JP2010067434A - 燃料電池の運転制御装置及び運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の劣化が促進することなく、白金や白金合金などといった触媒金属の劣化を防止可能な燃料電池の運転制御装置及び運転制御方法を提供する。
【解決手段】システム要求電力に応じて電圧が変動する燃料電池の運転を制御する装置であって、システム要求電力に基づいて変動した後の目標電圧(Ｖｔ)を推定して、その目標電圧(Ｖｔ)が電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある電圧以上か否かを判定する判定手段(Ｓ２)と、目標電圧(Ｖｔ)が変動前の電圧(Ｖｃ)よりも高く、溶解開始電圧以上の場合は、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜形成開始電圧以上である第一段階上昇電圧(Ｖｓ１)まで上昇させ、そのときから所定時間(ｔｓ)が経過した後に目標電圧(Ｖｔ)になるように、燃料電池の運転を制御する運転制御手段(Ｓ４)と、を有する。
【選択図】図５

Description

この発明は、燃料電池の運転を制御する装置及び方法に関する。

従来の燃料電池システムは、システム要求電力が徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位で一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補うように制御していた。その後、アクセル開度が下がるなどして燃料電池の発電が必要なくなったとしても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下で維持して発電を継続していた。このように生成される余剰電力をバッテリに充電し続け、バッテリの容量が所定値を超えるまで発電を継続していた。
特開２００７−５０３８号公報

しかしながら、このようにして電位変動を抑制するには、システム要求電力の変動にあわせて蓄電池の出力を変動させる必要がある。このようにすると蓄電池の充放電頻度が高まり、その結果、蓄電池の劣化が促進されるだけでなく、システム全体の発電効率が低下してしまうといった問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、システム全体の発電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池の劣化の促進を抑制し、白金や白金合金などといった触媒金属の劣化を防止可能な燃料電池の運転制御装置及び運転制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、目標電圧が変動前の電圧よりも高く、溶解開始電圧以上の場合には、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜開始電圧以上である第一段階上昇電圧まで上昇させる。また、そのときから所定時間が経過した後に目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する。

本発明によれば、燃料電池に対する要求電力が変動した場合であって電極触媒層の触媒の溶解する可能性のあるときに、触媒に保護皮膜が形成されるのを待ってから目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御するようにしたので、システム全体の発電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池の劣化の促進を抑制し、白金や白金合金などといった触媒金属の劣化を抑制できるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
はじめに図１を参照して、本発明による燃料電池の運転制御装置を適用する燃料電池システムの一例について説明する。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気供給コンプレッサ２と、水素タンク３と、冷却水ポンプ４と、ラジエータ５と、温度センサ６と、温度記録部７と、負荷コントローラ８と、を備える。

燃料電池スタック１は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。空気供給コンプレッサ２は、燃料電池スタック１にカソードガス(空気)を供給する。水素タンク３は、アノードガス(水素)を収容する密閉容器であり、そのアノードガス(水素)を燃料電池スタック１に供給する。冷却水ポンプ４は、燃料電池スタック１に供給する冷却水を循環する。ラジエータ５は、冷却水ポンプ４によって循環される冷却水の熱を逃がし、冷却水の過熱を防止する。温度センサ６は、冷却水温を検出する。温度記録部７は温度センサ６によって検出された冷却水温を記録する。負荷コントローラ８はシステム要求電力に基づいて燃料電池の出力負荷を設定し燃料電池の運転を制御する。

図２は、燃料電池を構成する単セルの拡大図である。図２(Ａ)は構成を示す分解斜視図、図２(Ｂ)は側断面図である。

燃料電池セルは、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１０の表裏両面にカソードセパレータ１３ａ及びアノードセパレータ１３ｂが配置された構成である。

ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、カソード１２ａと、アノード１２ｂと、を含む。

電解質膜１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１の性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜１１の水分状態を最適に保つ必要がある。そこで燃料電池セルに導入する反応ガス(カソードガス及びアノードガス)を加湿している。なお電解質膜１１の水分状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池セルに供給しては、電解質膜１１に不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。

カソード１２ａは電解質膜１１の片面(図２(Ｂ)の左側)に設けられ、アノード１２ｂは反対面(図２(Ｂ)の右側)に設けられる。カソード１２ａ及びアノード１２ｂは、触媒層１２１と、ガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１２２と、で構成される。触媒層１２１は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。ガス拡散層１２２は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。

