JP4978019B2

JP4978019B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4978019B2
Application number: JP2006036195A
Authority: JP
Inventors: 敦史大間; 義隆小野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: JP2007220323A

Description

本発明は燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池が発電を行わない場合には、燃料電池の電圧を制御し、酸化剤極を標準水素電極に対して０．６Ｖから０．８Ｖの電位となるように制御し、例えば白金などの触媒が溶出しないようにするものが特許文献１に開示されている。
特開２００４−１７２１０５号公報

上記の発明では、燃料電池システムからの取り出すＮＥＴ出力が低い場合、あるいはゼロの場合、例えば燃料電池自動車ではアイドル状態またはアイドル停止状態には、単位セルあたりの電圧が０．８Ｖ以上であると想定されるため、燃料電池の劣化、特に酸化剤極の劣化を抑制することは可能である。

しかし、燃料電池システムでは燃料電池から取り出す出力は一定では無い場合が多い。燃料電池は、燃料電池から取り出す出力に応じて電圧が変化することが知られており、燃料電池から取り出す出力が大きくなると燃料電池の電圧は低下する。その後燃料電池から取り出す出力が小さくなると燃料電池の電圧は再び高くなるが、このとき燃料電池の電圧の変化に伴って、燃料電池、特に酸化剤極に使用される触媒の金属成分（例えば、カーボンに担持された白金など）が溶出するといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力が変化する場合に生じる例えば白金などの触媒の溶出を抑制することを目的とする。

本発明では、電解質膜を挟持し触媒を有する燃料極と酸化剤極とから構成する燃料電池と、電気エネルギーを充放電するエネルギー充放電手段と、燃料電池とエネルギー充放電手段と電気的に接続する負荷と、負荷で消費する電力とエネルギー充放電手段の蓄電量とに基づいて、燃料電池とエネルギー充放電手段との出力を制御する出力制御手段と、を備える。出力制御手段は、エネルギー充放電手段の蓄電量が所定量よりも大きい場合に、燃料電池の出力を、燃料電池の電圧が第１の所定電圧よりも高い電圧となる出力に制限する。第１の所定電圧は、燃料電池の電圧が第１の所定電圧以下となると燃料電池の電圧が第１の所定電圧よりも高い場合と比較して触媒の溶出量の増加割合が大きくなる電圧である。

本発明によると、燃料電池の電圧変化による酸化剤極の触媒（例えば白金など）の溶出に伴う劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成について図１を用いて説明する。この実施形態では、燃料電池システムを自動車に搭載した燃料電池自動車について説明するが、これに限られることはない。

この実施形態は、燃料電池１と、燃料電池１の後述する燃料極４１に水素を供給する水素ボンベ２と、燃料電池１の発電反応に使用されなかった水素を再び燃料極４１に循環させる循環ポンプ３と、燃料電池１の後述する酸化剤極４２に空気を供給するコンプレッサ４と、二次電池（エネルギー充放電手段）６と、燃料電池１と二次電池６と電気的に接続するモータ（負荷）５と、車両の制動時に運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換する回生ブレーキシステム７と、を備える。

また、水素ボンベ２から燃料電池１の燃料極４１に水素を供給する水素供給路１０と、燃料電池１の発電に使用されなかった排出水素を再び燃料極４１に環流する循環流路１１と、排出水素中の水素濃度が低くなった場合に排出水素を水素消費手段（図示せず）に送る水素排出路１２と、を備える。なお、水素ボンベ２と燃料極４１との間にはバルブＶ１を備え、水素排出路１２にはバルブＶ２を備える。また、コンプレッサ４から酸化剤極４２に空気を供給する空気供給路１３と、燃料電池１の発電に使用されなかった排出空気を燃料電池システムの外部へ排出する空気排出路１４と、を備える。

また、循環ポンプ３と、コンプレッサ４と、モータ５と、回生ブレーキシステム７と、バルブＶ１、Ｖ２とを制御するコントローラ２０を備える。

燃料電池１は単位セル３０を複数積層して構成される。単位セル３０について図２の概略構成図を用いて説明する。

単位セル３０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）３１と、電解質膜３１を挟持するアノード触媒層３２とカソード触媒層３３と、アノード触媒層３２の外側に設けたアノードガス拡散層３４と、カソード触媒層３３の外側に設けたカソードガス拡散層３５と、を備える。また、アノードガス拡散層３４の外側に設けられ、水素流路３６を有するアノードセパレータ３７と、カソードガス拡散層３５の外側に設けられ、空気流路３８を有するカソードセパレータ３９を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール４０を備える。なお、単位セル３０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路を設けても良い。

