燃料電池システム及びその運転方法
【課題】燃料電池システムにおいて、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒の劣化を効果的に抑制する。
【解決手段】負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に空気供給装置３１からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における燃料電池２の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な燃料電池システム１であって、間欠運転継続時間と燃料電池２の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いることにより、電極触媒劣化量が最小になるように間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定し、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する制御装置６を備える。
【解決手段】負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に空気供給装置３１からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における燃料電池２の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な燃料電池システム１であって、間欠運転継続時間と燃料電池２の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いることにより、電極触媒劣化量が最小になるように間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定し、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する制御装置６を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。現在においては、燃料電池システムにおける燃料消費率の向上を目的として、燃料電池の間欠運転が実施されている。間欠運転とは、燃料電池システムに要求される出力が所定の閾値以下である場合に、燃料電池における発電を一時的に休止して二次電池から負荷装置への電力供給を行い、燃料電池には開放端電圧を維持し得る程度の反応ガスを間欠的に供給する運転モードである。
【０００３】
近年においては、間欠運転に伴う電圧変動に起因した電極触媒の劣化を抑制する技術が提案されている。例えば、燃料電池システムの間欠運転中における燃料電池の下限電圧値や上限電圧値を、電圧変動に伴うカーボン担体の劣化の進行を考慮にいれて設定する技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術を採用すると、燃料消費率向上とカーボン劣化とのバランスをとりながら下限（上限）電圧値を設定することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２１０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術においては、走行距離とカーボン担体劣化量との相関関係を示す曲線（劣化特性）を用いることにより、走行距離に応じて下限（上限）電圧の設定値を漸次変化させるという手法を採用している。しかし、このような手法を採用すると、劣化特性取得のために夥しい回数（例えば３万ｋｍ程度の回数）の電圧変動の計測を行う必要があり、手間と労力を要することとなる。
【０００６】
また、特許文献１に記載された従来の技術は、走行距離（電位変動の通算回数）に起因したカーボン担体劣化量のみを考慮するものであり、間欠運転中における上下限電圧値（電圧変動量）に対応する電極触媒劣化量を考慮したものではないため、間欠運転の継続時間の長短によっては電極触媒の劣化を効果的に抑制できない可能性があった。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒の劣化を効果的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定するとともに、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施するものである。ここで、劣化特性曲線は、燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成される。
【０００９】
また、本発明に係る運転方法は、燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、を備え、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを生成するマップ生成工程と、劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する上下限電圧設定工程と、上下限電圧設定工程で設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する間欠運転工程と、を備えるものである。
【００１０】
かかる構成及び方法を採用すると、各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの劣化量と、各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成された劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いて、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させながら間欠運転を実施することができる。従って、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒劣化量を効果的に抑制するような間欠運転制御を行うことができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、燃料電池の電解質膜の乾燥度に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１２】
かかる構成（方法）を採用すると、電解質膜の乾燥度に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、電解質膜の乾燥度が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、電解質膜の乾燥度が増大すると、電解質膜を透過するガス量が減少することから、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も減少する。このような現象を考慮し、電解質膜の乾燥度の増大に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に緩やかにするような補正を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、空気供給装置からの空気供給量に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１４】
かかる構成（方法）を採用すると、空気供給装置からの空気供給量に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、空気供給量が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、空気供給装置からの空気供給量が増大すると、電解質膜の乾燥度が増大し、これにより電解質膜を透過するガス量が減少することから、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も減少する。このような現象を考慮し、空気供給装置からの空気供給量の増大に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に緩やかにするような補正を行うことができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、燃料電池の電解質膜の経年劣化に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１６】
