JP2010033975A - 燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 掃気時に電解質膜の高精度な乾湿制御行うことができる燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、固体高分子型の電解質膜（１１１）が電極（１１２，１１４）によって挟持された燃料電池（１１）と、燃料電池に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段（４０）と、掃気手段による掃気中に、燃料電池の発電電流を制御することによって電解質膜の乾湿を制御する制御手段（６０）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、セパレータによって挟持された構造を有している。

この燃料電池においては、カソードでの生成水に起因して発電性能が低下するおそれがある。例えば、生成水がガス流路等に滞留すると、反応ガスの拡散の抑制によって発電性能が低下するおそれがある。そこで、掃気によって生成水の排出を促進することができる。しかしながら、掃気によって電解質膜が乾燥すると、プロトン伝導性の低下に伴って発電性能が低下するおそれがある。そこで、燃料電池の発電継続中に、電解質膜および反応ガス流路の両方の残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２０９６３５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では反応ガスの湿り具合の制御が加湿器のバイパスでなされており、電解質膜の高精度な乾湿制御を行うことができない。

本発明は、掃気時に電解質膜の高精度な乾湿制御行うことができる燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池と、燃料電池に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段と、掃気手段による掃気中に燃料電池の発電電流を制御することによって電解質膜の乾湿を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、掃気時に発電電流が制御される。それにより、電解質膜の高精度な乾湿制御を行うことができる。

制御手段は、掃気手段による掃気中に、燃料電池の電流密度が所定値以下になるように燃料電池の発電電流を制御してもよい。この場合、生成水量を抑制しつつ、電解質膜の乾燥を抑制することができる。

制御手段は、燃料電池の発電電流を、掃気手段による掃気の後半において前半よりも高くしてもよい。この場合、残留水量が低下しても、電解質膜の乾燥を抑制することができる。

燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段を備え、制御手段は、掃気の後半において前半よりも燃料ガスの供給量が低減されるように燃料ガス供給手段を制御してもよい。この場合、燃料ガスの供給による電解質膜の乾燥を抑制することができる。

燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段を備え、制御手段は、掃気手段による掃気開始時に、燃料電池への燃料ガス供給量の増加を禁止するように燃料ガス供給手段を制御してもよい。この場合、燃料ガス供給量を増加するための動作が抑制される。それにより、ユーザに対して違和感を与えずにすむ。

燃料電池システムは、燃料電池の残水量を検出する残水量検出手段をさらに備え、掃気手段は、残水量検出手段の検出結果に基づいて掃気を開始してもよい。この場合、無駄な掃気処理が省略される。

残水量検出手段は、燃料電池のセル抵抗に基づいて燃料電池の残水量を検出してもよい。また、残水量検出手段は、燃料電池の酸化剤ガス供給口と酸化剤ガス排出口との圧力差に基づいて燃料電池の残水量を検出してもよい。

本発明に係る燃料電池自動車は、請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムと、蓄電池と、蓄電池の電力を用いて駆動するモータと、を備え、掃気手段は、モータの駆動時に燃料電池の掃気を行うことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池自動車においては、掃気時に発電電流が制御される。それにより、電解質膜の高精度な乾湿制御を行うことができる。

燃料電池の制御方法は、固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池に掃気ガスを供給して掃気する掃気ステップと、掃気ステップの実施中に、燃料電池の発電電流を制御することによって電解質膜の乾湿を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。この場合、生成水量を抑制しつつ、電解質膜の乾燥を抑制することができる。

制御ステップは、掃気ステップにおいて燃料電池の電流密度が所定値以下になるように燃料電池の発電電流を制御するステップであってもよい。この場合、生成水量を抑制しつつ、電解質膜の乾燥を抑制することができる。

制御ステップにおいて、燃料電池の発電電流を、掃気ステップによる掃気の後半において前半よりも高くしてもよい。この場合、残留水量が低下しても、電解質膜の乾燥を抑制することができる。

制御ステップにおいて、掃気の後半において前半よりも燃料ガスの供給量を低減してもよい。この場合、燃料ガスの供給による電解質膜の乾燥を抑制することができる。

掃気ステップ開始時に、燃料電池への燃料ガス供給量の増加を禁止してもよい。この場合、燃料ガス供給量を増加するための動作が抑制される。それにより、ユーザに対して違和感を与えずにすむ。

