JPWO2013128610A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

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−電極アセンブリを備えた燃料電池と、負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、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り前記触媒層の性能回復処理を実施する制御装置と、を備え、所定の間欠運転実施条件を満たす場合に、燃料電池への発電指令値をゼロに設定すると共に負荷への電力供給を蓄電装置からの電力によって賄う間欠運転が実施可能とされ、この間欠運転中に性能回復処理が実施される燃料電池システムであって、制御装置は、性能回復処理の実施が必要である場合において、蓄電装置の残容量が所定量以下のときは、間欠運転の実施タイミングを遅延させ、且つ、残容量が前記所定量を超えるまで蓄電装置への充電を実施する。

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、出力特性が低下することがある。このような事情に鑑み、特許文献１には、燃料電池に対する要求電力が所定値未満のときに、燃料電池スタックへの空気（酸化ガス）供給を停止するとともに、燃料電池スタックの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータによって強制的に低下させ、セル電圧を還元電圧（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触媒層の性能を回復する処理（以下、リフレッシュ処理と称する。）について言及されている。

また、同文献には、燃料電池システムを車載電源とする燃料電池車両について、燃料電池車両の走行速度が所定値以上の走行中であるときにはリフレッシュ処理を禁止することについても言及されている。

特開２００８−１９２４６８号公報

リフレッシュ処理時は、通常負荷運転時よりもセル電圧が低下しているため、燃料電池に対する出力増加要求、とりわけ高負荷要求に対する応答性が著しく低下する虞がある。例えば、燃料電池車両においては、リフレッシュ処理によってセル電圧が下がると、高負荷要求時におけるアクセル応答に追従した出力を得ることができない場合があり、ドライバビリティ（操縦性能）が著しく低下する虞がある。

このような応答性低下を抑制するために、リフレッシュ処理を間欠運転時に行うことが考えられる。間欠運転とは、電力供給源として燃料電池及びバッテリを備えた燃料電池システムにおいて、例えば負荷からの要求電力が所定値以下であるような所定の間欠運転実施条件を満たす場合に、燃料電池の発電指令値をゼロに設定し、負荷への供給電力をバッテリからの電力によって賄うものである。

しかしながら、触媒層に形成された酸化皮膜量が多く、リフレッシュ処理の実施時間（リフレッシュ時間）を十分に確保する必要がある場合において、バッテリの残容量が少ないと、バッテリから駆動モータへ供給可能な電力量が制限されてしまい、その結果、ドライバビリティが悪化する可能性がある。また、酸化皮膜の量及び性質の推定が正確でないと、リフレッシュ処理の効果が十分に得られないこともある。

例えば、酸化皮膜には、燃料電池スタックの出力電圧を特許文献１に言及されているような還元電圧（以下、第１の還元電圧と称する。）まで下げれば除去できる皮膜（以下、I型酸化皮膜と称する。）と、第１の還元電圧よりも低い第２の還元電圧まで下げないと除去できない皮膜（以下、II型酸化皮膜と称する。）が混在し得ることが認知されている。

特許文献１のリフレッシュ処理では、酸化皮膜を除去できる還元電圧（第１の還元電圧）が一段階しか想定されていないため、この想定されている第１の還元電圧まで燃料電池スタックの出力電圧を一定時間下げることにより、I型酸化皮膜を除去することはできても、II型酸化皮膜まで除去することはできない。よって、触媒層の性能回復が必ずしも十分でない場合がある。

そこで、本発明は、燃料電池の触媒層の性能回復処理後あるいは処理中の応答性低下を抑制することのできる燃料電池システムを提案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−電極アセンブリを備えた燃料電池と、
負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、
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り前記触媒層の性能回復処理を実施する制御装置と、を備え、
所定の間欠運転実施条件を満たす場合に、前記燃料電池への発電指令値をゼロに設定すると共に前記負荷への電力供給を前記蓄電装置からの電力によって賄う間欠運転が実施可能とされ、この間欠運転中に前記性能回復処理が実施される燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記性能回復処理の実施が必要である場合において、前記蓄電装置の残容量が所定量以下のときは、前記間欠運転の実施タイミングを遅延させ、且つ、前記残容量が前記所定量を超えるまで前記蓄電装置への充電を実施するものである。

