(57)【要約】【課題】膜・電極接合体の劣化を抑制しつつ燃料電池セルに付着した生成水を排除する燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システム１であって、電解質膜２１を触媒電極２２，２３で挟持した膜・電極接合体２４を有する燃料電池セル２７と、膜・電極接合体２７において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を燃料電池セル２７に印加する電圧印加手段８，１５，１７と、燃料電池セル２７の開回路電圧が、燃料電池セル２７に電圧を印加した場合に膜・電極接合体２４が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、電圧印加手段８，１５，１７を制御して燃料電池セル２７に電圧を印加する制御手段３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を触媒電極で挟持した膜・電極接合体を有する燃料電池セルと、
前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、
前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する制御手段と、を備える
燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記印加電圧が前記所定第二電圧以上になる前に前記電圧印加手段による前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの開回路電圧が、前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になると、該燃料電池セルへの電圧の印加を開始するように前記電圧印加手段を制御し、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電圧が、前記所定第二電圧以上になる前に、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように前記電圧印加手段を制御する、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池セルの電流を検出する電流検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を停止する、
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】
前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が略一定となった後に再び変化し始めた状態である
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定電流状態は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を開始してから所定時間が経過した後の該燃料電池セルの電流の変動が所定値以上の状態である
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が所定電流値に達した状態である
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止した後、該燃料電池セルの開回路電圧が前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になったら、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を再開する、
請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池セルを放電させる放電手段を更に備え、
前記制御手段は、前記電圧印加手段が前記燃料電池セルに電圧を印加していない時に、該燃料電池セルを前記放電手段で放電する、
請求項１から８の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定第一電圧は、１．２４Ｖ以上１．４０Ｖ未満の条件を満たす何れかの電圧であることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記所定第二電圧は、１．４０Ｖの電圧であることを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
電解質膜を触媒電極で挟持した膜・電極接合体を有する燃料電池セルと、
前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する第一ステップを有する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
前記印加電圧が前記所定第二電圧以上になる前に前記電圧印加手段による前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止する第二ステップを更に有する
請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルの電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
前記第一ステップは、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの開回路電圧が、前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になると、該燃料電池セルへの電圧の印加を開始するように前記電圧印加手段を制御し、
前記第二ステップは、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電圧が、前記所定第二電圧以上になる前に、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように前記電圧印加手段を制御する、
請求項１２または１３に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルの電流を検出する電流検出手段を更に備え、
