JP5023447B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
固体高分子型燃料電池において、起動と停止とを繰り返すと、運転を継続した場合に比べて燃料電池の劣化が進みやすいと言うことが知られている。
このような燃料電池の起動／停止の繰り返しによる劣化を抑制するために、燃料電池の運転停止時に、燃料電池と負荷装置との間の接続を切断してから所定時間経過するまで、カソードへの酸化剤ガスの供給及びアノードへの燃料ガスの供給を継続させ、酸化剤ガスの供給を停止した後に、燃料ガスの供給を停止することにより、燃料電池セルの電圧が０．９［Ｖ］以上となる時間を１０分以内とする技術が知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１７２１０６号公報（第１４頁、図６）
しかしながら、上記従来技術は、燃料電池システムの運転停止時の手順であり、かつ負荷を零にする際の過渡時について考慮していないため、触媒層の劣化を十分に抑制することができないという問題点があった。
図２３は、従来の燃料電池システム制御方法における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。従来の燃料電池システム制御方法によると、高負荷から低負荷移行時には、発電時の生成水が減少することにより徐々に酸化剤極触媒層の含水量が減少する。これは燃料ガスもしくは酸化剤ガス流量も負荷の減少と同時に減少させているため、酸化剤極触媒層の含水量減少速度が流路残留ガスへの自発的な蒸発速度に支配されることによる。また、低負荷から高負荷状態に移行するまでの間、生成水が少ないことにより、酸化剤極触媒層の含水量が低い。このため、高負荷から低負荷移行時かつ単位セル電圧が高電圧（例えば約０．９５Ｖ）となったときの酸化剤極触媒層内の含水量を十分減少できず、酸化剤触媒層劣化が促進されていた。
また、運転停止時のみならず、負荷サイクルを繰り返す場合においても一定負荷運転よりも触媒層の劣化が進行するという問題点があった。
上記問題点を解決するために、本発明は、電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極の触媒層とガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、前記燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路を備えたセパレータによって前記膜電極接合体を狭持してなる単位セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの負荷状態が高負荷から所定値以下の低負荷へ移行することが検知され、かつ前記燃料電池スタックの単位セルの電圧が所定の単位セル電圧以上となるときに、所定時間だけ前記酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行うことを要旨とする。
本発明者らの実験によれば、燃料電池運転時に一定負荷運転を行った場合と、高負荷から低負荷もしくは無負荷、さらに低負荷から高負荷を繰り返す運転を行った場合、後者の負荷変動を伴う運転を行った場合の酸化剤極触媒層劣化がより進行することが明らかとなった。この劣化メカニズムとしては、触媒層内の触媒粒子、例えば白金粒子の凝集・イオン化等に伴う、電気化学反応面積の低下が挙げられ、触媒層の含水量が高いほど上記現象は加速されることが確認された。尚、触媒白金の溶出は電極電位が高電位（約０．８５Ｖ〜１．１Ｖ）の電位範囲で負荷サイクルが加えられたときに顕著であることが確認されており、特に酸化剤極は燃料電池負荷変動時に燃料極と比較して大きな電位変動を伴い、かつ電極電位が高いため上記劣化が顕著となる傾向にある。
これらの知見を踏まえた発明者らの実験によれば、上記高負荷から低負荷移行時、低負荷から高負荷移行時かつ所定の単位セル電圧以上となったときに酸化剤極触媒層内の含水量を所定値以下とすることにより、該酸化剤極触媒層における電気化学反応面積の減少を抑制可能であることを発見した。
本発明によれば、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とするにより、高負荷から低負荷移行時或いは低負荷から高負荷移行時、かつ酸化剤極が高電位となる際の触媒層劣化を抑制することが可能となる。よって負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制し、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、起動／停止を繰り返す燃料電池車両の電源に好適な燃料電池システムである。
