JP2017224576A

JP2017224576A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017224576A
Application number: JP2016121030A
Authority: JP
Inventors: 雄介平光; Yusuke Hiramitsu; 力竹井; Riki Takei; 田代　圭介; Keisuke Tashiro; 圭介田代
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: JP6774011B2

Abstract

【課題】燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】空気極１０ｃや燃料極１０ｂへのガス供給量の制御、セル温度の制御、空気極１０ｃや燃料極１０ｂの相対湿度の制御を適宜実施して、空気と水素ガスとの反応条件を調整することによりセル電圧Ｖと出力電流との特性を変更する。これにより、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ燃料電池１０の出力電流を変化させて要求出力電力を達成する。【選択図】図３

Description

本発明は、空気極に空気を供給すると共に燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

近年の環境意識の高まりに伴い、化石燃料に頼ることのないクリーンエネルギー発電の一つとして燃料電池システムが注目されている。例えば特許文献１に記載の技術のように、車両に搭載される燃料電池システムには固体高分子型燃料電池が用いられており、固体高分子膜の両側に触媒として白金（Ｐｔ）を担持した燃料極及び空気極を貼り合わせてＭＥＡを構成し、そのＭＥＡをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作されている。燃料極には湿度調整した燃料ガスが供給され、空気極には湿度調整した空気が供給され、これにより燃料極及び空気極の触媒層で発電反応が進行して燃料電池の発電が開始される。

特開２００８−１７５９４号公報

ところで、上記したように燃料電池の発電反応は燃料極及び空気極の触媒層で進行するため、触媒層の劣化を抑制することは、燃料電池の耐久性を高める上で重要な課題となっている。
触媒層の劣化を促進する要因として、触媒層上で生じる酸化還元反応の繰り返しが挙げられる。例えば、２次電池への充電要求や車両の加減速等に応じて燃料電池に要求される出力電力が変動すると、燃料電池の運転状態はアイドル運転と発電運転との間で変化し、それに伴い単セルの電圧（以下、セル電圧という）が高電圧域と低電圧域との間で変動する。

燃料電池の運転状態の変化に伴うセル電圧の変動状況の一例を図１１のタイムチャートに示す。
アイドル運転時の燃料電池は、自己の運転に要する電力相当だけを発電しており、このときのセル電圧Ｖは相対的に高電圧域（0.9〜1.0Ｖ）に保たれている。そして、このアイドル運転から出力電力が増加して発電運転に移行すると、燃料電池の内部抵抗に起因してセル電圧Ｖは低下して低電圧域（0.5〜0.8Ｖ）に切り換えられる。以上のセル電圧Ｖの増加及び低下に伴って触媒層上では酸化還元反応が繰り返され、これにより特に空気極側の触媒層の白金粒子がオストワルド成長による凝集や白金溶出によって発電反応比面積が減少し、結果として触媒層の劣化を進行させてしまう。

上記した特許文献１の技術では、このような不具合に着目していないため、燃料電池の運転状態が変化する度に触媒層上で酸化還元反応が繰り返され、触媒層の劣化が進行するという問題を抱えていた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、空気極に空気を供給すると共に燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池において、前記燃料電池に要求される出力電力に基づき前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することにより、前記燃料電池の電圧を所定値に保ちつつ前記燃料電池の出力電流を変化させて前記要求される出力電力を達成する出力電力制御手段を備えたことを特徴とする。

このように構成した燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される出力電力に基づき空気と燃料ガスとの反応条件が調整され、これにより、電圧を所定値に保ちつつ燃料電池の出力電流を変化させて要求される出力電力を達成可能となる。そして電圧が所定値に保たれることにより、空気極や燃料極の触媒層上での酸化還元反応を抑制可能となる。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件の調整により前記電圧と前記出力電流との特性を変更可能であり、前記所定値の電圧を保ちつつ前記要求される出力電力を達成可能な前記電圧と出力電流との特性を選択し、その特性となるように前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。

この態様によれば、所定値の電圧を保ちつつ要求される出力電力を達成可能な電圧と出力電流との特性が選択され、その特性となるように空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量、前記燃料極への前記燃料ガスの供給量、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。

この態様によれば、空気極への空気の供給量、燃料極への燃料ガスの供給量、燃料電池の温度、空気極の相対湿度、及び燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つが制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。

この態様によれば、空気極への空気の供給量が制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記空気極への前記空気の供給量の制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。

この態様によれば、空気極への空気の供給量の制御では要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて燃料電池の温度、空気極の相対湿度、燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つが制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記空気極への前記空気の供給量の制御、及び前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つの制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき前記燃料極への前記燃料ガスの供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。