前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を停止する第三ステップを更に有する、
請求項１２から１４の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が略一定となった後に再び変化し始めた状態である
請求項１５に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
前記所定電流状態は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を開始してから所定時間が経過した後の該燃料電池セルの電流の変動が所定値以上の状態である
請求項１５に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が所定電流値に達した状態である
請求項１５に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止した後、該燃料電池セルの開回路電圧が前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になったら、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を再開する第四ステップを更に有する、
請求項１２から１８の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルを放電させる放電手段を更に備え、
前記電圧印加手段が前記燃料電池セルに電圧を印加していない時に、該燃料電池セルを前記放電手段で放電する第五ステップを更に有する、
請求項１２から１９の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２１】
前記所定第一電圧は、１．２４Ｖ以上１．４０Ｖ未満の条件を満たす何れかの電圧であることを特徴とする請求項１２から２０の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２２】
前記所定第二電圧は、１．４０Ｖの電圧であることを特徴とする請求項１２から２１の何れか一項に記載の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、燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを電気化学反応させて発電を行う。水素と酸素との電気化学反応は、膜・電極接合体やガス拡散層を担持した燃料電池セルで行われる。
【０００３】
燃料電池セルには、水素と酸素とを電気化学反応させた際に生成される生成水が付着する。燃料電池セルに多量の生成水が付着したまま凍結すると、凍結した生成水がガスの拡散を阻害して燃料電池の始動を困難にしたり、凍結した生成水が燃料電池セルを破壊したりする。そこで、燃料電池セルに付着している生成水が凍る前に、この生成水の量を減らす技術が研究されている。
【０００４】
特許文献１〜３には、燃料電池の停止処理時、燃料電池セルに電圧を印加して膜・電極接合体やガス拡散層に存在する水分を水素と酸素とに電気分解し、水分を除去する技術が記載されている。また、特許文献４には、燃料電池スタックが低温になると電気抵抗を接続し、低温始動時の開回路電圧を下げて各電装回路の耐電圧性能を低くする技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００４−３１１３４８号公報
【特許文献２】特開２００５−９３４２６号公報
【特許文献３】特開２００５−５０７４９号公報
【特許文献４】特開２００５−１００７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池セルに付着した生成水を水素と酸素とに電気分解する場合、１．２３Ｖ〜１．４０Ｖ程度の電位差を与える必要がある。ところが、停止直後の燃料電池は、カソード電極側に酸素が、アノード電極側に水素がそれぞれ滞留している。このため、停止直後の燃料電池のカソード電極とアノード電極との間には、水素と酸素の電気化学反応によって１．０Ｖ程度の電位差が生じている。このため、燃料電池セルに付着した生成水を電気分解するには、カソード電極とアノード電極との間に、生成水を電気分解するための電位差と水素と酸素の電気化学反応によって発生する電位差とを合算した２．２３Ｖ〜２．４０Ｖ程度の電位差を与える必要がある。
【０００６】
膜・電極接合体の触媒層は、通常、白金を担持したカーボンで構成されている。ここで、燃料電池セルに１．４０Ｖ以上の電圧を印加すると、触媒層から白金が溶出したり、触媒層のカーボンが腐食して二酸化炭素を排出したりする。
【０００７】
本発明は、上記した問題に鑑み、膜・電極接合体の劣化を抑制しつつ燃料電池セルに付着した生成水を排除する燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、開回路電圧が低い時に生成水の電気分解を行う。
【０００９】
詳細には、燃料電池システムであって、電解質膜を触媒電極で挟持した膜・電極接合体を有する燃料電池セルと、前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する制御手段と、を備える。
【００１０】
上記燃料電池システムは、膜・電極接合体の反応面に水素と酸素とを供給することで電気化学反応を起こし、発電を行う。燃料電池セルには、電気化学反応の際に生じる生成水が付着する。本発明に係る燃料電池システムは、付着した生成水を水素と酸素とに電気分解して除去することを前提としている。
【００１１】
生成水を水素と酸素とに電気分解するには、生成水に電圧を印加する必要がある。燃料電池セルに付着した生成水を電気分解するのに必要な電圧を、本願では、所定第一電圧という。この所定第一電圧は、水の性質や燃料電池セルの構造によって理論的に予め定まる電圧である。また、燃料電池セルに印加することが可能な電圧には、上限がある。印加電圧が高すぎると、燃料電池セルの膜・電極接合体を構成する電解質膜や触媒電極等が劣化するからである。燃料電池セルの膜・電極接合体が劣化し始める印加電圧を、本願では、所定第二電圧という。
【００１２】