ここではアノード触媒層３２とアノードガス拡散層３４とを燃料極４１とし、カソード触媒層３３とカソードガス拡散層３５とを酸化剤極４２とする。

電解質膜３１は、例えばデュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜である。

アノード触媒層３２とカソード触媒層３３は、例えば白金などの触媒を担持するカーボンブラックなどによって構成する。

アノードガス拡散層３５とカソードガス拡散層３５は、例えばカーボンペーパ、カーボンクロスなどで構成する。

モータ５は、燃料電池１と二次電池５と電気的に接続し、例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込み量などに応じて燃料電池１または二次電池６から取り出された出力（電力）が供給され、その電力によってトルクを発生させる。

二次電池６は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池、または電気二重層キャパシタなどであり、燃料電池システムから取り出す出力に応じて充放電を行い、モータ５に電力を供給する。二次電池６は燃料電池１と回生ブレーキシステム７とも電気的に接続し、燃料電池１と回生ブレーキシステム７とにより発電された電力によって充電することができる。

回生ブレーキシステム７は、例えば発電機であり、燃料電池自動車が走行中に減速し、停止しようとする場合に運動エネルギーの一部を電気エネルギーとして回収し、二次電池６を充電するシステムである。

コントローラ２０はモータ５で消費される電力と二次電池６の蓄電量（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ、以下ＳＯＣとする）に基づいて二次電池６の出力と燃料電池１の出力を制御する。

なお、燃料電池１とモータ５、モータ５と二次電池６などの間には、電気的な接続状態を切り替えるスイッチ（図示せず）などを備える。

燃料極４１には水素ボンベ２から水素供給路１０を通って水素流路３６に水素が導入され、また酸化剤極４２にはコンプレッサ４から空気供給路１３を通って空気流路３６に空気が導入される。そして、アノードガス拡散層３４とカソードガス拡散層３５とによってそれぞれ拡散した水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電を行う。

ここで燃料電池１の単位セル３０あたりの電圧を開路電圧（ＯＣＶ）と所定電圧との間で繰り返し変化させた場合、つまり単位セル３０の出力を無負荷状態から所定電圧となるような所定出力まで繰り返し変化させた場合の所定電圧と、カソード触媒層３３の電気化学的表面積（以下、ＥＣＡとする）の変化量と、の関係を図３に示す。なお、所定電圧は単位セル３０の電圧が高い順番にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５つの種類の電圧とし、各電圧に対応する燃料電池１から取り出す出力の大きさをそれぞれ出力が小さい順番にａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅとする。また、カソード触媒層３３のＥＣＡの変化量は、上述の通り、ＯＣＶと所定電圧との間で、所定時間繰り返し変化させた後のＥＣＡと、所定時間ＯＣＶで保持しつづけた場合のＥＣＡをそれぞれサイクリックボルタンメトリーで測定し、それらの比率で示す。白金担持カーボンの腐食に伴うＥＣＡの低下については、より高い電位であるＯＣＶに保持している場合の方がＥＣＡの変化量は大きくなるが、本実験結果では、電位を変化させることによるＥＣＡの変化量の方が顕著であるため、このＥＣＡの変化は白金の酸化還元反応に伴う溶出現象が大きく寄与するものと考えられる。尚、ＥＣＡの変化量は比率が大きくなる程、カソード触媒層３３の白金の溶出が多くなる。

図３によると燃料電池１をＯＣＶに保持するよりも、ＯＣＶと所定電圧との間で電圧変化を繰り返した方が、白金の溶出量が多くなる。また、所定電圧を低くする程、白金の溶出量が多くなる。ＯＣＶから所定電圧まで単位セル３０の電圧を低下させることで、カソード触媒層３３の電位が低下し、カソード触媒層３３の白金の表面に形成される酸化被膜が還元され、減少する。その後に再び単位セル３０の電圧を高くすると、カソード触媒層３３が高電位となり、白金が酸化され、酸化被膜が形成されるまでの間に、白金がイオン化する。その際、イオン化した白金の一部は、白金の周囲に存在する電解質成分（触媒層中のアイオノマーや電解質膜）に拡散し、溶出する。そのためＯＣＶと所定電圧との間で電圧変化を繰り返すと、カソード触媒層３３の電位変化と白金の酸化還元の繰り返しにより、カソード触媒層３３の白金が溶出する。