カソードセパレータ１３ａは、カソード１２ａの外側に重なる。カソードセパレータ１３ａの片面(カソード１２ａへの対向面)には、リブ１３１が凸設され、リブ１３１の間に反応ガス流路１３２が形成される。図２では、４列の反応ガス流路１３２が形成される。カソードセパレータ１３ａは、たとえばカーボン製又は金属製である。

アノードセパレータ１３ｂは、アノード１２ｂの外側に重なる。アノードセパレータ１３ｂの片面(アノード１２ｂへの対向面)には、リブ１３１が凸設され、リブ１３１の間に反応ガス流路１３２が形成される。図２では、４列の反応ガス流路１３２が形成される。アノードセパレータ１３ｂは、たとえばカーボン製又は金属製である。

以上のような構成の燃料電池セルが数百セル積層されて所定の面圧で保持されたものが燃料電池スタック１である。

続いて本発明の理解を容易にするために、本件発明者らの知見について説明する。

燃料電池システムでは、システムに対する要求電力が変動すると燃料電池の発電電力が変動し、その結果燃料電池の電圧が変動する。このような電圧変動は、燃料電池システムが自動車をはじめとする各種移動体の動力源として用いられる場合に特に顕著である。一般的には、燃料電池を構成する単電池では＋０．６ボルトから＋１．０ボルト程度の電圧変動がある。アノードにおける水素酸化反応は極めて速いので、単電池の電圧が変動してもアノード電位はほとんど変動せず常にほぼ０ボルトであり、カソード電位が＋０．６ボルトから＋１．０ボルト程度で変動する。

ところで、電極には電気化学反応を促進するために触媒金属が塗布されている。触媒金属は、白金や白金合金などであり、微粒子状態で高比表面積カーボンに担持されている。白金や白金合金などの触媒金属は、通常は化学的に安定しているが、上記範囲で電位が変動すると劣化するという現象が確認されている。触媒金属が劣化すると燃料電池の出力が低下してしまう。

従来、触媒金属の劣化は、次式(１)に示すような白金の酸化反応(白金酸化物の形成)と白金酸化物の還元反応との繰り返しによって生じると考えられていた。

式(１)に示すような酸化還元反応が起こる電位を跨ぐように電位が変動することで、触媒が劣化すると考えられていた。しかしながら、本件発明者らの見解によれば上記の考え方では、劣化メカニズムを十分には説明できない。本件発明者らは鋭意検討を重ねた結果、次のようなメカニズムによって触媒が劣化すると考えた。以下ではその考えについて説明する。

図３は燃料電池の電流密度とカソード電位の関係を示す図である。図４(Ａ)は、カソード電位と触媒金属の溶解速度との関係を示す図である。図４(Ｂ)は、カソード電位と触媒金属の表面に形成される酸化皮膜の定常被覆率との関係を示す図である。

燃料電池では、システム要求電力の変動に応じて燃料電池の電流密度が変化し、それにともない図３に示されているようにカソード電位(電圧)が変動する。一般的に、この電位はおよそ＋０．６〜＋１．０ボルトの範囲で変動する。通常、金属は晒される電位が高いほど溶解しやすくなる傾向がある。カソード触媒に用いられている白金について考えると、電位が高いほど次式(２)に示す反応が促進されて白金が溶解し白金イオンになりやすい。

このときの標準電位(理論値)は＋１．１８８ボルト(２５℃)である。ただしこの電位は、温度、白金イオン濃度及び白金微粒子の粒径によって変化する。そして本件発明者らによれば、実際のカソードに用いられる白金は、図４(Ａ)に示すように、＋０．８ボルト程度よりも高電位のときに溶解(白金イオン化)し、高電位ほど溶解速度が上がることが確認された。以下では触媒金属(白金)が溶解し始める電位を溶解開始電位と称する。なお具体的な電位は、燃料電池の運転状態・環境や用いられている材料に影響され変化し、一定値ではない。

しかしながら白金が溶解開始電位よりも高電位に晒されても、次式(３)に示す反応によって表面に酸化皮膜が形成されて被覆率が上がれば、これが保護皮膜として作用し、図４(Ａ)の一点鎖線で示されるように、溶解速度は極めて低くなることが確認された。