停止直後の燃料電池システムは、膜・電極接合体の反応面に水素と酸素とが残存しているため、燃料電池セルの両極間に電位差が生じている。無負荷状態にある燃料電池セルの両極に発生しているこの電位差を、以下、開回路電圧という。両極間に電位差が生じた状態にある燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するには、少なくとも所定第一電圧と開回路電圧とを足し合わせた電位差の印加電圧を与える必要がある。両極間に電位差が既に生じているため、所定第一電圧を加えても電気分解に必要な電位差が生成水に加わらないためである。ここで、燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するにあたり、燃料電池セルの開回路電圧が高いと、生成水を電気分解するのに必要な印加電圧が所定第二電圧を必然的に超えてしまう。
【００１３】
そこで、本発明に係る燃料電池システムは、開回路電圧が所定第二電圧から所定第一電圧を減算した電圧未満の時に燃料電池セルに電圧が印加されるように、制御手段が電圧印加手段を制御する。これにより、燃料電池セルに付着した生成水を電気分解する際、膜・電極接合体の劣化を抑制しながら燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能となる。
【００１４】
なお、燃料電池セルの開回路電圧は、時間の経過とともに水素と酸素とが電解質膜を介してクロスリークするため、徐々に低下する。よって、制御手段は、開回路電圧が所定第二電圧から所定第一電圧を減算した電圧以上の場合、開回路電圧が低下するまで電圧の印加を待つという制御を行うこととなる。
【００１５】
ここで、前記制御手段は、前記印加電圧が前記所定第二電圧以上になる前に前記電圧印加手段による前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止してもよい。
【００１６】
燃料電池セルに電圧を印加すると、生成水の電気分解によって水素と酸素とがカソード電極側とアノード電極側とにそれぞれ発生する。燃料電池セルの両極に水素と酸素とが生成されると、燃料電池セルの開回路電圧が高くなる。燃料電池セルの開回路電圧が高くなると、生成水を電気分解するのに必要な電圧が高くなるため、電圧印加手段が印加する電圧を高める必要がある。しかしながら、前述したように、燃料電池セルに印加する電圧を高めすぎると、膜・電極接合体等が劣化する。そこで、電圧印加手段が所定第二電圧以上
の電圧を燃料電池セルに印加しないように、制御手段が電圧印加手段を制御する。これによれば、燃料電池セルの膜・電極接合体をほとんど劣化させることなく、燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能となる。
【００１７】
ここで、前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルの電流を検出する電流検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を停止してもよい。
【００１８】
燃料電池セルの開回路電圧は、水素と酸素とのクロスリークによって徐々に低下することは前述した通りである。また、燃料電池セルに付着した生成水を電気分解すると、両電極に水素と酸素とが発生し、開回路電圧が高まることは前述した通りである。そこで、開回路電圧が低下したら電気分解を開始し、開回路電圧が高くなったら電気分解を停止する、という制御を施す。これにより、燃料電池セルに膜・電極接合体を劣化させるような電圧を印加することなく、燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能となる。
【００１９】
ここで、前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルの電流を検出する電流検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように前記電圧印加手段を制御するようにしてもよい。
【００２０】
電気分解の際に燃料電池セルを流れる電流は、燃料電池セルに付着している生成水の量によって変動する。燃料電池セルの両極間の電気抵抗が生成水の量によって変動するためである。例えば、燃料電池セルに付着している生成水の量が多ければ燃料電池セルの両極間の電気抵抗は小さくなるし、燃料電池セルに付着している生成水の量が少なければ燃料電池セルの両極間の電気抵抗は大きくなる。そこで、燃料電池セルに電圧を印加している時の電流を測定し、この電流が所定電流状態となったら燃料電池セルへの電圧の印加を停止する。これにより、例えば、燃料電池セルに付着していた生成水が十分に排除され次第、燃料電池セルへの電圧の印加を停止することが可能になる。ここで、所定電流状態とは、電流検出手段によって検出される燃料電池セルの電流の状態であり、例えば、電圧の印加を停止すべき状態にある燃料電池セルの電流の状態である。
【００２１】
ここで、前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が略一定となった後に再び変化し始めた状態であってもよい。
【００２２】
生成水を電気分解している時の燃料電池セルの電流は、生成水の量が何らかの原因で急激に変動したり、或いは膜・電極接合体が急激に劣化したりしない限り、比較的安定した略一定状態を保つ。これに対し、例えば、付着していた生成水の電気分解が完了すると燃料電池セルの両極間の電気抵抗が増加して電流が急激に減少するし、膜・電極接合体を構成するカーボンが腐食したり白金が溶出したりすると燃料電池セルの両極間の電気抵抗が減少して電流が急激に増加する。
【００２３】
そこで、電圧を印加した状態にある燃料電池セルの電流を測定し、この電流が略一定の状態から変化し始めた時に、燃料電池セルに付着していた生成水の排除が完了した、或いは膜・電極接合体が劣化し始めたと判断し、電圧の印加を停止するように制御する。これにより、燃料電池セルに付着している生成水を過剰に排除したり、印加電圧によって膜・電極接合体の劣化を促進したりすることを無くすことが可能となる。
【００２４】
ここで、前記所定電流状態は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を開始してから所定時間が経過した後の該燃料電池セルの電流の変動が所定値以上の状態であってもよい。
【００２５】