この態様によれば、空気極への前記空気の供給量の制御、及び燃料電池の温度、空気極の相対湿度、燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つの制御では要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて燃料極への燃料ガスの供給量が制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記電圧の所定値を、発電効率が最も良好な最高効率電圧として設定することが好ましい。

この態様によれば、発電効率が最も良好な最高効率電圧で燃料電池が運転される。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる。

実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。セル電圧を最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ出力電流を増減する定電圧電流可変制御の実行状況を示す特性図である。出力電流から空気供給量を算出する空気供給量制御のマップである。出力電流から水素ガス供給量を算出する水素ガス供給量制御のマップである。出力電流からセル温度を算出するセル温度制御のマップである。セル温度に応じたセル反応抵抗及びセル内部抵抗の変化を示すセル温度制御のマップである。セル反応抵抗及びセル内部抵抗から相対湿度を算出する相対湿度制御のマップである。出力電流からセル反応抵抗及びセル内部抵抗を算出する相対湿度制御のマップである。ＦＣ-ＥＣＵが実行する定電圧電流可変湿度低下ルーチンを示すフローチャートである。特許文献１による燃料電池の運転状態の変化に伴うセル電圧の変動状況を示すタイムチャートである。

以下、本発明を電動車両に搭載される燃料電池システムに具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。
本実施形態の電動車両１は、モータ２を走行用動力源とすると共に、その電源として２次電池３及び燃料電池システム４を備えたハイブリッド燃料電池車両である。周知のように２次電池３は、化学反応により直流電力を充放電可能な電池であり、燃料電池システム４は、後述する燃料電池１０での水素ガスを用いた電気化学反応により発電するシステムである。基本的にモータ２は２次電池３からの電力により駆動され、燃料電池システム４は主に２次電池３を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータ２の駆動にも利用される。

モータ２にはインバータ５を介して２次電池３が接続され、インバータ５は直流・交流間の変換機能を奏する。即ち、モータ２の力行制御時には、２次電池３や燃料電池システム４からの直流電力がインバータ５により三相交流電力に変換されてモータ２を駆動し、モータ２の回生制御時には、モータ２からの三相交流電力がインバータ５により直流電力に変換されて２次電池３に充電される。

２次電池３には、ダイオード６を介して外部電源を利用した充電用のAC-DCコンバータ７が接続されている。AC-DCコンバータ７の電源プラグ８を外部電源に接続すると、外部電源からの交流電力がAC-DCコンバータ７により直流電力に変換されて２次電池３に充電され、その際に２次電池３側からAC-DCコンバータ７への電流の逆流がダイオード６により阻止される。

一方、２次電池３及びインバータ５には燃料電池システム４が接続されており、その構成を図２に示す。
燃料電池システム４は、燃料電池１０、水素タンク１１、エアブロアー１２、加湿装置１３、DC-DCコンバータ１４等から構成される。本実施形態の燃料電池１０は固体高分子型燃料電池であり、所期の電圧が得られるように多数の単セルを積層して直列接続してなる。それぞれの単セルは、固体高分子膜１０ａ（電解質）の両側に触媒として白金（Ｐｔ）を担持した燃料極（負極）１０ｂ及び空気極（正極）１０ｃを貼り合わせてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜/電極接合体）を構成し、そのＭＥＡを多孔質のガス拡散層及びガス流路を有するセパレータにより挟持してなる。このような構成は典型的な燃料電池１０の構成に倣うため、図２では図示を省略する。

燃料電池１０の燃料極１０ｂの上流側には燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給ライン１５が接続され、水素供給ライン１５の上流側は高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンク１１に接続されている。水素タンク１１の吐出口近傍には水素ガスを供給・停止するための元弁１７が設けられ、元弁１７の下流側で水素供給ライン１５は加湿水素ライン１５ａと無加湿水素ライン１５ｂとに分岐されている。加湿水素ライン１５ａ上には流量調整弁１８及び加湿装置１３が設けられ、加湿水素ライン１５ａを流通する水素ガスが加湿装置１３により加湿されて加湿水素ガスが生成されるようになっている。

無加湿水素ライン１５ｂ上には流量調整弁２０が設けられ、この無加湿水素ライン１５ｂは加湿装置１３を迂回することで水素タンク１１から吐出されたままの低湿度の水素ガスが無加湿水素ガスとして流通している。加湿水素ライン１５ａと無加湿水素ライン１５ｂとは下流側で互いに合流して燃料電池１０の燃料極１０ｂに接続されている。このため、それぞれの流量調整弁１８，２０の開度に対応して加湿水素ライン１５ａ及び無加湿水素ライン１５ｂのガス流通量が変化し、それに応じて燃料極１０ｂに供給される水素ガスの湿度を加湿水素ガスと無加湿水素ガスとの間で任意に調整可能となっている。

