JP2007005000A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜と、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、アイドル停止などの燃料電池システムの停止時に、電解質のクロスリークを検出し、燃料極への水素の供給と酸化剤極への空気の供給を停止し、かつ電解質膜のクロスリーク量が所定量よりも多くなった場合に、燃料電池１の電圧を一旦低下させ、その後に再び燃料電池の電圧を高くすることで、クロスリークによって発生する過酸化水素をすみやかに分解する。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池システムの制御方法に関するものである。

例えば燃料電池を車両に搭載した場合には、燃料電池車両の燃費を向上するために車両のアイドル停止時には、新たな水素または空気などの反応ガスを供給せずに燃料電池の出力をゼロ、つまり燃料電池を開回路電圧（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、以下、ＯＣＶとする）として保持する。

燃料電池を開回路電圧で保持した場合に、１００ｈ程度で燃料電池の単位セルあたりの電圧が０．９Ｖよりも低くなる。これは燃料電池において電解質膜を水素、または酸素がクロスリークすることにより、燃料極に酸素が、または酸化剤極に水素が混入し、燃料極、または酸化剤極で水素と酸素が反応して過酸化水素（以下、Ｈ₂Ｏ₂とする）が生成され、Ｈ₂Ｏ₂によって電解質を劣化させるためである。

そこで燃料電池の電圧を１．４ＶなどのＯＣＶ（０．９５Ｖ程度）よりも高くすることでＨ₂Ｏ₂を効果的に分解する方法が非特許文献１に開示されており、この方法によってＨ₂Ｏ₂を分解することが可能である。
稲葉稔「固体高分子形燃料電池の研究開発固体高分子形燃料電池の劣化要因に関する研究」Ｈ１３年度新エネルギー・産業技術総合開発機構報告書、平成１４年３月

しかし、燃料電池の通常のＯＣＶは０．９５Ｖ程度であり、Ｈ₂Ｏ₂を効果的に分解するには外部より電圧を印加する必要があり、燃料電池システムのエネルギー効率が悪くなる。

さらに、ＯＣＶ程度（０．８〜１．０Ｖ）の電圧下においては、酸化剤極中の触媒として例えば白金を用いた場合には、白金の表面に酸化被膜が形成され、また上述のような１．４Ｖ程度と比べて電位が低いので、Ｈ₂Ｏ₂の分解速度が遅くなり、Ｈ₂Ｏ₂によって電解質が劣化し、燃料電池を劣化させる、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、外部より電圧を印加せずにエネルギー効率の良い燃料電池システムによってＨ₂Ｏ₂を分解し、燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。

本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、燃料極に水素を供給する水素供給手段と、酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、例えばアイドル停止状態などの燃料電池システムの停止時に、電解質膜のクロスリークを検出するクロスリーク検出手段と、水素供給手段と酸化剤供給手段とからの水素と酸化剤との供給を停止し、かつ電解質膜のクロスリーク量が所定量を超えた場合に、前記燃料電池の電圧を第１所定電圧まで低下させた後に、燃料電池の電圧を第１所定電圧よりも高くする電圧調整手段を備える。

本発明によると、燃料電池システムの燃料電池の出力をゼロとする例えばアイドル運転停止時に、外部より電圧を印加させずにクロスリークによって発生するＨ₂Ｏ₂を速やかに分解することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成について図１を用いて説明する。この実施形態は、燃料電池１と、燃料電池１の後述する燃料極４１に水素を供給する水素ボンベ（水素供給手段）２と、燃料電池１の発電反応に使用されなかった排出水素を再び燃料極４１に循環させる循環ポンプ３と、燃料電池１の後述する酸化剤極４２に空気を供給するコンプレッサ（酸化剤供給手段）４と、燃料電池１によって発電した電力を消費する例えば抵抗などの負荷５と、燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ６と、燃料電池１の出力を制御する出力制御手段７と、を備える。

