(57)【要約】【課題】燃料電池におけるラジカルによる劣化抑制の実効性を高める。【解決手段】渋滞や低速走行と言った低要求出力の状況下では、２次電池１５０をパワーソースとし、加速或いは高速走行状況下では、要求出力も高まることから、燃料電池１００をパワーソースに選択する。しかも、燃料電池１００をパワーソースとした場合には、０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で燃料電池１００を発電運転する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極層を接合した膜電極接合体を有する燃料電池と、
一方の前記電極層に燃料を、他方の前記電極層に前記燃料の酸化剤を供給する供給系と、
該供給系による前記燃料と前記酸化剤の供給状況を制御して、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
該発電制御手段による前記燃料電池の発電の要否を判定する判定手段とを備え、
前記発電制御手段は、
前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されると、前記燃料電池の電極面積当たりの電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるように、前記燃料電池の発電を制御する
燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電制御手段は、前記電流密度が４．０Ａ／ｃｍ２を超えないように、前記燃料電池の発電を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
更に、
電力の充電と放電が可能な２次電池と、
外部の負荷に供給する電力源として前記燃料電池と前記２次電池のいずれかを選択し、該選択した電力源から前記負荷に電力を供給する電力選択手段と、
前記負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段とを備え、
前記判定手段は、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて前記発電の要否を判定し、前記燃料電池の発電が必要と判定した際には、前記電力選択手段に前記電力源を前記燃料電池に選択させる
燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定手段は、前記電力検出手段の検出した前記要求電力が０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度での発電電力である場合に前記燃料電池の発電が必要と判定する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記２次電池の充電容量を検出する容量手段を備え、
前記判定手段は、前記電力検出手段の検出した前記要求電力が０．６Ａ／ｃｍ２を下回る電流密度での発電電力であって前記要求電力を前記容量検出手段の検出した充電容量で賄えない場合には、前記燃料電池の発電が必要と判定し、
前記発電制御手段は、電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるように前記燃料電池の発電を制御した上で、余剰の発電電力で前記２次電池を充電する
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
更に、
外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備え、
前記発電制御手段は、前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されている際に、前記燃料電池の発電電力が前記電力検出手段の検出した前記要求電力を超えた余剰の発電電力を、電力の充電と放電が可能な２次電池への充電を含む電力消費に回す
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
更に、
外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備え、
前記燃料電池は、複数の電池ユニットの集合体として構成されて、各電池ユニットごとに発電すると共に、各電池ユニットごとの発電電力を集電し、
前記供給系は、前記電池ユニットごとに前記燃料と前記酸化剤とを供給し、
前記判定手段は、前記発電制御手段による前記燃料電池の前記電池ユニットごとの発電要否を、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて判定し、
前記発電制御手段は、前記電池ユニットごとに前記供給系での前記供給状況を制御して、前記電池ユニットごとの発電を制御し前記集電された発電電力を出力する
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、燃料電池にて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極層を接合した膜電極接合体の両電極に燃料とその酸化剤、例えば水素ガスと酸素含有ガスとしての空気の供給を受け、水素と酸素の電気化学反応を経て発電する。この電気化学反応は、電解質膜のプロトン伝導を介して進行し、空気供給側のカソードでは水が生成され、この水生成の中間反応として過酸化水素が生成することが知られている。過酸化水素は化学的に不安定な化合物であることから、生成した過酸化水素は容易に分解して、水酸基、いわゆるラジカルを生じる。ラジカルは活性が高いことから、膜電極接合体の酸化分解劣化、詳しくはその電極や電解質膜の酸化分解劣化、延いては電池性能の低下を招きやすいので、過酸化水素の生成抑制を通して電池性能維持を図る手法が種々提案されている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７３２０９号公報