また、所定電圧をＢ（第１の所定電圧）よりも小さく、つまり単位セル３０から取り出す出力をｂよりも大きくした場合には、ＥＣＡの変化量が大きくなり、白金の溶出量の増加割合が多くなる。さらに所定電圧をＤ（第２の所定電圧）よりも小さく、つまり単位セル３０から取り出す出力をｄよりも大きくすると、電圧変化量に対するＥＣＡの変化量は小さくなり、白金の溶出量の増加割合が小さくなる。

以上により、燃料電池１の単位セル３０あたりの電圧変化を小さく、特に所定電圧Ｂ以上、つまり単位セル３０から取り出す出力をｂ以下とすることで、白金の溶出を低減できる。

なお、以下において、燃料電池１の電圧、または燃料電池１の出力は単位セル３０あたりの電圧、または出力として説明する。

次にこの実施形態の制御について図４のフローチャートを用いて説明する。なお、この制御は、燃料電池自動車がアイドル状態（停車状態）から発進する場合のフローチャートである。

ステップＳ１００では、燃料電池自動車がアイドル状態にある場合に、例えば運転者のアクセルペダル踏み込みなどが行われ、燃料電池自動車が発進する。

ステップＳ１０１では、二次電池６からモータ５への電力の供給を主体として、燃料電池１からモータ５へ供給する電力を小さくする。この場合には燃料電池１の電圧が図３に示す所定電圧Ｂよりも低くならないように、燃料電池１の出力をｂ以下となるように制御し、燃料電池１の電圧、特に酸化剤極４２の電位を高い状態に維持する。また、モータ５で必要な残りの電力を二次電池６から供給する。燃料電池１の電圧を高く維持することにより、酸化剤極４２の電位を高くし、酸化剤極４２の白金の表面に形成された酸化被膜の還元を抑制し、その後燃料電池１の電圧が高くなった場合でも白金の溶出を抑制することができる。なお、この実施形態では、所定電圧Ｂを０．８Ｖとする。

ステップＳ１０２では、二次電池６のＳＯＣを検出し、検出したＳＯＣが二次電池６を満充電とした状態のＳＯＣに対して１０％以下となっているかどうか判定する。そして、二次電池６のＳＯＣが１０％以下となっている場合には、ステップＳ１０３へ進み、二次電池６のＳＯＣが１０％よりも大きい場合には、二次電池６からモータ５への電力の供給を主体とする電力供給を継続する。なお、二次電池６を満充電にした状態のＳＯＣに対して１０％以下となった場合にステップＳ１０３へ進んだが、１０％という数値に限られることはなく、使用する二次電池６の性能を低下させない範囲で設定する。以下において、二次電池６のＳＯＣを数値（％）と比較する場合は二次電池６を満充電した状態のＳＯＣに対する比率で示す。

ステップＳ１０３では、二次電池６のＳＯＣが小さくなったので、燃料電池１を主体としてモータ５に電力を供給する。つまり、燃料電池１の出力制限を解除し、モータ５で必要とされる電力に応じて燃料電池１の出力を制御する。これによって燃料電池１の出力が増加し、燃料電池１の電圧が低くなり、酸化剤極４２の電位が低下するために、酸化剤極４２の白金の表面に形成された酸化被膜の還元される量が増加する。なお、二次電池６からモータ５への電力の供給は、ゼロとしても良く、また微量の電力を供給しても良い。

ステップＳ１０４では、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなったかどうか、例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込みが無くなったかどうか判定する。そして、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなった場合には、ステップＳ１０５へ進む。燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなった場合でも、燃料電池自動車の補機類などへ電力を供給するために、燃料電池１からは比較的小さい出力が取り出されている。この実施形態では、このような補機類などへ出力を供給している状態の出力を「ＮＥＴ出力」とし、燃料電池１の総合的な出力を「出力」とする。

なお、この制御の途中、例えばステップＳ１０４までの間にアクセルペダルの踏み込みが無くなった場合には、ステップＳ１０４以降の制御を行う。

ステップＳ１０５では、ブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれたどうか判定する。そして、ブレーキペダルが踏み込まれた場合にはステップＳ１０６へ進む。なお、ブレーキペダルが踏み込まれていない場合は、慣性力によって燃料電池自動車が走行している場合である。