また、水素ボンベ２から燃料電池１の燃料極４１に水素を供給する水素供給路１０と、燃料電池１の発電に使用されなかった排出水素を再び燃料極４１に環流させる循環流路１１と、排出水素中の水素濃度が低くなった場合に排出水素を水素消費手段（図示せず）に送る水素排出路１２と、を備える。なお、水素ボンベ２と燃料極４１との間にはバルブＶ１を備え、水素排出路１２にはバルブＶ２を備える。また、コンプレッサ４から酸化剤極４２に空気を供給する空気供給路１３と、燃料電池１の発電に使用されなかった排出空気を燃料電池システムの外部へ排出する空気排出路１４と、を備える。バルブＶ２を開閉することにより排出水素を環流させるか、または水素消費手段に送るかを選択的に切り替える。

また、燃料電池システムに要求される出力に基づいて、循環ポンプ３と、コンプレッサ４と、出力制御手段７と、バルブＶ１、Ｖ２と、を制御するコントローラ２０を備える。

燃料電池１は単位セル３０を複数積層して構成される。単位セル３０について図２の概略構成図を用いて説明する。

単位セル３０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）３１と、電解質膜３１を挟持するアノード触媒層３２とカソード触媒層３３と、アノード触媒層３２の外側に設けたアノードガス拡散層３４と、カソード触媒層３３の外側に設けたカソードガス拡散層３５と、を備える。また、アノードガス拡散層３４の外側に設けられ、水素流路３６を有するアノードセパレータ３７と、カソードガス拡散層３５の外側に設けられ、空気流路３８を有するカソードセパレータ３９を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール４０を備える。なお、図示しないが、単位セル３０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路を設けても良い。

この実施形態ではアノード触媒層３２とアノードガス拡散層３４とを燃料極４１とし、カソード触媒層３３とカソードガス拡散層３５とを酸化剤極４２とする。

電解質膜３１は、例えばデュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜である。

アノード触媒層３２とカソード触媒層３３とは、触媒として白金を担持するカーボンブラックである。なお、触媒としては白金に限られることはない。

アノードガス拡散層３５とカソードガス拡散層３５は、例えばカーボンペーパ、カーボンクロスを使用する。

出力制御手段７は、燃料電池１の出力を制御する装置であり、燃料電池１の出力をステップ状に切り替え可能な装置である。つまり燃料電池１と負荷５との電気的な接続を選択的に切り替え可能な装置である。なお、出力制御手段７は、例えばモータ（図示せず）と電気的に接続し、モータで消費される電力に応じて、燃料電池１の出力を制御する。

コントローラ２０は燃料電池システムで消費される電力に基づいて燃料電池１の出力を算出し、出力制御手段７に燃料電池１の出力値を信号として伝達する。また、バルブＶ１、Ｖ２の開度、循環ポンプ３とコンプレッサ４との回転数などを制御し、燃料極４１、酸化剤極４２に供給される水素量、または空気量を調整する。

燃料電池１の運転中には単位セル３０において、電解質膜３１を通って燃料極４１へ空気が混入し、また酸化剤極４２へ水素が混入するクロスリークが生じる。クロスリークが生じると、燃料極４１、酸化剤極４２の両極において水素と酸素がそれぞれ反応して、Ｈ₂Ｏ₂が生成される。後述するように、カソード触媒層３３ではＨ₂Ｏ₂が分解されやすいため、Ｈ₂Ｏ₂の濃度はアノード触媒層３２の方が高くなる。従って、Ｈ₂Ｏ₂は、電解質膜３１の中を、アノード触媒層３２からカソード触媒層３３の側に濃度拡散により移動する。

