(57)【要約】【課題】燃料電池の触媒層の特性回復を促進させるとともに、燃料消費量の増大を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】触媒層１３を有する燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料供給源３０と、を備える燃料電池システム１において、触媒層１３の触媒状態に応じて、間欠運転時における燃料供給源３０から燃料電池１０への燃料ガスの供給圧力値を設定する圧力制御手段５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層を有する燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給源と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記触媒層の触媒状態に応じて、間欠運転時における前記燃料供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定する圧力制御手段を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、前記触媒層の触媒劣化度に応じて、間欠運転時における前記燃料供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力制御手段は、前記触媒層の触媒が劣化状態にあると判定した場合に、間欠運転時における前記燃料供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に設定する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧力制御手段は、前記触媒層の温度に基づいて前記燃料電池のＩ−Ｖ特性を算出し、算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に前記触媒層の触媒が劣化状態にあると判定する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【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移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池システムの燃料電池には、電極として機能する触媒層が設けられている。かかる触媒層には白金等の触媒が含まれているが、燃料電池システムの運転を継続すると触媒層中の触媒の酸化が進み、発電効率が低下する。
【０００３】
このため、近年においては、燃料電池システムの間欠運転中に燃料電池のアノード側の圧力が低下した場合に、アノード側に水素ガスを補給することにより、発電効率の低下を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１７２０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたような技術を採用すると、間欠運転中に水素ガスをカソード側に透過させ、触媒を還元させて発電効率を回復させることは可能である。しかし、触媒状態が良好な場合にアノード側に水素ガスを補給すると、水素ガスが必要以上に消費されてしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の触媒層の特性回復を促進させるとともに、燃料消費量の増大を抑制することが可能な燃料電池システム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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、触媒層を有する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給源と、を備える燃料電池システムにおいて、触媒層の触媒状態に応じて、間欠運転時における燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定する圧力制御手段を備えるものである。
【０００７】
かかる構成によれば、触媒層の触媒状態（例えば触媒劣化度）に応じて、間欠運転時における燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定することができる。例えば、触媒層の触媒状態が劣化している場合に、燃料ガスの供給圧力を高く設定することができる。これにより、触媒の還元を促進させて発電効率を回復させることが可能となる。一方、触媒層の触媒状態が劣化していない場合に、燃料ガスの供給圧力値を低く設定することができる。これにより、燃料消費量を低減することが可能となる。
【０００８】
前記燃料電池システムにおいて、圧力制御手段は、触媒層の触媒が劣化状態にある場合に、間欠運転時における燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に設定することが好ましい。
【０００９】
このようにすることにより、間欠運転時に燃料電池の触媒層に含まれる触媒の還元を促進させて、触媒層の特性を効果的に回復させることができる。この結果、間欠運転時に発電効率を回復させることができる。
【００１０】
また、前記燃料電池システムにおいて、圧力制御手段は、触媒層の温度に基づいて燃料電池のＩ−Ｖ特性を算出し、算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に触媒層の触媒が劣化状態にあると判定することができる。
【００１１】
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
【００１２】
かかる構成によれば、間欠運転時における触媒特性の回復が可能であって燃料消費量の低減が可能な燃料電池システムを備えているため、安定した駆動性能を有するとともに高い航続性能を有する移動体を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の触媒層の特性回復を促進させるとともに、燃料消費量の増大を抑制することが可能な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】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１５】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、燃料電池１０を冷却する冷却配管系４、システム全体を統合制御する制御装置５等を備えている。