この構成では、間欠運転中に触媒層の性能回復処理が実施される燃料電池システムにおいて、性能回復処理の実施が必要と判断され、且つ、蓄電装置の残容量が所定量以下である場合には、性能回復処理の実施よりも蓄電装置への充電が優先されることになる。これにより、間欠運転移行後に性能回復処理を実施した後あるいは実施中の蓄電装置の残容量が確保されるため、応答性への影響を最小化することが可能となる。

上記構成において、前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングを予測し、その予測結果に基づいて前記性能回復処理の内容を決定するようにしてもよい。例えば、車載電源として燃料電池車両に搭載された燃料電池システムである場合に、前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングの予測を前記車両の走行状態に基づいて行うようにしてもよい。

この構成によれば、触媒層の性能回復処理が必要な場合に一律の処理を実施するのではなく、予測される出力増加要求のタイミングに応じて、触媒層に形成された酸化皮膜の除去量を調整することができる。よって、応答性（車載燃料電池システムではドライバビリティ）への影響の最小化と触媒層の性能回復の最大化とを両立させることが可能となる。

上記構成において、
前記燃料電池の発電中に前記触媒層に形成される酸化皮膜が、前記燃料電池の出力電圧を第１の皮膜除去電圧まで低下させることにより除去できる第１の酸化皮膜と、前記燃料電池の出力電圧を前記第１の皮膜除去電圧よりも低い第２の皮膜除去電圧まで低下させないと除去できない第２の酸化皮膜とが混在したものであるときに、
前記制御装置は、前記性能回復処理の実施が必要である場合に、前記予測結果に応じて前記低下させる所定電圧を変更するようにしてもよい。

この構成では、燃料電池に対する出力増加要求のタイミングが近いことが予測される場合には、出力増加要求に対する応答性への影響の最小化を最優先させて、燃料電池の出力電圧を第１の皮膜除去電圧までしか下げないという性能回復処理を実施し、燃料電池に対する出力増加要求のタイミングがそれほど近くないことが予測される場合には、触媒層の性能回復の最大化を最優先させて燃料電池の出力電圧を第２の皮膜除去電圧まで下げるという性能回復処理を実施することが可能となる。

上記構成において、
前記燃料電池の発電中に前記触媒層に形成される酸化皮膜が、前記燃料電池の出力電圧を第１の皮膜除去電圧まで低下させることにより除去できる第１の酸化皮膜と、前記燃料電池の出力電圧を前記第１の皮膜除去電圧よりも低い第２の皮膜除去電圧まで低下させないと除去できない第２の酸化皮膜とが混在したものであるときに、
前記制御装置は、前記性能回復処理の実施が必要である場合に、前記予測結果に応じて前記性能回復処理の実施時間を変更するようにしてもよい。

この構成では、燃料電池に対する出力増加要求のタイミングが近いことが予測される場合には、出力増加要求に対する応答性への影響の最小化を最優先させた実施時間の短い性能回復処理を実施し、燃料電池に対する出力増加要求のタイミングがそれほど近くないことが予測される場合には、触媒層の性能回復の最大化を最優先させた実施時間の長い性能回復処理を実施することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の触媒層の性能回復処理後あるいは処理中の応答性低下を抑制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一運転制御例を示すタイミングチャートである。 バッテリの残容量が所定の閾値を超えたことを条件の一つとしてリフレッシュ処理を実施する手順を示すフローチャートである。 燃料電池の出力電流と酸化皮膜内におけるII型酸化皮膜の含有比率との関係を示す図である。 燃料電池スタックの出力電圧が一定値に保持された場合に、触媒層に形成される酸化皮膜中のI型酸化皮膜〜III型酸化皮膜の各割合が経過時間と共に変化することを示す図である。 燃料電池スタックの出力電圧が所定の境界電圧を上下に跨いだ回数の増加に伴い、触媒層に形成される酸化皮膜中のI型酸化皮膜及びII型酸化皮膜の各割合が変化することを示す図である。 燃料電池システムの他の運転制御例を示すタイミングチャートである。 燃料電池システムのさらに他の運転制御例を示すタイミングチャートである。