また、本発明における単位セル電圧は、特定の単位セルの電圧値としてもよいし、燃料電池スタック内部の複数の単位セルについてそれぞれ単位セル電圧を検出し、これら複数値から算出した代表値（例えば、平均値、最頻値、中央値など）、或いは燃料電池スタックの出力電圧値をセル積層数で除した平均値を単位セル電圧値としてもよい。また、燃料電池の高負荷とは、上記単位セル電圧が約０．７５［Ｖ］以下の負荷状態とする。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、白金等の触媒を有する固体高分子電解質型の燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のアノード（燃料極）１ａ及びカソード（酸化剤極）１ｂに導線３で接続された負荷装置２と、燃料ガスとして高圧水素を貯蔵する燃料ガスタンク４と、酸化剤として空気を供給する酸化剤ブロア５と、三方弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄと、燃料ガスに加湿する加湿器７ａと、酸化剤ガスに加湿する加湿器７ｂと、燃料供給配管８と、酸化剤供給配管９と、加湿器７ａをバイパスして加湿しない燃料ガスを供給する燃料バイパス配管１０と、加湿器７ｂをバイパスして加湿しない酸化剤ガスを供給する酸化剤バイパス配管１１と、燃料ガスタンク４から供給する燃料ガスの流量を制御する燃料流量制御装置１２と、酸化剤ブロア５から供給する酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤流量制御装置１３とを備えている。
燃料電池スタック１は、電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極の触媒層とガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路を備えたセパレータによって膜電極接合体を狭持してなる単位セルを複数積層して構成されている。
通常運転時には、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスもしくは酸化剤ガスは、各々加湿装置７ａ、７ｂを通過することにより設定された相対湿度まで加湿されるが、三方弁６ａ〜６ｄの切替によりバイパス配管１０、１１を介して加湿しない燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給可能となっていることが本実施例の特徴である。
尚、本実施例においては、燃料ガス及び酸化剤ガス共に加湿装置を有するが、どちらか一方のみが有している場合であっても、基本的な概念は変わらない。
次に、図２の制御フローチャート、図３のタイムチャートを参照して本実施例の動作を説明する。図３は、負荷が高負荷から低負荷へ移行し、且つ単位セル電圧が判定基準を超えた場合に、酸化剤極触媒層の含水率を所定値以下に低下させる場合の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）バイパス配管通過供給ガス流量、（ｅ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示す。
図２において、まず、Ｓ１０で、酸化剤極触媒層の含水量制御を開始するか否かを燃料電池の負荷及びセル電圧に基づいて判定する。Ｓ１０の判定は、燃料電池の負荷が高負荷から所定値以下の低負荷へ移行し、かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定電圧以上となる場合に含水量制御を開始すると判定し、Ｓ１２へ移る。そうでない場合は、何もせずに終了する。Ｓ１２では、三方弁６ａ〜６ｄをバイパス配管１０，１１側へ切り替えることにより、加湿装置７ａ、７ｂを介さずに燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池スタック１へ供給するように制御する。
次いで、Ｓ１４で、酸化剤極触媒層内含水量は所定値以下か否かを判定する。所定値以下でなければ、Ｓ１２へ戻る。Ｓ１４の判定で、所定値以下であれば、Ｓ１６へ進み、三方弁６ａ〜６ｄを加湿器７ａ，７ｂ側へ切り替えて、制御を終了する。
次に、図４を参照して、本実施例における酸化剤極触媒層内含水量の所定値の決め方を説明する。図４は、負荷変動運転中の酸化剤極相対湿度をパラメータとし、燃料電池の負荷変動を所定回数行ったときの、酸化剤極の電気化学反応面積低下率変化を示す。図４に示すように、酸化剤極相対湿度が高くなると、負荷変動運転に伴う酸化剤極電位変動による酸化剤極電気化学反応面積減少がより加速される。ここで、供給ガス相対湿度と触媒層含水量には密接な関係が有るが、その関係は材料（高分子膜、触媒、担体カーボン、触媒層内の電解質）により固有の傾向を有する。また、触媒層内に存在する電解質の量によっても固有の傾向を有する。従って本試験結果は用いた高分子膜や触媒等の組合せによる固有な結果であることは明らかである。
さて、含水量を設定するに際し、本試験のような供給ガス相対湿度をパラメータとした試験を前もって行い、それ以上供給ガス相対湿度を下げたとしても性能低下もしくは電気化学反応面積減少が大きく変化しなくなるような最大の供給ガス相対湿度を調査する。次に、上述した材料固有の供給ガス相対湿度と触媒層含水量の関係から所望の触媒層含水量が算出される。ここで、例えば該所望の触媒層含水量へ短時間で移行させるために、該関係における供給ガス相対湿度とは異なる供給ガス相対湿度にて触媒層含水量を制御することができる。
