(57)【要約】【課題】燃料電池の制御において、燃料電池の作動に起因する性能劣化を抑制する技術を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池の制御装置を提供する。この制御装置は、電解質を有する燃料電池を制御する制御装置であって、電解質の劣化を推定する状態推定部と、劣化の推定に応じて、電解質の含水量を増大させるように燃料電池に対して特定の操作を行う操作部と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を有する燃料電池を制御する制御装置であって、
前記電解質の劣化を推定する状態推定部と、
前記劣化の推定に応じて、前記電解質の含水量を増大させるように前記燃料電池に対して特定の操作を行う操作部と、
を備える制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置であって、
前記操作部は、前記燃料電池の出力電流を増大させることによって前記電解質の含水量を増大させる制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御装置であって、
前記操作部は、前記燃料電池に供給される反応ガスの少なくとも一方の加湿量を増大させることによって前記電解質の含水量を増大させる制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の制御装置であって、
前記状態推定部は、予め設定された特定の状態の少なくとも一つに該当する場合には前記劣化が生じたとみなし、
前記特定の状態は、前記特定の操作時からの前記燃料電池の無負荷状態の累積時間が予め設定された所定の時間を超えた状態と、Ｎ回（Ｎは自然数）に１回の前記燃料電池の起動時と、Ｍ回（Ｍは自然数）に１回の前記燃料電池の停止時と、の少なくとも一つを含む制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の制御装置であって、
前記状態推定部は、前記燃料電池の出力電位を直線的に掃引し、前記掃引時の応答電流を測定し、前記測定結果と予め準備された劣化前の応答電流との差に基づいて前記劣化を推定する制御装置。
【請求項６】
燃料電池システムであって、
電解質を有する燃料電池と、
請求項１ないし５のいずれかに記載の制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
電解質を有する燃料電池を制御する制御方法であって、
前記電解質の劣化を推定する状態推定工程と、
前記劣化の推定に応じて、前記電解質の含水量を増大させるように前記燃料電池に対して特定の操作を行う操作工程と、
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、通常の電池作動中における固体高分子型燃料電池の性能劣化から回復させるための技術が提案されている。たとえば特許文献１では、燃料電池の性能劣化の原因が白金触媒の酸化であると推定し、燃料電池への反応ガスの供給量を低下させてカソード電位を低下させた状態で作動させ、これにより白金触媒の還元を行う技術が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６２３２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、燃料電池の通常の作動中における劣化の要因は、完全には解明されておらず、さらに、上述の方法では、性能回復の作動時には、燃料電池が電力を出力することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述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、燃料電池の制御において、燃料電池の作動に起因する性能劣化を抑制する技術を提供することを目的とし、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［適用例１］
電解質を有する燃料電池を制御する制御装置であって、
前記電解質の劣化を推定する状態推定部と、
前記劣化の推定に応じて、前記電解質の含水量を増大させるように前記燃料電池に対して特定の操作を行う操作部と、
を備える制御装置。
【０００７】
本発明の制御装置では、電解質の劣化の推定に応じて、電解質の含水量を増大させるように燃料電池に対して特定の操作が行われるので、電解質の劣化による燃料電池の性能低下を抑制することができる。このような性能回復のメカニズムは、発明者の解析によれば、電解質の含水量の増大によって電解質中のイオノマーと呼ばれるイオン性高分子中の劣化物質が電解質から排出されるからであると推定されている。ただし、このようなメカニズムが現実に働いているか否かに関わらず、発明者は、電解質の含水量を増大させれば電解質の性能が回復することを実験によって確認している。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の制御装置において、