ステップＳ１０６では、回生ブレーキシステム７によって制動時に発生する運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換し、発生した電力を二次電池６に充電する。なお、ここではステップＳ１０５によってブレーキペダルが踏み込まれた後に回生ブレーキシステム７によって二次電池６を充電するが、ステップＳ１０４の後に、例えば慣性力によって燃料電池自動車が走行している場合に、回生ブレーキシステム７によって二次電池６を充電しても良い。

以上の制御によって、二次電池６のＳＯＣに比較的余裕がある場合には、二次電池６を主体として、モータ５に電力供給を行い、燃料電池１の出力を制限する。これによって、燃料電池１の出力が大きくなる頻度、つまり燃料電池１が低電圧となる頻度を少なくし、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

次にこの実施形態の燃料電池１の電圧変化を図５のタイムチャートを用いて説明する。なお、燃料電池自動車はアイドル状態から発進するものとする。燃料電池自動車がアイドル状態の場合には、燃料電池１のＮＥＴ出力はゼロであり、燃料電池１の電圧は比較的高い電圧（図５中、Ｐとする）に維持されている。また、時間ｔ１から時間ｔ３にかけて、モータ５に要求される出力が一定の割合で増加するものとする。

時間ｔ１において、例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込みが行われ、燃料電池自動車が発進する。これによってモータ５への電力供給を開始するが、まず二次電池６からモータ５への電力供給を主体とする。このとき燃料電池１の出力は、図３に示す出力ｂを超えない範囲に制限される。

時間ｔ２において、二次電池６のＳＯＣが１０％よりも小さくなると、燃料電池１の出力制限を解除し、燃料電池１の出力を大きくし、燃料電池１を主体としてモータ５に電力の供給を行う。これによって燃料電池１の電圧は、図３に示すＢよりも低くなり、酸化剤極４２の電位が低くなる。そのためカソード触媒層３３の白金の酸化被膜の多くが還元され、減少する。

時間ｔ３において、ブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれると、燃料電池１からモータ５への電力の供給を終了するので、燃料電池１の出力が小さくなり、電圧が高くなる。この時、カソード触媒層３３では白金の表面に形成されている酸化被膜が少なく、さらに燃料電池１の酸化剤極４２の電位が高くなるので、カソード触媒層３３の白金の溶出が生じる。

この実施形態においても、時間ｔ２以降、つまり二次電池６のＳＯＣが１０％よりも小さくなると燃料電池１を主体としてモータ５に電力を供給するために、燃料電池１の電圧が低下し、その後ブレーキペダルが踏み込まれる時に燃料電池１の電圧が高くなるためにカソード触媒層３３において白金の溶出が生じる。

しかし、二次電池６のＳＯＣが比較的に余裕がある場合には、モータ５に供給する電力をまず二次電池６からの電力供給を主体とするので、例えば二次電池６からの電力供給を主体としている途中にブレーキペダルが踏み込まれた場合など、燃料電池１の出力が大きくなる頻度を少なくすることができ、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、二次電池６のＳＯＣに比較的に余裕がある場合、例えば１０％以上のときには、燃料電池１の電圧が所定電圧Ｂよりも高い電圧となるように燃料電池１の出力を制限する。これにより、燃料電池１の電圧を所定電圧Ｂよりも高い電圧で維持し、燃料電池１の酸化剤極４２の電位を高く維持する。酸化剤極４２の電位変化量を小さくすることで、酸化剤極４２のカソード触媒層３３の白金表面に形成された酸化被膜が還元され、乖離する量を抑制し、その後例えばブレーキペダルが踏み込まれ、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなった場合など、燃料電池１の電圧、酸化剤極４２の電位が再び高くなった場合に生じ得るカソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

また、二次電池６のＳＯＣに比較的に余裕がある場合には、二次電池６を主体として電力をモータ５に供給するので、燃料電池１の電圧が所定電圧Ｂよりも高くなる頻度を少なくする。そのためカソード触媒層３３における白金の溶出を抑制することができる。

次に本発明の第２実形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムは第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

