(57)【要約】【課題】  触媒の形態変化の進行を抑制しつつ、燃費悪化を抑制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】  燃料電池システム（１００）は、触媒を備える燃料電池（３０）と、燃料電池の起動時に燃料電池に発電させつつ燃料電池のカソードの電位を開回路電位よりも低い値に制御する電位低下制御を行う制御手段（７０）と、触媒の形態変化を検出する検出手段（４０）とを備え、制御手段は、触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に、電位低下制御を禁止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に発電させつつ前記燃料電池のカソードの電位を開回路電位よりも低い値に制御する電位低下制御を行う制御手段と、
前記燃料電池の触媒の形態変化を検出する検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に、前記電位低下制御を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出手段は、前記触媒の有効表面積に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出手段は、前記触媒におけるプロトン脱離電気量に基づいて、前記触媒の有効表面積を検出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検出手段は、前記燃料電池の電流密度が所定値以下の場合におけるセル電圧に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記検出手段は、前記燃料電池のセル電圧が所定値以上の場合における電流密度に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記検出手段は、前記触媒における活性化過電圧に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に発電させつつ前記燃料電池のカソードの電位を開回路電位よりも低い値に制御する電位低下制御ステップと、
前記燃料電池の触媒の形態変化を検出する検出ステップと、
前記触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に、前記電位低下制御ステップを禁止する禁止ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項９】
前記検出ステップは、前記触媒の有効表面積に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出するステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
前記検出ステップは、前記触媒におけるプロトン脱離電気量に基づいて、前記触媒の有効表面積を検出するステップであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
前記検出ステップは、前記燃料電池の電流密度が所定値以下の場合におけるセル電圧に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出するステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
前記検出ステップは、前記燃料電池のセル電圧が所定値以上の場合における電流密度に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出するステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
前記検出ステップは、前記触媒における活性化過電圧に基づいて、前記触媒の形態変化の進行度を検出するステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
このような燃料電池の起動時には、反応ガスが燃料極および酸素極に供給される。この場合、燃料電池は高電位無負荷の状態にある。高電位無負荷の状態で放置されると、燃料電池の触媒の形態が変化してしまう。したがって、燃料電池の起動時に高電位になっているカソードの電位を低下させることが好ましい。
【０００４】
そこで、燃料電池の起動初期に、燃料極に水素を流して負荷をかけながら高電位上昇を抑制し、燃料極が水素に完全に置換された後に酸素極に空気を流して起動する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１６４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、触媒の形態変化速度は、形態変化が進行するにつれて小さくなる。したがって、触媒の形態変化がある程度進行した後においては、特許文献１に係る電位低下制御を行っても触媒の形態変化の抑制効果が小さくなり、この場合、電位低下制御における水素の消費によって、燃費が悪化するデメリットの方が大きくなる。
【０００７】
