JP2008218051A - 燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に要求される負荷が多様に変化する条件の下でも燃料電池の出力特性を回復させ、燃料電池の燃費の向上を図る。
【解決手段】電極触媒としてＰｔを含む複数の単セルが積層されてなる燃料電池の制御方法において、少なくとも一つの単セル電圧を取得する段階と、少なくとも前記単セル電圧を用いて表される評価対象値が所定の閾値に達すると、前記燃料電池に要求される負荷が所定の状態となるのを待って、前記単セル電圧が基準電圧以下になるように前記単セルから電流を取り出す段階と、を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池の制御方法に関する。

燃料電池は、天然ガスなどの燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とによる電気化学反応によって電力を取り出す装置である。燃料電池には、たとえば、作動温度が低く運転が容易な固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や技術的完成度において最も進んでいるリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの種類があって、これらの燃料電池は、車両用駆動源や定置型電源として期待され、実用化が進んでいる。

燃料電池は、一般的には、複数の単セルが積層されてなるものであって、単セルは、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。この単セル用の電極は、反応ガスを供給するガス拡散層と実際に化学反応を起こす触媒層とから構成される。

触媒層中の触媒は、たとえば、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池などの低温型燃料電池では、白金（Ｐｔ）または白金の合金のような貴金属が用いられる。白金を含んだ触媒は、電極が高電位になると、徐々に触媒表面の酸化が促進し、白金酸化物が生成され、単セル電圧が低下、すなわち、燃料電池の出力特性が低下する。

そこで、燃料電池の出力特性を回復させる一つの手段として、電極の電位を下げて、触媒表面の白金酸化物の還元を促進させることが有効となる。

電極の電位を下げる従来技術としては、単セル電圧が所定の閾値まで低下したとき、単セルに流れる電流を一時的に多く取り出すことによって電極の電位、すなわち単セル電圧を強制的に下げて、触媒表面を還元させ、燃料電池の出力特性を回復させる燃料電池の運転装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１７２１０６号公報

しかしながら、この従来技術は、定置型電源のように、燃料電池に要求される負荷が一定であるときを想定し、触媒の酸化によって徐々に低下する単セル電圧が所定の閾値に達した場合に燃料電池の出力特性を回復させるための技術である。したがって、従来技術では、たとえば、車両用駆動源のように、燃料電池に要求される負荷が多様に変化するときにおいては、負荷に応じて単セル電圧も変化するために、単セル電圧が基準電圧以下になるように単セルから電流を取り出すタイミングを簡単に設定できないという問題点があった。すなわち、一例をあげれば、負荷に応じて単セル電圧が上がるときに、単セルから電流を取り出して単セル電圧を基準電圧以下に下げることは、単セル電圧の応答特性を悪くし、また、燃料電池の駆動にも影響を与えてしまう。したがって、燃料電池の運転中に、適切なタイミングで、単セルを基準電圧以下になるように単セルから電流を取り出す燃料電池の制御方法が要求される。

本発明は、燃料電池に要求される負荷が多様に変化する条件の下で、単セル電圧が基準電圧以下になるように単セルから電流を取り出すタイミングを決めて、単セルに流れる電流を一時的に多く取り出す、燃料電池の制御方法の提供を目的とする。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の燃料電池の制御方法は、電極触媒としてＰｔを含む複数の単セルが積層されてなる燃料電池の制御方法において、少なくとも一つの単セル電圧を取得する段階と、少なくとも前記単セル電圧を用いて表される評価対象値が所定の閾値に達すると、前記燃料電池に要求される負荷が所定の状態となるのを待って、前記単セル電圧が基準電圧以下になるように前記単セルから電流を取り出す段階と、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、単セル電圧が基準電圧以下になるように単セルから電流を取り出すタイミングを、燃料電池に要求される負荷の変動に合わせて設定することで、車両運転のように燃料電池に要求される負荷が多様に変動する場合においても燃料電池の出力特性の低下を抑制し、燃料電池の燃費の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る燃料電池の制御方法について、第１実施形態および第２実施形態に分けて、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明のそれぞれの実施形態では、自動車の駆動源として適用した固体高分子形燃料電池の制御方法を例にとって説明する。

まず、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、固体高分子形燃料電池の全体構成、固体高分子形燃料電池の発電原理、電極の電位と触媒の酸化・還元の関係、および燃料電池を自動車の駆動源として適用した場合の燃料電池の出力特性について簡単に説明しておく。

