(57)【要約】【課題】触媒層に含まれる白金の粒径に応じてリフレッシュ処理の実施態様を変更することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備える。制御手段は、粒径測定推定手段で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合に、性能回復処理の実施回数を所定回数よりも多く設定するか又は性能回復処理の下限電圧を所定電圧よりも低く設定する。【選択図】図３
2013258038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備え、
前記制御手段は、前記粒径測定推定手段で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値以上である場合における前記性能回復処理の実施回数を、前記粒径測定推定手段で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値未満である場合における前記性能回復処理の実施回数よりも多く設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備え、
前記制御手段は、前記粒径測定推定手段で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値以上である場合における前記性能回復処理の下限電圧を、前記粒径測定推定手段で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値未満である場合における前記性能回復処理の下限電圧よりも低く設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項３】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備え、
前記制御手段は、前記粒径測定推定手段で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値以上である場合に、前記性能回復処理の実施回数を所定回数よりも多く設定するか又は前記性能回復処理の下限電圧を所定電圧よりも低く設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項４】
前記粒径測定推定手段は、前記燃料電池の出力電力に基づいて前記粒径を推定するものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記粒径測定推定手段は、前記燃料電池の出力電圧の低下割合に基づいて前記粒径を推定するものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記粒径測定推定手段は、前記触媒層に含まれる白金の粒径を実際に測定するものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備え、前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施するように構成された燃料電池システムの制御方法であって、
前記触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定工程と、
前記粒径測定推定工程で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値以上である場合における前記性能回復処理の実施回数を、前記粒径測定推定工程で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値未満である場合における前記性能回復処理の実施回数よりも多く設定する性能回復処理条件変更工程と、を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備え、前記燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施するように構成された燃料電池システムの制御方法であって、
前記触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定工程と、
前記粒径測定推定工程で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値以上である場合における前記性能回復処理の下限電圧を、前記粒径測定推定工程で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値未満である場合における前記性能回復処理の下限電圧よりも低く設定する性能回復処理条件変更工程と、を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備え、前記燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施するように構成された燃料電池システムの制御方法であって、
前記触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定工程と、
前記粒径測定推定工程で測定又は推定した前記粒径が所定の閾値以上である場合に、前記性能回復処理の実施回数を所定回数よりも多く設定するか又は前記性能回復処理の下限電圧を所定電圧よりも低く設定する性能回復処理条件変更工程と、を含む、
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、触媒活性化機能を有する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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が実用化されている。燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギを電気エネルギに直接変換する発電システムである。燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アセンブリを有する。一対の電極の各々は、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層と、を有する。
【０００３】
