアノードガスで満たされるまで継続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
【請求項５】
前記不活性ガスを供給する段階は、
前記カソードの流路の全体が不活性ガスに置き換わるまで継続されることを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項６】
前記アノードの流路の全体がアノードガスで満たされか否かは、前記アノードに供給されたアノードガスの流量、または、前記アノードの流路に存在するアノードガスの濃度で判断することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項７】
前記カソードの流路の全体が不活性ガスに置き換わったか否かは、前記カソードに供給された不活性ガスの流量、または、前記カソードの流路に存在する不活性ガスの濃度で判断することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項８】
起動処理を終了する段階の後に、
前記アノードにアノードガスを供給すると共に前記カソードにカソードガスを供給して燃料電池を運転する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項９】
前記基準電圧は、好ましくは０．７６ボルト、最も好ましくは０．５ボルトであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１０】
前記燃料電池を運転している間は、前記アノードと前記カソードとの間の電圧を０．８ボルト以下に制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
【請求項１１】
電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御装置であって、
前記燃料電池のアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記アノードとカソードとの間で前記触媒金属の還元電流を流す負荷手段と、
前記燃料電池の起動信号が入力されたときに、前記アノードガス供給手段を作動させてアノードガスを供給し、前記セル電圧検出手段で検出されるセル電圧が基準電圧以下になるまで前記負荷手段により前記還元電流を流す制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項１２】
前記カソードにカソードガスが流れ込まないように前記カソードガスの供給を遮断する遮断手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記燃料電池の起動信号が入力されたときに、前記アノードガス供給手段を作動させてアノードガスを供給し、さらに前記遮断手段で前記カソードガスの供給を遮断した状態で、前記セル電圧検出手段で検出されるセル電圧が基準電圧以下になるまで前記負荷手段により前記還元電流を流すことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１３】
前記カソードに不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記燃料電池の起動信号が入力されたときに、前記アノードガス供給手段を作動させてアノードガスを供給し、さらに不活性ガス供給手段を作動させ、前記カソードのカソードガスを不活性ガスに置き換えた状態で、前記セル電圧検出手段で検出されるセル電圧が基準電圧以下になるまで前記負荷手段により前記還元電流を流すことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１４】
前記基準電圧は、好ましくは０．７６ボルト、最も好ましくは０．５ボルトであることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１５】
前記セル電圧は、前記アノードと前記カソードとから構成されるすべてのセルのセル電圧を検出するか、または、任意の数のセルのセル電圧を検出するかのいずれかであり、
前記制御手段は、すべてセルの電圧が基準電圧以下になったとき、または任意の数のセル電圧が基準電圧以下になったときに、セル電圧が基準電圧以下になったと判断することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれかの燃料電池の制御装置を搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御方法およびその制御装置並びにその制御装置を搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が車両用駆動源および定置型電源として注目されている。燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類され、代表的なものとしてはアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも自動車用低公害動力源としては、あまり温度を上げずに（通常１００℃以下）作動可能な固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が注目を集めており、実用化に向けて開発が進められている。ＰＥＦＣが自動車用低公害動力源として実用化されるためには、長期間に渡る耐久性を備えることが必須の条件となっている。
【０００３】
