JP2007128790A - 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（Ｓ１）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（Ｓ２）と、検知されたセル電圧が所定値以上ときには（Ｓ３：ＮＯ）前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を変更する段階と（Ｓ５）、変更した特性の酸化剤ガスを検知されるセル電圧が所定値未満になるまで（Ｓ３：ＹＥＳ）前記カソードに供給する段階と、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、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る。特に、固体高分子電解質膜と触媒層との界面付近では、触媒の酸化、還元反応が生じることから、カーボン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酸化剤ガスの供給状態を調整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第１基準電圧値に達しているときには前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を変更する段階と、検知されるセル電圧が第２基準電圧値に達するまで変更された供給状態の酸化剤ガスを前記カソードに供給する段階と、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、前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を調整する酸化剤ガス供給状態調整手段と、前記燃料電池の負荷変動が検知されたときに前記セル電圧を検知し、検知されたセル電圧が第１基準電圧値に達しているときには、前記セル電圧が第２基準電圧値に達するまで、前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を制御する供給状態制御手段と、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４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、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（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、アノードガス、カソードガスおよび冷却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アノードガス供給口８、アノードガス排出口９、カソードガス供給口１０、カソードガス排出口１１、冷却水供給口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

アノードガスは、アノードガス供給口８より供給されてセパレータに形成されたアノードガス供給用の流路溝を流れ、アノードガス排出口９より排出される。カソードガスは、カソードガス供給口１０より供給されてセパレータに形成されたカソードガス供給用の流路溝を流れ、カソードガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水供給口１２より供給されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口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との間にアノードガス（水素；Ｈ_２）を流通させる流路溝となりアノードガス流路（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との間にカソードガス（酸素；Ｏ_２）を流通させる流路溝となりカソードガス流路（カソードの流路）１９を形成する。 アノードガス流路１８に水素を、カソードガス流路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、セル電圧検出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
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、白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位までセル電圧を下げる操作を行うことにより、負荷変動時における電極触媒層（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。

以下に、第１実施形態から第４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は本実施の形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を、図４は図３に示した制御装置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の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。

本実施の形態に係る燃料電池の制御装置は、図３に示すように、アノードガス（水素）とカソードガス（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、カソードガスの流量を調整する流量調整器２２、アノードガスの流量を調整する流量調整器２３、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、そのセル電圧が基準電圧（たとえば０．７５Ｖ）を維持できるように流量調整器２２の流量を調整してカソードガスの供給状態を制御する制御部２４を備えている。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。

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を検知する負荷変動検知手段として機能する。

流量調整器２２は、燃料電池スタック１のカソードに供給するカソードガスの供給状態を調整する酸化剤ガス供給状態調整手段として機能する。流量調整器２２は、カソードガスの供給量を計測する機能を有している。

流量調整器２３は、燃料電池スタック１のアノードにアノードガスを供給する機能を有し、同時にアノードガスの供給量を計測する機能を有している。

制御部２４は供給状態制御手段として機能するものであって、電流計２１が検出する電流の増減によって負荷変動が検知されたときにセル電圧を検知して、検知されたセル電圧が第１基準電圧値（たとえば０．７５ボルト以上）に達しているときには、セル電圧が第２基準電圧値（たとえば０．７５ボルト未満）に達するまで、流量調整器２２の開度を調整してカソードに供給するカソードガスの流量、すなわち供給量を制御する。

図３において、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスはガスボンベ２６に高圧充填されており、その供給量は流量調整器２３で調整される。燃料電池スタック１を通過したアノードガスはコンプレッサ２７によって排出される。燃料電池スタック１に供給されるカソードガスはコンプレッサ２８で圧送され、その供給量は流量調整器２２で調整される。燃料電池スタック１を通過したカソードガスはそのまま大気に排出される。なお、本実施形態ではアノードガスの流量は一定とし、カソードガスの流量を変化させてセル電圧を調整している。

なお、本発明において、セル電圧を０．７５ボルトに維持する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、無負荷から０．７５ボルト以上のセル電圧範囲のセル電圧においては、酸化白金を十分に還元することができないため、酸化白金のＰｔＯ以外に二酸化白金のＰｔＯ_２が成長するが、このＰｔＯ_２の生成がカソード触媒層１４２Ｂの白金溶解・溶出の駆動力となっていることが判明した。このため、本発明では、セル電圧が０．７５ボルト以上の範囲を呈する負荷変動時においては、白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位までセル電圧を下げるようにした。これによって、燃料電池の耐久性を向上させている。

