JP2007179749A - 燃料電池の制御方法及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転中における触媒の劣化を抑制する。
【解決手段】電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の負荷変動を検知する段階と（Ｓ１）、負荷変動が検知されたときに前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知する段階と（Ｓ２）、検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を所定湿度に調整する段階と（Ｓ４〜Ｓ６）を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池の制御方法及びその制御装置に関する。

近年、環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が注目されている。特に、イオン導電性の高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」と称する）は、１００℃以下の低い温度で作動可能なことから、車両用駆動源や定置型電源として期待され、実用化に向けて開発が進められている。ＰＥＦＣが車両用駆動源や定置型電源として実用化されるためには、長期間に渡る耐久性を備えることが必要である。

ＰＥＦＣの構成は、一般的には、膜−電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と称する）をセパレータで挟持した構造となっている。ＭＥＡは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層が順に積層した構造を有する。電池反応は、少なくとも触媒、触媒を担持する担体、およびイオン導電性高分子からなる触媒層において進行する。このため、触媒層の劣化を抑制することは、ＰＥＦＣの耐久性を高める上で重要な課題となっている。

触媒の劣化を抑制する従来技術としては、下記特許文献１に記載されているように、燃料電池の停止時に、運転電圧が０．９Ｖ以上になっている時間を１０分以内に制限する燃料電池システムが提案されている。
特開２００４−１７２１０６号公報

この技術によれば、ＰＥＦＣの停止時において触媒の劣化を抑制することはできるが、ＰＥＦＣの運転中においては触媒の劣化を抑制することができない。

ＰＥＦＣの運転中は、ＰＦＥＣが負荷に供給する電力の変動に応じ、ＰＥＦＣの出力電圧も周期的、または、非周期的に変動する現象（以下、「負荷サイクル」と称する）が発生する。負荷サイクルの発生は、カソード極の大きな電位変化を伴うことから、触媒層を構成する触媒の酸化、還元反応を頻繁に反復させる。

触媒（例えば、白金）は、高電位であっても一定の電位に保持されていれば触媒表面は安定しており、触媒の固体高分子電解質膜への溶出はわずかである。ところが、触媒の酸化・還元を伴うような負荷サイクルの発生時となると、触媒の電位が大きく変動することから、触媒の溶出は著しくなり、担体カーボンの腐食や触媒の固体高分子電解質膜への溶出が生じやすく、触媒が劣化し、ＰＥＦＣの発電性能の低下、ＰＥＦＣの耐久性低下の原因となる。

本発明は、従来、着目すらされていなかったＰＥＦＣの運転中における触媒の劣化を抑制できるようにするために成されたものであり、運転中のセル電圧を検知して、燃料ガスや酸化剤ガスの湿度を調整したり、燃料電池の温度を調整したりすることができるようにした燃料電池の制御方法及びその制御装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池の制御方法は、電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の負荷変動を検知する段階と、負荷変動が検知されたときに前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知する段階と、検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を所定湿度に調整する段階と、を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る他の燃料電池の制御方法は、電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の負荷変動を検知する段階と、負荷変動が検知されたときに前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知する段階と、検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには前記燃料電池の温度を所定温度に調整する段階と、を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池の制御装置は、電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御装置であって、前記燃料電池の負荷変動を検知する負荷変動検知手段と、前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知するセル電圧検知手段と、前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を検知する湿度検知手段と、検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには、前記湿度検知手段が検知するガスの湿度に基づいて、前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を所定湿度に調整する湿度調整手段と、を有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る他の燃料電池の制御装置は、電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御装置であって、前記燃料電池の負荷変動を検知する負荷変動検知手段と、前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知するセル電圧検知手段と、前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには、前記温度検知手段が検知する前記燃料電池の温度に基づいて、前記燃料電池の温度を所定温度に調整する温度調整手段と、を有することを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る燃料電池の制御方法によれば、燃料電池の運転中も負荷サイクルに伴う触媒の劣化を抑制することができるので、燃料電池の初期の発電性能を長期間にわたって維持することができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

また、以上のように構成された本発明に係る燃料電池の制御装置によれば、燃料電池の運転中も負荷サイクルに伴う触媒の劣化を抑制することができるので、燃料電池の初期の発電性能を長期間にわたって維持することができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

以下に、本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置について、第１実施形態〜第６実施形態に分けて、図面を参照しながら詳細に説明する。

これらの実施形態の説明をする前に、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明しておく。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１は、燃料ガス（本明細書では水素）と酸化剤ガス（本明細書では酸素）の反応により起電力を生じる単位電池としてのセル２を所定数だけ積層して積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび液状媒体（具体的には冷却水又は温水）をそれぞれ各セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス供給口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス供給口１０、酸化剤ガス排出口１１、媒体供給口１２および媒体排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス供給口８より供給されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口１０より供給されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。液状媒体は、媒体供給口１２より供給されてセパレータに形成された媒体供給用の流路溝を流れ、媒体排出口１３より排出される。

セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも称する。）１４と、このＭＥＡ１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。以下、ＭＥＡ１４のアノード側に配置されるセパレータ１５を、アノードセパレータ１５Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ１５をカソードセパレータ１５Ｂと称する。

