JP2014078364A - 燃料電池システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電性能の低下の要因に応じて適切に燃料電池を回復させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１１と、燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整部２２と、燃料電池に供給する反応ガスの流量を調整する流量調整部２１と、制御部２０とを備える。制御部２０は、出力電圧と流量と燃料電池から出力される電流の変化量とに基づいて、燃料電池の性能の低下の要因を判断し、判断された要因に応じて、出力電圧および流量を制御して性能の低下を回復させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

固体高分子形の燃料電池において、大気中に存在する硫黄化合物等の不純物が、触媒に吸着して発電性能が低下してしまう現象が知られている。このような現象に関し、例えば、特許文献１には、触媒層から排出される水の量を所定量以上に増加させることで不純物を除去し、燃料電池の発電性能を回復させる技術（回復操作）が開示されている。

特開２００８−７７９１１号公報 特開２００７−２０７６６９号公報 特開２０１０−３５８６号公報 特開２０１１−１８１３８３号公報 特開２００６−３３１７７４号公報

しかし、燃料電池の発電性能の低下の要因は、不純物による触媒の劣化には限られない。そのため、性能低下の要因が不純物による触媒の劣化ではない場合において、特許文献１に記載された回復操作を行ったとしても、発電性能が回復しないばかりか、回復処理の実行に伴って無駄なエネルギーが消費されてしまうおそれがある。よって、燃料電池の発電性能の低下の要因に応じて適切に燃料電池を回復させることが可能な技術が望まれている。また、従来の燃料電池システムにおいては、構成の簡素化や、低コスト化、発電性能の向上等が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と；前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整部と；前記燃料電池に供給する反応ガスの流量を調整する流量調整部と；前記出力電圧と前記流量と前記燃料電池から出力される電流の変化量とに基づいて、前記燃料電池の性能の低下の要因を判断し、前記判断された要因に応じて、前記出力電圧および前記流量を制御して前記性能の低下を回復させる制御部と；を備える。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池の性能の低下の要因に応じて出力電圧および流量を制御して性能の低下を回復させるので、燃料電池を適切に回復させることが可能になる。

（２）上記燃料電池システムにおいて、前記電圧調整部は、前記出力電圧を、第１の電圧および前記第１の電圧よりも高い電圧である第２の電圧の少なくともいずれか一方に前調整可能であってもよく、前記流量調整部は、前記流量を、第１の流量および前記第１の流量よりも多い流量である第２の流量の少なくともいずれか一方に調整可能であってもよい。このような態様の燃料電池システムであれば、燃料電池の出力電圧を第１の電圧または第２の電圧に調整し、燃料電池に供給する反応ガスの流量を第１の流量または第２の流量に調整することで、燃料電池の性能の低下の要因を判断することができる。

（３）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１の電圧に前記出力電圧が調整され、前記第２の流量に前記流量が調整された場合において、前記電流の変化量が予め定められた値よりも大きい場合に、前記要因として、少なくとも前記燃料電池の触媒への不純物の吸着が含まれる、と判断してもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池の触媒に不純物が吸着しているか否かを判断することができる。

（４）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の触媒への不純物の吸着が含まれると判断された場合に、予め定められた時間、前記第１の電圧および前記第２の流量によって前記燃料電池を運転させることにより前記不純物の除去を行ってもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池の触媒から不純物を効率的に除去することができる。

（５）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の触媒への不純物の吸着が含まれないと判断された場合に、前記第１の時間よりも短い時間で、前記第１の電圧および前記第２の流量による前記燃料電池の運転を停止させてもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池によって無駄な発電が行われることを抑制することができる。

（６）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２の電圧に前記出力電圧が調整され、前記第１の流量に前記流量が調整された場合において、前記電流の変化量が予め定められた値よりも大きい場合に、前記要因として少なくとも前記燃料電池の電解質膜の乾燥が含まれると判断してもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池の電解質膜が乾燥しているか否かを判断することができる。

（７）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の電解質膜の乾燥が含まれると判断された場合に、予め定められた第２の時間、前記第２の電圧および前記第１の流量によって前記燃料電池を運転させることで、前記電解質膜の水分量を増加させてもよい。このような形態の燃料電池システムによれば、乾燥した電解質膜を湿潤状態に効率的に回復させることができる。