かかる構成（方法）を採用すると、電解質膜の経年劣化に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、電解質膜が経年劣化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、電解質膜の経年劣化（薄膜化）に起因してクロスリーク量が増加すると、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も増加する。このような現象を考慮し、電解質膜の経年劣化（使用年数の経過）に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に急にするような補正を行うことができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、燃料電池の温度（セル温度）又は外気温度に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１８】
かかる構成（方法）を採用すると、セル温度（又は外気温度）に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、セル温度が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、セル温度の上昇に起因してクロスリーク量が増加すると、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も増加する。このような現象を考慮し、セル温度の上昇に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に急にするような補正を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒の劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの間欠運転制御で用いられる劣化特性マップである。
【図３】燃料電池の間欠運転中における各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量を示すマップである。
【図４】燃料電池の間欠運転中における電圧変動の時間履歴を示すタイムチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】電解質膜の乾燥度等に基づいて補正された劣化特性マップである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２２】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００２３】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２やバッテリ５２で発生させた電力を、トラクションインバータ５３を介してトラクションモータＭ３に供給することにより、トラクションモータＭ３を回転駆動するものである。燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
【００２４】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有しており、さらにカソード電極及びアノード電極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。すなわち、燃料電池２においては、アノード電極において以下の（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の（２）式の還元反応が生じ、燃料電池２全体としては以下の（３）式の起電反応が生じる。
【００２５】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ ・・・（３）
【００２６】
燃料電池２には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂが取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。また、燃料電池２の内部には、燃料電池２を冷却するための冷却水が流通しており、この冷却水の温度を検出することにより燃料電池２の温度（セル温度）が間接的に測定されるようになっている。
【００２７】
酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
【００２８】
エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものであり、本発明における空気供給装置に相当するものである。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される空気を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２９】
加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。
【００３０】
燃料ガス配管系４は、燃料供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
【００３１】
燃料供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００３２】
燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００３３】
電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
【００３４】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３５】
バッテリ５２は、トラクションモータＭ３に対して燃料電池２と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、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ものである。バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（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）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
【００３６】
トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ａが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。なお、本実施形態においては、燃料電池２から供給される電力を受けて作動する全ての機器を負荷装置と総称することとする。
【００３７】
制御装置６は、燃料電池システム１の各部を統合的に制御するためのコンピュータシステムであり、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有している。制御装置６は、各種センサから供給される信号（例えば、回転数検知センサ５ａやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号）の入力を受けて、負荷装置の負荷（要求出力）を算出する。そして、制御装置６は、この負荷に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