燃料電池１０の燃料極１０ｂには水素戻しライン２１の一端が接続され、水素戻しライン２１の他端は水素供給ライン１５の元弁１７の下流側に接続されている。水素戻しライン２１上には背圧弁２２及びポンプ２３が設けられ、背圧弁２２の開閉に応じて燃料極１０ｂから水素ガスが適宜排出されることで燃料極１０ｂが所期の圧力に保たれると共に、背圧弁２２から排出された水素ガスがポンプ２３により水素戻しライン２１を経て水素供給ライン１５側に戻されるようになっている。

一方、燃料電池１０の空気極１０ｃの上流側には空気を供給する空気供給ライン２５が接続され、空気供給ライン２５の上流側は大気を圧縮・供給するエアブロアー１２に接続されている。エアブロアー１２の吐出口近傍には空気を供給・停止するための元弁２７が設けられ、元弁２７の下流側で空気供給ライン２５は加湿空気ライン２５ａと無加湿空気ライン２５ｂとに分岐されている。加湿空気ライン２５ａ上には流量調整弁２８及び上記した加湿装置１３が設けられ、加湿空気ライン２５ａを流通する空気が加湿装置１３により加湿されて加湿空気が生成されるようになっている。

無加湿空気ライン２５ｂ上には流量調整弁２９が設けられ、この無加湿空気ライン２５ｂは加湿装置１３を迂回することでエアブロアー１２から吐出されたままの低湿度の空気が無加湿空気として流通している。加湿空気ライン２５ａと無加湿空気ライン２５ｂとは下流側で互いに合流して燃料電池１０の空気極１０ｃに接続されている。このため、それぞれの流量調整弁２８，２９の開度に対応して加湿空気ライン２５ａ及び無加湿空気ライン２５ｂでの空気の流量が変化し、それに応じて空気極１０ｃに供給される空気の湿度を加湿空気と無加湿空気との間で任意に調整可能となっている。

燃料電池１０の空気極１０ｃには空気戻しライン３０の一端が接続され、空気戻しライン３０の他端はエアブロアー１２の吸込口に接続されている。空気戻しライン３０上には背圧弁３１が設けられ、背圧弁３１の開閉に応じて空気極１０ｃから空気が適宜排出されることで空気極１０ｃが所期の圧力に保たれると共に、背圧弁３１から排出された空気が空気戻しライン３０を経てエアブロアー１２側に戻されるようになっている。

なお、燃料極１０ｂで発電に利用されなかった残留水素ガスは外部に排出または水素供給ライン１５側に回収され、同じく空気極１０ｃで発電に利用されなかった空気は外部に排出されるが、その構成は本発明の要旨とは関係ないため説明及び図示を省略する。
一方、燃料電池１０は一対の冷却ライン３２，３３を介してラジエータ３４と接続され、一方の冷却ライン３２にはウォータポンプ３５が介装されている。結果として燃料電池１０、一方の冷却ライン３２、ラジエータ３４、他方の冷却ライン３３からなる環状の冷却回路３６が形成され、内部に充填された冷却水がウォータポンプ３５の駆動により循環する。

燃料電池１０の出力端子にはDC-DCコンバータ１４が接続され、DC-DCコンバータ１４はダイオード３７を介して２次電池３及びインバータ５に接続されている。これにより燃料電池１０の出力電力が２次電池３の充電やモータ２の駆動に利用されると共に、その際に２次電池３やモータ２から燃料電池１０への電流の逆流がダイオード３７により阻止される。

以上のように構成された燃料電池１０の運転中には、水素供給ライン１５を経て燃料極１０ｂに供給された水素が触媒作用により水素イオンと電子に分解され、水素イオンは固体高分子膜１０ａを透過して空気極１０ｃに到達する。固体高分子膜１０ａを透過不能な電子は図示しない外部回路を経て空気極１０ｃに到達し、これにより燃料極１０ｂをマイナス、空気極１０ｃをプラスとして直流電圧が発生する。空気極１０ｃでは、空気供給ライン２５を経て供給された空気、固体高分子膜１０ａを透過した水素イオン、及び外部回路を経てきた電子が反応して水が生成される。