この実施形態では第１実施形態の図４に示すフローチャートが異なっており、ここでは燃料電池システムの制御について図６に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２００からステップＳ２０２までの制御は第１実施形態のステップＳ１００からステップＳ１０２までの制御と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

ステップＳ２０３では、二次電池６のＳＯＣが小さくなったので、燃料電池１を主体としてモータ５に電力を供給する。つまり、燃料電池１の出力制御を解除し、モータ５で必要とされる電力に応じて燃料電池１の出力を制御する。これによって燃料電池１の出力が増加し、燃料電池１の電圧が低くなり、酸化剤極４２の電位が低下するために、酸化剤極４２の白金の表面に形成された酸化被膜が還元される量が増加する。また、燃料電池１から二次電池６に電力を供給し、二次電池６の充電を行う。

ステップＳ２０４では、二次電池６のＳＯＣを検出し、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となったかどうか判定する。そして、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となるとステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０３とステップＳ２０４によって、二次電池６のＳＯＣが小さくなった場合には、燃料電池１によって二次電池６を充電するので、二次電池６のＳＯＣを大きくすることができ、次回の制御において二次電池６を主体とし、燃料電池１の出力を小さくする電力供給を長く行うことができる。

ステップＳ２０５では、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となったので、燃料電池１から二次電池６への充電を終了し、燃料電池１を主体としてモータ５に電力を供給する。なお、二次電池６からモータ５への電力の供給は、ゼロとしても良く、また微小の電力を供給しても良い。なお、燃料電池１から二次電池６への充電を終了する二次電池６のＳＯＣを７０％としたがこれに限られず、回生ブレーキシステム７によって充電される充電量を考慮して設定する。

ステップＳ２０６からステップＳ２０８の制御は第１実施形態のステップＳ１０４からステップＳ１０６の制御と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

以上の制御によって、燃料電池自動車を運転中に、二次電池６のＳＯＣが小さくなると、燃料電池１から二次電池６に充電を行うので、二次電池６のＳＯＣを大きくすることができ、次回の制御時に二次電池６を主体とする電力供給を長く行うことができ、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

次にこの実施形態の燃料電池１の電圧変化を図７のタイムチャートを用いて説明する。なお、燃料電池自動車はアイドル状態から発進するものとする。燃料電池自動車がアイドル状態の場合には、燃料電池１のＮＥＴ出力はゼロであり、燃料電池１の電圧は比較的高い電圧（図７中、Ｐとする）に維持されている。また、時間ｔ１から時間ｔ４にかけて、モータ５に要求される出力が一定の割合で増加するものとする。

時間ｔ２において、二次電池６のＳＯＣが１０％よりも小さくなると、燃料電池１の出力制限を解除し、燃料電池１の出力を大きくし、燃料電池１を主体としてモータ５に電力の供給を行う。これによって燃料電池１の電圧は、図３に示すＢよりも低くなり、酸化剤極４２の電位が低くなる。そのためカソード触媒層３３の白金の酸化被膜の多くが還元される。また、燃料電池１から二次電池６に電力を供給し、二次電池６を充電する。

時間ｔ３において、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となると、燃料電池１による二次電池６の充電を終了し、燃料電池１はモータ５にのみ電力を供給する。

時間ｔ４において、ブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれると、燃料電池１からのモータ５への電力の供給を終了するので、燃料電池１の出力が小さくなり、電圧が高くなる。この時、カソード触媒層３３では白金の表面に形成される酸化被膜が少なく、さらに燃料電池１の酸化剤極４２の電位が高くなるので、カソード触媒層３３の白金の溶出が生じる。

以上のように、二次電池６のＳＯＣが小さくなると、燃料電池１によって二次電池６を充電するので、二次電池６のＳＯＣを大きくすることができ、次回の制御時に二次電池６を主体とする電力供給を長く行うことができ、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、二次電池６のＳＯＣが１０％以下となると、燃料電池１を主体としてモータ５に電力を供給し、さらに燃料電池１によって二次電池６を充電する。これによって二次電池６のＳＯＣを大きくすることができ、次回の制御時に二次電池６を主体とし、燃料電池１の出力を小さくするモータ５への電力供給を長く行うことができる。これにより、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

また、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となると燃料電池１からの充電を終了することで、燃料電池自動車の制動時に回生ブレーキシステム７によって得られる電力を二次電池６に充電し、燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。

次に本発明の第３実形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムは第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

