(57)【要約】【課題】電解質膜からの触媒層の剥離を回復させ、ひいては燃料電池の発電性能の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池、判定手段、回復手段からなる燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、単セルが複数積層し、単セルは、電解質膜とこの電解質膜を挟持する一対の触媒層とを少なくとも含む。判定手段は、単セル中の触媒層が電解質膜から剥離しているか否かを判定する。回復手段は、触媒層が電解質膜から剥離していると判定された場合に、触媒層を剥離状態から回復させる回復動作を行う。【選択図】図２
2009230887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟持する一対の触媒層を備えた単セルが、複数積層されてなる燃料電池と、
前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定する判定手段と、
前記触媒層が前記電解質膜から剥離していると判定された場合に、該触媒層を剥離状態から回復させる回復動作を行う回復手段と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記判定手段は、前記燃料電池を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性を測定して、前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回復動作は、前記燃料電池の単セルの積層方向の締結荷重を大きくする動作である請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記回復動作は、前記燃料電池の運転温度を通常発電時よりも高くする動作である請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
低温始動の回数が所定回数を超えた場合に前記判定を行う請求項１から請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
低温環境での前記燃料電池の発電性能が所定値より低下した場合に前記判定を行う請求項１から請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記回復動作の後に前記触媒層が前記電解質膜から依然として剥離していると前記判定手段にて判定された場合、前記燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも大きくする請求項１から請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の触媒層の剥離回復に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、アノード、カソードを構成する触媒層の劣化が問題となる。例えば、特許文献１では、カソード触媒の酸化状態を判定して酸化物の除去を行うことで触媒の性能を回復させることが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１７４６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、触媒層の劣化は、触媒層の酸化によるもののみならず、電解質膜からの触媒層の剥離によっても起こる。この剥離現象は、燃料電池の低温環境下での使用により生じやすく、特に、燃料電池の氷点下始動を繰り返した場合、触媒に含まれる水の凝固、氷の融解による体積の膨張、収縮が繰りかえされることで触媒層の剥離が生じやすい。このような剥離に起因する触媒層の劣化については従来技術では未解決のままであった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜からの触媒層の剥離を回復させ、ひいては燃料電池の発電性能の低下を抑制す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】
【０００６】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、電解質膜を挟持する一対の触媒層を備えた単セルが、複数積層されてなる燃料電池と、前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定する判定手段と、前記触媒層が前記電解質膜から剥離していると判定された場合に、該触媒層を剥離状態から回復させる回復動作を行う回復手段と、を備えた燃料電池システムを構成する。
【０００７】
この構成によれば、電解質膜から触媒層が剥離をしているか否かを検知し、剥離がある場合は回復動作により再度触媒層を剥離状態から回復させることができる。すなわち、燃料電池を自己治癒させることができる。これにより、燃料電池の発電性能の低下を抑制し、耐久性を向上させることができる。
【０００８】
また、上記構成において、前記判定手段は、前記燃料電池を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性を測定して、前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定するようにしてもよい。
【０００９】
燃料電池を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性は、剥離が生じている場合と生じていない場合とで有意な差異を生じるので、上記構成によれば、他の触媒層の劣化原因（例えば、酸化）との切り分けも含め、触媒層の剥離を効果的に判定することができる。
【００１０】