このような燃料電池１０の運転のために、ＦＣ-ＥＣＵ４０により燃料電池システム４を構成する各機器が制御される。ＦＣ-ＥＣＵ４０の入力側には、燃料電池１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）を検出する電圧センサ４１、燃料極１０ｂの水素ガスの湿度Ｈhを検出する水素湿度センサ４２、空気極１０ｃの空気の湿度Ｈoを検出する空気湿度センサ４３が接続されると共に、図示はしないが、燃料極１０ｂ及び空気極１０ｃの圧力（セル圧力）を検出する圧力センサ、燃料極１０ｂ及び空気極１０ｃの温度（セル温度）を検出する温度センサ等の各種センサ類が接続されている。

またＦＣ-ＥＣＵ４０の出力側には、水素供給ライン１５及び空気供給ライン２５の各元弁１７，２７及び各流量調整弁１８,２０,２８,２９、エアブロアー１２、加湿装置１３、水素戻しライン２１の背圧弁２２及びポンプ２３、空気戻しライン３０の背圧弁３１、DC-DCコンバータ１４等のデバイス類が接続されている。
例えばＦＣ-ＥＣＵ４０は、水素タンク１１及びエアブロアー１２の元弁１７，２７を共に所定の開度で開弁し、水素タンク１１から吐出される水素ガスを水素供給ライン１５を経て燃料極１０ｂに供給すると共に、エアブロアー１２から吐出される空気を空気供給ライン２５を経て空気極１０ｃに供給する。

また、燃料極１０ｂに供給される水素ガス及び空気極１０ｃに供給される空気を所期の湿度に調整するために、ＦＣ-ＥＣＵ４０は以下の制御を実行する。まず、加湿装置１３の制御により加湿水素ライン１５ａを流通する加湿水素ガスの湿度を調整し、同様に、加湿装置１３の制御により加湿空気ライン２５ａを流通する加湿空気ガスの湿度を調整する。そして、加湿水素ライン１５ａ及び無加湿水素ライン１５ｂの流量調整弁１８，２０を開度制御して、加湿水素ガスと無加湿水素ガスとを所定比率で混合することによって燃料極１０ｂに供給される水素ガスを所期の湿度に調整する。同様に、加湿空気ライン２５ａ及び無加湿空気ライン２５ｂの流量調整弁２８，２９を開度制御して、加湿空気と無加湿空気とを所定比率で混合することによって空気極１０ｃに供給される空気を所期の湿度に調整する。

またＦＣ-ＥＣＵ４０は、背圧弁２２，３１の開度制御により燃料極１０ｂの水素ガス及び空気極１０ｃの空気を適宜排出し、これにより燃料電池１０を所期のセル圧力に保つと共に、水素についてはポンプ２３を駆動して水素戻しライン２１を経て水素供給ライン１５側に戻し、空気については空気極１０ｃと大気圧との圧力差を利用して空気戻しライン３０経てエアブロアー１２側に戻す。

またＦＣ-ＥＣＵ４０は、ウォータポンプ３５を駆動して冷却回路３６内で冷却水を循環させ、燃料電池１０で発生した熱をラジエータ３４から大気中に放出することにより燃料電池１０を所期のセル温度に保つ。
一方、インバータ５にはモータＥＣＵ４５が接続され、このモータＥＣＵ４５によりモータ２の駆動制御等が実行される。例えばモータＥＣＵ４５はインバータ５を駆動制御し、２次電池３や燃料電池１０から供給される出力電力によりモータ２を駆動する一方、モータ２による回生電力を２次電池３に充電する。

また、AC-DCコンバータ７にはバッテリＥＣＵ４９が接続され、外部電源への電源プラグ８の接続時には、このバッテリＥＣＵ４９によりAC-DCコンバータ７が制御されて２次電池３が充電される。
以上のＦＣ-ＥＣＵ４０、モータＥＣＵ４５及びバッテリＥＣＵ４９は、上位ユニットに相当する車両ＥＣＵ４６に接続されており、各ＥＣＵ４０，４５，４６，４９は、それぞれ入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等から構成されている。

車両ＥＣＵ４６は、電動車両１の総合的な制御を行うための制御ユニットであり、この車両ＥＣＵ４６からの指令を受けた下位の各ＥＣＵ４０，４５，４９により、上記のような燃料電池システム４の運転制御、モータ２の駆動制御や２次電池３の充電制御等が実行される。
そのために車両ＥＣＵ４６には、アクセルセンサ４７からのアクセル開度等の各種検出情報が入力されると共に、バッテリＥＣＵ４９を介してバッテリモニタリングユニット４８から２次電池３のＳＯＣ（充電率：State Of Charge）や温度ＴBAT等が入力され、ＦＣ-ＥＣＵ４０を介して燃料電池システム４の運転状態が入力され、モータＥＣＵ４５を介してモータ２の運転状態が入力される。