【特許文献２】特開２００８−２２６６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これら特許文献で提案された手法によれば、過酸化水素の生成は抑制できるものの、過酸化水素が全く生成されないようにすることは困難である。このため、僅かとはいえ過酸化水素が生成される余地があるので、その生成された過酸化水素の分解を経て生じるラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化、延いては電池性能の劣化が危惧される。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、生成された過酸化水素の分解を経て生じるラジカルによる劣化抑制の実効性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。
【０００７】
[適用１：燃料電池システム]
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極層を接合した膜電極接合体を有する燃料電池と、
一方の前記電極層に燃料を、他方の前記電極層に前記燃料の酸化剤を供給する供給系と、
該供給系による前記燃料と前記酸化剤の供給状況を制御して、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
該発電制御手段による前記燃料電池の発電の要否を判定する判定手段とを備え、
前記発電制御手段は、
前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されると、前記燃料電池の電極面積当たりの電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるように、前記燃料電池の発電を制御する
ことを要旨とする。
【０００８】
上記構成を備える燃料電池システムでは、判定手段により燃料電池の発電が必要と判定される場合において、発電制御手段により燃料電池の発電が制御され、その発電電力の出力が可能となる。そして、この際の燃料電池の発電制御は、燃料電池の電極面積当たりの電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるようになされ、この電流密度では、膜電極接合体の電解質膜のプロトン伝導を介した電気化学反応は活発に進行する。このため、膜電極接合体における発電領域では、比較的多量の水が生成することになり、電解質膜は多量の水（生成水）により充分に湿潤する。こうした電解質膜の充分な湿潤状況下では、仮に過酸化水素の生成とその分解によりラジカルが生じても、このラジカルは、生成水により分解あるいはクエンチされると考えられる。
【０００９】
この結果、上記構成を備える燃料電池システムによれば、ラジカルによる電解質膜の酸化分解劣化を高い実効性で抑制できることになる。これにより、電解質膜に用いる膜材料の採択の幅が広がり、汎用性が高まる。また、ラジカルによる酸化分解劣化は、膜電極接合体の電極層にても起き得るが、上記した多量の生成水によるラジカルのクエンチまたは分解は、電解質膜に接合した電極層でも起きるので、電極層の酸化分解劣化も高い実効性で抑制でき、これらを通して、上記構成を備える燃料電池システムによれば、電池性能も維持できる。
【００１０】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、判定手段により燃料電池の発電が必要と判定される場合の燃料電池の発電制御を、電流密度が４．０Ａ／ｃｍ２を超えないように行う態様とできる。一般に、燃料電池を電流密度が４．０Ａ／ｃｍ２を超えるような高負荷発電に処すと、電池能力の上限付近もしくはこれを超える発電となるので、出力低下が起き得ると共に、燃料消費との関係からの発電効率においても低下すると指摘されている。よって、上記したような態様では、燃料電池の出力低下や発電効率低下を抑制した上で、既述した劣化抑制を図ることができる。
【００１１】
また、上記した構成の燃料電池システムにおいて、更に、電力の充電と放電が可能な２次電池と、外部の負荷に供給する電力源として前記燃料電池と前記２次電池のいずれかを選択し、該選択した電力源から前記負荷に電力を供給する電力選択手段と、前記負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段とを備えるようにした上で、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて前記発電の要否を判定し、前記燃料電池の発電が必要と判定した際には、前記電力選択手段にて前記電力源を前記燃料電池に選択する態様とできる。こうすれば、例えば、要求電力が０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度での発電電力であるような場合に、燃料電池の発電が必要と判定して既述したように燃料電池を０．６Ａ／ｃｍ２以上という電流密度で発電制御して、その発電電力を負荷に供給できる。つまり、上記の態様によれば、ラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制した上で、燃料電池の発電電力で負荷をその要求電力で運転できる。なお、この態様は、電力選択の観点から見ると、電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるように燃料電池の発電を制御している状況下で、燃料電池を負荷の動力源として選択することを意味する。
【００１２】
上記の態様において、前記２次電池の充電容量を検出する容量手段を備えた上で、前記電力検出手段の検出した前記要求電力が０．６Ａ／ｃｍ２を下回る電流密度での発電電力であって前記要求電力を前記容量検出手段の検出した２次電池の充電容量で賄えない場合には、前記燃料電池の発電が必要と判定して、燃料電池を電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるよう発電制御し、余剰の発電電力で前記２次電池を充電する態様とできる。こうすれば、ラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制した上で、燃料電池或いは２次電池を電力源として負荷をその要求電力で運転しつつ２次電池を充電できる。なお、この態様は、２次電池の充電容量の観点から見ると、要求電力を２次電池の充電容量で賄える場合には、２次電池を負荷の電力源として選択し、燃料電池の運転を行わないようにできることを意味する。