この反応は図４(Ｂ)に示すように、＋０．７ボルト程度(皮膜形成開始電位)よりも高電位で進行し、電位が高くなるほど被覆率が上がる。なおこの被覆率は、後述のように電位変動の履歴によって変化する。また皮膜は電位変動に遅れて形成される。電位が変動すると、皮膜は、その電位でとりうる最大値に到達しその値が定常値となる。図４(Ｂ)はその状態の皮膜率、すなわち定常皮膜率を示している。また後述のように電位上昇時の定常被覆率は電位下降時の定常被覆率に比べて低い。図４(Ｂ)には電位上昇時の定常被覆率を図示してある。

システム要求電力が非常に低い状態や無負荷状態が長時間継続した場合には、白金は＋０．８ボルト(溶解開始電位)を超えた電位に長時間晒され溶解が進行するが、式(３)の反応によって酸化皮膜が形成されていれば、図４(Ａ)の一点鎖線で示されるように、溶解速度は極めて低い。

ところが、システム要求電力の変動に応じてカソード電位が＋０．７ボルト(皮膜形成開始電位)よりも低い電位から、＋０．８ボルト(溶解開始電位)を超える電位に短時間で変化する場合には、白金表面にはほとんど酸化皮膜が形成されていないので、図４(Ａ)の実線で示したように高電位であるほど溶解速度が上がり、式(２)の反応によって白金が溶解する。

そしてその後、式(３)の反応によって酸化皮膜が形成される。酸化皮膜の被覆率はその電位でとりうる最大値に到達しその値が定常値である。酸化皮膜が形成されると白金の溶解速度は遅くなる。

しかし、システム要求電力が再び上昇してカソード電位が皮膜形成開始電位(＋０．７ボルト)を下回ると、酸化皮膜は式(３)の逆反応によって還元されるので、続くシステム要求電力の低下時(電位上昇時)には式(２)の反応によって白金が溶解する。

なおシステム要求電力が高く、白金が晒される電位が皮膜形成開始電位(＋０．７ボルト程度)よりも低ければ、式(３)による酸化皮膜は形成されないが、このときは式(２)による白金溶解も進行しないので、白金触媒は劣化しない。

以上が触媒劣化のメカニズムであると、本件発明者らは考えたのである。そこで、本件発明者らは、燃料電池に対する要求電力が低下したときは、カソード電位が皮膜形成開始電位になるように制御した後、そのときから所定時間が経過して保護皮膜が十分に形成されるのを待ってから溶解開始電位になるように制御することで、触媒(白金)の溶解を抑制できると考えたのである。

また白金溶解反応は、燃料電池内の温度及び含水状態に強く依存することも知見された。すなわち電位の変動波形が同一であっても、燃料電池内の温度及び含水状態が異なれば、劣化進行度合いに著しい差異が生じるのである。

化学反応において温度は反応速度を決める重要な因子であり、反応速度はアレニウス則に従い温度が高くなるほど指数関数的に増大する。白金の溶解反応においても違わない。したがって、燃料電池の運転中に同じ電位変動が生じた場合であっても、燃料電池内の温度が高いほど白金溶解反応は進行する。

含水状態の影響については、これまでの研究結果から、燃料電池内の温度が一定の場合において、白金溶解反応は燃料電池内の含水量が低くなるほど抑制される。これは以下のように考えられる。すなわち低含水状態では電解質膜及び触媒層のポリマー中でのイオン伝導性が低下し、溶解した白金イオンの移動が抑制される。この結果、溶解反応が起こっている白金粒子近傍の白金イオン濃度が高含水時よりも高くなり、平衡論的に白金溶解が起こりにくくなる。さらに、白金粒子近傍に白金イオンがとどまるので、白金イオンの白金粒子上への再析出が起こりやすくなり、電解質膜中への移動および析出も抑制される。

以上の知見に基づけば、燃料電池の状態と白金溶解劣化の進行し易さとの間には相関があり、運転中の燃料電池内の温度及び含水状態から判断して、白金溶解反応の進行し難い状態であると推定できるときには、上述のような電圧上昇時の白金溶解抑制制御を行わず、矩形波状に電圧を上昇することができ、さらなる効率向上が可能となるのである。

以下ではこのような技術思想を実現する具体的な発明について説明する。

図５は、本発明による燃料電池の運転制御装置の制御ロジックのメインフローチャートである。

コントローラはシステム要求電力の変更指令を受けたら以下の処理を微少時間(たとえば１０ミリ秒)ごとに繰り返し実行する。

ステップＳ１においてコントローラは、皮膜形成制御の必要性を判定済みであるか否かを判断する。まだ判定していなければステップＳ２へ処理を移行し、既に判定していればステップＳ３へ処理を移行する。