前記操作部は、前記燃料電池の出力電流を増大させることによって前記電解質の含水量を増大させるようにしても良い。このように、燃料電池の出力電流を増大させて生成水を増加させることによって電解質の含水量を増大させるようにしても良い。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または２に記載の制御装置において、
前記操作部は、前記燃料電池に供給される反応ガスの少なくとも一方の加湿量を増大させることによって前記電解質の含水量を増大させるようにしても良い。このように、燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を増大させることによって電解質の含水量を増大させるようにしても良いし、あるいは高加湿状態で高出力を発生させるようにしても良い。
【００１０】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の制御装置において、
前記状態推定部は、予め設定された特定の状態の少なくとも一つに該当する場合には前記劣化が生じたとみなし、
前記特定の状態は、前記特定の操作時からの前記燃料電池の無負荷状態の累積時間が予め設定された所定の時間を超えた状態と、Ｎ回（Ｎは自然数）に１回の前記燃料電池の起動時と、Ｍ回（Ｍは自然数）に１回の前記燃料電池の停止時と、の少なくとも一つを含むようにしても良い。このように、劣化発生と相関の高い所定の条件が満たされたときに、劣化が生じたと見なせば簡易な劣化推定を実現することができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の制御装置であって、
前記状態推定部は、前記燃料電池の出力電位を直線的に掃引し、前記掃引時の応答電流を測定し、前記測定結果と予め準備された劣化前の応答電流との差に基づいて前記劣化を推定するようにしても良い。このように、電気化学的な計測に基づいて直接的に劣化を検知するようにしても良い。
【００１２】
なお、本発明は、燃料電池制御方法、燃料電池システム、燃料電池搭載車両その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池搭載車両の構成：
Ｂ．本発明の実施例における燃料電池システムの制御：
Ｃ．本発明の実施例における燃料電池の回復操作：
Ｄ．変形例：
【００１４】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池搭載車両の構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池搭載車両１０００の概略構成図である。燃料電池搭載車両１０００は、電源システム２００と、負荷部３００と、制御部２５０とを備えている。電源システム２００は、燃料電池搭載車両１０００の動力源としての電力を供給する。負荷部３００は、供給された電力を燃料電池搭載車両１０００を駆動するための機械的動力に変換する。制御部２５０は、電源システム２００と負荷部３００とを制御する。
【００１５】
電源システム２００は、燃料電池システム２１０と、２次電池２２６（キャパシタとも呼ばれる。）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４と、を備えている。負荷部３００は、駆動回路３６０と、モータ３１０と、ギヤ機構３２０と、車輪３４０とを備えている。
【００１６】
制御部２５０は、燃料電池システム２１０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４と、駆動回路３６とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部２５０の各種の制御動作は、制御部２５０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部２５０が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００１７】
図２は、実施例の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図である。燃料電池システム２１０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系統２３０と、燃料電池スタック１００に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２２０と、水素ガス循環系統２２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統２４０とを備えている。制御部２５０は、空気供給系統２３０、水素ガス供給系統２４０、および水素ガス循環系統２２０を制御する。
【００１８】