【００３８】
負荷装置の負荷は、例えば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、各種補機（エアコンプレッサ３１、水素循環ポンプ４５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、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。
【００３９】
また、制御装置６は、通常運転モードと間欠運転モードとの切り換えを行う。通常運転モードとは、トラクションモータＭ３等の負荷装置への電力供給のために燃料電池２が発電を継続的に行う運転モードを意味する。間欠運転モードとは、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転（負荷装置の負荷が所定の閾値以下の領域での運転）時に燃料電池２の発電を一時的に休止し、バッテリ５２から負荷装置への電力供給を行い、燃料電池２には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う運転モードを意味する。
【００４０】
制御装置６は、間欠運転を実施する際に、燃料電池２の電圧変動の上下限電圧値を複数設定することができるように構成されており、燃料電池２を構成する電極触媒の劣化を抑制するような制御（劣化抑制型間欠運転制御）を行う。ここで、劣化抑制型間欠運転制御について説明する。
【００４１】
制御装置６のメモリには、図２に示すように、複数の劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3を含む劣化特性マップが記録されている。劣化特性曲線は、間欠運転継続時間（横軸）と、燃料電池２の電極触媒劣化量（縦軸）と、の相関関係を表すものである。本実施形態においては、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」（上限電圧値：Ｖ3（Ｖ）、下限電圧値：Ｖ1（Ｖ））における劣化特性曲線を「第一劣化特性曲線Ｃ1」、上下限電圧値「Ｖ2−０」（上限電圧値：Ｖ2（Ｖ）、下限電圧値：０（Ｖ））における劣化特性曲線を「第二劣化特性曲線Ｃ2」、上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」（上限電圧値：Ｖ2（Ｖ）、下限電圧値：Ｖ1（Ｖ））における劣化特性曲線を「第三劣化特性曲線Ｃ3」、と各々称して区別することとする。なお、「Ｖ3＞Ｖ2＞Ｖ1＞０」という関係を有する。
【００４２】
図２に示されるように、間欠運転継続時間がｔC以下である場合には、第三劣化特性曲線Ｃ3に対応する上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合の劣化量が、第一劣化特性曲線Ｃ1及び第二劣化特性曲線Ｃ2に対応する上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」及び「Ｖ2−０」を採用した場合の劣化量よりも少なくなっていることがわかる。一方、間欠運転継続時間がｔC以上である場合には、第二劣化特性曲線Ｃ2に対応する上下限電圧値「Ｖ2−０」を採用した場合の劣化量が、第一劣化特性曲線Ｃ1及び第三劣化特性曲線Ｃ3に対応する上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」及び「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合の劣化量よりも少なくなっていることが図２から読み取れる。
【００４３】
制御装置６は、このような劣化特性マップを用いることにより、電極触媒の劣化量が最小となるように間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する。具体的には、制御装置６は、間欠運転時間がｔC以下の時間領域においては、この領域において電極触媒の劣化量が最も少ない第三劣化特性曲線Ｃ3に対応する上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を設定する。一方、制御装置６は、間欠運転時間がｔC以上の時間領域においては、この領域において電極触媒の劣化量が最も少ない第二劣化特性曲線Ｃ2に対応する上下限電圧値「Ｖ2−０」を設定する。そして、制御装置６は、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する。
【００４４】
なお、劣化特性マップを構成する各劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3は、燃料電池２の間欠運転中の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、燃料電池２の間欠運転中の各上下限電圧値における電圧変動回数と、に基づいて生成される。ここで、図３及び図４を用いて、劣化特性マップを生成する手順について説明する。
【００４５】
図３は、燃料電池２の間欠運転中の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量を示すマップである。本マップは、燃料電池２の間欠運転中における下限電圧（横軸）と、燃料電池２の電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量（縦軸）と、の相関関係を表す電圧−劣化曲線を、２種類の上限電圧（Ｖ2、Ｖ3）毎に有している。図３の２種類の電圧−劣化曲線に示されるとおり、同一の下限電圧（例えばＶ1）で比較した場合には、上限電圧が低い方が電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量が小さくなることがわかる。なお、電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量は、セル温度によっても変化する（セル温度が低くなるほど劣化量が少なくなる）。セル温度毎に劣化量が変化し、これに伴ってガス透過量が変化し、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も変化するため、劣化特性曲線もセル温度毎に変化することとなる。
【００４６】
図４は、燃料電池の間欠運転中における電圧変動の時間履歴を示すタイムチャートである。図４には、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」を採用した場合における燃料電池２の電圧変動のタイムチャートＴ1と、上下限電圧値「Ｖ2−０」を採用した場合における燃料電池２の電圧変動のタイムチャートＴ2と、上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合における燃料電池２の電圧変動のタイムチャートＴ3と、が示されている。
【００４７】
図４の３種類のタイムチャートＴ1〜Ｔ3に示されるとおり、例えば、間欠運転開始時点からｔ1秒経過した時点で通常運転（出力電圧Ｖ2）に復帰するケースにおいては、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇は１回（Ｖ2→Ｖ3）となり、上下限電圧値「Ｖ2−０」及び「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇もまた１回（Ｖ4→Ｖ2）となる（Ｖ4＜Ｖ2）。一方、間欠運転開始時点からｔ2（＞ｔ1）秒経過した時点で通常運転に復帰するケースにおいては、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇は２回（Ｖ2→Ｖ3、Ｖ5→Ｖ2）、上下限電圧値「Ｖ2−０」を採用した場合に発生する電圧上昇は１回（Ｖ6→Ｖ2）、上下電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇は３回（Ｖ1→Ｖ2、Ｖ1→Ｖ2、Ｖ4→Ｖ2）となる（Ｖ6＜Ｖ2、Ｖ5＜Ｖ2）。このように、上下限電圧値の設定によって、間欠運転中における電圧上昇回数が変化することがわかる。なお、電極触媒は電圧上昇の際の劣化が大きいことが知られているため、本実施形態においては「電圧上昇回数」を電圧変動回数としてカウントすることとする。