この実施形態では第１実施形態の図４に示すフローチャートが異なっており、ここでは燃料電池システムの制御について図８に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３００からステップＳ３０３までの制御は、第２実施形態のステップＳ２００からステップＳ２０３までの制御と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

ステップＳ３０４では、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなったかどうか、例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込みが無くなったかどうか判定する。そして、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなった場合には、ステップＳ３１４へ進み、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロではない場合にはステップＳ３０５へ進む。

ステップＳ３０５では、燃料電池１の単位セル３０あたりの電圧Ｖ、つまり燃料電池１の出力を検出し、単位セル３０あたりの電圧Ｖを図３に示す所定電圧Ｂと比較し、電圧Ｖが所定電圧Ｂよりも高い場合、つまり燃料電池１の出力が所定出力ｂよりも小さい場合には、ステップＳ３０６に進む。また、電圧Ｖが所定電圧Ｂよりも低い場合、つまり燃料電池１の出力が所定出力ｂよりも大きい場合にはステップＳ３０７へ進む。この実施形態では所定電圧Ｂを０．８Ｖとする。

ステップＳ３０６では、二次電池６のＳＯＣを検出し、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となったかどうか判定する。そして、二次電池６のＳＯＣが７０％以上となるとステップＳ３０７へ進み、二次電池６のＳＯＣが７０％未満の場合にはステップＳ３０４へ戻り上記制御を繰り返す。従って、電圧Ｖが所定電圧Ｂよりも高い間は、燃料電池１の出力の一部を二次電池の充電に利用する。

ステップＳ３０３からステップＳ３０６の制御によって、二次電池６のＳＯＣが小さくなり、かつ燃料電池１の電圧Ｖが所定電圧Ｂよりも高い場合には、所定電圧Ｂを下回らない範囲で燃料電池１によって二次電池６を充電する。これにより二次電池６のＳＯＣを大きくすることができ、次回の制御において二次電池６を主体とする電力供給を長く行うことができる。そのため、燃料電池１の出力が高くなる頻度を少なくし、酸化剤極４２の白金の溶出を抑制することができる。また、燃料電池１の出力が所定出力ｂよりも低い場合に、燃料電池１によって二次電池６を充電するので、例えばこの後に燃料電池１の出力がゼロまたは小さくなり、燃料電池１の電圧が高くなった場合でも、燃料電池１の出力が所定出力ｂよりも低く電圧が高いため、カソード触媒層の白金に酸化被膜が比較的多く形成された状態での電圧変化であるため、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

ステップＳ３０７では、ステップＳ３０５において、燃料電池１の電圧Ｖが所定電圧Ｂよりも低くなる、もしくはステップＳ３０６において二次電池６のＳＯＣが十分に高くなると、燃料電池１による二次電池６への充電を終了し、モータ５にのみ電力を供給する。ステップＳ３０５において燃料電池１の電圧Ｖが所定電圧Ｂよりも低くなると、その後に燃料電池１の電圧Ｖが高くなった場合に図３に示すように白金の溶出量の増加割合が大きくなるので、燃料電池１から二次電池６への充電を停止し、モータ５にのみ電力を供給し、燃料電池１の出力増加を小さくする。

ステップＳ３０８では、燃料電池１の電圧Ｖと図３に示す所定電圧Ｄとを比較し、電圧Ｖが所定電圧ＤＶよりも高くなると、ステップＳ３０９へ進む。この実施形態では所定電圧Ｄを０．７Ｖとする。

ステップＳ３０９では、二次電池６のＳＯＣを検出し、二次電池６のＳＯＣが７０％未満の場合には、ステップＳ３１０へ進み、二次電池６のＳＯＣが７０％以上の場合には、ステップＳ３１２へ進む。

ステップＳ３１０では、燃料電池１の出力が所定出力ｄよりも大きくなり、燃料電池１の電圧Ｖが所定電圧Ｄよりも低い場合には、その後燃料電池１の電圧が高くなっても、電圧変化に対する白金の溶出量の増加割合が小さいので、燃料電池１によって二次電池６を充電する。燃料電池１の出力が大きいので、電圧変化に対する白金の溶出量の増加割合を抑制し、さらに二次電池６へ充電する電力が大きくなるので、二次電池６を素早く充電することができる。