（８）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の電解質膜の乾燥が含まれないと判断された場合に、前記第２の時間よりも短い時間で、前記第２の電圧および前記第１の流量による前記燃料電池の運転を停止させてもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池によって無駄な発電が行われることを抑制することができる。

（９）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２の電圧に前記出力電圧が調整され、前記第２の流量に前記流量が調整された場合において、前記電流の変化量が予め定められた値よりも大きい場合に、前記要因として少なくとも前記燃料電池内における水つまりの発生が含まれると判断してもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池内に水つまりが発生しているか否かを判断することができる。

（１０）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池内における水つまりの発生が含まれると判断された場合に、予め定められた第３の時間、前記第２の電圧および前記第２の流量によって前記燃料電池を運転させることで、前記燃料電池内の水を排出させてもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池内の水つまりの発生を効率的に回復させることができる。

（１１）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池内における水つまりの発生が含まれないと判断された場合に、前記第３の時間よりも短い時間で、前記第２の電圧および前記第２の流量による前記燃料電池の運転を停止させてもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池によって無駄な発電が行われることを抑制することができる。

（１２）上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池システムの運転積算時間が一定時間を超える度に、前記燃料電池の性能の低下の要因を判断してもよい。このような形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の性能が徐々に低下してしまうことを抑制することができる。

本発明は、上述した燃料電池システムとしての形態に限らず、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムを備える自動車や、燃料電池の性能の低下を回復させるための方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。 燃料電池システムの電気的構成を示す概略図である。 性能回復処理のフローチャートである。 低電圧・大ガス流量状態における電流の測定結果の例を示す図である。 可逆劣化のメカニズムを説明するための図である。 燃料電池のＩＶ特性を示す図である。 高電圧・小ガス流量状態における電流の測定結果の例を示す図である。 高電圧・大ガス流量状態における電流の測定結果の例を示す図である。 燃料電池の可逆劣化の進行を例示する図である。

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、電気自動車に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、を備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されて構成されている。燃料電池１０はセルスタックとも呼ばれる。

各セル１１は、膜電極接合体５と、膜電極接合体５を狭持して反応ガスや冷媒の流路を形成するとともに、集電板としても機能する板状基材である２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。膜電極接合体５は、電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極２，３とを有している。電解質膜１は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。

電極２，３は、触媒インクの塗布膜として形成することができる。ここで、「触媒インク」とは、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子と、電解質膜１を構成するのと同種又は類似のアイオノマーと、を分散させた分散液を意味する。なお、触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。空気が供給される電極は、カソード（空気極）と呼ばれ、水素が供給される電極は、アノード（燃料極）と呼ばれる。燃料電池１０内において発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によってカソード側に水が生成される。

制御部２０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭにロードして実行することで、流量調整部２１および電圧調整部２２として機能する。流量調整部２１は、後述するエアコンプレッサ３２を制御して、燃料電池１０に供給する空気の流量を調整する。電圧調整部２２は、後述するＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、燃料電池１０の出力電圧を調整する。また、制御部２０は、カソードガス供給系３０，カソードガス排出系４０，アノードガス供給系５０，アノードガス排出系６０を制御して、燃料電池１０に発電させる。

カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドに接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。

エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管である。カソード排ガスは、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。

アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード（燃料極）側の供給用マニホールドと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。

開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、アノードガス配管５１とは、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。

アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、開閉弁６６とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドに接続された配管である。発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスは、アノード排ガス配管６１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

開閉弁６６は、アノード排ガス配管６１に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。アノードガス排出系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。

なお、アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１から分岐してアノードガス配管５１に接続される分岐配管と、分岐配管に設けられる昇圧ポンプとを備えていても良い。このような構成であれば、未反応ガスを燃料電池１０に循環させることができるので、燃費性能を向上させることができる。

図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３と、電流センサ９０と、を備える。

燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、電気自動車の駆動力源であるモータ２００に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。

二次電池８１は、燃料電池１０によって発電された電力や、モータ２００の回生電力によって充電され、燃料電池１０とともに電力源として機能する。二次電池８１は、例えばリチウムイオン電池で構成することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８２は、制御部２０の指令に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧を制御するとともに、二次電池８１の充・放電を制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。また、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、その回生電力を直流電力に変換する。