図４にしたがって、本実施の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、燃料電池の運転時に、制御部２４が電流計２１で検知された電流の増加状態から負荷移行の検知をする（Ｓ１）。負荷移行が検知されたら、制御部２４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２４は、検知されたセル電圧が所定値である０．７５ボルト以上（第１基準電圧値）であるか否かを判断する（Ｓ３）。検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満（第２基準電圧値）であれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、酸化白金のＰｔＯを還元することができ、また白金の溶出量を抑えることができるので、そのまま負荷移行し、要求された電力を車両負荷に供給する（Ｓ４）。一方、検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満でなければ（Ｓ３：ＮＯ）、制御部２４は流量調整器２２の開度を絞ってカソードガス（酸化剤ガス）の供給量を減少させる。流量をどの程度減少させるかは、制御部２４にあらかじめ設定されている（Ｓ５）。

以上のように、本実施の形態では、白金の溶解が進行し易い条件である０．７５ボルトのセル電圧を基準として酸化剤ガスの流量を絞り、これによってセル電圧の低下を促し、酸化白金のＰｔＯが還元されるようにしている。

なお、本実施の形態では、所定値である第１基準電圧を０．７５ボルト以上とし第２基準電圧を０．７５ボルト未満とし、いずれも最適値を選択しているが、二酸化白金のＰｔＯ_２が還元できる電圧範囲としては、０．６ボルト未満であるので、二酸化白金のＰｔＯ_２の還元をも考慮すると、第２基準電圧を０．６ボルト未満としてもよい。また、０．８ボルト以下であれば酸化白金のＰｔＯを還元することができるので、第１基準電圧を０．８ボルト以上としてもよい。

［第２実施形態］
図５及び図６は、本発明の第２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５は本実施の形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を、図６は図５に示した制御装置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の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。

本実施の形態では、第１実施形態のように酸化剤ガスの流量をダウンさせるのではなく、酸化剤ガスの供給圧力をダウンさせる点だけが異なっている。したがって、図５に示す燃料電池の制御装置の装置構成も、第１実施形態が備えている流量調整器２２に代えて、圧力調整器２９が備えられている点が異なるだけで、他の装置構成は全く同一である。したがって、詳しい装置構成の説明は省略する。

本実施の形態における制御装置が備える圧力調整器２９は、コンプレッサ２８から送出されてくる酸化剤ガスの供給圧力を減少させて燃料電池スタック１に供給するものである。

図６にしたがって、本実施の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、燃料電池の運転時に、制御部２４が電流計２１で検知された電流の増加状態から負荷移行の検知をする（Ｓ１１）。負荷移行が検知されたら、制御部２４はセル電圧計２０で現在のセル電圧を検知する（Ｓ１２）。制御部２４は、検知されたセル電圧が所定値である０．７５ボルト以上（第１基準電圧値）であるか否かを判断する（Ｓ１３）。検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満（第２基準電圧値）であれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、そのまま負荷移行し、要求された電力を車両負荷に供給する（Ｓ１４）。一方、検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満でなければ（Ｓ１３：ＮＯ）、制御部２４は圧力調整器２９の供給圧力を絞ってカソードガス（酸化剤ガス）の供給量を減少させる。圧力をどの程度減少させるかは、制御部２４にあらかじめ設定されている（Ｓ１５）。

以上のように、本実施の形態では、白金の溶解が進行し易い条件である０．７５ボルトのセル電圧を基準として酸化剤ガスの供給圧力を絞り、これによってセル電圧の低下を促し、酸化白金のＰｔＯが還元されるようにしている。

［第３実施形態］
図７、図８及び図９は、本発明の第３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及び図８は本実施の形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を、図９は図７及び図８に示した制御装置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の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。

本実施の形態では、第１実施形態のように酸化剤ガスの流量をダウンさせたり、第２実施形態のように酸化剤ガスの供給圧力を絞ったりするのではなく、酸化剤ガスの濃度を低下させるようにしたものである。図７に示した燃料電池の制御装置は、燃料電池スタック１の酸化剤ガスの排出側に排気収容容器３０を設け、排気収容容器３０内の濃度の低下した酸化剤ガスを、流量調整器３１を介して燃料電池スタック１の酸化剤ガスの供給側にフィードバックして酸化剤ガスの濃度を低下させるものである。図８に示した燃料電池の制御装置は、燃料電池スタック１の酸化剤ガスの供給側に窒素ガスを供給するための窒素ボンベ３２と流量調整器３３を設け、燃料電池スタック１の酸化剤ガスの供給側に窒素ガスを混入させるようにして酸化剤ガスの濃度を低下させるものである。