燃料電池の制御方法は、燃料電池の残水量を検出する残水量検出ステップを含み、掃気ステップは、残水量検出ステップにおける検出結果に基づいて掃気を開始するステップであってもよい。この場合、無駄な掃気処理が省略される。

残水量検出ステップは、燃料電池のセル抵抗に基づいて燃料電池の残水量を検出するステップであってもよい。また、残水量検出ステップは、燃料電池の酸化剤ガス供給口と酸化剤ガス排出口との圧力差に基づいて燃料電池の残水量を検出するステップであってもよい。

本発明に係る燃料電池自動車の制御方法は、蓄電池の電力を用いたモータ駆動時に、請求項１０〜１７のいずれかに記載の燃料電池の制御方法により、燃料電池の掃気を行うことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池自動車の制御方法においては、掃気時に発電電流が制御される。それにより、電解質膜の高精度な乾湿制御を行うことができる。

本発明によれば、掃気時に電解質膜の高精度な乾湿制御行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１（ｂ）は、後述する燃料電池１１の模式的断面図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、燃料ガス供給手段２０、酸化剤ガス供給手段３０、掃気手段４０、負荷回路５０および制御手段６０等を備える。また、燃料電池スタック１０には、圧損検出手段１２が備わっている。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１１が積層された構造を有する。図１（ｂ）に示すように、燃料電池１１は、膜−電極接合体１１０がセパレータ１２０およびセパレータ１３０によって挟持された構造を有する。膜−電極接合体１１０は、電解質膜１１１のセパレータ１２０側にアノード触媒層１１２およびガス拡散層１１３が順に接合され、電解質膜１１１のセパレータ１３０側にカソード触媒層１１４およびガス拡散層１１５が順に接合された構造を有する。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。

アノード触媒層１１２は、触媒を担持する導電性材料、プロトン伝導性電解質等から構成される。アノード触媒層１１２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層１１２は、白金担持カーボン、パーフルオロスルフォン酸型ポリマー等を含む。ガス拡散層１１３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。

カソード触媒層１１４は、触媒を担持する導電性材料、プロトン伝導性電解質等から構成される。カソード触媒層１１４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層１１４は、白金担持カーボン、パーフルオロスルフォン酸型ポリマー等を含む。ガス拡散層１１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。

セパレータ１２０，１３０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１２０の膜−電極接合体１１０側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路１２１が形成されている。セパレータ１３０の膜−電極接合体１１０側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路１３１が形成されている。例えば、燃料ガス流路１２１および酸化剤ガス流路１３１は、セパレータの表面に形成された凹部からなる。

燃料ガス供給手段２０は、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口を介して燃料ガス流路１２１に、水素を含有する燃料ガスを供給する装置である。燃料ガス供給手段２０は、例えば、水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段３０は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口を介して酸化剤ガス流路１３１に、酸素を含有する酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガス供給手段３０は、エアポンプ等からなる。掃気手段４０は、エア等の掃気ガスを酸化剤ガス流路１３１に供給する装置である。酸化剤ガス供給手段３０と掃気手段４０とは互いに個別の装置であってもよいが、酸化剤ガス供給手段３０が掃気手段４０を兼ねていてもよい。

圧損検出手段１２は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口の圧力と酸化剤ガス出口の圧力との差を検出するセンサであり、その検出結果を制御手段６０に与える。なお、燃料電池スタック内部のガス流路内は層流であるため、圧損は、ガス流量の１次関数として計測されてもよい。負荷回路５０は、燃料電池スタック１０を構成要素とする回路である。負荷回路５０には、スイッチ５１および負荷５２が含まれる。スイッチ５１は、負荷回路５０をオンオフするための装置である。負荷５２は、モータ、補機等の装置である。制御手段６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、燃料電池システム１００の各部の制御を行う。

（通常発電）
続いて、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照しつつ、通常発電時の燃料電池システム１００の動作について説明する。まず、制御手段６０は、燃料ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるように燃料ガス供給手段２０を制御するとともに、酸化剤ガス流路１３１に酸化剤ガスが供給されるように、酸化剤ガス供給手段３０を制御する。また、制御手段６０は、スイッチ５１をオンに制御する。それにより、負荷回路が形成されて発電が開始される。