【００１３】
また、上記した構成の燃料電池システムにおいて、更に、外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備えた上で、前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されている際に、前記燃料電池の発電電力が前記電力検出手段の検出した前記要求電力を超えた余剰の発電電力を、電力の充電と放電が可能な２次電池への充電を含む電力消費に回す態様とできる。この態様によれば、燃料電池を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御することで既述したラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制した上で、発電電力の余剰電力で２次電池を充電状態とできる。２次電池を満充電した後の余剰電力については、その他の電力消費、例えば加熱のための発熱体での電力消費等に回すことができる。
【００１４】
また、上記した構成の燃料電池システムにおいて、更に、外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備えた上で、前記燃料電池を、複数の電池ユニットの集合体として構成されて、各電池ユニットごとに発電すると共に、各電池ユニットごとの発電電力を集電するものとし、前記供給系を、前記電池ユニットごとに前記燃料と前記酸化剤とを供給するものとし、前記判定手段を、前記発電制御手段による前記燃料電池の前記電池ユニットごとの発電要否を、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて判定するものとし、前記発電制御手段にて、前記電池ユニットごとに前記供給系での前記供給状況を制御して、前記電池ユニットごとの発電を制御し前記集電された発電電力を出力する態様とできる。この態様によれば、要求電力に応じて発電制御が必要とされた電池ユニットについては、これを０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御することで既述したラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制できる。この場合、発電制御が不要とされた電池ユニットでは、燃料・酸化剤の供給および発電制御がなされないので、ラジカルは生じず、ラジカルによる膜電極接合体の酸化分解については問題とならない。
【００１５】
本発明は、燃料電池の運転方法や、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムを設置して燃料電池を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池搭載車両１０を概略的に平面視して示す説明図である。
【図２】モデル化した電池セルの単体について発電時の電流密度とＭＥＡの電解質膜の分子量低下率との関係を示すグラフである。
【図３】燃料電池搭載車両１０の走行状況とその際の要求出力並びにこの出力のソースとの関係を概略的に示す説明図である。
【図４】制御装置２００にて行われるパワーソース選択と燃料電池１００の発電制御の様子を示すフローチャートである。
【図５】他の実施例における燃料電池１００の発電制御の様子を示すフローチャートである。
【図６】別の実施例における燃料電池１００Ａの構成を概略的に示す説明図である。
【図７】燃料電池１００Ａの発電制御の様子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】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池搭載車両１０を概略的に平面視して示す説明図である。
【００１８】
図示するように、この燃料電池搭載車両１０は、車体１２に、燃料電池システム２０を搭載する。この燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、２次電池１５０と、ＤＣ−ＤＣコンバーター１６０とを備える。燃料電池システム２０は、燃料電池１００の発電電力、或いは２次電池１５０の充電電力を、前輪ＦＷ駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に供給する。
【００１９】
燃料電池１００は、図において概略的に示すように、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極（電極層）を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電単位の電池セルを積層したスタック構造とされ、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に位置する。燃料電池１００におけるＭＥＡの電解質膜は、プロトン伝導性を備えた固体高分子型電解質膜であり、本実施例では炭化水素系電解質膜、或いは、フッ素系電解質膜のいずれも採用できる。炭化水素系電解質膜として、ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテルなど、エンジニアリングプラスチック系高分子をスルホン化した安価な炭化水素系電解質膜などを用いることができる。ここで、ＭＥＡの製造手法について簡単に説明する。
【００２０】