このとき、燃料極４１、酸化剤極４２で生成されたＨ₂Ｏ₂は、高分子構造の電解質膜３１を劣化させるおそれがあるが、生成されたＨ₂Ｏ₂は電位の観点から言うと、電位の高いカソード触媒層３３の触媒によって分解することができる。従って、電解質膜３１を介してカソード触媒層３３に移動してきたＨ₂Ｏ₂は、基本的にはカソード触媒層３３において分解される。アノード触媒層３２は、Ｈ₂Ｏ₂が分解される電位（約０．６Ｖ）よりも低いため、Ｈ₂Ｏ₂の分解は殆ど生じない。上記のように、電位の高いカソード触媒層３３においてＨ₂Ｏ₂は分解されやすい。しかしながら、電位が高いと白金の表面に酸化被膜が形成されるためにＨ₂Ｏ₂は分解されにくくなる。一方、燃料電池１に要求される出力が比較的高い通常の運転時には、燃料電池１の電圧は低くなる。つまり、カソード触媒層３３の電位は低くなる。このとき、カソード触媒層３３では、触媒である白金の表面に形成されていた酸化被膜が還元され、酸化被膜の形成量が少なくなる。とりわけ０．７Ｖ以上であれば、Ｈ₂Ｏ₂は速やかに分解される。そのため電解質膜３１の劣化は抑制される。

しかし、燃料電池１から取り出す出力がゼロとなるアイドル停止時には、燃料電池１の電圧が０．９５Ｖ程度と高くなり、酸化剤極４２の電位が高くなる。これによりカソード触媒層３３では、白金の表面に酸化被膜が形成される。白金の表面に酸化被膜が形成されると、白金の活性が低下する。そのためクロスリークによってＨ₂Ｏ₂が生成された場合に、Ｈ₂Ｏ₂を分解する機能が低下し、Ｈ₂Ｏ₂によって電解質膜３１の劣化が生じる。この実施形態では、アイドル停止時に生じる電解質膜３１の劣化を抑制する。

次にコントローラ２０によって行う燃料電池システムの制御について図３のフローチャートを用いて説明する。この実施形態の制御はアイドル停止時に行う制御である。なお、通常の運転時には出力制御手段７によって燃料電池１と負荷５とは電気的に切断されている。

ステップＳ１００では、燃料電池システムにおいてアイドル停止の信号を受けると、バルブＶ１、Ｖ２を閉じて、循環ポンプ３を動作させて排出水素のみを燃料極４１に環流させる。直前まで循環ポンプ３が稼働している場合は、継続して稼働させる。また、コンプレッサ４を停止し、酸化剤極４２への空気の供給を停止する。このとき電解質膜３１においてクロスリークが生じていない場合には、燃料電池１の電圧は比較的高く維持される。しかし、クロスリークが生じると、燃料極４１、酸化剤極４２においてＨ₂Ｏ₂が生成される。そのためクロスリークが生じると、燃料極４１では水素が減少して酸素が増し、また、酸化剤極４２では空気中の酸素が減少して水素が増すために、燃料電池１の電圧が低下する。

ステップＳ１０１では、電圧センサ６によって燃料電池１の電圧を検出し、燃料電池１の単位セル３０あたりの電圧Ｖを算出する。そして電圧Ｖが所定電圧（所定量、第２所定電圧）Ｖ１よりも低くなるとステップＳ１０２へ進む。

ここで、図４に電解質膜における温度に対するクロスリーク相対量特性を示す。図４において、ガスの相対湿度をα％とした場合の電解質膜Ａのクロスリーク相対量を実線で示し、ガスの相対湿度をα％とした場合の電解質膜Ｂのクロスリーク相対量を一点鎖線で示す。また、電解質膜Ａにおいてガスの相対湿度をβ％（α＜β）とした場合のクロスリーク相対量を破線で示す。なお、電解質膜Ａと電解質膜Ｂは異なる種類の電解質膜であり、膜の厚さは同じ厚さとする。

図４によると、相対湿度をα％とした場合に電解質膜Ａと電解質膜Ｂとはクロスリーク量が異なっており、ともに温度が高くなるとクロスリーク量は増加する。また、同じ電解質膜Ａを用いた場合でも相対湿度が高くなるとクロスリーク量も増加する。