電流センサ９０は、直流配線ＤＣＬに接続されており、燃料電池１０から出力される電流の電流値を計測し、制御部２０に出力する。

Ｂ．性能回復処理：
図３は、制御部２０によって実行される性能回復処理のフローチャートである。この性能回復処理は、燃料電池１０の性能の低下の要因を判別し、判別された要因に応じた方法で性能を回復させる処理である。この性能回復処理は、燃料電池システム１００の運転積算時間が１０時間を超え、その後に、燃料電池システム１００が始動される度に実行される。このようなタイミングで性能回復処理を実行する理由については後述する。

制御部２０によって性能回復処理が実行されると、まず、制御部２０は、アノードガス供給系５０を制御して燃料電池１０に水素を供給する。そして、電圧調整部２２が、燃料電池１０の各セル１１の出力電圧を一定の低電圧（例えば、０．３５Ｖ）に調整し、更に、流量調整部２１が、燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を一定の大流量（例えば、２２Ｌ／ｍｉｎ／セル）に調整することで、燃料電池１０に発電を行わせる（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０において燃料電池１０が低電圧・大ガス流量状態にされると、制御部２０は、ステップＳ１０の開始から２秒間における燃料電池１０の電流変化量ΔＩを、電流センサ９０を用いて計測する。以降では、この電流変化量ΔＩを、電流回復量ΔＩともいう。制御部２０は、電流回復量ΔＩを測定すると、その電流回復量ΔＩが、所定の閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１２）。予め定められた閾値とは、本実施形態では、燃料電池１０の性能の低下がない場合に低電圧・大ガス流量状態において測定された電流値の８０％の値とする。

ステップＳ１２において、電流回復量ΔＩが、予め定められた閾値よりも大きいと判断された場合には、制御部２０は、少なくとも、触媒に対する不純物の付着による性能低下が有る、と判断する（ステップＳ１４）。以下では、触媒に対する不純物の付着による性能低下のことを、「可逆劣化」という。「可逆」と称するのは、触媒への不純物の付着による性能低下は、不純物を除去することで、ほぼ元通りに回復するためである。ステップＳ１４において、少なくとも可逆劣化有り、と判断されると、制御部２０は、ステップＳ１０で調整した低電圧・大ガス流量状態を、ステップＳ１２およびＳ１４よる処理を含め、計１０秒間継続させる（ステップＳ１６）。このように、１０秒間、低電圧・大ガス流量状態を継続させることで、無駄な発電を抑制しつつ、燃料電池１０の可逆劣化を回復させることができる。ステップＳ１６における「１０秒間」は、本願の「第１の時間」に対応する。

図４は、低電圧・大ガス流量状態における電流の測定結果の例を示す図である。この測定では、出力電圧を０．３５Ｖ、カソードガスの流量を２２Ｌ／ｍｉｎ／セルとした。このとき出力される電流値は最大８９０アンペアであり、ストイキ比は１．５である。ストイキ比とは、発電において必要となる空気量に対して実際に燃料電池１０に供給されている空気量の割合である。図４に示した例では、電流値（電流密度）の測定開始から９秒後において燃料電池１０を低電圧・大ガス流量状態に遷移させている。図示するように、燃料電池１０の可逆劣化が大きい場合には、低電圧・大ガス流量状態への遷移から、１０秒程度かけて電流値が徐々に上昇している。これに対して、可逆劣化が小さい場合には、低電圧・大ガス流量状態への遷移から、２秒後には、電流値が最大値付近まで上昇している。よって、上記ステップＳ１２では、低電圧・大ガス流量状態への遷移から２秒間における電流回復量ΔＩに基づいて、可逆劣化の有無を判断している。

図５は、可逆劣化のメカニズムを説明するための図である。燃料電池１０に発電を行わせると、図５（Ａ）に示すように、燃料電池１０のカソード（空気極）に、電解質膜１やアイオノマからの分解・脱離に由来する硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）や亜硫酸イオン（ＳＯ₃ ^2-）、硫酸水素イオン（ＨＳＯ₄ ^-）等の不純物が、触媒（白金Ｐｔ）に吸着する。触媒にこれらの不純物が吸着すると、電気化学反応が可能な触媒の表面積が小さくなってしまい、発電性能が低下してしまう。これに対して、図５（Ｂ）に示すように、カソードの電位を低下させると、不純物が触媒の表面から脱離する。また、図５（Ｃ）に示すように、カソードに水が供給されると、不純物が移動可能となり、脱離した不純物が触媒に再吸着することが抑制される。そして、図５（Ｄ）に示すように、カソードに供給するガス（空気）の流量を大ガス流量にすると、カソード周辺に不純物の濃度勾配が生じるため、触媒付近の濃度が徐々に低下し、不純物を排出することができる。