ステップＳ３１１では、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなったかどうか、例えば運転者によるアクセルペダルの踏み込みが無くなったかどうか判定する。そして燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロの場合には、ステップＳ３１４へ進み、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロではない場合にはステップＳ３０９へ戻り上記制御を繰り返す。

一方、ステップＳ３０９において、二次電池６のＳＯＣが７０％以上であると判定された場合にはステップＳ３１２へ進み、燃料電池１による二次電池６への充電を行わず、燃料電池１を主体としてモータ５に電力を供給する。

ステップＳ３１３では、燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロとなったかどうか判定する。そして燃料電池１のＮＥＴ出力がゼロではない場合には、ステップＳ３１４へ進む。

ステップＳ３１４では、ブレーキ（図示せず）が踏み込まれたどうか判定する。そして、ブレーキが踏み込まれた場合にはステップＳ３１５へ進む。なお、ブレーキが踏み込まれていない場合は、慣性力によって燃料電池自動車が走行している場合である。

ステップＳ３１５では、回生ブレーキシステム７によって運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換し、発生した電力を二次電池６に充電する。

以上の制御によって、燃料電池１の電圧Ｖが所定電圧Ｂ以上、または所定電圧Ｄ以下となる場合に、二次電池６のＳＯＣが７０％以上とならない範囲で、燃料電池１から二次電池６へ充電を行う。つまり、燃料電池１の電圧変化に対するカソード触媒層３３の白金の溶出量の増加割合が小さい範囲でのみ、燃料電池１によって二次電池６へ充電を行う。これにより、カソード触媒層３３の劣化を抑制し、さらに二次電池６のＳＯＣを大きくすることができる。そのため、次回の制御時に二次電池６を主体としての電力供給を長くすることができ、酸化剤極４２の劣化を抑制することができる。

次にこの実施形態の燃料電池１の電圧変化を図９のタイムチャートを用いて説明する。なお、燃料電池自動車はアイドル状態から発進するものとする。燃料電池自動車がアイドル状態の場合には、燃料電池１のＮＥＴ出力はゼロであり、燃料電池１の電圧は高い電圧（図９中、Ｐとする）に維持されている。また、時間ｔ１から時間ｔ３にかけて、また時間ｔ４からｔ８にかけてモータ５に要求される出力が一定の割合で増加するものとする。

時間ｔ２において、二次電池６のＳＯＣが１０％よりも小さくなると、燃料電池１の出力制限を解除する。これによって、燃料電池１の出力を大きくし、燃料電池１を主体としてモータ５に電力の供給を行う。また、燃料電池１によって二次電池６を充電する。ここでは、モータ５に必要な電力が小さく、燃料電池１の出力はｂを超えないものとする。

時間ｔ３において、ブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれると、燃料電池１からのモータ５への電力の供給を終了するので、燃料電池１の出力が小さくなり、電圧が高くなる。

時間ｔ１から時間ｔ３においては、燃料電池１の電圧Ｖが図３に示す所定電圧Ｂよりも大きいので、時間ｔ３においてブレーキペダルが踏み込まれ、燃料電池１の電圧が高くなっても、カソード触媒層３３の白金の溶出は少ない。

時間ｔ４、時間ｔ５と時間ｔ１、時間ｔ２と同じなので、説明は省略する。

時間ｔ６において、燃料電池１の出力が大きくなり、燃料電池１の電圧Ｖが図３に示すＢよりも小さくなる。そのため燃料電池１から二次電池６への充電を終了し、燃料電池１はモータ５にのみ電力を供給する。

時間ｔ７において、燃料電池１の出力がさらに大きくなり、燃料電池１の電圧Ｖが図３に示す所定電圧Ｄよりも低くなると、燃料電池１による二次電池６の充電を再開する。燃料電池１の電圧Ｖが、所定電圧Ｄよりも低くなると、燃料電池１の電圧変化に対する白金の溶出量の増加割合が小さくなるので、燃料電池１から二次電池６への充電を再開し、二次電池６を充電する。

時間ｔ８において、ブレーキペダル（図示せず）が踏み込まれると、燃料電池１からのモータ５への電力の供給を終了するので、燃料電池１の出力が小さくなり、電圧が高くなる。この時、カソード触媒層３３では白金に酸化被膜が形成されておらず、さらに燃料電池１の酸化剤極４２の電位が高くなるので、カソード触媒層３３の白金の溶出が生じる。しかし、時間ｔ８より以前に二次電池６へ充電を行うことで、次回の制御時に二次電池６を主体とした電力供給を長く行うことができる。