燃料電池セルに付着可能な生成水の量の上限値は、燃料電池セルを構成する膜・電極接合体の形状や大きさ等によってある程度の値に定まる。従って、燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するために必要な時間の上限値も、燃料電池セルに応じてある程度の値に定まる。そこで、燃料電池セルに付着している生成水の電気分解を開始してから（換言すれば、燃料電池セルに電圧を印加してから。）所定時間が経過しても電流の変動が所定値以内にならないような場合に電気分解を停止することで、生成水を過剰に排除したり膜・電極接合体の劣化を促進したりすることを無くすことが可能となる。ここで、所定時間とは、燃料電池セルへの電圧の印加を開始してから停止するまでの時間であり、例えば、燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するのに必要な時間と略同一の時間である。また、所定値とは、燃料電池セルを流れる電流の変動幅であり、例えば、生成水の電気分解が正常に行われている際の燃料電池セルを流れる電流変動の最大値である。
【００２６】
ここで、前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が所定電流値に達した状態であってもよい。
【００２７】
膜・電極接合体を構成するカーボンが腐食したり白金が溶出したりすると燃料電池セルの両極間の電気抵抗が減少して電流が増加するのは前述した通りである。そこで、電圧を印加している燃料電池セルの電流を測定し、この電流が所定電流値に達したら燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように制御することで、膜・電極接合体の劣化を防止することが可能となる。ここで、所定電流値とは、電圧印加手段が燃料電池セルに電圧を印加している際の燃料電池セルを流れる電流の電流値であり、例えば、燃料電池セルの膜・電極接合体が劣化し始めるよりもやや低い電流値である。
【００２８】
ここで、前記制御手段は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止した後、該燃料電池セルの開回路電圧が前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になったら、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を再開してもよい。
【００２９】
燃料電池セルに付着した生成水を電気分解すると、両電極に水素と酸素とが発生し、開回路電圧が高まることは前述した通りである。また、燃料電池セルの両電極に発生した水素と酸素はクロスリークするので、燃料電池セルの開回路電圧が時間の経過とともにやがて減少することも前述した通りである。そこで、燃料電池セルの開回路電圧に応じて電気分解を中断したり再開したりするように制御することで、膜・電極接合体を劣化させることなく燃料電池セルに付着した生成水の排除を完了させることが可能となる。
【００３０】
ここで、前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルを放電させる放電手段を更に備え、前記制御手段は、前記電圧印加手段が前記燃料電池セルに電圧を印加していない時に、該燃料電池セルを前記放電手段で放電してもよい。
【００３１】
燃料電池セルの両極間における水素と酸素とのクロスリークは、高分子電解質膜を介して行われるため、徐々に進行する。クロスリークの進行が緩やかだと開回路電圧が低下するまでに時間がかかるので、燃料電池セルの開回路電圧が所定第二電圧から所定第一電圧を減算した電圧以上の場合、電圧印加手段による燃料電池セルへの電圧の印加が実行されるまでに長時間を要する。電圧印加手段による燃料電池セルへの電圧の印加が実行されるまでに長時間を要すると、例えば、生成水が付着した状態の燃料電池セルが極低温下に晒された場合に生成水が凍結してしまう。よって、燃料電池セルの開回路電圧が高い場合に、開回路電圧を速やかに低下させることが望ましい。
【００３２】
そこで、電圧印加手段が燃料電池セルに電圧を印加していない間に燃料電池セルを放電させる。放電によって燃料電池セルに生成水が生成されるものの、開回路電圧がすぐに低
下するため、生成水を付着させたままの状態で燃料電池セルを長時間放置させることがなくなる。これにより、燃料電池セルに付着している生成水の電気分解を促進し、生成水の凍結を抑制することが可能になる。
【００３３】
ここで、前記所定第一電圧は、１．２４Ｖ以上１．４０Ｖ未満の条件を満たす何れかの電圧であってもよい。また、前記所定第二電圧は、１．４０Ｖの電圧であってもよい。
【００３４】
燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するのに必要な印加電圧は、理論的に約１．２４Ｖ以上と定まっている。また、燃料電池セルの両極間に１．４０Ｖ以上の電位差を与えると、膜・電極接合体が劣化（膜・電極接合体の電極を構成しているカーボンが特に腐食する。）し始める。
【００３５】
そこで、所定第一電圧を１．２４Ｖ以上１．４０Ｖ未満の条件を満たす何れかの電圧にし、あるいは所定第二電圧を１．４０Ｖの電圧にすることで、膜・電極接合体を劣化させることなく燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能になる。
【００３６】
なお、本発明は、以上の機能の何れかを行う燃料電池システムの制御方法であってもよい。すなわち、例えば、上記の課題を解決するため、電解質膜を触媒電極で挟持した膜・電極接合体を有する燃料電池セルと、前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する第一ステップを有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３７】
膜・電極接合体の劣化を抑制しつつ燃料電池セルに付着した生成水を排除する燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３９】
＜構成＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。本実施形態において、燃料電池システム１は、車両に搭載されることを前提としているが、本発明はこれに限定されるものでなく、地上に設置されるものであってもよい。
【００４０】