ステップＳ２においてコントローラは、皮膜形成制御の必要性を判定する。具体的な内容は後述する。

ステップＳ３においてコントローラは、皮膜形成制御が必要であるか否かを判定する。必要であればステップＳ４へ処理を移行し、不要であればステップＳ５へ処理を移行する。

ステップＳ４においてコントローラは、皮膜形成制御を実行する。具体的な内容は後述する。

ステップＳ５においてコントローラは、皮膜形成制御することなく通常の制御を実行する。

図６は、皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ２１においてコントローラは、現在の電圧(カソード電位)Ｖｃを検出する。

ステップＳ２２においてコントローラは、アクセル開度や車速、補機消費電力などから求められているシステムに対する要求電力Ｐｄに基づいて目標電圧Ｖｔを推定する。具体的にはあらかじめＲＯＭに格納された図８に示す特性のマップにシステム要求電力Ｐｄを適用して目標電圧Ｖｔを推定する。

ステップＳ２３においてコントローラは、目標電圧Ｖｔは現在の電圧Ｖｃよりも高いか否かを判定する。高ければステップＳ２４へ処理を移行し、低ければステップＳ２９へ処理を移行する。

ステップＳ２４においてコントローラは、現在の電圧Ｖｃに基づいて酸化皮膜被覆率θを推定する。ここで酸化皮膜被覆率θは、高電位ほど大きくなる傾向がある。しかしながら、電位のみによって一義的に決まるものではなく、ある幅を持っているので、燃料電池の発電履歴(たとえば、ある電位に晒された時間とその電位に晒される前の電位が高かったか、低かったか等)を用いると、より正確に酸化被覆率θを推定できる。具体的にはあらかじめＲＯＭに格納された図９に示す特性のマップに現電圧Ｖｃ及び履歴を適用して酸化皮膜被覆率θを推定する。たとえば、被覆率０である電位Ｅ１から電位Ｅ２に極短時間で変化したときは、変化直後は被覆率０であるが、その後時間の経過と共に被覆率は上昇し被覆率θ１に達する。一方、被覆率０である電位Ｅ１から電位Ｅ３に極短時間で変化したときは、変化直後は被覆率０であるが、その後時間の経過と共に被覆率は上昇し被覆率θ３に達する。そしてその後、電位Ｅ３から電位Ｅ２に低下すると、低下直後は被覆率θ３であるが、その後時間の経過と共に被覆率は低下し被覆率θ２に達する。つまり同じ電位Ｅ２であっても、電位の変化履歴によって被覆率が異なるのである。なお、被覆率が定常被覆率に到達するまでの時間は、別途測定して求めることが望ましいが、測定が困難であれば、たとえば１秒程度としても実用上問題はない。なお、ここで示した電位変化の仕方は簡略的に説明したものである。本発明の変化の仕方とは異なる。いずれにせよ図９のような関係を示すマップをあらかじめ設定しておくことで、発電履歴による被覆率の推算が可能となる。なお、カソード電位と電圧は近似しているため、本実施形態中において、カソード電位と電圧を置き換えることができる。

ステップＳ２５においてコントローラは、酸化皮膜被覆率θに基づいて第一段階上昇電圧Ｖｓ1を推定する。具体的にはあらかじめＲＯＭに格納された図１０に示す特性のマップに被覆率θを適用して第一段階上昇電圧Ｖｓ1を推定する。なお、第一段階上昇電圧Ｖｓ1は、皮膜開始電圧以上であって溶解開始電圧よりも低い電圧である。

ステップＳ２６においてコントローラは、第一段階上昇電圧Ｖｓ1は目標電圧Ｖｔよりも低いか否かを判定する。低ければステップＳ２７へ処理を移行し、高ければステップＳ２９へ処理を移行する。

ステップＳ２７においてコントローラは、皮膜形成制御が必要であると判定する。

ステップＳ２８においてコントローラは、第二段階上昇速度Ｒを設定する。具体的にはたとえばあらかじめＲＯＭに格納された図１１(Ａ)に示す特性のマップに触媒の劣化進行度を適用して第二段階上昇速度Ｒを設定する。なお触媒の劣化進行度は、簡略的には燃料電池の運転時間が長いほど進んでいるとして求めればよい。またあらかじめＲＯＭに格納された図１１(Ｂ)に示す特性のマップに蓄電池の充電可能容量を適用して第二段階上昇速度Ｒを設定してもよい。

