JP5008319B2

JP5008319B2 - 固体高分子形燃料電池システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP5008319B2
Application number: JP2006070339A
Authority: JP
Inventors: 修山▲崎▼; 康晴大森; ▲英▼城新宅
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007250294A

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関し、特に耐久性・信頼性を向上させた固体高分子形燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

一般に燃料電池システムでは、燃料極に燃料ガスを供給し、酸素極に酸素含有ガスを供給して発電を行う。このとき燃料極に供給される燃料ガスに一酸化炭素（以下、ＣＯとも記す）が含まれていたり、燃料極等で一酸化炭素が生成されたりすると、電極触媒が一酸化炭素により被毒（以下、ＣＯ被毒と記す）して、発電性能が低下し、耐久性も低下する。ＣＯによって燃料電池システムの性能低下が生じるのは、燃料電池触媒にＣＯ分子が吸着し、燃料極での電極反応が阻害されて燃料極の電位が上昇し、燃料極と酸素極との間の電位差が減少するためである。ＣＯ吸着はＣＯ濃度の増加、燃料利用率の増加、温度の低下によって増大する。固体高分子形燃料電池では、動作温度が他の燃料電池よりも比較的低いので、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素によって燃料極が被毒され易く、固体高分子形燃料電池を構成する各セルの性能の低下が起こり易い。これを回避するために、改質ガス（燃料ガス）中の一酸化炭素濃度を低減したり、改質ガス（燃料ガス）に酸素含有ガス、例えば空気を混合してセル内で一酸化炭素を酸化させたりすることによって、ＣＯ被毒によるセル性能の低下を防止している。

例えば、下記特許文献１には、酸素含有ガスの供給量が許容範囲内になるように高精度に調節するための高価な流量調節手段を用いることなく、酸素極から排出される排ガス（反応後に残存する酸素を含む）を循環させてブリードエアーとして用いる燃料電池発電装置が開示されている。
特開２００５−２５９８５号公報

固体高分子形燃料電池システムは、燃料ガスを製造する改質部、燃料システムを冷却する冷却部、供給ガスを加湿する加湿部など、温度分布が安定するのに時間を要する部分を有している。特に、発電量が変化する固体高分子形燃料電池システムでは、常に温度分布および温度変化が伴うために、最適な温度制御ポイントからずれた状態で運伝される時間帯が生じる。そのために、最適な温度制御ポイントでの運転状態と比較して、燃料ガス中のＣＯ濃度が高い運転状態、燃料利用率が高い運転状態、セル温度が低い運転状態などが存在する。従って、これらの状態において燃料電池がＣＯ被毒の影響を受けて発電効率が低下するのを防止するために、最適な温度制御ポイントでの運転状態よりも多いブリードエアーが燃料ガスに混合される。本明細書において、ブリードエアーとは、一酸化炭素除去用の酸素を供給するために、燃料ガスに混合される酸素含有ガス（例えば空気）を意味する。

（ａ）しかし、ブリードエアーの混合量が多いと、ブリードエアーはセル内で燃料中に含まれる一酸化炭素ＣＯのみならず、水素（Ｈ_２）を酸化してしまうため、発電効率の低下を引き起こす。また、燃焼が電極触媒上で起こるために、電極触媒の不可逆的な劣化をも引き起こす問題がある。

（ｂ）一方、ブリードエアーの量が少ないと、ＣＯ濃度が高い状態で発電する場合、燃料極の電位が上昇し、電極触媒に用いられる触媒金属が酸化したり溶出したりすることによって、不可逆的に燃料極の耐ＣＯ被毒性が低下してしまうので、セルの寿命が短くなってしまう問題がある。燃料電池触媒には燃料極反応触媒である白金に加えて、ルテニウムを混合させてＣＯ被毒の影響を低減させている。しかし、ルテニウムは白金よりも酸化され易く、燃料極電位が上昇した場合にルテニウムが酸化、溶融し、耐ＣＯ被毒性が低下する。そして、一度、耐ＣＯ被毒性が低下すると、ＣＯ被毒の影響を受け易くなり、さらに電位が上昇してしまうために、加速度的に燃料極の劣化が進行する。

