JP2008218050A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易なシステム構成により燃料電池の特性を回復させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電中に触媒層中の水量を制御し，低負荷時には水量を増加させる。触媒層内水量制御手段は、燃料ガスおよび酸化剤ガスのうち少なくとも一方のガス流量を減少させること，または燃料極および酸化剤極のうち少なくとも一方の極側を加圧することで水量を増加させる。また燃料電池内部の温度を下げることで水量を増加させる。燃料電池に不純物が蓄積した場合には、触媒層内の水量を増加させることで、その水により燃料電池内に蓄積した不純物を除去することができる。また、不純物の除去後は、水量を元に戻すことで発電性能を回復することが容易である。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池を長期間運転することで、種々の不純物に起因する発電性能の低下が起こる。これら不純物の発生原因は、大別して二つある。

一つは、燃料電池内部で発生するものである。

燃料電池が発電するためには高分子電解質膜に水を含有させておく必要がある。このため電池内部は常に湿潤な環境となる。その結果、長期間燃料電池を運転することにより、電池内の水を介して、シール材料や樹脂材料、金属材料などの燃料電池構成材料由来のイオン性不純物や無機不純物の溶出が起こる。また、燃料電池を車両に搭載して使用する場合には複数の異なる運転モードが複雑に組み合わされるため、長期間の運転により高分子電解質の劣化が進行し、これにより生じる分解生成物などが不純物となり得る。

もう一つは、燃料電池外部から供給されるものである。

燃料電池の酸化剤ガスは、通常、外部の空気を利用する。外部から供給される空気中には、硫黄酸化物、硫化水素、窒素酸化物などの大気汚染物質が含まれている。たとえば、硫黄化合物の濃度は、日本における環境基準値が０．０４ｐｐｍであるが、燃料電池を車両に搭載した場合、交通量の多い道路を長時間走行することで、より高濃度の硫黄酸化物が空気極に混入することも想定される。また、燃料ガスとして使用するガスの種類によっても、一酸化炭素や硫黄化合物等の不純物が燃料電池に混入する可能性がある。

これらの不純物は、触媒層や電解質膜に移動し、以下のような機構で燃料電池発電性能の低下を引き起こす。

（１）触媒被毒
硫黄化合物は白金表面に強く吸着することが知られている。触媒金属表面への硫黄の吸着による触媒の活性点の減少は、触媒金属表面で進行する反応を阻害し、ひいては燃料電池発電性能の低下を引き起こす。吸着した硫黄種を脱離させるためには電極電位を高める必要がある。

（２）電解質のイオン伝導性低下
金属イオンなどの不純物カチオンは、電解質膜中のイオン交換基と結合し、電解質のイオン伝導性の低下を引き起こす。これにより電解質の抵抗が増大し、発電性能の低下につながる。

（３）電解質中の物質移動特性低下
不純物が電解質内部に蓄積することにより電解質における反応ガス、水などの物質移動特性を低下させる。このため、過電圧が増大し発電性能の低下につながる。

従来、このような不純物により低下した発電性能を回復させるための技術としては、性能が低下した燃料電池に対して、水素ガスと酸化剤ガスを入れ替えることで燃料電池本体から極性を逆にした電流を取り出すことにより、電池内の特に電解質膜中の不純物イオンを移動、排出させる手法、通常の１．５倍以上の高電流密度となるように負荷をかけて、
不純物イオンの分布を変えることで不純物を追い出す手法、加圧したり酸化性ガスとして純酸素を用いることで、不純物イオンの移動と排出を促進する手法、燃料電池を沸騰した水や酸性液につけて電解質や電極から不純物を洗い流す手法などがある（いずれも特許文献１）。
特開２００１−８５０３７号公報