図７は、皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ４１においてコントローラは、現在の電圧(カソード電位)Ｖｃを検出する。

ステップＳ４２においてコントローラは、現電圧(カソード電位)Ｖｃが第一段階上昇電圧Ｖｓ1よりも低いか否かを判定する。低ければステップＳ４３へ処理を移行し、高ければステップＳ４４へ処理を移行する。

ステップＳ４３においてコントローラは、一気に電圧(カソード電位)Ｖ１まで上げる。なおこの電圧Ｖ１は第一段階上昇電圧Ｖｓ1以上であって溶解開始電圧Ｖｓ2よりも低い電圧である。

ステップＳ４４においてコントローラは、電圧(カソード電位)を第二段階上昇速度Ｒで上昇させる。

ステップＳ４５においてコントローラは、現電圧(カソード電位)Ｖｃが目標電圧Ｖｔよりも低いか否かを判定する。低いあいだは一旦処理を抜け、高くなったらステップＳ４６へ処理を移行する。

ステップＳ４６においてコントローラは、皮膜形成制御を完了する。

図１２は、本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートである。なお以下の説明ではフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、フローチャートのステップ番号をＳ付けで併記した。

コントローラは時刻ｔ１１でシステム要求電力の変更指令を受けたら皮膜形成制御の必要性を判定済みであるか否かを判断し(Ｓ１)、現在の電圧(カソード電位)Ｖｃを検出し(Ｓ２１)、システムに対する要求電力Ｐｄに基づいて目標電圧Ｖｔを推定する(Ｓ２２)。目標電圧Ｖｔは現在の電圧Ｖｃよりも高いので(Ｓ２３でＹｅｓ)、現在の電圧Ｖｃに基づいて酸化皮膜被覆率θを推定し(Ｓ２４)、酸化皮膜被覆率θに基づいて第一段階上昇電圧Ｖｓ1を推定する(Ｓ２５)。第一段階上昇電圧Ｖｓ1は目標電圧Ｖｔよりも低いので(Ｓ２６でＹｅｓ)、皮膜形成制御が必要であると判定し(Ｓ２７)、第二段階上昇速度Ｒを設定する(Ｓ２８)。

そして次サイクルではＳ１→Ｓ３→Ｓ４と処理が進み、現電圧(カソード電位)Ｖｃが第一段階上昇電圧Ｖｓ1よりも低いので(Ｓ４２でＹｅｓ)、一気に電圧Ｖ１まで上がるようにする。

そして時刻ｔ１１以降では、Ｓ１→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ４１→Ｓ４２→Ｓ４４→Ｓ４５と処理が進み、現電圧(カソード電位)Ｖｃが目標電圧Ｖｔよりも高くなるまで電圧が第二段階上昇速度Ｒで上がるようにして(Ｓ４４)、処理を繰り返す。

そして時刻ｔ１２では、現電圧(カソード電位)Ｖｃが目標電圧Ｖｔよりも高くなったら(Ｓ４５でＹｅｓ)、皮膜形成制御を完了する(Ｓ４６)。

本実施形態によれば、燃料電池に対する要求電力が低下したら、カソード電位が皮膜形成開始電位になるように制御した後、そのときから所定時間が経過して保護皮膜が十分に形成されるのを待ってから溶解開始電位になるように制御するようにしたので、触媒(白金)の溶解を抑制でき、触媒(白金)の劣化を防止できるのである。また、システム全体の発電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池の劣化の促進を抑制できる。

（第２実施形態）
図１３は、第２実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、ステップＳ２８２においてコントローラは、第二段階保持時間ｔｋを設定する。具体的にはたとえばあらかじめＲＯＭに格納された図１５(Ａ)に示す特性のマップに触媒の劣化進行度を適用して第二段階保持時間ｔｋを設定する。またあらかじめＲＯＭに格納された図１５(Ｂ)に示す特性のマップに蓄電池の充電可能容量を適用して第二段階保持時間ｔｋを設定してもよい。