【００１６】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０を構成する単電池は、図２に示したＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly：膜・電極・拡散層接合体）１１、ＭＥＧＡ１１に隣接配置されるセパレータ、ＭＥＧＡ１１とセパレータとの間をシールするシール部材等から構成されている。
【００１７】
燃料電池１０の各単電池を構成するＭＥＧＡ１１は、図２に示すように、電解質膜１２と、電解質膜１２の両面に設けられた電極用の触媒層１３と、触媒層１３の外側に配設される拡散層１４と、から構成されている。
【００１８】
電解質膜１２は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、水素ガスから供給された水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に移動させる機能を有する。触媒層１３は、白金や白金合金等の触媒が担持されたシート状成形体であって、電解質膜１２に接合されてアノード電極とカソード電極とを構成する。水素ガスから供給された水素（Ｈ2）は、触媒層１３に到達すると、触媒の表面で活性な２個の水素原子（水素活性種：Ｈ*）に解離する。さらに、触媒表面では酸化反応が進行して水素活性種から水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とが生じ、これらのうち水素イオンは電解質膜１２中に移入する。触媒層１３では、触媒と固体電解質との配合割合を適宜設定することにより、触媒利用効率の低下を抑えて電池性能を向上させることができる。
【００１９】
拡散層１４は、カーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池１０の外部からセパレータを介して触媒層１３側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１３に流す機能を有している。また、拡散層１４は、触媒層１３とセパレータとを導通させる導電機能をも有している。
【００２０】
単電池を構成するセパレータは、積層される各単電池同士を区切る境界であり、隣接する単電池間でアノード電極とカソード電極とが接触することによるその単電池同士の短絡を防止する機能と、隣接する単電池同士を導通させる機能と、を有する。
【００２１】
なお、燃料電池１０により発生した電力は、図示していないＰＣＵ（Power Control Unit）に供給される。ＰＣＵは、燃料電池車両のトラクションモータに電力を供給するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種補機類に電力を供給するインバータ、二次バッテリへの充電や二次バッテリからのモータ類に電力を供給するＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。
【００２２】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。コンプレッサ２４の動作は、制御装置５により制御される。
【００２３】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。
【００２４】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する主止弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料電池１０の近傍に配置され水素タンク３０からの水素ガスの供給を一時的に遮断又は許容する遮断弁３５と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。主止弁３３、レギュレータ３４及び遮断弁３５の動作は制御装置５により制御される。
【００２５】
循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排出流路３８内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて、排気流路２３内のガスと合流するようになっている。
【００２６】
冷却配管系４は、燃料電池１０の冷却水供給口に接続された冷却水供給用配管４１と、燃料電池１０の冷却水排出口に接続された冷却水排出用配管４２と、を備えており、冷却水供給用配管４１を介して燃料電池１０に冷却水が供給される一方、冷却水排出用配管４２を介して燃料電池１０から冷却水が外部に排出される。冷却水供給用配管４１と冷却水排出用配管４２とは冷却ファン４３を有するラジエータ４４を介して接続されている。冷却水供給用配管４１には、冷却水を加圧して循環させるポンプ４５が設けられている。また、冷却水排出用配管４２には、燃料電池１０から排出される冷却水の温度を検出する図示されていない温度センサ４６が設けられている。温度センサ４６で検出された温度に係る情報は、制御装置５に伝送されて、水素ガスの供給圧力制御に用いられる。
【００２７】
制御装置５は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２８】
具体的には、制御装置５は、燃料電池１０の触媒層１３の触媒状態（触媒劣化度）に応じて、間欠運転時における水素タンク３０から燃料電池１０への水素ガスの供給圧力値を設定する。すなわち、制御装置５は、燃料電池１０の触媒層１３に含まれる触媒の酸化が進み触媒が劣化状態にある場合に、間欠運転時における燃料電池１０への水素ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に設定する。これにより、燃料電池１０のアノード電極側から電解質膜１２を介してカソード電極側へ水素ガスの透過を促進させて触媒還元を可能とし、触媒の特性回復を実現させる。一方、制御装置５は、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にない場合には、間欠運転時における燃料電池１０への水素ガスの供給圧力値の上昇を抑制して、水素ガスの消費量の増大を抑制する。制御装置５は、本発明における圧力制御手段の一実施形態として機能する。
【００２９】
ここで、間欠運転とは、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時に燃料電池１０の発電を一時休止し、二次バッテリからトラクションモータや各種補機類への電力供給を行い、燃料電池１０には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う運転モードをいう。かかる間欠運転時において、制御装置５は、水素タンク３０から燃料電池１０への水素ガスの供給を遮断する際に、水素タンク３０に近い主止弁３０を開けたまま、燃料電池１０に近い遮断弁３５を閉じるようにする。これにより、遮断弁３５よりも上流側の圧力を維持することができるので、低負荷運転から高負荷運転に復帰する際の応答性を高めることができる。
