JP5725423B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、触媒活性化機能を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムである。燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アセンブリを有する。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有する。

この種の燃料電池システムでは、セル電圧が酸化電圧（約０．７Ｖ〜１．０Ｖ）になる運転領域で電池運転を継続すると、触媒層の白金触媒表面への酸化皮膜形成により、白金触媒の有効面積が減少し、触媒層の性能ひいては発電性能が低下することがある。特許文献１には、カソード電位を還元電圧（例えば０．６Ｖ以下）まで引き下げることにより、白金触媒表面から酸化皮膜を除去して発電性能を回復する処理（以下、リフレッシュ処理）を燃料電池から出力を取り出しつつ実施する技術について言及されている。

特開２００９−６４６８１号公報

特許文献１に開示の技術では、リフレッシュ処理の実施によって燃料電池の出力が変動するため、負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電池へ余剰電力を供給（充電）する等し、燃料電池の出力を安定させる必要がある。
しかしながら、蓄電池の残容量が多い場合には、余剰電力を当該蓄電池に充電することができないため、リフレッシュ処理を実施することができなくなる、という不都合が生じ得る。

そこで、本発明は、触媒層の性能回復処理を蓄電装置の残容量に依存せずに実施することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、
負荷に対して前記燃料電池と並列接続されて前記負荷への放電及び前記燃料電池からの充電が可能な蓄電装置と、
前記燃料電池に要求される要求出力電力に基づいて当該燃料電池の運転ポイントを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることによって前記触媒層の性能回復処理を実施可能であると共に、当該性能回復処理を実施する場合に、前記要求出力電力を満たす複数の前記運転ポイントのうち出力電圧がより低い方の運転ポイントを選択するものである。

この構成では、性能回復処理が必要となった場合には、燃料電池に要求される要求出力電力に対応する運転ポイントのうち、より出力電圧が低い方、言い換えれば、より出力電流が高い方、つまり、通常制御領域に属さない運転ポイントでの制御が敢えて選択されることになるが、燃料電池の出力電力の安定化が図られるので、蓄電装置の残容量に依存することなく、性能回復処理の効果を得ることが可能となる。

上記構成において、前記制御装置は、前記性能回復処理を実施する場合に、前記燃料電池の電流電圧特性を示すＩＶ曲線上において前記運転ポイントを低電圧側にシフトさせるように構成されていてもよい。

上記構成において、前記制御装置は、前記性能回復処理を実施する場合に、前記燃料電池の電流電圧特性を低下させる方向に変更し、変更後のＩＶ曲線上において低電圧側の運転ポイントを選択するように構成されていてもよい。

また、上記構成において、前記制御装置は、前記性能回復処理を実施する場合に、前記燃料電池の電流電圧特性を向上させる方向に変更し、変更後のＩＶ曲線上において低電圧側の運転ポイントを選択するように構成されていてもよい。

上記構成において、前記制御装置は、前記燃料電池の温度を調整する、或いは、前記燃料電池への燃料ガス又は／及び酸化ガスの供給量又は／及び供給圧を調整することにより、前記電流電圧特性を変更するように構成されていてもよい。

本発明によれば、触媒層の性能回復処理を蓄電装置の残容量に依存せずに実施することのできる燃料電池システムの提供が可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。 燃料電池システムの運転時に実施するリフレッシュ処理の一例を示すフローチャートである。 燃料電池スタックのＩ−Ｐ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。 燃料電池スタックのＩ−Ｖ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。 燃料電池スタックのＶ−Ｐ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。 燃料電池システムの運転時に実施するリフレッシュ処理の他の例を示すフローチャートである。 燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性変更後のＩ−Ｖ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。 燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性変更後のＶ−Ｐ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。 燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性変更後のＩ−Ｖ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。 燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性変更後のＶ−Ｐ曲線上における運転ポイントの変更を説明する図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示している。

燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、冷媒としての冷却水を燃料電池スタック２０に供給するための冷媒供給系７０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

図２は、燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。
セル２１は、高分子電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、高分子電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。

ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。

リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。

アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂとを有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。

より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。

高分子電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アセンブリ２５が形成される。

図１に戻り、燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ５７、出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ５８が取り付けられている。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４とを有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。

酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６とが接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出（パージ）する。

排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

冷媒供給系７０は、燃料電池スタック２０の冷却水出入口に接続されて冷却水を循環させる冷却路７１を備えている。冷却路７１には、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、冷却水の保有熱を外部に放熱するラジエータＣ２、ラジエータＣ２をバイパスさせるバイパス路７２、及び燃料電池スタック２０から排出された冷却水の流通先を切り替える三方弁Ｃ４が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ３が設けられている。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ（蓄電装置）５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、その残容量であるＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサが取り付けられている。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。

燃料電池スタック２０では、上述の（１）式に示すように、アノード極２３で生成された水素イオンが電解質膜２２を透過してカソード極２４に移動し、カソード極２４に移動した水素イオンは、上述の（２）式に示すように、カソード極２４に供給されている酸化ガス中の酸素と電気化学反応を起こし、酸素の還元反応を生じさせる。その結果、触媒層２４ａの白金触媒表面を酸化皮膜が覆って有効面積が減少し、発電効率（出力特性）が低下する。

そこで、コントローラ６０は、所定の実施タイミングにおいて、セル電圧を還元電圧（リフレッシュ電圧）まで所定時間（リフレッシュ時間）引き下げることによって、酸化皮膜を還元し、触媒表面から酸化皮膜を取り除くリフレッシュ処理を実施する。

より詳細には各セルの電圧、即ち、燃料電池スタック２０の出力電圧を所定時間降下させることによって、出力電流を増加させ、触媒層２４ａにおける電気化学反応を酸化反応領域から還元反応領域に遷移させて触媒活性を回復させるものである。

このように、リフレッシュ処理は、燃料電池スタック２０の発電効率低下の抑制に不可欠なものである。しかしながら、リフレッシュ処理の実施によって燃料電池スタック２０の出力は変動するものであるところ、バッテリ５２の残容量が多い場合には、余剰電力を当該バッテリ５２に充電することができないため、リフレッシュ処理を実施することができなくなる場合も起こり得る。

本発明は、リフレッシュ処理の実施が必要と判断された場合には、燃料電池スタック２０に要求されている出力電力をそのまま保持しながら、当該出力電力が等しい複数の運転ポイントのうち、より出力電圧が低い方の運転ポイントにおける出力電圧を目標電圧に設定することで、バッテリ５２の残容量に依存しないリフレッシュ処理の実施を可能にしたものである。

＜第１の制御形態とその変形例＞
次に、燃料電池システム１０の負荷運転中における一制御例について、図３のフローチャート及び図４乃至図６のマップを参照しながら説明する。

負荷運転とは、アクセル開度や車速などを基に燃料電池スタック２０の発電指令値を算出して運転制御し、車両走行に要する電力やシステム運用上必要な電力を燃料電池スタック２０による発電電力のみによって又は燃料電池スタック２０による発電電力とバッテリ５２からの電力とによって賄う運転のことをいい、発電効率の高い高負荷領域（発電要求が所定値以上となる運転領域）で実施されるものである。

上記負荷運転中、コントローラ６０は、所定の制御周期でリフレッシュ処理の要否判定を行なう（図３のステップＳ１）。このステップＳ１では、例えば、前回実施したリフレッシュ処理からの経過時間（横軸）と、燃料電池スタック２０の発電電流（縦軸）と、酸化皮膜の総量及び内訳（後述するI型酸化皮膜、II型酸化皮膜）との関係を示すマップ（不図示）を参照して判定が行なわれる。

なお、この不図示のマップの他、後述する図４−６及び図８−１１のマップは、実験やシミュレーション結果に基づき作成されたものであり、コントローラ６０内のメモリに記憶されているものとする。

コントローラ６０は、図３のステップＳ１の判定結果が「Ｎｏ」である場合、つまり、リフレッシュ処理が不要である場合には、ステップＳ３の処理をスキップし、メインルーチンに処理を戻す。