従来の技術は、燃料電池へのガスの流路を変更したり、負荷状態を性能回復のためだけに変更したり、あるいは燃料電池そのもの（少なくとものスタック構造物全体）を取り出すなどが必要である。このため、システムとしての構成が複雑になり、容易に使用することができないという問題がある。具体的には、水素ガスと酸化剤ガスを入れ替えるためには、ガス配管を接続し直すか自動化する場合には複雑なガス流通路を設ける必要がある。また、燃料電池に対して高電流密度で負荷をかけることは、通常運転時とは異なる負荷電流モードとなり、エネルギー変換効率が悪くなる上に、酸化剤極電位が低くなるために触媒表面上に吸着した硫黄不純物を除去することができない恐れもある。さらに、酸性の洗浄水を燃料電池システムのガス流路に通水する場合、酸性の洗浄水を燃料電池システム内に保持することは、燃料電池システムの大型化につながる。特に、自動車等の移動体に利用する燃料電池では、このような複雑で大型化する可能性のあるシステムは採用し難い。さらに、沸騰水で洗浄することは、その都度燃料電池スタックをシステムから取り外さなければならないため、作業が煩雑となる。

そこで本発明の目的は、より簡易なシステム構成により燃料電池の特性を回復させることができる燃料電池システムを提供することである。

上記目的を解決するための本発明は、燃料ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極の間に配置された触媒層を備え、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電中に触媒層中の水量を制御する触媒層内水量制御手段と、を有することを特徴とする燃料電池システムである。

本発明の燃料電池システムにおいては、前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料電池が低負荷状態のときに、前記水量を増加させることを特徴とする。

本発明によれば、発電中の燃料電池内における反応生成水の凝縮量、蒸発量を制御することで、触媒層中における水量を増水させることが可能となり、燃料電池に不純物が蓄積した場合には、触媒層内の水量を増加させることで、その水により燃料電池内に蓄積した不純物を除去することができる。また、不純物の除去後は、水量を元に戻すことで発電性能を回復することが容易である。このため、従来よりも簡易なシステム構成により燃料電池の特性を回復させることができる。特に、発電性能への影響が少ない低負荷時において触媒層水量を通常運転時より高くすることで、発電性能への影響を抑えつつ触媒層中の不純物を除去し発電性能を回復することができる。さらに、低負荷時には酸化剤極電位が高いため、触媒に吸着した被毒種の脱離も進行し、被毒の解除効果も発現する。

これにより、不純物に起因する発電性能低下を抑え、耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明を適用した実施形態１における燃料電池システムの構成を示す説明図である。図２は、燃料電池内部の発電セルの構造を示す断面図である。

この燃料電池システム１ａは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック２を備える。

燃料電池スタック２の内部は複数の発電セルからなる。一つの発電セルは、少なくとも燃料ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、前記燃料極と前記酸化剤極の間に配置された電解質および触媒層を備える。具体的構造としては、たとえば図２に示すように、中心に、たとえば高分子電解質膜１００を配置し、電解質膜の片面に燃料極側触媒層２００ａ、燃料極側ガス拡散層３００ａ、燃料ガス供給溝４００ａを備えた燃料極側セパレータ５００ａを配置し、他方の面に酸化剤極側触媒層２００ｂ、酸化剤極側ガス拡散層３００ｂ、酸化剤ガス供給溝４００ｂを備えた酸化剤極側セパレータ５００ｂを配置してなる。そして燃料電池スタック２は、このような発電セルが複数積層されて構成されている。

燃料ガスおよび酸化剤ガスは、セパレータ５００ａおよび５００ｂの内部に設けられたガス流路（溝）４００ａおよび４００ｂを通じて、燃料極側および酸素極側の触媒層２００ａおよび２００ｂに供給される。

なお、図示しないが、燃料電池スタック２はガスが外部へ漏洩することを防止するために、電解質膜とセパレータとの間の外周部に、エッジシール部材としてガスケット、ガスシールなどが配置されている。

このような燃料電池スタック２は、燃料極３ａに燃料ガスが供給する燃料ガス供給管７が接続されており、酸化剤極３ｂに酸化剤ガスが供給する酸化剤ガス供給管１２が接続されている。燃料ガス供給管７は通常水素ガスを供給するために高圧水素タンク４に接続されており、燃料ガス供給管７とともに燃料ガス供給手段となる。

一方、酸化剤ガス供給管１２には、コンプレッサ１０が接続されていて、酸化剤ガス供給管１２とともに酸化剤ガス供給手段となる。図１においては便宜上、燃料極を符号３ａ、酸化剤極を符号３ｂとして示したが、実際の燃料極３ａおよび酸化剤極３ｂは、上述したように燃料電池スタック２内部に発電セルが複数積層させている場合には、それぞれの発電セルに存在する。