図１は、固体高分子形燃料電池の全体構成を示す斜視図であり、図２は、固体高分子形燃料電池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（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）との反応により起電力を生じる単位電池としての単セル２を所定数だけ積層した積層体３、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、積層体３の内部にナット（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単セル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導入口８、アノードガス排出口９、カソードガス導入口１０、カソード排出口１１、冷却水導入口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、アノードガス導入口８により導入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、カソードガス導入口１０より導入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、冷却水導入口１２より導入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。

単セル２は、図２に示すように、ＭＥＡ１４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、たとえば、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およびガス拡散層１４３Ａからなるアノードとしてのアノード電極１４４Ａと、カソード触媒層１４２Ｂおよびガス拡散層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およびカソード電極１４４Ｂによって、固体高分子電解質膜１４１をその両側から挟みこんだ積層構造とされている。

セパレータ１５は、導電性を有する材料により形成される。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と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を含むガス）を流通させる流路溝となりアノードガス流路（アノード流路）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を含むガス）を流通させる流路溝となりカソードガス流路（カソード流路）１９を形成する。アノードガス流路１８に水素を含むガスを、カソードガス流路１９に酸素を含むガスを、それぞれ流通させると、アノードガス中に含まれる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イオンと外部回路（図示は省略する）を経由してきた電子がカソードガス中に含まれる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。この直流電圧は、単セル電圧を取得する単セル電圧取得手段として機能する単セル電圧計２０によって検出される。

図３は、固体高分子形燃料電池の触媒に用いられている白金（Ｐｔ）のサイクリックボルタモグラムの概略図である。サイクリックボルタモグラムとは、標準電極電位に対して酸化電流および還元電流がどのように流れるのかを示したグラフである。本発明では、後述する実施形態において触媒に白金（Ｐｔ）を用いているので、Ｐｔ触媒を例にとって説明する。

アノード側に水素ガスを、カソード側に酸素を流した状態で測定した個体高分子形燃料電池の単セル２のサイクリックボルタモグラフは、縦軸が単セル２に流れる電流値、横軸は標準水素電極（ＳＨＥ）に対する電位（ＶｖｓＳＨＥ）を示している。ここで、Ｐｔ触媒を用いた固体高分子形燃料電池では、アノード電極１４４Ａ側の電位が標準水素電極の電位とほぼ同じ電位となるので、カソード電極１４４Ｂ側の電位は標準水素電極に対する電位と一致する。さらに、アノード電極１４４Ａの過電圧が低いために、カソード電極１４４Ｂの電位（対アノード電極１４４Ａ）は、ほぼ単セル電圧と等しくなる。

図３を参照すれば、Ｐｔの酸化は、およそ０．７５ボルトから開始している。Ｐｔの酸化を回避するためには、最悪でも単セル電圧が０．７５ボルト以上にならないようにすることが必要である。一方、酸化されたＰｔの還元は、およそ０．８ボルトを中心とする近傍の電圧領域で促進されている（還元のピークとなっている）。酸化されたＰｔの還元領域は、およそ０．５ボルトから０．９５ボルトの間の電圧である。なお、触媒の酸化・還
元が促進される電圧領域は、触媒層を構成する触媒の材質によって異なるので、上記電圧領域は一意に決まるものではない。

上記のように、およそ０．７５ボルト以上の電圧では触媒の酸化が促進され、酸化白金（ＰｔＯまたはＰｔＯ_２）が生成される。この酸化白金は触媒活性を低下させる原因となるが、高電位から低電位側に電位を変化させると、酸化白金が還元され、触媒活性が復活する。

そこで、単セル電圧が所定の閾値まで低下したとき、単セル２から電流を一時的に多く取り出すことによってカソード電極１４４Ｂの電位、すなわち単セル電圧を基準電圧以下に強制的に下げ、触媒表面の還元を促進させることが有効となる。なお、基準電圧とは、酸化白金の還元が促進される単セル２の電圧である。

ここで、単セル２から電流を一時的に多く取り出すタイミングを決めるにあたって、燃料電池が自動車に車載された場合の燃料電池の出力特性をみてみると、図４にその出力特性の一例が示されるように、一般に、燃料電池の出力が一定となる信号待ちなどの一時停止時の区間Ａ、および燃料電池の出力が多様に変動する通常走行時の区間Ｂが交互に変わる。なお、図４は、横軸が自動車の運行状況の推移を表し、縦軸は運行状況に応じた燃料電池の出力を表す。

したがって、本実施形態の燃料電池の制御方法は、単セル電圧を基準電圧以下になるように単セルから電流を取り出すタイミングを、図４に示されるような燃料電池の変動する出力特性に合わせて設定し、燃料電池の出力特性を回復させ、燃料電池の燃費の向上を図ることを目的とする。