【００４８】
各上下限電圧値について、図３に示された電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量に、図４に示された間欠運転中における時間毎の電圧上昇回数を乗じることにより、図２に示すような間欠運転継続時間と電極触媒劣化量との相関関係を表す複数の（上下限電圧値毎の）劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3が得られることとなる。
【００４９】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００５０】
まず、上述した手順に従って、図２に示すような劣化特性マップを生成し（マップ生成工程：Ｓ１）、生成した劣化特性マップを制御装置６のメモリに記録する。マップ生成工程Ｓ１においては、ユーザ自身が手作業で劣化特性マップを生成してもよく、制御装置６に劣化特性マップを生成させてもよい。制御装置６に劣化特性マップを生成させる場合は、制御装置６のメモリに図３のマップ及び図４のタイムチャートに関するデータを記録しておき、このデータに基づいて特定のプログラムを用いて劣化特性マップを生成させることができる。
【００５１】
次いで、制御装置６は、メモリに記録された劣化特性マップを用いることにより、電極触媒の劣化が最小となるように間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する（上下限電圧設定工程：Ｓ２）。例えば、制御装置６は図２において太い実線で示されるように、間欠運転時間がｔC以下の時間領域において上下限電圧値として「Ｖ2−Ｖ1」を設定する一方、間欠運転時間がｔC以上の時間領域において上下限電圧値として「Ｖ2−０」を設定することができる。
【００５２】
続いて、制御装置６は、上下限電圧設定工程Ｓ２で設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する（間欠運転工程：Ｓ３）。
【００５３】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの劣化量と、各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成された複数の（上下限電圧値毎の）劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3を有する劣化特性マップを用いて、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させながら間欠運転を実施することができる。従って、間欠運転中における燃料電池２の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池２の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒劣化量を効果的に抑制するような間欠運転制御を行うことができる。
【００５４】
なお、以上の実施形態においては、１種類の劣化特性マップを用いた例を示したが、種々の状況に応じて劣化特性マップを補正することもできる（マップ補正工程）。
【００５５】
＜乾燥度及び空気供給量に基づく補正＞
例えば、エアコンプレッサ３１からの空気供給量が増大すること等に起因して燃料電池２の電解質膜の乾燥度が増大すると、電解質膜を透過するガス量が減少することから、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も減少する。このような現象を考慮し、燃料電池２の電解質膜の乾燥度の増大（エアコンプレッサ３１からの空気供給量の増大）に応じて、劣化特性マップにおける第三劣化特性曲線Ｃ3の傾きを徐々に揺やかにするような補正を行うことができる。図６において破線で示されるＣ3´は、燃料電池２の電解質膜の乾燥度の増大（エアコンプレッサ３１からの空気供給量の増大）に応じて補正された第三劣化特性曲線を示すものである。
【００５６】
制御装置６は、このように補正された劣化特性マップを用いることにより、初期に設定した上下限電圧値を補正し、この補正した上下限電圧値で間欠運転を実施することができる。具体的には、図６に示すように、上下限電圧値を「Ｖ2−Ｖ1」から「Ｖ2−０」へと切り替えるタイミングをｔCからｔC´へと変更することができる。このようにすると、電解質膜の乾燥度（エアコンプレッサ３１からの空気供給量）が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。
【００５７】
＜経年劣化及びセル温度に基づく補正＞
一方、燃料電池２の電解質膜の経年劣化（薄膜化）や、セル温度（燃料電池２を冷却する冷却水の温度）又は外気温度の上昇に起因してクロスリーク量が増加すると、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も増加する。このような現象を考慮し、電解質膜の使用年数やセル温度（又は外気温度）の上昇に応じて、劣化特性マップにおける第三劣化特性曲線Ｃ3の傾きを徐々に急にするような補正を行うことができる。
【００５８】
制御装置６は、電解質膜の経年劣化やセル温度の変化に基づいて補正された劣化特性マップを用いることにより、初期に設定した上下限電圧値を補正し、この補正した上下限電圧値で間欠運転を実施することができる。このようにすると、電解質膜が経年劣化したりセル温度が変化したりした場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。
【００５９】
なお、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置、３１…エアコンプレッサ（空気供給装置）、Ｃ1…第一劣化特性曲線、Ｃ2…第二劣化特性曲線、Ｃ3…第三劣化特性曲線、Ｓ１…マップ生成工程、Ｓ２…上下限電圧設定工程、Ｓ３…間欠運転工程。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。現在においては、燃料電池システムにおける燃料消費率の向上を目的として、燃料電池の間欠運転が実施されている。間欠運転とは、燃料電池システムに要求される出力が所定の閾値以下である場合に、燃料電池における発電を一時的に休止して二次電池から負荷装置への電力供給を行い、燃料電池には開放端電圧を維持し得る程度の反応ガスを間欠的に供給する運転モードである。
【０００３】
近年においては、間欠運転に伴う電圧変動に起因した電極触媒の劣化を抑制する技術が提案されている。例えば、燃料電池システムの間欠運転中における燃料電池の下限電圧値や上限電圧値を、電圧変動に伴うカーボン担体の劣化の進行を考慮にいれて設定する技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術を採用すると、燃料消費率向上とカーボン劣化とのバランスをとりながら下限（上限）電圧値を設定することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２１０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術においては、走行距離とカーボン担体劣化量との相関関係を示す曲線（劣化特性）を用いることにより、走行距離に応じて下限（上限）電圧の設定値を漸次変化させるという手法を採用している。しかし、このような手法を採用すると、劣化特性取得のために夥しい回数（例えば３万ｋｍ程度の回数）の電圧変動の計測を行う必要があり、手間と労力を要することとなる。
【０００６】