次に、図２と図５とを参照して、本実施例において、負荷増加時に単位セル電圧が判定基準を超えていれば、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行う場合を説明する。図５は、（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）バイパス通過供給ガス流量、（ｅ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示す。
図２において、まず、Ｓ１０で酸化剤極触媒層の含水量制御を開始するか否かを燃料電池の負荷及びセル電圧に基づいて判断する。Ｓ１０の判定は、燃料電池の負荷が定常状態から増加し、かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定値以上である場合において、所定の高負荷に達するまでは含水量の制御を開始すると判定しＳ１２へと移行する。そうでない場合は制御を終了させ、スタックを通常通り発電させる。
Ｓ１２では、三方弁６ａ〜６ｄをバイパス配管１０、１１側へ切り替えることにより加湿器７ａ、７ｂを介さず燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池スタック１へ供給するように制御する。
その後、所定値以上の高負荷へと移行し、かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定値以下となると同時にＳ１６へと進み、三方弁６ａ〜６ｄを加湿器７ａ、７ｂ側へ切り替えて制御を終了する。
一般に、燃料電池の高負荷発電直後の酸化剤極触媒層は、生成水により含水量が高くなっているが、上記制御により酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とすることができる。
以上説明した本実施例によれば、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とするにより、高負荷から低負荷移行時、かつ酸化剤極が高電位となる際の触媒層劣化を抑制することが可能となる。よって負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制し、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
また本実施例によれば、低加湿ガスを供給することにより酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とすることが可能となる。よって負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制し、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
図６は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のアノード（燃料極）１ａ及びカソード（酸化剤極）１ｂに導線３で接続された負荷装置２と、燃料ガスとして高圧水素を貯蔵する燃料ガスタンク４と、酸化剤として空気を供給する酸化剤ブロア５と、燃料ガスに加湿する加湿器７ａと、酸化剤ガスに加湿する加湿器７ｂと、燃料供給配管８と、酸化剤供給配管９と、燃料ガスタンク４から供給する燃料ガスの流量を制御する燃料流量制御装置１２と、酸化剤ブロア５から供給する酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤流量制御装置１３とを備えている。
燃料電池スタック１に供給される燃料ガスもしくは酸化剤ガスは、各々加湿装置７ａ、７ｂを通過することにより設定された相対湿度に加湿される。尚、本実施例においては燃料ガス及び酸化剤ガス共に加湿装置を有するが、どちらか一方のみが有している場合であっても、基本的な概念は変わらない。
次に、図７の制御フローチャート、図８のタイムチャートを参照して本実施例の動作を説明する。図８は、負荷が高負荷から低負荷へ移行し、且つ単位セル電圧が判定基準を超えた場合に、酸化剤極触媒層の含水率を所定値以下に低下させる場合の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示す。
図７において、まず、Ｓ２０で、酸化剤極触媒層の含水量制御を開始するか否かを燃料電池の負荷及びセル電圧に基づいて判定する。Ｓ２０の判定は、燃料電池の負荷が高負荷から所定値以下の低負荷へ移行し、かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定電圧以上となる場合に含水量制御を開始すると判定し、Ｓ２２へ移る。そうでない場合は、何もせずに終了する。Ｓ２２では、燃料ガスおよびまたは酸化剤ガスの供給ガスの流量を所定量増加させて燃料電池スタック１へ供給するように制御する。