本発明は、触媒の形態変化の進行を抑制しつつ、燃費悪化を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転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】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の起動時に燃料電池に発電させつつ燃料電池のカソードの電位を開回路電位よりも低い値に制御する電位低下制御を行う制御手段と、燃料電池の触媒の形態変化を検出する検出手段とを備え、制御手段は、触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に、電位低下制御を禁止することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、電位低下制御が行われることから、触媒の形態変化の進行を抑制することができる。ここで、触媒の形態変化率は、燃料電池の累積作動時間が大きくなるほど低下する。したがって、触媒の形態変化がある一定以上進行すると、電位低下制御を行っても反応ガスを無駄に消費することになる。しかしながら、本発明に係る燃料電池システムにおいては、触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に電位低下制御が禁止される。それにより、燃費悪化を抑制することができる。
【００１０】
検出手段は、触媒の有効表面積に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出してもよい。検出手段は、触媒におけるプロトン脱離電気量に基づいて、触媒の有効表面積を検出してもよい。
【００１１】
検出手段は、燃料電池の電流密度が所定値以下の場合におけるセル電圧に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出してもよい。また、検出手段は、燃料電池のセル電圧が所定値以上の場合における電流密度に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出してもよい。検出手段は、触媒における活性化過電圧に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出してもよい。これらの場合、検出手段は、燃料電池の発電中に触媒の形態変化の進行度を検出することができる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池の起動時に燃料電池に発電させつつ燃料電池のカソードの電位を開回路電位よりも低い値に制御する電位低下制御ステップと、燃料電池の触媒の形態変化を検出する検出ステップと、触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に電位低下制御ステップを禁止する禁止ステップと、を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る燃料電池の運転方法においては、電位低下制御が行われることから、触媒の形態変化の進行を抑制することができる。また、本発明に係る燃料電池システムにおいては、触媒の形態変化の進行度が所定値以上になった場合に電位低下制御ステップが禁止される。それにより、燃費悪化を抑制することができる。
【００１４】
検出ステップは、触媒の有効表面積に基づいて触媒の形態変化の進行度を検出するステップであってもよい。また、検出ステップは、触媒におけるプロトン脱離電気量に基づいて、触媒の有効表面積を検出するステップであってもよい。また、検出ステップは、燃料電池の電流密度が所定値以下の場合におけるセル電圧に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出するステップであってもよい。また、検出ステップは、燃料電池のセル電圧が所定値以上の場合における電流密度に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出するステップであってもよい。また、検出ステップは、触媒における活性化過電圧に基づいて、触媒の形態変化の進行度を検出するステップであってもよい。また、燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、触媒の形態変化の進行を抑制しつつ、燃費悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１および図２を参照しつつ、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図２は、後述するセル３１の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給手段１０、燃料ガス供給手段２０、燃料電池３０、電圧計３２、ポテンショスタット４０、負荷５０、スイッチ６０および制御手段７０を備える。
【００１８】
酸化剤ガス供給手段１０は、燃料電池３０に酸素を含有する酸化剤ガスを供給するための装置である。酸化剤ガス供給手段１０として、例えばエアポンプ等を用いることができる。酸化剤ガス供給手段１０は、制御手段７０の指示に従って、酸化剤ガスを燃料電池３０に供給する。燃料ガス供給手段２０は、燃料電池３０に水素を含有する燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給手段２０として、例えば液体水素タンク、圧縮水素タンク、改質器等を用いることができる。燃料ガス供給手段２０は、制御手段７０の指示に従って、燃料ガスを燃料電池３０に供給する。
【００１９】