また、上記構成において、前記回復動作は、前記燃料電池の単セルの積層方向の締結荷重を大きくする動作であるようにしてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、燃料電池の単セルの積層方向に締結加重が加わるので、触媒層を電解質膜に物理的に接着させることができ、触媒層を剥離状態から回復させることができる。
【００１２】
また、上記構成において、前記回復動作は、前記燃料電池の運転温度を通常発電時よりも高くする動作であるようにしてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、単セル中の触媒層、電解質膜の温度が通常運転時より上昇するため、触媒層と電解質膜とを化学的に接着させることができ、触媒層を剥離状態から回復させることができる。
【００１４】
また、上記構成において、低温始動の回数が所定回数を超えた場合に前記判定を行うようにしてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、触媒層の剥離が生じやすいのは低温始動を繰り返した場合であるので、剥離判定を行う必要性が高く、また逆に判定を行う場合を低温始動の回数により規定することで、余分な剥離判定を防止することができる。尚、ここで低温始動とは、触媒層に含まれる液体が凝固する温度以下での始動を示し、典型的には、氷点下での始動を示す。
【００１６】
また、上記構成において、低温環境での前記燃料電池の発電性能が所定値より低下した場合に前記判定を行うようにしてもよい。
【００１７】
上記構成によれば、低温環境での発電性能、例えば、電流−電圧特性が下がっている場合は、剥離が生じている可能性が高いので、剥離判定を行う必要性が高く、また逆に判定をおこなう場合を発電性能が所定値より低下した場合により規定することで、余分な剥離判定を防止することができる。尚、ここで、低温環境とは、典型的には燃料電池が０〜５０程度の温度域にある環境を示す。
【００１８】
また、上記構成において、前記回復動作の後に前記触媒層が前記電解質膜から依然として剥離していると前記判定手段にて判定された場合、前記燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも大きくするようにしてもよい。
【００１９】
上機構成によれば、回復動作でも十分に剥離が回復できない場合に、燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも上昇させるので、剥離に起因する電流−電圧特性の劣化を運転湿度の上昇により補填することで、所望の出力を得ることができるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電解質膜からの触媒層の剥離を回復させ、ひいては燃料電池の発電性能の低下を抑制する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】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について以下の順番で説明する。各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．燃料電池システムの全体構成
２．燃料電池システムの自己治癒制御
３．変形例
【００２２】
尚、本実施形態においては、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、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としても用いることが可能である。
【００２３】
１．本発明の実施の形態にかかる燃料電池の全体構成
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の全体構成について説明する。ここで、図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示した燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００２４】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。各単セルは、膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう）およびＭＥＡを両側から挟みこむように配置された一対のセパレータを有している。
【００２５】
ＭＥＡは、詳細には、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を両面から挟みこむように配置された一対の触媒層とで構成される。高分子電解質膜は、高分子材料のイオン交換膜からなる。触媒層は、触媒担持炭素と電解質が混合しマトリクス状になっている。触媒としては、例えば白金が用いられる。触媒担持炭素上の触媒と電解質との界面において電極反応が行われ、一対の触媒層は、アノード及びカソードとして機能する。そして、アノード側のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００２６】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。また、酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２７】
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
【００２８】
燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された調圧弁１６によって調圧される。調圧弁１６は、例えばステップモータで駆動する弁であり、制御部７に電気的に接続されている。調圧弁１６の弁開度は、制御部７によって、全開、半開及び全閉を含む任意の範囲で調整可能に構成されている。酸化オフガスは、調圧弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２９】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される
水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられている。
【００３０】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００３１】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３２】
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されている。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータ１４ａ、２４ａ、４２ａの駆動を制御する。
【００３３】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００３４】
制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、燃料電池システム１の各構成要素に制御信号を出力する。
【００３５】
２．燃料電池システムの自己治癒制御
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの自己治癒制御について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池２の各単セルの触媒層が電解質膜から剥離しているか否かを検知し（剥離判定）、剥離を検知した場合には自律的にこの剥離を回復させる（自己治癒制御）。以下、図２を用いてこの制御を詳述する。ここで、図２は、燃料電池システムの自己治癒制御を説明するためのフローチャートである。
【００３６】
図２に示すように、自己治癒制御は、燃料電池システム１において、氷点下始動がなされた際に開始される（ステップＳ1）。これは、触媒層の剥離が、燃料電池の低温環境下での使用、特に、燃料電池の氷点下始動を繰り返した場合に生じやすいためである。ここで、氷点下始動か否かは、冷媒流路４１内の冷媒温度や、燃料電池２のスタック温度、エアクリーナ１３を通る酸化ガス（外気）温度等様々な温度により判定することができる。
【００３７】
氷点下始動が行われると、制御部７は、燃料電池２の氷点下始動が総計で何回目であるかを検知し、所定回数Ｎ0（Ｎ0は自然数）以上であるか否かを判定する（ステップＳ2）。これは、氷点下始動の回数が増える毎に、触媒層に含まれる水の凝固、氷の融解による体積の膨張、収縮が繰りかえされることになり、結果として触媒層の剥離が生じている蓋然性が高くなるからである。所定回数Ｎ0は、触媒層の耐久性に応じて燃料電池システムにより任意に定めることができる。
【００３８】
氷点下始動回数が所定回数Ｎ0未満である場合（ステップＳ2：ＮＯ）、触媒層が電解質から剥離しているおそれはないとして、通常運転を行う（ステップＳ7）。すなわち、制御部７は、燃料電池２を通常の条件で発電させる。このとき、制御部７は、氷点下始動回数の総数を更新し、内部の記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に記憶させて次回の判定に備える。氷点下始動の回数が小さい場合は触媒層の剥離判定を行わないので、余分な判定を防止することができる。
【００３９】
氷点下始動回数が所定回数Ｎ0以上である場合（ステップＳ2：ＹＥＳ）、制御部７は、触媒層が電解質から剥離しているか否かを判定する（ステップＳ3）。この判定は、触媒層が剥離している場合は、乾燥による影響を受けやすくなること、すなわち燃料電池２を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性が、剥離が生じている場合と生じていない場合とで有意な差異を生じることを利用する。具体的には、制御部７は、加湿器１５を制御して、燃料電池２に供給される酸化ガスを通常運転時よりも低湿潤状態とし、燃料電池２を通常状態より乾燥させて発電させる。そして、このときの燃料電池２の電流−電圧特性を測定することで、判定を行う。一例を、図３に示す。ここで、図３は、燃料電池を乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性を示す模式図である。制御部７は、図３に示す基準ラインＦ0を予め内部に記憶している。そして、制御部７は、測定した電流−電圧特性が、この基準ラインＦ0よりも高い場合は剥離が生じておらず、低い場合は剥離が生じていると判定する。図３においては、測定結果がＦ1であれば、剥離が生じておらず、測定結果がＦ2であれば、剥離が生じていると判定されることになる。これにより、他の触媒層の劣化原因（例えば、酸化）との切り分けも含め、触媒層の剥離を効果的に判定することができる。
【００４０】
図２に戻って説明を続ける。剥離が生じていないと判定された場合（ステップＳ3：ＮＯ）は、通常運転に移行し、制御部７は、燃料電池２を通常の条件で発電させる。（ステップＳ7）。このとき、制御部７は、氷点下始動回数の総数を更新し、内部の記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に記憶させ、次回の判定に備える。
【００４１】