ＭＥＡ１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１４１と、アノード触媒層１４２Ａとガス拡散層１４３Ａからなるアノードとしてのアノード電極１４４Ａと、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層１４２Ｂとガス拡散層１４３Ｂからなるカソードとしてのカソード電極１４４Ｂとからなる。ＭＥＡ１４は、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂによって、固体高分子電解質膜１４１をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。

セパレータ１５は、板厚の薄い導電性金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。セパレータ１５は、図に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡ１４と接する中央部分の領域）に、凸条部１６と凹条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を有している。

ＭＥＡ１４のアノード電極１４４Ａ側に接して配置されるアノードセパレータ１５Ａの凸部１６Ａと凹部１７Ａは、ＭＥＡ１４との間に燃料ガス（水素；Ｈ_２）を流通させる流路溝となり燃料ガス流路（アノードの流路）１８を形成する。一方、ＭＥＡ１４のカソード電極１４４Ｂ側に接して配置されるカソードセパレータ１５Ｂの凸部１６Ｂと凹部１７Ｂは、ＭＥＡ１４との間に酸化剤ガス（酸素；Ｏ_２）を流通させる流路溝となり酸化剤ガス流路（カソードの流路）１９を形成する。 燃料ガス流路１８に水素を、酸化剤ガス流路１９に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層１４２Ａの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜１４１を通過する。カソード触媒層１４２Ｂでは固体高分子電解質膜１４１を通過してきた水素と外部回路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード電極１４４Ａがマイナスに、カソード電極１４４Ｂがプラスになり、図２に示すように、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間で直流電圧が発生する。

本明細書では、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間に現れる電圧をセル電圧と称し、セル電圧は、セル電圧検知手段として機能するセル電圧計２０によって検出される。なお、セル電圧は、燃料電池スタック１を構成する全てのセルから検出するようにしても良いし、燃料電池スタック１を構成するセルの内の複数の代表的なセルのみから検出するようにしても良い。

また、本明細書では、アノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間の抵抗をセル抵抗の値と称し、セル抵抗の値はセル抵抗値検知手段によって検知される。セル抵抗値検知手段は、燃料電池の電気化学反応に影響を与えない、交流式の電極間抵抗計であり、測定周波数は最適な周波数、例えば、１[ｋＨｚ]となっている。

本発明では、燃料電池の負荷変動サイクルに伴う白金溶解を抑制するため、セル電圧が所定の範囲を呈する負荷変動時において、燃料ガスや酸化剤ガスの湿度を調整したり、燃料電池の温度を調整したりすることによって、負荷変動時における電極触媒層（特にカソード電極１４４Ｂのカソード触媒層１４２Ｂ）からの白金溶出を抑えることができるようにしている。

なお、ガスの湿度を調整することによって電極触媒層からの白金溶出を抑えるようにした下記の実施形態では、酸化剤ガスである酸素の湿度を調整することによって電極触媒層からの白金溶出を抑えるようにした態様を例示して説明しているが、この態様に限らず、燃料ガスである水素の湿度を調整することによって白金溶出を抑えるようにしても良いし、さらには、酸素と水素の両方のガスの湿度を調整することによって白金溶出を抑えるようにしても良い。

以下に、第１実施形態から第６実施形態に分けて本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置を具体的に説明する。
［第１実施形態］
図３及び図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置の説明に供する図である。

図３は本実施形態に係る燃料電池システム及びその制御系の概略構成ブロック図を、図４は図３に示した制御部の動作フローチャートを示し、このフローチャートは本実施形態の燃料電池の制御方法の手順に相当するものでもある。

本実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すように、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との供給によって発電する燃料電池スタック１、燃料電池スタック１を構成する全セルのセル電圧を検出するセル電圧計２０、燃料電池スタック１から駆動モータなどの車両負荷に供給される電流を検知する電流計２１、酸化剤ガスである酸素の湿度を調整する湿度調整器２２、酸素の相対湿度を検知する湿度センサ２３、燃料ガスである水素の流量を調整する流量調整器２４、電流計２１で検出された電流が増加した場合（負荷変動）にセル電圧計２０でセル電圧を検知して、そのセル電圧が所定電圧範囲（たとえば０．６から０.９Ｖ）を維持できるように、湿度センサ２３で検知される湿度を参照しながら酸素の相対湿度を所定湿度に調整する制御部２５を備えている。

燃料電池スタック１には電極触媒として触媒金属が用いられている。具体的にはカソード電極１４４Ｂのカソード触媒層１４２Ｂ（図２参照）に白金が用いられている。

セル電圧計２０は、燃料電池スタック１を構成する全てのセルのアノード電極１４４Ａとカソード電極１４４Ｂとの間のセル電圧を検出するセル電圧検知手段として機能する。

電流計２１は、燃料電池スタック１から駆動モータなど車両に搭載されている機器に供給される電流量を検出するものであって、電流量の増減状態から負荷変動の有無を検知する負荷変動検知手段として機能する。なお、本実施形態での負荷変動には、車両の走行中における燃料電池の負荷変動だけではなく、燃料電池の起動から運転状態に至るまでの負荷変動、燃料電池の運転状態から停止に至るまでの負荷変動も含まれる。