このような膜−電極アセンブリを有する単体の燃料電池（セル）は、複数枚積層された状態で使用に供されるのが一般的であるが、セル電圧が酸化電圧（約０．７Ｖ〜１．０Ｖ）になる運転領域で電池運転を継続すると、触媒層の白金触媒表面への酸化皮膜形成により白金触媒の有効面積が減少し、触媒層の性能ひいては発電性能が低下することがある。かかる事情に鑑み、現在においては、燃料電池のカソード電位（空気極電位）を周期的に０．６Ｖ以下に低下させることにより、白金触媒表面から酸化皮膜を除去して発電性能を回復する処理（以下、「性能回復処理」又は「リフレッシュ処理」と称する。）を実施する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５３６２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記した特許文献１に記載されたようなリフレッシュ処理を実施すると、白金の粒径の成長を促進してしまうことが近年明らかになってきている。このため、白金の凝集がそれほど発生しておらず粒径が比較的小さい初期の状態においてリフレッシュ処理を頻繁に実施すると、粒径の成長に起因して発電性能が却って低下してしまうという問題がある。一方、白金の粒径が大きくなった場合には、リフレッシュ処理を実施して発電性能を回復させる必要がある。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、触媒層に含まれる白金の粒径に応じてリフレッシュ処理の実施態様を変更することができる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】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る第一の燃料電池システムは、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備え、制御手段は、粒径測定推定手段で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合における性能回復処理の実施回数を、粒径測定推定手段で測定又は推定した粒径が所定の閾値未満である場合における性能回復処理の実施回数よりも多く設定するものである。
【０００８】
本発明に係る第一の制御方法は、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備え、燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施するように構成された燃料電池システムの制御方法であって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定工程と、粒径測定推定工程で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合における性能回復処理の実施回数を、粒径測定推定工程で測定又は推定した粒径が所定の閾値未満である場合における性能回復処理の実施回数よりも多く設定する性能回復処理条件変更工程と、を含むものである。
【０００９】
かかる構成及び方法を採用すると、触媒層に含まれる白金の粒径が比較的大きい（所定の閾値以上である）場合に性能回復処理の実施回数を比較的多くすることができる。従って、燃料電池の発電性能を確保することができる。白金の粒径が比較的大きい場合には粒径の成長速度が比較的小さいため、性能回復処理の実施回数を増加させても粒径が著しく成長することはなく、問題とならない。一方、触媒層に含まれる白金の粒径が比較的小さい（所定の閾値未満である）場合には、性能回復処理の実施回数を比較的少なくすることができる。白金の粒径が比較的小さい場合には粒径の成長速度が比較的大きいため、性能回復処理の実施回数を少なくすることにより、性能回復処理の実施に起因する粒径の成長を抑制することができる。白金の粒径が比較的小さい場合には、性能回復処理の必要性・緊急性がそれほど高くないため、性能回復処理の実施回数を抑えても問題とならない。
【００１０】
本発明に係る第二の燃料電池システムは、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備え、制御手段は、粒径測定推定手段で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合における性能回復処理の下限電圧を、粒径測定推定手段で測定又は推定した粒径が所定の閾値未満である場合における性能回復処理の下限電圧よりも低く設定するものである。
【００１１】
本発明に係る第二の制御方法は、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備え、燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施するように構成された燃料電池システムの制御方法であって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定工程と、粒径測定推定工程で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合における性能回復処理の下限電圧を、粒径測定推定工程で測定又は推定した粒径が所定の閾値未満である場合における性能回復処理の下限電圧よりも低く設定する性能回復処理条件変更工程と、を含むものである。
【００１２】
かかる構成及び方法を採用すると、触媒層に含まれる白金の粒径が比較的大きい（所定の閾値以上である）場合に性能回復処理の下限電圧を比較的低くすることができる。従って、燃料電池の発電性能を確保することができる。白金の粒径が比較的大きい場合には粒径の成長速度が比較的小さいため、性能回復処理の下限電圧を低下させても粒径が著しく成長することはなく、問題とならない。一方、触媒層に含まれる白金の粒径が比較的小さい（所定の閾値未満である）場合には、性能回復処理の下限電圧を比較的高くすることができる。白金の粒径が比較的小さい場合には粒径の成長速度が比較的大きいため、性能回復処理の下限電圧を上昇させることにより、性能回復処理の実施に起因する粒径の成長を抑制することができる。白金の粒径が比較的小さい場合には、性能回復処理の必要性・緊急性がそれほど高くないため、性能回復処理の下限電圧を上昇させても問題とならない。
【００１３】
本発明に係る第三の燃料電池システムは、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定手段を備え、制御手段は、粒径測定推定手段で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合に、性能回復処理の実施回数を所定回数よりも多く設定するか又は性能回復処理の下限電圧を所定電圧よりも低く設定するものである。
【００１４】