図１において示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２や制御装置３（本発明でいう、制御手段に相当する。）を備えている。燃料電池２には、発電に必要な水素を送気するための水素貯蔵タンク４や酸素を含む空気を送気するための空気圧縮機５が接続されている。また、燃料電池２には、車両を動かすためのモータ６、エアコンやラジエータファン等で構成される補機７、及び蓄電池である二次電池８が電気的に接続されている。
【００４１】
水素貯蔵タンク４と燃料電池２とを繋ぐ経路の途中には水素の流れを制御するための水素入口弁９が設けられており、更に、燃料電池２の下流側には燃料電池２内で電気化学反応しなかった水素の排気を制御するための水素出口弁１０が設けられている。水素入口弁９や水素出口弁１０は、制御装置３から送られる制御信号に基づいて経路を開閉し、水素の流れを制御する。
【００４２】
空気圧縮機５と燃料電池２とを繋ぐ経路の途中には、燃料電池２に送気する空気を加湿するための加湿器１１と空気の流れを制御するための空気入口弁１２とが設けられている。また、燃料電池２の下流側には、燃料電池２内で電気化学反応しなかった空気の排気を制御するための空気出口弁１３が設けられている。空気圧縮機５や加湿器１１、空気入口弁１２や空気出口弁１３は、制御装置３から送られる制御信号に基づいて動作する。なお、燃料電池２内で電気化学反応しなかった空気の排気は、空気出口弁１３を出てから加湿器１１を経由したのち、系外に放出される。これにより、燃料電池２内の電気化学反応によって生成された生成水が、加湿器１１における空気の加湿の際に有効利用される。
【００４３】
燃料電池２とモータ６とを繋ぐ回路の途中には、駆動用インバータ１４が設けられている。モータ６は交流モータであるため、燃料電池２から出力される直流電気を交流電気に変換する必要があるためである。なお、駆動用インバータ１４は、交流出力の周波数等を調整することにより、モータ６の回転数やトルクを制御することが可能である。なお、駆動用インバータ１４は、制御装置３から送られる制御信号に基づいて交流電気の周波数や電圧を調整し、モータ６を制御する。
【００４４】
燃料電池２と補機７や二次電池８とを繋ぐ回路の途中には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５が設けられている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、直流電気の電圧を変換することで、定格電圧の異なる燃料電池２と二次電池８や補機７とを電気的に接続する役割を司る。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、制御装置３から送られる制御信号に基づいて電路の開閉を行い、燃料電池２と二次電池８や補機７とを電気的に繋いだり切り離したりする。なお、燃料電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ１５との間には、モータ６の負荷変動等によって発電中の燃料電池２に逆電力が加わらないようにするため、電流方向制限器１６（ダイオード）が設けられている。また、燃料電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ１５との間には、燃料電池２に二次電池８の電圧を印加して内部の生成水を電気分解可能にするため、電流方向制限器１６をバイパスするためのバイパス回路が設けられている。このバイパス回路上には、回路を開閉するための開閉器１７が設けられている。なお、二次電池８、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５、開閉器１７は、本発明でいう、電圧印加手段に相当する。
【００４５】
燃料電池２は、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、内部に複数の燃料電池セル２７が積層状態で備えられている。燃料電池２には、内部に配設された燃料電池セル２７の電圧を検出する電圧センサ１８、燃料電池セル２７の温度を検出する温度センサ１９、燃料電池セルを流れる電流を検出する電流センサ２０が設けられている。
【００４６】
図２は、燃料電池２の内部に配設されている燃料電池セル２７の構成を示す断面図である。図２において示すように、燃料電池セル２７は、高分子電解質膜２１をアノード触媒電極２２とカソード触媒電極２３とで挟持するように接合した膜・電極接合体２４（ＭＥＡ）と、カソード触媒電極２３に接合されたカソード触媒電極側ガス拡散層２５と、アノード触媒電極２２に接合されたアノード触媒電極側ガス拡散層２６とによって構成されている。カソード触媒電極側ガス拡散層２５とアノード触媒電極側ガス拡散層２６は、内部に多数の気孔を有する通気性の素材により構成されている。よって、カソード触媒電極側ガス拡散層２５の表面やその内部には、空気圧縮機５から送気される酸素（空気）が流れる。また、アノード触媒電極側ガス拡散層２６の表面やその内部には、水素貯蔵タンク４から送気される水素が流れる。
【００４７】
高分子電解質膜２１は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。カソード触媒電極２３やアノード触媒電極２２は、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックで構成される。膜・電極接合体２４は、アノード触媒電極２２側
に送気される水素とカソード触媒電極２３側に送気される空気中の酸素とを電気化学反応させることで発電を行い、両極間に電位差を発生させる。
【００４８】
制御装置３は、燃料電池システム１全体の制御を司るものであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェース等で構成される。制御装置３は、電圧センサ１８や電流センサ２０、温度センサ１９から送られる計測信号の入力を受け付け、二次電池８やＤＣ−ＤＣコンバータ１５、補機７、駆動用インバータ１４、モータ６、開閉器１７、弁９，１０，１２，１３、加湿器１１、空気圧縮機５等に対して制御信号を出力することで、燃料電池システム１を構成する各機器の制御を行う。
【００４９】
＜処理フロー＞
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の生成水の処理の制御について説明する。図３は、燃料電池システム１の制御フローを示す図である。また、図４〜６は、各工程における、燃料電池セル２７に付着している生成水の分布を示す図である。以下、図３の制御フローや図４〜６を参照しながら、燃料電池システム１の排水制御を説明する。
