JP6003878B2

JP6003878B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6003878B2
Application number: JP2013266968A
Authority: JP
Inventors: 周也川原; 茂樹長谷川; 慶大山上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: CN105849957B; JP2015122285A; KR101845144B1; EP3089253A4; EP3089253A1; CA2916455C; KR20160008208A; CA2916455A1; EP3089253B1; US10069159B2; US20160315342A1; WO2015098291A1; CN105849957A

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

電解質並びに電解質の両側にそれぞれ配置されるカソード極及びアノード極を備えた膜電極接合体と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とを有する燃料電池セルと、酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されてカソード極に酸化剤ガスを送るための酸化剤ガス供給器とを備えた、燃料電池システムが従来から知られている。

燃料電池セル、特に電解質ないし電極の湿潤度合いが低くなると、燃料電池セルの発電量ないし効率が低くなるおそれがある。ここで、燃料電池セルの湿潤度合いは燃料電池セルの出力電流値により表される。すなわち、燃料電池セルの湿潤度合いが低くなるにつれて燃料電池セルの出力電流値は小さくなる。一方、燃料電池セルに酸化剤ガスが送られると、燃料電池セルから流出する酸化剤ガスないしカソードオフガスによって燃料電池セルから水分が持ち去られる。燃料電池セルに送られる酸化剤ガス量が少なくなると、燃料電池セルから持ち去られる水分量が少なくなる。

そこで、燃料電池セルの出力電流があらかじめ定められたしきい電流値よりも小さいときに、酸化剤ガス供給器を制御して燃料電池セルに送られる酸化剤ガス量を減少するようにした、燃料電池システムが公知である（特許文献１参照）。その結果、カソードオフガスにより持ち去られる水分量が低減され、したがって燃料電池セルの湿潤度合いが次第に高められる、すなわち回復される。

特開２０１１−２２２１７６号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料電池セルからの水分の持ち去りが抑制されるにすぎない。このため、燃料電池セルの発電量を増大ないし回復させるのに長時間を要するという問題点がある。

本発明によれば、電解質並びに電解質の両側にそれぞれ配置されるカソード極及びアノード極を備えた膜電極接合体と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とを有する燃料電池セルと、酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されてカソード極に酸化剤ガスを送るための酸化剤ガス供給器とを備えた、燃料電池システムにおいて、前記カソード極が導電性材料と、触媒と、これら導電性材料及び触媒を覆うアイオノマとを含んでおり、燃料電池セルの出力電圧値があらかじめ定められたしきい電圧値よりも低くかつ燃料電池セルの電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値よりも高いときには、酸化剤ガス供給器を制御して燃料電池セルに送られる酸化剤ガス量を増大する酸化剤ガス増量制御を行う、燃料電池システムが提供される。

燃料電池セルの湿潤度合いの低下により燃料電池セルの発電量が減少したときに燃料電池セルの発電量を短時間で増大させることができる。

燃料電池システムの全体図である。膜電極接合体の部分拡大断面図である。カソード極の部分拡大断面図である。カソード極での電気化学反応を説明する模式図である。アイオノマの酸素溶解度を示す線図である。従来技術における燃料電池セルの出力電圧値の変化を示す線図である。本発明による実施例における燃料電池セルの出力電圧値の変化を示す線図である。回復制御を説明するタイムチャートである。回復制御を説明するタイムチャートである。回復制御を説明するタイムチャートである。回復制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。回復制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。本発明による別の実施例の燃料電池システムＡの全体図である。本発明による別の実施例の回復制御を説明するタイムチャートである。本発明による別の実施例の回復制御を説明するタイムチャートである。本発明による別の実施例の回復制御を説明するタイムチャートである。本発明による別の実施例の回復制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。本発明による別の実施例の回復制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。酸化剤ガス増量制御の別の実施例を説明するタイムチャートである。増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩと燃料電池セルの電気抵抗値ＲＦＣとの関係を示す線図である。維持時間ｔＦＣＩと燃料電池セルの電気抵抗値ＲＦＣとの関係を示す線図である。増量回数ＮＦＣＩと燃料電池セルの電気抵抗値ＲＦＣとの関係を示す線図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池セル１を備える。燃料電池セル１は膜電極接合体２を有する。図２に示されるように、膜電極接合体２は膜状の電解質２ｅと、電解質２ｅの一側に形成されたアノード極２ａと、電解質２ｅの他側に形成されたカソード極２ｃとを備える。これらアノード極２ａ及びカソード極２ｃは図１に示されるように、一方ではＤＣ／ＡＣコンバータ３を介して例えば車両駆動用の電気モータ４に電気的に接続され、他方ではＡＣ／ＡＣコンバータ５を介して蓄電器６に電気的に接続される。図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器６はバッテリから構成される。また、図１及び図２に示されるように燃料電池セル１内には、アノード極２ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１０と、カソード極２ｃに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路２０とが形成される。燃料電池セル１内には更に、燃料電池セル１に冷却水を供給するための冷却水通路３０が形成される。