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）

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。同一の装置については同一の符号を示すものとし、重複する説明を省略する。

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す。
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、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）

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７１、出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ７２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。

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。

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３は燃料電池システム１０の運転制御を示すタイミングチャートである。
燃料電池システム１０は、運転負荷に応じて、燃料電池スタック２０の運転モードを切り替えることにより発電効率の向上を図る。

例えば、燃料電池システム１０は、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通常負荷運転を実施する。

一方、燃料電池システム１０は、発電効率の低い低負荷領域（発電要求が所定値未満となる間欠運転実施条件を満たした運転領域）では、燃料電池スタック２０の発電指令値をゼロに設定して運転制御し、車両走行に要する電力やシステム運用上必要な電力をバッテリ５２からの電力によって賄う間欠運転を実施する。なお、間欠運転中に高負荷要求（出力増加要求）があったときにセル電圧が低いと、ドライバビリティが悪化するため、間欠運転中のセル電圧は高めに保たれる。

また、燃料電池システム１０は、起動直後や信号待ちのときのような駐停車時、言い換えれば、シフトレバーがＰレンジ又はＮレンジに入っているときや、Ｄレンジに入っていてもブレーキを踏み込んでいて車速がゼロになっているときには、ドライバビリティ確保に必要な発電電圧にて燃料電池スタック２０に発電を行なわせつつ、その発電電力をバッテリ５２に充電するアイドル運転を実施する。

このアイドル運転時のようなカソード極２４の電圧が高く保持されるような場合、燃料電池スタック２０では、触媒層２４ａの白金触媒が溶出する可能性があるため、燃料電池スタック２０の出力電圧を使用上限電圧Ｖ１以下に制御し、燃料電池スタック２０の耐久性を維持する高電位回避制御（ＯＣ回避運転）を実施する。使用上限電圧Ｖ１は、例えば一つのセルあたりに電圧が０．９Ｖ程度になるように設定する。

図４は、バッテリ５２の残容量が所定の閾値を超えていることを条件の一つとしてリフレッシュ処理を実施する手順を示すフローチャートである。以下、必要に応じて図３も参照しながら、このフローチャートについて説明する。

コントローラ６０は、通常負荷運転中（ステップＳ１）にアイドル運転を指示する信号を検知すると、燃料電池システム１０の運転状態を通常負荷運転からアイドル運転に移行させる（ステップＳ３）。このアイドル運転中は、前記ＯＣ回避運転が実施される。
なお、アイドル運転を指示する信号の例としては、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣがアクセル開度ゼロ（アクセルＯＦＦ）を示している場合や、ブレーキセンサから出力されるブレーキ開度信号がブレーキ開度全開であることを示している場合等が該当する。

次に、触媒層２４ａの白金触媒表面に形成された酸化皮膜の総量が所定量αを超えているか否かを判定する（ステップＳ５、図３では時間ｔ２のタイミング）。この酸化皮膜の総量は、例えば図５に示すマップを参照することによって推定する。図５のマップは、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（図５中の実線と破線）との関係を示すものであり、実験やシミュレーション結果に基づき作成され、コントローラ６０内のメモリに記憶されている。

この図５から、前回実施したリフレッシュ処理からの経過時間が増大するに従い、燃料電池スタック２０の発電電流が低下すること、及び、酸化皮膜中のII型酸化皮膜（図５では皮膜２と表記している。）が増大するに従い、前回実施したリフレッシュ処理からの経過時間に対する燃料電池スタック２０の発電電流の低下率、言い換えれば、触媒層２４ａの性能低下への影響が増大することが明らかである。

このことは更に、酸化皮膜がI型酸化皮膜（図５では皮膜１と表記している。）のみから構成されている場合よりも、酸化皮膜中にII型酸化皮膜を含む場合の方が触媒層２４ａの性能低下への影響が大きいこと、そして、酸化皮膜中にII型酸化皮膜が含まれている場合には、II型酸化皮膜の含有比率が高ければ高いほど触媒層２４ａの性能低下への影響が大きくなることを示している。