燃料電池スタック２の燃料極３ａには、燃料ガスである水素が高圧水素ボンベから燃料ガス供給管７を介して供給される。具体的には、高圧水素ボンベの下流の燃料ガス供給管７に水素供給弁５が設けられており、この水素供給弁５が開状態となると、高圧水素ボンベからの高圧水素ガスが、水素調圧弁６によって減圧された後に、燃料電池スタック２に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池スタック２内において各発電セルのガス流路（溝）４００ａに供給される。なお、燃料ガス供給管７には必要によりさらに減圧弁（図示せず）が設けられている場合もある。

水素調圧弁６は後述するＥＣＵ１７（電子制御装置（制御手段））によって、その開閉状態が制御される。したがって、燃料電池スタック２へ供給される水素圧力が所望の値となるように、ＥＣＵ１７によってその開度が制御される。燃料電池スタック２の燃料極３
ａ側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素排出配管９へと排出される。

燃料電池スタック２の酸化剤極３ｂには、酸化剤ガスである空気（たとえば大気）が、コンプレッサ１０によって取り込まれて加圧され、酸化剤ガス供給管１２を通して供給される。供給された空気は、燃料電池スタック２内において各発電セルのガス流路（溝）４００ｂに供給される。燃料電池スタック２の酸化剤極３ｂ側からは、酸素の一部が消費された空気が、空気排出配管１４を介して外部（大気）に排出される。この空気排出配管１４には、空気調圧弁１５が設けられている。空気調圧弁１５は、燃料電池スタック２に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ１０の駆動量（回転数）とともにＥＣＵ１７によって制御される。

このように燃料電池システム１ａでは、燃料電池スタック２内に水素ガスと空気が供給されることで、各発電セル内において発電が行われ、酸化剤極３ｂ側には発電の際の反応生成物である水が発生する。発生した反応生成水は、酸化剤極側触媒層２００ｂから湿潤状態にされている高分子電解質膜１００を通り燃料極側触媒層２００ａにも至る。

ＥＣＵ１７は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、後述する制御手順に沿って動作するための制御プログラムに従ってシステムの各部を制御することにより、燃料電池システム１ａを運転する。なお、図示する場合には、ＥＣＵ１７から制御対象となっている各部への信号線は図示省略した。

また、このＥＣＵ１７は、低負荷運転時に実行する特性回復処理の制御も行っている。具体的には、コンプレッサ１０の回転数と空気調圧弁１５によって燃料電池に供給する空気流量を制御し、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応生成水の触媒層内液水量を制御することで、特性回復処理を行っている。

このためにＥＣＵ１７には、燃料電池システム１ａの運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力されている。各種センサとしては、たとえば電圧センサ１６、空気流量センサ１１である。

電圧センサ１６は、燃料電池スタック２の電圧を検出するセンサである。電圧センサ１６は、燃料電池スタック２を構成する個々の発電セルの電圧をそれぞれ検出する。ただし、電圧センサ１６としては、複数の発電セルからなるセルユニットを検出単位として、それぞれのセルユニットの電圧を検出してもよい。

空気流量センサ１１は、酸化剤ガス供給管１２を流れる空気の流量を検出するセンサである。

本実施形態１では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用いるケースについて説明する。この燃料電池システム１ａは、たとえば、車両を駆動する電動モータの電源として車両に搭載して使用される。

次にこの燃料電池システムにおける燃料電池スタックの特性回復制御について説明する。

図３は、特性回復制御の制御手順を示すフローチャートである。

このフローチャートに示す処理は、燃料電池システム１ａが低負荷運転状態に移行したことを指示する信号の入力に対応してＥＣＵ１７によって実行される。ここで、低負荷と
は、たとえば燃料電池の出力が２０％以下となるときである。

特性回復制御を開始する前提として、燃料電池スタック２に対する水素供給および空気供給は、通常のまま継続されている。

そして、まず、ＥＣＵ１７は、特性回復処理の必要性の判断を行う（Ｓ１）。必要性の判断は、たとえば以下の基準に基づき行われる。

（１）燃料電池システムの積算運転時間が所定時間を上回った場合
この判断基準の場合、ＥＣＵ１７は、その内部に設けられたタイマ（図示せず）を用いて燃料電池の積算運転時間を算出し、その時間経過により回復処理を実施する（この場合タイマーとＥＣＵ１７が運転時間積算手段となる）。