なお、図１に示される燃料電池システムＡでは、複数の燃料電池セル１が設けられ、これら燃料電池セル１が互いに直列的に積層されることにより燃料電池スタックが形成されている。この場合、上述の燃料ガス通路１０、酸化剤ガス通路２０及び冷却水通路３０はそれぞれ互いに連結される。

燃料ガス通路１０の入口には燃料ガス供給路１１が連結され、燃料ガス供給路１１は燃料ガス源１２に連結される。本発明による実施例では燃料ガスは水素から形成され、燃料ガス源１２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給路１１内には燃料ガス供給路１１内を流れる燃料ガスの量を制御する燃料ガス制御弁１３が配置される。一方、燃料ガス通路１０の出口にはアノードオフガス通路１４が連結され、アノードオフガス通路１４内にはアノードオフガス通路１４内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁１５が配置される。燃料ガス制御弁１３が開弁されると、燃料ガス源１２内の燃料ガスが燃料ガス供給路１１を介して燃料電池セル１内の燃料ガス通路１０内に供給される。このとき燃料ガス通路１０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路１４内に流入する。

また、酸化剤ガス通路２０の入口には酸化剤ガス供給路２１が連結され、酸化剤ガス供給路２１は酸化剤ガス源２２に連結される。本発明による実施例では酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源２２は大気から形成される。酸化剤ガス供給路２１内には酸化剤ガスを圧送する酸化剤ガス供給器ないしコンプレッサ２３が配置される。一方、酸化剤ガス通路２０の出口にはカソードオフガス通路２４が連結される。コンプレッサ２３が駆動されると、酸化剤ガス源２２内の酸化剤ガスが酸化剤ガス供給路２１を介して燃料電池セル１内の酸化剤ガス通路２０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路２０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路２４内に流入する。

図１に示される実施例では、燃料電池セル１は対向流式燃料電池セルから形成される。すなわち、燃料ガス通路１０の入口及び酸化剤ガス通路２０の出口が互いに隣接し、燃料ガス通路１０の出口及び酸化剤ガス通路２０の入口が互いに隣接し、したがって燃料ガス及び酸化剤ガスは燃料電池セル１内を互いにほぼ平行にかつ逆方向に流れる。別の実施例では、燃料電池セル１は並行流式燃料電池セルから形成される。すなわち、燃料ガス通路１０の入口及び酸化剤ガス通路２０の入口が互いに隣接し、燃料ガス通路１０の出口及び酸化剤ガス通路２０の出口が互いに隣接し、したがって燃料ガス及び酸化剤ガスは燃料電池セル１内を互いにほぼ平行にかつ同方向に流れる。更に別の実施例では、燃料電池セル１は直行流式燃料電池セルから形成される。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは燃料電池セル１内を互いにほぼ直交して流れる。

更に図１を参照すると、冷却水通路３０の入口には冷却水供給路３１の一端が連結され、冷却水供給路３１の出口には冷却水供給路３１の他端が連結される。冷却水供給路３１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ３２と、ラジエータ３３とが配置される。ラジエータ３３上流の冷却水供給路３１と、ラジエータ３３と冷却水ポンプ３２間の冷却水供給路３１とはラジエータバイパス通路３４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路３４内を流れる冷却水量をそれぞれ制御するラジエータバイパス制御弁３５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁３５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路３４の入口に配置される。冷却水ポンプ３２が駆動されると、冷却水ポンプ３２から吐出された冷却水は冷却水供給路３１を介して燃料電池セル１内の冷却水通路３０内に流入し、次いで冷却水通路３０を通って冷却水供給路３１内に流入し、ラジエータ３３又はラジエータバイパス通路３４を介して冷却水ポンプ３２に戻る。この場合、ラジエータバイパス制御弁３５によりラジエータ３３に送られる冷却水量が増大されると冷却水温度が低下され、したがって燃料電池セル１の温度が低下される。あるいは、冷却水ポンプ３２から吐出される冷却水量が増大されると、燃料電池セル１の温度が低下される。このように冷却水供給路３１、冷却水ポンプ３２、ラジエータバイパス制御弁３５は燃料電池セル温度を制御する燃料電池セル温度制御器として作用する。