すると、コントローラ６０は、例えば図４に示すマップ（Ｉ−Ｐ曲線）を参照し、燃料電池スタック２０に要求される出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントＡ（Ｉ₁，Ｐ₁），Ｂ（Ｉ₂，Ｐ₁）のうち、燃費向上の観点から通常選択される通常制御領域に属する運転ポイントＡ、具体的には、より出力電流Ｉが低い方の運転ポイントＡ（Ｉ₁，Ｐ₁）における出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

一方、ステップＳ１の判定結果が「Ｙｅｓ」である場合、つまり、リフレッシュ処理が必要である場合には、コントローラ６０は、例えば図４に示すマップを参照し、燃料電池スタック２０に要求される出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントＡ（Ｉ₁，Ｐ₁），Ｂ（Ｉ₂，Ｐ₁）のうち、通常制御領域に属さない運転ポイントＢ、具体的には、より出力電流Ｉが高い方の運転ポイントＢ（Ｉ₂，Ｐ₁）における出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する（ステップＳ３）。

この目標電圧は、例えば図５に示すマップ（Ｉ−Ｖ曲線）を参照して求めることができる。そして、このＩ−Ｖ曲線からも明らかなとおり、出力電力Ｐ₁が等しい複数の運転ポイントＡ，Ｂが存在する場合において、より出力電流Ｉが高い方の運転ポイントＢにおける出力電圧Ｖ₂は、通常制御領域に属する運転ポイントＡにおける出力電圧Ｖ₁よりも低い。

そして、この出力電圧Ｖ₂は、記述の還元電圧（リフレッシュ電圧）よりも低い電圧である。よって、通常制御領域に属さない運転ポイントＢでの出力制御により、リフレッシュ効果が得られることになる。

コントローラ６０は、この運転ポイントＢでの制御を所定のリフレッシュ時間だけ継続した後、通常制御領域での制御に戻す。つまり、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０に要求される出力電力に対応する運転ポイントのうち、より出力電流が低い方の運転ポイントにおける出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

以上のとおり、本実施形態では、リフレッシュ処理が必要となった場合には、燃料電池スタック２０に要求される出力電力に対応する運転ポイントのうち、通常制御領域に属さない運転ポイントを敢えて選択してリフレッシュ処理を行なうようにしている。これにより、燃料電池スタック２０の出力電力の安定化が図られるので、バッテリ２５の残容量に依存することなく、リフレッシュ処理を実施し且つその効果を得ることが可能となる。

なお、上記実施形態において、コントローラ６０は、図４及び図５に示すマップ（Ｉ−Ｐ曲線、Ｉ−Ｖ曲線）を参照する例について説明したが、本発明はかかる例に限定されるものではない。例えば、図６に示すマップ（Ｖ−Ｐ曲線）を持っている場合には、当該マップを参照して燃料電池スタック２０に要求される出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントＡ（Ｖ₁，Ｐ₁），Ｂ（Ｖ₂，Ｐ₁）のうち、通常制御領域に属さない運転ポイントＢ（Ｖ₂，Ｐ₁）における出力電圧Ｖ₂を目標電圧Ｖに設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御してもよい。

＜第２の制御形態とその変形例＞
次に、燃料電池システム１０の負荷運転中における他の制御例について、図７のフローチャート及び図８及び図９のマップを参照しながら説明する。

上記負荷運転中、コントローラ６０は、所定の制御周期でリフレッシュ処理の要否判定を行なう（図７のステップＳ１１）。このステップＳ１１で実施される判定処理は、図３における上記ステップＳ１で実施される判定処理と同様であるから、ここでの説明は省略する。

コントローラ６０は、ステップＳ１１の判定結果が「Ｎｏ」である場合、つまり、リフレッシュ処理が不要である場合には、ステップＳ１３，Ｓ１５の処理をスキップし、メインルーチンに処理を戻す。すると、コントローラ６０は、通常制御領域に属する運転ポイントＡにおける出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

一方、ステップＳ１１の判定結果が「Ｙｅｓ」である場合、つまり、リフレッシュ処理が必要である場合には、コントローラ６０は、各セル２１のＩ−Ｖ特性を変更するための処理を実施する（ステップＳ１３）。具体的には、例えば図８に示すように、実線で表示されたＩ−Ｖ曲線から破線で表示されたＩ−Ｖ曲線となるようにＩ−Ｖ特性を低下させる方向に変更する。