以上のように、電解質膜３１の種類、水素または空気の湿度や温度など使用条件によって電解質膜３１におけるクロスリーク量は変化する。この実施形態では、図４に示すマップから使用する電解質膜３１に応じて所定電圧Ｖ１を設定する。所定電圧Ｖ１は燃料電池１においてクロスリークが生じているかどうかを判定する電圧であり、この実施形態では所定電圧Ｖ１を０．９２Ｖとする（ステップＳ１０１がクロスリーク検出手段を構成する）。

ステップＳ１０２では、出力制御手段７によって燃料電池１と負荷５とを電気的に接続し、出力制御手段７によって燃料電池１の最大出力の５％に相当する出力を取り出す。なお、燃料電池１の最大出力の５％に相当する出力までの到達時間は１秒とする。取り出した出力は負荷５によって消費される。

ここで燃料電池１の単位セル３０あたりの電圧をＯＣＶと所定電圧との間で電圧を繰り返し変化させた場合、つまり燃料電池１の出力をゼロとする状態から、単位セル３０あたりの電圧が所定電圧となる出力まで繰り返し変化させた場合の単位セル３０あたりの電圧と、カソード触媒層３３の電気化学的表面積（以下、ＥＣＡとする）の変化量と、の関係を図５に示す。なお、所定電圧は単位セル３０の電圧が高い順番にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５つの種類の電圧とし、各電圧に対応する燃料電池１から取り出す出力の大きさをそれぞれ出力が小さい順番にａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅとする。また、カソード触媒層３３のＥＣＡの変化量は、サイクリックボルタンメトリーによって得られるカソード触媒層３３のＥＣＡとＯＣＶのＥＣＡとの比率で示す。ＥＣＡの変化量は比率が大きくなる程、カソード触媒層３３の白金の溶出が多くなることを示す。

図５によると燃料電池１をＯＣＶに保持するよりも、ＯＣＶと所定電圧との間で電圧変化を繰り返した方が、白金の溶出が多くなる。また、所定電圧を低くする程、白金の溶出量が多くなる。ＯＣＶから所定電圧まで単位セル３０の電圧を低下させることで、カソード触媒層３３の電位が低下し、カソード触媒層３３の白金の表面に形成された酸化被膜が還元され、乖離する。その後に再び単位セル３０の電圧を高くすると、カソード触媒層３３が高電位となり、白金に酸化被膜が形成されるまでの間に白金がイオン化し、カソード触媒層３３から溶出する。そのためＯＣＶと所定電圧との間で電圧変化を繰り返すと、カソード触媒層３３の電位変化と白金の酸化還元の繰り返しにより、カソード触媒層３３から白金が溶出する。

また、所定電圧をＢよりも小さく、つまり燃料電池１から取り出す出力をｂよりも大きくした場合には、ＥＣＡの変化量が大きくなり、白金の溶出量の増加割合が多くなる。さらに所定電圧をＤよりも小さくすると、ＥＣＡの変化量は小さく、つまり白金の溶出量の増加割合が小さくなる。

以上により、所定電圧（第１所定電圧）をＢ以上、つまり燃料電池１から取り出す出力をｂ以下とすることで、白金の溶出を低減でき、さらに白金の表面の酸化被膜の一部を還元することで、クロスリークにより生成されるＨ₂Ｏ₂を分解し、電解質膜３１の劣化を抑制することができる。

ステップＳ１０２において燃料電池１の出力を燃料電池１の最大出力の５％と設定したしたが、これは燃料電池１の出力がｂ以下となるように設定するものである。燃料電池１の出力はｂ以下となればよいが、燃料電池１の出力をｂと近くすることが望ましい。なお、燃料電池１の出力ｂは予め実験などによって設定するが、ここでは単位セル３０あたりの電圧が０．７８Ｖ以上となるような出力とする。