電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。燃料電池セル１内の冷却水通路３０に隣接する冷却水供給路３１には冷却水の温度を検出する温度センサ４０が取り付けられる。温度センサ４０により検出される冷却水温は燃料電池セル１の温度を表している。また、燃料電池セル１のアノード極２ａ及びカソード極２ｃ間には燃料電池セル１の出力電圧値及び電気抵抗値をそれぞれ検出する電圧計４１及び電気抵抗計４２が設けられる。温度センサ４０、電圧計４１及び電気抵抗計４２の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料ガス制御弁１３、アノードオフガス制御弁１５、コンプレッサ２３、冷却水ポンプ３２、及びラジエータバイパス制御弁３５に接続される。

図３はカソード極２ｃの部分拡大断面図を示している。図３に示されるように、カソード極２ｃは粒子状の導電性材料２ｃ１と、導電性材料２ｃ１を覆うアイオノマ２ｃ２と、導電性材料２ｃ１に担持された粒子状の触媒２ｃ３とを含んでいる。また、図３に示される例では、導電性材料２ｃ１はカーボンからなり、アイオノマ２ｃ２は電解質２ｅと同一又は類似の電解質からなり、触媒２ｃ３は白金からなる。なお、図３において、２ｃ４はカソード極２ｃに形成される間隙を表している。

さて、燃料電池セル１内の燃料ガス通路１０内に燃料ガスが供給されると共に酸化剤ガス通路２０内に酸化剤ガスが供給されると、燃料電池セル１において電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギは車両駆動用電気モータ４に送られ、それによりモータ４が駆動される。あるいは、発生された電気エネルギは蓄電器６に送られ、蓄えられる。

この場合、カソード極２ｃでは次の電気化学反応（１）が行われる。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（１）

すなわち、図４に示されるように、水素イオンＨ^＋が電解質２ｅを通ってカソード極２ｃ、特に触媒２ｃ３の表面に到達する。また、酸素Ｏ_２がアイオノマ２ｃ２を透過して触媒２ｃ３の表面に到達する。あるいは、カソード極２ｃに形成される間隙（図３）を通って触媒２ｃ３に到達する。更に、電子ｅ⁻が導電性材料２ｃ１を介して触媒２ｃ３の表面に到達する。その結果、上述の電気化学反応（１）が生じ、水分が発生する。

ところで、燃料電池セル１の温度が高くなると水分蒸発量の増大により燃料電池セル１、特に膜電極接合体２の湿潤度合いが低下し、燃料電池セル１の湿潤度合いが低下すると燃料電池セル１の発電量ないし効率が低くなるおそれがあることが従来から知られている。この現象のメカニズムについて本願発明者らが鋭意研究した結果、燃料電池セル１の発電量の低下にはアイオノマ２ｃ２の酸素透過度が関与していることが判明したのである。このことを、図５を参照しながら説明する。

図５はアイオノマの周囲雰囲気の相対湿度（％）と、アイオノマの酸素溶解度との関係を示す実験結果である。この相対湿度はアイオノマの湿潤度合いを表している。図５からわかるように、相対湿度が低下すると、アイオノマの酸素溶解度が低下する。一方、アイオノマの酸素透過度はアイオノマの酸素溶解度とアイオノマの酸素拡散係数との積で表される。したがって、アイオノマの湿潤度合いが低下すると、アイオノマの酸素透過度が低下するということになる。

アイオノマの酸素透過度が低下すると、カソード極２ｃに到達する酸化剤ガス量ないし酸素量が減少する。その結果、上述の電気化学反応（１）が進みにくくなり、したがって燃料電池セル１の発電量が減少する。これが、燃料電池セル１の湿潤度合いが低下したときに生ずる燃料電池セル１の発電量の減少のメカニズムである。

そうすると、燃料電池セル１の湿潤度合いが低くなったときにアイオノマ２ｃ２を透過する酸化剤ガスないし酸素の量を増大ないし回復させれば、燃料電池セル１の発電量を増大ないし回復させることができる。アイオノマ２ｃ２を透過する酸化剤ガス量を増大させるためには、カソード極２ｃ周りの酸化剤ガス量を増大させればよく、そのためには燃料電池セル１ないし酸化剤ガス通路２０に送られる酸化剤ガス量を増大させればよい。

一方、燃料電池セル１の湿潤度合いは燃料電池セル１の電気抵抗値により表される。すなわち、燃料電池セル１の湿潤度合いが低くなるにつれて燃料電池セル１の電気抵抗値が大きくなる。

一方、通常の発電制御中には、燃料電池セル１の出力電流値が燃料電池セル１の目標発電量に応じて定まる目標電流値になるように燃料電池システムＡが制御される。したがって、燃料電池セル１の発電量は燃料電池セル１の出力電流値及び出力電圧値の積により表されることを考えると、同一の出力電流値に対し、出力電圧値が低いときには出力電圧値が高いときに比べて、燃料電池セル１の発電量が減少しているといえる。