以下、第１実施形態および第２実施形態に分けて、本発明に係る燃料電池の制御方法を具体的に説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について詳細に説明する。

図５は、本発明の第１実施形態の制御方法が適用される燃料電池システム１００を示している。この燃料電池システム１００は、燃料電池１、単セル電圧計２０、制御部３０、負荷器４０、バッテリ５０、および抵抗器６０を備えている。

燃料電池１は、上述したように、燃料ガス（たとえば、水素）と酸化剤ガス（たとえば、酸素）の供給によって電力を発生する。燃料電池１は、固体高分子電解質膜を両側から一対の電極で狭持してなる単セル２を少なくとも一つ備え、複数の単セル２を備えている場合にはそれらの単セル２は積層されている。単セル２の電極は、触媒を含む触媒層とガス拡散層とから構成される。触媒には、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（Ｐｔ）が用いられている。

単セル電圧計２０は、燃料電池１の単セル２の電圧（以下、「単セル電圧」と称する）を取得し、取得した単セル電圧を信号として制御部３０に送信するものであり、単セル電圧取得手段として機能する。取得する単セル電圧は、アノードセパレータ１５Ａとカソードセパレータ１５Ｂとの間に現れる電圧である。

上記のように単セル電圧を取得するのではなく、燃料電池１の全体の電圧を取得して、一つの単位セルあたりの単セル電圧を求めても良いが、燃料電池１の全体の電圧を取得する場合には、燃料電池１の両端部に位置される単セル２ａと単セル２ｂとの間の電圧を取得することになる。この場合、その中間に位置される単セルの抵抗値にばらつきがあると
、各単セルの正確な単セル電圧を取得できない可能性がある。したがって、より正確な単セル電圧を取得するためには、上記のように、単セル２ごとの単セル電圧を個別に取得することが望ましい。

制御部３０は、少なくとも単セル電圧を用いて表される評価対象値が所定の閾値に達すると、燃料電池１に要求される負荷が所定の状態となるのを待って、単セル電圧が基準電圧以下になるように単セルから電流を取り出すための制御をするものであって、制御手段として機能する。

制御部３０は、図示はしていないが、中央演算処理装置および演算に必要なデータを記憶する記憶装置を備えている。中央演算処理装置は、各種演算処理などを実行するものである。記憶装置は、受信した信号を一時的に記憶するために用いられる領域、あるいは、各種演算処理などを実行するための演算プログラムを記憶するための領域などの記憶領域が設定されている。

制御部３０は、評価対象値演算部３０１、記憶部３０２、比較部３０３、出力信号取得部３０４、タイミング測定部３０５、および出力指令部３０６を構成要素として含み、これらは中央演算処理装置および記憶装置がその役割を担う。

評価対象値演算部３０１は、単セル電圧計２０からの単セル電圧の信号（以下、「単セル電圧信号」と称する）を受信し、受信した単セル電圧信号を用いて表される評価対象値を演算するものである。評価対象値とは、単セル電圧の電極の酸化が促進されることによる燃料電池の出力特性の劣化を評価するための値である。本実施形態において、評価対象値は、単セル２に流れる電流が一定であるときの単セル電圧を用いる。評価対称値は、少なくとも単セル電圧を用いて表され、単セル２に流れる電流が一定であるときの単セル電圧である。

記憶部３０２は、所定の閾値、および、燃料電池１に要求される負荷が一定であるときの燃料電池の出力値などの設定値を記憶するものである。所定の閾値とは、燃料電池の出力特性を回復させる操作が必要か否かを前記評価対象値によって判断するための閾値である。また、燃料電池１に要求される負荷が所定の状態であるときの燃料電池の出力とは、たとえば、図４に示す一時停止時の区間Ａの車両の一時停止の状態（アイドリング状態またはアイドルストップ状態）の出力である。

比較部３０３は、評価対象値演算部３０１で演算した前記評価対象値と、記憶部３０２に記憶された所定の閾値とを比較するものである。そして、前記評価対象値が所定の閾値に達したとき、その結果は出力指令部３０６に送られる。

出力信号取得部３０４は、現在の燃料電池の出力状態を表す信号を取得するものである。燃料電池の出力状態を表す信号とは、たとえば、負荷器４０の出力の値であって、負荷器４０の出力電圧および出力電流、または負荷器４０が駆動モータであればその回転数およびトルクである。なお、燃料電池の出力状態は、燃料電池が車両の駆動源として用いられる場合、図示はしていないが、燃料電池システム１００内の信号ではなく、たとえば、車両の速度を指令する速度指令信号など外部の信号であってもよい。