図６は、燃料電池のＩＶ特性を示す図である。図６に示したＩＶ特性によれば、燃料電池１０は、高電圧で発電させるよりも、低電圧で発電させた方が、発電される電力が大きくなる。つまり、上記ステップＳ１０において、燃料電池１０の出力電圧を低電圧にすると、発電量が多くなり、それに伴い、カソードで生成される水も多くなる。そして、更に、上記ステップＳ１０においてガスの流量を大ガス流量とすれば、図５の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示した条件を全て満たすことができ、効率的に、可逆劣化を回復させることができる。図４に示した例では、電流値は、燃料電池１０を低電圧・大ガス流量状態に遷移させた後、概ね１０秒で最大値まで上昇している。よって、本実施形態では、上記ステップＳ１６において、低電圧・大ガス流量状態を１０秒間継続させることで、燃料電池１０の可逆劣化を回復させている。

上記ステップＳ１２において、電流回復量ΔＩが、予め定められた閾値よりも小さいと判断された場合には、制御部２０は、ステップＳ１０において調整された低電圧・大ガス流量状態を５秒で停止させる（ステップＳ１８）。このように、可逆劣化の回復に必要な時間（１０秒）に到達する前に、低電圧・大ガス流量状態を停止させれば、無駄な発電が抑制されるので、反応ガス（カソードガスおよびアノードガス）の消費を抑制することができる。低電圧・大ガス流量状態を５秒で停止させると、制御部２０は、燃料電池１０の性能低下要因が電解質膜１の乾燥もしくは燃料電池１０内の水つまりのいずれか、あるいは、性能低下なし、と判断する（ステップＳ２０）。

ステップＳ１６またはステップＳ２０の処理が終了すると、電圧調整部２２が、燃料電池１０の各セル１１の出力電圧を一定の高電圧（例えば、０．８５Ｖ）に調整し、流量調整部２１が、燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を一定の小流量（例えば、０．５５Ｌ／ｍｉｎ／セル）に調整することで燃料電池１０に発電を行わせる（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２において燃料電池１０が高電圧・小ガス流量状態にされると、制御部２０は、ステップＳ２２の開始から２秒間における燃料電池１０の電流回復量ΔＩを、電流センサ９０を用いて計測する。電流回復量ΔＩを測定すると、その電流回復量ΔＩが、所定の閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ２４）。予め定められた閾値とは、本実施形態では、燃料電池１０の性能の低下がない場合に、高電圧・小ガス流量状態において測定された電流値の８０％の値とする。

ステップＳ２４において、電流回復量ΔＩが、予め定められた閾値よりも大きいと判断された場合には、制御部２０は、少なくとも、電解質膜１の乾燥による性能低下が有る、と判断する（ステップＳ２６）。ステップＳ２６において、電解質膜１の乾燥による性能低下が有る、と判断されると、制御部２０は、ステップＳ２２で調整された高電圧・小ガス流量状態を、ステップＳ２４およびＳ２６による処理を含め、計３０秒間継続させる（ステップＳ２８）。こうして、３０秒間、高電圧・小ガス流量状態を継続させれば、供給するガスの流量が小流量となるため、電気化学反応によって生じる生成水が外部に排出することを抑制することができ、電解質膜１の乾燥を効率的に回復させることができる。ステップＳ２８における「３０秒間」は、本願の「第２の時間」に対応する。