そこで本発明による実施例では、燃料電池セル１の出力電圧値があらかじめ定められたしきい電圧値よりも低くかつ燃料電池セル１の電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値よりも高いときには、酸化剤ガス供給器２３を制御して燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量を増大する酸化剤ガス増量制御を行うようにしている。その結果、酸化剤ガス通路２０内の酸化剤ガス量ないし濃度が増大され、それによりアイオノマを透過してカソード極２ｃに到達する酸化剤ガス量が増大される。したがって、燃料電池セル１の発電量が速やかに増大される。

燃料電池セル１の発電量が増大されるということは、上述した電気化学反応（１）により生成される水分量が増大することを意味している。その結果、燃料電池セル１の湿潤度合いも上昇ないし回復される。燃料電池セル１の湿潤度合いが上昇されるとアイオノマの酸素透過度が上昇し、したがって燃料電池セル１の発電量が更に増大される。

ところで、燃料電池セル１の湿潤度合いが低くなったときに燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量を減少する酸化剤ガス量減少制御を行う従来技術が知られている。この従来技術では、カソードオフガスにより燃料電池セル１から持ち去られる水分量が減少されるので燃料電池セル１の湿潤度合いが高められ、したがって燃料電池セル１の発電量が増大ないし回復される。ところが、酸化剤ガス量が減少されるとカソード極２ｃ周りの酸化剤ガス量が減少し、したがってアイオノマを透過してカソード極２ｃに到達する酸化剤ガス量が更に減少する。このため、燃料電池セル１の発電量は酸化剤ガス量減少制御の初期に更に減少し、その後に増大する。すなわち、酸化剤ガス量減少制御では、燃料電池セル１の発電量を増大させるのに長時間を要することになる。

一方、燃料電池セル１の湿潤度合いが低くなったときに燃料電池セル１の温度を低下させる燃料電池温度低下制御を行う別の従来技術も知られている。この別の従来技術では、燃料電池セル１のカソード極２ｃ周りにおいて水蒸気の凝縮が促進されるので燃料電池セル１の湿潤度合いが高められ、したがって燃料電池セル１の発電量が増大ないし回復される。ところが、燃料電池セル１の冷却水温度を低下することにより燃料電池温度低下制御を行う場合には、燃料電池セル１の温度が低下するのに長時間を要する。あるいは、燃料電池セル１の温度を低下させると上述した電気化学反応（１）が進行しにくくなる。いずれにしても、燃料電池セル１の発電量を増大ないし回復するのに長時間を要することになる。

図６は上述の燃料電池温度低下制御を行ったときの燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣを示す実験結果である。図６においてｔａ１は燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがあらかじめ定められたしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値よりも高くなった時間を示している。図６からわかるように、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣは燃料電池温度低下制御が開始されてもしばらくの間は低下し続け、しばらくした後に上昇し始める。すなわち、この場合には燃料電池セル１の発電量を増大ないし回復するのに長時間を要する。

これに対し、図７は酸化剤ガス増量制御を行ったときの燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣを示す実験結果である。図７においてｔｂ１は燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがあらかじめ定められたしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値よりも高くなった時間を示している。図７からわかるように、酸化剤ガス増量制御が開始されると燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣが直ちに上昇し、したがって短時間のうちに回復される。

実際、本願発明者らの実験によれば、出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなってから回復するまでに必要な時間は図６の例では約２分であったのに対し、図７の例では約１秒であった。

次に、図８から図１０を参照して本発明による実施例を更に説明する。
図８に示される例では、時間ｔｃ１において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがあらかじめ定められたしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがあらかじめ定められたしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなると、上述した酸化剤ガス増量制御が開始される。その結果、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢから増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩまで増大され維持される。なお、ベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢは酸化剤ガス増量制御が行われない通常制御時の酸化剤ガス量であって、例えば燃料電池セル１の目標発電量に応じて定められる。

次いで、時間ｔｃ２において、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上になると、すなわち燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣが回復されると、酸化剤ガス増量制御が停止される。その結果、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢまで戻される。なお、図８に示される例では、時間ｔｃ２において燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣはしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも低くなっており、したがって回復されている。すなわち、このように酸化剤ガス増量制御が一時的に行なわれ、それによって燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣ及び電気抵抗値ＲＦＣが回復される。