【００５０】
（ステップＳ１０１）制御装置３は、燃料電池２の発電が止まると、温度センサ１９で燃料電池２の温度を監視する。そして、制御装置３は、燃料電池２の温度が０℃以下であることを検知すると、次の工程に移行する。なお、本ステップにおける燃料電池セル２７への生成水の付着状態を図４に示す。図４において示すように、発電停止後の燃料電池セル２７の高分子電解質膜２１、カソード触媒電極２３、カソード触媒電極側ガス拡散層２５、及びカソード触媒電極側ガス流路には、水素と酸素との電気化学反応に伴って生成された生成水が付着した状態にある。
【００５１】
（ステップＳ１０２）制御装置３は、燃料電池２の温度が０℃以下であることを確認したら、弁１２，１３を開いた状態で空気圧縮機５を起動し、燃料電池２に空気を送気する。燃料電池セル２７のカソード触媒電極側ガス拡散層２５やカソード触媒電極側ガス流路は、空気圧縮機５から送気される空気が流れるように構成されている。このため、この部分に空気を流すことで、カソード触媒電極側ガス拡散層２５やカソード触媒電極側ガス流路に付着していた生成水が徐々に排水される。なお、制御装置３は、加湿器１１を停止した状態で空気を送気する。これにより、燃料電池セル２７のカソード側には湿り気を帯びていない乾燥空気が送られる。
【００５２】
（ステップＳ１０３）制御装置３は、空気圧縮機５による生成水の排水を開始したら、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を介して二次電池８から燃料電池２に電気を流し、燃料電池セル２７の抵抗値を検出する。燃料電池セル２７の抵抗値は、電圧センサ１８によって検出される電圧から電流センサ２０によって検出される電流を除算することにより算出される。そして、燃料電池セル２７の抵抗値が、実験等によって予め取得され、ＲＯＭ等に記憶された所定抵抗値、すなわち、カソード触媒電極側ガス拡散層２５やカソード触媒電極側ガス流路が排水された状態の時の燃料電池セル２７の抵抗値、に達したら、次のステップに移行する。制御装置３は、燃料電池セル２７の抵抗値が所定抵抗値に達するまでは、空気圧縮機５による空気の送気を続ける。
【００５３】
（ステップＳ１０４）制御装置３は、燃料電池セル２７の抵抗値が所定抵抗値に達したら、弁９，１０，１２，１３を閉じ、空気圧縮機５を停止する。なお、本ステップにおける燃料電池セル２７への生成水の付着状態を図５に示す。図５において示すように、燃料電池セル２７に付着していた生成水は、カソード触媒電極側ガス拡散層２５とカソード触媒電極側ガス流路に付着していたものが除去され、高分子電解質膜２１とカソード触媒電極２３に付着していた生成水だけが残存している。
【００５４】
（ステップＳ１０５）制御装置３は、空気圧縮機５を停止したら、電圧センサ１８で燃料電池セル２７の電圧を監視する。なお、このとき、モータ６や補機７は停止状態にあるため、検出される燃料電池セル２７の電圧は開回路電圧となる。制御装置３は、電圧センサ１８で検出される燃料電池セル２７の開回路電圧が１．４０Ｖ（本発明でいう、所定第二電圧に相当する。）から１．２４Ｖ（本発明でいう、所定第一電圧に相当する。）を減算した０．１６Ｖ以上の場合は、燃料電池セル２７の電圧の監視を続ける。一方、制御装置３は、燃料電池セル２７の開回路電圧が０．１６Ｖ未満になった場合は、次の工程に移行する。なお、制御装置３は、燃料電池セル２７の開回路電圧が０．１６Ｖ未満になった場合、直ちに次の工程に移行する必要はなく、開回路電圧が更に低下してから次の工程に移行するようにしてもよい。
【００５５】
（ステップＳ１０６）制御装置３は、燃料電池セル２７の開回路電圧が０．１６Ｖ未満になったら、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を制御して二次電池８から燃料電池２に電圧を印加する（本発明でいう、第一ステップに相当する。）。制御装置３は、燃料電池２に電圧を印加する際、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力を調整し、燃料電池２の燃料電池セル２７に１．２４Ｖ以上の電圧が印加されるようにする。なお、制御装置３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧を監視し、燃料電池２に印加されている電圧が１．４０Ｖ以上になる前に電圧の印加を停止するように制御してもよい（本発明でいう、第二ステップに相当する。）。
【００５６】
ここで、燃料電池２に電圧を印加して燃料電池セル２７に付着している生成水を電気分解すると、燃料電池セル２７のカソード触媒電極２３側に酸素が発生し、燃料電池セル２７のアノード触媒電極２２側に水素が発生する。生成水を電気分解した際の反応は以下の通りである。
【００５７】
カソード側：  ２Ｈ2Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-
アノード側：  ４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2
【００５８】
この電気分解によって発生した水素や酸素によって、燃料電池セル２７の開回路電圧が高くなる。そこで、制御装置３は、燃料電池２への電圧の印加を開始してから一定時間（例えば、数秒。）が経過したら、燃料電池２への電圧の印加を停止し、ステップＳ１０５の制御に戻る（本発明でいう、第四ステップに相当する。）。これにより、両極に発生した水素と酸素がクロスリークして燃料電池セル２７の開回路電圧が低下したら燃料電池２に再び電圧を印加するという制御が繰り返され、生成水の電気分解が徐々に進行する。なお、本ステップにおける燃料電池セル２７の生成水の付着状態を図６に示す。図６において示すように、生成水の電気分解後、燃料電池セル２７に付着していた生成水は高分子電解質膜２１付近にのみ残る状態となっている。なお、制御装置３は、電圧の印加を開始してから一定時間経過後にこれを停止するように制御しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、燃料電池２を流れる電流が一定の値（所定電流値）を超えたら電圧の印加を停止するようにしてもよい。
【００５９】