湿度調整器２２は内部に図示されていない加湿器を備えており酸素の相対湿度を調整する湿度調整手段として機能する。また、湿度調整器２２は加湿器をバイパスする通路を有しており、酸素の相対湿度を調整する必要がないときには酸素はこのバイパス通路を介して燃料電池スタック１に供給されるようになっている。

湿度センサ２３は燃料電池スタック１のカソードに接続されている酸素供給経路内に取り付けられており湿度検知手段を構成する。酸素の湿度はこの湿度センサ２３からの検知信号に基づいて調整される。

流量調整器２４は、燃料電池スタック１のアノードに水素を供給する機能を有し、同時に水素の供給量を計測する機能を有している。

制御部２５は湿度調整器２２とともに湿度調整手段を構成するものであって、セル電圧計２０によって検出される電圧が所定電圧範囲（たとえば０．６から０.９Ｖ）にあるときに、加湿器による酸素の加湿量を制御したりバイパス通路を介して酸素をバイパスさせたりして燃料電池スタック１に供給する酸素の湿度を所定湿度に調整する機能を有している。

図３において、燃料電池スタック１に供給される水素はガスボンベ２６に高圧充填されており、その供給量は流量調整器２４で調整される。燃料電池スタック１を通過した水素はコンプレッサ２７によって強制的に系内に戻される。燃料電池スタック１に供給される酸素はコンプレッサ２８で圧送される。燃料電池スタック１を通過した酸素はそのまま大気に排出される。

なお、本実施形態において、セル電圧が０．６ボルト〜０．９ボルトにある場合にだけ湿度の調整を行うようにしたのは次のような理由からである。

負荷変動サイクルを伴う燃料電池の運転時においては、カソード電極１４４Ｂの電位が大きく変化する。発明者らの研究によると、セル電圧が０．６ボルト〜０．９ボルトの範囲では、白金酸化反応、酸化白金還元反応が生じており、これが白金溶解・溶出の駆動力となっていることが判明した。負荷変動時においてセル電圧が０．６ボルト〜０．９ボルトの白金酸化電流、酸化白金還元電流が流れにくくなるように酸素の湿度を調整すれば、白金溶解・溶出が起こり難くなり、これによって、燃料電池の耐久性が向上されるからである。

図４にしたがって、本実施形態の燃料電池の制御方法の手順を詳細に説明する。 まず、制御部２５は、電流計２１で検知された電流値を入力し、その変化（増減状態）から燃料電池の負荷変動を認識して負荷移行を検知する（Ｓ１）。負荷移行が検知されたら、制御部２５はセル電圧計２０で現在のセル電圧を検知する。セル電圧の検出は、燃料電池スタック１を構成するすべてのセルについて行っても良いし、１つあるいは幾つかの代表セルに対して行っても良い（Ｓ２）。制御部２５は、検知されたセル電圧が所定電圧範囲内にあるか否か、すなわち、０.６ボルトから０．９ボルトの範囲内にあるか否かを判断する（Ｓ３）。セル電圧が所定電圧範囲内になければ（Ｓ３：ＮＯ）、酸素を低加湿にする必要はないのでそのまま処理を終了する。

一方、セル電圧が所定電圧範囲内にあれば（Ｓ３：ＹＥＳ）Ｓ２のステップに引き続き次の処理を行う。

制御部２５は湿度センサ２３が出力している検知信号に基づいて現時点における酸素の加湿量を検知、すなわち酸素の相対湿度を検知する（Ｓ４）。制御部２５は検知された相対湿度をフィードバックしながら加湿装置制御、すなわち加湿器による加湿量の制御を行い、酸素の湿度を所定湿度にする。この場合、湿度を調整する前の酸素の湿度よりも湿度を調整した後の酸素の湿度の方が低くなるように、酸素を低加湿状態にする。さらに具体的には、その湿度の範囲は、湿度を調整する前の酸素の湿度をＸ％とし、湿度を調整した後の酸素の湿度（第１の湿度）をＹ％とした場合、前記所定湿度が１＜Ｘ／Ｙ＜２０の範囲内になるように制御する。酸素の湿度をこのような範囲に制御するのは、Ｘ／Ｙの値が１よりも小さくなると電極触媒の白金酸化電流、酸化白金還元電流が大きくなるために電極触媒から白金が溶解したり溶出したりしやすくなるためであり、また、Ｘ／Ｙの値が２０よりも大きくなると電極触媒層が低含水状態となるために電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態となって良好な電池性能が得られなくなるからである（Ｓ５）。

制御部２５は酸素の加湿量が所定値、すなわち酸素の相対湿度が所定湿度になったか否かを判断し（Ｓ６）、酸素の相対湿度が所定湿度になっていなければ（Ｓ６：ＮＯ）、Ｓ４およびＳ５のステップを酸素の湿度が所定湿度になるまで繰り返す。一方、酸素の相対湿度が所定湿度になったら（Ｓ６：ＹＥＳ）、湿度調整がされた酸素を燃料電池スタック１に供給し（Ｓ７）、負荷に必要な電流を供給して負荷移行を継続する（Ｓ８）。