燃料電池スタック１００は、燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池セルの各々は、空気流路２３５と燃料ガス流路２２５と膜電極接合体１１０とを内部に備える。図２には、単層だけ構成を概念的に図示してある。
【００１９】
空気供給系統２３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統２３０は、外気を吸入するブロワ２３１と、吸入された空気を加湿する加湿器２３９と、この加湿された空気を空気流路２３５に供給する加湿空気供給配管２３４と、空気流路２３５から排気するための排気管２３６とを備える。
【００２０】
加湿器２３９は、膜電極接合体１１０の水分管理を適切に行ってフラッディング（水分過多）やドライアウト（水分過小）をとならないように、たとえば相対湿度が２０％程度のとなるように空気を加湿する通常作動モードと、回復作動モードとを有している。回復作動モードとは、詳細については後述するが、相対湿度８０％程度となるように加湿を行う作動モードである。
【００２１】
水素ガス供給系統２４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク２４２と、水素ガス循環系統２２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ２４１とを備える。なお、本実施例では、水素ガス供給系統２４０に加湿器は装備されていないが、加湿器を装備するようにしても良い。
【００２２】
水素ガス循環系統２２０は、水素ガス循環系統２２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２２８と、循環ポンプ２２８から吐出された水素ガスを燃料ガス流路２２５に供給する水素ガス供給配管２２４と、燃料ガス流路２２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２２９に供給する排ガス配管２２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２２８に水素ガスを供給する気液分離部２２９と、排水バルブ２２９Ｖとを備える。
【００２３】
Ｂ．本発明の実施例における燃料電池システムの制御：
電源システム２００は、負荷部３００から要求される要求電力を、燃料電池システム２１０と２次電池２２６とから供給する。電源システム２００に２次電池２２６が装備されているのは、要求電力の変動に対して十分な応答を可能とするためである。
【００２４】
具体的には、たとえば燃料電池搭載車両１０００の加速中のように燃料電池システム２１０の出力電力よりも要求電力の方が大きなときには、燃料電池システム２１０と２次電池２２６の双方から電力を供給することができ、燃料電池搭載車両１０００の減速中や停止中のように燃料電池システム２１０の出力電力よりも要求電力の方が小さなときには、燃料電池システム２１０の出力電力を２次電池２２６に蓄えることができる。
【００２５】
燃料電池システム２１０の出力は、制御部２５０による反応ガスの供給量と出力電圧の操作によって制御される。具体的には、反応ガスの供給量によって燃料電池スタック１００の出力可能電力が制御され、現実に出力される電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４によって操作される燃料電池スタック１００の出力電圧によって制御される。
【００２６】
図３は、燃料電池スタック１００に一定の反応ガスが供給されているときの燃料電池システム２１０と２次電池２２６とから供給される電力を示す説明図である。横軸は、駆動回路３６０に印可される２次電源電圧である。２次電源電圧は、燃料電池システム２１０と２次電池２２６とが並列に接続されているので（図１）、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４によって操作される燃料電池スタック１００の出力電圧と一致する。縦軸は、電源システム２００の出力電力を示している。電圧ＯＣＶは、燃料電池スタック１００の開放端電圧である。一方、運用最小電圧Ｖminは、燃料電池スタック１００を保護するための最小電圧である。
【００２７】
この図には、要求電力が電力Ｐｔのときに、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４の出力操作に応じて、燃料電池スタック１００の出力電圧と２次電池２２６からの出力電力（２次電源電力）が制御されている様子が示されている。たとえばＤＣ−ＤＣコンバータ２６４の出力電圧を操作して電圧Ｖ0とすれば、燃料電池スタック１００と２次電池２２６の双方から電力を出力させることができる。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４の出力電圧を操作して電圧Ｖ1とすれば、燃料電池スタック１００のみから電力が出力させ、２次電池２２６に余剰電力（Ｐ１−Ｐｔ）を充電させることができる。