上記特許文献１の燃料電池発電装置は常にブリードエアーを供給するものであり、上記した（ａ）および（ｂ）の問題を解決することはできない。

本発明は、上記の課題を解決すべく、ブリードエアーの過多または過少による発電効率の低下および燃料極触媒の損傷を低減することができる固体高分子形燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

通常、燃料電池システムは、定格負荷一定で運転されるのではなく、電力負荷に応じて発電出力を変動させて運転される。そして、負荷が小さい運転状態（発電電流が小さい状態）では、燃料極がＣＯによって被毒されても発電性能への影響は小さく、負荷が大きく（発電電流が大きく）なるにつれてＣＯ被毒の影響が大きくなる。本願発明者は、この点に注目し、発電電流の大きさに応じて燃料ガスにブリードエアーを混合する本発明をするに至った。

即ち、本発明に係る第１の固体高分子形燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段とを備える固体高分子形燃料電池システムであって、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部とをさらに備え、前記電流測定部によって測定された電流値から求めた電流密度が第１しきい値よりも大きい場合、前記制御部が前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させ、前記固体高分子形燃料電池システムが稼動してから所定の時間経過した後に、前記制御部が、前記第１しきい値よりも小さい値を新たな第１しきい値とすることを特徴としている。

また、本発明に係る第２の固体高分子形燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段とを備える固体高分子形燃料電池システムであって、
制御部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部とをさらに備え、前記電流測定部によって測定された電流値から求めた電流密度が第１しきい値よりも大きい場合、前記制御部が前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させ、前記制御部が、前記電流密度が前記第１しきい値以下である場合に、燃料ガスに酸素含有ガスを混合しない状態で前記電圧測定部によって測定された電圧値を、前記燃料電池スタックを構成するセルの数で除して得られた第１の出力電圧値を取得し、燃料ガスに酸素含有ガスを混合した状態で前記電圧測定部によって測定された電圧値を、前記セルの数で除して得られた第２の出力電圧値を取得し、前記第２の出力電圧値から前記第１の出力電圧値を減算して求められる電圧差が第２しきい値よりも大きい場合、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させることを特徴としている。

また、第１の固体高分子形燃料電池システムまたは第２の固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記第１しきい値は、１００〜１５０ｍＡｃｍ ^-2 の範囲の値であることができる。また、第２の固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記第２しきい値は、１０ｍＶであることができる。

また、本発明に係る第１の固体高分子形燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段と、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記電流測定部から電流値を取得し、電流密度を求める第１ステップと、前記制御部が、前記電流密度および第１しきい値の大小を比較する第２ステップと、前記制御部が、前記電流密度が前記第１しきい値よりも大きいと判断した場合に、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させる第３ステップと、前記固体高分子形燃料電池システムが稼動してから所定の時間経過した後に、前記制御部が、前記第１しきい値よりも小さい値を新たな第１しきい値とする第４ステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る第２の固体高分子形燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段と、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記電流測定部から電流値を取得し、電流密度を求める第１ステップと、前記制御部が、前記電流密度および第１しきい値の大小を比較する第２ステップと、前記制御部が、前記電流密度が前記第１しきい値よりも大きいと判断した場合に、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させる第３ステップとを含み、前記電流密度が前記第１しきい値以下である場合に、さらに、前記制御部が、燃料ガスに酸素含有ガスを混合しない状態で前記電圧測定部から電圧値を取得し、該電圧値を前記燃料電池スタックを構成するセルの数で除して第１の出力電圧値を取得する第４ステップと、前記制御部が、燃料ガスに酸素含有ガスを混合した状態で前記電圧測定部から電圧値を取得し、該電圧値を前記セルの数で除して第２の出力電圧値を取得する第５ステップと、前記制御部が、前記第２の出力電圧値から前記第１の出力電圧値を減算して電圧差を求め、該電圧差および第２しきい値の大小を比較する第６ステップと、前記電圧差が前記第２しきい値以上である場合、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させる第７ステップとを含むことを特徴としている。