このように、負荷移行時、セル電圧が０．６ボルト〜０．９ボルトの範囲にあるときに、燃料電池スタック１に供給される酸素の湿度を低下させる処理を行うことによって、白金酸化反応、酸化白金還元反応の程度を抑制することができ、電極触媒から白金が溶解したり溶出したりするのを防止できるようになる。

なお、以上の実施形態では、酸化剤ガスである酸素の湿度のみを調整する場合を例示したが、燃料ガスである水素の湿度、又は、酸素及び水素の両方の湿度を調整するようにしても良い。
［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池の制御方法を示す動作フローチャートである。なお、本実施形態の制御システム及びその制御系の構成は図３に示した構成と同一であるのでその説明は省略する。この動作フローチャートは図３に示した制御部２５で処理される手順を示したものである。

本実施形態では、負荷移行に伴って一旦下げた酸素の湿度を負荷移行後に再び上げる処理を行なうようにしたものである。

図５にしたがって、本実施形態の燃料電池の制御方法の手順を詳細に説明する。なお、この動作フローチャートにおいてＳ１１〜Ｓ１８までのステップの処理は第１実施形態の処理と全く同一であるのでその説明は省略する。ただ、Ｓ１１〜Ｓ１８までのステップの処理において、Ｓ１４〜Ｓ１６までの処理（第１湿度調整段階）で酸素の湿度をＹ％（第１の湿度）に調整する点だけが本実施形態と第１実施形態とで異なっている。

制御部２５は、負荷移行（Ｓ１８）が行われた後に、電流計２１で検知された電流値を入力し、検知された電流値に変動がないことを条件として負荷変動の解消を検知する。負荷変動の解消が検知されて負荷移行が終了すると（Ｓ１９）、制御部２５は湿度センサ２３が出力している検知信号に基づいて現時点における酸素の加湿量を検知、すなわち酸素の相対湿度を検知する（Ｓ２０）。

制御部２５は検知された相対湿度をフィードバックしながら加湿装置制御、すなわち加湿器による加湿量の制御を行い、酸素の湿度を所定湿度のＺ％にする。この場合、湿度を調整する前の酸素の湿度Ｙ％よりも湿度を調整した後の酸素の湿度Ｚ％の方が高くなるように、酸素を加湿状態にする。さらに具体的には、その湿度の範囲は、湿度を調整する前の酸素の湿度（第１の湿度）をＹ％とし、湿度を調整した後の酸素の湿度（第２の湿度）をＺ％とした場合、第１の湿度と前記第２の湿度との関係が、０．１＜Ｙ／Ｚ＜１の関係を満たすように制御する。

このように、一旦下げた酸素の湿度を再び高くするのは、負荷移行が終了した後に電極触媒層が低含水状態となったままでは電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態を継続することになってしまい、良好な電池性能が得られなくなるからである。また、酸素の湿度をこのような範囲に制御するのは、Ｙ／Ｚの値が０．１よりも小さくなると電極触媒層の低含水状態は解消されるものの、大型の加湿器が必要となるために搭載スペースの限られた車両には相応しくない燃料電池となってしまう可能性があり、また、Ｙ／Ｚの値が１よりも大きくなると、電極触媒層が低含水状態となるために電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態となって良好な電池性能が得られなくなるからである（Ｓ２１）。

制御部２５は酸素の加湿量が所定値、すなわち酸素の相対湿度が所定湿度のＺ％になったか否かを判断し（Ｓ２２）、酸素の相対湿度が所定湿度になっていなければ（Ｓ２２：ＮＯ）、Ｓ２０およびＳ２１のステップを酸素の湿度が所定湿度になるまで繰り返す。一方、酸素の相対湿度が所定湿度になったら（Ｓ２２：ＹＥＳ）、湿度調整がされた酸素を燃料電池スタック１に供給する（Ｓ２３）。

以上のように、本実施形態では、Ｓ１４からＳ１６の処理である第１湿度調整段階では、湿度を調整する前の酸素の湿度よりも湿度を調整した後の酸素の湿度である第１の湿度（Ｙ％）の方が低くなるように酸素の湿度を調整し、Ｓ２０からＳ２２の処理である第２湿度調整段階では、前記第１の湿度（Ｙ％）よりも前記第２の湿度（Ｚ％）の方が高くなるように酸素の湿度を調整している。

このような処理を行うことによって、白金酸化反応、酸化白金還元反応の程度を抑制することができ、電極触媒から白金が溶解したり溶出したりするのを防止できるようになり、また、電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態を継続することによる電池性能の低下を回避できるようになる。

なお、以上の実施形態では、酸化剤ガスである酸素の湿度のみを調整する場合を例示したが、燃料ガスである水素の湿度、又は、酸素及び水素の両方の湿度を調整するようにしても良い。
［第３実施形態］
図６は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池の制御システム及びその制御系の概略構成ブロック図である。この図において、図３に示したシステムと異なっているのは、燃料電池スタック１と並列にバッテリ（二次電池）３０が接続されている点だけである。