剥離が生じていると判定された場合（ステップＳ3：ＹＥＳ）は、制御部７は剥離回復動作を行う（ステップＳ4）。剥離回復動作は、剥離した触媒層を再度電解質膜に接着させる動作である。ここでは、燃料電池２の単セルの積層方向の締結加重を強めることで電解質膜と剥離した触媒層とを物理的に接着させる。本実施の形態では、燃料電池２のスタック端部の締結部材に油圧機構を配置し（図示せず）、この油圧機構を制御部７からの指令により収縮させ締結部材を圧縮することで、燃料電池２の積層方向の締結加重を強めるようにしている。
【００４２】
剥離回復動作の終了後、制御部７は、触媒層が電解質から依然として剥離しているか否かを判定する（ステップＳ5）。判定の方法は、ステップＳ3の場合と同様である。
【００４３】
剥離が生じていないと判定された場合（剥離が回復した場合）（ステップＳ5：ＮＯ）は、通常運転に移行し、制御部７は、燃料電池２を通常の条件で発電させる。（ステップＳ7）。このとき、制御部７は、氷点下始動回数の総数を更新し、内部の記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に記憶させ、次回の判定に備える。
【００４４】
剥離が生じていると判定された場合（剥離が依然として回復していない場合）（ステップＳ5：ＹＥＳ）、高加湿運転に移行する。すなわち、制御部７は、燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも大きくする。具体的には、制御部７は、加湿器１５を制御して、燃料電池２に供給される酸化ガスを通常運転時よりも高湿潤状態とし、燃料電池２を通常状態より高い湿度で発電させる。加湿量は、剥離判定の際の電流−電圧特性の測定値が基準ラインＦ0からどれだけ乖離しているかを考慮して算出される。
【００４５】
以上により、電解質膜から触媒層が剥離をしているか否かを検知し、剥離がある場合は回復動作により再度触媒層を剥離状態から回復させることができる。すなわち、燃料電池を自己治癒させることができる。これにより、燃料電池の発電性能の低下を抑制し、耐久性を向上させることができる。また、回復動作でも十分に剥離が回復できない場合であっても、剥離に起因する電流−電圧特性の劣化を運転湿度の上昇により補填させることで、燃料電池２の所望の出力を得ることができる。
【００４６】
３．本発明の実施の形態にかかる燃料電池の変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に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様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
【００４７】
上記実施の形態においては、氷点下始動の回数をカウントして触媒層の剥離判定をおこなっているが、これに限られるものではなく、剥離判定を行うか否かを、触媒層の剥離に関連する一または複数のパラメータにより決定するようにしてもよい。これにより、剥離判定を剥離の蓋然性が高い場合に限って行うことができるので余分な剥離判定を避けることができる。例えば、低温環境での燃料電池２の発電性能が所定値より低下した場合に剥離判定を行うようにしてもよい。低温環境での発電性能が下がっている場合は、剥離が生じている可能性が高いためである。
【００４８】
また上記実施の形態においては、回復動作として、燃料電池２の単セルの積層方向の締結加重を強めるようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、制御装置７により、燃料電池２の運転条件を制御することによって電解質膜と剥離した触媒層とを接着させるようにしてもよい。例えば、燃料電池２の運転温度を通常発電時よりも高くして触媒層と電解質膜とを化学的に接着させ、触媒層を剥離状態から回復させるようにしてもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態においては、一回の剥離回復動作（ステップＳ4）の後で、触媒層の剥離が回復していなければ（ステップＳ5：ＹＥＳ）、高加湿運転を行う（ステップＳ6）ようになっているが、これに限られるものではない。例えば、一回の剥離回復動作の後で剥離が回復していない場合、すぐに高加湿運転をするのではなく、この剥離回復動作を複数回繰り返すようにしてもよい。また、別の回復動作を試みるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】燃料電池システムの自己治癒制御を説明するためのフローチャート。
【図３】燃料電池を乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性を示す模式図。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２ａ…酸化ガス流路、２ｂ…燃料ガス流路、２ｃ…冷却流路、３…酸化ガス配管系、４…燃料ガス配管系、５…冷媒配管系、６…電力系、７…制御部、１１…供給路、１２…排出路、１３…エアクリーナ、１４…コンプレッサ、１４ａ…モータ、１５…加湿器、１６…調圧弁、２１…水素供給源、２２…供給路、２３…循環路、２４…ポンプ、２４ａ…モータ、２５…パージ路、２６…元弁、２７…調圧弁、２８…遮断弁、３３…パージ弁、４１…冷媒流路、４２…冷却ポンプ、４２ａ…モータ、４３…ラジエータ、４４…バイパス流路、４５…切換え弁、６１…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、６２…バッテリ、６３…トラクションインバータ、６４…トラクションモータ、６５…補機インバータ、６６…補機インバータ、６７…補機インバータ、１００…車両、１００Ｌ…車輪、１００Ｒ…車輪
【図１】
2009230887.tif 000003
【図２】
2009230887.tif 000004
【図３】
2009230887.tif 000005