次に、図７と図９とを参照して、本実施例において、負荷増加時に単位セル電圧が判定基準を超えていれば、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行う場合を説明する。図９は、（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示す。
図７のＳ２０の判定は、燃料電池の負荷が低負荷（無負荷）から所定値以上の高負荷へと移行し、かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定電圧以上である場合に含水量制御を開始すると判定し、Ｓ２２へと移る。Ｓ２２では、所定値以上の高負荷へと移行する前、かつ単位セル電圧が所定電圧以上である間、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給ガス流量を所定量増加させて、燃料電池スタック１へ供給するように制御する。
次いで、Ｓ２４で、酸化剤極触媒層内含水量は所定値以下か否かを判定する。所定値以下でなければ、Ｓ２２へ戻る。Ｓ２４の判定で、所定値以下であれば、制御を終了する。
一般に、燃料電池の高負荷発電直後の酸化剤極触媒層は、生成水により含水量が高くなっているが、上記制御により酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とすることができる。
以上説明した本実施例によれば、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とするにより、高負荷から低負荷移行時、かつ酸化剤極が高電位となる際の触媒層劣化を抑制することが可能となる。よって負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制し、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
また本実施例によれば、低負荷時の供給ガス流量を増加させることにより酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とすることが可能となる。よって負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制することが可能となり、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
図１０は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のアノード（燃料極）１ａ及びカソード（酸化剤極）１ｂに導線３で接続された負荷装置２と、燃料ガスとして高圧水素を貯蔵する燃料ガスタンク４と、酸化剤として空気を供給する酸化剤ブロア５と、燃料ガスに加湿する加湿器７ａと、酸化剤ガスに加湿する加湿器７ｂと、燃料供給配管８と、酸化剤供給配管９と、燃料ガスタンク４から供給する燃料ガスの流量を制御する燃料流量制御装置１２と、酸化剤ブロア５から供給する酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤流量制御装置１３と、燃料電池スタック１と蓄電手段１５との接続を開閉するスイッチ１４と、燃料電池スタック１が発電した電力を貯蔵可能な蓄電手段１５と、要求負荷検知手段１６と、スイッチ１４の開閉を制御するスイッチ制御手段１７と、を備えている。
スイッチ１４は、機械的なリレーでもよいが、動作速度や耐久性、保守性の点でＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチが好ましい。
燃料電池スタック１と蓄電手段１５は、スイッチ１４を介して接続されており、要求負荷検知手段１６に応じて燃料電池スタック１の発電量がスイッチ１４を介して蓄電手段１５に充電可能となるようにスイッチ制御手段１７が制御するようになっている。
本実施例によれば、要求負荷検知手段１６により要求負荷が高負荷から低負荷へ変化したことが検知され、かつ蓄電手段１５の蓄電量が減少している場合、スイッチング信号出力手段１７はスイッチ１４を接続し、継続して燃料電池スタック１は発電を行うことで蓄電手段１５を蓄電する。蓄電手段１５の蓄電量が所定値に達すると、スイッチ制御手段１７はスイッチ１４を開放し、燃料電池スタック１からの電流取り出しを終了する。この直前、要求負荷検知手段１６により検知された要求負荷から燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定値以上となることが判断された場合、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行う。
次に、図１１の制御フローチャート、図１２のタイムチャートを参照して本実施例の動作を説明する。図１２は、負荷が高負荷から低負荷へ移行した時に、燃料電池スタックの発電電力で蓄電手段へ蓄電を行う場合の（ａ）要求負荷、（ｂ）燃料電池スタック負荷、（ｃ）単位セル電圧、（ｄ）蓄電手段蓄電量、（ｅ）加湿器通過供給ガス流量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示す。