また、特許文献１に記載された従来の技術は、走行距離（電位変動の通算回数）に起因したカーボン担体劣化量のみを考慮するものであり、間欠運転中における上下限電圧値（電圧変動量）に対応する電極触媒劣化量を考慮したものではないため、間欠運転の継続時間の長短によっては電極触媒の劣化を効果的に抑制できない可能性があった。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒の劣化を効果的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定するとともに、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施するものである。ここで、劣化特性曲線は、燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成される。
【０００９】
また、本発明に係る運転方法は、燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、を備え、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを生成するマップ生成工程と、劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する上下限電圧設定工程と、上下限電圧設定工程で設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する間欠運転工程と、を備えるものである。
【００１０】
かかる構成及び方法を採用すると、各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの劣化量と、各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成された劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いて、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させながら間欠運転を実施することができる。従って、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒劣化量を効果的に抑制するような間欠運転制御を行うことができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、燃料電池の電解質膜の乾燥度に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１２】
かかる構成（方法）を採用すると、電解質膜の乾燥度に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、電解質膜の乾燥度が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、電解質膜の乾燥度が増大すると、電解質膜を透過するガス量が減少することから、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も減少する。このような現象を考慮し、電解質膜の乾燥度の増大に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に緩やかにするような補正を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、空気供給装置からの空気供給量に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１４】
かかる構成（方法）を採用すると、空気供給装置からの空気供給量に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、空気供給量が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、空気供給装置からの空気供給量が増大すると、電解質膜の乾燥度が増大し、これにより電解質膜を透過するガス量が減少することから、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も減少する。このような現象を考慮し、空気供給装置からの空気供給量の増大に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に緩やかにするような補正を行うことができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、燃料電池の電解質膜の経年劣化に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１６】
かかる構成（方法）を採用すると、電解質膜の経年劣化に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、電解質膜が経年劣化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、電解質膜の経年劣化（薄膜化）に起因してクロスリーク量が増加すると、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も増加する。このような現象を考慮し、電解質膜の経年劣化（使用年数の経過）に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に急にするような補正を行うことができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システム（運転方法）において、燃料電池の温度（セル温度）又は外気温度に基づいてマップの劣化特性曲線を補正する（マップ補正工程を備える）ことができる。
【００１８】
かかる構成（方法）を採用すると、セル温度（又は外気温度）に基づいて劣化特性曲線を補正することができるので、セル温度が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。例えば、セル温度の上昇に起因してクロスリーク量が増加すると、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も増加する。このような現象を考慮し、セル温度の上昇に応じて劣化特性曲線の傾きを徐々に急にするような補正を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒の劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの間欠運転制御で用いられる劣化特性マップである。
【図３】燃料電池の間欠運転中における各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量を示すマップである。
【図４】燃料電池の間欠運転中における電圧変動の時間履歴を示すタイムチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】電解質膜の乾燥度等に基づいて補正された劣化特性マップである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２２】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００２３】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２やバッテリ５２で発生させた電力を、トラクションインバータ５３を介してトラクションモータＭ３に供給することにより、トラクションモータＭ３を回転駆動するものである。燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
【００２４】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有しており、さらにカソード電極及びアノード電極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。すなわち、燃料電池２においては、アノード電極において以下の（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の（２）式の還元反応が生じ、燃料電池２全体としては以下の（３）式の起電反応が生じる。