燃料電池は、その運転時間の経過とともに不純物が蓄積されていく傾向がある。運転時間を、回復処理を実施するための判断基準とすることで、ある程度運転時間が経過した段階で回復処理を行えば、不純物による性能低下を可能な範囲で回復することができる。

なお、特性回復処理を行うときの燃料電池の積算運転時間は、燃料電池システムの使用環境にもよるが、たとえば車両に搭載された際の年間運転時間に基づいて５０時間程度に設定することができる。これにより運転時間により定期的に回復処理が行われるようになる。なお、所定時間はこれに限定されるもの必要はない。たとえば、大気中の汚染物質が多いような地域や道路を多く走る場合ではこの時間を短くし、一方、大気がきれいな地域では長くしても良い。

（２）電圧センサ１６で検出される各発電セルあるいは各発電セルユニットの電圧降下量が所定値を上回った場合
ここで各単位発電セルまたは各セルユニットの電圧降下量とは、たとえばある一定の負荷で燃料電池を駆動した場合の単位発電セル１つ当たりの電圧降下幅または発電セルユニット１つ当たりの電圧降下幅である（発電セルユニットとは、複数の発電セルをひとまとめにして１ユニットとしたものである）。なお、特性回復処理を行うときの単位発電セルの電圧降下量は、たとえば燃料電池の特性に基づいて設定することができる。具体的には、たとえば、燃料電池の出力が１００％のときの単位セル電圧が、運転前（あるいは前回の回復操作実施後）に比べ５％低下したときを操作要否判断基準として設定することができる。ただし、これに限定する必要はないが、安定した運転を継続できる範囲であることが望ましい。

このように電圧の低下によって回復処理の実施必要性を判断することで、容易かつ確実に不純物による性能低下を回復することができる。

（３）燃料電池システムの所定の運転モードの積算時間が所定値を上回った場合
この場合は特に運転モードとして、燃料電池の電解質として高分子電解質を用いる場合にはその劣化が起こりやすい状態の運転モードでの積算時間を、ＥＣＵ１７がタイマーにより経時すればよい（この場合タイマーとＥＣＵ１７がモード別運転時間積算手段となる）。

高分子電解質の劣化が起こりやすい状態は、たとえば、燃料電池が高電圧状態となるモードである。高電圧とは、たとえば各単位発電セルあたりの電圧が０．８０Ｖ以上となるような場合である。もちろんこのほかにも燃料電池の劣化による不純物が生成しやすいような電圧となる運転モードがあれば、それらを別々に積算するようにしてもよい。

このように燃料電池の運転モードにより劣化が異なるため、運転履歴により不純物の蓄積量は変化する。したがって、劣化が起こりやすい運転モード（特にアイドル運転）の頻度が所定値に達したときに回復処理を実施することで、不純物による性能低下を可能な範囲で回復することができる。

上記（１）〜（３）の判断基準は、いずれか一つを採用することもできるが、複数の条件が満たされた場合にのみ特性回復処理を実施するようにしてもよい。

このように、回復処理の必要性を判断する基準として、時間や電圧などを使用することでシステム全体を煩雑化することなく容易に回復処理の実施必要性を判断できる。

図３に示すフローチャートに戻り、ステップＳ１において特性回復処理が必要でないとＥＣＵ１７が判断した場合は処理を終了する。

これに対して、ステップＳ１において、上述した（１）〜（３）の判断基準の１つまたは複数により特性回復処理操作が必要であると判断された場合、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、ＥＣＵ１７が、燃料電池スタック２の特性回復処理が実施可能な状態にあるか否かを判定する。本実施形態においては、特性回復処理は燃料電池が低負荷運転を行っているときに行うこととしている。

これは、低負荷時においては触媒層水量を通常運転時より高くしても、発電性能への影響を少なくすることができるためである。そして、低負荷時には酸化剤極３ｂ電位が高いため、触媒に吸着した被毒種の脱離も進行し、被毒の解除効果も発現させることが可能となるためである。

ここで、低負荷運転とは、運転性能への影響が比較的少ない、たとえば０〜２０％程度を指す。ちなみに２０〜６０％を中負荷、これ以上（〜１００％）を高負荷とする。このような低負荷運転は、たとえば燃料電池システム１ａが車両に用いられた場合にはアイドリング時のような場合である。また車両以外に用いられる場合、たとえば家庭用電源などに使用している場合には、深夜など電力使用量が最も少なくなったときなどである。