ＰＥＦＣの構成は、一般的には、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」とも記載する）をセパレータで挟持した構造となっている。ＭＥＡは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層が積層した構造を有する。電池反応は、触媒、触媒を担持する担体、およびアイオノマー（イオン伝導性高分子）からなる触媒層において進行する。このため、触媒層の劣化を防止することは、ＰＥＦＣの耐久性を高める上で重要な課題となっている。
【０００４】
しかしながら、ＰＥＦＣを長期間にわたって連続運転したり、起動、停止を頻繁に繰り返したりすると、触媒、担体、およびアイオノマーからなる三相構造は、カーボン腐食やアイオノマー分解劣化を起こし電極構造が変化する。電極構造が変化すると、ガスの拡散性及び生成水の排出性が低下して、発電性能が低下してしまう。また、電極構造が変化すると、電池の耐久性低下の原因ともなる。特に、固体高分子電解質膜とカソード触媒層との界面付近では、酸化還元反応が生ずることから、カーボンの腐食や触媒金属（たとえば白金）の固体高分子電解質膜への溶出が生じやすく、ＰＥＦＣの発電特性の低下、ＰＥＦＣの耐久性低下の原因となる。そこで、触媒層の劣化を防止する技術の開発が切望されている。
【０００５】
触媒金属は、高電位であっても一定電位で保持されていれば触媒金属の固体高分子電解質膜への溶出はわずかであるが、触媒金属の酸化・還元を伴うような激しい電位の変化時には、触媒金属の溶出は著しくなる。触媒金属の溶出、特に白金の溶出は、金属白金と酸化白金との酸化・還元の繰り返しによって促進されることがわかっている。実際のＰＥＦＣの運転時においては、停止時やＯＣＶ（開回路電圧）保持時にカソードの電位が上がるために白金が酸化され、発電中は白金が還元状態にあることから、これらの環境の繰り返しが白金の溶出を助長していると考えられている。
【０００６】
このため、触媒層の耐久性を高める技術として、例えば、下記特許文献１に記載されているように、燃料電池の起動時に、セル当りの出力電圧を強制的に０ボルト以上０．３ボルト以下に１〜１０秒間低下させることによって触媒金属の活性を回復させようとするものが提案されている。
【特許文献１】特許第３４６０７９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、このような従来の技術では、ＰＥＦＣが発電を行ってない状態（停止状態）から必要以上に低電圧（高電流密度）で起動させることになるため、触媒金属に局所的な電流の集中が生じ、局所的な触媒劣化が生じる可能性がある。
【０００８】
また、ＰＥＦＣの使用履歴や保管環境の相違によって触媒金属の回復条件（温度、電圧、時間）が異なるにもかかわらず、一律の条件で活性を回復させようとするため、均一な回復を望むことができず、回復度合いにむらが生じてしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来の技術の問題点に鑑みて成されたものであり、ＰＥＦＣの発電を開始する前に触媒金属を還元させ、触媒金属の活性を回復させることができる、燃料電池の制御方法およびその制御装置並びにその制御装置を搭載した車両の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池の制御方法は、電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の起動処理を開始する段階と、前記燃料電池のアノードにアノードガスを供給する段階と、前記燃料電池のアノードとカソードとの間で前記触媒金属の還元電流を流す段階と、前記アノードと前記カソードとの間の電圧が基準電圧以下になったときに前記燃料電池の起動処理を終了する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池の制御装置は、電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御装置であって、前記燃料電池のアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記アノードとカソードとの間で前記触媒金属の還元電流を流す負荷手段と、前記燃料電池の起動信号が入力されたときに、前記アノードガス供給手段を作動させてアノードガスを供給し、前記セル電圧検出手段で検出されるセル電圧が基準電圧以下になるまで前記負荷手段により前記還元電流を流す制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
さらに、上記目的を達成するための本発明に係る車両は、請求項１１〜１５のいずれかの燃料電池の制御装置を搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように構成された本発明に係る燃料電池の制御方法によれば、発電開始前の停止中にカソード側の酸化された触媒金属を完全に還元することができ、運転中の負荷変動による触媒金属の溶出を著しく減少させることができる。
【００１４】
また、以上のように構成された本発明に係る燃料電池の制御装置によれば、発電開始前の停止中にカソード側の酸化された触媒金属を完全に還元することができ、運転中の負荷変動による触媒金属の溶出を著しく減少させることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る燃料電池の制御装置を搭載した車両によれば、長期に渡り安定した性能を発揮する車両を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置並びにその制御装置を搭載した車両について、第１実施形態〜第３実施形態に分けて、図面を参照しながら詳細に説明する。
これらの実施形態の説明をする前に、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明しておく。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、アノードガスとカソードガスの反応により起電力を生じる単位電池としてのセル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１８】