かかるＩ−Ｖ特性の変更は、例えば冷却水温度、冷却水循環量、燃料ガス供給量、酸化ガス供給量、燃料ガス供給圧、又は酸化ガス供給圧を変更することにより実現可能である。具体的には、ポンプＣ１又は／及び冷却ファンＣ３の回転数を変更する、循環ポンプ４５又は／及びエアコンプレッサ３２の回転数を変更する等により実現可能であるが、これらの例示に限定されるものではない。

ステップＳ１３の処理を実施すると、図８におけるＩ−Ｖ曲線が実線のものから破線のものへと変化するので、コントローラ６０は、参照するマップを実線で示すＩ−Ｖ曲線に対応するものから破線で示すＩ−Ｖ曲線に対応するものに変更する。

さらに、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の運転ポイントとして、変更後のＩ−Ｖ曲線上における運転ポイントのうち、変更前のＩ−Ｖ曲線上の運転ポイントＡ（Ｉ₁，Ｖ₁）及びＢ（Ｉ₂，Ｖ₂）と同じ出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントであって、出力電流Ｉ₃がＩ₁＜Ｉ₃＜Ｉ₂且つ出力電圧Ｖ₃がＶ₂＜Ｖ₃＜Ｖ₁を満たす運転ポイントＣ（Ｉ₃，Ｖ₃）を選択し、当該運転ポイントＣにおける出力電圧Ｖ₃を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

図８の破線で示すＩ−Ｖ曲線からも明らかなとおり、出力電力Ｐ₁が等しい複数の運転ポイントＡ，Ｂ，Ｃが存在する場合において、運転ポイントＣにおける出力電圧Ｖ₃は、通常制御領域に属する運転ポイントＡにおける出力電圧Ｖ₁よりも低く、記述の還元電圧（リフレッシュ電圧）よりも低い電圧である。
よって、通常制御領域に属さない運転ポイントＣでの出力制御により、リフレッシュ効果が得られることになる。

コントローラ６０は、この運転ポイントＣでの制御を所定のリフレッシュ時間だけ継続した後、通常制御領域での制御に戻す。つまり、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０に要求される出力電力に対応する運転ポイントのうち、より出力電流が低い方の運転ポイントにおける出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

以上のとおり、本実施形態では、リフレッシュ処理が必要となった場合には、セル２１のＩ−Ｖ特性を敢えて低下させるように変更したうえで、燃料電池スタック２０に要求される出力電力に対応する運転ポイントのうち、変更後のＩ−Ｖ曲線上で燃料電池スタック２０に要求される出力電力と同じ運転ポイントにてリフレッシュ処理を行なうようにしている。

これにより、燃料電池スタック２０の出力電力の安定化が図られるので、バッテリ２５の残容量に依存することなく、リフレッシュ処理を実施し且つその効果を得ることが可能となる。しかも、運転ポイントＣ（Ｉ₃，Ｖ₃）は、図８からも明らかなように、Ｉ−Ｖ特性を変更する前のＩ−Ｖ曲線上に乗っている運転ポイントＢ（Ｉ₂，Ｖ₂）よりも出力電流Ｉ₃が低いため、燃費の向上を図ることが可能である。

さらに、運転ポイントＣ（Ｉ₃，Ｖ₃）は、運転ポイントＢ（Ｉ₂，Ｖ₂）よりも出力電圧Ｖ₃が高いため、運転ポイントＡ（Ｉ₁，Ｖ₁）から運転ポイントＣ（Ｉ₃，Ｖ₃）へ変更した場合の電圧変動幅ΔＶ_AC（＝Ｖ₁−Ｖ₃）は、運転ポイントＡ（Ｉ₁，Ｖ₁）から運転ポイントＢ（Ｉ₂，Ｖ₂）へ変更した場合の電圧変動幅ΔＶ_AB（＝Ｖ₁−Ｖ₂）よりも小さくなる。これにより、リフレッシュ処理時における電圧変動幅が減り、セル２１の劣化を抑制することが可能となる。