そして車両ＥＣＵ４６は、アクセルセンサ４７により検出されたアクセル開度等に基づき電動車両１の走行に必要な要求出力を算出し、その要求出力を達成するようにモータＥＣＵ４５に指令信号を出力する。この指令信号に基づき、モータＥＣＵ４５によりモータ２が駆動されて要求トルクが達成される。
また車両ＥＣＵ４６は、２次電池３のＳＯＣや車両走行のための要求出力に基づき燃料電池システム４の出力電力を算出し、その出力電力を達成するようにＦＣ-ＥＣＵ４０に指令信号を出力する。例えば、２次電池３のＳＯＣが所定値未満まで低下して充電を要する場合、或いは２次電池３からの電力供給のみではモータ２が要求出力を達成不能と判定した場合、車両ＥＣＵ４６は燃料電池１０の出力電力を増加側に設定する。

ＦＣ-ＥＣＵ４０側では、要求された出力電力の達成のために燃料電池１０の燃料極１０ｂに供給すべき水素ガス量及び空気極１０ｃに供給すべき空気量を算出し、各元弁１７，２７及び各流量調整弁１８,２０,２８,２９の開度制御により水素ガス及び空気の供給量を調整して、要求された出力電力を達成する。例えば上記のように出力電力が増加側に制御された場合には、水素ガス量及び空気量が増加側に調整されて出力電力が増加され、その増加分が２次電池３の充電やモータ２の駆動に利用される。無論、このような燃料電池１０の出力電力の制御に対応して、水素ガスや空気の湿度、セル圧力やセル温度等に関しても最適制御する。

以上のように車両ＥＣＵ４６の指令に基づくＦＣ-ＥＣＵ４０の制御により燃料電池１０の出力電力が制御されるが、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、例えば特許文献１に記載された従来技術では、図１１に示すように、燃料電池１０の運転状態の変化に伴いセル電圧Ｖが高電圧域と低電圧域との間で変動して、燃料極１０ｂや空気極１０ｃの触媒層上で酸化還元反応が繰り返され、触媒層の白金凝集・溶出に起因して劣化が進行してしまうという問題がある。

このような点を鑑みて本発明者は、目標となる出力電力を達成するときの燃料電池１０の運転状態の変化について考察した。従来技術では、出力電力の達成のために出力電流を変化させており、このとき燃料電池１０の内部抵抗に起因して、出力電流の増加時にはセル電圧Ｖが低下し、出力電流の低下時にはセル電圧Ｖが増加し、このようなセル電圧Ｖの変動が元々の触媒層の劣化の要因になる。そこで、図３の特性図に示すように、出力電力の達成のために出力電流を増減する際にセル電圧Ｖが一定に保たれるように、燃料電池１０の運転状態に関わる諸条件、例えばガス流量、セル温度、湿度等を最適制御する対策を見出した（以下、当該制御を定電圧電流可変制御と称する）。以下、この知見の下にＦＣ-ＥＣＵ４０により実施される定電圧電流可変制御について説明する。

まず、定電圧電流可変制御を実施するにあたり、最適なセル電圧Ｖを特定した。
燃料電池１０の運転状態をセル電圧Ｖで表すと、図１１に示す４種の状況に大別できる。即ち、燃料電池１０が発電運転中でセル電圧Ｖが低電圧域に保たれている状況（以下、低電圧時Ａという）、発電運転からアイドル運転への移行中でセル電圧Ｖが増加方向に変化している状況（以下、電圧増加時Ｂという）、アイドル運転中でセル電圧Ｖが高電圧域に保たれている状況（以下、高電圧時Ｃという）、アイドル運転から発電運転への移行中でセル電圧Ｖが低下方向に変化している状況（以下、電圧低下時Ｄという）である。

各セル電圧Ｖの状況（Ａ〜Ｄ）において、触媒層上でのＰt反応及びＰt反応による触媒層の劣化状態は下表１のようになる。

セル電圧Ｖの低電圧時Ａでは、触媒層上でＰtの還元反応が生起されるが、この還元反応は触媒層を劣化させる要因にはならない。よって、セル電圧Ｖが低電圧域に長時間とどまっても（発電継続を意味する）触媒層の劣化は進行しない。

セル電圧Ｖの電圧増加時Ｂでは、触媒層上でのＰtの反応は還元から酸化に変化し、このときの反応状態の変化は僅かではあるが触媒層を劣化させる要因になり得る共に、その劣化への影響度はセル電圧Ｖの増加率が大である場合ほど高まる。
セル電圧Ｖの高電圧時Ｃでは、触媒層上でＰtの酸化反応が生起され、アイドル運転が継続されるほど酸化劣化が進行すると共に、この劣化現象は高電圧域近傍の低電圧側でも生じ、高電圧域で最も顕著となる。