この燃料電池スタック１においては、アノードガス、カソードガスおよび冷却水をそれぞれ各セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるためのアノードガス導入口８、アノードガス排出口９、カソードガス導入口１０、カソードガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１９】
アノードガスは、アノードガス導入口８より導入されてセパレータに形成されたアノードガス供給用の流路溝を流れ、アノードガス排出口９より排出される。カソードガスは、カソードガス導入口１０より導入されてセパレータに形成されたカソードガス供給用の流路溝を流れ、カソードガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口１３より排出される。
【００２０】
セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも称する。）１４と、このＭＥＡ１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。以下、ＭＥＡ１４のアノード側に配置されるセパレータ１５を、アノードセパレータ１５Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ１５をカソードセパレータ１５Ｂと称する。
【００２１】
ＭＥＡ１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１４１と、アノード触媒層１４２Ａとガス拡散層１４３Ａからなるアノードとしてのアノード電極１４４Ａと、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層１４２Ｂとガス拡散層１４３Ｂからなるカソードとしてのカソード電極１４４Ｂとからなる。ＭＥＡ１４は、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂによって、固体高分子電解質膜１４１をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００２２】
セパレータ１５は、板厚の薄い金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。セパレータ１５は、図に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡ１４と接する中央部分の領域）に、凸条部１６と凹条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を有している。
【００２３】
ＭＥＡ１４のアノード電極１４４Ａ側に接して配置されるアノードセパレータ１５Ａの凸部１６Ａと凹部１７Ａは、ＭＥＡ１４との間にアノードガス（水素；Ｈ２）を流通させる流路溝となりアノードガス流路（アノードの流路）１８を形成する。一方、ＭＥＡ１４のカソード電極１４４Ｂ側に接して配置されるカソードセパレータ１５Ｂの凸部１６Ｂと凹部１７Ｂは、ＭＥＡ１４との間にカソードガス（酸素；Ｏ２）を流通させる流路溝となりカソードガス流路（カソードの流路）１９を形成する。  アノードガス流路１８に水素を、カソードガス流路１９に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層１４２Ａの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜１４１を通過する。カソード触媒層１４２Ｂでは固体高分子電解質膜１４１を通過してきた水素と外部回路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード電極１４４Ａがマイナスに、カソード電極１４４Ｂがプラスになり、図２に示すように、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間で直流電圧が発生する。
【００２４】
本明細書では、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間に現れる電圧をセル電圧と称し、セル電圧は、セル電圧検出手段として機能するセル電圧計２０によって検出される。なお、セル電圧は、燃料電池スタック１を構成する全てのセルから検出するようにしても良いし、燃料電池スタック１を構成するセルの内の複数の代表的なセルのみから検出するようにしても良い
本発明においては、燃料電池の運転を開始する前に、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間で触媒金属である白金を還元させるための還元電流を流すが、電子はアノード電極１４４Ａからカソード電極１４４Ｂに向かって流れる。適切な大きさの還元電流を流すと白金の活性が回復されることから、適切な大きさの還元電流を流して燃料電池の起動時にセル電圧を調整している。
【００２５】
本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置では、起動時のセル電圧の調整によって、カソード触媒層１４２Ｂに担持されている触媒金属、具体的には白金を、燃料電池の運転前に還元し、カソード触媒層１４２Ｂに生成された酸化白金（ＰｔＯまたはＰｔＯ２）を完全に取り除いてから、発電が行えるようにしている。また、発電中においても、カソード触媒層１４２Ｂに酸化白金ができるだけ生成されないように燃料電池を運転するようにしている。
【００２６】