燃料電池３０は、複数のセル３１が積層されたスタック構造を有する。セル３１の詳細は後述する。ポテンショスタット４０は、燃料電池３０の所定のセル３１に電圧を印加し、そのセル３１に流れる電流を検出し、その検出結果を制御手段７０に与える。電圧計３２は、所定のセル３１のセル電圧を検出し、その検出結果を制御手段７０に与える。負荷５０は、燃料電池３０において発生した電力を消費する装置である。負荷５０は、電動機、補機、バッテリ等である。スイッチ６０は、制御手段７０の指示に従って、燃料電池３０から負荷５０への電力供給を制御する。制御手段７０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、ポテンショスタット４０の検出結果に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。詳細は後述する。
【００２０】
次に、セル３１の詳細について説明する。本実施例においては、セル３１は、固体高分子型燃料電池構造を有する。図２に示すように、セル３１は、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜３１１の一方の面にアノード触媒層３１２、ガス拡散層３１３およびセパレータ３１４が順に積層され、他方の面にカソード触媒層３１５、ガス拡散層３１６、セパレータ３１７が順に積層された構造を有する。
【００２１】
電解質膜３１１は、プロトン伝導性固体高分子からなり、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。アノード触媒層３１２は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層３１５は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５は、例えば、白金担持カーボンからなる。ガス拡散層３１３は水素を含有する燃料ガスを透過する層である。ガス拡散層３１６は、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。ガス拡散層３１３，３１６は、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。セパレータ３１４には、燃料ガス流路が設けられている。セパレータ３１７には、酸化剤ガス流路が設けられている。
【００２２】
（高電位回避起動）
続いて、燃料電池３０の高電位回避起動について説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池３０の起動時にこの高電位回避起動を行う。ここで、「起動」とは、燃料電池システム１００を起動させる動作のことをいい、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給後、要求負荷に応じた電流密度での通常発電が開始されるまでの動作のことをいう。
【００２３】
まず、制御手段７０は、燃料ガスがセパレータ３１４の燃料ガス流路に供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する。それにより、燃料ガスはガス拡散層３１３を透過してアノード触媒層３１２に到達する。次に、制御手段７０は、酸化剤ガスがセパレータ３１７の酸化剤ガス流路に供給されるように、酸化剤ガス供給手段１０を制御する。それにより、酸化剤ガスは、ガス拡散層３１６を透過してカソード触媒層３１５に到達する。それにより、開回路電圧（ＯＣＶ）が立ち上がる。
【００２４】
次に、制御手段７０は、電圧計３２の検出結果に基づいて、開回路電圧が所定値以上になったか否かを判定する。開回路電圧が所定値以上になったと判定された場合、制御手段７０は、スイッチ６０をオンに制御する。それにより、燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層３１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜３１１を伝導してカソード触媒層３１５に到達する。一方、カソード触媒層３１５においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われる。発電によって発生した電力は、負荷５０において消費される。
【００２５】
このように発電が行われると、カソード触媒層３１５の電位は、開回路電位に比較して低くなる。この場合、カソード触媒層３１５の高電位が回避される。それにより、カソード触媒層３１５の触媒の形態変化が抑制される。なお、電流密度が小さくてもカソード触媒層３１５の電位が低下することから、電流密度は小さいことが好ましい。無駄な燃料消費を抑制することができるからである。電流密度は、負荷量に応じて調整することができる。また、酸化剤ガスの供給量をストイキに対して低下させることによって、電流密度を低下させてもよい。その後、通常発電に必要な条件が整った後に、燃料電池３０は、要求負荷に応じた電流密度で発電を行う。
【００２６】
しかしながら、燃料電池３０を長時間作動させた場合、カソード触媒層３１５の触媒の形態は徐々に変化していく。その様子を図３に示す。図３は、カソード触媒層３１５の触媒の有効表面積の変化を示す図である。図３の縦軸はカソード触媒層３１５の触媒の有効表面積を示し、図３の横軸は燃料電池３０の累積作動時間を示す。
【００２７】
図３に示すように、燃料電池３０の累積作動時間が長くなるほど、カソード触媒層３１５の触媒の有効表面積が低下する。ただし、燃料電池３０の累積作動時間が長くなるほど、有効表面積低下率が低下する。したがって、触媒の形態変化がある一定以上進行すると、上記高電位回避起動を行っても燃料ガスを無駄に消費することになる。そこで、本実施例においては、制御手段７０は、触媒の形態変化がある一定以上進行した場合に、上記高電位回避起動を禁止する。以下、その詳細について説明する。
【００２８】
（有効表面積の測定）