図１１において、まず、Ｓ３０で、要求負荷検知手段１６により燃料電池に対する要求負荷を検知する。次いで、Ｓ３２で、高負荷から低負荷への移行、かつ単位セル電圧の代表値が所定値以上か否かを判定する。Ｓ３２の判定がＮｏであれば、何もせずに終了する。Ｓ３２の判定がＹｅｓであれば、Ｓ３４へ移り、スイッチ１４を閉じ、燃料電池スタック１が発電した電力を蓄電手段１５へ蓄電する。
次いで、Ｓ３６で、蓄電手段１５の蓄電量が所定値以上となったか否かを判定し、所定値未満であれば、Ｓ３４へ戻り蓄電を続ける。Ｓ３６の判定で、蓄電量が所定値以上となれば、Ｓ３８へ進み、要求負荷検知手段１６で要求負荷を検知する。次いで、Ｓ４０で、検知された要求負荷に対応する単位セル電圧の計算値が所定値以上であるか否かを判定する。Ｓ４０で単位セル電圧が所定値以上であれば、Ｓ４２へ進み、酸化剤極触媒層内含水量を所定値以下とする制御を開始し、Ｓ４４でスイッチ１４を開いて蓄電手段１５への蓄電を終了し、制御を終了する。
次に、図１１と図１３とを参照して、本実施例において、要求負荷が低負荷から高負荷判定基準以下の負荷へ増加し、かつ単位セル電圧が判定基準を超えていて、かつ蓄電手段１５の蓄電量が所定値以下である場合の動作を説明する。
図１３は、（ａ）要求負荷、（ｂ）燃料電池スタック負荷、（ｃ）単位セル電圧、（ｄ）蓄電手段蓄電量、（ｅ）加湿器通過供給ガス流量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示す。
要求負荷検知手段１６により低負荷（無負荷）から高負荷への要求が検知され、かつ酸化剤極触媒層の含水量が所定値以下で、かつ蓄電手段１５の蓄電量が所定値以下である場合、スイッチング信号出力手段１７はスイッチ１４を接続し、要求負荷に関らず、スタックは所定の高負荷で発電し、要求負荷との電力差を蓄電手段１５に蓄電する。蓄電手段１５の蓄電量が所定値に達すると、スイッチ制御手段１７はスイッチ１４を開放し、燃料電池スタックからの電流取り出しを終了する。この間に酸化剤極触媒層の含水量を低下させる制御を行う。そして要求負荷が所定の高負荷以上となると、燃料電池スタックの負荷を要求負荷と同じ負荷とし、燃料電池スタックの発電を行う。
図１１において、Ｓ３０で要求負荷検知手段により燃料電池に対する要求負荷を検知する。次いで、Ｓ３２で低負荷（無負荷）から高負荷への移行、かつ単位セル電圧の代表値が所定値以上か所定値以下かを判定する。Ｓ３２の判定がＮｏであれば何もせず終了する。Ｓ３２の判定がＹｅｓであれば、Ｓ３４へ移りスイッチ１４を閉じ、燃料電池スタック１が発電した電力を蓄電手段１５へ蓄電する。
次いで、所定の高負荷領域に移行する前において、Ｓ３６の判定で蓄電手段１５の蓄電量が所定値以上となれば、Ｓ３８へ進み、要求負荷検知手段１６で要求負荷を検知する。そこで、Ｓ４０で単位セル電圧が所定値以上であればＳ４２へ進み、酸化剤極触媒層内の含水量を所定値以下とする制御を開始し、Ｓ４４でスイッチ１４を開いて蓄電手段１５への蓄電を終了し、制御を開始する。
以上説明した本実施例によれば、蓄電手段を有することにより、酸化剤極触媒層の含水量を減少させる制御の開始時機を蓄電手段の蓄電状況から判断し、かつ負荷要求と発電量との差分を蓄電することが可能となる。よって時間的自由度の高い制御において負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制し、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
図１４は、実施例４における高負荷から低負荷への移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。
本実施例は、図１の実施例１、図６の実施例２、図１０の実施例３の何れの構成にも適用可能である。
燃料電池スタックの負荷が高負荷から低負荷への移行時は、図１４（ｃ）のハッチング部（時刻ｔ１からｔ２まで）に示すように、高負荷時の燃料ガス、酸化剤ガス流量を酸化剤極触媒層の含水量が所定値以下となるまで継続して供給するように制御する。一般に、燃料電池の高負荷発電直後の酸化剤極触媒層は、生成水により含水量が高くなっているが、上記制御により酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とすることができる。尚、燃料ガス・酸化剤ガス共に高負荷時流量を継続しても、酸化剤ガスのみというように、一方の極のみ継続しても良い。
図１５は、実施例４における低負荷から高負荷への移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。
燃料電池スタックの負荷が低負荷（無負荷）から高負荷への移行時は図１５のハッチング部（ｔ１からｔ２まで）に示すように、高負荷時の燃料ガス、酸化剤ガス流量を酸化剤極触媒層の含水量が所定値以下となるまで継続して供給するように制御する。尚、燃料ガス、酸化剤ガス共に共に高負荷時流量を継続しても、酸化剤ガスのみ、燃料ガスのみといったように、一方の極のみ継続しても良い。