以下に、第１実施形態から第３実施形態に分けて本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置を具体的に説明する。
［第１実施形態］
図３及び図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置の説明に供する図である。図３は本実施の形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を、図４は図３に示した制御部の動作フローチャートを示し、このフローチャートは本実施の形態の燃料電池の制御方法の手順に相当するものでもある。
【００２７】
本実施の形態に係る燃料電池の制御装置は、図３に示すように、アノードガス（水素）とカソードガス（酸素）との供給によって発電する燃料電池スタック１、燃料電池スタック１を構成する全セルのセル電圧を検出するセル電圧計２０、燃料電池の起動処理が開始してから終了するまでの間、各セルへの還元電流の大きさを調整する負荷器２１、カソードガスの流量を調整する流量調整器２２、アノードガスの流量を調整する流量調整器２３、セル電圧計２０の検出電圧に基づいて、負荷器２１の断続動作と流量調整器２２、２３の動作を制御する制御部２４を備えている。
【００２８】
燃料電池スタック１には電極触媒として触媒金属が用いられている。具体的にはカソード電極１４４Ｂのカソード触媒層１４２Ｂ（図２参照）に白金が用いられている。
【００２９】
セル電圧計２０は、燃料電池スタック１を構成する全てのアノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間のセル電圧を検出するセル電圧検出手段として機能する。
【００３０】
負荷器２１は、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間で触媒金属である白金の還元電流を流す負荷手段として機能する。
【００３１】
流量調整器２３は、燃料電池スタック１のアノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段として機能する。流量調整器２３は、アノードガスの供給量を計測する機能を有している。
【００３２】
制御部２４は、燃料電池の起動信号が入力されたときに、流量調整器２３を開いて燃料電池スタック１にアノードガスを供給し、セル電圧計２０で検出されるセル電圧が基準電圧以下になるまで負荷器２１によりアノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間に還元電流を流す制御手段として機能する。
【００３３】
本実施の形態では、以上のように構成された燃料電池の制御装置を用いて、次のような理由からカソード電極１４４Ｂの白金の還元処理を行っている。
燃料電池の停止時には、燃料電池スタック１のカソードガス流路１９内に酸素が残留した状態であり、高電位になっているためカソード電極１４４Ｂの白金の一部が酸化され、酸化白金（ＰｔＯまたはＰｔＯ２）が生成される。酸化白金は、その後の燃料電池の運転時の電位変化を受けて溶出が促進される。白金の溶出は燃料電池の発電性能を低下させるばかりでなく、燃料電池の寿命にも大きな影響を与える。
【００３４】
このため、本実施の形態では、燃料電池の運転停止時にカソード電極１４４Ｂに生成された酸化白金を運転開始までに還元して完全に取り除き、その後の運転中においても酸化白金が生成されない条件で運転を継続する（白金−酸化白金の酸化還元サイクルの発生を防ぐ）ようにして、白金の溶出を極力防止し、燃料電池の発電性能の維持、寿命の向上を目指す、起動時の還元処理を行っている。
【００３５】
図４にしたがって、本実施の形態の還元処理の手順を詳細に説明する。  まず、制御部２４が外部装置（図示せず）から燃料電池の運転を開始させるための燃料電池起動信号を入力すると、制御部２４は燃料電池の起動処理を開始する（Ｓ１）。制御部２４は流量調整器２３を開き燃料電池スタック１にアノードガス（水素）の供給を開始する。このときにはアノードガスの消費を抑えるために流量調整器２２は閉じてカソードガス（酸素）は供給しない（Ｓ２）。
【００３６】
制御部２４はアノードガス流路１８（図２参照）がアノードガスで満たされたか否か、すなわちアノードガスパージが完了したか否かを判断する。アノードガスパージが完了したか否かは、流量調整器２３を通過したアノードガスの量によって判断する。つまり、流量調整器２３を通過したアノードガスの量が燃料電池スタック１のアノードガス流路１８の総体積を上回ったか否かによって判断する。または、アノードガス流路１８の内部または出口側に水素センサを、さらにカソードガス流路１９の内部または出口側に酸素センサを設けておき、検出された水素濃度が９９％を超え、酸素濃度が０．２％以下であるときにアノードガスパージが完了したと判断するようにしても良い（Ｓ３）。
【００３７】
アノードガスパージが完了していなければ（Ｓ３：ＮＯ）、アノードガスの供給を継続する。一方、アノードガスパージが完了していれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部２４は、流量調整器２３を閉じてアノードガスの供給を遮断し、全てのセル２（図１参照）に負荷器２１、一例としては抵抗器を個別に接続して、カソード電極１４４Ｂからアノード電極１４４Ａに向けて、酸化された白金を還元するための還元電流を流す。すなわち還元電流印加処理を開始する（Ｓ４）。
【００３８】
制御部２４は、各セル２の電圧をセル電圧計２０で個別に検出し、セル電圧が基準電圧である、０．５ボルト以下になったか否かを判断する。セル電圧は、アノード電極１４４Ａを基準とするカソード電極１４４Ｂの電位である。還元電流印加処理が開始されると、セル電圧は、図９に示すように、開回路電圧（ＯＣＶ）から時間と共に低下する。制御部２４は、この電圧を監視して、基準電圧である、０．５ボルトを下回ったか否かを判断するのである。