セル電圧Ｖの電圧低下時Ｄでは、触媒層上でのＰtの反応は酸化から還元に変化し、このときの反応状態の変化は触媒層を劣化させる重篤な要因になる共に、その劣化への影響度はセル電圧Ｖの低下率が大である場合ほど高まる。
以上のように触媒層の劣化抑制の観点から、燃料電池１０の発電運転中に相当する低電圧時Ａ（低電圧域）にセル電圧Ｖを保つのが最も好ましく、特に、低電圧域には発電効率が最も良好な最高効率電圧（例えば、0.75Ｖ）が含まれるため、定電圧電流可変制御ではセル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保つのが最も好ましいとの結論に至った。

次に、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ出力電流を増減するための具体的な３種の手法について述べる。
１）ガス供給量制御（空気供給量制御及び水素ガス供給量制御）
従来技術では、予め設定した図４に破線で示す酸素利用率（70％）の特性線や図５に破線で示す水素利用率（90％）の特性線に基づき、空気極１０ｃへの空気供給量や燃料極１０ｂへの水素ガス供給量（以下、ガス供給量と総称する場合もある）を決定していた。なお、ガス供給量の増加に応じて燃料電池１０の効率は向上するものの、空気の供給にはエアブロアー１２の駆動電力を要するため、酸素利用率の特性線については、燃料電池１０の効率向上とエアブロアー１２の電力消費とのバランス点として70%が定められている。

ここで言う空気供給量や水素ガス供給量は、空気極１０ｃや燃料極１０ｂに供給される反応物（酸素、水素）の量を意味する。このため空気供給量や水素ガス供給量には、エアブロアー１２や水素タンク１１から吐出されるガスの単位時間当たりの流量のみならず、背圧弁２２，３１の開度調整に応じた空気極１０ｃや燃料極１０ｂの圧力等も関係する。例えば空気極１０ｃへの空気供給量を増加させるには、背圧弁３１の閉側制御により空気極１０ｃの圧力を高めた上で、これによる空気流量の低下を補償するようにエアブロアー１２からの空気の吐出量を増加させることにより空気供給量を増加させる。

そして、従来技術のように70％及び90％の特性線に沿ってガス供給量を低下させると、それに伴いセル電圧Ｖが増加してしまう（低電圧域→高電圧域）。そこで本実施形態のガス供給量制御では、空気については、出力電流の低下に伴って空気利用率70％の特性線から100％の特性線に漸近するような特性線Ｌoを設定し、水素ガスについては、出力電流の低下に伴って水素利用率90％の特性線から100％の特性線に漸近するような特性線Ｌhを設定し、それぞれの特性線Ｌ0,Ｌhに沿ってガス供給量を制御している。

70％及び90％の特性線と100％の特性線との比較から明らかなように、100％の特性線では出力電力に対してより少ない空気供給量や水素ガス供給量が設定されることから、特性線Ｌ0,Ｌhに沿って100％の特性線に漸近するほど要求される出力電力を達成するための空気や水素ガスが不足する。このため不足を補うべく（出力電力に対応する出力電流とすべく）、70％や90％の特性線と同等の空気や水素ガスを供給可能な100％の特性線上のポイントまで移行し、結果としてセル電圧Ｖは低下側に変化する。このときのセル電圧Ｖの低下幅は、70％及び90％の特性線から100％の特性線に漸近する過程（発電運転→アイドル運転）で次第に増加することから、従来技術でのアイドル運転への移行に伴うセル電圧Ｖの増加が相殺され、出力電流の増減に関わらずセル電圧Ｖが一定に保たれる。

なお、水素ガス供給量の特性線Ｌhを完全に100％の特性線まで移行させると、燃料極１０ｂに水素が存在しない状態で出力電流が発生して燃料極１０ｂを損傷させる要因になるため、図５では明らかではないが、特性線Ｌhの漸近を100％の特性線の手前にとどめている。
以上のガス供給量制御は、空気或いは水素ガスの流量調整により実施されるため、他の２つの手法に比較して制御応答性の点で優れる。但し、無料で入手可能な空気に対して水素ガスは有料であるため、水素ガスの供給量調整は燃料電池１０の運用コストを高騰させる要因になる。そこで定電圧電流可変制御を実施する際には、水素ガスの供給量調整よりも空気の供給量調整を優先して実施しており、両者の区別のために以下の説明ではガス供給量制御として、空気供給量を調整する側を空気供給量制御と称し、水素ガス供給量を調整する側を水素ガス供給量制御と称する。
２）セル温度制御
従来技術では、図６に破線で示すようにセル温度を一定に保っていたのに対し、本実施形態のセル温度制御では実線で示すように、セル温度（燃料電池１０の温度）を上昇或いは下降させることで出力電流を低下させる。このとき相対湿度は一定に保つ。そして、セル温度が変化すると、図７に実線で示すように温度上昇側と温度低下側との何れの場合もセルの反応抵抗及び内部抵抗が増加することから、結果として出力電流の低下に応じてセルの反応抵抗及び内部抵抗が増加することになり、出力電流の増減に関わらずセル電圧Ｖが一定に保たれる。