図９に示される例では、時間ｔｄ１において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなると、上述した酸化剤ガス増量制御が開始される。次いで、時間ｔｄ２において、電気抵抗値ＲＦＣがあらかじめ定められた上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなると、酸化剤ガス増量制御が停止される。その結果、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢに戻される。また、時間ｔｄ２において、燃料電池セル１の温度を低下させる燃料電池温度低下制御が開始される。その結果、燃料電池セル１の温度ＴＦＣがベース燃料電池セル温度ＴＦＣＢから低下燃料電池セル温度ＴＦＣＢＬまで低下され維持される。なお、ベース燃料電池セル温度ＴＦＣＢは燃料電池温度低下制御が行われない通常制御時の燃料電池セル温度であって、例えば一定値を越えないように制御されている。また、冷却水の温度低下及び冷却水の増量の一方又は両方により燃料電池温度低下制御が行われる。

酸化剤ガス増量制御が行われると、カソードオフガスにより燃料電池セル１から持ち去られる水分量が増大し、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが過度に高くなるおそれがある。そこで、図９に示される例では、酸化剤ガス増量制御中に電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなったときには、酸化剤ガス増量制御が停止される。その結果、電気抵抗値ＲＦＣが過度に高くなるのが阻止される。一方、依然として出力電圧値ＶＦＣを回復する必要がある。そこで、図９に示される例では、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなったことにより酸化剤ガス増量制御が停止されたときには、燃料電池温度低下制御が行われる。その結果、出力電圧値ＶＦＣが次第に上昇し、電気抵抗値ＲＦＣが次第に低下する。

次いで、時間ｔｄ３において、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上になりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨ以下になると、すなわち燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣ及び電気抵抗値ＲＦＣが共に回復されると、燃料電池温度低下制御が停止される。その結果、燃料電池セル１の温度がベース燃料電池セル温度ＴＦＣＢまで戻される。

図１０に示される例では、時間ｔｅ１において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなると、上述した酸化剤ガス増量制御が開始される。次いで、時間ｔｅ２において、電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなると、酸化剤ガス増量制御が停止されると共に燃料電池温度低下制御が開始される。

次いで、時間ｔｅ３において燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨ以下になったにも関わらず、すなわち電気抵抗値ＲＦＣが回復されたにも関わらず、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低いときには、燃料電池セル１の出力電圧値を上昇させるための別制御が開始される。すなわち、この場合には燃料電池セル１の湿潤度合いの低下とは異なる理由、例えばフラッディングにより、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣが低下していると考えられる。そこで図１０に示される例では、フラッディングを解消するための別制御が行われる。

次いで、時間ｔｅ４において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上になると、すなわち出力電圧値ＶＦＣが回復されると、上述の別制御が停止される。

なお、図８から図１０に示される例では、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなった後に燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなっている。別の例では、出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなった後に電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなる。

燃料電池セル１の出力電圧値及び電気抵抗値は燃料電池セル１の目標電流値ないし出力電流値と、燃料電池セル１の温度とに依存する。本発明による実施例では、しきい電圧値ＶＦＣＴＨ及びしきい抵抗値ＲＦＣＴＨはそれぞれ、例えば燃料電池セル１の目標電流値及び燃料電池セル１の温度の関数としてあらかじめ定められており、マップの形でＲＯＭ５２内に記憶されている。ところで、燃料電池セル１の出力電圧値及び電気抵抗値は燃料電池セル１の経時劣化の程度に応じて変動しうる。そこで、本発明による別の実施例では、しきい電圧値ＶＦＣＴＨ及びしきい抵抗値ＲＦＣＴＨは燃料電池セル１の経時劣化の程度により補正される。

図１１及び図１２は上述した本発明による実施例の回復制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。
図１１及び図１２を参照すると、ステップ１００では燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低いか否かが判別される。ＶＦＣ≧ＶＦＣＴＨのときには処理サイクルを終了する。ＶＦＣ＜ＶＦＣＴＨのときには次いでステップ１０１に進み、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高いか否かが判別される。ＲＦＣ＞ＲＦＣＴＨのときには次いでステップ１０２に進み、酸化剤ガス増量制御が開始される。続くステップ１０３では燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上か否かが判別される。ＶＦＣ≧ＶＦＣＴＨのとき、すなわち出力電圧値ＶＦＣが回復したときには次いでステップ１０４に進み、酸化剤ガス増量制御が停止される。次いで処理サイクルを終了する。これに対し、ＶＦＣ＜ＶＦＣＴＨのとき、すなわち出力電圧値ＶＦＣが未だ回復しないときにはステップ１０５に進み、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高いか否かが判別される。ＲＦＣ≦ＲＦＣ１のときにはステップ１０２に戻り、酸化剤ガス増量制御が継続される。ＲＦＣ＞ＲＦＣ１のときには次いでステップ１０６に進み、酸化剤ガス増量制御が停止される。次いでステップ１０７に進む。