このバッテリ３０は、第１実施形態及び第２実施形態で説明したような、酸素の湿度を所定湿度に調整する処理が行われているときに、燃料電池スタック１の発電不足電力を補うものである。湿度の調整を行っているときに限らず、燃料電池スタック１の発電量はその温度などで大きく変動するが、バッテリ３０が燃料電池スタック１と並列に接続されていると、燃料電池スタック１の発電量が要求負荷に対して不足しても、負荷に対しては安定した電力の供給が可能となる。

また、バッテリ３０があると、燃料電池スタック１が過負荷になるのを防止することができるため、セル２を構成する電極触媒層やセパレータ１５の劣化を防止することができるようになる。
［第４実施形態］
図７及び図８は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置の説明に供する図である。

図７は本実施形態に係る燃料電池システム及びその制御系の概略構成ブロック図を、図８は図７に示した制御部の動作フローチャートを示し、このフローチャートは本実施形態の燃料電池の制御方法の手順に相当するものでもある。

本実施形態では、第１実施形態で説明した処理に、セル抵抗値の大きさによって負荷移行を継続するか、加湿制御を停止させるかを選択する処理を加えている。

図６に示す燃料電池の制御システム及びその制御系の概略構成ブロック図においては、図６に示したシステムに、セル２の抵抗の値を検知するセル抵抗器３２を付け加えている。セル抵抗器３２はセル抵抗値検知手段として機能する。なお、セル抵抗の値は、燃料電池スタック１を構成する全てのセルから検出するようにしても良いし、燃料電池スタック１を構成するセルの内の複数の代表的なセルのみから検出するようにしても良い。

図８にしたがって、本実施形態の燃料電池の制御方法の手順を詳細に説明する。なお、この動作フローチャートにおいてＳ３１〜Ｓ３８までのステップの処理は第１実施形態の処理と全く同一であるのでその説明は省略する。

制御部２５は、負荷移行（Ｓ３８）が行われた後に、セル抵抗器３２で検知されたセル抵抗の値を検出し、セル抵抗の値が所定値になっているか否かを判断する（Ｓ３９）。セル抵抗の値が所定値になっていれば（Ｓ３９：ＹＥＳ）、そのまま負荷移行の処理を継続し、燃料電池スタック１及びバッテリ３０から車両負荷が要求する電力を提供する（Ｓ４０）。一方、セル抵抗の値が所定値になっていなければ、Ｓ３４からＳ３６のステップで行われる加湿制御を停止する（Ｓ４１）。

このような処理を行うことによって、白金酸化反応、酸化白金還元反応の程度を抑制することができ、電極触媒から白金が溶解したり溶出したりするのを防止できるようになり、また、電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態を継続することによる電池性能の低下を回避できるようになる。
［第５実施形態］
図９及び図１０は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置の説明に供する図である。

図９は本実施形態に係る燃料電池システム及びその制御系の概略構成ブロック図を、図１０は図９に示した制御部の動作フローチャートを示し、このフローチャートは本実施形態の燃料電池の制御方法の手順に相当するものでもある。

本実施形態は、第１実施形態から第４実施形態で酸素の湿度を調整することによって電極触媒から白金が溶出することを防止したのとは異なり、燃料電池の運転時の温度を調整することによって電極触媒から白金が溶出することを防止しようとするものである。

したがって、燃料電池システムの構成としては、図６と図９とを比較すればわかるように、湿度センサ２３が設けられていない代わりに燃料電池スタック１の温度を検知する温度センサ３４と、燃料電池スタック１の温度を調整する温度調整器３６が設けてある。

温度センサ３４は燃料電池スタック１の平均的な温度を検知することができる場所に取り付けられており、温度検知手段として機能する。なお、温度センサ３４を燃料電池スタック１の複数の箇所に取り付け、すべての温度センサ３４から検出される温度から平均温度を求めるようにしても良い。

温度調整器３６は制御部２５によってその動作が制御されるものであり、燃料電池スタック１に流通させている冷却水（図１の説明部分を参照）の温度を調整するものである。温度調整器３６は内部に冷却水を加熱及び冷却する構成を有していて、冷却水の温度の調整は制御部２５の指令に基づいて行われる。

図１０にしたがって、本実施形態の燃料電池の制御方法の手順を詳細に説明する。 まず、制御部２５は、電流計２１で検知された電流値を入力し、その変化（増減状態）から燃料電池の負荷変動を認識して負荷移行を検知する（Ｓ５１）。負荷移行が検知されたら、制御部２５はセル電圧計２０で現在のセル電圧を検知する。セル電圧の検出は、燃料電池スタック１を構成するすべてのセルについて行っても良いし、１つあるいは幾つかの代表セルに対して行っても良い（Ｓ５２）。制御部２５は、検知されたセル電圧が所定電圧範囲内にあるか否か、すなわち、０.６ボルトから０．９ボルトの範囲内にあるか否かを判断する。本実施形態においても、セル電圧が０．６ボルト〜０．９ボルトにある場合にだけ温度の調整を行うようにしたのは第１実施形態の場合と同一の理由である（Ｓ５３）。セル電圧が所定電圧範囲内になければ（Ｓ５３：ＮＯ）、燃料電池スタック１の温度を制御する必要はないのでそのまま処理を終了する。