ステップＳ１０３では、単位セル３０あたりの電圧が所定電圧Ｂとなると、出力制御手段７によって燃料電池１と負荷５との電気的な接続をステップ状に切断し、燃料電池１から取り出す出力をゼロとする。出力をゼロとした後、循環ポンプ３は継続して稼働させても良いし停止しても良いが、アノード触媒層３２において水素欠乏が発生すると、水素欠乏したアノード触媒層３２に対向するカソード触媒層３３の電位が上昇してカーボン腐食が発生するため、アノード触媒層３２で水素欠乏が生じないように、循環ポンプ３を制御することが望ましい。これにより酸化剤極４２の電位が高くなり、カソード触媒層３３では再び白金の表面に酸化被膜が形成される（ステップＳ１０２とステップＳ１０３が電圧調整手段を構成する）。

なお、この制御中に例えばアクセルの踏み込みなどによる燃料電池１からの出力取り出し信号を受けた場合には、この制御を中止し、信号に基づいて燃料電池１で発電を開始する。

また、ステップＳ１０２において燃料電池１の出力を燃料電池１の最大出力の５％としたが、これに限られることはなく、電解質膜３１の劣化を抑制し、白金の溶出を抑制する燃料電池１の出力に設定する。

以上の制御によって、燃料電池システムのアイドル停止時に、電解質膜３１でのクロスリーク量が多くなると、燃料電池１を負荷５と一時的に接続し、燃料電池１の電圧を低下させ、燃料極４１、酸化剤極４２の電位を下げ、白金の表面の酸化被膜を還元する。これにより触媒である白金の活性を上げ、クロスリークによって生成したＨ₂Ｏ₂を分解することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

ここで単位セル３０をＯＣＶに保持した場合と、ＯＣＶから所定電圧Ｂまでの間で電圧をサイクル変化させた場合と、の燃料極４１と酸化剤極４２とから排出されるドレイン水中に含まれるフッ素イオン（Ｆ^-）の排出速度の相対比較結果を図６に示す。なおフッ素イオンの排出速度は単位セル３０をＯＣＶに保持した場合を１とする。

図６に示すように、ＯＣＶから所定電圧Ｂまでの間で電圧をサイクル変化させた場合には、フッ素イオンの排出速度が抑制される。つまり、燃料極４１と酸化剤極４２では共に電解質膜３１の劣化が抑制されることがわかる。

この実施形態では、燃料電池システムのアイドル停止時に、単位セル３０あたりの電圧が所定電圧Ｖ１よりも低くなると、燃料電池１の電圧を一時的に低下させる。これにより、燃料極４１と酸化剤極４２、特に酸化剤極４２の白金の表面に形成される酸化被膜の一部を還元して白金の活性を上げることで、水素、または空気のクロスリークにより生成されたＨ₂Ｏ₂を分解し、電解質膜３１の劣化を抑制することができる。

燃料電池１の電圧を低下させる場合に、白金の溶出が少なくなる範囲、例えば単位セル３０あたりの電圧が図４に示すＢ以上となる範囲で電圧を変化させて、白金の表面に酸化被膜を乖離させるので、アノード触媒層３２、カソード触媒層３３における白金の溶出を少なくし、かつクロスリークによって生成されたＨ₂Ｏ₂を分解し、電解質膜３１の劣化を抑制することができる。

また、燃料電池１の電圧を低下させる場合に、短い時間、例えば１秒で燃料電池１の電圧を低下させるので、電圧を低下させる際にアノード触媒層３２で消費する水素の量を極力少なくすることができるため、燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。

燃料電池１の電圧を一旦低下させた後に、再び高くする場合にモータ５と燃料電池１との電気的な接続をステップ状に切断することで、白金の表面に酸化被膜を瞬間的に形成することができ、白金の溶出を抑制することができる。

次に本発明の第２実施形態について図７の概略構成図を用いて説明する。

この実施形態は、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、負荷５に代えて燃料電池１と出力制御手段７により電気的に接続する二次電池（電力充放電手段）８を備える。その他の構成は第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

二次電池８は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池、または電気二重層キャパシタなどであり、燃料電池システムから取り出す出力に応じて充放電を行う。