【００３９】
基準電圧を０．５ボルト以下としているのは、白金が酸化して酸化白金（ＰｔＯ）となっているときには、０．７６ボルト程度でも十分に還元することができる（２価のＰｔＯは０．７６ボルト以下で還元されるから）が、酸化白金（ＰｔＯ２）となってしまっているときには、０．７６ボルト程度では還元することができず、０．５ボルト程度まで電圧を落とす必要がある（４価のＰｔＯ２は０．５ボルト以下で還元されるから）からである。
【００４０】
このため、本実施の形態では基準電圧を０．５ボルトとしているが、基準電圧を０．７６ボルト以下とすることも可能である。また、酸化白金を完全に取り除くには基準電圧を０．５ボルト以下（たとえば０．３５ボルト）にすることも考えられるが、基準電圧を低く設定しすぎると、良好な還元作用は得られるものの、急激な還元作用によって金属触媒を傷めてしまうことが懸念される。設定電圧が低すぎると還元電流の値が大きくなりすぎて、金属触媒の特定の部位にだけ電流が集中して流れるようになり、ホットスポットができ、それが金属触媒を傷める原因となるからである（Ｓ５）。
【００４１】
制御部２４は、各セル２の電圧が０．５ボルト以下になっていなければ（Ｓ５：ＮＯ）、まだ還元されていない酸化白金が存在するのであるから、負荷器２１を介して還元電流を流し続ける。一方、制御部２４は、各セル２の電圧が０．５ボルト以下になっていれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、酸化白金が存在しなくなったのであるから、全てのセル２から負荷器２１を取り外して還元電流を遮断する。すなわち還元電流印加処理を終了する。還元電流印加処理の終了によって燃料電池の起動処理が終了する（Ｓ６）。
【００４２】
なお以上の例では、全てのセルのセル電圧が基準電圧以下になったときに還元電流を遮断するようにしたが、全てのセル電圧ではなく、達成割合を設けておき、任意の数のセル電圧が基準電圧以下になったときに、セル電圧が基準電圧以下になったと判断して還元電流を遮断するようにしてもよい。また、セル電圧も全てのセルについて検出するのではなく、任意のセルについてのみ検出するようにしても良い。
【００４３】
制御部２４は、燃料電池の起動処理が完了したら、流量調整器２２、２３を開き燃料電池スタック１にアノードガス（水素）の供給を開始すると共にカソードガス（酸素含有ガス）の供給も開始して、燃料電池を運転し、発電を開始する。燃料電池を運転している間は、負荷変動に応じて車両に搭載されている補器を接続するなどし、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間の電圧を０．８ボルト以下に制御する。
【００４４】
このように、セル電圧を０．８ボルト以下に制御するのは、発電中に触媒金属に酸化白金が生成されないようにするためである。酸化白金は０．８ボルト以上で生成される。通常の固体高分子型燃料電池の開回路電圧は０．９から１．０ボルトである。このため、カソード電極１４４Ｂではこの電圧によって白金の酸化が起こっていると考えられる。白金の酸化と還元が白金の溶出を促進することから、発電中も白金の酸化を生じさせることは好ましくない。
【００４５】
そのため、アイドル時（負荷に大きな電力を供給していないとき）であっても、電圧を０．８ボルト以下にするために発電状態とさせることが望ましい。したがって、余剰の電力が生じる場合には、この余剰電力で補器を動かすようにしたり、車両に搭載されている二次電池の充電に使用したりする。このようにすれば、発電中に生成される酸化白金の量が抑制されることから、起動開始時に行われる還元電流印加処理時間をかなり減少させることができる（Ｓ７）。
【００４６】
以上のように、本実施の形態では、燃料電池の運転を行う前に、金属触媒を完全に還元させている。金属触媒が酸化された状態のまま大きな負荷変動を伴う発電を行うと、金属触媒が溶出し易くなる。このため、燃料電池の起動時に還元電流印加処理を行い、セル電圧を基準電圧以下に下げることによって、燃料電池の運転前に酸化された金属触媒を完全に取り除き、運転後は、発電中に金属触媒が酸化されないように、目標となる電圧を定めて発電を継続するようにして燃料電池の発電性能の劣化防止と耐久性の向上を図っている。
［第２実施形態］
図５及び図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置の説明に供する図である。図５は本実施の形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を、図６は図５に示した制御部の動作フローチャートを示し、このフローチャートは本実施の形態の燃料電池の制御方法の手順に相当するものでもある。
【００４７】
第１実施形態と第２実施形態とでは、図５において、カソードガスの排気経路にカソードガスの供給を遮断する遮断手段としての遮断弁２５を設けている点だけが異なっている。その外の構成要素は図３と全く同一であるのでそれらの構成要素の説明は省略する。
【００４８】
遮断弁２５はカソードガスの排気経路の出口側から拡散流入してくるカソードガスを完全に遮断するために設けている。上記のような還元電流印加処理を行う場合、カソードガス流路１９内に酸素が残留していると、その酸素の還元反応も起こるため、酸素が多量に存在している場合には、残留酸素が還元されるまでセル電圧が低下しなくなる。カソードガス流路１９の体積が小さければ還元電流を流すと同時に残留酸素分は還元されてすぐに水になるため還元電流印加処理時間に大きな影響は与えないと考えられる。本実施の形態のように、遮断弁２５でカソードガス流路１９を強制的に遮断してしまえば、還元電流印加処理中でもカソードガスの排気経路の出口側から酸素が流入してくることを防止できるので、還元電流印加処理に要する時間の短縮化を図ることができる。