なお、図７及び図８において、上述した構成以外の構成は、第１実施形態に示したものと全く同一である。したがって、詳しい装置構成の説明は省略する。

図７に示した燃料電池の制御装置の動作を、図９に示すフローチャートにしたがって詳細に説明する。

まず、燃料電池の運転時に、制御部２４が電流計２１で検知された電流の増加状態から負荷移行の検知をする（Ｓ２１）。負荷移行が検知されたら、制御部２４はセル電圧計２０で現在のセル電圧を検知する（Ｓ２２）。制御部２４は、検知されたセル電圧が所定値である０．７５ボルト以上（第１基準電圧値）であるか否かを判断する（Ｓ２３）。検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満であれば（Ｓ２３：ＹＥＳ）、そのまま負荷移行し、要求された電力を車両負荷に供給する（Ｓ２４）。一方、検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満（第２基準電圧値）でなければ（Ｓ２３：ＮＯ）、制御部２４は流量調整器３１の開度を制御して、燃料電池スタック１から排出された濃度の低い酸化剤ガスを排気収容容器３０から燃料電池スタック１の酸化剤ガスの供給側に供給し、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの濃度を低下させる（Ｓ２５）。

次に、図８に示した燃料電池の制御装置の動作を、図９に示すフローチャートにしたがって詳細に説明する。

まず、燃料電池の運転時に、制御部２４が電流計２１で検知された電流の増加状態から負荷移行の検知をする（Ｓ２１）。負荷移行が検知されたら、制御部２４はセル電圧計２０で現在のセル電圧を検知する（Ｓ２２）。制御部２４は、検知されたセル電圧が所定値である０．７５ボルト以上（第１基準電圧値）であるか否かを判断する（Ｓ２３）。検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満（第２基準電圧値）であれば（Ｓ２３：ＹＥＳ）、そのまま負荷移行し、要求された電力を車両負荷に供給する（Ｓ２４）。一方、検知されたセル電圧が０．７５ボルト未満でなければ（Ｓ２３：ＮＯ）、制御部２４は流量調整器３３の開度を制御して、窒素ボンベ３２に充填されている窒素ガスを燃料電池スタック１の酸化剤ガスの供給側に供給し、結果的に燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの濃度を低下させる（Ｓ２５）。

以上のように、本実施の形態では、白金の溶解が進行し易い条件である０．７５ボルトのセル電圧を基準として酸化剤ガスの濃度を低下させ、これによってセル電圧の低下を促し、酸化白金のＰｔＯが還元されるようにしている。

［第４実施形態］
本実施形態は、第１実施形態から第３実施形態に示した燃料電池の制御装置において、燃料電池スタック１に並列にバッテリを接続したものである。図１０には、第１実施形態として示した燃料電池の制御装置にバッテリ３５を並列接続している。

このように、燃料電池スタック１に並列にバッテリ３５を接続しておくことによって、第１実施形態１から第３実施形態に示したような、セル電圧を０．７５ボルト未満に制限する制御が行われている場合でも、要求負荷に対し、燃料電池スタック１の不足電力分をバッテリ３５で補うことができる。したがって、最適な容量のバッテリ３５を車両に搭載させておくことによって、白金溶出防止の制御を行いつつも要求負荷に応える燃料電池を構成することができる。

次に、本発明の効果を実証するために行われた試験について説明する。

図１１は本発明の効果の実証試験に使用された試験電圧波形を示す図であり、図１２は本発明の効果の実証試験においてセル電圧と白金溶出量との関係を示す図である。

まず、セルに与える試験電圧波形として図１１に示すような電圧、すなわち０．４ボルトと開放電圧（ＯＣＶ）を１０秒周期で繰り返す電圧波形を２０００サイクル印加し、そのときの白金の溶出量を調べた。その結果は図１１に示すように、触媒層が有していた白金の１１．４％が溶出した。次に、０．６ボルトと開放電圧（ＯＣＶ）を１０秒周期で繰り返す電圧波形を２０００サイクル印加し、そのときの白金の溶出量を調べた。その結果は図１１に示すように、触媒層が有していた白金の７．６％が溶出した。さらに、０．８ボルトと開放電圧（ＯＣＶ）を１０秒周期で繰り返す電圧波形を２０００サイクル印加し、そのときの白金の溶出量を調べた。その結果は図１１に示すように、触媒層が有していた白金の２３．７％が溶出した。