次にコントローラ２０によって行う燃料電池システムの制御について図８のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２００とステップＳ２０１は第１実施形態のステップＳ１００とステップＳ１０１と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

ステップＳ２０２では、出力制御手段７によって燃料電池１と二次電池８とを電気的に接続し、燃料電池１の最大出力の５％に相当する出力を取り出す。なお、燃料電池１の最大出力の５％に相当する出力までの到達時間は１秒とする。これにより燃料電池１の電圧を低下させ、カソード触媒層３３の白金の表面に形成された酸化被膜の一部を還元して白金の活性を上げることで、クロスリークにより生成されたＨ₂Ｏ₂を分解することができる。さらに燃料電池１から二次電池８に充電を行い燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。なお、出力制御手段７によって、二次電池８における充電効率が良くなるように、燃料電池１の出力と、到達時間を制御して充電することが望ましい。

ステップＳ２０３では、単位セル３０あたりの電圧が所定電圧Ｂとなると、出力制御手段７によって燃料電池１と二次電池８との電気的な接続を切断し、燃料電池１の出力をゼロとする。これにより、燃料電池１の電圧を高くし、カソード触媒層３３の白金の表面に酸化被膜を形成する。

ステップＳ２０４では、電圧センサ６によって燃料電池１の電圧を検出し、単位セル３０あたりの電圧Ｖと所定電圧Ｖ２とを比較する。そして電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも高い場合には、ステップＳ２０１へ戻り、上記制御を繰り返す。一方、電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも低い場合には本制御を終了する。電圧Ｖが所定電圧Ｖ２よりも低くなると、燃料極４１の水素または酸化剤極４２の空気中の酸素が少なくなり、クロスリークが抑制されることで、電解質膜３１の劣化が生じないと判断する。好ましくは、第1の実施形態に記載した通り、酸化剤極におけるカーボン腐食の観点から、酸化剤極４２の空気中の酸素が少なくなる状態が良い。なお、所定電圧Ｖ２は電解質膜３１の劣化と、白金の溶出、または次回の運転開始時のカソード触媒層３３におけるカーボン腐食などを考慮して設定され、ここでは０．６Ｖとする。

以上の制御により、アイドル停止時に燃料電池１の電圧を低下させる場合に、燃料電池１と二次電池８とを電気的に接続することで、燃料電池１によって発電された電力を二次電池８へ充電する。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、アイドル停止時に燃料電池１の電圧を低下させてクロスリークにより生成されたＨ₂Ｏ₂を分解する場合に、燃料電池１と二次電池８とを電気的に接続し、燃料電池１の電圧を低下させ、燃料電池１によって生じる電力を二次電池８に充電することで、燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。

次に本発明の第３実施形態の燃料電池システムについて図９を用いて説明する。

この実施形態の燃料電池システムは第２実施形態に加えてタイマ（時間計測手段）９を備える。そのたの構成については第２実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

次にコントローラ２０によって行う燃料電池システムの制御について図１０のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３００では、燃料電池システムにおいてアイドル停止の信号を受けると、バルブＶ１、Ｖ２を閉じて、循環ポンプ３を所定の回転数で間欠的に動作させて排出水素のみを燃料極４１に環流させる。また、コンプレッサ４を停止し、酸化剤極４２への空気の供給を停止する。このとき電解質膜３１においてクロスリークが生じていない場合には、燃料電池１の電圧は比較的高く維持される。しかし、クロスリークが生じると、燃料極４１、酸化剤極４２においてＨ₂Ｏ₂が生成される。そのため燃料極４１では水素が減少して酸素が増し、酸化剤極４２では空気中の酸素が減少して水素が増すために、燃料電池１の電圧が低下する。循環ポンプ３を所定の回転数で間欠的に動作させることで、循環ポンプ３を動作させるために必要なエネルギーを低減することができる。