ここで、I型酸化皮膜、II型酸化皮膜、及びIII型酸化皮膜について補足する。これらの酸化皮膜は、１の酸化皮膜中に混在し得るものであり、例えば図６に示すように、燃料電池スタック２０の出力電圧を一定の酸化皮膜形成電圧（酸化電圧）に保持した場合に、その保持時間の増大に伴い酸化皮膜中の割合が徐々に変化するものであり、かつ、それぞれの還元電圧の大小関係が以下の関係を満たすものとして、知られているものである。
I型酸化皮膜（例えば、０．６５Ｖ〜０．９Ｖ）＞II型酸化皮膜（例えば、０．４Ｖ〜０．６Ｖ）＞III型酸化皮膜（例えば、０．０５Ｖ〜０．４Ｖ）

また、I型酸化皮膜、II型酸化皮膜、及びIII型酸化皮膜は、例えば図７に示すように（ただし、III型酸化皮膜については図示略）、燃料電池スタック２０の出力電圧が所定の境界電圧（例えば、０．８Ｖ）を上下に跨いだ回数（以下、サイクル数）の増大に伴い酸化皮膜中の割合が徐々に変化するものとしても知られている。

アイドル運転中は、図３に示すように、燃料電池スタック２０に定電圧発電を行なわせており、その発電電圧は酸化電圧であるから、触媒層２４ａには酸化皮膜が形成される。そこで、コントローラ６０は、アイドル運転中のある時点を起点にしてそのときから所定時間が経過したときの燃料電池スタック２０の発電電流の低下量から発電電流の低下率（図５では直線の傾きに該当）を求めておき、ステップＳ５において、この発電電流の低下率を図５のマップに当てはめることで、酸化皮膜の総量と酸化皮膜の内訳（例えば、II型酸化皮膜の含有比率）を求める（図３では時間ｔ１のタイミング）。

このようにして求めた酸化皮膜の総量が所定量αを超えている場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、そのままアイドル運転を継続し（図３では時間ｔ３のタイミング）、燃料電池スタック２０の発電電力をバッテリ５２に充電する（ステップＳ７）。そして、バッテリの残容量が所定量β（例えば、５０％）以下の場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、ステップＳ７に戻り、アイドル運転を継続して燃料電池スタック２０の発電電力をバッテリ５２に充電し続ける。

一方、バッテリの残容量（図４ではＳＯＣと表記）が所定量βを超えている場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）には、燃料電池システム１０の運転状態をアイドル運転から間欠運転に移行させる（ステップＳ１１）。そして、コントローラ６０が、間欠運転の終了を指示する信号を検知すると、酸化皮膜の総量が所定量α’を超えているか否かを判定する（ステップＳ１３）。

このステップＳ１３での判定は、閾値としての所定量α’が所定量αと異なる以外は、ステップＳ５での判定と同様であるので、ここでの説明は省略する。
なお、間欠運転の終了を指示する信号の例としては、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣが所定開度以上のアクセル開度（アクセルＯＮ）を示している場合等が該当する。

そして、酸化皮膜の総量が所定量α’を超えている場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）には、リフレッシュ処理を実施し（ステップＳ１５、図３では時間ｔ４のタイミング）、その後、燃料電池システム１０の運転状態を間欠運転から通常負荷運転に移行させる（ステップＳ１７）。一方、酸化皮膜の総量が所定量α’以下である場合（ステップＳ１３：ＮＯ）には、リフレッシュ処理を実施せずに、燃料電池システム１０の運転状態を間欠運転から通常負荷運転に移行させる（ステップＳ１７）。

ここで、リフレッシュ処理について補足する。
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。

リフレッシュ処理は、セル電圧を還元電圧（以下、リフレッシュ電圧ということがある。）まで所定時間（以下、リフレッシュ時間ということがある。）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処理である。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。