ステップ１０７では燃料電池温度低下制御が開始される。続くステップ１０８では燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨ以下か否かが判別される。ＲＦＣ＞ＲＦＣＴＨのとき、すなわち電気抵抗値ＲＦＣが未だ回復されていないときにはステップ１０７に戻り、燃料電池温度低下制御が継続される。ＲＦＣ≦ＲＦＣＴＨのとき、すなわち電気抵抗値ＲＦＣが回復されたときには次いでステップ１０９に進み、燃料電池温度低下制御が停止される。続くステップ１１０では燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上か否かが判別される。ＶＦＣ≧ＶＦＣＴＨのときには処理サイクルを終了する。ステップ１０１及びステップ１１０においてＶＦＣ＜ＶＦＣＴＨのとき、すなわちＶＦＣ＜ＶＦＣＴＨかつＲＦＣ≦ＲＦＣＴＨのときにはステップ１１１に進み、上述の別処理が行われる。

図１３は本発明による別の実施例を示している。図１３に示される別の実施例では、カソードオフガス通路２４内の圧力、すなわち燃料電池セル１の背圧を制御する背圧制御弁２５がカソードオフガス通路２４内に配置される。背圧制御弁２５は通常は燃料電池セル１の背圧が一定に維持されるように制御されており、背圧制御弁２５の開度が小さくされると燃料電池セル１の背圧が上昇される。

本発明による別の実施例では、上述した酸化剤ガス増量制御と共に、燃料電池セル１の背圧を上昇させる背圧上昇制御が行われる。この場合、背圧制御弁２５の開度を小さくすることにより背圧上昇制御が行われる。酸化剤ガス増量制御と共に背圧上昇制御が行われると、燃料電池セル１、特にカソード極２ｃ周りの酸化剤ガス量ないし濃度が更に高められる。その結果、燃料電池セル１の発電量を更に速やかに増大ないし回復させることができる。

次に、図１４から図１６を参照して本発明による別の実施例を更に説明する。
図１４に示される例では、時間ｔｆ１において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがあらかじめ定められたしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがあらかじめ定められたしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなると、まず上述した酸化剤ガス増量制御が開始される。その結果、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢから増大される。

次いで、時間ｔｆ２において、酸化剤ガス量ＱＯＦＣが増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩまで増大されると、背圧上昇制御が開始される。その結果、燃料電池セル１の背圧ＰＢがベース背圧ＰＢＢから上昇背圧ＰＢＲまで上昇され維持される。酸化剤ガス量ＱＯＦＣが増大される前に背圧上昇制御が行われると、燃料電池セル１のカソード極２ｃ周りの酸化剤ガス量がかえって減少するおそれがある。そこで図１４に示される例では、酸化剤ガス量ＱＯＦＣが増大された後に背圧上昇制御が開始される。なお、ベース背圧ＰＢＢは背圧上昇制御が行なわれない通常制御時の背圧であって、コンプレッサ２３からの酸化剤ガス量に応じて定まる。

次いで、時間ｔｆ３において、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上になると、すなわち燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣが回復されると、酸化剤ガス増量制御及び背圧上昇制御が停止される。その結果、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢまで戻され、燃料電池セル１の背圧ＰＢがベース背圧ＰＢＢまで戻される。なお、図１４に示される例では、時間ｔｆ３において燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣはしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも低く、したがって回復されている。

図１５に示される例では、時間ｔｇ１において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなると、上述した酸化剤ガス増量制御が開始される。次いで、時間ｔｇ２において、酸化剤ガス量ＱＯＦＣが増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩまで増大されると、背圧上昇制御が開始される。次いで、時間ｔｇ３において、電気抵抗値ＲＦＣがあらかじめ定められた上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなると、酸化剤ガス増量制御及び背圧上昇制御が停止される。その結果、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢに戻され、燃料電池セル１の背圧ＰＢがベース背圧ＰＢＢまで戻される。また、時間ｔｇ３において、燃料電池温度低下制御が開始される。その結果、燃料電池セル１の温度ＴＦＣがベース燃料電池温度ＴＦＣＢから低下燃料電池温度ＴＦＣＢＬまで低下され維持される。その結果、出力電圧値ＶＦＣが次第に上昇し、電気抵抗値ＲＦＣが次第に低下する。

次いで、時間ｔｇ４において、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上になりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨ以下になると、すなわち燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣ及び電気抵抗値ＲＦＣが共に回復されると、燃料電池温度低下制御が停止される。その結果、燃料電池セル１の温度がベース燃料電池温度ＴＦＣＢまで戻される。