図１４は、第２実施形態の皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。

本実施形態では、ステップＳ４４２においてコントローラは、電圧Ｖ１を保持する。

ステップＳ４５２においてコントローラは、電圧保持を開始してから時間ｔｋが経過したか否かを判定する。経過するまでは一旦処理を抜け、経過したらステップＳ４６へ処理を移行する。

図１６は、本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートである。

コントローラは時刻ｔ２１でシステム要求電力の変更指令を受けたら皮膜形成制御の必要性を判定済みであるか否かを判断し(Ｓ１)、現在の電圧(カソード電位)Ｖｃを検出し(Ｓ２１)、システムに対する要求電力Ｐｄに基づいて目標電圧Ｖｔを推定する(Ｓ２２)。目標電圧Ｖｔは現在の電圧Ｖｃよりも高いので(Ｓ２３でＹｅｓ)、現在の電圧Ｖｃに基づいて酸化皮膜被覆率θを推定し(Ｓ２４)、酸化皮膜被覆率θに基づいて第一段階上昇電圧Ｖｓ1を推定する(Ｓ２５)。第一段階上昇電圧Ｖｓ1は目標電圧Ｖｔよりも低いので(Ｓ２６でＹｅｓ)、皮膜形成制御が必要であると判定し(Ｓ２７)、第二段階保持時間ｔｋを設定する(Ｓ２８２)。

そして次サイクルではＳ１→Ｓ３→Ｓ４と処理が進み、現電圧(カソード電位)Ｖｃが第一段階上昇電圧Ｖｓ1よりも低いので(Ｓ４２でＹｅｓ)、一気に電圧Ｖ１まで上がるようにする。

そして時刻ｔ２１以降では、Ｓ１→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ４１→Ｓ４２→Ｓ４４２→Ｓ４５２と処理が進み、第二段階保持時間ｔｋが経過するまで電圧Ｖ１を保持して(Ｓ４４２)、処理を繰り返す。

そして時刻ｔ２２では、第二段階保持時間ｔｋが経過したら(Ｓ４５２でＹｅｓ)、皮膜形成制御を完了する(Ｓ４６)。

本実施形態によっても、燃料電池に対する要求電力が低下したら、カソード電位が皮膜形成開始電位になるように制御した後、そのときから所定時間が経過して保護皮膜が十分に形成されるのを待ってから溶解開始電位になるように制御するようにしたので、触媒(白金)の溶解を抑制でき、触媒(白金)の劣化を防止できるのである。そして第１実施形態に比べて簡易に実施可能である。

（第３実施形態）
図１７は、第３実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。

本実施形態では、ステップＳ２０１においてコントローラは、燃料電池スタック内の温度ｔｓを検出する。

ステップＳ２０２においてコントローラは、燃料電池スタック内の含水量ｗｓを検出する。

ステップＳ２０３においてコントローラは、現在の運転で皮膜形成制御が必要であるか否かを判定する。具体的にはあらかじめＲＯＭに格納された図１８(Ａ)に示す特性のマップに燃料電池スタック内の温度ｔｓ及び含水量ｗｓを適用して皮膜形成制御が必要であるか否かを判定する。なお図１８(Ａ)のマップは、図１８(Ｂ)のように含水量ごとに燃料電池内の温度に対する白金溶解反応の進行度を実験によって求め、この実験結果から作成できる。

本実施形態によれば、白金溶解反応の進行し難い状態であると推定できるときには、第１実施形態や第２実施形態のような電圧上昇時の白金溶解抑制制御を行わず、矩形波状に電圧を上昇させるので、効率よく燃料電池を制御できる。

（第４実施形態）
図１９は、第４実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。

本実施形態では、ステップＳ２０３１においてコントローラは、スタック内温度ｔｓが基準温度ｔｓ０よりも大きいか否かを判定する。大きければステップＳ２０２へ処理を移行し、小さければステップＳ２９へ処理を移行する。

ステップＳ２０３２においてコントローラは、スタック内含水量ｗｓが基準含水量ｗｓ０よりも大きいか否かを判定する。大きければステップＳ２１へ処理を移行し、小さければステップＳ２９へ処理を移行する。

ここで基準温度ｔｓ０，基準含水量ｗｓ０について図２０を参照して説明する。すなわち基準温度ｔｓ０，基準含水量ｗｓ０は、第３実施形態の皮膜形成制御必要運転領域を簡略的に判定するための値である。