燃料ガスは、ガス拡散層１１３を透過してアノード触媒層１１２に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１１１を伝導してカソード触媒層１１４に到達する。

酸化剤ガスは、ガス拡散層１１５を透過してカソード触媒層１１４に到達する。カソード触媒層１１４においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに、水が生成される。生成された水は、主として酸化剤ガス流路１３１を通って排出される。発生した電力は、負荷５２において消費される。

（掃気）
続いて、掃気時の燃料電池スタック１０の動作について説明する。掃気は、例えば、燃料電池システム１００のシステム停止時、蓄電池が十分に充電された場合等であって、燃料電池スタック１０内に残留する生成水量が多い場合に行われる。

まず、制御手段６０は、圧損検出手段１２から圧損を検出する。次に、制御手段６０は、圧損検出手段１２の検出結果に基づいて、残留水量がしきい値を超えているか否かを判定する。図２は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス流路へのガス供給量と圧損と残留水量との関係を示す図である。

図２の点線に示すように、酸化剤ガス流路へのガス供給量の増加に伴って圧損も増加する傾向にある。また、残留水量が多いと、圧損が大きくなって酸化剤ガス流路へのガス供給量に対する圧損の増加率が大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路へのガス供給量と圧損との関係から、残留水量を検出することができる。例えば、制御手段６０は、酸化剤ガス流路へのガス供給量と残留水量と圧損との関係をあらかじめマップとして記憶しておくことによって、残留水量がしきい値を超えているか否かを判定することができる。したがって、圧損検出手段１２が残水量検出手段として機能する。残留水量がしきい値を超えている場合、制御手段６０は、掃気処理を開始する。

図３は、発電停止時に、酸化剤ガス流路へガス供給した場合の残留水量の変遷について説明するための図である。図３（ａ）は、ガス供給量と酸化剤ガス流路の圧損との関係を示す図である。図３（ａ）において、破線はガス供給量を示し、実線は圧損を示す。図３（ａ）の横軸は経過時間を示し、縦軸は圧損およびガス供給量を示す。図３（ａ）に示すように、ガス供給量をＱａからＱｂに増加させた場合、圧損は急激に大きくなった後に、徐々に減少する。これは、供給ガスによって残留水が排出されるからである。

図３（ｂ）は、酸化剤ガス流路へのガス供給量を増大させた場合の残留水量の変遷を示す図である。図３（ｂ）において、横軸はガス供給量を示し、縦軸は酸化剤ガス流路の圧損を示す。図３（ｂ）に示すように、ガス供給量の増大に伴って圧損が大きくなる。その後、残留水量の低下に伴って、圧損が低下する。以上のことから、掃気ガスの供給に伴って、残留水量が低下して圧損が低下する。

ここで、掃気処理に伴って残留水量が極端に低下してしまうと、電解質膜１１１が乾燥してしまう。この場合、燃料電池スタック１０の発電性能が低下するおそれがある。そこで、本実施例においては、制御手段６０は、掃気時においても発電が継続されるように、燃料電池システム１００の各部を制御する。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、残留水量が多い場合の掃気処理の一例について説明するための図である。図４（ａ）および図４（ｂ）の横軸は、経過時間を示す。図４（ａ）の縦軸は、電流密度を示す。図４（ｂ）の縦軸は、燃料ガス供給量を示す。また、図４（ａ）および図４（ｂ）において、一点鎖線で囲まれた領域は、掃気処理期間を示す。

まず、制御手段６０は、負荷回路５０の形成が維持されるようにスイッチ５１を制御する。この状態で、制御手段６０は、掃気ガスが燃料ガス流路１２１および酸化剤ガス流路１３１に供給されるように、掃気手段４０を制御する。それにより、酸化剤ガス流路１３１に残留する水分が排出される。また、制御手段６０は、燃料ガス供給量を通常運転時よりも少ない流量Ｑ１に制御する。

この場合、掃気によって、酸化剤ガス流路１３１、ガス拡散層１１５およびカソード触媒層１１４に残留する生成水を排出することができる。一方で、発電が継続されることによって、電解質膜１１１およびカソード触媒層１１４のプロトン伝導性電解質の乾燥が抑制される。それにより、電解質膜１１１の高精度な乾湿制御が可能である。その結果、燃料電池スタック１０の発電性能低下が抑制される。流量Ｑ１は、あらかじめ設定されていてもよい。また、流量Ｑ１は、電流密度が所定値以下になるように設定されていてもよい。