図１６に示される例では、時間ｔｈ１において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低くなりかつ燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高くなると、上述した酸化剤ガス増量制御が開始される。次いで、時間ｔｈ２において、酸化剤ガス量ＱＯＦＣが増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩまで増大されると、背圧上昇制御が開始される。次いで、時間ｔｈ３において、電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなると、酸化剤ガス増量制御及び背圧上昇制御が停止されると共に燃料電池温度低下制御が開始される。

次いで、時間ｔｈ４において燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨ以下になったにも関わらず、すなわち電気抵抗値ＲＦＣが回復されたにも関わらず、燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低いときには、上述の別制御、例えばフラッディングを解消するための別制御が行われる。

次いで、時間ｔｈ５において燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上になると、すなわち出力電圧値ＶＦＣが回復されると、上述の別制御が停止される。

図１７及び図１８は上述した本発明による別の実施例の回復制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。
図１７及び図１８を参照すると、ステップ１００では燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨよりも低いか否かが判別される。ＶＦＣ≧ＶＦＣＴＨのときには処理サイクルを終了する。ＶＦＣ＜ＶＦＣＴＨのときには次いでステップ１０１に進み、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣがしきい抵抗値ＲＦＣＴＨよりも高いか否かが判別される。ＲＦＣ＞ＲＦＣＴＨのときには次いでステップ１０２に進み、酸化剤ガス増量制御が開始される。続くステップ１０２ａでは、酸化剤ガス量ＱＯＦＣが増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩまで増大された後に、背圧上昇制御が開始される。続くステップ１０３では燃料電池セル１の出力電圧値ＶＦＣがしきい電圧値ＶＦＣＴＨ以上か否かが判別される。ＶＦＣ≧ＶＦＣＴＨのとき、すなわち出力電圧値ＶＦＣが回復したときには次いでステップ１０４ａに進み、酸化剤ガス増量制御及び背圧上昇制御が停止される。次いで処理サイクルを終了する。これに対し、ＶＦＣ＜ＶＦＣＴＨのとき、すなわち出力電圧値ＶＦＣが未だ回復しないときにはステップ１０５に進み、燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高いか否かが判別される。ＲＦＣ≦ＲＦＣ１のときにはステップ１０２に戻り、酸化剤ガス増量制御及び背圧上昇制御が継続される。ＲＦＣ＞ＲＦＣ１のときには次いでステップ１０６ａに進み、酸化剤ガス増量制御及び背圧上昇制御が停止される。次いでステップ１０７に進む。

本発明による別の実施例のその他の構成及び作用は本発明による実施例の構成および作用と同様であるので、説明を省略する。

これまで述べてきた本発明による各実施例では、酸化剤ガス増量制御において燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣが継続的に増大される。これに対し、図１９に示される実施例では、酸化剤ガス量ＱＯＦＣが間欠的に増大される。すなわち、酸化剤ガス量ＱＯＦＣはベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢから増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩまで増大されると共に維持され、次いで維持時間ｔＦＣＩが経過するとベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢに戻される。このような酸化剤ガスの増量作用が増量回数ＮＦＣＩだけ行なわれる。

ここで、図２０に示されるように、増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩが上限ガス量ＱＯＦＣＩ１よりも多くなると燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなる。したがって、増大酸化剤ガス量ＱＯＦＣＩは上限量ＱＯＦＣＩ１以下に設定される。

また、図２１に示されるように、維持時間ｔＦＣＩが上限時間ｔＦＣＩ１よりも長くなると燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなる。したがって、維持時間ｔＦＣＩは上限時間ｔＦＣＩ１以下に設定される。

更に、図２２に示されるように、増量回数ＮＦＣＩが上限値ＮＦＣＩ１よりも多くなると燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなる。したがって、増量回数ＮＦＣＩは上限値ＮＦＣＩ１以下に設定される。

一方、これまで述べてきた各実施例では、酸化剤ガス増量制御中に燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなったときには、燃料電池セル１に送られる酸化剤ガス量ＱＯＦＣがベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢに戻される。別の実施例では、酸化剤ガス増量制御中に燃料電池セル１の電気抵抗値ＲＦＣが上限抵抗値ＲＦＣ１よりも高くなったときには、酸化剤ガス量ＱＯＦＣをベース酸化剤ガス量ＱＯＦＣＢよりも減少させる酸化剤ガス減量制御が行われる。酸化剤ガス減量制御が行なわれると、カソードオフガスにより燃料電池セル１から持ち去られる水分量が減少されるので燃料電池セル１の湿潤度合いが高められる。