以上のように、燃料電池１の電圧変化に対する白金溶出割合が小さい場合には、燃料電池１から二次電池６へ充電を行うことにより、次回の制御時に二次電池６を主体とするモータ５への電力供給を長く行うことができるので、次回の制御時にカソード触媒層３３に白金の溶出を抑制することができる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、二次電池６のＳＯＣが小さく、燃料電池１の電圧変化に対するカソード触媒層３３の白金の溶出割合が小さい場合に、燃料電池１から二次電池６へ充電を行う。これにより、次回の制御時に二次電池６を主体とするモータ５への電力供給を長い時間行うことができ、燃料電池１の出力が大きくなる頻度、つまり燃料電池１の電圧が低くなる頻度を少なくすることができ、カソード触媒層３３の白金の溶出を抑制することができる。

また、燃料電池１の電圧Ｖが所定電圧Ｄ以下となる出力、つまり燃料電池１の出力がｄよりも大きい場合に燃料電池１によって二次電池６を充電するので、二次電池６を素早く充電することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池を搭載する車両に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。本発明の単位セルの電圧変化に対するカソード触媒層のＥＣＡの変化量を示すマップである。本発明の第１実施形態の制御を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態の燃料電池の電圧変化を示すタイムチャートである。本発明の第２実施形態の制御を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態の燃料電池の電圧変化を示すタイムチャートである。本発明の第３実施形態の制御を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態の燃料電池の電圧変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池
５モータ（負荷）
６二次電池（エネルギー充放電手段）
７回生ブレーキシステム
２０コントローラ
３１固体高分子電解質膜
３２アノード触媒層
３３カソード触媒層
４１燃料極
４２酸化剤極

Claims

電解質膜を挟持し触媒を有する燃料極と酸化剤極とから構成する燃料電池と、
電気エネルギーを充放電するエネルギー充放電手段と、
前記燃料電池と前記エネルギー充放電手段と電気的に接続する負荷と、
前記負荷で消費する電力と前記エネルギー充放電手段の蓄電量とに基づいて、前記燃料電池と前記エネルギー充放電手段との出力を制御する出力制御手段と、を備え、
前記出力制御手段は、前記エネルギー充放電手段の蓄電量が所定量よりも大きい場合に、前記燃料電池の出力を、前記燃料電池の電圧が第１の所定電圧よりも高い電圧となる出力に制限し、
前記第１の所定電圧は、前記燃料電池の電圧が前記第１の所定電圧以下となると前記燃料電池の電圧が前記第１の所定電圧よりも高い場合と比較して前記触媒の溶出量の増加割合が大きくなる電圧であることを特徴とする燃料電池システム。
前記出力制御手段は、前記エネルギー充放電手段の蓄電量が前記所定量よりも小さい場合に、前記燃料電池の出力制限を解除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。
前記エネルギー充放電手段の蓄電量が前記所定量よりも小さい場合に、前記燃料電池によって前記エネルギー充放電手段を充電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。
前記エネルギー充放電手段の蓄電量が前記所定量よりも小さく、かつ前記燃料電池の出力が、前記燃料電池の電圧が前記第１の所定電圧よりも高い電圧となる出力である場合に、前記燃料電池の電圧が前記第１の所定電圧よりも高い電圧となる出力の範囲で、前記燃料電池によって前記エネルギー充放電手段を充電することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記エネルギー充放電手段の蓄電量が前記所定量よりも小さく、かつ前記燃料電池の出力が、前記燃料電池の電圧が前記第１の所定電圧よりも低い第２の所定電圧よりも低い電圧となる出力である場合に、前記燃料電池によって前記エネルギー充放電手段を充電し、
前記第２の所定電圧は、前記第２の所定電圧よりも前記燃料電池の電圧を低くすると前記燃料電池の電圧が前記第２の所定電圧以上である場合と比較して前記触媒の溶出量の増加割合が小さくなる電圧であ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。
前記燃料電池の出力が、前記燃料電池の電圧が前記第１の所定電圧と前記第２の所定電圧との間となる出力である場合に、前記燃料電池から前記エネルギー充放電手段への充電を禁止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。
前記エネルギー充放電手段は、二次電池であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。