一方、セル電圧が所定電圧範囲内にあれば（Ｓ５３：ＹＥＳ）、Ｓ５２のステップに引き続き次の処理を行う。

制御部２５は温度センサ３４が出力している検知信号に基づいて現時点における燃料電池スタック１のセル温度を検知する（Ｓ５４）。制御部２５は検知されたセル温度をフィードバックしながらセル温度制御、すなわち燃料電池スタック１の温度の制御を行い、燃料電池スタック１の温度を所定温度にする。燃料電池スタック１の温度は、制御部２５によりその動作が制御される温度調節器３６によって調整される。この場合、温度を調整する前の燃料電池スタック１の温度よりも温度を調整した後の燃料電池スタック１の温度の方が高くなるように、燃料電池スタック１の温度を調整する。

セル電圧が所定電圧範囲にある場合に燃料電池スタック１の温度を高くするのは次のような理由からである。燃料電池スタック１の温度を上げることによって燃料電池スタック１に供給されている酸素の相対湿度が下がることになるが、これは、第１実施形態で酸素の湿度を下げることに等しい。したがって、燃料電池スタック１の温度を高くすると、白金酸化反応、酸化白金還元反応の程度を抑制することができ、電極触媒から白金が溶解したり溶出したりするのを防止できるようになるからである。また、５０℃以下の温度で運転している場合には、負荷移行時に酸素の湿度を調整するよりも燃料電池スタック１の温度を調整することを優先した方がシステムとしての効率が良くなるからである。

さらに具体的には、燃料電池スタック１の温度を調整する範囲は、温度を調整する前の燃料電池の温度Ｔ１℃と温度を調整した後の燃料電池の温度である第１の温度Ｔ２℃との関係が０．０３＜Ｔ１／Ｔ２＜１の関係を満たすようにする。燃料電池スタック１の温度をこのような範囲に制御するのは、Ｔ１／Ｔ２の値が１よりも大きくなると電極触媒の白金酸化電流、酸化白金還元電流が大きくなるために電極触媒から白金が溶解したり溶出したりしやすくなるためであり、また、Ｔ１／Ｔ２の値が０．０３よりも小さくなると電極触媒層が低含水状態となるために電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態となって良好な電池性能が得られなくなるからである（Ｓ５５）。

制御部２５はセルの温度が所定値、すなわち燃料電池スタック１の温度が所定温度になったか否かを判断し（Ｓ５６）、燃料電池スタック１の温度が所定温度になっていなければ（Ｓ５６：ＮＯ）、Ｓ５４およびＳ５５のステップを燃料電池スタック１の温度が所定温度になるまで繰り返す。一方、燃料電池スタック１の温度が所定温度になったら（Ｓ５６：ＹＥＳ）、負荷に必要な電流を供給して負荷移行を継続する（Ｓ５７）。

このように、負荷移行時、セル電圧が０．６ボルト〜０．９ボルトの範囲にあるときに、燃料電池スタック１の温度を上昇させる処理を行うことによって、白金酸化反応、酸化白金還元反応の程度を抑制することができ、電極触媒から白金が溶解したり溶出したりするのを防止できるようになる。

本実施形態でも、第３実施形態と同様に、燃料電池スタック１と並列にバッテリ（二次電池）３０を接続しているので、燃料電池スタック１の発電量が要求負荷に対して不足しても、負荷に対しては安定した電力の供給が可能となり、また、燃料電池スタック１が過負荷になるのを防止することができるため、セル２を構成する電極触媒層やセパレータ１５の劣化を防止することができるようになる。

なお、本実施形態でも、第４実施形態のように、セル抵抗計を設け、セル抵抗値の大きさによって負荷移行を継続するか、セルの温度制御を停止させるかを選択する処理を加えてもよい。
［第６実施形態］
図１１は、本発明の第６実施形態に係る燃料電池の制御方法を示す動作フローチャートである。なお、本実施形態の制御システム及びその制御系の構成は図９に示した構成と同一であるのでその説明は省略する。この動作フローチャートは図９に示した制御部２５で処理される手順を示したものである。

本実施形態では、負荷移行に伴って一旦上げた燃料電池スタック１の温度を負荷移行後に再び下げる処理を行なうようにしたものである。

図１１にしたがって、本実施形態の燃料電池の制御方法の手順を詳細に説明する。なお、この動作フローチャートにおいてＳ６１〜Ｓ６７までのステップの処理は第５実施形態の処理と全く同一であるのでその説明は省略する。ただ、Ｓ６１〜Ｓ６７までのステップの処理において、Ｓ６４〜Ｓ６６までの処理（第１温度調整段階）で燃料電池スタック１の温度をＴ２（第１の温度）に調整する点だけが本実施形態と第５実施形態とで異なっている。

制御部２５は、負荷移行（Ｓ６７）が行われた後に、電流計２１で検知された電流値を入力し、検知された電流値に変動がないことを条件として負荷変動の解消を検知する。負荷変動の解消が検知されて負荷移行が終了すると（Ｓ６８）、制御部２５は温度センサ３４が出力している検知信号に基づいて現時点における燃料電池スタック１の温度を検知、すなわちセル温度を検知する（Ｓ６９）。