掃気開始前に燃料ガス供給量が流量Ｑ１未満である場合、制御手段６０は、燃料ガス供給量の増加を禁止してもよい。この場合、燃料ガス供給量の増加が抑制される。それにより、燃料ガス供給量を増加させるための動作音が抑制される。その結果、ユーザに違和感を与えずに掃気を行うことができる。

制御手段６０は、圧損検出手段１２によって検出された残留水量に応じて、順次燃料ガス供給量を低下させてもよい。図５（ａ）および図５（ｂ）は、掃気処理の途中で燃料ガス供給量を低下させる場合の制御を説明するための図である。図５（ａ）に示すように制御手段６０は、掃気処理の途中で、燃料ガス供給量を、流量Ｑ１よりも少ない流量Ｑ２に制御する。この場合、燃料ガスによる電解質膜１１１の乾燥が抑制される。なお、制御手段６０は、電流密度が一定に維持されるように、負荷５２を調整する。

図５（ｂ）は、燃料ガス供給量を低下させる場合の判定基準を示す図である。図５（ｂ）に示すように、制御手段６０は、燃料ガス供給量を低下させる場合の判定基準を保持していてもよい。制御手段６０は、酸化剤ガス流路の圧損ΔＰと掃気ガス供給量との関係が図５（ｂ）に示す流量減量基準に達した場合には、燃料ガス供給量を低下させる。それにより、電解質膜１１１の乾燥を抑制することができる。

図６は、掃気時のフローチャートの一例を示す図である。図６のフローチャートは、所定の周期で実行される。図６に示すように、制御手段６０は、圧損検出手段１２の検出結果に基づいて、残留水量がしきい値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において残留水量がしきい値を超えると判定された場合、制御手段６０は、フラグＦ１に１を代入する（ステップＳ２）。この場合、掃気手段４０による掃気が開始される。

次いで、制御手段６０は、フラグＦが１であるか否かを判定する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ１において残留水量がしきい値を超えると判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ２を実行せずにステップＳ３を実行する。ステップＳ３においてフラグＦ１が１であると判定された場合、制御手段６０は、燃料ガス流量Ｑ_ｔが流量Ｑ１を超えているか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、燃料ガス流量Ｑ_ｔは、流量計等を用いて測定されてもよい。

ステップＳ４において燃料ガス流量Ｑ_ｔが流量Ｑ１を超えていると判定された場合、制御手段６０は、燃料ガス流量の次回の制御値である燃料ガス流量Ｑ_ｔ＋１が流量Ｑ１になるように燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ５）。ステップＳ４において燃料ガス流量Ｑ_ｔが流量Ｑ１を超えていると判定されなかった場合、制御手段６０は、燃料ガス流量Ｑ_ｔ＋１が燃料ガス流量Ｑ_ｔのまま維持されるように燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ６）。ステップＳ５またはステップＳ６の後、電流密度Ｉが電流密度Ｉａに調整されるように、負荷５２の消費電力が調整される（ステップＳ７）。

次に、制御手段６０は、酸化剤ガス流路の圧損ΔＰが掃気処理を実施するためのしきい値を超えているか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８において圧損ΔＰがしきい値を超えていると判定されなかった場合、制御手段６０は、圧損ΔＰが流量減量基準を下回ったか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９において圧損ΔＰが流量減量基準を下回ったと判定された場合、制御手段６０は、燃料ガス流量Ｑ_ｔ＋１が流量Ｑ１よりも少ない流量Ｑ２になるように燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ１０）。その後、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップＳ９において圧損ΔＰが流量減量基準を下回ったと判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ９を再度実行する。

ステップＳ３においてフラグＦ１が１であると判定されなかった場合およびステップＳ８において圧損ΔＰがしきい値を超えていると判定された場合、制御手段６０は、スイッチ５１をオフに制御する（ステップＳ１１）。それにより、電流密度Ｉがゼロになる。次に、制御手段６０は、燃料ガス供給手段２０による燃料ガス供給を停止する（ステップＳ１２）。その後、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。