タイミング測定部３０５は、燃料電池１に要求される負荷が所定の状態となるのを待って、単セル電圧が基準電圧以下になるように単セル２から電流を取り出すタイミングを測定するものであって、タイミング測定手段として機能する。単セル２から電流を取り出すことによって単セル電圧を基準電圧以下にするタイミングは、記憶部３０２で記憶された燃料電池１に要求される負荷が一定であるときから、その負荷が増大するタイミングであ
る。具体的には、単セル２から電流を取り出すことによって単セル電圧を基準電圧以下にするタイミングは、図４に示すように区間Ａから区間Ｂに推移するとき、すなわち、一時停止している車両が発進するタイミングである。

ここで、基準電圧とは、酸化されたＰｔ（ＰｔＯまたはＰｔＯ_２）の還元が促進される単セル２の電圧である。上述したように酸化されたＰｔの還元領域は、およそ０．５ボルトから０．９５ボルトであって、単セル２の電圧が０．７５ボルト以下でＰｔＯの還元が促進されるため、基準電圧は、０．７５ボルト以下とすることが望ましい。さらに、基準電圧は、単セル２の電圧が０．５ボルト以下でＰｔＯ_２の還元が促進されるため、０．５ボルト以下とすることが望ましい。

出力指令部３０６は、比較部３０３において評価対象値が所定の閾値に達したという結果が送られてきたとき、タイミング測定部３０５で測定されたタイミングで、単セル電圧が基準電圧以下になるように単セル２から電流を取り出す出力指令を負荷器４０にするものである。

負荷器４０は、燃料電池１が発電した電力を消費するものである。負荷器４０としては、たとえば、車両を駆動させるための駆動モータなどの車載装置が該当する。負荷器４０は、燃料電池１の両端部に位置される単セル２ａと単セル２ｂとに接続することができる。

バッテリ５０は、単セル電圧を基準電圧以下にするために取り出された電流が供給されるものである。バッテリ５０は、たとえば、負荷器４０と並列に、燃料電池１の両端部に位置される単セル２ａと単セル２ｂとに接続されることができ、図示していないが、スイッチＳＷ１を用いて燃料電池１と接続／切断を切り替えることができる。スイッチＳＷ１は、制御部３０で制御しうる。バッテリ５０は、たとえば、鉛蓄電池である。

抵抗器６０は、単セル電圧を基準電圧以下にするために取り出された電流が供給され、供給された電流によって発熱するものである。抵抗器６０は、たとえば、バッテリ５０とともに、負荷器４０と並列に、燃料電池１の両端部に位置される単セル２ａと単セル２ｂとに接続されることができ、図示していないが、スイッチＳＷ２を用いて燃料電池１と接続／切断を切り替えることができる。スイッチＳＷ２は、制御部３０で制御しうる。抵抗器６０は、バッテリ５０が十分に充電されている場合、単セル電圧を基準電圧以下にするために取り出された余分な電流を消費する役割も担うことができる。

なお、燃料電池システム１００は、バッテリ５０および抵抗器６０を両方具備する場合に限られず、どちらか一方のみを用いてもよい。

以上のように、本発明の第１実施形態の制御方法が適用される燃料電池システム１００は構成される。

次に、本発明の第１実施形態の燃料電池の制御方法について詳細に説明する。

図６は、本発明の第１実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの処理内容の一例を示すフローチャートである。

まず、燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給された状態で運転されている（ステップＳ３００）。本実施形態では、燃料電池１の運転状態を、理解を容易にするために、図７に示すような、負荷電流密度１Ａｃｍ^−２から６．４Ａｃｍ^−２に周期的に変動する負荷サイクルを一例として説明する。ここで、本実施形態では、単セル電圧の電極の酸
化が促進されることによる燃料電池の出力特性の劣化を評価するための値である評価対象値として、単セル２に流れる電流が一定、すなわち負荷電流密度１Ａｃｍ^−２のときの単セル電圧とする。なお、評価対象値を負荷電流密度６．４Ａｃｍ^−２としてももちろんよいが、評価対称値は、単セル２に流れる電流が変動する範囲内のうち下限電流近傍における一定の負荷電流密度１Ａｃｍ^−２での単セル電圧である方が望ましい。すなわち、単セル２に高電流が流れるときは、拡散や抵抗の影響を強く受けるために、単セル電圧が触媒の劣化によって低下する要因を白金酸化物の影響によるものに限定できず、評価対象値を設定することができない。しかしながら、単セル２に低電流が流れるときであれば、拡散や抵抗の影響を無視することができ、触媒の劣化の要因の一つである白金酸化物による電圧の低下トレンドを観測することができる。なお、図７を車両運転にたとえれば、負荷電流密度が６．４Ａｃｍ^−２のときが停止中の車両の単セル電圧、負荷電流密度１Ａｃｍ^−２のときが運行中の車両の単セル電圧となる。