まず、触媒としての白金（Ｐｔ）の微細粒子をプロトン伝導性を有する電解質溶液に分散させ、その分散液を上記した炭化水素系電解質膜の両膜面上にスプレー塗布等の手法で塗布して、炭化水素系電解質膜の両膜面にアノードおよびカソードの電極層を形成する。次いで、この電極層にガスの拡散透過性を有するカーボンペーパー等を熱圧着してガス拡散層を形成してＭＥＡを得る。
【００２１】
燃料電池１００は、上記のＭＥＡを図示しないセパレーターで挟持した電池セルの両電極層（アノード電極層、カソード電極層）に、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から水素ガスと空気の供給を受ける。そして、燃料電池１００は、供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を各電池セルにて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池１００の発電状況は電流センサー１０２にて計測され、その計測結果は電流センサー１０２から後述の制御装置２００に出力される。
【００２２】
水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２とを備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の流量調整バルブ１２３にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２４にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池１００のアノードに供給する。この水素ガス供給量は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した排出管路１２５の開閉バルブ１２６の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを大気放出する。
【００２３】
空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０にて流量調整した上で燃料電池１００のカソードに供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。また、燃料電池システム２０は、上記した供給系の他、冷却媒体の循環供給により燃料電池１００を冷却する図示しない冷却系を有するが、この冷却系は本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。
【００２４】
２次電池１５０は、ＤＣ−ＤＣコンバーター１６０を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００とは別の電力源として機能する。本実施例では、後述するように燃料電池１００を所定の発電状況下で運転することを前提とするので、燃料電池１００の運転停止状態において、２次電池１５０は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１５０としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１５０には、容量検出センサー１５２が接続され、当該センサーは、２次電池１５０の充電状況を検出し、その検出充電量を制御装置２００に出力する。
【００２５】
ＤＣ−ＤＣコンバーター１６０は、２次電池１５０の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１５０の充・放電を制御するとともに、モーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００２６】
制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両１０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状況に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力が燃料電池１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１５０の充電電力で賄うよう、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０の要求電力を燃料電池１００の発電で得る場合には、その要求電力に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量を制御する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター１６０を制御する。
【００２７】
本実施例の燃料電池搭載車両１０では、燃料電池１００の発電運転の要否を判定した上で、燃料電池１００を後述する所定条件下で発電運転することから、まず、燃料電池１００の運転特性について説明する。図２はモデル化した電池セルの単体について発電時の電流密度とＭＥＡの電解質膜の分子量低下率との関係を示すグラフである。この図２のグラフは、次の耐久試験を経て求めた。
【００２８】
試験対象となる単体の電池セルは、既述したように炭化水素系電解質膜（例えば、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化した電解質膜）を用いたＭＥＡを有する電池セルであり、この電池セルに、セル温度が９５℃、アノード露点４５℃、カソード露点５５℃の低加湿条件下で水素ガスおよび空気を供給して、発電させた。そして、この発電の際のＭＥＡの電極面積当たりの電流密度を種々変えつつ、その発電と非発電の繰り返しサイクルを２００時間に亘って継続する耐久試験を行い、試験前後の炭化水素系電解質膜の分子量変化（低下率）を質量分析器等の分析装置で求めた。この場合、２００時間に亘る耐久試験の後に、ＭＥＡから触媒（Ｐｔ）を除去して、耐久試験前後の炭化水素系電解質膜自体の分子量変化（低下率）を計測した。なお、耐久試験前の炭化水素系電解質膜自体の分子量は、試験に先だち予め計測済みであることから、耐久試験前後の炭化水素系電解質膜自体の分子量の計測値から、分子量低下率を算出した。