本実施例においては、制御手段７０は、ポテンショスタット４０を用いてカソード触媒層３１５の触媒の有効表面積を測定する。まず、制御手段７０は、燃料電池３０の発電中に、酸化剤ガスの供給が停止されるように酸化剤ガス供給手段１０を制御する。それにより、カソード側において酸素が欠乏する。制御手段７０は、セル３１のセル電圧が所定値（例えば、０．２Ｖ）以下になった場合に、カソード側において酸素が欠乏していると判断することができる。その後、制御手段７０は、負荷５０への電力供給が停止されるようにスイッチ６０を制御する。その後、制御手段７０は、サイクリックボルタンメトリ法に従って、セル３１に電圧が印加されるようにポテンショスタット４０を制御する。
【００２９】
図４は、ポテンショスタット４０によってセル３１に電圧が印加された場合のプロトンの動作について説明するための図である。アノード側に燃料ガスが供給されかつカソード側において酸素が欠乏している場合、アノード触媒層３１２においては下記式（１）に示す水素のプロトン化反応と下記式（２）に示すプロトンの水素化反応とが平衡する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  （１）
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２  （２）
【００３０】
一方、カソード触媒層３１５においては、下記式（３）に示す触媒へのプロトン吸着反応と下記式（４）に示す触媒からのプロトンの脱離反応とが平衡する。この場合、セル３１を流れる電流を時間積算することによって、カソード触媒層３１５の触媒へのプロトンの吸着量を測定することができる。
Ｐｔ  ＋  Ｈ＋  ＋  ｅ−  →  Ｐｔ−Ｈ  （３）
Ｐｔ−Ｈ  →  Ｐｔ  ＋  Ｈ＋  ＋  ｅ−  （４）
【００３１】
図５は、ポテンショスタット４０によって検出されたサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。図５の横軸はポテンショスタット４０によって印加された電圧値を示し、図５の縦軸はセル３１を流れる電流値を示す。ポテンショスタット４０は、制御手段７０の指示に従って、セル３１への印加電圧を増加させ、所定の電圧に到達した後は印加電圧を低下させる。
【００３２】
図５に示すように、セル３１を流れる電流は、セル３１に印加される電圧が増加するとともに増加し、最大値Ｃ１に到達した後は徐々に減少し、極小値Ｃ２に到達した後は再度増加する。この極小値Ｃ２における電圧値以下の電圧範囲において極小値Ｃ２以上の電流値となる範囲の面積Ｓを求めることによって、プロトン脱離電気量が求まる。この電気量を２１０μＣ／ｃｍ２で除することによって、カソード触媒層３１５の触媒の有効表面積Ｘが求まる。なお、極小値Ｃ２の検出が困難であれば、印加電圧０．４Ｖ以下の電圧範囲において、印加電圧０．４Ｖにおける電流以上の電流値となる範囲の面積を面積Ｓと定義してもよい。
【００３３】
制御手段７０は、上記有効表面積Ｘが所定値以下になった場合には、その後に高電位回避起動を禁止する。この場合、燃料電池３０の起動時に発電が行われない。それにより、燃料ガスの無駄な消費を抑制することができる。その結果、燃料電池システム１００の燃費悪化を抑制することができる。なお、上記有効表面積Ｘの単位時間あたりの減少幅が所定値よりも小さくなった場合に高電位回避起動が禁止されてもよい。ここでいう所定値は、図３の関係からあらかじめ設定しておくことができる。なお、これらの所定値は、燃料電池３０に用いられる材料等に応じて決定される値である。
【００３４】
なお、ポテンショスタットを用いた有効表面積Ｘの測定は、毎回、略同条件で行われることが好ましい。例えば、燃料ガスの加湿量、セル３１の温度等を略同一に設定することによって、有効表面積Ｘの経時変化の測定精度が向上するからである。また、セル３１の温度が異なる条件で有効表面積Ｘの測定を行う場合には、あらかじめ実験等で有効表面積Ｘの温度依存係数を取得しておいてもよい。
【００３５】
（高電位回避起動禁止）
次に、高電位回避起動を禁止した場合の起動について説明する。まず、制御手段７０は、燃料ガスがセパレータ３１４の燃料ガス流路に供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する。この燃料ガスは、ガス拡散層３１３を透過してアノード触媒層３１２に到達する。次に、制御手段７０は、酸化剤ガスがセパレータ３１７の酸化剤ガス流路に供給されるように、酸化剤ガス供給手段１０を制御する。この酸化剤ガスは、ガス拡散層３１６を透過してカソード触媒層３１５に到達する。
【００３６】
その結果、燃料電池３０にＯＣＶ（開回路電圧）が立ち上がる。したがって、燃料電池３０は、高電位無負荷の状態になる。しかしながら、カソード触媒層３１５の触媒の形態変化が一定以上進行していることから、それ以上の形態変化は抑制される。一方、この場合、燃料電池３０において発電が行われないことから、燃料ガスの消費が抑制される。それにより、燃費悪化を抑制することができる。その後、通常発電に必要な条件が整った後に、燃料電池３０は、スイッチ６０をオンに制御して、要求負荷に応じた電流密度で発電を行う。
【００３７】
このように、高電位回避起動が禁止された場合の起動によれば、カソード触媒層３１５の触媒の形態変化の進行を抑制しつつ、燃費悪化を抑制することができる。
【００３８】
（フローチャート）
図６は、カソード触媒層３１５の触媒の有効表面積Ｘに基づいて高電位回避起動を行うか否かを判定するためのフローチャートの一例である。図６のフローチャートは、例えば、燃料電池３０の発電停止時に実行される。まず、制御手段７０は、燃料電池３０への酸化剤ガス供給が停止するように酸化剤ガス供給手段１０を制御する（ステップＳ１）。