図６にしたがって、本実施の形態の還元処理の手順を詳細に説明する。なお、図６のフローチャートは、図４のフローチャートと比較して、Ｓ１４の処理が異なるだけであるので、図４のフローチャートと同一のステップの説明は簡略化して説明する。  まず、制御部２４が燃料電池起動信号を入力すると、制御部２４は燃料電池の起動処理を開始する（Ｓ１１）。制御部２４は流量調整器２３を開き燃料電池スタック１にアノードガス（水素）の供給を開始する。このときにはアノードガスの消費を抑えるためにカソードガス（酸素）は供給しない（Ｓ１２）。制御部２４はアノードガス流路１８（図２参照）がアノードガスで満たされたか否か、すなわちアノードガスパージが完了したか否かを判断する（Ｓ１３）。アノードガスパージが完了していなければ（Ｓ１３：ＮＯ）、アノードガスの供給を継続する。
【００４９】
一方、アノードガスパージが完了していれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、制御部２４は、流量調整器２３を閉じてアノードガスの供給を遮断し、同時に遮断弁２５を閉じてカソードガスの排気経路の出口側から酸素が流入してこないようにし（Ｓ１４）、全てのセル２（図１参照）に負荷器２１を個別に接続して、カソード電極１４４Ｂからアノード電極１４４Ａに向けて、酸化された白金を還元するための還元電流を流す。すなわち還元電流印加処理を開始する（Ｓ１５）。制御部２４は、各セル２の電圧をセル電圧計２０で個別に検出し、セル電圧が基準電圧である０．５ボルト以下になったか否かを判断する（Ｓ１６）。
【００５０】
制御部２４は、各セル２の電圧が０．５ボルト以下になっていなければ（Ｓ１６：ＮＯ）、まだ還元されていない酸化白金が存在するのであるから、負荷器２１を介して還元電流を流し続ける。一方、制御部２４は、各セル２の電圧が０．５ボルト以下になっていれば（Ｓ１６：ＹＥＳ）、酸化白金が存在しなくなったのであるから、全てのセル２から負荷器２１を取り外して還元電流を遮断する。すなわち還元電流印加処理を終了する。還元電流印加処理の終了によって燃料電池の起動処理が終了する（Ｓ１７）。
【００５１】
制御部２４は、燃料電池の起動処理が完了したら、流量調整器２２、２３を開き燃料電池スタック１にアノードガス（水素）の供給を開始すると共にカソードガス（酸素）の供給も開始して、燃料電池を運転し、発電を開始する。燃料電池を運転している間は、負荷変動に応じて車両に搭載されている補器を接続するなどし、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間の電圧を０．８ボルト以下に制御する（Ｓ１８）。
【００５２】
以上のように、本実施の形態では、カソードにカソードガスが流れ込まないようにカソードガスの供給を遮断し、カソードガスの供給を遮断した状態で、セル電圧が基準電圧以下になるまで負荷器により還元電流を流し、燃料電池の運転を行う前に、金属触媒を完全に還元させている。
［第３実施形態］
図７及び図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置の説明に供する図である。図７は本実施の形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を、図８は図７に示した制御部の動作フローチャートを示し、このフローチャートは本実施の形態の燃料電池の制御方法の手順に相当するものでもある。
【００５３】
第２実施形態と第３実施形態とでは、図７において、カソードガスの流入経路に不活性ガスを積極的に注入する不活性ガス供給手段としての不活性ガス供給部２６を設けている点だけが異なっている。その他の構成要素は図５と全く同一であるのでそれらの構成要素の説明は省略する。
【００５４】
不活性ガス供給部２６は、燃料電池スタック１のカソードガス流路１９に一般的に用いられている不活性ガスを供給し、カソードガス流路１９に残存している酸素を完全にカソードガス流路１９外に追い出すために設けている。不活性ガス供給部２６は、カソードガス流路１９内に不活性ガスを所定量所定流量で供給することができるように、カソードガスの供給経路の入り口側（上流側）に接続されている。不活性ガス供給部２６は、制御部２４によってその作動が制御されている。不活性ガスは、たとえば高圧ガスボンベなどの貯蔵手段に公知の方法で貯蔵される。不活性ガスは、大気より酸素の含有量が低い、窒素または希ガス主成分のガスであれば良く、純窒素ガス、純希ガスの他に、発電中にカソードガス流路１９から排出されたガスを貯蔵して利用することもできる。
【００５５】
還元電流印加処理を行う場合、カソードガス流路１９内に酸素が残留していると、残留酸素が還元されるまでセル電圧が低下しなくなるのは上述の通りであるが、還元電流を印加する前にカソードガス流路１９を不活性ガスでパージ、あるいは不活性ガスを供給しながら行えば、残留酸素の影響は完全に取り除かれるために、還元電流印加処理に要する時間の短縮化をより図ることができる。
【００５６】
不活性ガスパージ後に遮断弁２５でカソードガス流路１９を強制的に遮断してしまえば、還元電流印加処理中でもカソードガスの排気経路の出口側から酸素が流入してくることを防止できるので、還元電流印加処理に要する時間の短縮化を図ることができる。
図８にしたがって、本実施の形態の還元処理の手順を詳細に説明する。なお、図８のフローチャートは、図６のフローチャートと比較して、Ｓ２２とＳ２３の処理が異なるだけであるので、図６のフローチャートと同一のステップの説明は簡略化して説明する。  まず、制御部２４が燃料電池起動信号を入力すると、制御部２４は燃料電池の起動処理を開始する（Ｓ２１）。制御部２４は流量調整器２３を開き燃料電池スタック１にアノードガス（水素）の供給を開始する。同時に、制御部２４は流量調整機２２を閉じ、カソードガスの供給を完全に絶って、不活性ガス供給部２６からカソードガス流路１９内に不活性ガスの供給を開始する。これにより、カソードガス流路１９に残存している酸素が不活性ガスと置き換えられる（Ｓ２２）。