なお、上記実施形態において、コントローラ６０は、図８に示すマップ（Ｉ−Ｖ曲線）を参照する例について説明したが、本発明はかかる例に限定されるものではない。例えば、図９に示すようなＶ−Ｐ曲線のマップを持っている場合には、Ｉ−Ｖ特性変更後のＶ−Ｐ曲線（破線）のマップを参照して燃料電池スタック２０に要求される出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントのうち、通常制御領域に属さない運転ポイントＣ（Ｖ₃，Ｐ₁）における出力電圧Ｖ₃を目標電圧Ｖに設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御してもよい。

＜第３の制御形態とその変形例＞
次に、燃料電池システム１０の負荷運転中における他の制御例について、図７のフローチャートを援用しつつ、図１０及び図１１のマップを参照しながら説明する。

上記負荷運転中、コントローラ６０は、所定の制御周期でリフレッシュ処理の要否判定を行なう（図７のステップＳ１１）。このステップＳ１１で実施される判定処理は、図３における上記ステップＳ１で実施される判定処理と同様であるから、ここでの説明は省略する。

コントローラ６０は、ステップＳ１１の判定結果が「Ｎｏ」である場合、つまり、リフレッシュ処理が不要である場合には、ステップＳ１３，Ｓ１５の処理をスキップし、メインルーチンに処理を戻す。すると、コントローラ６０は、通常制御領域に属する運転ポイントＸにおける出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

一方、ステップＳ１１の判定結果が「Ｙｅｓ」である場合、つまり、リフレッシュ処理が必要である場合には、コントローラ６０は、各セル２１のＩ−Ｖ特性を変更するための処理を実施する（ステップＳ１３）。具体的には、例えば図１０に示すように、実線で表示されたＩ−Ｖ曲線から破線で表示されたＩ−Ｖ曲線となるようにＩ−Ｖ特性を向上させる方向に変更する。

かかるＩ−Ｖ特性の変更は、例えば冷却水温度、冷却水循環量、燃料ガス供給量、酸化ガス供給量、燃料ガス供給圧、又は酸化ガス供給圧を変更することにより実現可能である。具体的には、ポンプＣ１又は／及び冷却ファンＣ３の回転数を変更する、循環ポンプ４５又は／及びエアコンプレッサ３２の回転数を変更する等により実現可能であるが、これらの例示に限定されるものではない。

ステップＳ１３の処理を実施すると、図１０におけるＩ−Ｖ曲線が実線のものから破線のものへと変化するので、コントローラ６０は、参照するマップを実線で示すＩ−Ｖ曲線に対応するものから破線で示すＩ−Ｖ曲線に対応するものに変更する。

さらに、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の運転ポイントとして、変更後のＩ−Ｖ曲線上における運転ポイントのうち、変更前のＩ−Ｖ曲線上の運転ポイントＸ（Ｉ₁，Ｖ₁）と同じ出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントＹ（Ｉ₂，Ｖ₂），Ｚ（Ｉ₃，Ｖ₃）であって、出力電流Ｉ₃がＩ₂＜Ｉ₁＜Ｉ₃且つ出力電圧Ｖ₃がＶ₃＜Ｖ₁＜Ｖ₂を満たす運転ポイントＺ（Ｉ₃，Ｖ₃）を選択し、当該運転ポイントＺにおける出力電圧Ｖ₃を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

図１０の破線で示すＩ−Ｖ曲線からも明らかなとおり、出力電力Ｐ₁が等しい複数の運転ポイントＸ，Ｙ，Ｚが存在する場合において、運転ポイントＺにおける出力電圧Ｖ₃は、Ｉ−Ｖ特性を変更する前及び変更した後の各通常制御領域に属する運転ポイントＸ，Ｙにおける出力電圧Ｖ₁，Ｖ₂よりも低く、記述の還元電圧（リフレッシュ電圧）よりも低い電圧である。
よって、通常制御領域に属さない運転ポイントＺでの出力制御により、リフレッシュ効果が得られることになる。

コントローラ６０は、この運転ポイントＺでの制御を所定のリフレッシュ時間だけ継続した後、通常制御領域での制御に戻す。つまり、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０に要求される出力電力に対応する運転ポイントのうち、より出力電流が低い方の運転ポイントにおける出力電圧を目標電圧に設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御する。