【００３９】
次に、制御手段７０は、電圧計３２から与えられた検出結果に基づいてセル３１の電圧が０．２Ｖ以下になったか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてセル３１の電圧が０．２Ｖ以下になったと判定されなかった場合、制御手段７０は待機する。ステップＳ２においてセル３１の電圧が０．２Ｖ以下になったと判定された場合、燃料電池３０から負荷５０への電力供給が停止するようスイッチ６０を制御する（ステップＳ３）。
【００４０】
次いで、制御手段７０は、セル３１のサイクリックボルタモグラムが検出されるようにポテンショスタット４０を制御する（ステップＳ４）。次に、制御手段７０は、ステップＳ４において検出したサイクリックボルタモグラムに基づいて、カソード触媒層３１５の触媒の有効表面積Ｘを求める（ステップＳ５）。
【００４１】
次いで、制御手段７０は、有効表面積Ｘが所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において有効表面積Ｘが所定値以下であると判定された場合、制御手段７０は、次回起動時に高電位回避起動を禁止する（ステップＳ７）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ６において有効表面積Ｘが所定値以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、次回起動時に高電位回避起動の禁止を行わない（ステップＳ８）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４２】
図６のフローチャートでは、発電停止時に高電位回避起動を禁止するか否かが判定されているが、燃料電池３０の起動時に高電位回避起動を禁止するか否かが判定されてもよい。図７に、その場合のフローチャートの一例を示す。図７のフローチャートは、イグニションキーがオンされた場合等に実行される。
【００４３】
まず、制御手段７０は、燃料ガス流路に燃料ガスが供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ１１）。次に、制御手段７０は、セル３１のサイクリックボルタモグラムが検出されるようにポテンショスタット４０を制御する（ステップＳ１２）。なお、制御手段７０は、セル電圧が所定値以下の場合にステップＳ１２を実行してもよい。次に、制御手段７０は、ステップＳ１２において検出したサイクリックボルタモグラムに基づいて、カソード触媒層３１５の触媒の有効表面積Ｘを求める（ステップＳ１３）。
【００４４】
次いで、制御手段７０は、有効表面積Ｘが所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において有効表面積Ｘが所定値以下であると判定された場合、制御手段７０は、高電位回避起動を禁止する（ステップＳ１５）。すなわち、制御手段７０は、スイッチ６０をオフに制御して、通常発電に必要な条件が整った後に、要求負荷に応じた電流密度で燃料電池３０に発電を行わせる。
その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
なお、ステップＳ１４において有効表面積Ｘが所定値以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、高電位回避起動を行う（ステップＳ１６）。すなわち、制御手段７０は、スイッチ６０をオンに制御して、低電流密度で燃料電池３０に発電を行わせつつ、通常発電に必要な条件が整った後に、要求負荷に応じた電流密度で燃料電池３０に発電を行わせる。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４６】
図６および図７のフローチャートに従えば、カソード触媒層３１５の触媒の形態変化が一定以上進行した場合には、高電位回避起動が禁止される。したがって、カソード触媒層３１５の触媒の形態変化を抑制しつつ、燃費の悪化を抑制することができる。
【００４７】
本実施例においては、ポテンショスタット４０が検出手段に相当し、高電位回避起動時における制御手段７０の制御が電位低下制御に相当する。
【実施例２】
【００４８】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図８は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図８に示すように、燃料電池システム１００ａは、図１の燃料電池システム１００と異なり、ポテンショスタット４０の代わりに電流計３３を備えている。電流計３３は、セル３１の発電電流を検出し、その検出結果を制御手段７０に与える。制御手段７０は、与えられた検出結果に基づいて、セル３１の電流密度を算出する。
【００４９】
本実施例においては、制御手段７０は、燃料電池３０にかかる負荷が小さい場合に、セル３１のセル電圧に基づいてカソード触媒層３１５の触媒の形態変化を検出する。したがって、本実施例においては、燃料電池３０の発電中にカソード触媒層３１５の触媒の形態変化を検出することができる。ここでいう発電とは、通常発電であってもよく、起動時における発電であってもよい。
【００５０】
図９は、低負荷におけるセル電圧と有効表面積Ｘとの関係を示す図である。図９において、左側の縦軸はセル電圧を示し、右側の縦軸は有効表面積Ｘの維持率を示し、横軸は燃料電池３０の累積作動時間を示す。ここで、有効表面積Ｘの維持率とは、有効表面積Ｘの初期値に対する形態変化後の有効表面積Ｘの比率を示す。