次に、燃料電池システムＡの別の実施例を説明する。燃料電池システムＡの別の実施例では、アノードオフガス制御弁１５上流のアノードオフガス通路１４と燃料ガス制御弁１３下流の燃料ガス供給路１１とを互いに連結する循環通路と、循環通路内に配置されたアノードオフガスポンプとが更に設けられ、アノードオフガス通路１４内のアノードオフガスの一部又は全部がアノードオフガスポンプにより循環通路を介して燃料ガス供給路１１に戻される。

アノードオフガスには水分が含まれている。したがって、燃料電池システムＡの別の実施例のようにアノードオフガス通路１４内のアノードオフガスが燃料ガス供給路１１に戻されると、この水分がガスと共に燃料電池セル１内に戻されることになる。その結果、燃料電池セル１の湿潤度合いが低くなりにくい。

これに対し、図１及び図１３に示される燃料電池システムＡでは、アノードオフガス通路１４と燃料ガス供給路１１とは互いに連結されておらず、したがってアノードオフガスはアノードオフガス通路１４から燃料ガス供給路１１に戻されることなくアノードオフガス通路１４内を流れる。このようにすると、燃料電池システムＡの構成を簡素化でき、コストを下げることができる。ところが、この場合、アノードオフガスに含まれる水分が燃料電池セル１に戻されない。このため、図１及び図１３に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池セル１の湿潤度合いが低くなりやすい。そこで本発明による各実施例では、燃料電池セル１の出力電圧値が低下しかつ燃料電池セル１の湿潤度合いが低下したときに酸化剤ガス増量制御が行われる。無論、上述した燃料電池システムＡの別の実施例にも本発明が適用される。

Ａ燃料電池システム
１燃料電池セル
２膜電極接合体
２ｃカソード極
２ｃ１導電性材料
２ｃ２アイオノマ
２０酸化剤ガス通路
２１酸化剤ガス供給路
２３コンプレッサ
４１電圧計
４２電気抵抗計

Claims

電解質並びに電解質の両側にそれぞれ配置されるカソード極及びアノード極を備えた膜電極接合体と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とを有する燃料電池セルと、酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路内に配置されてカソード極に酸化剤ガスを送るための酸化剤ガス供給器とを備え、燃料電池セルの出力電流値が燃料電池セルの目標発電量に応じて定まる目標電流値になるように制御される、燃料電池システムにおいて、前記カソード極が導電性材料と、触媒と、これら導電性材料及び触媒を覆うアイオノマとを含んでおり、燃料電池セルの出力電圧値があらかじめ定められたしきい電圧値よりも低くかつ燃料電池セルの電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値よりも高いときには、酸化剤ガス供給器を制御して燃料電池セルに送られる酸化剤ガス量を増大する酸化剤ガス増量制御を行う、燃料電池システム。
酸化剤ガス増量制御中に燃料電池セルの出力電圧値がしきい電圧値よりも高くなったときには、酸化剤ガス増量制御を停止する、請求項１に記載の燃料電池システム。
酸化剤ガス増量制御中に燃料電池セルの電気抵抗値があらかじめ定められた上限抵抗値よりも高くなったときには、酸化剤ガス増量制御を停止する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
燃料電池セルの温度を制御する燃料電池温度制御器を備え、燃料電池セルの電気抵抗値が上限抵抗値よりも高くなったことにより酸化剤ガス増量制御が停止されたときには、燃料電池セルの温度を低下させる燃料電池温度低下制御を行う、請求項３に記載の燃料電池システム。
燃料電池温度低下制御中に燃料電池セルの電気抵抗値がしきい抵抗値よりも低くなったときには、燃料電池温度低下制御を停止する、請求項４に記載の燃料電池システム。
燃料電池セルの酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、カソードオフガス通路内に配置されて燃料電池セルの背圧を制御する背圧制御弁とを更に備え、燃料電池セルの出力電圧値があらかじめ定められたしきい電圧値よりも低くかつ燃料電池セルの電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値よりも高いときには、前記酸化剤ガス増量制御を行うと共に、背圧制御弁を制御して燃料電池セルの背圧を上昇させる背圧上昇制御を行う、請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス増量制御及び前記背圧上昇制御を行うときには、まず酸化剤ガス増量制御を行って酸化剤ガスをあらかじめ定められた目標量まで増大すると共に維持し、次いで背圧上昇制御を行う、請求項６に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス増量制御において酸化剤ガス量が間欠的に増大される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セルが更に、前記アノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス通路を有しており、前記燃料電池システムが更に、燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給路と、燃料ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路とを備えており、アノードオフガスがアノードオフガス通路から燃料ガス供給路に戻されることなくアノードオフガス通路内を流れる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。