ここで、制御装置３は、ステップＳ１０６の終了後にステップＳ１０５の制御に戻るようにしているが、本発明はこれに限定されるものでなく、ステップＳ１０５の制御に戻らないようにしてもよい。
【００６０】
なお、制御装置３は、ユーザの操作等によって燃料電池２が起動される場合（燃料電池２の発電が開始される場合。）は、上記ステップＳ１０１〜Ｓ１０６の何れの処理を実行している場合であってもその処理を中断し、燃料電池２を起動するための処理に移行する。
【００６１】
＜効果＞
以上により、膜・電極接合体２４の劣化を抑制しつつ燃料電池セル２７に付着した生成水を排除することが可能になる。また、開回路電圧を監視しながら電気分解を行っているため、電気分解の際の電圧上昇を異常電圧と誤認し、生成水が残っているにも関わらず電気分解の処理を中止してしまうということが無くなる。また、開回路電圧を監視しながら電気分解を行っているため、生成水が付着したままの状態で電気分解の処理が終了してしまうということが無くなる。燃料電池セル２７に付着した生成水が確実に電気分解されるため、燃料電池２が氷点下環境に晒された際、生成水が凍結することがなく、燃料電池２の起動時に燃料ガスや酸化剤ガスの拡散が阻害されることがない。これにより、燃料電池２の起動をスムーズに行うことが可能となる。また、生成水の排除を電気分解で行っているため、燃料電池セル２７をムラ無く乾燥させることができる。これにより、高分子電解質膜２１の局所的なドライアップによる燃料電池セル２７の出力の低下を防止することができる。
【００６２】
＜変形例１＞
以下、上記実施形態に係る燃料電池システム１の変形例について説明する。上記実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２への電圧の印加を一定時間経過後に停止するようにしていた。しかし、本変形例に係る燃料電池システム１は、電圧印加時の電流を監視し、この電流の変化に基づいて印加電圧を制御するようにしている。なお、説明の便宜上、上記実施形態に係る燃料電池システム１と同様の構成要素および制御フローについては同一の符号を付してその説明を省略し、上記実施形態との差異点についてのみ説明する。図７において、本変形例に係る制御フローを示す。以下、図７の制御フロー図を参照しつつ、本変形例について説明する。
【００６３】
（ステップＳ２０１）本変形例に係る燃料電池システム１の構成は、上記実施形態と同様である。本変形例に係る制御装置３は、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５までの処理を行った後、上述の実施形態と同様、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を制御して二次電池８から燃料電池２に電圧を印加する。ここで、上記実施形態に係る制御装置３は、燃料電池２への電圧の印加を開始してから一定時間経過後に電圧の印加を停止していた。一方、本変形例に係る制御装置３は、燃料電池２への電圧の印加を開始したら、次の工程（ステップＳ２０２）に移行する。
【００６４】
（ステップＳ２０２）制御装置３は、燃料電池２への電圧の印加を開始したら、電流センサ２０から燃料電池セル２７の電流値を取得する。制御装置３は、取得した電流値の変化率を求め、この変化率が一旦一定となった後、再び変化し始めたら燃料電池２への電圧の印加を停止する。図８において、本ステップにおける処理の詳細なフローを示す。本ステップＳ２０２における詳細な処理フローについて、図８を参照しながら以下に説明する。
【００６５】
（ステップＳ２０２−１）制御装置３は、電流センサ２０から電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）を算出する。
【００６６】
（ステップＳ２０２−２）次に、制御装置３は、算出した電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）の変動幅が所定の閾値（ε）の範囲内であるか否かを確認する。電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）の変動幅が所定の閾値（ε）の範囲内であれば電流が一定に流れていることになるため、生成水の電気分解が始まっていないと判断し、ステップＳ２０１−１に戻る。一方、電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）の変動幅が所定の閾値（ε）の範囲を逸脱していれば、生成水の電気分解が始まっていると判断し、次のステップＳ２０２−３に移行する。なお、所定の閾値（ε）は、制御装置３内に予め記憶された設定値であり、例えば、燃料電池セル２７に付着している生成水の電気分解が行われている際の電流の時間変化率
の最大値と略同一の時間変化率である。
【００６７】
（ステップＳ２０２−３）制御装置３は、電流センサ２０から電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）を再び算出する。
【００６８】
（ステップＳ２０２−４）次に、制御装置３は、電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）が所定の閾値（ε）以上であれば、膜・電極接合体が劣化するのを防止するため、燃料電池２への電圧の印加を中断してステップＳ１０５に移行する。図９において、このときの電流の変化をグラフで示す。図９において示すように、生成水を電気分解している電気の電流が一旦平坦になった後、再び上昇し始めた時点で電圧の印加を中断している。なお、制御装置３は、電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）が所定の閾値（ε）以上でなければ、次のステップＳ２０２−５に移行する。
【００６９】
（ステップＳ２０２−５）次に、制御装置３は、電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）が所定の閾値（ε）を負に反転した値以下であれば、燃料電池セル２７に付着している生成水の電気分解が完了したと判断し、燃料電池２への電圧の印加を停止してステップＳ１０７に移行する。図１０において、このときの電流の変化をグラフで示す。図１０において示すように、生成水を電気分解している電気の電流が一旦平坦になった後、再び下降し始めた時点で電圧の印加を停止している。なお、制御装置３は、電流の時間変化率（ΔＩ／ΔＴ）が所定の閾値（ε）を負に反転した値以下でなければ、次のステップＳ２０２−３に戻る。