ステップＳ３０１では、燃料電池システムにおいてアイドル停止を行ってからの時間ｔをタイマ９によって測定し、時間ｔが所定時間ｔ１を経過したかどうか判定する。そして時間ｔが所定時間ｔ１を経過すると、ステップＳ３０２へ進む。所定時間ｔ１は、図４に示すマップなどに基づいて設定される時間であり、アイドル停止を行ってから電解質膜３１におけるクロスリークの量が所定量を超える時間である。

ステップＳ３０２ではからステップＳ３０４までの制御は第２実施形態のステップＳ２０２からステップＳ２０４までの制御と同じなので、ここでの説明は省略する。

以上の制御によって、アイドル停止時に燃料電池１の電圧を低下させる場合に、燃料電池１と二次電池８とを電気的に接続することで、燃料電池１によって発電された電力を二次電池８へ充電する。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、第２実施形態の効果に加えて、循環ポンプ３を間欠的に運転することで、循環ポンプ３で消費される電力を少なくすることができ、燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池自動車に搭載する燃料電池システムに利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第１実施形態のアイドルストップ状態における制御を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の電解質膜における温度に対するクロスリーク相対量を示すマップである。 本発明の第１実施形態の単位セルの電圧変化に対するカソード触媒層の電気化学的表面積の変化量を示すマップである。 本発明の第１実施形態の単位セルをＯＣＶに保持した場合と、ＯＣＶから所定電圧Ｂまで間で電圧をサイクル変化させた場合と、のフッ素イオンの排出速度を示すマップである。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態のアイドルストップ状態における制御を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第３実施形態のアイドルストップ状態における制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素ボンベ（水素供給手段）
３ 循環ポンプ
４ コンプレッサ（酸化剤供給手段）
５ 負荷
６ 電圧センサ
７ 出力制御手段
８ 二次電池（電力充放電手段）
２０ コントローラ
３０ 単位セル
３１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
３２ アノード触媒層
３３ カソード触媒層
４１ 燃料極
４２ 酸化剤極

Claims (8)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極とを有する燃料電池と、
   前記燃料極に水素を供給する水素供給手段と、
   前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記電解質膜のクロスリークを検出するクロスリーク検出手段と、
   前記燃料電池システムの停止時に、前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段とからの前記水素と前記酸化剤との供給を停止し、かつ前記電解質膜のクロスリーク量が所定量を超えた場合に、前記燃料電池の電圧を第１所定電圧まで低下させた後に、前記燃料電池の電圧を前記第１所定電圧よりも高くする電圧調整手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記クロスリーク検出手段は、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサを備え、
   前記電圧調整手段は、前記燃料電池システムの停止時に、前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段とからの前記水素と前記酸化剤の供給を停止し、かつ前記燃料電池の電圧が前記第１所定電圧よりも高い第２所定電圧よりも低くなった場合に、前記燃料電池の電圧を前記第１所定電圧まで低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記クロスリーク検出手段は、前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段とからの前記水素と前記酸化剤の供給を停止してからの時間を計測する時間計測手段を備え、
   前記電圧調整手段は、前記燃料電池システムの停止時に、前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段とからの前記水素と前記酸化剤の供給を停止し、かつ前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段とからの前記水素と前記酸化剤との供給を停止してからの時間が所定時間よりも長くなると前記燃料電池の電圧を前記第１所定電圧まで低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記電圧調整手段は、前記燃料電池から出力を取り出して前記燃料電池の電圧を前記第１所定電圧まで低下させた後に、前記燃料電池からの出力の取り出しを停止して前記燃料電池の電圧を前記第１所定電圧よりも高くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記電圧調整手段は、前記燃料電池からの出力の取り出しをステップ状に停止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池と電気的に接続する電力充放電手段を備え、
   前記燃料電池から前記電力充放電手段へ充電を行うことで、前記燃料電池の電圧を前記第１所定電圧まで低下させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料極から排出された排出水素を前記燃料極に環流させる循環ポンプを備え、
   前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段とからの前記水素と前記酸化剤との供給を停止した場合に、前記循環ポンプを連続的ないしは間欠的に動作させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記第１所定電圧は、０．７８Ｖ以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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