以上のとおり、本実施形態では、リフレッシュ処理が必要となった場合には、セル２１のＩ−Ｖ特性を向上させるように変更したうえで、燃料電池スタック２０に要求される出力電力に対応する運転ポイントのうち、変更後のＩ−Ｖ曲線上で燃料電池スタック２０に要求される出力電力と同じ運転ポイント、且つ、より出力電圧が低い方の運転ポイントにてリフレッシュ処理を行なうようにしている。

これにより、燃料電池スタック２０の出力電力の安定化が図られるので、バッテリ２５の残容量に依存することなく、リフレッシュ処理を実施し且つその効果を得ることが可能となる。しかも、運転ポイントＺ（Ｉ₃，Ｖ₃）は、図１０からも明らかなように、Ｉ−Ｖ特性を変更する前のＩ−Ｖ曲線上に乗っている運転ポイントＸ（Ｉ₁，Ｖ₁）よりも出力電流Ｉ₃が高いものの出力電圧Ｖ₃は低いため、より大きなリフレッシュ効果が得られることになり、総合的には大幅な性能の向上を図ることが可能となる。

このとき、Ｉ−Ｖ特性変更前の運転ポイントＸ（Ｉ₁，Ｖ₁）と、Ｉ−Ｖ特性変更後の運転ポイントＺ（Ｉ₃，Ｖ₃）との間には、ΔＶ_XZ（＝Ｖ₁−Ｖ₃）に相当する分だけの電圧差があるため、その差分だけリフレッシュ処理時の電圧変動幅がＩ−Ｖ特性変更後では増加してしまうが、記述のとおり、より大きなリフレッシュ効果が得られることにより、総合的には大幅な性能の向上を図ることが可能となる。

なお、上記実施形態において、コントローラ６０は、図１０に示すマップ（Ｉ−Ｖ曲線）を参照する例について説明したが、本発明はかかる例に限定されるものではない。例えば、図１１に示すようなＶ−Ｐ曲線のマップを持っている場合には、Ｉ−Ｖ特性変更後のＶ−Ｐ曲線（破線）のマップを参照して燃料電池スタック２０に要求される出力電力Ｐ₁を満たす運転ポイントのうち、通常制御領域に属さない運転ポイントＺ（Ｖ₃，Ｐ₁）における出力電圧Ｖ₃を目標電圧Ｖに設定してＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御してもよい。

上述の各実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして利用する形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

１１ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
２４ａ 触媒層
２５ 膜−電極アセンブリ
５２ バッテリ（蓄電装置）
６０ コントローラ（制御装置）

Claims (3)

1. 触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、
   負荷に対して前記燃料電池と並列接続されて前記負荷への放電及び前記燃料電池からの充電が可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池に要求される要求出力電力に基づいて当該燃料電池の運転ポイントを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることによって前記触媒層の性能回復処理を実施可能であると共に、当該性能回復処理を実施する場合に、前記要求出力電力を満たす複数の前記運転ポイントのうち出力電圧がより低い方の運転ポイントを選択し、
   前記制御装置は、前記性能回復処理を実施する場合に、前記燃料電池の電流電圧特性を低下させる方向に変更し、変更後のＩＶ曲線上において低電圧側の運転ポイントを選択する、燃料電池システム。
2. 触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、
   負荷に対して前記燃料電池と並列接続されて前記負荷への放電及び前記燃料電池からの充電が可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池に要求される要求出力電力に基づいて当該燃料電池の運転ポイントを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることによって前記触媒層の性能回復処理を実施可能であると共に、当該性能回復処理を実施する場合に、前記要求出力電力を満たす複数の前記運転ポイントのうち出力電圧がより低い方の運転ポイントを選択し、
   前記制御装置は、前記性能回復処理を実施する場合に、前記燃料電池の電流電圧特性を向上させる方向に変更し、変更後のＩＶ曲線上において低電圧側の運転ポイントを選択する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記燃料電池の温度を調整する、或いは、前記燃料電池への燃料ガス又は／及び酸化ガスの供給量又は／及び供給圧を調整することにより、前記電流電圧特性を変更する、燃料電池システム。

Images