制御部２５は検知されたセル温度をフィードバックしながらセル冷却制御、すなわち温度調整器３６を動作させて燃料電池スタック１の温度を低下させる制御を行い、燃料電池スタック１の温度をＴ３（第２の温度）にする。つまり、第１の温度Ｔ２℃よりも第２の温度Ｔ３℃の方が低くなるようにセル温度を調整する。

このように、一旦上げた燃料電池スタック１の温度を再び低くするのは、負荷移行が終了した後に電極触媒層が低含水状態となったままでは電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態を継続することになってしまい、良好な電池性能が得られなくなるからである（Ｓ７０）。

制御部２５はセル温度が所定値、すなわちＴ３になったか否かを判断し（Ｓ７１）、セル温度が所定値になっていなければ（Ｓ７１：ＮＯ）、Ｓ６９およびＳ７０のステップをセル温度が所定値になるまで繰り返す。一方、セル温度が所定値になったら（Ｓ７１：ＹＥＳ）、処理を終了する。

このように、第１温度調整段階では、温度を調整する前の燃料電池の温度Ｔ１℃よりも温度を調整した後の燃料電池の温度である第１の温度Ｔ２℃の方が高くなるようにセル温度を調整し、第２温度調整段階では、第１の温度Ｔ２℃よりも第２の温度Ｔ３℃の方が低くなるようにせる温度を調整することによって、白金酸化反応、酸化白金還元反応の程度を抑制することができ、電極触媒から白金が溶解したり溶出したりするのを防止できるようになり、また、電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー（アイオノマー）又は電解質膜が乾燥状態を継続することによる電池性能の低下を回避できるようになる。

本発明は、燃料電池の寿命向上に役立つので、燃料電池の制御に関する分野において利用可能である。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池スタックのセル構造を示す要部拡大断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池システム及びその制御系の概略構成ブロック図である。 図３に示した制御部の第１実施形態に係る動作フローチャートである。 図３に示した制御部の第２実施形態に係る動作フローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池の制御システム及びその制御系の概略構成ブロック図である。 第４実施形態に係る燃料電池システム及びその制御系の概略構成ブロック図である。 図７に示した制御部の第４実施形態に係る動作フローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システム及びその制御系の概略構成ブロック図である。 図９に示した制御部の第５実施形態に係る動作フローチャートである。 図９に示した制御部の第６実施形態に係る動作フローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック、

２ セル、
３ 積層体、
４ 集電板、
５ 絶縁板、
６ エンドプレート、
７ タイロッド、
８ 燃料ガス供給口、
９ 燃料ガス排出口、
１０ 酸化剤ガス供給口、
１１ 酸化剤ガス排出口、
１２ 冷却水供給口、
１３ 冷却水排出口、
１５Ａ アノードセパレータ、
１５Ｂ カソードセパレータ、
１５ セパレータ、
１６ 凸条部、
１６Ａ 凸部、
１６Ｂ 凸部、
１７ 凹条部、
１７Ａ 凹部、
１７Ｂ 凹部、 １８ 燃料ガス流路、
１９ 酸化剤ガス流路、
２０ セル電圧計、
２１ 電流計、
２２ 湿度調整器、
２３ 湿度センサ、
２４ 流量調整器、
２５ 制御部、
２６ ガスボンベ、
２７ コンプレッサ、
２８ コンプレッサ、
３０ バッテリ、
３２ セル抵抗計
３４ 温度センサ、
３６ 温度調節器、
１４１ 固体高分子電解質膜、
１４２Ａ アノード触媒層、
１４２Ｂ カソード触媒層、

１４３Ａ ガス拡散層、
１４３Ｂ ガス拡散層、 １４４Ａ アノード電極、
１４４Ｂ カソード電極。

Claims (24)