本発明によれば、固体高分子形燃料電池システムにおいて、出力電流密度が小さい場合には燃料ガスにブリードエアーを混合せず、出力電流密度が大きくなるとブリードエアーを混合するようにしているので、非常に簡単な制御で、ブリードエアーの過多および過少による発電効率の低下および燃料極触媒の損傷を低減することができる。

また、ブリードエアーを混合するか否かを決定する出力電流密度のしきい値として、約１００〜１５０ｍＡｃｍ^−２を使用することによって、ブリードエアーの過多および過少による発電効率の低下および燃料極触媒の損傷を効率的に低減することができる。

また、固体高分子形燃料電池システムが稼動してから所定の時間経過した後に、出力電流密度のしきい値を減少させることによって、運転時間が長くなった場合、より低い出力電流密度においても燃料ガスにブリードエアーを混合するようになるので、燃料電池の経時的な性能低下、即ち出力電圧の低下を改善することができる。

また、ブリードエアーの混合の有無による出力電圧の変化を測定することによって、出力電流密度が、ブリードエアーを混合しない範囲の値であっても、ブリードエアーを混合することができるので、燃料電池の経時的な性能低下、即ち出力電圧の低下を改善することができる。

ブリードエアーの混合の有無による出力電圧の変化が約１０ｍＶ以上である場合に、ブリードエアーを混合することによって、燃料電池の経時的な性能低下、即ち出力電圧の低下を、より効率的に改善することができる。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本固体高分子形燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが直列接続されて形成された燃料電池スタック１と、供給される原燃料ガスから燃料ガスとして水素ガスを生成する燃料ガス生成部２と、燃料ガス生成部２から供給される燃料ガスに第１酸素供給部Ｐ１から供給される空気をブリードエアーとして混合する混合部３と、酸素極に酸素を供給するための第２酸素供給部Ｐ２と、燃料電池スタック１から負荷Ｌに供給される電流値を測定する電流測定部４と、これら各部を制御する制御部５とを備えて構成されている。図１においては、本発明の実施の形態を説明するために必要となる構成要素を示し、その他の構成要素は省略しているが、本固体高分子形燃料電池システムは電力を供給する機能を実現する上で必要となる通常の構成要素を備えている。

混合部３から排出されるガスは、燃料電池スタック１の燃料極（図示せず）に供給され、第２酸素供給部Ｐ２から排出されるガスは、燃料電池スタック１の酸素極（図示せず）に供給される。第１および第２酸素供給部Ｐ１、Ｐ２は、例えば回転ポンプであり、制御部５からの制御信号によってＯＮ・ＯＦＦが制御され、空気（大気）を酸素含有ガスとして燃料電池スタックに供給する。混合部３は、２系統から入力されるガスを混合する手段であり、例えば、電磁開閉弁を用いることができ、制御部５からの制御信号によって、第１酸素供給部Ｐ１から供給される空気が入力される系統の弁を開閉する。電流測定部４は、燃料電池スタック１から負荷Ｌに供給される電流Ｉを計測し、対応する信号を制御部５に伝送する。制御部５は、ＣＰＵなどの演算処理部、データを一次的に記録するメモリ部、データを持続的に記録する記録部、及び各部とのインターフェース部（何れも図示せず）を備えている。

以上の構成によって、本固体高分子形燃料電池システムは、発電中に燃料電池スタック１の出力電流密度に応じて、燃料ガスへのブリードエアーの混合を制御する。その制御方法に関して、以下に具体的に説明する。

図２は、図１に示した固体高分子形燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。以下では、制御部５の演算処理部（以下、ＣＰＵと記す）が行う処理として説明する。また、ＣＰＵは、制御部５内部の記録部から所定のプログラムおよびデータを読み出し、メモリ部をワークエリアとして用いて後述する各々の処理を行い、必要に応じて処理途中のデータ及び処理結果のデータを記録部に記録する。