以上の説明から明らかなように、ステップＳ１３の判定に使用される所定量α’は、リフレッシュ処理の要否を判定するための閾値であるのに対し、ステップＳ５の判定に使用される所定量αは、所定量α’よりも大なる値であり、バッテリ５２の残容量が所定量β以下である場合に触媒層２４ａの性能回復に必要十分のリフレッシュ処理を実施したときでも、ドライバビティの低下を抑制するのに必要十分なバッテリ５２の残容量を確保することができる閾値である。

したがって、酸化皮膜の総量が所定量α以下の場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、アイドル運転を継続して燃料電池スタック２０の発電電力をバッテリ５２に充電する必要はないので、本実施形態では、ステップＳ７及びステップＳ９の処理をスキップし、燃料電池システム１０の運転状態をアイドル運転から間欠運転に移行させるようにしている（ステップＳ１１）。

以上説明したとおり、本実施形態では、図４のステップＳ５，Ｓ７，Ｓ９に主たる特徴があるので、以下、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ９の説明を補足する。

酸化皮膜の総量が所定量αを超えている場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）に、ステップＳ７及びステップＳ９の処理を実行することなく、燃料電池システム１０の運転状態をアイドル運転から間欠運転に移行（ステップＳ１１）させてしまうと、リフレッシュ処理実施後のバッテリ５２の残容量が不足し、ドライバビリティの悪化を来たす虞がある。つまり、酸化皮膜の総量が多い場合には、リフレッシュ処理に要する時間（リフレッシュ時間）が長くなってバッテリ５２の放電量が増大するので、突然の高負荷要求時にバッテリ５２の残容量が不足する事態を招く虞がある。

しかしながら、本実施形態では、そのような事態を回避するべく、酸化皮膜の総量が多い（すなわち、所定量αを超えている）場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、必ずバッテリ５２の残容量をチェックするようにし（ステップＳ９）、バッテリ５２の残容量が不足している（すなわち、所定量β以下である）場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、たとえ酸化皮膜の総量がリフレッシュ処理を実施すべき量に達している場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）であっても、間欠運転（ステップＳ１１）へは直ちに移行させずに移行タイミングを敢えて遅らせることにより、アイドル運転状態でのバッテリ５２への充電を継続させる（ステップＳ７）。

つまり、本実施形態では、酸化皮膜の総量が多い（すなわち、所定量αを超えている）場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、リフレッシュ処理の実施よりもバッテリ５２の残容量確保を優先させるようにしている。したがって、間欠運転中にリフレッシュ時間の長いリフレッシュ処理を実施し、その後に高負荷要求があった場合でも、バッテリ５２の残容量が十分に確保されていることになるので、ドライバビリティが確保される。

なお、図３に示す実施形態では、燃料電池システム１０の運転状態が間欠運転から通常負荷運転に移行した後にリフレッシュ処理を実施する例について説明したが、リフレッシュ処理のタイミングは、例えば図８に示すように、燃料電池システム１０の運転状態がアイドル運転から間欠運転に移行した直後のタイミング（時間ｔ５）や間欠運転中の所定のタイミング（時間ｔ６）でもよい。

なお、図８中の破線は、リフレッシュ処理を実施したときのセル電圧の変化を示している。また、図８には、説明の便宜上、燃料電池システム１０の運転状態がアイドル運転から間欠運転に移行した直後のタイミング（時間ｔ５）でリフレッシュ処理を実施する場合と、間欠運転中の所定のタイミング（時間ｔ６）でリフレッシュ処理を実施する場合の両方を一つの図中に記載している。

リフレッシュ処理を間欠運転中に実施する場合においては、例えば図９に示すように、車速に応じてリフレッシュ電圧を変更してもよい。

なお、図９中の破線は、リフレッシュ処理を実施したときのセル電圧の変化を示している。また、図９には、説明の便宜上、リフレッシュ電圧をＶ２に設定した第１のリフレッシュ処理（図９では、時間ｔ７のタイミングで実施されることが示されている。）と、リフレッシュ電圧をＶ２よりも低いＶ３に設定した第２のリフレッシュ処理（図９では、時間ｔ８のタイミングで実施されることが示されている。）の両方を一つの図中に記載している。