【００２９】
図２におけるサンプルＡは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを３０秒の非発電と２０秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間（２０秒）での電池セルの発電条件は、０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度である。
【００３０】
図２におけるサンプルＢは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを１０秒の非発電と１０秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間（１０秒）での電池セルの発電条件は、１．２Ａ／ｃｍ２の電流密度である。
【００３１】
図２におけるサンプルＣは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを３０秒の非発電と６０秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間（６０秒）での電池セルの発電条件は、０．１Ａ／ｃｍ２の電流密度である。
【００３２】
図２におけるサンプルＤは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを１８０秒の非発電と６０秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間（６０秒）での電池セルの発電条件は、０．１Ａ／ｃｍ２の電流密度である。
【００３３】
図２におけるサンプルＥは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを３０秒の非発電と１８０秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間（１８０秒）での電池セルの発電条件は、０．４Ａ／ｃｍ２の電流密度である。
【００３４】
図２に示すように、サンプルＡは、分子量低下率にあっても僅か３％程度に過ぎなかった。よって、サンプルＡでは、炭化水素系電解質膜の劣化は殆ど起きていないと想定される。サンプルＢにあっても、分子量低下率にあっても僅か２％程度に過ぎなかった。よって、サンプルＢにあっても、炭化水素系電解質膜の劣化は殆ど起きていないと想定される。上記した２〜３％の分子量低下率は、分析装置の最大測定能力上限とほぼ等しい。なお、１．２Ａ／ｃｍ２より大きな電流密度で電池セルを発電した場合については図示していないが、４．０Ａ／ｃｍ２を超えるような高負荷で電池セルを発電すると、電池能力の上限付近もしくはこれを超える発電となるので、出力低下が起き得ると共に、燃料消費との関係からの発電効率においても低下する。そして、０．６〜１．２Ａ／ｃｍ２までの間においては、分子量低下率はほぼ同程度に測定上限において推移していることから、電池セルを４．０Ａ／ｃｍ２以下の電流密度で発電させても、サンプルＡ〜Ｂとほぼ同様に炭化水素系電解質膜の劣化を抑制できると想定される。
【００３５】
これに対し、サンプルＣは、４０％の分子量低下率が観察された。つまり、サンプルＣでは、サンプルＡ〜Ｂに比して発電電力が小さいにも拘わらず、炭化水素系電解質膜は大きく劣化していると想定される。この電解質膜劣化は、分子量低下を招くことが原因と考えられ、分子量低下は、耐久試験における発電期間で生成された過酸化水素の分解を経て生じたラジカルによる酸化分解によりもたらされると想定される。
【００３６】
また、サンプルＤにあっても、４５％の分子量低下率が観察された。つまり、サンプルＤにあっても、サンプルＣと同様に、ラジカルによる酸化分解が原因の炭化水素系電解質膜の大きな劣化が起きたと想定される。
【００３７】
サンプルＥは、２７％の分子量低下率が観察された。つまり、サンプルＥにあっても、サンプルＣ〜Ｄと同様に、ラジカルによる酸化分解が原因の炭化水素系電解質膜の大きな劣化が起きたと想定される。
【００３８】
図２にプロットした耐久試験から、電池セルを０．６〜４．０Ａ／ｃｍ２の範囲の電流密度で発電運転させれば、炭化水素系電解質膜の劣化を顕著に抑制できることが判明した。この知見を経て、本実施例の燃料電池搭載車両１０では、以下に説明するような燃料電池発電制御とモーター駆動を行うようにした。
【００３９】
図３は燃料電池搭載車両１０の走行状況とその際の要求出力並びにこの出力のソースとの関係を概略的に示す説明図である。図示するように、本実施例の燃料電池搭載車両１０では、渋滞や低速走行と言った低要求出力の状況下では、２次電池１５０（図１参照）をパワーソースとし、加速或いは高速走行状況下では、要求出力も高まることから、燃料電池１００（図１参照）をパワーソースに選択する。しかも、燃料電池１００をパワーソースとした場合には、０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で燃料電池１００を発電運転する。図４は制御装置２００にて行われるパワーソース選択と燃料電池１００の発電制御の様子を示すフローチャートである。
【００４０】
図示するように、制御装置２００は、まず、アクセル１８０の踏込状況等をセンシングしてモーター１７０に求められる負荷要求電力ＹＰを読み込む（ステップＳ１００）。この読込の際には、アクセル１８０の踏込状況の他、燃料電池搭載車両１０の車速、図示しないシフトレバーの操作ポジション（例えば、パーキングポジション、ドライブポジション）等を考慮して、負荷要求電力ＹＰを読み込むようにすることもできる。
【００４１】