本固体高分子形燃料電池システムが起動されると、燃料電池スタック１に燃料ガスおよび空気が供給され、燃料電池スタック１から電力が供給される。このとき、第１酸素供給部Ｐ１は停止しており、混合部３から燃料電池スタック１には、ブリードエアーを含まない燃料ガス生成部２からのガスのみが供給される。同時にステップＳ１において、初期設定を行う。即ち、記録部に予め記録されているしきい値ｉ_thおよび燃料電池スタック１の電極面積Ｓ（ｃｍ²）をメモリ部に読み込み、第１酸素供給部Ｐ１の動作状態を示すフラグに、停止状態に対応する“０”をセットする。尚、フラグが“１”であれば、第１酸素供給部Ｐ１が稼動し、混合部３によって燃料ガスにブリードエアーが混合されている状態を表す。

ステップＳ２において、電流測定部４から伝送される出力電流Ｉに相当する信号（例えば電圧）を取得し、取得した信号から電流値Ｉを求め、電流値Ｉを電極面積Ｓで除して電流密度ｉ（ｍＡｃｍ^-2）を求める。

ステップＳ３において、ステップＳ２で求めた電流密度ｉとしきい値ｉ_thとの大小を比較する。ｉ＞ｉ_thでないと判断した場合、ステップＳ４に移行し、ｉ＞ｉ_thであると判断した場合、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ４において、第１酸素供給部Ｐ１を停止状態にする。具体的には、フラグが“０”であれば何もせず、フラグが“１”であれば、第１酸素供給部Ｐ１に停止信号を、混合部３に混合停止信号をそれぞれ伝送した後、ステップＳ６に移行する。これによって、後述するようにブリードエアーが燃料ガスに混合されている状態であれば、ブリードエアーの混合が停止され、混合部３を介しては、燃料ガス生成部２から供給されるガスのみが燃料電池スタック１に供給される。

ステップＳ５において、第１酸素供給部Ｐ１を運転状態にする。具体的には、フラグが“１”であれば何もせず、フラグが“０”であれば、第１酸素供給部Ｐ１に起動信号を、混合部３に混合開始信号をそれぞれ伝送した後、フラグを“１”にセットする。これによって、混合部３において、燃料ガス生成部２から供給される燃料ガスに、第１酸素供給部Ｐ１から供給される空気が混合され、燃料電池スタック１に供給される。

ステップＳ６において、終了の有無を判断し、終了するまでステップＳ２〜Ｓ６の処理を繰り返す。即ち、本固体高分子形燃料電池システムが運転を開始した直後は、ステップＳ２〜Ｓ４の処理が繰り返され、その後、出力電流密度ｉがしきい値ｉ_thよりも大きくなると、ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ５の処理が繰り返される。そして、本固体高分子形燃料電池システムが停止する場合、出力電流密度が低下するので、停止直前にはステップＳ２〜Ｓ４の処理が繰り返される。

以上の一連の処理によって、燃料電池スタック１から供給される電流密度ｉが、所定のしきい値ｉ_th以下であれば燃料ガスにブリードエアーを全く混合せず、電流密度ｉが、所定のしきい値ｉ_thよりも大きい場合には燃料ガスにブリードエアーを混合することができる。すなわち、燃料ガスに混合されるブリードエアーの過多および過少による電極の損傷を防止することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本固体高分子形燃料電池システムは、図１に示した第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムに類似する構成をしており、図３では、図１と同じ機能の構成要素には同じ符合を付している。すなわち、図３に示した固体高分子形燃料電池システムは、電圧測定部６を備えている点で、図１に示した固体高分子形燃料電池システムと異なる。電圧測定部６は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖを測定し、対応する信号を制御部５に伝送する。なお、図３では省略しているが、本固体高分子形燃料電池システムは、時計、タイマーなどの計時手段をも備えている。