図７は、高電圧・小ガス流量状態における電流の測定結果の例を示す図である。この測定では、出力電圧を０．８５Ｖ、カソードガスの流量を０．５５Ｌ／ｍｉｎ／セルとした。このとき出力される電流値は最大２２アンペアであり、ストイキ比は１．５である。図７に示した例では、電流値（電流密度）の測定開始から１３７秒後において燃料電池１０を低電圧・小ガス流量状態に遷移させている。図示するように、電解質膜１が乾燥している場合には、高電圧・小ガス流量状態への遷移から、１０秒程度かけて電流値が上昇している。これに対して、電解質膜１が乾燥していない場合（湿潤している場合）には、高電圧・小ガス流量状態への遷移から、２秒後には、電流が最大値付近まで上昇している。よって、上記ステップＳ２４では、低電圧・大ガス流量状態への遷移から２秒間における電流回復量ΔＩに基づいて、電解質膜１が乾燥しているか否かを判断している。また、図７に示した例では、電流値は、燃料電池１０を高電圧・小ガス流量状態に遷移させた後、概ね３０秒で最大値まで上昇している。よって、本実施形態では、上記ステップＳ２８において、高電圧・小ガス流量状態を３０秒間継続させることで、電解質膜１の乾燥を湿潤状態に回復させている。

上記ステップＳ２４において、電流回復量ΔＩが、予め定められた閾値よりも小さいと判断された場合には、制御部２０は、ステップＳ２２において調整された高電圧・小ガス流量状態を５秒で停止させる（ステップＳ３０）。このように、電解質膜１の乾燥の回復に必要な時間（３０秒）よりも短い時間で、高電圧・小ガス流量状態を停止させれば、無駄な発電が抑制されるので、反応ガス（カソードガスおよびアノードガス）の消費を抑制することができる。高電圧・小ガス流量状態を５秒で停止させると、制御部２０は、燃料電池１０の性能低下要因が燃料電池１０内の水つまりである、または、性能低下なし、と判断する（ステップＳ３２）。

ステップＳ２８またはステップＳ３２の処理が終了すると、電圧調整部２２が、燃料電池１０の各セル１１の出力電圧を一定の高電圧（例えば、０．８５Ｖ）に調整し、流量調整部２１が、燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を一定の大流量（例えば、２Ｌ／ｍｉｎ／セル）に調整することで、燃料電池１０に発電を行わせる（ステップＳ３４）。なお、ステップＳ１０において調整される流量とステップＳ３４において調整される流量とは、ステップＳ２２で調整される流量よりも大きな流量である。また、ステップＳ２２で調整される電圧とステップＳ３４で調整される電圧とは、ステップＳ１０で調整される電圧よりも高い電圧である。

ステップＳ３４において燃料電池１０が高電圧・大ガス流量状態にされると、制御部２０は、ステップＳ３４の開始から２秒間における燃料電池１０の電流回復量ΔＩを、電流センサ９０を用いて計測する。電流回復量ΔＩを測定すると、その電流回復量ΔＩが、所定の閾値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３６）。予め定められた閾値とは、本実施形態では、燃料電池１０の性能の低下がない場合に、高電圧・大ガス流量状態において測定された電流値の８０％の値とする。

ステップＳ３６において、電流回復量ΔＩが、予め定められた閾値よりも大きいと判断された場合には、制御部２０は、燃料電池１０の主にカソードに水つまりが発生している、と判断する（ステップＳ３８）。ステップＳ３８において、水つまりが発生している、と判断されると、制御部２０は、ステップＳ３４で調整された高電圧・大ガス流量状態を、ステップＳ３６およびＳ３８による処理を含め、計３０秒間継続させる（ステップＳ４０）。こうして、３０秒間、高電圧・高ガス流量状態を継続させれば、供給するガスの流量が大きくなるので、効率的に水つまりを解消させることができる。ステップＳ４０における「３０秒間」は、本願の「第３の時間」に対応する。制御部２０は、水つまりを解消させると、当該性能回復処理を終了させる。

図８は、高電圧・大ガス流量状態における電流の測定結果の例を示す図である。この測定では、出力電圧を０．８５Ｖ、カソードガスの流量を２Ｌ／ｍｉｎ／セルとした。このとき出力される電流値は最大２２アンペアであり、ストイキ比は５である。図８に示した例では、電流値（電流密度）の測定開始から約１３７秒後において燃料電池１０を高電圧・大ガス流量状態に遷移させている。図示するように、燃料電池１０内に水つまりが発生している場合には、水つまりが発生していない場合に比べて、測定開始から２秒後までの電流値は小さい。よって、上記ステップＳ２４では、高電圧・大ガス流量状態への遷移から２秒間における電流回復量ΔＩに基づいて、水つまりが発生しているか否かを判断している。また、図８に示した例では、電流値は、燃料電池１０を高電圧・大ガス流量状態に遷移させた後、概ね３０秒で最大値まで上昇している。よって、本実施形態では、上記ステップＳ４０において、高電圧・大ガス流量状態を３０秒間継続させることで、燃料電池１０内の水つまりを回復させている。