（第１のリフレッシュ処理）
車速センサから出力される車速信号ＶＣに基づいて検出した車速が所定値εを超えている場合、言い換えれば、更にアクセルが踏み込まれて加速する可能性があると判断される場合（出力増加要求が予測される場合）には、リフレッシュ電圧を例えばI型酸化皮膜の除去に必要な電圧Ｖ２に設定することにより、セル電圧の低下をできるだけ抑制し、ドライバビリティを確保する。

（第２のリフレッシュ処理）
一方、車速センサから出力される車速信号ＶＣに基づいて検出した車速が所定値ε以下の場合、言い換えれば、更にアクセルが踏み込まれて加速する可能性が低いと判断される場合（出力増加要求が予測されない場合）には、ドライバビリティの確保を考慮する必要があまりないため、リフレッシュ電圧を例えばII型酸化皮膜又はIII型酸化皮膜の除去に必要な電圧Ｖ３にまで下げることにより、触媒層２４ａの十分な性能回復を図る。

（第２のリフレッシュ処理の変形例）
リフレッシュ電圧を電圧Ｖ３にまで下げるリフレッシュ処理を実施する場合としては、上記の車速が所定値ε以下に該当する場合だけでなく、例えば、シフトレバーがＰレンジ（パーキング）、Ｎレンジ（ニュートラル）、Ｂレンジ（エンジンブレーキ）のいずれかのレンジに入っている場合としてもよい。このようなレンジにシフトレバーが入っている場合には、加速する可能性が低いと判断される場合（出力増加要求が予測されない場合）に該当するからである。

なお、上述の実施形態では、車速やシフトレバーの状態に応じてリフレッシュ電圧を変更する形態について説明したが、リフレッシュ時間を変更するようにしてもよい。
例えば、車速が所定値ε以下の場合やシフトレバーがＰレンジ、Ｎレンジ、Ｂレンジに入っている場合には、車速が所定値εを超えている場合やシフトレバーがＰレンジ、Ｎレンジ、Ｂレンジ以外の例えばＤレンジに入っている場合よりも、リフレッシュ時間を長くしてもよい。

また、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用いる利用形態を例示したが、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。

Claims (5)

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−電極アセンブリを備えた燃料電池と、
   負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、
   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り前記触媒層の性能回復処理を実施する制御装置と、を備え、
   所定の間欠運転実施条件を満たす場合に、前記燃料電池への発電指令値をゼロに設定すると共に前記負荷への電力供給を前記蓄電装置からの電力によって賄う間欠運転が実施可能とされ、この間欠運転中に前記性能回復処理が実施される燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記性能回復処理の実施が必要である場合において、前記蓄電装置の残容量が所定量以下のときは、前記間欠運転の実施タイミングを遅延させ、且つ、前記残容量が前記所定量を超えるまで前記蓄電装置への充電を実施する、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングを予測し、その予測結果に基づいて前記性能回復処理の内容を決定する、燃料電池システム。
3. 車載電源として燃料電池車両に搭載された請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングの予測を前記車両の走行状態に基づいて行う、燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電中に前記触媒層に形成される酸化皮膜が、前記燃料電池の出力電圧を第１の皮膜除去電圧まで低下させることにより除去できる第１の酸化皮膜と、前記燃料電池の出力電圧を前記第１の皮膜除去電圧よりも低い第２の皮膜除去電圧まで低下させないと除去できない第２の酸化皮膜とが混在したものであり、
   前記制御装置は、前記性能回復処理の実施が必要である場合に、前記予測結果に応じて前記低下させる所定電圧を変更する、燃料電池システム。
5. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電中に前記触媒層に形成される酸化皮膜が、前記燃料電池の出力電圧を第１の皮膜除去電圧まで低下させることにより除去できる第１の酸化皮膜と、前記燃料電池の出力電圧を前記第１の皮膜除去電圧よりも低い第２の皮膜除去電圧まで低下させないと除去できない第２の酸化皮膜とが混在したものであり、
   前記制御装置は、前記性能回復処理の実施が必要である場合に、前記予測結果に応じて前記性能回復処理の実施時間を変更する、燃料電池システム。

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