次いで、制御装置２００は、その読み込んだ負荷要求電力ＹＰが０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電運転した場合の発電電力以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで肯定判定すれば、その際の負荷要求電力ＹＰを燃料電池１００の発電電力で賄うべく、ステップＳ１２０に移行する。このステップＳ１２０では、モーター１７０のパワーソースとして燃料電池１００を選択した上で、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御する。この場合、制御装置２００は、負荷要求電力ＹＰを賄えるだけの電流密度で燃料電池１００を発電制御する。例えば、負荷要求電力ＹＰが０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置２００は、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電制御する。同様に、負荷要求電力ＹＰが２．０Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置２００は、燃料電池１００を２．０Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電制御する。つまり、ステップＳ１２０において、制御装置２００は、負荷要求電力ＹＰに応じた電流密度で燃料電池１００を発電制御するものの、この際の燃料電池１００の発電制御は、０．６〜４．０Ａ／ｃｍ２の範囲の電流密度での発電制御となる。制御装置２００は、こうして燃料電池１００を発電制御しつつ、その発電電力（＝負荷要求電力ＹＰ）をモーター１７０に出力し（ステップＳ１３０）、モーター１７０をその負荷要求電力ＹＰで駆動する（ステップＳ１５０）。
【００４２】
その一方、ステップＳ１１０において、負荷要求電力ＹＰは０．６Ａ／ｃｍ２を下回る電流密度で燃料電池１００を発電運転した場合の発電電であると否定判定すると、制御装置２００は、この負荷要求電力ＹＰを２次電池１５０の充電電力で賄うべく、ステップＳ１５０に移行してモーター１７０のパワーソースとして２次電池１５０を選択する。次いで、制御装置２００は、容量検出センサー１５２のセンサー出力から２次電池１５０の電池容量ＢＰを読み込み（ステップＳ１６０）、この電池容量ＢＰで負荷要求電力ＹＰを賄えるか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ここで電池容量ＢＰで負荷要求電力ＹＰを賄えると肯定判定すれば、制御装置２００は、負荷要求電力ＹＰに合致した電力で２次電池１５０を放電して負荷要求電力ＹＰをＤＣ−ＤＣコンバーター１６０を介してモーター１７０に出力し（ステップＳ１３０）、モーター１７０をその負荷要求電力ＹＰで駆動する（ステップＳ１５０）。
【００４３】
そして、ステップＳ１７０で２次電池１５０の電池容量ＢＰでは負荷要求電力ＹＰを賄えないと否定定判定すれば、２次電池１５０を充電すべく、ステップＳ１８０に移行する。このステップＳ１８０では、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御する。ステップＳ１８０は、ステップＳ１１０での否定判定（ＹＰ＜０．６Ａ／ｃｍ２発電電力）を受けてのものであるため、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御すると、その発電電力は負荷要求電力ＹＰを上回ることになる。よって、ステップＳ１８０では、その余剰の発電電力にて２次電池１５０を充電し、続くステップＳ１３０にて、負荷要求電力ＹＰの発電電力をモーター１７０に出力し、モーター１７０をその負荷要求電力ＹＰで駆動する（ステップＳ１５０）。この場合、ステップＳ１８０では、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電制御するようにしたり、０．６〜４．０Ａ／ｃｍ２の範囲の所定の電流密度で発電制御するようにできる。
【００４４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム２０では、アクセル１８０の操作状況等により車両走行のためにモーター１７０に求められる負荷要求電力ＹＰに応じて、燃料電池１００の運転要否を判定する。つまり、負荷要求電力ＹＰが燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電運転した場合の発電電力であれば、燃料電池１００の運転が必要と判定して（ステップＳ１１０）、燃料電池１００を負荷要求電力ＹＰに応じた０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電させ、その発電電力にてモーター１７０を駆動する（ステップＳ１３０〜１４０）。つまり、電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるように燃料電池１００の発電制御している状況下で、燃料電池１００をモーター１７０のパワーソースとして選択し、モーター１７０を駆動する。
【００４５】
このように燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電運転すれば、電流密度が大きいことから、燃料電池１００の各電池セルでは、電気化学反応が活発に進行し、電池セルのＭＥＡにおける発電領域では、比較的多量の水が生成する。燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電運転することは、図２におけるサンプルＡ〜Ｂに相当し、これらサンプルＡ〜Ｂは、既述したようにＭＥＡの電解質膜（本実施例では、炭化水素系電解質膜）の劣化は見られない。このことは、高い電流密度での発電運転によりＭＥＡの電解質膜（炭化水素系電解質膜）を多量の生成水で充分に湿潤させることができ、こうした電解質膜の充分な湿潤状況下では、仮に過酸化水素の生成とその分解によりラジカルが生じても、図２にて説明したように、電解質膜の酸化分解を高い実効性で抑制できた（サンプルＡ〜Ｂ）ことを意味する。つまり、・ＯＨと表したラジカルは、生成水によりクエンチまたは分解されるため、電解質膜の酸化分解をもたらさないと考えられ、このことは、図２で説明したサンプルＡ〜Ｂに電解質膜劣化が見られないことに符合する。