【００７０】
ステップＳ２０２における処理フローは、以上のとおりである。なお、ステップＳ２０２は、本発明でいう第三ステップに相当する。
【００７１】
以上により、本変形例に係る燃料電池システム１によれば、電流の変化を監視しながら燃料電池に電圧を印加しているため、膜・電極接合体２４を劣化させることなく、且つ、生成水を過剰に電気分解させることなく、燃料電池セル２７に付着した生成水を排除することが可能になる。
【００７２】
なお、制御装置３は、燃料電池２への電圧の印加を開始してから一定時間（本発明でいう、所定時間に相当する。）が経過しても電流が一定にならない場合、換言すれば、一定時間が経過してもステップＳ２０２−３が実行されない場合、燃料電池２への電圧の印加を中止するようにしてもよい。なお、電流が一定にならない場合とは、一定時間が経過しても電流の変動が予め定められた値（本発明でいう、所定値に相当する。）の範囲内にならない場合である。
【００７３】
＜変形例２＞
以下、上記実施形態や上記変形例に係る燃料電池システム１の変形例について説明する。上述した燃料電池システム１は、燃料電池セル２７の開回路電圧が高い場合に、膜・電極接合体２４を介した水素と酸素のクロスリークによって電圧が降下するのを待ち、開回路電圧が自然に低下するのを待ってから燃料電池２に電圧を印加していた。しかし、本変形例に係る燃料電池システム１は、燃料電池セル２７の開回路電圧が高い場合に、燃料電池２の電力を積極的に消費させ、燃料電池セル２７の開回路電圧を速やかに低下させる。なお、上記変形例と同様、説明の便宜上、上記実施形態に係る燃料電池システム１と同様の構成要素および制御フローについては同一の符号を付してその説明を省略し、上記実施形態との差異点についてのみ説明する。図１１において、本変形例に係る制御フローを示す。以下、図１１の制御フロー図を参照しつつ、本変形例について説明する。
【００７４】
（ステップＳ３０１）本変形例に係る燃料電池システム１の構成は、上記実施形態と同
様である。本変形例に係る制御装置３は、ステップＳ１０１からステップＳ１０５まで上述の実施形態と同様の処理を行う。本変形例に係る制御装置３は、ステップＳ１０５において、電圧センサ１８で検出される燃料電池セル２７の開回路電圧が１．４０Ｖから１．２４Ｖを減算した０．１６Ｖ以上であることを検出した場合、開閉器１７を入れてＤＣ−ＤＣコンバータ１５を制御し、燃料電池２から補機７や二次電池８に電力を消費させる。補機７に電力を消費させる場合は、例えば、ラジエータファン等を起動して電力を消費させる。また、二次電池８に電力を消費させる場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５から二次電池８側に給電される電力の電圧が二次電池８の電圧よりも高くなるようにし、二次電池８を充電することで電力を消費させる。そして、制御装置３は、補機７や二次電池８による電力消費を開始してから一定時間が経過したら、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５等を制御して燃料電池２から補機７等への電力の供給を停止する。そして、制御装置３は、ステップＳ１０５に制御を移行させる。なお、本ステップＳ３０１は、本発明でいう第五ステップに相当する。
【００７５】
以上により、本変形例に係る燃料電池システム１によれば、開回路電圧が高い場合に電力を積極的に消費させているため、開回路電圧の低下を水素と酸素のクロスリークに依存する場合に比べ、燃料電池セル２７に付着した生成水を極めて早く排除することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】燃料電池システムの構成を示す図。
【図２】燃料電池セルの構成を示す断面図。
【図３】燃料電池システムの制御フローを示す図。
【図４】燃料電池セルに付着している生成水の分布を示す図。
【図５】燃料電池セルに付着している生成水の分布を示す図。
【図６】燃料電池セルに付着している生成水の分布を示す図。
【図７】変形例に係る燃料電池システムの制御フローを示す図。
【図８】変形例に係る燃料電池システムの、ステップＳ２０２における処理の詳細なフローを示す図。
【図９】変形例に係る燃料電池システムの、電圧印加時の電流の変化を示すグラフ。
【図１０】変形例に係る燃料電池システムの、電圧印加時の電流の変化を示すグラフ。
【図１１】変形例に係る燃料電池システムの制御フローを示す図。
【符号の説明】
【００７７】
１・・・・・・・・・・・・燃料電池システム
２・・・・・・・・・・・・燃料電池
３・・・・・・・・・・・・制御装置
４・・・・・・・・・・・・水素貯蔵タンク
５・・・・・・・・・・・・空気圧縮機
６・・・・・・・・・・・・モータ
７・・・・・・・・・・・・補機
８・・・・・・・・・・・・二次電池
９・・・・・・・・・・・・水素入口弁
１０・・・・・・・・・・・水素出口弁
１１・・・・・・・・・・・加湿器
１２・・・・・・・・・・・空気入口弁
１３・・・・・・・・・・・空気出口弁
１４・・・・・・・・・・・駆動用インバータ
１５・・・・・・・・・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６・・・・・・・・・・・電流方向制限器
１７・・・・・・・・・・・開閉器
１８・・・・・・・・・・・電圧センサ
１９・・・・・・・・・・・温度センサ
２０・・・・・・・・・・・電流センサ
２１・・・・・・・・・・・高分子電解質膜
２２・・・・・・・・・・・アノード触媒電極
２３・・・・・・・・・・・カソード触媒電極
２４・・・・・・・・・・・膜・電極接合体
２５・・・・・・・・・・・カソード触媒電極側ガス拡散層
２６・・・・・・・・・・・アノード触媒電極側ガス拡散層
２７・・・・・・・・・・・燃料電池セル
【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】
2009135021.tif 000010
【図９】
2009135021.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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