【００５７】
制御部２４はアノードガス流路１８（図２参照）がアノードガスで満たされたか否か、すなわちアノードガスパージが完了したか否か、および、カソードガス流路１９が不活性ガスで満たされたか否か、すなわちカソードガスパージが完了したか否かを判断する（Ｓ２３）。アノードガスパージおよびカソードガスパージが完了していなければ（Ｓ２３：ＮＯ）、アノードガスおよび不活性ガスの供給を継続する。カソードガス流路１９の全体が不活性ガスで満たされ不活性ガスに置き換わったか否かは、カソードに供給された不活性ガスの流量、または、カソードの流路に存在する不活性ガスの濃度で判断する。
【００５８】
一方、アノードガスパージおよびカソードガスパージが完了していれば（Ｓ２３：ＹＥＳ）、制御部２４は、流量調整器２３を閉じてアノードガスの供給を遮断し、同時に遮断弁２５を閉じて不活性ガスの排気経路の出口側から酸素が流入して来ないようにし（Ｓ２４）、全てのセル２（図１参照）に負荷器２１を個別に接続して、カソード電極１４４Ｂからアノード電極１４４Ａに向けて、酸化された白金を還元するための還元電流を流す。すなわち還元電流印加処理を開始する（Ｓ２５）。制御部２４は、各セル２の電圧をセル電圧計２０で個別に検出し、セル電圧が基準電圧である０．５ボルト以下になったか否かを判断する（Ｓ２６）。
【００５９】
制御部２４は、各セル２の電圧が０．５ボルト以下になっていなければ（Ｓ２６：ＮＯ）、まだ還元されていない酸化白金が存在するのであるから、負荷器２１を介して還元電流を流し続ける。一方、制御部２４は、各セル２の電圧が０．５ボルト以下になっていれば（Ｓ２６：ＹＥＳ）、酸化白金が存在しなくなったのであるから、全てのセル２から負荷器２１を取り外して還元電流を遮断する。すなわち還元電流印加処理を終了する。還元電流印加処理の終了によって燃料電池の起動処理が終了する（Ｓ２７）。
【００６０】
制御部２４は、燃料電池の起動処理が完了したら、不活性ガス供給部２６を閉じる一方、流量調整器２２、２３を開き燃料電池スタック１にアノードガス（水素）の供給を開始すると共にカソードガス（酸素）の供給も開始して、燃料電池を運転し、発電を開始する。燃料電池を運転している間は、負荷変動に応じて車両に搭載されている補器を接続するなどし、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間の電圧を０．８ボルト以下に制御する（Ｓ２８）。
【００６１】
以上のように、本実施の形態では、還元電流を流す前に、カソードの流路の全体が不活性ガスに置き換わるまでカソードに不活性ガスを供給し、カソードにカソードガスが流れ込まないようにカソードガスの供給を遮断し、カソードガスの供給を遮断した状態で、アノードガスを流し、セル電圧が基準電圧以下になるまで負荷器により還元電流を流し、燃料電池の運転を行う前に、金属触媒を完全に還元させている。このため、還元電流印加処理に要する時間の短縮化を図ることができる。
【００６２】
以上の第１実施形態から第３実施形態として示した燃料電池の制御装置は車両に搭載することができる。本発明の燃料電池の制御装置を車両に搭載すれば、長期に渡り安定した性能を発揮する車両を得ることができる。
【００６３】
なお、上述の実施形態では、還元電流の大きさをセル電圧に応じて変えているが、還元電流の大きさをセル電圧に応じて時間的に変動させる（波状、パルス状）ようにすることも可能である。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例にのみに限定されることはない。また、本実施例において、％の表示は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
（電極触媒層の作成）
電極触媒層は次のようにして作成した。Ｐｔ担持カーボン粉末（Ｐｔ担持量：４８．1％、Ｐｔ平均粒子径：３．２ｎｍ、カーボン担体：ＶｕｌｃａｎＸＣ−７２）の重量に対して５倍量の精製水を加えた後、０．５倍量のイソプロピルアルコールを加え、さらにはＮａｆｉｏｎの重量が０．８倍になるようにＮａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製５ｗｔ.％Ｎａｆｉｏｎ含有）を加えた。混合スラリーを超音波ホモジナイザでよく分散させ、それに続いて減圧脱泡操作を加えることによって触媒インクを作成した。これをガス拡散層（ＧＤＬ）であるカーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−０６０)の片面にスクリーン印刷法によって所定量の触媒インクを印刷し、６０℃で２４時間乾燥させることによって電極層を作成した。
（ＭＥＡの製作）
ＭＥＡ（膜−電極接合体）の作成については触媒を塗布した面を電解質膜に合わせて１２０℃、１．２ＭＰａで１０分間ホットプレスを行うことによりＭＥＡを作成した。参考例のＭＥＡはカソード（空気極）として参考例電極層を用い、実施例ＭＥＡは実施例電極層をカソードとして用いた。参考例、実施例共に、使用したＭＥＡはＰｔ使用量を見かけの電極面積１ｃｍ２当たりアノードでは０．３ｍｇ、カソードでは０．５ｍｇとし、電極面積は２５ｃｍ２とした。また、電解質膜としてＮａｆｉｏｎ１１２（厚さ：約５０μｍ）を用いた。
（実施例セル評価）
作成したＭＥＡを用いて燃料電池セルを構成し、起動方法の異なる起動停止回数に対するセル電圧とカソードＰｔ有効電極面積変化の評価を以下のような方法で行った。
【００６５】