【００２８】
ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４の出力電圧を操作して開放端電圧ＯＣＶよりも高くすれば、燃料電池スタック１００の出力を停止させることもできる。このときには、燃料電池スタック１００に反応ガスが供給されているにも拘わらず、消費はされないこととなる。このような状態は、たとえば燃料電池搭載車両１０００の減速中や停止中において２次電池２２６の充電量が十分な場合に生じることが想定される。
【００２９】
しかし、本願発明者は、このような燃料電池スタック１００の無出力状態（無負荷状態）が燃料電池スタック１００の膜電極接合体１１０に劣化を生じさせることを見いだした。本願発明者は、さらに、このような劣化から回復する操作方法をも創作した。
【００３０】
図４は、膜電極接合体１１０の劣化に起因する燃料電池スタック１００の性能劣化の様子を示している。３本の曲線ＣＶＲ１１、ＣＲＶ１２、ＣＲＶ１３は、同一の反応ガスの供給状態における燃料電池スタック１００の出力電圧と出力電力の関係を示している。曲線ＣＶＲ１１は、性能劣化が生じる前の出力電圧と出力電力の関係を示している。曲線ＣＶＲ１２は、性能劣化が生じた後の出力電圧と出力電力の関係を示している。２本の曲線ＣＶＲ１１、ＣＲＶ１２を比較すると、同一の出力電圧に対して出力電力が相違することが分かる。この相違は、性能劣化によって同一電圧のときに出力できる電流値が相違することに起因する。
【００３１】
曲線ＣＲＶ１３は、本願発明者によって創作された性能回復操作処理が行われた後の出力電圧と出力電力の関係を示している。曲線ＣＲＶ１３は、曲線ＣＲＶ１２より曲線ＣＶＲ１１に近づいていることが分かる。このような性能劣化や性能回復が膜電極接合体１１０の劣化（電気化学的な特性劣化）に起因していることは、本願発明者によって、サイクリックボルタンメトリー測定で検証されている。
【００３２】
図５は、サイクリックボルタンメトリー測定（ＣＶ測定）の様子を示す説明図である。サイクリックボルタンメトリーとは、電極電位を直線的に掃引し、掃引時の応答電流を測定する電気化学分野における基本的な計測手法である。具体的には、計測開始点Ｐｓｔから燃料電池スタック１００の出力端子（図示せず）の両端に１．０Ｖから０Ｖまで負方向にの電圧を掃引する。次に、０Ｖから１．０Ｖの方向に計測終了点Ｐｅｎｄまで正方向にの電圧を掃引する。このようにして得られた曲線は、サイクリックボルタモグラムと呼ばれ、サイクリックボルタモグラムの変化に基づいて計測の電気化学的性質の変化を検知することができる。なお、図５は、サイクリックボルタンメトリー測定の概念を説明するための概念図であって、本実施例の燃料電池の測定結果を示すものではない。
【００３３】
Ｃ．本発明の実施例における燃料電池の回復操作：
図６は、燃料電池スタック１００の回復操作の処理工程を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部２５０は、無負荷状態（ＯＣＶ状態）の累積時間を計測する。ＯＣＶ状態の累積時間は、上述のように膜電極接合体１１０の劣化と強い正の相関関係を有するので、現実に劣化状態を計測することなく簡易に劣化を推定することができる。
【００３４】
ただし、サイクリックボルタンメトリー測定その他の計測によって膜電極接合体１１０の劣化を計測するようにしても良い。さらに、劣化の推定は、たとえば燃料電池システム２１０の起動や停止操作の少なくとも一方毎に（あるいは複数回毎に）に劣化が生じたものと見なすような簡易な構成としても良いし、あるいは低負荷状態の積分時間に基づいて行っても良い。低負荷状態の積分時間は、無負荷状態にどの程度近いかという定量値（燃料電池余剰性能）を時間で積分したもので、電気化学的にＯＣＶ状態の累積時間に相当する値として定義することができる。なお、特許請求の範囲における「無負荷状態の累積時間」は、このような積分時間をも含む広い概念を有する。
【００３５】
ステップＳ２００では、制御部２５０は、ＯＣＶ状態の累積時間が予め設定された所定の閾値（時間）を超えたか否かを決定する。所定の閾値は、膜電極接合体１１０に回復すべき劣化が生じているとの推定を行うための時間として予め設定された時間である。累積時間の計測は、渋滞や下り坂でＯＣＶ状態が発生する毎に、制御部２５０が有する図示しない不揮発性メモリその他の記憶素子にＯＣＶ状態が継続した時間が加算されることによって行われる。ＯＣＶ状態の累積時間がこの閾値を超えると、処理がステップＳ３００に進められる。
【００３６】
ステップＳ３００では、制御部２５０は、高加湿高出力運転を実行する。高加湿高出力運転とは、制御部２５０によって電源システム２００に対して以下の操作を行うことによって実現される運転状態である。
（１）空気供給系統２３０や水素ガス供給系統２４０を制御して、反応ガスの供給量を増大させる。
（２）空気供給系統２３０の加湿器２３９の作動モードを回復作動モードとする。回復作動モードとは、前述のように相対湿度８０％以上程度となるように加湿を行う作動モードである。