図６のフローチャートに従えば、残留水量を低下させることができるとともに、電解質膜１１１およびカソード触媒層１１４のプロトン伝導性電解質の乾燥が抑制される。それにより、燃料電池スタック１０の発電性能低下が抑制される。また、掃気開始時における燃料ガス供給量増加が抑制されることから、ユーザに違和感を与えずにすむ。また、残留水量の低下に伴って燃料ガス供給量が低下することから、電解質膜１１１の乾燥を抑制することができる。

続いて、第２実施例に係る燃料電池自動車２００について説明する。図７は、燃料電池自動車２００の全体構成を示す模式図である。図７に示すように、燃料電池自動車２００は、燃料電池システム１００、蓄電池２１０、蓄電残量センサ２２０およびモータ２３０を含む。なお、図７においては燃料電池システム１００に燃料電池スタック１０および制御手段６０だけが記載してあるが、図１と同様の装置も含まれる。蓄電池２１０は、充放電可能なバッテリである。蓄電残量センサ２２０は、蓄電池２１０の蓄電残量を検出するセンサである。モータ２３０は、燃料電池スタック１０および／または蓄電池２１０の電力を用いて回転し、燃料電池自動車２００の動力を発生する。

制御手段６０は、蓄電残量センサ２２０の検出結果に応じて、燃料電池スタック１０の発電を停止して燃料電池スタック１０から蓄電池２１０への電力供給を停止する。例えば、制御手段６０は、蓄電池２１０の蓄電残量が所定値以上であれば、燃料電池スタック１０から蓄電池２１０への電力供給を停止する。それにより、燃料電池自動車２００は、蓄電池２１０の電力を用いてモータ２３０による走行（バッテリ走行）を行う。

本実施例においては、バッテリ走行時に掃気処理が行われる。図８は、燃料電池自動車２００における掃気時のフローチャートの一例を示す図である。図８のフローチャートは、所定の周期で実行される。図８に示すように、制御手段６０は、圧損検出手段１２の検出結果に基づいて、残留水量がしきい値を超えるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において残留水量がしきい値を超えると判定された場合、制御手段６０は、フラグＦ１に１を代入する（ステップＳ２２）。この場合、掃気手段４０による掃気が開始される。

次に、制御手段６０は、バッテリ走行を行うか否かを判定する（ステップＳ２３）。この場合、制御手段６０は、蓄電残量センサ２２０の検出結果に応じて判定する。ステップＳ２３においてバッテリ走行を行うと判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ２１を再度実行する。なお、ステップＳ２１において残留水量がしきい値を超えると判定されなかった場合、制御手段６０は、ステップＳ２２を実行せずにステップＳ２３を実行する。

ステップＳ２３においてバッテリ走行を行うと判定された場合、制御手段６０は、フラグＦが１であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４においてフラグＦ１が１であると判定された場合、制御手段６０は、燃料ガス流量Ｑ_ｔが流量Ｑ１を超えているか否かを判定する（ステップＳ２５）。なお、燃料ガス流量Ｑ_ｔは、流量計等を用いて測定されてもよい。

ステップＳ２５において燃料ガス流量Ｑ_ｔが流量Ｑ１を超えていると判定された場合、制御手段６０は、燃料ガス流量の次回の制御値である燃料ガス流量Ｑ_ｔ＋１が流量Ｑ１になるように燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ２６）。ステップＳ２５において燃料ガス流量Ｑ_ｔが流量Ｑ１を超えていると判定されなかった場合、制御手段６０は、燃料ガス流量Ｑ_ｔ＋１が燃料ガス流量Ｑ_ｔのまま維持されるように燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ２７）。ステップＳ２６またはステップＳ２７の後、電流密度Ｉが電流密度Ｉａに調整されるように、負荷５２の消費電力が調整される（ステップＳ２８）。

次に、制御手段６０は、酸化剤ガス流路の圧損ΔＰが掃気処理を実施するためのしきい値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２９）。ステップＳ２９において圧損ΔＰがしきい値を超えていると判定されなっかた場合、制御手段６０は、圧損ΔＰが流量減量基準を下回ったか否かを判定する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０において圧損ΔＰがしきい値を超えていると判定された場合、制御手段６０は、燃料ガス流量Ｑ_ｔ＋１が流量Ｑ１よりも少ない流量Ｑ２になるように燃料ガス供給手段２０を制御する（ステップＳ３１）。