したがって本実施形態によれば、第３実施形態の図１８(Ａ)のようなマップを持つことなく、簡易に実施できるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、上記説明においては、触媒金属として、白金を例示して説明したが、白金合金などであってもよい。

本発明による燃料電池の運転制御装置を適用する燃料電池システムの一例について説明する図である。 燃料電池を構成する単セルの拡大図である。 燃料電池の電流密度とカソード電位の関係を示す図である。 カソード電位と触媒金属の溶解速度及び触媒金属の表面に形成される酸化皮膜の定常被覆率との関係を示す図である。 本発明による燃料電池の運転制御装置の制御ロジックのメインフローチャートの一例である。 皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。 皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。 システム要求電力Ｐｄから目標電圧Ｖｔを推定するための特性マップである。 現電圧Ｖｃから酸化皮膜被覆率θを推定するための特性マップである。 被覆率θから第一段階上昇電圧Ｖｓ1を推定するための特性マップである。 第二段階上昇速度Ｒを設定するための特性マップである。 本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートの一例である。 第２実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態の皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。 第二段階保持時間ｔｋを設定するための特性マップである。 本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートの一例である。 第３実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池スタック内の温度ｔｓ及び含水量ｗｓから皮膜形成制御が必要であるか否かを判定するための特性マップである。 第４実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。 基準温度ｔｓ０，基準含水量ｗｓ０について説明する図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
８ 負荷コントローラ
Ｓ２２ 電圧推定手段／電圧推定工程
Ｓ２３，Ｓ２６ 判定手段／判定工程
Ｓ４ 運転制御手段／運転制御工程

Claims (13)

1. システム要求電力に応じて電圧が変動する燃料電池の運転を制御する装置であって、
   システム要求電力に基づいて変動した後の電圧である目標電圧を推定する電圧推定手段と、
   前記目標電圧が電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある溶解開始電圧以上であるか否かを判定する判定手段と、
   前記目標電圧が変動前の電圧よりも高く、前記溶解開始電圧以上の場合は、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜形成開始電圧以上である第一段階上昇電圧まで上昇させ、そのときから所定時間が経過した後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する運転制御手段と、
   を有する燃料電池の運転制御装置。
2. 前記運転制御手段は、前記第一段階上昇電圧になった後、徐々に上昇して前記所定時間経過後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御装置。
3. 前記運転制御手段は、前記第一段階上昇電圧になった後、その電圧を保持し、前記所定時間経過後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御装置。
4. 前記運転制御手段は、触媒の劣化が進行しているほど前記所定時間が短くなるように燃料電池の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池の運転制御装置。
5. 前記運転制御手段は、蓄電池の充電可能容量が小さいほど前記所定時間が短くなるように燃料電池の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池の運転制御装置。
6. 前記運転制御手段は、燃料電池スタックの内部温度が高いほど前記所定時間が長くなるように燃料電池の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池の運転制御装置。
7. 前記運転制御手段は、燃料電池スタックの内部湿度が低いほど前記所定時間が長くなるように燃料電池の運転を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池の運転制御装置。
8. 前記第一段階上昇電圧は、現在の触媒の表面の被覆率が大きいほど高く設定される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池の運転制御装置。
9. 前記被覆率は、同一電圧であっても電圧下降時のほうが電圧上昇時よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の運転制御装置。
10. 前記被覆率は、前記燃料電池の発電履歴によって決定される、
    ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の運転制御装置。
11. 燃料電池スタックの内部の温度及び湿度に基づいて電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある運転状態か否かを判定する運転状態判定手段をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池の運転制御装置。
12. 前記運転状態判定手段は、
    はじめに燃料電池スタックの内部の温度に基づいて電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある運転状態か否かを判定し、
    次に燃料電池スタックの内部の湿度に基づいて電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある運転状態か否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池の運転制御装置。
13. システム要求電力に応じて電圧が変動する燃料電池の運転を制御する方法であって、
    システム要求電力に基づいて変動した後の電圧である目標電圧を推定する電圧推定工程と、
    前記目標電圧が電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある溶解開始電圧以上であるか否かを判定する判定工程と、
    前記目標電圧が変動前の電圧よりも高く、前記溶解開始電圧以上の場合は、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜形成開始電圧以上であって前記溶解開始電圧よりも低い第一段階上昇電圧まで上昇させ、そのときから所定時間が経過した後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する運転制御工程と、
    を有する燃料電池の運転制御方法。

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