低負荷運転時か否かの判断は、電圧センサ１６により個々の発電セル（または発電ユニット）の電圧を測定し、所定の電圧以上であれば低負荷時であると判断する。たとえば、低負荷時かどうかは発電電圧で判断することができ、低負荷時の電圧は、単位セル電圧が約０．８０Ｖ以上に相当する場合などである。もちろん、このような電圧に限定されるものではなく、低負荷時となるような運転モードなどにより判断するようにしてもよい。

なお、ステップＳ２において、燃料電池スタック２が特性回復処理を実施可能な状態でないと判断された場合には、特性回復処理の実施可能な状態となるまで、すなわち、たとえば、各発電セルの電圧が所定値以下の場合には、所定値以上になるまで待機するために、ステップＳ２を繰り返す。

ここで発電セルの電圧について説明する。

図４は発電セルの電圧について説明するためのグラフである。

図においては、燃料極３ａに水素を供給し、酸化剤極３ｂに５０ｐｐｂの二酸化硫黄（ＳＯ_２）を含む空気を供給して、単位発電セルを１Ａ／ｃｍ^２の電流密度で連続発電を行った場合の単位発電セルの電圧変化を示す。９５時間のＳＯ_２供給により単位発電セルの
電圧は２９０ｍＶ低下した。このとき、単位発電セルからの電流密度を２０ｍＡ／ｃｍ^２に下げたところセル電圧は０．８３Ｖとなり、この状態で６時間の運転を行った。その後、再び１Ａ／ｃｍ^２の電流密度で発電を行った結果、セル電圧は１３０ｍＶ回復した。この結果より、単位発電セル電圧を０．８３Ｖ以上とすることで回復効果が得られることが確認された。なお、所定電圧は０．８３Ｖに限るものではなく、不純物を除去し、燃料電池スタック２の劣化を引き起こさない電圧であればよい。

ステップＳ２において、燃料電池スタック２が特性回復処理操作の実施可能な状態にあると判断された場合は、次にＥＣＵ１７は特性回復処理、すなわち燃料電池の触媒層の水量を増加させる処理を行う（Ｓ３）。

本実施形態１では、水量を増加させる方法として、空気流量を通常運転時よりも減少させる方法により行う。具体的には、空気流量センサ１１のセンシング値をモニタし、コンプレッサ１０の回転数および空気調圧弁１５の開度を制御することにより空気流量を通常運転時よりも少なく、かつ所定値以上に制御する。

空気流量を減少させることにより、空気流による水分の持ち去り量が減るため、触媒層中の水量を増加させることができる。しかし、酸化剤である空気を減らしすぎると発電に必要な酸素が不足するため、安定した発電を維持することができない。そこで、本実施形態では空気流量を減少させるものの所定値以上は保つようにしている。空気流量の所定値（回復処理における空気流量の下限値となる）は、たとえば回復処理を実施する際の発電状態を保つことのできる最低流量とすることが好ましい。このような値は、配管形状や配置、燃料電池スタック２内における発電セルの積層数（すなわち燃料電池スタック２内部における空気流通性能）などにより異なり、触媒層中の不純物を除去するために必要な水分の増加が見込める発電性能を維持できる空気流量となるように、実験により決定することが好ましい。

その後、ＥＣＵ１７は、所定時間ｔが経過したかを判断し（Ｓ４）、空気流量を減少させてから所定時間ｔが経過した場合には、触媒層水量増加処理を終了させる（Ｓ５）。ステップＳ４において空気流量を減少させて発電を開始してから所定時間ｔが経過していない場合には、所定時間ｔが経過するまでそのままの状態で運転を継続する。

前記ステップＳ３では、触媒層の水量が不純物の除去に十分となるような所定の空気流量とし、所定時間ｔ［ｍｉｎ］の間運転を継続することとしている。そしてこれにより触媒層の水量が増加し、触媒層中に蓄積した不純物が除去される。所定の流量は前述の通りであるが、保持時間ｔについても、触媒層の材料、触媒層の含水状態等によって異なるため、実験結果に基づき決定された値であることが好ましい。ここでは１０分とするが、この時間に限定されるものではない。