【００４６】
この結果、本実施例の燃料電池システム２０によれば、ラジカルの水への変遷を通して、燃料電池１００の電解質膜（炭化水素系電解質膜）の酸化分解劣化を高い実効性で抑制できると共に、電池性能を長期に亘って維持できる。また、炭化水素系電解質膜は安価で汎用性が高いことから、この炭化水素系電解質膜を燃料電池１００のＭＥＡに用いることで、燃料電池システム２０、延いては燃料電池搭載車両１０のコスト低下を図ることができる。
【００４７】
また、本実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池１００を負荷要求電力ＹＰに応じて０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電運転するに当たり、電流密度が４．０Ａ／ｃｍ２を超えないようにした。このため、電流密度が４．０Ａ／ｃｍ２を超えるような高負荷発電では燃料電池１００を発電運転しないので、電池能力の上限付近もしくはこれを超える発電による出力低下や燃料消費との関係からの発電効率低下を招かないようにした上で、電解質膜劣化の抑制を図ることができる。
【００４８】
また、本実施例の燃料電池システム２０では、モーター１７０に求められる負荷要求電力ＹＰが小さい場合には（ステップＳ１１０：否定判定）、燃料電池１００を発電運転しないので、こうした場合におけるＭＥＡの電解質膜劣化を招かない。その上で、負荷要求電力ＹＰが小さい場合には、２次電池１５０をパワーソースに選択して（ステップＳ１５０）、２次電池１５０の充電電力でこの負荷要求電力ＹＰを賄い（ステップＳ１７０：肯定判定）、２次電池１５０の充電電力で負荷要求電力ＹＰを賄えない場合には、燃料電池１００を電流密度が０．６Ａ／ｃｍ２以上となるよう発電制御して（ステップＳ１８０）、余剰の発電電力で２次電池１５０を充電する。このため、本実施例の燃料電池システム２０によれば、ラジカルによる燃料電池１００のＭＥＡの酸化分解劣化を抑制した上で、燃料電池１００或いは２次電池１５０を電力源としてモーター１７０をその要求電力で運転しつつ２次電池１５０を充電できる。
【００４９】
次に、他の実施例について説明する。この実施例は、燃料電池１００の運転が必要と判定した場合には、燃料電池１００を定常的に運転させる点に特徴がある。図５は他の実施例における燃料電池１００の発電制御の様子を示すフローチャートである。
【００５０】
図示するように、この実施例では、まず、燃料電池１００の発電要否を判定する（ステップＳ２００）。例えば、シフトレバーがある程度の期間に亘ってパーキングポジションにあるような場合は、車両は停車を継続していると予想される。こうした停車中には、大きな電力を必要としないので、燃料電池１００を運転することなく本ルーチンを終了する。なお、車両停車中において車室オーディオ等がオンとされても、こうした場合の電力は２次電池１５０で通常賄うことができ、支障はない。なお、後述するように、この実施例では、２次電池１５０の充電状態を燃料電池１００の余剰電力により満充電に維持することから、２次電池１５０の電力だけで車両発進に必要な電力を賄うことも可能である。
【００５１】
一方、ステップＳ２００で燃料電池１００の運転が必要と判定すれば、負荷要求電力ＹＰの読み込み（ステップＳ２１０）に続いて、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御する（ステップＳ２２０）。次に、読み込んだ負荷要求電力ＹＰが０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電運転した場合の発電電力以上であるか否かを判定する（ステップＳ２３０）。０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電運転した場合の発電電力は、車両が低速走行している際に必要とされる電力に相当するため、ステップＳ２３０では、車両が低速から高速の走行状態にある場合に肯定判定され、車両が一時停止や渋滞走行等にある場合に否定判定される。
【００５２】
ステップＳ２３０で肯定判定すれば、ステップＳ２２０にて０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御されている燃料電池１００の発電電力ＦＰ（＝負荷要求電力ＹＰ）をモーター１７０に出力し（ステップＳ２４０）、モーター１７０をその負荷要求電力ＹＰで駆動する（ステップＳ２５０）。なお、ステップＳ２２０では、０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で燃料電池１００を発電制御した上で、負荷要求電力ＹＰ（＝０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度でお発電電力）を賄えるよう燃料電池１００を発電制御する。例えば、負荷要求電力ＹＰが０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置２００は、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電制御する。同様に、負荷要求電力ＹＰが２．０Ａ／ｃｍ２の電流密度で燃料電池１００を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置２００は、燃料電池１００を２．０Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電制御する。その一方、負荷要求電力ＹＰが０．６Ａ／ｃｍ２より小さい電流密度で燃料電池１００を発電制御した場合の発電電力であっても、制御装置２００は、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電制御し、この場合には、後述のステップＳ２６０に以降する。つまり、ステップＳ２２０において、制御装置２００は、負荷要求電力ＹＰに応じた電流密度で燃料電池１００を発電制御するものの、この際の燃料電池１００の発電制御は、０．６〜４．０Ａ／ｃｍ２の範囲の電流密度での発電制御となる。