次に、単セル電圧計２０により、単セル２の単セル電圧が取得される（ステップＳ３１０）。取得された単セル電圧は、制御部３０の評価対象値演算部３０２に信号として送信される。この単セル電圧信号は、本実施形態では、図７に示すようにパルス状に変動する。図７において、パルスのハイレベルが負荷電流密度６．４Ａｃｍ^−２の単セル電圧、パルスのローレベルが負荷電流密度１Ａｃｍ^−２の単セル電圧の推移を表している。

次に、制御部３０の比較部３０３により、取得された単セル電圧信号を用いて表される評価対象値が記憶部３０２にて定められた所定の閾値に達しているか、すなわち燃料電池１の出力特性が劣化してきたか否かを判断する（ステップＳ３２０）。具体的には、負荷電流密度１Ａｃｍ^−２の単セル電圧信号が所定の閾値に達していない場合（ステップＳ３２０：Ｎｏ）、燃料電池の出力特性は劣化していないと判断し、燃料電池は通常運転を続け、前記所定の閾値に達したと判断されるまでステップＳ３００以下の処理を繰り返す。なお、本実施形態では、所定の閾値を、セル電圧が０．６２ボルトと設定する。

そして、制御部３０は、単セル電圧信号が前記所定の閾値に達したと判断した場合（ステップＳ３２０：Ｙｅｓ）、自動車の走行状況を表す出力信号を受信し、車両一時停止から次の発進時になったか否かを判断する（ステップＳ３３０）。すなわち、制御部３０は、記憶部３０２に記憶された車両一時停止持の出力値からその出力値が増大したか否かを判断する。

一時停止中の車両が発進するときになっていない場合（ステップＳ３３０：Ｎｏ）、車両が発進するまで次の処理（ステップＳ３４０）を待つことになる。具体的には、図７に示すＣ地点の単セル電圧が所定の閾値（０．６２ボルト）に達したと判断した場合、図７に示すＤ地点の次の車両一時停止時から車両運行時に変わるタイミングを判断する。

そして、一時停止中の車両が発進するときになった場合（ステップＳ３３０：Ｙｅｓ）、制御部３は、燃料電池１に対する負荷器４０の負荷を大きくするように指令を出して、燃料電池の出力電圧を急激に下げることで、燃料電池１から高電流を掃引する（ステップＳ３４０）。すなわち、図８のＤの地点で示すように、負荷を増大させると電位が下がるタイミングに合わせて、さらに、強制的に燃料電池１に対する負荷器４０の負荷を大きくすることで、容易かつ迅速に電位を基準電圧以下に下げることが可能となる。燃料電池１から高電流を掃引することで、図９に示すように、高電流を掃引しない場合と比べて、負荷電流密度１Ａｃｍ^−２のときの単セル電圧が回復する。

燃料電池１から高電流を掃引させることで、燃料電池１から車両の駆動には必要としない余分な電流が取り出される。そこで、燃料電池１の制御装置には、この余分な電流を有効に消費させるために、バッテリ５０および抵抗器６０を具備する。そして、上述したよ
うに、バッテリ５０および抵抗器６０は、たとえば、負荷器４０と並列に設けられ、スイッチ動作などでそれぞれ負荷器４０と並列に接続されることができ、前記スイッチ動作は、図示していないが、負荷器４０とともに制御部３０で行うことができる。

ここで、このような図６のステップＳ３４０における高電流を掃引する処理の一例は図８に示される。

図８では、バッテリ５０の充電がフル（ｆｕｌｌ）でない場合（ステップＳ３４０１：Ｙｅｓ）、燃料電池１から取り出された電流は、バッテリ５０に供給され、バッテリ５０が充電される（ステップＳ３４０２）。

そして、バッテリ５０の充電がフルである場合（ステップＳ３４０１：Ｎｏ）、燃料電池１から取り出された電流は、抵抗器６０に供給され、抵抗器６０が発熱される（ステップＳ３４０３）。