次に、所定の保持時間経過後、ＥＣＵ１７は、触媒層の水量を、増加させる前の水量になるよう減少させる操作を行う（Ｓ６）。これは、ステップＳ５で単に触媒層水量増加処理を終了させた状態では、触媒層の水量は通常時に比べ多くなっているため、このまま高負荷運転に移行すると余剰水分によってガスの閉塞を起こして触媒層の劣化を引き起こす可能性が考えられるため、触媒層の水量を通常運転時と同程度に戻すのである。触媒層の余剰水分を減少させる操作としては、たとえば空気流量を通常運転時に戻す、あるいは所定時間空気流量を増加させることにより、触媒層の余剰水分を除去することができる。このように、余剰水分を除去することで再起動時のフラッディングを防ぐことができる。

以上により、特性回復のための手順は終了するので、元の通常運転となる。

本実施形態１では、上述のように触媒層水量を増加させるための処理として酸化剤極３ｂの空気流量を減少させる操作について記述したが、空気流量のみの制御に限られる必要はない。たとえば、燃料極３ａの水素流量について同様に、水素ガスの流量を減少させることで、燃料極側触媒層からの水分の持ち去りを抑制し、結果的に触媒層中の水量を増加させることもできる。

また、空気流量と水素ガスの流量の両方を、低負荷での発電に必要な流量の範囲内であれば、低下させてもよい。これは、発電が維持されることで生成水の発生は維持されており、その間、両方のガス流量を下げることで、生成水の取り去り量が減るため、結果的に触媒層中の水量を増加させることができるためである。

なお、この回復処理中において、たとえばアクセルなどの負荷取り出しトリガーがかかった場合など、低負荷運転状態から別の状態に移行する指令が入った場合は、本制御とは関係なく前記指令に従い制御されるようにしてもよい。

このように本実施形態１によれば、発電中にガス流量（空気また水素ガス）を減らすことで水の持ち去りを抑制して、触媒層水量を高め、触媒層中に蓄積した不純物を除去することができる。これにより不純物の蓄積により低下した燃料電池スタック２の発電特性を回復することができる。したがって、燃料電池の回復動作を、燃料電池に特別な配管や装置を施すことなく実行することができ、耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明を適用した燃料電池システムの他の好ましい実施形態について説明する。

図５は本発明を適用した実施形態２における燃料電池システムの構成を示す説明図である。

なお、本実施形態２に係る燃料電池システム１ｂは、以下に述べる点を除いて実施形態１に係る燃料電池システム１ａと同様である。したがって、同じ構成要素には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。また燃料電池スタック２内部の発電セルの構成も実施形態１を同じであるので、図示および説明は省略する。

本実施形態２に係る燃料電池システム１ｂは、実施形態１の構成における燃料電池スタック２に加えて、水素圧力センサ８が燃料ガス供給管７に設けられており、燃料電池スタック２の燃料極３ａに供給される水素の圧力を検出する。酸化剤ガス供給管１２には、実施形態１同様に空気圧力センサ１３が設けられており、燃料電池スタック２の酸化剤極３ｂに供給される空気の圧力を検出する。

この実施形態２の燃料電池システム１ｂの特性回復制御は、基本的に図３に示したフローチャートによる制御手順と同様である。

回復動作が可能となった場合に、ステップＳ３において特性回復処理、すなわち燃料電池の触媒層の水量を増加させる処理を行う。

実施形態２においては、この触媒層水量を増加させる方法は実施形態１とは異なり、酸化剤極３ｂを通常運転時よりも加圧することにより行う。

具体的には、ＥＣＵ１７が空気圧力センサ１３のセンシング値をモニタしながらコンプレッサ１０の回転数および空気調圧弁１５の開度を制御することで、酸化剤極３ｂに供給
される空気の圧力を通常時よりも高い所定圧力となるようにする。このように空気圧を高めることで、触媒層中の水分が凝縮するため、触媒層の水量を増加させることができる。

このとき加圧する圧力は、具体的には、たとえば、低負荷時に、酸化剤極３ｂ側圧力をゲージ圧で５０〜１００ｋＰａ程度とする。これにより、燃料電池スタック２内部の生成水が凝縮しやすくなり、触媒層中の水量が増加する。なお、通常の運転では、低負荷時における酸化剤極３ｂ側の圧力は２０〜４０ｋＰａ程度である。このような圧力はあくまでも一例であり、触媒や触媒層の材料、燃料電池スタック２内部の発電セルの構成などによって異なるため、実験結果に基づき決定された値であることが好ましい。