上記ステップＳ３６において、電流回復量ΔＩが、予め定められた閾値よりも小さいと判断された場合には、制御部２０は、ステップＳ３４において調整された高電圧・大ガス流量状態を５秒で停止させる（ステップＳ３０）。このように、水つまりの回復に必要な時間（３０秒）よりも短い時間で、高電圧・高ガス流量状態を停止させれば、無駄な発電が抑制されるので、反応ガス（カソードガスおよびアノードガス）の消費を抑制することができる。高電圧・大ガス流量状態を５秒で停止させると、制御部２０は、燃料電池１０の性能低下はない、と判断し（ステップＳ４４）、当該性能回復処理を終了させる（ステップＳ４４）。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０の出力電圧と燃料電池１０に供給するカソードオフガスの流量とを変化させることで、燃料電池１０の性能低下の要因を判別することができる。そのため、判別された性能低下の要因に応じて、適切に燃料電池１０の性能の低下を回復させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池１０の性能低下の要因が判別できない場合には、回復処理（図３のステップＳ１６，Ｓ２８，Ｓ４０）に要する時間よりも短い時間で、燃料電池へのガスの供給を停止させる（図３のステップＳ１８，３０，４２）。そのため、燃料電池１０によって無駄に発電が行われてしまうことを抑制することが可能となり、燃費を向上させることができる。なお、燃料電池１０の性能低下の要因が判別できない場合とは、図３のステップＳ１２，Ｓ２４，Ｓ３６において電流回復量ΔＩが小さいと判断された場合である。

また、本実施形態では、燃料電池１０の温度が低い燃料電池システム１００の始動直後に可逆劣化の回復を行う。そのため、カソードで生成される水がすぐに排出されず、効率的に可逆劣化を回復させることができる。

また、本実施形態では、上記性能回復処理を燃料電池システム１００の始動時に実行するため、電解質膜１の乾燥の回復を、燃料電池１０の温度が低い状態で行うことができる。そのため、カソードで生成される水がすぐに排出されず、効率的に電解質膜１を湿潤させることができる。

また、本実施形態では、上記性能回復処理の最終段階で水つまりの回復を行うため、燃料電池１０の温度が上昇した後に水を排出することができる。よって、効率的に水つまりを回復させることが可能になる。

また、本実施形態では、上記性能回復処理を、燃料電池システム１００の運転積算時間が１０時間を超える度に実行する。これは以下の理由による。

図９は、燃料電池１０の可逆劣化の進行を例示する図である。この図９に示すように、一定低電圧・大ガス流量での運転をしない場合には、可逆劣化の発生により、時間とともに出力電流が徐々に低下する。これに対して、１０時間ごとに上記性能回復処理を実行して、一定低電圧・大ガス流量による運転を行えば、可逆劣化が増加しない場合とほぼ同等の出力性能が得られる。よって、本実施形態では、上記性能回復処理を、燃料電池システム１００の運転積算時間が１０時間を超え、その後に、燃料電池システム１００が始動された度に実行されることとした。１０時間よりも短いタイミングで実行することも可能であるが、性能回復処理を実行すれば、それだけ、ガスの消費が行われるので、１０時間毎に行うことが好ましい。なお、図９において、可逆劣化が増加しない場合においても若干、出力電流が低下しているのは、電極そのものの劣化によるものである。

Ｃ．変形例：
・変形例１：
上記実施形態の性能回復処理（図３）では、可逆劣化の有無を判断したのちに、電解質膜が乾燥しているか否かを判断しているが、電解質膜が乾燥しているか否かを判断したのちに、可逆劣化の有無を判断してもよい。つまり、図３のステップＳ１０〜Ｓ２０の処理とステップＳ２２〜Ｓ３２の処理とを入れ替えても良い。また、図３のステップＳ３４〜４４の処理は、燃料電池システム１００の始動時に限らず、燃料電池システム１００の運転中に定期的に行ってもよい。