したがって、ステップＳ３４０１またはステップＳ３４０２によって、燃料電池１から取り出された電流は消費される。

このように高電流の掃引がなされると、次に、図６のフローチャートに戻り、燃料電池１から高電流を掃引した際に単セル電圧が基準電圧として０．５Ｖ以下になったか否かを判断する（ステップＳ３５０）。具体的には、高電流を掃引しても、単セル電圧が０．５Ｖ以下にならなかった場合（ステップＳ３５０：Ｎｏ）、十分に単セルの電極触媒の還元が促進されていないため、再びステップＳ３３０に戻り、燃料電池の出力特性を向上させる。

そして、単セル電圧が０．５Ｖ以下になった場合（ステップＳ３５０：Ｙｅｓ）、十分に単セルの電極触媒の還元が促進されたと判断し、処理を終了して、燃料電池は運転を継続する（ステップＳ３６０）。

以上の処理において、ステップＳ３１０の処理は、少なくとも一つの単セル電圧を取得する、単セル電圧取得手段の処理に対応する。

また、ステップＳ３２０〜ステップＳ３５０の処理は、少なくとも単セル電圧を用いて表される評価対象値が所定の閾値に達すると、燃料電池に要求される負荷が所定の状態となるのを待って、単セル電圧が基準電圧以下になるように前記単セルから電流を取り出す処理に対応する。

以上のように、本実施形態の燃料電池の制御方法によれば、車両運転のように燃料電池に要求される負荷が多様に変動する場合において実現可能な、燃料電池の回復操作の必要性を判断する閾値、および回復操作を行うタイミングを設定することで、燃料電池に要求される負荷が変動する場合でも、燃料電池の出力特性の低下を抑制し、燃料電池の燃費の向上を図ることができる。

また、単セルに流れる電流が一定であるときの単セル電圧を評価対象値として用いることで、負荷の変動に左右されることなく、燃料電池の回復操作の必要性を判断する閾値を設定できる。

さらに、単セルに流れる電流が変動する範囲内のうち下限電流近傍における一定の電流値での単セル電圧を評価対象値として用いることで、拡散や抵抗の影響を無視することができ、触媒活性低下要因の一つであるＰｔ酸化物による電圧の低下トレンドを観測するこ
とができる。

さらに、単セル電圧から電流を取り出すことによって単セル電圧を基準電圧以下にするタイミングを、燃料電池に要求される負荷が増大するタイミングとすることによって、負荷が増大するときにある程度低電位となっているので、そこから、さらに高負荷を取り出せば、短時間で、基準電圧以下にすることができる。

さらに、単セル電圧を基準電圧以下にするために取り出された電流を、バッテリに供給することで、取り出された電流を有効に活用できる。

さらに、単セル電圧を基準電圧以下にするために取り出された電流を、抵抗器に供給することで、取り出された電流を確実に消費させることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について詳細に説明する。

第２の実施形態は、第１実施形態のように燃料電池１の負荷が増大するときに制御部３０により燃料電池１から高電流を掃引するものではなく、燃料電池１の出力が一定のときに燃料電池１に供給されるガスの圧力および流量を低下させるとともに、燃料電池１から高電流を掃引することで、簡便に単セル電圧を基準電圧以下にすることができ、燃料電池の出力特性を維持するものである。すなわち、燃料電池１の出力が一時停止中の車両であれば、ガス圧力および流量を低下させても運転に大きな影響を与えず、電極の電位を下げることができ、その電極の電位が下がるタイミングに合わせて、高電流を掃引することで、容易かつ迅速に単セル電圧を基準電圧以下にすることができる。

ここで、第２実施形態では、単セル２から電流を取り出すことによって単セル電圧を基準電圧以下にするタイミングは、燃料電池１に要求される負荷が一定のとき、すなわち車両がアイドリングしているときである。また、単セル電圧の電極の酸化が促進されることによる燃料電池の出力特性の劣化を評価するための値である評価対象値として、出力が一定であるときの単セル電圧と単セル電流との比とする。

第２実施形態は、図１０に示すように、第１実施形態の構成に加え、さらに、一つの単セル電流を取得する単セル電流計７０、カソードガス流量調節部８０、およびカソードガス圧力調節部９０を備える。第１実施形態と同じ構成は同じ参照符号を付し、その説明は省略する。

単セル電流計７０は、燃料電池１の単セル２の電流を取得し、取得した単セル電流を制御部３０に信号として送信するものであり、単セル電流取得手段として機能する。取得する単セル電流は、一つの単セル２の一方の電極（たとえば、カソード電極）と、隣接する単セルの一方の電極（たとえば、アノード電極）との間に流れる電流（以下、「単セル電流」と称する）である。