本実施例によれば、高負荷から低負荷へ移行した際に、継続して少なくとも一方の極に対して高負荷ガス流量にて供給することにより、短時間かつ、特別な装置を要することなく酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とすることが可能となる。よって従来のシステム構成に適用可能であり、かつ負荷サイクルに伴う酸化剤極触媒層の劣化を抑制し、耐久性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
図１６は、実施例５における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）バイパス通過供給ガス流量、（ｅ）水供給量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。
本実施例では、実施例１または実施例２の酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする処理を行った後、単位セル電圧は高電圧（例えば約０．９５Ｖ）、触媒層は含水量が第１所定値以下の状態にあるが、この状態が所定時間継続した場合は、酸化剤極触媒層の含水量が上記第１所定値より大きい第２所定値以上となるまで、高加湿ガスまたは水を燃料極へ供給する。尚、図１６に示す各値の時間変化は、実施例１の燃料電池システムに適用した例である。また、上記高加湿ガスまたは水は酸化剤極のみでも、両極に供給しても良い。
本実施例によれば、酸化剤極触媒層の含水量低減処理を行った後、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以上まで増加させることで、該酸化剤極触媒層が低含水量となる状態を継続することに起因する触媒層もしくは電解質膜の劣化を抑制する。よって触媒層もしくは電解質膜の劣化を防止することができるという効果がある。
本実施例における燃料電池システムの構成は図１０に示した実施例３と同等である。図１７は、実施例６における（ａ）要求負荷、（ｂ）燃料電池スタック負荷、（ｃ）単位セル電圧、（ｄ）蓄電手段蓄電量、（ｅ）加湿器通過供給ガス流量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。
本実施例によれば、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行った後、単位セル電圧は高電圧（例えば約０．９５［Ｖ］）、触媒層は所定含水量以下の状態にあるが、この状態が所定時間継続した場合、燃料電池スタックは上記第１所定値より大きい第２所定値以上の含水量となるまで、高負荷判定基準以下において発電を継続する。尚、この際、スイッチ制御手段１７によりスイッチ１４は接続され、蓄電手段１５へ蓄電が行われる。
本実施例によれば、酸化剤極触媒層の含水量低減処理を行った後、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以上まで増加させることで、該酸化剤極触媒層が低含水量となる状態を継続することに起因する触媒層もしくは電解質膜の劣化を抑制する。よって触媒層もしくは電解質膜の劣化を防止することができるという効果がある。
図１８に示す本実施例における燃料電池システムの構成は、図６に示した実施例２の燃料電池システムに負荷移行時間検知手段１８を追加した以外は、何ら変わりはないので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
図１９は、実施例７における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。図１９に示すように、負荷移行時間検知手段１８により以下の式（１）に示す時間微分値Ｄが算出される。
〔数１〕
Ｄ＝ｄＬ／ｄｔ （ｄＬ：負荷低下代、ｄｔ：時間） …（１）
このＤ値が所定値以下の場合、つまり負荷低下時間が所定時間よりも小さい場合、また高負荷から低負荷移行時かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定の電圧以上となる場合、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行う。
図２０に示すように負荷移行時間検知手段１８により、上記式（１）のＤが算出される。このＤの値が小さい場合、つまり、負荷増加時間が所定時間よりも小さい場合、また、低負荷から高負荷への移行時、かつ燃料電池スタック１中の単位セル電圧が所定の電圧以上である場合、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行う。この低負荷から高負荷への移行時において、酸化剤極触媒層の含水量が所定値以上であった際には低負荷時において一時的に高負荷時以上のガス流量を供給し、瞬時に酸化剤極触媒層の含水量を低下させる。
本実施例によれば、高負荷から低負荷への移行時間が短時間である程、酸化剤極電位が高電位となったときの瞬間的な酸化電流値が増加することから、より劣化が進行しやすい条件に限定して酸化剤極触媒層の含水量制御を行うことができるという効果がある。