以上の構成によって、本固体高分子形燃料電池システムは、燃料電池スタック１の出力電流ｉおよび出力電圧Ｖの変化に応じて、燃料ガスへのブリードエアーの混合を制御する。その制御方法に関して、以下に具体的に説明する。

図４は、図３に示した固体高分子形燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態の説明と同様に、以下においても、制御部５のＣＰＵが行う処理として説明し、ＣＰＵは、制御部５内部の記録部から所定のプログラムおよびデータを読み出し、メモリ部および記録部を用いて処理を実行する。なお、図２を用いて説明した処理と同様の処理は簡略に記載する。

本固体高分子形燃料電池システムが起動されると、燃料電池スタック１に燃料ガスおよび空気が供給され、燃料電池スタック１から電力が供給される。このとき、第１酸素供給部Ｐ１は停止しており、混合部３から燃料電池スタック１には、ブリードエアーを含まない燃料ガス生成部２からのガスのみが供給される。同時にステップＳ１１において、初期設定を行う。即ち、記録部に予め記録されている第１しきい値ｉ_th、第２しきい値Ｖ_th、燃料電池スタックの電極面積Ｓ（ｃｍ²）および燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルの枚数Ｎをメモリ部に読み出し、第１酸素供給部Ｐ１の動作状態を示すフラグに、停止状態に対応する“０”をセットする。

ステップＳ１２において、図２のステップＳ２と同様に、電流Ｉから電流密度ｉを求める。

ステップＳ１３において、図２のステップＳ３と同様に、電流密度ｉと第１しきい値ｉ_thとの大小を比較してｉ＞ｉ_thであると判断した場合、ステップＳ１９に移行し、フラグが“０”であれば、第１酸素供給部Ｐ１に起動信号を、混合部３に混合開始信号をそれぞれ伝送した後、フラグを“１”にセットする。これによって、燃料ガス生成部２から排出されて混合部３に供給される燃料ガスに、第１酸素供給部Ｐ１から供給される空気（ブリードエアー）が混合され、燃料電池スタック１に供給される。尚、ステップＳ１９で、フラグが“１”であれば何もしない。

一方、ｉ＞ｉ_thでないと判断した場合、ステップＳ１４に移行し、電圧測定部６から伝送される、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖに対応する信号（例えば電圧）を取得し、取得した信号から電圧Ｖを求め、電圧Ｖを燃料電池セルの枚数Ｎで除して燃料電池セル１枚当たりの電圧Ｖ₀を求める。

ステップＳ１５において、フラグの状態に応じて、ブリードエアーの混合を開始または停止する。具体的には、フラグが“０”であれば、第１酸素供給部Ｐ１に起動信号を、混合部３に混合開始信号をそれぞれ伝送した後、フラグを“１”にセットする。フラグが“１”であれば、第１酸素供給部Ｐ１に停止信号を、混合部３に混合停止信号をそれぞれ伝送した後、フラグを“０”にセットする。

ステップＳ１６において、ステップＳ１５での処理後から所定時間経過後、ステップＳ１４と同様に燃料電池セル１枚当たりの電圧Ｖ₁を求め、電圧Ｖ₁とステップＳ１４で求めた電圧Ｖ₀との差の絶対値を計算し、電圧差ΔＶ（＝｜Ｖ₁−Ｖ₀｜）を求める。このとき、ステップＳ１５での処理によって、ステップＳ１６におけるブリードエアーの混合状態は、ステップＳ１４と異なる状態になっている。従って、電圧差ΔＶは、ブリードエアーの混合の有無による電圧変化である。なお、所定時間経過したか否かは、計時手段を用いて、ステップＳ１５での処理後からの経過時間を測定することによって行う。