その後は、実施形態１と同様に、所定時間ｔが経過したのち、触媒層水量増加処理を終了し（Ｓ５）、触媒層の余剰水分を減少させる操作を行う（Ｓ６）。触媒層の余剰水分を減少させる操作は、運転圧を通常運転時に戻す、あるいは運転圧を低下させてから所定時間空気流量を増加させることにより、触媒層の余剰水分を除去する。

本実施形態２においても、保持時間ｔは、触媒や触媒層の材料、燃料電池スタック２内部の発電セルの構成などによって異なるため、実験結果に基づき決定された値であることが好ましい。

また、本実施形態２においても回復処理中に、たとえばアクセルなどの負荷取り出しトリガーがかかった場合など、低負荷運転状態から別の状態に移行する指令が入った場合は本制御とは関係なく他の指令に従い制御されるようにしてもよい。

なお、本実施形態２では、触媒層水量増加処理として酸化剤極３ｂの空気供給圧力を高める操作について記述したが、空気圧のみの制御に限られる必要はなく、燃料極３ａの水素供給圧力について同様に高くすることで、より不純物除去を行うことができる。また、両極を加圧することによっても、各極で水分が凝集し特性回復効果が可能となる。

以上のように本実施形態２によれば、供給するガス圧力を通常運転時より高めることで燃料電池スタック２内部における生成水が凝縮して、触媒層中の水量を増加させることができる。そして増加した水分により触媒層中に蓄積した不純物を除去することができ、これにより不純物の蓄積により低下した燃料電池スタック２の発電特性を回復することができる。また、本実施形態２においても燃料電池の回復動作を、燃料電池に特別な配管や装置を施すことなく実行することができ、耐久性に優れた燃料電池システムを提供することができる。

＜実施形態３＞
次に本発明を適用した燃料電池システムのさらに他の好ましい実施形態について説明する。

図６は本発明を適用した実施形態３における燃料電池システム１ｃの構成を示す説明図である。なお、本実施形態３に係る燃料電池システム１ｃは、以下に述べる点を除いて実施形態１に係る燃料電池システム１ａと同様である。したがって、同じ構成要素には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。また燃料電池スタック２内部の発電セルの構成も実施形態１を同じであるので、図示および説明は省略する。

本実施形態３に係る燃料電池システム１ｃは、実施形態１の構成における燃料電池スタック２に加えて、燃料電池スタック２に冷却水を供給するための冷却水流路１９、冷却水を貯蔵するための冷却水タンク２０、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ１８が備えられている。

本実施形態３は、特性回復処理を行う際にこの冷却水を用いて燃料電池スタック２を冷やすことで、生成水を凝縮させて触媒層中の水量を増加させるのである。

冷却水ポンプ１８はＥＣＵ１７によって制御されるようになっており、たとえば、冷却水ポンプ１８がＥＣＵ１７によって制御されることにより燃料電池スタック２に供給される冷却水の流量が制御される。したがって、本実施形態３においてはＥＣＵ１７とともに冷却水流路１９、冷却水タンク２０、冷却水ポンプ１８が触媒層内水量制御手段となる。

この実施形態３の燃料電池システム１ｃの特性回復制御は、基本的に図３に示したフローチャートによる制御手順と同様である。

回復動作が可能となった場合に、ステップＳ３において特性回復処理、すなわち燃料電池の触媒層の水量を増加させる処理を行う。

実施形態３では、この触媒層水量を増加させる方法として、実施形態１とは異なり、燃料電池スタック２の温度を下げることで行う。

具体的には、ＥＣＵ１７は冷却水ポンプ１８の回転数を増加させて、燃料電池スタック２に供給する冷却水流量を通常運転時よりも増加させることで、燃料電池スタック２の温度を低下させる。燃料電池スタック２の温度を下げることで、触媒層中の相対湿度が高まる。これにより触媒層中の水分が凝縮し、触媒層の水量を増加させることができる。