・変形例２：
上記実施形態では、カソードガスの流量を調整することで、燃料電池の性能低下の要因の判別や、回復処理（図３のステップＳ１６，Ｓ２８，Ｓ４０）を行っている。これに対して、アノードガスの流量も調整して、燃料電池１０の性能低下の要因の判別や、回復処理を行っても良い。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…電解質膜
２，３…電極
５…膜電極接合体
１０…燃料電池
１１…セル
２０…制御部
２１…流量調整部
２２…電圧調整部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
６７…圧力計測部
８１…二次電池
９０…電流センサ
１００…燃料電池システム
２００…モータ
ＤＣＬ…直流配線

Claims (13)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整部と、
   前記燃料電池に供給する反応ガスの流量を調整する流量調整部と、
   前記出力電圧と前記流量と前記燃料電池から出力される電流の変化量とに基づいて、前記燃料電池の性能の低下の要因を判断し、前記判断された要因に応じて、前記出力電圧および前記流量を制御して前記性能の低下を回復させる制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記電圧調整部は、前記出力電圧を、第１の電圧および前記第１の電圧よりも高い電圧である第２の電圧の少なくともいずれか一方に調整可能であり、
   前記流量調整部は、前記流量を、第１の流量および前記第１の流量よりも多い流量である第２の流量の少なくともいずれか一方に調整可能である、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記第１の電圧に前記出力電圧が調整され、前記第２の流量に前記流量が調整された場合において、前記電流の変化量が予め定められた値よりも大きい場合に、前記要因として、少なくとも前記燃料電池の触媒への不純物の吸着が含まれる、と判断する、燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の触媒への不純物の吸着が含まれると判断された場合に、予め定められた第１の時間、前記第１の電圧および前記第２の流量によって前記燃料電池を運転させることにより前記不純物の除去を行う、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の触媒への不純物の吸着が含まれないと判断された場合に、前記第１の時間よりも短い時間で、前記第１の電圧および前記第２の流量による前記燃料電池の運転を停止させる、燃料電池システム。
6. 請求項２から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記第２の電圧に前記出力電圧が調整され、前記第１の流量に前記流量が調整された場合において、前記電流の変化量が予め定められた値よりも大きい場合に、前記要因として少なくとも前記燃料電池の電解質膜の乾燥が含まれると判断する、燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の電解質膜の乾燥が含まれると判断された場合に、予め定められた第２の時間、前記第２の電圧および前記第１の流量によって前記燃料電池を運転させることで、前記電解質膜の水分量を増加させる、燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池の電解質膜の乾燥が含まれないと判断された場合に、前記第２の時間よりも短い時間で、前記第２の電圧および前記第１の流量による前記燃料電池の運転を停止させる、燃料電池システム。
9. 請求項２から請求項８までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記第２の電圧に前記出力電圧が調整され、前記第２の流量に前記流量が調整された場合において、前記電流の変化量が予め定められた値よりも大きい場合に、前記要因として少なくとも前記燃料電池内における水つまりの発生が含まれると判断する、燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池内における水つまりの発生が含まれると判断された場合に、予め定められた第３の時間、前記第２の電圧および前記第２の流量によって前記燃料電池を運転させることで、前記燃料電池内の水を排出させる、燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記要因として少なくとも前記燃料電池内における水つまりの発生が含まれないと判断された場合に、前記第３の時間よりも短い時間で、前記第２の電圧および前記第２の流量による前記燃料電池の運転を停止させる、燃料電池システム。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの運転積算時間が一定時間を超える度に、前記燃料電池の性能の低下の要因を判断する、燃料電池システム。
13. 燃料電池システムが燃料電池の性能の低下を回復させる方法であって、
    前記燃料電池システムが、
    前記燃料電池の出力電圧を調整する工程と、
    前記燃料電池に供給する反応ガスの流量を調整する工程と、
    前記出力電圧と前記流量と前記燃料電池から出力される電流の変化量とに基づいて、前記燃料電池の性能低下の要因を判断し、前記判断された要因に応じて、前記出力電圧および前記流量を制御して前記性能の低下を回復させる工程と、
    を備える方法。

Images