【００５３】
その一方、ステップＳ２３０において、負荷要求電力ＹＰは０．６Ａ／ｃｍ２を下回る電流密度で燃料電池１００を発電運転した場合の発電電であると否定判定すると、燃料電池１００は、負荷要求電力ＹＰを上回る発電電力ＦＰとなるよう発電運転していることになる。よって、この場合は、ステップＳ２６０に移行して、発電電力ＦＰと負荷要求電力ＹＰの差分である余剰電力を出力し、負荷要求電力ＹＰに相当する発電電力ＦＰをモーター１７０に出力し（ステップＳ２４０）、モーター１７０をその負荷要求電力ＹＰで駆動する（ステップＳ２５０）。
【００５４】
上記した実施例では、ステップＳ２６０での余剰電力出力を、種々の手法で行うことができ、まず第１に、２次電池１５０を満充電となるよう余剰電力で充電する。２次電池１５０を満充電としてもまだ余剰電力がある場合は、その余剰電力を消費に回せばよい。例えば、車両走行中において、ギヤを一段階落としてモーター回転数を上げることで車速を概ね維持しつつ電力消費を図るようにできる。或いは、動力伝達機構のクラッチを遮断してモーター空転を起こして電力消費を図ったり、車両搭載の他のモーター、例えばエアコン用のモーターで消費したり、暖房用ヒーターへの通電により消費したりできる。つまり、この実施例では、燃料電池１００を０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御することで既述したようにＭＥＡの酸化分解劣化を抑制した上で、余剰電力を２次電池１５０の満充電等の他の用途に有効利用できる。
【００５５】
次に、また別の実施例について説明する。図６は別の実施例における燃料電池１００Ａの構成を概略的に示す説明図、図７は燃料電池１００Ａの発電制御の様子を示すフローチャートである。
【００５６】
図６に示すように、燃料電池１００Ａは、電池セルを所定数積層した電池スタックを複数備えた電池ユニット集合体として構成され、各電池ユニットごとに発電する。この場合、水素ガスおよび空気は、各電池ユニットの電池セルにおけるＭＥＡに供給されるよう構成され、その供給量は、電池ユニットごとに制御される。また、燃料電池１００Ａは、各電池ユニットごとの発電電力を集電して外部に出力できるよう構成されている。
【００５７】
この燃料電池１００Ａの発電運転に際しては、図７に示すように、まず、左記の実施例と同様にシフトレバー位置等により燃料電池１００の発電要否を判定し（ステップＳ３００）、発電不要であれば本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ３００で燃料電池１００の運転が必要と判定すれば、負荷要求電力ＹＰを読み込み（ステップＳ３１０）、その読み込んだ負荷要求電力ＹＰを賄うだけの発電を行う燃料電池１００Ａでのスタック数の決定と、その決定した数のスタックの各電池セルを０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御する（ステップＳ３２０）。例えば、燃料電池１００Ａにおける一つのスタックの各電池セルを０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で発電運転した場合のスタック発電電力ＳＦＰで、負荷要求電力ＹＰを除算して、負荷要求電力ＹＰを賄うに足りる燃料電池１００Ａのスタック数を決定し、その決定した数のスタックの各電池セルを０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御する。そして、それぞれのスタックで得たスタック発電電力ＳＦＰを集電した集電電力（＝負荷要求電力ＹＰ）をモーター１７０に出力し（ステップＳ３３０）、モーター１７０をその負荷要求電力ＹＰで駆動する（ステップＳ３４０）。
【００５８】
上記した実施例では、負荷要求電力ＹＰに応じて発電制御が必要とされた燃料電池１００Ａの電池スタックについては、これを０．６Ａ／ｃｍ２以上の電流密度で発電制御することで既述したラジカルによるＭＥＡの酸化分解劣化を抑制できる。その一方、発電制御が不要とされた電池スタックでは、水素ガスと空気の供給および発電制御がなされないので電気化学反応は起きず、ラジカルは生じない。よって、発電不要の電池スタックでは、ラジカルによるＭＥＡの酸化分解については問題とならず、劣化を来さないようにできる。
【００５９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、上記の実施例では、燃料電池１００のＭＥＡを炭化水素系電解質膜を有するものとしたが、フッ素系電解質膜といった他の電解質膜を有するＭＥＡとすることもできる。また、燃料電池システム２０については、燃料電池搭載車両１０に搭載するほか、定置式の発電システムとして適用することもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池搭載車両
１２…車体
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１００Ａ…燃料電池
１０２…電流センサー
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…循環経路
１２３…流量調整バルブ
１２４…循環ポンプ
１２５…排出管路
１２６…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給経路
１４２…放出経路
１４３…排出流量調整バルブ
１５０…２次電池
１５２…容量検出センサー
１６０…ＤＣ−ＤＣコンバーター
１７０…モーター
１８０…アクセル
２００…制御装置
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
【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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