ステップＳ１７において、ステップＳ１６で求めた電圧差ΔＶが第２しきい値Ｖ_th以上か否かを判断する。ΔＶ≧Ｖ_thでないと判断した場合、ステップＳ１８に移行し、図２のステップＳ４と同様に、フラグに応じて、第１酸素供給部Ｐ１に停止信号を、混合部３に混合停止信号をそれぞれ伝送した後、ステップＳ２０に移行する。一方、ΔＶ≧Ｖ_thであると判断した場合、ステップＳ１９に移行し、上記したようにブリードエアーを混合する。

ステップＳ２０において、終了の有無を判断し、終了するまでステップＳ１２〜Ｓ２０の処理を繰り返す。即ち、ブリードエアーの有無による電圧差ΔＶが第２しきい値Ｖ_thを超えない範囲の値に、予め第１しきい値ｉ_thを設定しておけば、本固体高分子形燃料電池システムが運転を開始した直後は、ステップＳ１２〜Ｓ１８の処理が繰り返され、その後、出力電流密度ｉが第１しきい値ｉ_thよりも大きくなると、ステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１９の処理が繰り返される。そして、本固体高分子形燃料電池システムの運転時間が長くなり出力特性が劣化すると、ｉ≦ｉ_thとなった場合でも、ΔＶ≧Ｖ_thであれば、ステップＳ１２〜Ｓ１７、Ｓ１９の処理が行われるようになる。

以上の一連の処理によって、燃料電池スタック１から供給される電流密度ｉが所定の第１しきい値ｉ_th以下であり、且つブリードエアーが燃料ガスに含まれるか否かによって生じる出力電圧の変化ΔＶが所定の第２しきい値Ｖ_thよりも小さい場合には、燃料ガスにブリードエアーを全く混合せず、この条件以外の場合には燃料ガスにブリードエアーを混合することができる。すなわち、燃料ガスに混合されるブリードエアーの過多および過少による燃料電池電極の損傷を防止することができる。

燃料電池は運転開始から時間が経過するにつれて特性が劣化するので、初期に設定した第１しきい値ｉ_thを用いて判断した場合、ＣＯ被毒が出力特性に影響する状態になっても、ブリードエアーを混合できないことになり、特性の劣化が加速される。しかし、本実施の形態では、出力電流密度ｉが第１しきい値ｉ_th以下である場合には、例えば、一時的にブリードエアーを混合してブリードエアーの有無による出力電圧差ΔＶを求め、ΔＶが第２しきい値Ｖ_th以上であればブリードエアーの混合を維持するので、経時変化による燃料電池の特性劣化の程度に応じて、適切なタイミングでブリードエアーの混合を開始することができ、燃料電池の特性劣化を軽減することができる。

上記した第１および第２の実施の形態において、第１しきい値ｉ_th及び第２しきい値Ｖ_thは、使用する固体高分子形燃料電池システムの特性に応じて、特に燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの特性に応じて適切に設定することができる。第１しきい値ｉ_thは約１００〜１５０ｍＡｃｍ^-2の範囲の値であることが望ましい。燃料電池セルの耐久性の観点からは、ブリードエアーをなるべく混合しない方が望ましいので、第１しきい値ｉ_thは約１５０ｍＡｃｍ^-2に近い値ほど、より望ましい。また、第２しきい値Ｖ_thは約１０ｍＶであることが望ましい。

また、第２の実施の形態において、ステップＳ１５の後にステップＳ１６で燃料電池セルの電圧を測定するまでの所定時間は適宜設定することができ、例えば、約５〜３０分間とすることができる。また、燃料電池システムの運転時間が長くなると、短時間で変化が観測され得るので、所定時間を１分間程度のより短い時間に設定してもよい。

また、図２及び図４に示したフローチャートは一例であり、これらに限定されず、種々変更して実行することも可能である。例えば、図４ではステップＳ１６において出力電圧の差の絶対値を求めたが、電圧差ΔＶを求める方法はこれに限定されず、ブリードエアーが混合された状態の出力電圧からブリードエアーが混合されていない状態の出力電圧を減算した値を求める処理であればよい。例えば、ステップＳ１６でのフラグの値をｆ（１又は０）として、ΔＶ＝(−１)^f+1×Ｖ₁＋(−１)^f×Ｖ₀によって電圧差ΔＶを求めてもよい。