図２１に示す本実施例に示す燃料電池システムの構成は、図６に示した実施例２の燃料電池システムにセル抵抗検知手段１９を追加した以外は、何ら変わりはないので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
図２２は、実施例８における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）対象セル抵抗、（ｅ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。
本実施例においては、酸化剤極触媒層の含水量変化とセル抵抗変化の相関関係をあらかじめ実験的に調査することにより、セル抵抗検知手段１９で検知したセル抵抗値を酸化剤極触媒層の含水量の判断基準に利用するものである。このセル抵抗はある単位セルを代表させても、燃料電池スタック中において部分的なスタックにおけるセル抵抗としても良い。尚、セル抵抗検知手段１９としては、燃料電池スタック内の特定のセルのアノード・カソード間に交流電圧を印加し、両電極間に流れる交流電流と印加した交流電圧からセル抵抗を求める交流抵抗計が公知である。
本実施例によれば、セル抵抗検知手段が検知したセル抵抗値に基づいて、酸化剤極触媒層の含水量制御を行うことで制御時間を決定することができる。よって簡易的な方法で触媒層もしくは電解質膜の劣化を防止することができるという効果がある。
本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。 実施例１の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例１における高負荷から低負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）バイパス配管通過供給ガス流量、（ｅ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 燃料電池の負荷変動運転時における酸化剤ガス相対湿度と酸化剤極電気化学表面積低下率の関係を示す図である。 実施例１における低負荷から高負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）バイパス配管通過供給ガス流量、（ｅ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を示すシステム構成図である。 実施例２の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例２における高負荷から低負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例２における低負荷から高負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を示すシステム構成図である。 実施例３の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例３における高負荷から低負荷へ移行時の（ａ）要求負荷、（ｂ）燃料電池スタック負荷、（ｃ）単位セル電圧、（ｄ）蓄電手段蓄電量、（ｅ）加湿器通過供給ガス流量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例３における低負荷から高負荷へ移行時の（ａ）要求負荷、（ｂ）燃料電池スタック負荷、（ｃ）単位セル電圧、（ｄ）蓄電手段蓄電量、（ｅ）加湿器通過供給ガス流量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例４における高負荷から低負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例４における低負荷から高負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例５における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）バイパス通過供給ガス流量、（ｅ）水供給量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例６における（ａ）要求負荷、（ｂ）燃料電池スタック負荷、（ｃ）単位セル電圧、（ｄ）蓄電手段蓄電量、（ｅ）加湿器通過供給ガス流量、（ｆ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例７の構成を示すシステム構成図である。 実施例７における高負荷から低負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例７における低負荷から高負荷へ移行時の（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例８の構成を示すシステム構成図である。 実施例８における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）加湿器通過供給ガス流量、（ｄ）対象セル抵抗、（ｅ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。 従来の制御方法における（ａ）負荷、（ｂ）単位セル電圧、（ｃ）供給ガス流量、（ｄ）酸化剤極触媒層含水量の各値の時間変化を示すタイムチャートである。