1. 電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、
   前記燃料電池の負荷変動を検知する段階と、
   負荷変動が検知されたときに前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知する段階と、
   検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を所定湿度に調整する段階と、
   を含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
2. 前記ガスの湿度を所定湿度に調整する段階は、
   前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を第１の湿度に調整する第１湿度調整段階と、
   前記負荷変動の解消を検知する段階と、
   前記負荷変動の解消が検知された後に前記第１湿度調整段階で調整したガスの湿度をさらに第２の湿度に調整する第２湿度調整段階と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
3. さらに、
   前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル抵抗の値を検知する段階と、
   検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内にあるときには前記ガスの湿度を所定湿度に調整する処理を継続する一方、検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内になければ前記ガスの湿度を所定湿度に調整する処理を終了する段階と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
4. 電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御方法であって、
   前記燃料電池の負荷変動を検知する段階と、
   負荷変動が検知されたときに前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知する段階と、
   検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには前記燃料電池の温度を所定温度に調整する段階と、
   を含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
5. 前記燃料電池の温度を所定温度に調整する段階は、
   前記燃料電池の温度を第１の温度に調整する第１温度調整段階と、
   前記負荷変動の解消を検知する段階と、
   前記負荷変動の解消が検知された後に前記第１温度調整段階で調整した前記燃料電池の温度をさらに第２の温度に調整する第２温度調整段階と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の制御方法。
6. さらに、
   前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル抵抗の値を検知する段階と、
   検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内にあるときには前記燃料電池の温度を所定温度に調整する処理を継続する一方、検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内になければ前記燃料電池の温度を所定温度に調整する処理を終了する段階と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の制御方法。
7. 前記燃料電池の負荷変動は、前記燃料電池から負荷に供給される電流量の変化によって検知することを特徴とする請求項１、２、４、５のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
8. 前記所定電圧範囲は、０．６ボルトから０．９ボルトであることを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電池の制御方法。
9. 前記ガスの湿度は、湿度を調整する前のガスの湿度よりも湿度を調整した後のガスの湿度の方が低くなるようにすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
10. 前記第１湿度調整段階では、湿度を調整する前のガスの湿度よりも湿度を調整した後のガスの湿度である第１の湿度の方が低くなるように前記ガスの湿度を調整し、
    前記第２湿度調整段階では、前記第１の湿度よりも前記第２の湿度の方が高くなるように前記ガスの湿度を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御方法。
11. 湿度を調整する前のガスの湿度をＸ％とし、湿度を調整した後のガスの湿度である第１の湿度をＹ％とした場合、前記所定湿度は、１＜Ｘ／Ｙ＜２０の範囲であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
12. 前記第１の湿度をＹ％とし、前記第２の湿度をＺ％とした場合、前記第１の湿度と前記第２の湿度との関係は、０．１＜Ｙ／Ｚ＜１の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の制御方法。
13. 前記燃料電池の温度は、温度を調整する前の燃料電池の温度よりも温度を調整した後の燃料電池の湿度の方が高くなるようにすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の制御方法。
14. 前記第１温度調整段階では、温度を調整する前の燃料電池の温度Ｔ１℃よりも温度を調整した後の燃料電池の温度である第１の温度Ｔ２℃の方が高くなるように前記燃料電池の温度を調整し、
    前記第２温度調整段階では、前記第１の温度Ｔ２℃よりも前記第２の温度Ｔ３℃の方が低くなるように前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の制御方法。
15. 温度を調整する前の燃料電池の温度Ｔ１℃と温度を調整した後の燃料電池の温度である第１の温度Ｔ２℃との関係は、０．０３＜Ｔ１／Ｔ２＜１の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の制御方法。
16. 電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御装置であって、
    前記燃料電池の負荷変動を検知する負荷変動検知手段と、
    前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知するセル電圧検知手段と、
    前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を検知する湿度検知手段と、
    検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには、前記湿度検知手段が検知するガスの湿度に基づいて、前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を所定湿度に調整する湿度調整手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池の制御装置。
17. 前記湿度調整手段は、
    前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの湿度を第１の湿度に調整し、前記負荷変動が解消された後に前記第１の湿度に調整したガスの湿度をさらに第２の湿度に調整する機能を有していることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池の制御装置。
18. 前記湿度調整手段は、前記アノードに供給する燃料ガス又は前記カソードに供給する酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスを加湿するための加湿器を有することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池の制御装置。
19. さらに、前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル抵抗の値を検知するセル抵抗値検知手段を有し、
    前記湿度調整手段は、さらに、検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内にあるときには前記ガスの湿度を所定湿度に調整する処理を継続する一方、検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内になければ前記ガスの湿度を所定湿度に調整する処理を終了する機能を有していることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池の制御装置。
20. 電極触媒として触媒金属が用いられている燃料電池の制御装置であって、
    前記燃料電池の負荷変動を検知する負荷変動検知手段と、
    前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル電圧を検知するセル電圧検知手段と、
    前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、
    検知されたセル電圧が所定電圧範囲にあるときには、前記温度検知手段が検知する前記燃料電池の温度に基づいて、前記燃料電池の温度を所定温度に調整する温度調整手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池の制御装置。
21. 前記温度調整手段は、
    前記燃料電池の温度を第１の温度に調整し、前記負荷変動が解消された後に前記第１の温度に調整した燃料電池の温度をさらに第２の温度に調整する機能を有していることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池の制御装置。
22. さらに、前記燃料電池のアノードとカソードとの間のセル抵抗の値を検知するセル抵抗値検知手段を有し、
    前記温度調整手段は、さらに、検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内にあるときには前記燃料電池の温度を所定温度に調整する処理を継続する一方、検知されたセル抵抗の値が所定の範囲内になければ前記燃料電池の温度を所定温度に調整する処理を終了する機能を有していることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池の制御装置。
23. さらに、前記燃料電池には二次電池が並列に接続されており、前記ガスの湿度を所定湿度に調整する処理が行われているときに、前記二次電池が前記燃料電池の発電不足電力を補うように構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池の制御装置。
24. さらに、前記燃料電池には二次電池が並列に接続されており、前記燃料電池の温度を所定温度に調整する処理が行われているときに、前記二次電池が前記燃料電池の発電不足電力を補うように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池の制御装置。

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