【００３０】
本実施形態において、制御装置５は、冷却配管系４の温度センサ４６で検出された冷却水の温度（すなわち燃料電池１０の触媒層１３の温度）に基づいて、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を算出する。この際、冷却水温度とＩ−Ｖ特性との関係を表すマップを用いる。そして、制御装置５は、算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満であるか否かを判定し、Ｉ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にあると判定して、間欠運転時における水素ガスの目標調圧値（供給圧力値の目標値）を触媒還元可能な所定値以上まで上昇させるように遮断弁３５を制御する。一方、制御装置５は、Ｉ−Ｖ特性が標準レベル以上であると判定した場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にないと判定して、間欠運転時における水素ガスの目標調圧値の上昇を抑制するように遮断弁３５を制御する。
【００３１】
続いて、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の触媒還元動作について説明する。
【００３２】
燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置５で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。通常運転時においては、燃料電池１０の触媒層１３に含まれる触媒の酸化が進み、経時的に発電効率が低下する。本実施形態においては、かかる発電効率の低下を抑制するために、間欠運転時に触媒の還元を実施して触媒の特性回復を実現させる。
【００３３】
すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置５は、冷却配管系４の温度センサ４６を用いて、通常運転中における冷却水の温度を検出する（温度検出工程：Ｓ１）。次いで、制御装置５は、温度検出工程Ｓ１で検出した温度（すなわち燃料電池１０の触媒層１３の温度）と所定のマップとに基づいて、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を算出する（Ｉ−Ｖ特性算出工程：Ｓ２）。
【００３４】
次いで、制御装置５は、Ｉ−Ｖ特性算出工程Ｓ２で算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満か否かを判定する（特性判定工程：Ｓ３）。制御装置５は、特性判定工程Ｓ３でＩ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にあると判定し、燃料電池システム１が間欠運転を行っているか否かを判定する（間欠判定工程：Ｓ４）。
【００３５】
そして、制御装置５は、燃料電池システム１が間欠運転を行っていると判定した場合にのみ、水素ガスの目標調圧値を触媒還元可能な所定値以上に上昇させるように遮断弁３５を制御する（圧力上昇工程：Ｓ５）。その後、制御装置５は、温度検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。なお、圧力上昇工程Ｓ５における「所定値」は、燃料電池１０のアノード電極側から電解質膜１２を介してカソード電極側へ水素ガスの透過を促進させて触媒還元を可能とするのに必要な圧力値とする。
【００３６】
一方、制御装置５は、特性判定工程Ｓ３においてＩ−Ｖ特性が標準レベル以上である場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にないものと判定し、水素ガスの目標調圧値を上昇させるような制御を行うことなく、温度検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。
【００３７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の触媒層１３の触媒状態（触媒劣化度）に応じて、間欠運転時における燃料電池１０への水素ガスの供給圧力を設定することができる。すなわち、触媒層１３の触媒が劣化状態にある場合に、水素ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に上昇させることができる。これにより、間欠運転時に触媒の還元を促進させて触媒層１３の特性を効果的に回復させることができ、燃料電池１０の発電効率を回復させることができる。また、触媒層１３の触媒が劣化状態にない場合には、水素ガスの供給圧力値の上昇を抑制することができる。これにより、間欠運転時に水素ガスが必要以上に消費されることを抑制することができる。
【００３８】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、間欠運転時における触媒特性の回復が可能であって燃料消費量の増大を抑制することが可能な燃料電池システム１を備えているため、安定した駆動性能を有するとともに高い航続性能を有するものとなる。
【００３９】
なお、以上の実施形態においては、冷却配管系４の温度センサ４６で検出した冷却水の温度（すなわち燃料電池１０の触媒層１３の温度）に基づいて燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を算出し、このＩ−Ｖ特性が標準レベル未満であるか否かを判定することにより触媒状態を判定した例を示したが、他の判定方法を採用して燃料電池１０の触媒層１３の触媒状態を判定することもできる。
【００４０】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの燃料電池のＭＥＧＡの断面図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの触媒還元動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池システム、５…制御装置（圧力制御手段）、１０…燃料電池、１３…触媒層、３０…水素タンク（燃料供給源）
【図１】
2007157604.tif 000003
【図２】
2007157604.tif 000004
【図３】
2007157604.tif 000005