次に、制御手段６０は、バッテリ走行を行うか否かを判定する（ステップＳ３２）。ステップＳ３２においてバッテリ走行を行うと判定された場合、制御手段６０は、ステップＳ３０を再度実行する。ステップＳ３２においてバッテリ走行を行うと判定されなかった場合、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。

ステップＳ２４においてフラグＦ１が１であると判定されなかった場合およびステップＳ２９において圧損ΔＰがしきい値を超えていると判定された場合、制御手段６０は、スイッチ５１をオフに制御する（ステップＳ３３）。それにより、電流密度Ｉがゼロになる。次に、制御手段６０は、燃料ガス供給手段２０による燃料ガス供給を停止する（ステップＳ３４）。

次に、制御手段６０は、バッテリ走行を行うか否かを判定する（ステップＳ３５）。ステップＳ３５においてバッテリ走行を行うと判定された場合、制御手段６０は、ステップＳ３３を再度実行する。ステップＳ３５においてバッテリ走行を行うと判定されなかった場合、制御手段６０は、フローチャートの実行を終了する。

図８のフローチャートによれば、バッテリ走行時に掃気処理が行われる。この場合、掃気によって残留水量が低下することから、燃料電池スタック１０の次回の起動性が向上する。また、掃気時に発電が継続されることから、電解質膜１１１の乾燥が抑制される。

続いて、第３実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図９は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図９に示すように、燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、圧損検出手段１２の代わりに抵抗計１３が設けられている点である。抵抗計１３は、燃料電池スタック１０のセル抵抗を検出する。

ここで、図１０に、掃気処理時におけるセル抵抗と酸化剤ガス流路の圧損との関係を示す。図１０において、横軸は掃気処理開始後の経過時間を示し、縦軸は酸化剤ガス流路の圧損ΔＰおよびセル抵抗Ｒを示す。掃気処理開始後、圧損ΔＰが低下する。すなわち、残留水量が低下する。この場合、電解質膜１１１の含水量低下とともに、セル抵抗Ｒは増加する。したがって、本実施例においては、抵抗計１３が残水量検出手段として機能する。

そこで、本実施例においては、制御手段６０は、掃気処理時間の経過とともに、燃料ガス供給量を増加させることによって、電流密度を増加させる。この場合、掃気による電解質膜１１１の乾燥を抑制することができる。それにより、燃料電池スタック１０の発電性能低下を抑制することができる。

図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、掃気処理の一例について説明するための図である。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）の横軸は、経過時間を示す。図１１（ａ）の縦軸は、燃料ガス供給量を示す。図１１（ｂ）の縦軸は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス出口の圧力を示す。図１１（ｃ）の縦軸は、燃料電池スタック１０の電流密度を示す。図１１（ｄ）の縦軸は、セル抵抗Ｒを示す。

まず、制御手段６０は、負荷回路５０の形成が維持されるようにスイッチ５１を制御する。この状態で、制御手段６０は、掃気ガスが酸化剤ガス流路１３１に供給されるように、掃気手段４０を制御する。それにより、酸化剤ガス流路１３１に残留する水分が排出される。また、制御手段６０は、燃料ガス供給量を通常運転時よりも少ない流量に制御する。さらに、制御手段６０は、図示していないバルブを制御して、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス出口を大気圧に開放する。それにより、残留水の蒸発が促進されて、残留水の排出が促進される。

制御手段６０は、時間の経過とともに、電流密度が増加するように負荷５２を調整する。それにより、電解質膜１１１の乾燥が抑制される。電流密度の増加のタイミングは、セル抵抗が所定値を上回った場合であってもよく、掃気処理開始後に所定時間が経過した場合でもよい。その後、制御手段６０は、バルブを制御して、酸化剤ガス出口の圧力を増加させる。それにより、次回の燃料電池スタック１０の起動性が向上する。制御手段６０は、セル抵抗Ｒがしきい値を超えた場合に、掃気処理が終了するように掃気手段４０を制御する。また、制御手段６０は、燃料ガス供給が停止するように燃料ガス供給手段２０を制御する。