【００２５】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ ・・・（３）
【００２６】
燃料電池２には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂが取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。また、燃料電池２の内部には、燃料電池２を冷却するための冷却水が流通しており、この冷却水の温度を検出することにより燃料電池２の温度（セル温度）が間接的に測定されるようになっている。
【００２７】
酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
【００２８】
エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものであり、本発明における空気供給装置に相当するものである。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される空気を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２９】
加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。
【００３０】
燃料ガス配管系４は、燃料供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
【００３１】
燃料供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００３２】
燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００３３】
電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
【００３４】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３５】
バッテリ５２は、トラクションモータＭ３に対して燃料電池２と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、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ものである。バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（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）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
【００３６】
トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ａが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。なお、本実施形態においては、燃料電池２から供給される電力を受けて作動する全ての機器を負荷装置と総称することとする。
【００３７】
制御装置６は、燃料電池システム１の各部を統合的に制御するためのコンピュータシステムであり、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有している。制御装置６は、各種センサから供給される信号（例えば、回転数検知センサ５ａやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号）の入力を受けて、負荷装置の負荷（要求出力）を算出する。そして、制御装置６は、この負荷に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
【００３８】
負荷装置の負荷は、例えば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、各種補機（エアコンプレッサ３１、水素循環ポンプ４５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、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。
【００３９】
また、制御装置６は、通常運転モードと間欠運転モードとの切り換えを行う。通常運転モードとは、トラクションモータＭ３等の負荷装置への電力供給のために燃料電池２が発電を継続的に行う運転モードを意味する。間欠運転モードとは、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転（負荷装置の負荷が所定の閾値以下の領域での運転）時に燃料電池２の発電を一時的に休止し、バッテリ５２から負荷装置への電力供給を行い、燃料電池２には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う運転モードを意味する。
【００４０】
制御装置６は、間欠運転を実施する際に、燃料電池２の電圧変動の上下限電圧値を複数設定することができるように構成されており、燃料電池２を構成する電極触媒の劣化を抑制するような制御（劣化抑制型間欠運転制御）を行う。ここで、劣化抑制型間欠運転制御について説明する。
【００４１】
制御装置６のメモリには、図２に示すように、複数の劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3を含む劣化特性マップが記録されている。劣化特性曲線は、間欠運転継続時間（横軸）と、燃料電池２の電極触媒劣化量（縦軸）と、の相関関係を表すものである。本実施形態においては、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」（上限電圧値：Ｖ3（Ｖ）、下限電圧値：Ｖ1（Ｖ））における劣化特性曲線を「第一劣化特性曲線Ｃ1」、上下限電圧値「Ｖ2−０」（上限電圧値：Ｖ2（Ｖ）、下限電圧値：０（Ｖ））における劣化特性曲線を「第二劣化特性曲線Ｃ2」、上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」（上限電圧値：Ｖ2（Ｖ）、下限電圧値：Ｖ1（Ｖ））における劣化特性曲線を「第三劣化特性曲線Ｃ3」、と各々称して区別することとする。なお、「Ｖ3＞Ｖ2＞Ｖ1＞０」という関係を有する。
【００４２】
図２に示されるように、間欠運転継続時間がｔC以下である場合には、第三劣化特性曲線Ｃ3に対応する上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合の劣化量が、第一劣化特性曲線Ｃ1及び第二劣化特性曲線Ｃ2に対応する上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」及び「Ｖ2−０」を採用した場合の劣化量よりも少なくなっていることがわかる。一方、間欠運転継続時間がｔC以上である場合には、第二劣化特性曲線Ｃ2に対応する上下限電圧値「Ｖ2−０」を採用した場合の劣化量が、第一劣化特性曲線Ｃ1及び第三劣化特性曲線Ｃ3に対応する上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」及び「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合の劣化量よりも少なくなっていることが図２から読み取れる。
【００４３】
制御装置６は、このような劣化特性マップを用いることにより、電極触媒の劣化量が最小となるように間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する。具体的には、制御装置６は、間欠運転時間がｔC以下の時間領域においては、この領域において電極触媒の劣化量が最も少ない第三劣化特性曲線Ｃ3に対応する上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を設定する。一方、制御装置６は、間欠運転時間がｔC以上の時間領域においては、この領域において電極触媒の劣化量が最も少ない第二劣化特性曲線Ｃ2に対応する上下限電圧値「Ｖ2−０」を設定する。そして、制御装置６は、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する。