本発明に係る第三の制御方法は、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備え、燃料電池の出力電圧を下限電圧まで低下させることにより触媒層の性能回復処理を実施するように構成された燃料電池システムの制御方法であって、触媒層に含まれる白金の粒径を測定又は推定する粒径測定推定工程と、粒径測定推定工程で測定又は推定した粒径が所定の閾値以上である場合に、性能回復処理の実施回数を所定回数よりも多く設定するか又は性能回復処理の下限電圧を所定電圧よりも低く設定する性能回復処理条件変更工程と、を含むものである。
【００１５】
かかる構成及び方法を採用すると、触媒層に含まれる白金の粒径が比較的大きい（所定の閾値以上である）場合に、性能回復処理の実施回数を比較的（所定回数よりも）多くするか又は性能回復処理の下限電圧を比較的（所定電圧よりも）低くすることができる。従って、燃料電池の発電性能を確保することができる。白金の粒径が比較的大きい場合には粒径の成長速度が比較的小さいため、性能回復処理の実施回数を増加させたり下限電圧を低下させたりしても粒径が著しく成長することはなく、問題とならない。一方、触媒層に含まれる白金の粒径が比較的小さい（所定の閾値未満である）場合には、性能回復処理の実施回数を比較的少なくするか又は性能回復処理の下限電圧を比較的高くすることができる。白金の粒径が比較的小さい場合には粒径の成長速度が比較的大きいため、性能回復処理の実施回数を少なくしたり下限電圧を上昇させたりすることにより、性能回復処理の実施に起因する粒径の成長を抑制することができる。白金の粒径が比較的小さい場合には、性能回復処理の必要性・緊急性がそれほど高くないため、性能回復処理の実施回数を少なくしたり下限電圧を上昇させたりしても問題とならない。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電力に基づいて粒径を推定する粒径測定推定手段を採用することができる。また、粒径測定推定手段は、燃料電池の出力電圧の低下割合に基づいて粒径を推定するものであってもよく、触媒層に含まれる白金の粒径を実際に測定するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、触媒層に含まれる白金の粒径に応じてリフレッシュ処理の実施態様を変更することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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に示す燃料電池システムの燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの運転時にリフレッシュ処理を実施する手順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】
【００１９】
以下、各図を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０と、を備えている。
【００２１】
燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-               …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ    …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ             …（３）
【００２２】
図２は、燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。セル２１は、高分子電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、高分子電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。
【００２３】
ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。
【００２４】
リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。
【００２５】
アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし高分子電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂと、を有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。
【００２６】
より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。
【００２７】
高分子電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アセンブリ２５が形成される。
【００２８】
図１に戻り、燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ７１、出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。
【００２９】
酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４と、を有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１と、が設けられている。
【００３０】
酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５と、が設けられている。
【００３１】
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極２３に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６と、を有している。
【００３２】
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。
【００３３】
循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６と、が接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出（パージ）する。
【００３４】
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。
【００３５】