カソードガス流量調節部８０は、カソードガス流路１９を流れる酸素を含むガスの流量を調節するものであり、カソードガス流量調節手段として機能する。カソードガス流量調節部８０は、たとえば、流量用バルブである。カソードガス流量調節部８０は、カソードガス流路１９上に設けられ、制御部３０から流量調節信号を受信する。

カソードガス圧力調節部９０は、カソードガス流量調節部８０を介して流れるガスの圧力を調節するものであり、カソードガス圧力調節手段として機能する。カソードガス圧力調節部９０は、たとえば、圧力用バルブである。カソードガス圧力調節部９０は、カソードガス流路１９上に設けられ、制御部３０から圧力調節信号を受信する。

以下、本発明の第２実施形態に係る燃料電池の制御方法について詳細に説明する。

図７は、本発明の第２本実施形態に係る燃料電池の制御装置の処理内容を示すフローチャートである。

まず、燃料電池１は、前記第１実施形態と同様に、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給された状態で運転されている（ステップＳ４００）。

次に、制御部３０は、受信する出力信号が記憶部３０２に設定された出力値、すなわち車両一時停止時であるか否かを判断する（ステップＳ４１０）。具体的には、出力信号が車両一時停止時の出力値（アイドリング時の出力値）でない場合（ステップＳ４１０：Ｎｏ）、次の処理（ステップＳ４２０）に進まず、待ち状態となる。具体的には、制御部３０は、図４に示す区間Ａの出力値であるか否かを判断する。

そして、出力信号が車両一時停止時の出力値である場合（ステップＳ４１０：Ｙｅｓ）、単セル電圧計２０および単セル電圧計７０より、それぞれ単セル電圧および単セル電流を取得する（ステップＳ４２０）。

次に、制御部３０は、取得された単セル電圧信号と単セル電流信号の比を用いて表される評価対象値が記憶部３０２にて定められた所定の閾値に達しているか、すなわち燃料電池１の出力特性が劣化してきたか否かを判断する（ステップＳ４３０）。具体的には、単セル電圧信号が所定の閾値に達していない場合（ステップＳ４３０：Ｎｏ）、燃料電池の出力特性は劣化していないと判断し、燃料電池は通常運転を続け、前記所定の閾値に達したと判断されるまでステップＳ４００以下の処理を繰り返す。

そして、単セル電圧信号および単セル電流信号の比が前記所定の閾値に達したと判断した場合（ステップＳ４３０：Ｙｅｓ）、制御部３０は、カソードガス流量調節部８０およびカソードガス圧力調節部９０に制御信号を送り、ガス圧力およびガス流量を低下させる（ステップＳ４４０）。

制御部３０は、ガス圧力およびガス流量を低下させるタイミングに合わせて、さらに、上記第１実施形態と同様に、燃料電池から高電流を掃引する（ステップＳ４５０）。高電流掃引の際の処理は、図８に示すように、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、燃料電池１から高電流を掃引した際に単セル電圧が基準電圧として０．５Ｖ以下になったか否かを判断する（ステップＳ４６０）。具体的には、高電流を掃引しても、単セル電圧が０．５Ｖ以下にならなかった場合（ステップＳ４６０：Ｎｏ）、十分に単セルの電極触媒の還元が促進されていないため、再びステップＳ４４０に戻り、燃料電池の出力特性を向上させる。

そして、単セル電圧が０．５Ｖ以下になった場合（ステップＳ４６０：Ｙｅｓ）、十分に単セルの電極触媒の還元が促進されたと判断し、処理を終了して、燃料電池は運転を継続する（ステップＳ４７０）。

なお、第２実施形態の変形例として、図１０に示すように、Ｓ４１０の処理、すなわち、車両一時停止時であるか否かを判断する処理において、車両一時停止時を判断するにあたって、その出力信号が自動車のアイドリング時ではなく、自動車のアイドルストップ時とすることもできる。

さらに、出力信号が車両一時停止時の出力値である場合、ガス圧力およびガス流量を低下させ、かつ、高電流掃引して、単セル電圧を基準電圧（０．５Ｖ）以下になるように下げる際、単セル電圧の下限電圧以下にならないよう抑制するフェイル機能がオン（ｆａｉｌ ｏｎ）になっていると、単セル電圧を０．５Ｖ以下にし、触媒の還元を促進させることができない。したがって、ファイル機能をオフ（ｆａｉｌ ｏｆｆ）にする処理が必要となる（ステップＳ４３５）。