セル温度の上昇は、燃料電池１０の冷却回路３６のウォータポンプ３５の回転低下或いは停止により達成され、セル温度の下降はウォータポンプ３５の回転増加により達成される。図６に示すように、セル温度の変化に対する出力電流の変化は、温度低下させる場合よりも温度上昇させる場合の方がより大きな電流変化が得られる。
よって、セル温度の上昇により出力電流を低下させる場合には、良好な制御応答性が得られると共に、制御自体もウォータポンプ３５を回転低下或いは停止させるだけのため容易に実施できる。但し、燃料電池１０の温度上昇を抑制する冷却回路３６の機能を故意に制限するため、燃料電池１０の劣化防止の点ではあまり好ましくない。

これとは逆に、セル温度の低下により出力電流を低下させる場合は、温度低下に対する電流変化が少ない上に、ウォータポンプ３５の回転増加によりセル温度を低下させるには時間を要するため、制御応答性はそれほど良好でない。しかし、温度低下は燃料電池１０にとって安全方向への変化であるため、劣化防止の点では望ましい。
そこで、双方の特徴の何れを重要視するかに応じて、何れかの手法を選択すればよい。以下の説明では、制御応答性を重視してセル温度制御としてセル温度を上昇させる手法を実施するものとする。
３）相対湿度制御
従来技術では、図８に破線で示すように空気極１０ｃ及び燃料極１０ｂの相対湿度及び内部抵抗をそれぞれ一定に保っていたのに対し、本実施形態の相対湿度制御では実線で示すように、相対湿度を低下させることでセルの反応抵抗及び内部抵抗を増加させる。相対湿度の低下は空気極１０ｃのみでもよいし、燃料極１０ｂのみでもよいし、空気極１０ｃ及び燃料極１０ｂの双方でもよいが、何れにしても、このときセル温度は一定に保つ。結果として図９に示すように、セルの反応抵抗及び内部抵抗を一定のまま出力電流を低下可能となり、出力電流の増減に関わらずセル電圧Ｖが一定に保たれる。

このような相対湿度の低下は、加湿装置１３による空気や水素の加湿状態の調整、加湿ガスと無加湿ガスとの混合割合の調整、及び再循環ガスと無加湿ガスとの混合割合の調整により実施する。上記のようにセル温度制御として制御応答性が良好なセル温度を上昇させる手法が実施されるため、制御応答性に関して相対湿度制御は若干劣ることになる。
以上の空気供給量制御、セル温度制御、相対湿度制御、及び水素ガス供給量制御を端的に表現すると、互いの内容は相違するものの、何れも空気と水素ガスとの反応条件を調整することによりセル電圧Ｖと出力電流との特性を変更可能な手法と見なせる（出力電力制御手段）。そして、例えば空気供給量制御の実施により、要求出力電力を達成可能な出力電流となるように図４に示す特性線Ｌoに沿って空気供給量を制御することは、換言すると、図３に示すセル電圧Ｖと出力電流との複数の特性線の中から、要求電力を達成可能な出力電流に制御したときにセル電圧Ｖが最高効率電圧Ｖ0となる特性線を選択し、その特性線を要求出力電力の変化に応じて順次変更することを意味する。

結果として要求出力電力に応じて空気と水素ガスとの反応条件が調整されて、常にセル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ出力電流を変化させて出力電力を達成できる。要求出力電力は２次電池３のＳＯＣのみならず、アクセル操作に応じて車両走行のための要求出力が増減したときにも変化するが、このような状況でもセル電圧Ｖは従来技術のように変化することなく最高効率電圧Ｖ0に保たれ続ける。以上は空気供給量制御の場合を例示したが、他の手法についても同様である。

定電圧電流可変制御は、車両ＥＣＵ４６から要求される燃料電池１０の出力電力を達成すべく優先順位が高い手法から順次実行しており、本実施形態では制御応答性の観点から空気供給量制御、セル温度制御、相対湿度制御の順に優先順位を定めると共に、制御応答性は良好であるが運用コスト面で難がある水素ガス供給量制御を最も下位の手法としている。但し、これは一例であり、例えば何れかの手法を削除したり、他の手法を追加したりしてもよいし、その優先順位を変更したりしてもよい。