この結果から明らかなように、セル電圧が０．８ボルト以上になると白金の溶出が著しくなり、燃料電池の寿命に大きな影響を与えることがわかる。このため、本発明ではセル電圧が０．７５ボルトを超えないように、酸化剤ガスの流量、圧力、濃度のいずれかを調整し、燃料電池の寿命が著しく低下しないようにしている。したがって、本発明によれば、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のである。

なお、以上の実施形態においては、セル電圧が所定値を超えたときに毎回セル電圧の上昇を抑える制御を行ものを例示したが、白金の溶出に一定の効果が得られるのであれば、毎回行うことなく一定の回数を超えるごとにその制御を行うようにすることも可能である。

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の制御装置の概略構成ブロック図を示す。 図３に示した制御装置の動作フローチャートを示す。 第２実施形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を示す。 図５に示した制御装置の動作フローチャートを示す。 第３実施形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を示す。 第３実施形態に係る他の燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を示す。 図７及び図８に示した制御装置の動作フローチャートを示す。 第４実施形態に係る燃料電池の制御装置の概略構成ブロック図を示す。 本発明の効果の実証試験に使用された試験電圧波形を示す図である。 本発明の効果の実証試験においてセル電圧と白金溶出量との関係を示す図である。

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 アノードガス供給口、
９ アノードガス排出口、
１０ カソードガス供給口、
１１ カソードガス排出口、
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 アノードガス流路、
１９ カソードガス流路、
２０ セル電圧計、
２１ 電流計、
２２ 流量調整器、
２３ 流量調整器、
２４ 制御部、
２６ ガスボンベ、
２７ コンプレッサ、
２８ コンプレッサ、
２９ 圧力調整器、
３０ 排気収容容器、
３１ 流量調整器、
３２ 窒素ボンベ、
３３ 流量調整器、
３５ バッテリ、
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 (16)

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第１基準電圧値に達しているときには前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を変更する段階と、
   検知されるセル電圧が第２基準電圧値に達するまで変更された供給状態の酸化剤ガスを前記カソードに供給する段階と、
   を含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
2. 前記燃料電池の負荷変動は、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され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。
3. 前記第１基準電圧値は、０．７５ボルト以上の電圧であ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。
4. 前記第２基準電圧値は、０．７５ボルト未満の電圧であ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。
5. 前記酸化剤ガスの供給状態の変更は、前記酸化剤ガスの供給量を調整することによって行われ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。
6. 前記酸化剤ガスの供給状態の変更は、前記酸化剤ガスの供給圧力を調整することによって行われ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。
7. 前記酸化剤ガスの供給状態の変更は、前記酸化剤ガスの濃度を調整することによって行われ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。
8. 前記酸化剤ガスの濃度は、同一種の濃度の薄い酸化剤ガスで希釈することによって、または、前記酸化剤ガスに異種のガスを混入させることによって、調整されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の制御方法。
9. 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、
   前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を調整する酸化剤ガス供給状態調整手段と、
   前記燃料電池の負荷変動が検知されたときに前記セル電圧を検知し、検知されたセル電圧が第１基準電圧値に達しているときには、前記セル電圧が第２基準電圧値に達するまで、前記カソードに供給する酸化剤ガスの供給状態を制御する供給状態制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池の制御装置。
10. 前記燃料電池には、要求負荷の供給に応えるための二次電池が並列に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の制御装置
11. 前記負荷変動検知手段は、燃料電池の負荷変動を、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９に記載の燃料電池の制御装置。
12. 前記第１基準電圧値は、０．７５ボルト以上の電圧であり、前記第２基準電圧値は、０．７５ボルト未満の電圧であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の制御装置。
13. 前記酸化剤ガスの供給状態の制御は、前記酸化剤ガスの供給量を調整することによって行われることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の制御装置。
14. 前記酸化剤ガスの供給状態の制御は、前記酸化剤ガスの供給圧力を調整することによって行われることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の制御装置。
15. 前記酸化剤ガスの供給状態の制御は、前記酸化剤ガスの濃度を調整することによって行われることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の制御装置。
16. 前記酸化剤ガスの濃度は、同一種の濃度の薄い酸化剤ガスで希釈することによって、または、前記酸化剤ガスに異種のガスを混入させることによって、調整されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池の制御装置。

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