【００５１】
図９に示すように、セル３１の電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２および０．２Ａ／ｃｍ２のいずれの場合においても、有効表面積Ｘの維持率の低下に伴いセル電圧が低下した。したがって、有効表面積Ｘの維持率とセル電圧との間に相関関係がある。制御手段７０は、セル電圧が所定値以下になった場合に、有効表面積Ｘが所定値以下になったと判定する。この場合、制御手段７０は、その後の高電位回避起動を禁止する。それにより、燃料ガスの無駄な消費を抑制することができる。その結果、燃料電池システム１００ａの燃費悪化を抑制することができる。
【００５２】
図１０は、所定の累積作動時間後における、セル電圧と電流密度との関係を示す図である。図１０の縦軸はセル電圧を示し、図１０の横軸は電流密度を示す。図１０に示すように、初期においてはセル電圧は比較的高めの値を維持する。それに比較して、累積作動時間が５００時間程度および１０００時間程度になると、セル電圧は低下する。電流密度が所定値（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２）以下の低負荷域においては、累積作動時間の大きさに関わらず、セル電圧の低下幅はほとんど変わらない。
【００５３】
しかしながら、電流密度が所定値を超えると、累積作動時間の大きさに応じてセル電圧の低下幅が変化する。これは、高負荷域においては、触媒の形態変化以外の要因がセル電圧に影響を及ぼすからであると考えられる。以上のことから、電流密度が所定値以下の低負荷域においてセル電圧を検出することが好ましい。
【００５４】
なお、セル電圧と電流密度との関係は、毎回、略同条件で測定されることが好ましい。例えば、燃料ガスの加湿量、セル３１の温度等を略同一に設定することによって、セル電圧と電流密度との関係の測定精度が向上するからである。また、セル３１の温度が異なる条件で有効表面積Ｘの測定を行う場合には、あらかじめ実験等でセル電圧および電流密度の温度依存係数を取得しておいてもよい。さらに、ガス拡散に起因するセル電圧低下の影響を抑制するために、セル電圧と電流密度との関係を測定する際には反応ガス量を通常発電時よりも多くすることが好ましい。また、電解質膜３１１の膜種の影響を抑制するために、セル電圧と電流密度との関係を測定する際には反応ガスの加湿量を通常発電時よりも多くすることが好ましい。
【００５５】
図１１は、低負荷域におけるセル電圧に基づいて、高電位回避起動を行うか否かを判定するためのフローチャートの一例である。制御手段７０は、燃料電池３０の発電負荷が小さい場合に、図１１のフローチャートを実行する。このフローチャートは、通常発電中に行われてもよく、起動時に行われてもよい。図１１に示すように、制御手段７０は、セル３１における電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２以下になるように酸化剤ガス供給手段１０および燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ２１）。
【００５６】
次に、制御手段７０は、電圧計３２から取得したセル電圧が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。この場合、制御手段７０は、図９の関係に基づいて所定値を決定する。ステップＳ２２においてセル電圧が所定値以下であると判定された場合、制御手段７０は、次回起動時の高電位回避起動を禁止する（ステップＳ２３）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ２２においてセル電圧が所定値以下であると判定されなかった場合、制御手段７０は、高電位回避起動の禁止を行わない（ステップＳ２４）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００５７】
なお、本実施例においては低電流密度域におけるセル電圧に応じて高電位回避起動の禁止の有無が判断されているが、高セル電圧域における電流密度に応じて高電位回避起動の禁止の有無が判断されてもよい。
【００５８】
本実施例においては、電圧計３２および電流計３３が検出手段に相当する。
【実施例３】
【００５９】
続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池システム１００ｂについて説明する。燃料電池システム１００ｂは、図８の燃料電池システム１００ａと異なり、電圧計３４をさらに備えるとともに、燃料電池３０においてセル３１の代わりにセル３１ｂを備えている。図１２は、セル３１ｂの模式的断面図である。図１２に示すように、セル３１ｂは、図１（ｂ）のセル３１と異なり、参照電極３１８を備えている。
【００６０】
参照電極３１８は、アノード触媒層３１２およびカソード触媒層３１５と絶縁されている。電圧計３４は、参照電極３１８とカソード触媒層３１５との間の電位差を検出する。電圧計３４は、検出結果を制御手段７０に与える。それにより、制御手段７０は、アノード触媒層３１２における過電圧の影響を受けずにカソード触媒層３１５の過電圧を検出することができる。本実施例においては、制御手段７０は、燃料電池３０にかかる負荷が小さい場合に、カソード触媒層３１５の活性化過電圧に基づいてカソード触媒層３１５の触媒の形態変化を検出する。したがって、本実施例においては、燃料電池３０の発電中にカソード触媒層３１５の触媒の形態変化を検出することができる。
【００６１】