次いで、ＦＣ-ＥＣＵ４０による定電圧電流可変制御の具体的な内容について述べる。
図１０はＦＣ-ＥＣＵ４０が実行する定電圧電流可変湿度低下ルーチンを示すフローチャートであり、ＦＣ-ＥＣＵ４０は当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
まず、ステップＳ１で車両ＥＣＵ４６から要求された燃料電池１０の出力電力を読み込み、続くステップＳ２で現在の燃料電池１０の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Ｙes（肯定）のときには一旦ルーチンを終了する。またステップＳ２でＮo（否定）の判定を下したときにはステップＳ３に移行し、空気供給量制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図４に示す特性線Ｌhに沿って空気供給量を制御する。

続くステップＳ４では再び燃料電池１０の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Ｙesのときにはルーチンを終了し、ＮoのときにはステップＳ５に移行する。ステップＳ５ではセル温度制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図６に示すマップに従ってセル温度を制御する。

続くステップＳ６では再び燃料電池１０の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Ｙesのときにはルーチンを終了し、ＮoのときにはステップＳ７に移行する。ステップＳ７では相対湿度制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図８，９に示すマップに従って相対湿度を制御する。

続くステップＳ８では再び燃料電池１０の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Ｙesのときにはルーチンを終了し、ＮoのときにはステップＳ９に移行する。ステップＳ９では水素ガス供給量制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図５に示す特性線Ｌhに沿って水素ガス供給量を制御した後、ルーチンを終了する。

以上のように本実施形態の燃料電池システムによれば、現在の出力電力が要求出力電力と一致していない場合に、空気供給量制御、セル温度制御、相対湿度制御、及び水素ガス供給量制御を適宜実施して、空気と水素ガスとの反応条件を調整することによりセル電圧Ｖと出力電流との特性を変更し、これにより、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保ちつつ燃料電池１０の出力電流を変化させて要求出力電力を達成している。そしてセル電圧Ｖが最高効率電圧Ｖ0に保たれることにより、空気極１０ｃや燃料極１０ｂの触媒層上での酸化還元反応を抑制できることから、触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる。

加えて、常に発電効率が最も良好な最高効率電圧Ｖ0で燃料電池１０を運転するため、運用コストを低減できるという別の効果も得られる。
また、現在の出力電力が要求出力電力と一致するまで、空気と水素ガスとの反応条件を調整する手法として制御応答性が良好なものから順に実施している。燃料電池１０に対する要求出力電力は２次電池３のＳＯＣや車両走行のための要求出力に応じて常に変動することから、空気と水素ガスとの反応条件を調整する際の制御応答性が悪い場合には、セル電圧Ｖが最高効率電圧Ｖ0から逸脱して触媒層上で酸化還元反応を生起させてしまう。制御応答性が良好な手法から順に実施することにより、セル電圧Ｖを最高効率電圧Ｖ0に保つことができ、これにより触媒層上での酸化還元反応をより確実に抑制することができる。

しかも、このように制御応答性の観点から各手法の優先順位を定めているものの、制御応答性は良好であるが運用コスト面で難がある水素ガス供給量制御については、あえて例外として最も下位の手法に定め最後に実施している。従って、運用コストの高騰を抑制した上で、上記のような効果を得ることができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、電動車両１に搭載される燃料電池システム４に具体化したが、これに限るものではなく、例えば定置側の燃料電池システムに適用してもよい。

４燃料電池システム
１０燃料電池
１０ｂ燃料極
１０ｃ空気極
４０ＦＣ-ＥＣＵ（出力電力制御手段）

Claims

空気極に空気を供給すると共に燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池において、
前記燃料電池に要求される出力電力に基づき前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することにより、前記燃料電池の電圧を所定値に保ちつつ前記燃料電池の出力電流を変化させて前記要求される出力電力を達成する出力電力制御手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記出力電力制御手段は、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件の調整により前記電圧と前記出力電流との特性を変更可能であり、前記所定値の電圧を保ちつつ前記要求される出力電力を達成可能な前記電圧と出力電流との特性を選択し、その特性となるように前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記出力電力制御手段は、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量、前記燃料極への前記燃料ガスの供給量、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記出力電力制御手段は、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記出力電力制御手段は、前記空気極への前記空気の供給量の制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記出力電力制御手段は、前記空気極への前記空気の供給量の制御、及び前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか１つの制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき前記燃料極への前記燃料ガスの供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
前記電圧の所定値は、発電効率が最も良好な最高効率電圧として設定された
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。