符号の説明
１：燃料電池スタック
２：負荷装置
３：導線
４：燃料ガスタンク
５：酸化剤ブロア
６ａ〜６ｄ：三方弁
７ａ，７ｂ：加湿器
８：燃料供給配管
９：酸化剤供給配管
１０：燃料バイパス配管
１１：酸化剤バイパス配管
１２：燃料流量制御装置
１３：酸化剤流量制御装置
１４：スイッチ
１５：蓄電手段
１６：要求負荷検知手段
１７：スイッチ制御手段
１８：負荷移行時間検知手段
１９：セル抵抗検知手段

Claims (10)

  1. 電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極の触媒層とガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、前記燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス流路を備えたセパレータによって前記膜電極接合体を狭持してなる単位セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池スタックの負荷状態が高負荷から所定値以下の低負荷へ移行することが検知され、かつ前記燃料電池スタックの単位セルの電圧が所定の単位セル電圧以上となるときに、所定時間だけ前記酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 燃料電池スタックが発電した電力を貯蔵可能な蓄電手段と、燃料電池システムに対する要求負荷を検知する要求負荷検知手段と、を備え、
    前記要求負荷検知手段により検知された要求負荷が高負荷から所定値以下の低負荷へ変化した時に、前記燃料電池スタックが前記低負荷を超える発電を継続して前記蓄電手段に蓄電を行い、該蓄電手段の蓄電量が所定値に達した後、前記要求負荷に基づいて前記燃料電池スタック中の単位セル電圧が所定値以上となると判断された場合、前もって酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とした後、要求負荷へ移行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. 前記要求負荷が高負荷から所定値以下の低負荷へ変化した後の前記蓄電手段へ蓄電中に、前記蓄電手段の蓄電量が所定値に達する前で、かつ酸化剤極触媒層の含水量が所定値以下となる前に、要求負荷が前記所定値以下の範囲で増加した場合、前記蓄電量が所定値に達するまでは、前記酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を継続することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 燃料極及び酸化剤極の少なくとも一方の極の供給ガス流量を増加させることにより、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 負荷の大きさに応じた供給ガス流量を燃料電池スタックへ供給する制御ガス流量制御手段を備え、
    前記高負荷から低負荷への移行時に、燃料極及び酸化剤極の少なくとも一方の極に対して、負荷の大きさに応じたガス流量より増加させたガス流量を所定時間継続して供給することにより、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 燃料極及び酸化剤極の少なくとも一方の極に低加湿ガスを供給することにより、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池スタックの単位セル電圧の代表値が約０．７５［Ｖ］以下となる場合を高負荷とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 酸化剤極触媒層の含水量が所定値以下であり、かつ単位セル電圧が高電圧となる状態が所定時間経過した場合、再び酸化剤極触媒層の含水量を前記所定値より大きい第２所定値以上とすることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 高負荷から低負荷への所定の負荷量が減少する移行時間を検知する負荷移行時間検知手段を備え、該負荷移行時間検知手段が検知した移行時間が所定値以下であるときに、前記酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池スタック中の単位セルの抵抗値を検知するセル抵抗検知手段を備え、
    該抵抗値が所定の値以上となった場合、酸化剤極触媒層の含水量を所定値以下とする制御を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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