（３）要求電力Ｐｔに拘わらず、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６４の出力を操作（低電圧化）して燃料電池スタック１００の出力を高くするとともに、この際に発生する余剰電力を２次電池２２６に充電させる。
【００３７】
このような運転状態は、膜電極接合体１１０の含水量を増大させてフラッディングを意図的に生じさせるような状態である。フラッディングは、膜電極接合体１１０におけるガスの拡散を阻害し、燃料電池への反応ガスの供給量が低下するので、当業者の技術常識では回避すべき状態とされている。しかし、本願発明者が行った実験によれば、膜電極接合体１１０に劣化が生じた場合に、敢えてこのような状態を作り出すと、その劣化が軽減されることが確認された。すなわち、膜電極接合体１１０に劣化が生じた場合に、意図的なフラッディング状態を作り出すと、燃料電池スタック１００の性能が回復することが確認されたのである。
【００３８】
このような操作で燃料電池の性能が回復するのは、発明者の解析によれば、膜電極接合体１１０の内部に蓄積された劣化物質が生成水とともに外部に排出されることに起因すると推定されている。劣化物質は、膜電極接合体１１０が有する電解質材料の変質物であると指定されている。ただし、このような解析が正しいか否かに関わらず、上述の回復操作で燃料電池スタック１００の性能が回復することが確認されているので、発明としては完成しており産業上利用可能である。
【００３９】
このように、本実施例では、膜電極接合体１１０の劣化の推定に応じて、意図的にフラッディング状態を作り出すことによって燃料電池スタック１００の性能を回復させることができ、これにより燃料電池システム２１０の安定した運用を実現することができる。
【００４０】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつか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。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
【００４１】
Ｄ−１．上述の実施例では、２次電池を有する車両に搭載した構成が開示されているが、たとえば家庭用の燃料電池システムに適用することもできる。家庭用の燃料電池システムでは、たとえば回復操作時に発生する電力は、電力会社に売電することも可能である。
【００４２】
Ｄ−２．上述の実施例では、高加湿状態で高出力を発生させる運転としているが、加湿機構を有しない燃料電池システムにも本発明を適用することができる。たとえば高出力とすることによって電解質の含水量を増大させれば、本願発明の効果を奏することができる。ただし、高加湿とすれば含水量の操作の自由度が高くなるので顕著な効果を奏することができる。さらに、加湿量だけを増加させるように構成しても良い。
【００４３】
Ｄ−３．上述の実施例では、膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池に本願発明を適用した構成が開示されているが、これに限られず電力出力時に水を生成する電解質を有する燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例における燃料電池搭載車両１０００の概略構成図。
【図２】実施例の燃料電池システム２１０の構成を示すブロック図。
【図３】燃料電池スタック１００に一定の反応ガスが供給されているときの燃料電池システム２１０と２次電池２２６とから供給される電力を示す説明図。
【図４】膜電極接合体１１０の劣化に起因する燃料電池スタック１００の性能劣化の様子を示す説明図。
【図５】サイクリックボルタンメトリー測定（ＣＶ測定）の様子を示す説明図。
【図６】燃料電池スタック１００の回復操作の処理工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４５】
３５…燃料電池内空気流路
３６…駆動回路
１００…燃料電池スタック
１１０…膜電極接合体
２００…電源システム
２１０…燃料電池システム
２２０…水素ガス循環系統
２２４…水素ガス供給配管
２２５…燃料ガス流路
２２６…排ガス配管
２２８…循環ポンプ
２２９…気液分離部
２２９Ｖ…排水バルブ
２３０…空気供給系統
２３１…ブロワ
２３４…加湿空気供給配管
２３５…空気流路
２３６…排気管
２３９…加湿器
２４０…水素ガス供給系統
２４１…水素バルブ
２４２…水素タンク
２５０…制御部
３００…負荷部
３１０…モータ
３２０…ギヤ機構
３４０…車輪
３６０…駆動回路
１０００…燃料電池搭載車両
【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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