その後は、実施形態１と同様に、所定時間ｔが経過したのち、触媒層水量増加処理を終了し（Ｓ５）、触媒層の余剰水分を減少させる操作を行う（Ｓ６）。触媒層の余剰水分を減少させる操作は、たとえば冷却水ポンプ１８の回転数を通常運転時と同じになるよう制御することで、燃料電池スタック温度冷却量を減らすことができる。

以上の操作により、触媒層中に蓄積した不純物を除去することができ、これにより不純物の蓄積により低下した燃料電池スタック２の発電特性を回復することができる。

以上、本発明の燃料電池システムの実施形態では、特性回復手段における燃料電池触媒層の水量増加処理として、供給ガス流量を通常運転時よりも減少する処理と、ガス供給圧力を高める処理と、燃料電池スタック温度を低下させる処理とを分けて実施した場合について説明してきたが、これらは別々に実施する必要はなく、同時に実施することとしてもよく、上述した各実施形態による処理をいずれか２つ以上組み合わせることで、より触媒層中の水量を増加させて、不純物除去効果を上げることができる。

また、上述した実施形態出説明した回復処理実施の判断基準を用いるのではなく、たとえば、ＥＣＵ１７が燃料電池の起動時または停止時に、いずれかの処理を実施して、触媒層中の水量を増加させるようにしてもよい。

本発明は、特に車両用の燃料電池システム１に好適である。

本発明を適用した実施形態１における燃料電池システムの構成を示す説明図である。 燃料電池内部の発電セルの構造を示す断面図である。 フローチャートである。

フローチャートである。

フローチャートである。

特性回復制御の制御手順を示すフローチャートである。
発電セルの電圧について説明するためのグラフである。 本発明を適用した実施形態１における燃料電池システムの構成を示す説明図である。 本発明を適用した実施形態３における燃料電池システムの構成を示す説明図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ…燃料電池システム、
２…燃料電池スタック、
４…高圧水素タンク、
５…水素供給弁、
６…水素調圧弁、
７…燃料ガス供給管、
８…水素圧力センサ、
９…水素排出配管、
１０…コンプレッサ、
１１…空気流量センサ、
１２…酸化剤ガス供給管、
１５…空気調圧弁、
１６…電圧センサ、
１７…ＥＣＵ、
１８…冷却水ポンプ、
１９…冷却水流路、
２０…冷却水タンク。
１００…高分子電解質膜、
２００ａ…燃料極側触媒層、
３００ａ…燃料極側ガス拡散層、
２００ｂ…酸化剤極側触媒層、
３００ｂ…酸化剤極側ガス拡散層、
４００ａ…燃料ガス供給溝、
４００ｂ…酸化剤ガス供給溝、
５００ａ…燃料極側セパレータ、
５００ｂ…酸化剤極側セパレータ。

Claims (10)

1. 燃料ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極の間に配置された触媒層を備え、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の発電中に触媒層中の水量を制御する触媒層内水量制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料電池が低負荷状態のときに、前記水量を増加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. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方のガス流量を減少させることで前記水量を増加させる特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料極および前記酸化剤極のうち少なくとも一方の極側を加圧することで前記水量を増加させ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。
5. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料電池内部の温度を下げることで前記水量を増加させ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。
6. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方のガス流量を減少させること、前記燃料極および前記酸化剤極のうち少なくとも一方の極側を加圧することで前記水量を増加させること、および前記燃料電池内部の温度を下げることのうち少なくとも２つ以上の処理を同時に実施することにより前記水量を増加させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
7. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料電池の運転時間を積算する運転時間積算手段を備え、
   前記運転時間積算手段により積算された運転時間があらかじめ決められた値に達した場合に、前記水量を増加させることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料電池の運転モードごと運転時間を積算するモード別運転時間積算手段を備え、
   前記モード別運転時間積算手段により積算された運転モードごと運転時間のうち、あらかじめ決められた運転モードにおける運転時間が所定の値に達した場合に、前記水量を増加させることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 前記触媒層内水量制御手段は、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段を備え、
   前記電圧測定手段が測定した電圧が、あらかじめ決められた電圧未満になった場合に、前記水量を増加させることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 前記触媒層内水量制御手段は、前記水量を増加させたのち、所定時間後に、少なくとも前記触媒層の含水量が、増加させる前の水量となるようにすることを特徴とする請求項２乃至９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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