燃料電池のアノード側には燃料として水素を供給し、カソード側には空気を供給した。両ガスとも供給圧力は大気圧とし、燃料電池本体の温度は７０℃に設定し、水素利用率は６７％、空気利用率は４０％として電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２一定で運転したときのセル電圧の変化を調べた。停止時はカソードに空気を供給せず、出口側を大気開放とした。
【００６６】
１０分間停止した後に起動する場合には、まず、アノードに水素を供給し、燃料ガスのパージが終了した後、カソードガスを供給せず、カソードガスの遮断弁を閉じた状態で還元電流０．１Ａ／ｃｍ２を流し、セル電圧が０．５ボルト以下になったところで、還元電流印加処理を終了し、カソードガス出口の遮断弁を開放してカソードガスの供給を開始して発電運転を開始する。電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２一定で運転したときのセル電圧の変化から、金属触媒性能の変化を調べた。さらに、サイクリックボルタンメトリによりカソードのＰｔ有効電極面積の比較も行った。
（参考例セル評価）
停止後の起動動作は通常の起動動作と同様に行うこと以外は、同様に、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ２一定で運転したときのセル電圧の変化から、金属触媒性能の変化を調べた。さらに、サイクリックボルタンメトリによりカソードのＰｔ有効電極面積の変化も調べた。
【００６７】
図１０は、還元電流印加処理を行った場合（実施例）と行わなかった場合（参考例）との起動停止回数に対するセル電圧の変化状態を示す図である。
【００６８】
この図を見れば明らかなように、参考例に比べ、実施例の方が起動停止回数に対するセル電圧の低下度合いが少ないことがわかる。つまり、実施例では還元電流印加処理を行っているので、白金の酸化が見られず、燃料電池としての発電性能に低下があまり見られない。ところが、参考例の場合には、起動停止回数の増加と共に酸化白金の量が増え、白金の溶出が生じているので、セル電圧が低下して行き、燃料電池としての発電性能に著しい低下が見られる。
【００６９】
さらに、表１に上記起動停止試験を行う前と、２０００サイクル試験を行った後のサイクリックボルタンメトリにより求めたカソードのＰｔ有効電極面積の比較を示したが、実施例の方が試験後のＰｔ有効電極面積の低下量がかなり小さいことがわかる。この結果は、図１０の結果と整合するものである。なお、表１中のＥＣＡとは、使用したＰｔの単位重量あたりのＰｔ有効電極面積を示し、Ｐｔの溶出度合いを判定するための指標である。
【００７０】
【表１】
2007053020.tif 000003
【００７１】
以上のことから、起動時にカソードのＰｔを完全に還元することにより、運転時のＰｔの溶出を抑制することができ、有効触媒表面積の低下も抑制できるものと考えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、触媒金属の溶出を著しく減少させることができるため、将来的に燃料電池の寿命向上に役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図である。
【図４】図３に示した制御部の動作フローチャートである。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図である。
【図６】図５に示した制御部の動作フローチャートである。
【図７】第３実施形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図である。
【図８】図７に示した制御部の動作フローチャートである。
【図９】還元電流印加処理中のセル電圧の低下状況を示す図である。
【図１０】還元電流印加処理を行った場合（実施例）と行わなかった場合（参考例）との起動停止回数に対するセル電圧の変化状態を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    燃料電池スタック、
２    セル、
３    積層体、
４    集電板、
５    絶縁板、
６    エンドプレート、
７    タイロッド、
８      アノードガス導入口、
９    アノードガス排出口、
１０    カソードガス導入口、
１１    カソードガス排出口、
１２    冷却水導入口、
１３    冷却水排出口、
１５    セパレータ、
１５Ａ    アノードセパレータ、
１５Ｂ    カソードセパレータ、
１６    凸条部、
１６Ａ    凸部、
１６Ｂ    凸部、
１７    凹条部、
１７Ａ    凹部、
１７Ｂ    凹部、    １８    アノードガス流路、
１９    カソードガス流路、
２０    セル電圧計、
２１    負荷器、
２２    流量調整器、
２３    流量調整器、
２４    制御部、
２５    遮断弁、
２６    不活性ガス供給部、
１４１    固体高分子電解質膜、
１４２Ａ    アノード触媒層、
１４２Ｂ    カソード触媒層、
１４３Ａ    ガス拡散層、
１４３Ｂ    ガス拡散層、    １４４Ａ    アノード電極、
１４４Ｂ    カソード電極。
【図１】
2007053020.tif 000004
【図２】
2007053020.tif 000005
【図３】
2007053020.tif 000006
【図４】
2007053020.tif 000007
【図５】
2007053020.tif 000008
【図６】
2007053020.tif 000009
【図７】
2007053020.tif 000010
【図８】
2007053020.tif 000011
【図９】
2007053020.tif 000012
【図１０】
2007053020.tif 000013