【００４４】
なお、劣化特性マップを構成する各劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3は、燃料電池２の間欠運転中の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、燃料電池２の間欠運転中の各上下限電圧値における電圧変動回数と、に基づいて生成される。ここで、図３及び図４を用いて、劣化特性マップを生成する手順について説明する。
【００４５】
図３は、燃料電池２の間欠運転中の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量を示すマップである。本マップは、燃料電池２の間欠運転中における下限電圧（横軸）と、燃料電池２の電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量（縦軸）と、の相関関係を表す電圧−劣化曲線を、２種類の上限電圧（Ｖ2、Ｖ3）毎に有している。図３の２種類の電圧−劣化曲線に示されるとおり、同一の下限電圧（例えばＶ1）で比較した場合には、上限電圧が低い方が電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量が小さくなることがわかる。なお、電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量は、セル温度によっても変化する（セル温度が低くなるほど劣化量が少なくなる）。セル温度毎に劣化量が変化し、これに伴ってガス透過量が変化し、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も変化するため、劣化特性曲線もセル温度毎に変化することとなる。
【００４６】
図４は、燃料電池の間欠運転中における電圧変動の時間履歴を示すタイムチャートである。図４には、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」を採用した場合における燃料電池２の電圧変動のタイムチャートＴ1と、上下限電圧値「Ｖ2−０」を採用した場合における燃料電池２の電圧変動のタイムチャートＴ2と、上下限電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合における燃料電池２の電圧変動のタイムチャートＴ3と、が示されている。
【００４７】
図４の３種類のタイムチャートＴ1〜Ｔ3に示されるとおり、例えば、間欠運転開始時点からｔ1秒経過した時点で通常運転（出力電圧Ｖ2）に復帰するケースにおいては、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇は１回（Ｖ2→Ｖ3）となり、上下限電圧値「Ｖ2−０」及び「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇もまた１回（Ｖ4→Ｖ2）となる（Ｖ4＜Ｖ2）。一方、間欠運転開始時点からｔ2（＞ｔ1）秒経過した時点で通常運転に復帰するケースにおいては、上下限電圧値「Ｖ3−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇は２回（Ｖ2→Ｖ3、Ｖ5→Ｖ2）、上下限電圧値「Ｖ2−０」を採用した場合に発生する電圧上昇は１回（Ｖ6→Ｖ2）、上下電圧値「Ｖ2−Ｖ1」を採用した場合に発生する電圧上昇は３回（Ｖ1→Ｖ2、Ｖ1→Ｖ2、Ｖ4→Ｖ2）となる（Ｖ6＜Ｖ2、Ｖ5＜Ｖ2）。このように、上下限電圧値の設定によって、間欠運転中における電圧上昇回数が変化することがわかる。なお、電極触媒は電圧上昇の際の劣化が大きいことが知られているため、本実施形態においては「電圧上昇回数」を電圧変動回数としてカウントすることとする。
【００４８】
各上下限電圧値について、図３に示された電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量に、図４に示された間欠運転中における時間毎の電圧上昇回数を乗じることにより、図２に示すような間欠運転継続時間と電極触媒劣化量との相関関係を表す複数の（上下限電圧値毎の）劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3が得られることとなる。
【００４９】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００５０】
まず、上述した手順に従って、図２に示すような劣化特性マップを生成し（マップ生成工程：Ｓ１）、生成した劣化特性マップを制御装置６のメモリに記録する。マップ生成工程Ｓ１においては、ユーザ自身が手作業で劣化特性マップを生成してもよく、制御装置６に劣化特性マップを生成させてもよい。制御装置６に劣化特性マップを生成させる場合は、制御装置６のメモリに図３のマップ及び図４のタイムチャートに関するデータを記録しておき、このデータに基づいて特定のプログラムを用いて劣化特性マップを生成させることができる。
【００５１】
次いで、制御装置６は、メモリに記録された劣化特性マップを用いることにより、電極触媒の劣化が最小となるように間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する（上下限電圧設定工程：Ｓ２）。例えば、制御装置６は図２において太い実線で示されるように、間欠運転時間がｔC以下の時間領域において上下限電圧値として「Ｖ2−Ｖ1」を設定する一方、間欠運転時間がｔC以上の時間領域において上下限電圧値として「Ｖ2−０」を設定することができる。
【００５２】
続いて、制御装置６は、上下限電圧設定工程Ｓ２で設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する（間欠運転工程：Ｓ３）。
【００５３】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの劣化量と、各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成された複数の（上下限電圧値毎の）劣化特性曲線Ｃ1〜Ｃ3を有する劣化特性マップを用いて、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させながら間欠運転を実施することができる。従って、間欠運転中における燃料電池２の電圧変動回数に起因する電極触媒劣化量と、間欠運転中における燃料電池２の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量と、の双方を考慮して、電極触媒劣化量を効果的に抑制するような間欠運転制御を行うことができる。
【００５４】
なお、以上の実施形態においては、１種類の劣化特性マップを用いた例を示したが、種々の状況に応じて劣化特性マップを補正することもできる（マップ補正工程）。
【００５５】
＜乾燥度及び空気供給量に基づく補正＞
例えば、エアコンプレッサ３１からの空気供給量が増大すること等に起因して燃料電池２の電解質膜の乾燥度が増大すると、電解質膜を透過するガス量が減少することから、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も減少する。このような現象を考慮し、燃料電池２の電解質膜の乾燥度の増大（エアコンプレッサ３１からの空気供給量の増大）に応じて、劣化特性マップにおける第三劣化特性曲線Ｃ3の傾きを徐々に揺やかにするような補正を行うことができる。図６において破線で示されるＣ3´は、燃料電池２の電解質膜の乾燥度の増大（エアコンプレッサ３１からの空気供給量の増大）に応じて補正された第三劣化特性曲線を示すものである。
【００５６】