本実施例によれば、掃気によって残留水量を低下させることができるとともに、電解質膜１１１およびカソード触媒層１１４のプロトン伝導性電解質の乾燥が抑制される。それにより、燃料電池スタック１０の発電性能低下が抑制される。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムを説明するための図である。 燃料電池スタックの酸化剤ガス流路へのガス供給量と圧損と残留水量との関係を示す図である。 酸化剤ガス流路へガス供給した場合の残留水量の変遷について説明するための図である。 残留水量が多い場合の掃気処理の一例について説明するための図である。 掃気処理の途中で燃料ガス供給量を低下させる場合の制御を説明するための図である。 掃気時のフローチャートの一例を示す図である。 燃料電池自動車の全体構成を示す模式図である。 燃料電池自動車における掃気時のフローチャートの一例を示す図である。 第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 掃気処理時におけるセル抵抗と圧損との関係を示す図である。 掃気処理の一例について説明するための図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 燃料電池
１２ 圧損検出手段
１３ 抵抗計
２０ 燃料ガス供給手段
３０ 酸化剤ガス供給手段
４０ 掃気手段
５０ 負荷回路
５１ スイッチ
５２ 負荷
６０ 制御手段
１００ 燃料電池システム

Claims (18)

1. 固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池と、
   前記燃料電池に掃気ガスを供給して掃気する掃気手段と、
   前記掃気手段による掃気中に、前記燃料電池の発電電流を制御することによって前記電解質膜の乾湿を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記掃気手段による掃気中に、前記燃料電池の電流密度が所定値以下になるように前記燃料電池の発電電流を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流を、前記掃気手段による掃気の後半において前半よりも高くすることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段を備え、
   前記制御手段は、掃気の後半において前半よりも前記燃料ガスの供給量が低減されるように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段を備え、
   前記制御手段は、前記掃気手段による掃気開始時に、前記燃料電池への燃料ガス供給量の増加を禁止するように前記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の残水量を検出する残水量検出手段をさらに備え、
   前記掃気手段は、前記残水量検出手段の検出結果に基づいて掃気を開始することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記残水量検出手段は、前記燃料電池のセル抵抗に基づいて前記燃料電池の残水量を検出することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記残水量検出手段は、燃料電池の酸化剤ガス供給口と酸化剤ガス排出口との圧力差に基づいて前記燃料電池の残水量を検出することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムと、
   蓄電池と、
   前記蓄電池の電力を用いて駆動するモータと、を備え、
   前記掃気手段は、前記モータの駆動時に前記燃料電池の掃気を行うことを特徴とする燃料電池自動車。
10. 固体高分子型の電解質膜が電極によって挟持された燃料電池に掃気ガスを供給して掃気する掃気ステップと、
    前記掃気ステップの実施中に、前記燃料電池の発電電流を制御することによって前記電解質膜の乾湿を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。
11. 前記制御ステップは、前記掃気ステップにおいて前記燃料電池の電流密度が所定値以下になるように前記燃料電池の発電電流を制御するステップであることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の制御方法。
12. 前記制御ステップにおいて、前記燃料電池の発電電流を、前記掃気ステップによる掃気の後半において前半よりも高くすることを特徴とする請求項１０または１１記載の燃料電池の制御方法。
13. 前記制御ステップにおいて、掃気の後半において前半よりも前記燃料ガスの供給量を低減することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
14. 前記掃気ステップ開始時に、前記燃料電池への燃料ガス供給量の増加を禁止することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
15. 前記燃料電池の残水量を検出する残水量検出ステップを含み、
    前記掃気ステップは、前記残水量検出ステップにおける検出結果に基づいて掃気を開始するステップであることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
16. 前記残水量検出ステップは、前記燃料電池のセル抵抗に基づいて前記燃料電池の残水量を検出するステップであることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池の制御方法。
17. 前記残水量検出ステップは、燃料電池の酸化剤ガス供給口と酸化剤ガス排出口との圧力差に基づいて前記燃料電池の残水量を検出するステップであることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池の制御方法。
18. 蓄電池の電力を用いたモータ駆動時に、請求項１０〜１７のいずれかに記載の燃料電池の制御方法により、前記燃料電池の掃気を行うことを特徴とする燃料電池自動車の制御方法。

Images