同様に、単セルの電圧を０．５Ｖ以下にしたあと、また、フェイル機能を作動させるため、フェイルをオフからオンにする必要がある（ステップＳ４６５）。

以上のように、本実施形態の燃料電池の制御方法によれば、少なくとも一つの単セル電流を取得する段階を有し、評価対象値は、燃料電池１の出力が一定であるときの単セル電圧と単セル電流との比とすることで、カソードガスの流量および圧力を下げるタイミングに合わせて、高電流を掃引することで、容易かつ迅速に単セル電圧を基準電圧以下にし、燃料電池１の出力特性を回復させ、燃料電池１の燃費を向上させることができる。

また、燃料電池１は車両の駆動源として用いられるものであって、単セル電圧から電流を取り出すことによって単セル電圧を基準電圧以下にするタイミングは、車両のアイドリング時またはアイドルストップ時とすることで、車両の走行中ではないので、ガス圧力、ガス流量を低下させ、高負荷を取り出すことを併用させることにより、簡便に基準電圧以下にすることができる。

以上のように本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。

固体高分子形燃料電池の全体構成を示す斜視図である。 固体高分子形燃料電池のセル構造を示す要部拡大断面図である。 固体高分子形燃料電池の触媒に用いられる白金（Ｐｔ）のサイクリックボルタモグラフの概略図である。 燃料電池を自動車の駆動源として適用した場合の燃料電池の出力特性を示す図である。 第１実施形態の燃料電池の制御装置の概略構成を示すブロック図である。

第１実施形態の燃料電池の制御装置の処理内容を示すフローチャートである。 負荷変動サイクルの推移を示す図である。 図６のフローチャートで示す高電流掃引（Ｓ３５０）の詳細フローチャートである。 負荷電流密度１Ａｃｍ^−２のときの単セル電圧の推移を示す図である。 第２実施形態の燃料電池の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態の燃料電池の制御装置の処理内容を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池の制御装置の処理内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池、
２ 単セル、
２０ 単セル電圧計、
３０ 制御部、
４０ 負荷器、
５０ 抵抗器、
６０ バッテリ、
７０ 単セル電流計、
８０ カソードガス流量調節部、
９０ カソードガス圧力調節部。

Claims (14)

1. 電極触媒としてＰｔを含む複数の単セルが積層されてなる燃料電池の制御方法において、
   少なくとも一つの単セル電圧を取得する段階と、
   少なくとも前記単セル電圧を用いて表される評価対象値が所定の閾値に達すると、前記燃料電池に要求される負荷が所定の状態となるのを待って、前記単セル電圧が基準電圧以下になるように前記単セルから電流を取り出す段階と、
   を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。
2. 前記評価対象値は、前記単セルに流れる電流が一定であるときの前記単セル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。
3. 前記評価対象値は、前記単セルに流れる電流が変動する範囲内のうち下限電流近傍における一定の電流値での前記単セル電圧であ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。
4. さらに、少なくとも一つの単セル電流を取得する段階を有し、
   前記評価対象値は、前記燃料電池の出力が一定であるときの前記単セル電圧と前記単セル電流との比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. 前記単セル電圧から電流を取り出すことによって前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするタイミングは、前記燃料電池に要求される負荷が増大するタイミング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。
6. 前記燃料電池は車両の駆動源として用いられるものであって、
   前記単セル電圧から電流を取り出すことによって前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするタイミングは、一時停止している車両が発進するタイミングであ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。
7. 前記単セル電圧から電流を取り出すことによって前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするタイミングは、前記燃料電池に要求される負荷が一定であるタイミング、または前記燃料電池が発電停止であるタイミング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。
8. 前記燃料電池は車両の駆動源として用いられるものであって、
   前記単セル電圧から電流を取り出すことによって前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするタイミングは、車両のアイドリング時であ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. 前記燃料電池は車両の駆動源として用いられるものであって、
   前記単セル電圧から電流を取り出すことによって前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするタイミングは、車両のアイドリングストップ時であ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。
10. 前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするために取り出された電流は、バッテリに供給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。
11. 前記単セル電圧を前記基準電圧以下にするために取り出された電流は、抵抗器に供給されて、当該抵抗器を発熱させ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。
12. 前記基準電圧は、０．７５Ｖ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。
13. 前記基準電圧は、０．５Ｖ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。
14. 請求項１〜１３のいずれか一つに記載の燃料電池の制御方法を適用した燃料電池自動車。

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