制御装置６は、このように補正された劣化特性マップを用いることにより、初期に設定した上下限電圧値を補正し、この補正した上下限電圧値で間欠運転を実施することができる。具体的には、図６に示すように、上下限電圧値を「Ｖ2−Ｖ1」から「Ｖ2−０」へと切り替えるタイミングをｔCからｔC´へと変更することができる。このようにすると、電解質膜の乾燥度（エアコンプレッサ３１からの空気供給量）が変化した場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。
【００５７】
＜経年劣化及びセル温度に基づく補正＞
一方、燃料電池２の電解質膜の経年劣化（薄膜化）や、セル温度（燃料電池２を冷却する冷却水の温度）又は外気温度の上昇に起因してクロスリーク量が増加すると、間欠運転中に必要となる空気供給の頻度も増加する。このような現象を考慮し、電解質膜の使用年数やセル温度（又は外気温度）の上昇に応じて、劣化特性マップにおける第三劣化特性曲線Ｃ3の傾きを徐々に急にするような補正を行うことができる。
【００５８】
制御装置６は、電解質膜の経年劣化やセル温度の変化に基づいて補正された劣化特性マップを用いることにより、初期に設定した上下限電圧値を補正し、この補正した上下限電圧値で間欠運転を実施することができる。このようにすると、電解質膜が経年劣化したりセル温度が変化したりした場合においても的確な間欠運転制御を行うことができる。
【００５９】
なお、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置、３１…エアコンプレッサ（空気供給装置）、Ｃ1…第一劣化特性曲線、Ｃ2…第二劣化特性曲線、Ｃ3…第三劣化特性曲線、Ｓ１…マップ生成工程、Ｓ２…上下限電圧設定工程、Ｓ３…間欠運転工程。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に前記空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における前記燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定するとともに、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施するものであり、
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、前記燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成される、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の電解質膜の乾燥度に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記劣化特性曲線は、前記空気供給装置からの空気供給量に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の電解質膜の経年劣化に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の温度又は外気温度に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、を備え、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に前記空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における前記燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、前記燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを生成するマップ生成工程と、
前記劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する上下限電圧設定工程と、
前記上下限電圧設定工程で設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する間欠運転工程と、を備える、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記燃料電池の電解質膜の乾燥度、前記空気供給装置からの空気供給量、前記燃料電池の電解質膜の経年劣化、前記燃料電池の温度、外気温度、の少なくとも何れか一つに基づいて、前記劣化特性マップの前記劣化特性曲線を補正するマップ補正工程を備える、
請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に前記空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における前記燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定するとともに、設定した上下限電圧値で間欠運転を実施するものであり、
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、前記燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて生成される、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の電解質膜の乾燥度に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記劣化特性曲線は、前記空気供給装置からの空気供給量に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の電解質膜の経年劣化に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記劣化特性曲線は、前記燃料電池の温度又は外気温度に基づいて補正される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、を備え、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である場合に前記空気供給装置からの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施し、間欠運転中における前記燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を複数設定可能な燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の各上下限電圧値に対する電圧変動一回当たりの電極触媒劣化量と、前記燃料電池の各上下限電圧値における間欠運転中の電圧変動回数と、に基づいて、間欠運転継続時間と燃料電池の電極触媒劣化量との相関関係を表す劣化特性曲線を複数の上下限電圧値毎に有する劣化特性マップを生成するマップ生成工程と、
前記劣化特性マップを用いることにより、間欠運転継続時間に応じて上下限電圧値を変化させて設定する上下限電圧設定工程と、
前記上下限電圧設定工程で設定した上下限電圧値で間欠運転を実施する間欠運転工程と、を備える、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記燃料電池の電解質膜の乾燥度、前記空気供給装置からの空気供給量、前記燃料電池の電解質膜の経年劣化、前記燃料電池の温度、外気温度、の少なくとも何れか一つに基づいて、前記劣化特性マップの前記劣化特性曲線を補正するマップ補正工程を備える、
請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１０１７７４（Ｐ２０１３−１０１７７４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４３７０８（Ｐ２０１１−２４３７０８）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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