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ（蓄電装置）５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。
【００３６】
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、その残容量であるＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。
【００３７】
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００３８】
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００３９】
コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００４０】
補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００４１】
コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。
【００４２】
燃料電池スタック２０では、上述の（１）式に示すように、アノード極２３で生成された水素イオンが電解質膜２２を透過してカソード極２４に移動し、カソード極２４に移動した水素イオンは、上述の（２）式に示すように、カソード極２４に供給されている酸化ガス中の酸素と電気化学反応を起こし、酸素の還元反応を生じさせる。その結果、触媒層２４ａの白金触媒表面を酸化皮膜が覆って有効面積が減少し、発電効率（出力特性）が低下する。
【００４３】
そこで、コントローラ６０は、所定の実施タイミングにおいて、セル電圧を所定の下限電圧（リフレッシュ電圧）まで所定時間（リフレッシュ時間）引き下げることによって、酸化皮膜を還元し、触媒表面から酸化皮膜を取り除くリフレッシュ処理を実施する。より詳細には各セルの電圧（燃料電池スタック２０の出力電圧）を所定時間降下させることによって、出力電流を増加させ、触媒層２４ａにおける電気化学反応を酸化反応領域から還元反応領域に遷移させて触媒活性を回復させるものである。
【００４４】
このように、リフレッシュ処理は、燃料電池スタック２０の発電効率低下の抑制に不可欠なものである。しかしながら、このようなリフレッシュ処理を実施すると、白金の粒径の成長を促進してしまうことが近年明らかになってきている。このため、白金の凝集がそれほど発生しておらず粒径が比較的小さい初期の状態においてリフレッシュ処理を頻繁に実施すると、粒径の成長に起因して発電性能が却って低下してしまう。
【００４５】
そこで、本発明においては、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径に応じてリフレッシュ処理の実施態様を変更するようにしている。具体的には、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の出力電力に基づいて触媒層２４ａに含まれる白金の粒径を推定し、推定した粒径が所定の閾値以上である場合に、リフレッシュ処理の実施回数を予め設定しておいた所定回数よりも多く設定する。すなわち、コントローラ６０は、本発明における粒径測定推定手段及び制御手段として機能するものである。
【００４６】
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、燃料電池システム１０の通常負荷運転中におけるリフレッシュ処理について説明する。
【００４７】
燃料電池システム１０は、運転負荷に応じて、燃料電池スタック２０の運転モードを切り替えることにより発電効率の向上を図ることが行なわれている。例えば、燃料電池システム１０は、発電効率の高い高負荷領域（発電要求が所定値以上となる運転領域）では、アクセル開度や車速などを基に燃料電池スタック２０の発電指令値を算出して運転制御し、車両走行に要する電力やシステム運用上必要な電力を燃料電池スタック２０による発電電力のみによって又は燃料電池スタック２０による発電電力とバッテリ５２からの電力とによって賄う通常負荷運転を実施する。
【００４８】
この通常負荷運転中は、燃料電池スタック２０の出力電圧が負荷に応じて変動しており、そのときの発電電圧は、触媒層２４ａの白金触媒表面に酸化皮膜が形成される電圧であるときと、酸化皮膜が除去される電圧であるときと、が混在し、酸化皮膜量は増減を繰り返す。
【００４９】
通常負荷運転中、コントローラ６０は、所定の制御周期で図３に示すサブルーチンをメインルーチンから呼び出す。このサブルーチンにおいては、まず、リフレッシュ処理の要否判定を行なう（図３のステップＳ１）。このステップＳ１では、例えば、触媒層２４ａの白金触媒表面に形成された酸化皮膜量が所定量Ａ以上であるか否かの判定が行なわれる。このとき、コントローラ６０は、例えば前回実施したリフレッシュ処理からの経過時間と、燃料電池スタック２０の発電電流と、酸化皮膜量と、の相関関係を示すマップを参照することにより、酸化皮膜量を推定することができる。このマップは、実験やシミュレーション結果に基づき作成され、コントローラ６０内のメモリに記憶されている。
【００５０】
コントローラ６０は、ステップＳ１の判定結果が「Ｎｏ」である場合、つまり、触媒層２４ａの白金触媒表面に形成された酸化皮膜の量が所定量Ａ以下であり、リフレッシュ処理が不要である場合は、ステップＳ２以降の全ての処理をスキップし、メインルーチンに処理を戻す。
【００５１】
一方、コントローラ６０は、ステップＳ１の判定結果が「Ｙｅｓ」である場合、つまり、触媒層２４ａの白金触媒表面に形成された酸化皮膜量が所定量Ａを超えていてリフレッシュ処理が必要である場合は、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径を推定し、推定した粒径が所定の閾値Ｂ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。本実施形態におけるステップＳ２では、コントローラ２０は、燃料電池スタック２０の出力電力と、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径と、の相関関係を示すマップを参照することにより、白金の粒径を推定することとしている。出力電力と白金粒径との相関関係を示すマップは、実験やシミュレーション結果に基づいて作成され、コントローラ６０内のメモリに記憶されている。ステップＳ２は、本発明における粒径測定推定工程に相当するものである。
【００５２】