また、図１、図３において、燃料ガスへのブリードエアーの混合の開始および停止を、第１酸素供給部Ｐ１および混合部３を制御することによって行う場合を説明したが、これに限定されない。例えば、第１酸素供給部Ｐ１を連続運転させ、混合部３のみを制御してもよく、２系統の入力が常に混合される混合部３を用い、第１酸素供給部Ｐ１のみを制御して起動および停止させてもよい。

また、固体高分子形燃料電池システムでは通常、発電開始から時間が経過すると出力特性が低下するので、これを判断するために、第２の実施の形態としてブリードエアーの有無による出力電圧の変化量を用いる場合を説明したが、発電の時間経過に伴う出力特性の低下を判断する方法はこれに限定されない。例えば、固体高分子形燃料電池システムに備えた計時手段を用いて、制御部５が、運転開始直後から、若しくは運転開始から所定の時間が経過した時からの運転時間を計算し、所定の時間Ｔが経過した後は、しきい値ｉ_thよりも小さい新たなしきい値ｉ_th’（＜ｉ_th）を用いてブリードエアーを混合するか否かを決定してもよい。さらに、時間Ｔは１つに限らず、複数の時間Ｔ(j)（Ｔ(j-1)＜Ｔ(j)、ｊ＝１〜ｎ、ｎは２以上の自然数）を用い、それぞれの時間Ｔ(j)に対応し、時間Ｔ(j)が大きくなるにつれて減少する複数のしきい値ｉ_th(j)’（ｉ_th(j-1)’＞ｉ_th(j)’、ｊ＝１〜ｎ）を用いてもよい。

以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。

図５は、実験に用いた固体高分子形燃料電池セルを示す正面図である。図５に示す固体高分子形燃料電池セルは、燃料極、酸素極および電解質膜を備えて構成された燃料電池部１０と、カーボンのセパレータ１１と、ヒータ１２とを備えている。セパレータ１１の内側には、温度を測定するための熱伝対が配置されている。燃料電池セルのセル面積は２５ｃｍ²（＝５ｃｍ×５ｃｍ）である。

この固体高分子形燃料電池セルを用い、次の条件で、ブリードエアーを混合しない場合と、ブリードエアーを混合した場合とで、出力電流密度を変化させて燃料極および酸素極の間の電圧を測定した。即ち、セル温度を約７０℃に維持し、出力電流密度に対して、燃料利用率および酸素利用率がそれぞれ８０％および５０％となるように、燃料ガスおよび酸素ガスの流量を調節した。

燃料ガス：Ｈ_２（約８０％）、ＣＯ_２（約２０％）、及びＣＯ（約１０ｐｐｍ）
酸化ガス：空気
燃料利用率：８０％
酸素利用率：５０％
セル温度：７０℃
加湿条件：飽和加湿
測定結果を図６に示す。図６において、横軸は燃料電池セルの出力電流密度（ｍＡｃｍ^-2）、縦軸は燃料電池セルの出力電圧（ｍＶ）である。また、白丸（○）は燃料ガスにブリードエアーを混合しなかった場合（ＢＡ無し）の測定値であり、黒丸（●）は燃料ガスにブリードエアーを混合した場合（ＢＡ有り）の測定値である。

図６から分かるように、電流密度が増大すると約１００ｍＡｃｍ^-2付近から電圧差がわずかに観測されるが、電流密度が約１５０ｍＡｃｍ^-2以下である間は、ブリードエアーの混合の有無による電圧差は殆どない。電流密度が約１５０ｍＡｃｍ^-2よりも大きくなると、電圧差が生じており、例えば電流密度が約３００ｍＡｃｍ^-2では、ブリードエアーを混合することによって電圧が２０ｍＶ以上増大している。これらのことから、ブリードエアーの過多または過少による発電効率の低下および燃料極触媒の損傷を低減するためには、電流密度が約１００ｍＡｃｍ^-2以下ではブリードエアーを混合しないように制御することが望ましいことが分かる。さらに、燃料電池セルの耐久性の観点からは、ブリードエアーをなるべく混合しない方が望ましいので、電流密度が約１５０ｍＡｃｍ^-2以下である間、ブリードエアーを混合しないことがより望ましいことが分かる。