図１３は、セル３１ｂにおける電流とカソード触媒層３１５の過電圧との関係を示す図である。図１３の縦軸はカソード触媒層３１５の過電圧を示し、図１３の横軸は電流の対数値を示す。図１３に示すように、低電流密度域においては、過電圧と電流の対数値との関係は直線で表すことができる。この直線が活性化過電圧を示す。電流が所定値よりも大きくなると、過電圧は急激に増加する。これは、反応ガスの拡散に起因する拡散過電圧が活性化過電圧に加算されるからである。したがって、カソード触媒層３１５の活性化過電圧は、低電流密度域（例えば０．２Ａ／ｃｍ２以下）における電流密度から求めることができる。
【００６２】
制御手段７０は、所定の電流密度に対応する活性化過電圧が所定値以上になった場合に、有効表面積Ｘが所定値以下になったと判定する。この場合、制御手段７０は、その後の高電位回避起動を禁止する。それにより、燃料ガスの無駄な消費を抑制することができる。その結果、燃料電池システム１００ｂの燃費悪化を抑制することができる。
【００６３】
図１４は、カソード触媒層３１５の活性化過電圧に基づいて、高電位回避起動を行うか否かを決定するためのフローチャートの一例である。制御手段７０は、燃料電池３０にかかる負荷が低くなる場合に、図１４のフローチャートを実行する。このフローチャートは、通常発電中に行われてもよく、起動時に行われてもよい。図１４に示すように、制御手段７０は、セル３１における電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２以下になるように酸化剤ガス供給手段１０および燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ３１）。
【００６４】
次に、制御手段７０は、電圧計３４から取得した過電圧が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。ステップＳ３２において活性化過電圧が所定値以上であると判定された場合、制御手段７０は、高電位回避起動を禁止する（ステップＳ３３）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ３２において活性化過電圧が所定値以上であると判定されなかった場合、制御手段７０は、高電位回避起動の禁止を行わない（ステップＳ３４）。その後、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６５】
ここで、各過電圧の影響について説明する。図１５は、各過電圧と電流密度との関係を示す図である。図１５において、縦軸は過電圧を示し、横軸は電流密度を示し、実線はセル３１ｂのセル電圧を示す。上述したように、電流密度の増加に伴って各過電圧が増加する。それにより、図１５に示すように、セル電圧は電流密度の増加に伴って低下する。
【００６６】
図１５に示すように、アノードの過電圧に起因するセル電圧の降下分は、他の過電圧に起因するセル電圧の降下分に比較して小さくなっている。したがって、アノードの過電圧を考慮しなくてもカソード触媒層３１５の活性化過電圧を測定することができる。したがって、参照電極３１８を設けずに電圧計３２の検出結果に基づいて、カソード触媒層３１５における活性化過電圧を測定することができる。この場合、参照電極３１８を設ける必要がないので、セル３１ｂの構成が簡略化される。
【００６７】
本実施例においては、電圧計３４が検出手段に相当する。
【００６８】
なお、上記各実施例においては複数のセルが積層された燃料電池について説明しているが、１枚のセルからなる燃料電池を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】セルの模式的断面図である。
【図３】カソード触媒層の触媒の有効表面積の変化を示す図である。
【図４】ポテンショスタットによってセルに電圧が印加された場合のプロトンの動作について説明するための図である。
【図５】ポテンショスタットによって検出されたサイクリックボルタモグラムを示すグラフである。
【図６】カソード触媒層の触媒の有効表面積Ｘに基づいて高電位回避起動を行うか否かを判定するためのフローチャートの一例である。
【図７】カソード触媒層の触媒の有効表面積Ｘに基づいて高電位回避起動を行うか否かを判定するためのフローチャートの他の例である。
【図８】本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図９】低負荷におけるセル電圧と有効表面積Ｘとの関係を示す図である。
【図１０】所定の累積作動時間後におけるセル電圧と電流密度との関係を示す図である。
【図１１】低負荷域におけるセル電圧に基づいて、高電位回避起動を行うか否かを判定するためのフローチャートの一例である。
【図１２】第３実施例に係るセルの模式的断面図である。
【図１３】セルにおける電流とカソード触媒層の過電圧との関係を示す図である。
【図１４】カソード触媒層の活性化過電圧に基づいて、高電位回避起動を行うか否かを決定するためのフローチャートの一例である。
【図１５】各過電圧と電流密度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  酸化剤ガス供給手段
２０  燃料ガス供給手段
３０  燃料電池
３２  電圧計
４０  ポテンショスタット
５０  負荷
６０  スイッチ
７０  制御手段
１００  燃料電池システム
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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