コントローラ６０は、ステップＳ２の判定結果が「Ｎｏ」である場合、つまり、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が所定の閾値Ｂ未満である場合は、予め設定されたリフレッシュ処理条件（実施回数及びリフレッシュ電圧）を変更することなくリフレッシュ処理を実施する（ステップＳ３）。このステップＳ３では、コントローラ６０は、所定のリフレッシュ電圧までセル電圧を降下させたリフレッシュ処理を、所定のリフレッシュ時間だけ行う。コントローラ６０は、このようなリフレッシュ処理を所定の時間間隔をおいて繰返し実施し、実施回数が所定の実施回数に到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。そして、その判定結果が「Ｎｏ」の場合、つまり、リフレッシュ処理の実施回数が所定の実施回数に到達していない場合には、判定結果が「Ｙｅｓ」となるまでリフレッシュ処理を繰返し実施する。
【００５３】
一方、コントローラ６０は、ステップＳ２の判定結果が「Ｙｅｓ」である場合、つまり、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が所定の閾値Ｂ以上である場合は、予め設定されていたリフレッシュ処理条件を変更する（ステップＳ５）。本実施形態におけるステップＳ５では、コントローラ６０は、リフレッシュ処理の実施回数を、白金粒径が所定の閾値Ｂ未満である場合における実施回数よりも多く設定する。ステップＳ５は、本発明における性能回復処理条件変更工程に相当するものである。
【００５４】
そして、コントローラ６０は、ステップＳ５によって変更されたリフレッシュ処理条件（変更後の実施回数）の下でリフレッシュ処理を実施する。すなわち、コントローラ６０は、所定のリフレッシュ電圧までセル電圧を降下させたリフレッシュ処理を所定のリフレッシュ時間だけ行い（ステップＳ６）、そのリフレッシュ処理の実施回数が変更後の実施回数に到達したか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、その判定結果が「Ｎｏ」の場合、つまり、リフレッシュ処理の実施回数が変更後の実施回数に到達していない場合には、判定結果が「Ｙｅｓ」となるまでリフレッシュ処理を繰返し実施する。
【００５５】
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、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が比較的大きい（所定の閾値Ｂ以上である）場合にリフレッシュ処理の実施回数を比較的多くすることができる。従って、燃料電池スタック２０の発電性能を確保することができる。白金の粒径が比較的大きい場合には粒径の成長速度が比較的小さいため、リフレッシュ処理の実施回数を増加させても粒径が著しく成長することはなく、問題とならない。一方、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が比較的小さい（所定の閾値Ｂ未満である）場合には、リフレッシュ処理の実施回数を比較的少なくすることができる。白金の粒径が比較的小さい場合には粒径の成長速度が比較的大きいため、リフレッシュ処理の実施回数を少なくすることにより、リフレッシュ処理の実施に起因する粒径の成長を抑制することができる。白金の粒径が比較的小さい場合には、リフレッシュ処理の必要性・緊急性がそれほど高くないため、リフレッシュ処理の実施回数を抑えても問題とならない。
【００５６】
なお、以上の実施形態のステップＳ５においては、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が所定の閾値Ｂ以上である場合にリフレッシュ処理の実施回数を増加させた例を示したが、このようにリフレッシュ処理の実施回数を増加させる代わりに（又は増加させることに加え）、他のリフレッシュ条件を変更することができる。例えば、白金粒径が所定の閾値Ｂ以上である場合におけるリフレッシュ電圧を、白金粒径が所定の閾値Ｂ未満である場合におけるリフレッシュ電圧よりも低く設定することができる。
【００５７】
このようにすると、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が比較的大きい（所定の閾値Ｂ以上である）場合にリフレッシュ処理のリフレッシュ電圧を比較的低くすることができる。従って、燃料電池スタック２０の発電性能を確保することができる。白金の粒径が比較的大きい場合には粒径の成長速度が比較的小さいため、リフレッシュ処理のリフレッシュ電圧を低下させても粒径が著しく成長することはなく、問題とならない。一方、触媒層２４ａに含まれる白金の粒径が比較的小さい（所定の閾値Ｂ未満である）場合には、リフレッシュ処理のリフレッシュ電圧を比較的高くすることができる。白金の粒径が比較的小さい場合には粒径の成長速度が比較的大きいため、リフレッシュ処理のリフレッシュ電圧を上昇させることにより、リフレッシュ処理の実施に起因する粒径の成長を抑制することができる。白金の粒径が比較的小さい場合には、リフレッシュ処理の必要性・緊急性がそれほど高くないため、リフレッシュ処理のリフレッシュ電圧を上昇させても問題とならない。
【００５８】
また、以上の実施形態においては、燃料電池スタック２０の出力電力に基づいて触媒層２４ａに含まれる白金の粒径を推定するコントローラ６０を粒径測定推定手段として採用した例を示したが、他の粒径測定推定手段を採用することもできる。例えば、燃料電池スタック２０の性能曲線（Ｉ−Ｖ曲線）上において一定の低出力電流に対応する高出力電圧をモニタリングし、この高出力電圧の低下割合に基づいて白金の粒径を推定するコントローラを粒径測定推定手段として採用してもよい。また、白金の粒径を実際に測定するセンサを粒径測定推定手段として採用することもできる。
【００５９】
また、以上の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ユニットを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池ユニットを、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。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック、２２…高分子電解質膜、２３…アノード極（電極）、２４…カソード極（電極）、２４ａ…触媒層、２５…膜−電極アセンブリ、６０…コントローラ（制御手段、粒径測定推定手段）。
【図１】
2013258038.tif 000003
【図２】
2013258038.tif 000004
【図３】
2013258038.tif 000005