本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１の固体高分子形燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図３の固体高分子形燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本発明の有効性を示す実験で用いた固体高分子形燃料電池セルの構成を示す正面図である。ブリードエアーの有無による出力電圧の差を示すグラフである。

符号の説明

１燃料電池スタック
２燃料ガス生成部
３混合部
４電流測定部
５制御部
６電圧測定部
Ｐ１第１酸素供給部
Ｐ２第２酸素供給部
Ｌ負荷

Claims

燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段とを備える固体高分子形燃料電池システムであって、
制御部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部とをさらに備え、
前記電流測定部によって測定された電流値から求めた電流密度が第１しきい値よりも大きい場合、前記制御部が前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させ、
前記固体高分子形燃料電池システムが稼動してから所定の時間経過した後に、前記制御部が、前記第１しきい値よりも小さい値を新たな第１しきい値とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段とを備える固体高分子形燃料電池システムであって、
制御部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部とをさらに備え、
前記電流測定部によって測定された電流値から求めた電流密度が第１しきい値よりも大きい場合、前記制御部が前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させ、
前記制御部が、前記電流密度が前記第１しきい値以下である場合に、
燃料ガスに酸素含有ガスを混合しない状態で前記電圧測定部によって測定された電圧値を、前記燃料電池スタックを構成するセルの数で除して得られた第１の出力電圧値を取得し、
燃料ガスに酸素含有ガスを混合した状態で前記電圧測定部によって測定された電圧値を、前記セルの数で除して得られた第２の出力電圧値を取得し、
前記第２の出力電圧値から前記第１の出力電圧値を減算して求められる電圧差が第２しきい値以上である場合、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させることを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
前記第１しきい値が、１００〜１５０ｍＡｃｍ ^-2 の範囲の値であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
前記第２しきい値が１０ｍＶであることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段と、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記制御部が、前記電流測定部から電流値を取得し、電流密度を求める第１ステップと、
前記制御部が、前記電流密度および第１しきい値の大小を比較する第２ステップと、
前記制御部が、前記電流密度が前記第１しきい値よりも大きいと判断した場合に、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させる第３ステップと、
前記固体高分子形燃料電池システムが稼動してから所定の時間経過した後に、前記制御部が、前記第１しきい値よりも小さい値を新たな第１しきい値とする第４ステップとを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの制御方法。
燃料電池スタックと、燃料ガスに酸素含有ガスを混合するブリードエアー混合手段と、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記制御部が、前記電流測定部から電流値を取得し、電流密度を求める第１ステップと、
前記制御部が、前記電流密度および第１しきい値の大小を比較する第２ステップと、
前記制御部が、前記電流密度が前記第１しきい値よりも大きいと判断した場合に、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させる第３ステップとを含み、
前記電流密度が前記第１しきい値以下である場合に、さらに、
前記制御部が、燃料ガスに酸素含有ガスを混合しない状態で前記電圧測定部から電圧値を取得し、該電圧値を前記燃料電池スタックを構成するセルの数で除して第１の出力電圧値を取得する第４ステップと、
前記制御部が、燃料ガスに酸素含有ガスを混合した状態で前記電圧測定部から電圧値を取得し、該電圧値を前記セルの数で除して第２の出力電圧値を取得する第５ステップと、
前記制御部が、前記第２の出力電圧値から前記第１の出力電圧値を減算して電圧差を求め、該電圧差および第２しきい値の大小を比較する第６ステップと、
前記電圧差が前記第２しきい値以上である場合、前記ブリードエアー混合手段を制御して燃料ガスに酸素含有ガスを混合させる第７ステップとを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの制御方法。