(57)【要約】【課題】高温運転による被毒の場合、被毒からの回復が効果的に実施されないこと。【解決手段】カソードガスの上流部において発電を集中させることによって（ステップＳ２２０）、カソードガスの上流部における触媒を被毒から回復させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードガスの上流部において発電を集中させることによって、カソードガスの上流部における触媒の性能を回復させる
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極触媒が被毒状態にあることを検出した場合、発電要求に応じた電力を出力しつつ、通常の運転条件（電圧、電流の条件）よりも電力損失の大きな低効率運転を実施することで、触媒を被毒から回復させる手法が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４９５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術が有する課題は、高温運転による被毒の場合、被毒からの回復が効果的に実施されないことである。高温運転によってアイオノマが分解して触媒に付着した場合、上記の低効率運転では被毒からの回復は効果的には実現しない。特に低効率運転ではカソードガス上流部が乾燥しやすく高温となるため、却ってアイオノマ分解による触媒被毒が発生しやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、カソードガスの上流部において発電を集中させることによって、カソードガスの上流部における触媒の性能を回復させる。この形態によれば、高温運転による被毒の場合でも、カソードガスの上流部における触媒の性能を効果的に回復させることができる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、燃料電池の運転方法、この方法を実現するためのプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池自動車の概略図。
【図２】性能回復処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池自動車２０の概略図である。図示するように、燃料電池自動車２０は、燃料電池システム３０と、燃料電池自動車２０の前輪駆動用のモータ１７０とを車体２２に搭載する。燃料電池システム３０は、燃料電池１００、水素ガス供給系１２０、空気供給系１４０、冷却系１６０、二次電池１７２及びＤＣ−ＤＣコンバータ１７４を備え、前輪駆動用のモータ１７０等に電力を供給する。
【００１０】
燃料電池１００は、固体電解質膜の両側に白金触媒を担持した両電極（アノード及びカソード）を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備えるセルを積層して構成され、前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間、かつ車体２２の床下に配置される。燃料電池１００は、水素ガス供給系１２０から供給される水素と、空気供給系１４０から供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電する。この発電した電力は、モータ１７０を駆動するために用いられる。燃料電池１００の発電による電流は電流センサ１０２によって計測され、その計測結果は電流センサ１０２から後述する制御装置２００へ出力される。
【００１１】
水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０、水素供給経路１２１、水素供給用開閉バルブ１２４、減圧バルブ１２５及び水素供給機器１２６を備える。水素ガスタンク１１０は、内部に水素ガスを貯蔵する。水素供給経路１２１は、水素ガスタンク１１０と燃料電池１００とをつなぐガス経路である。水素供給機器１２６は、水素ガスタンク１１０内の水素ガスを水素供給経路１２１経由で燃料電池１００のアノードに供給する。水素供給用開閉バルブ１２４は、水素供給経路１２１を開閉する。減圧バルブ１２５は、水素ガスタンク１１０から供給される水素を減圧する。減圧された水素は、水素供給経路１２１に供給される。
【００１２】
水素ガス供給系１２０は更に、水素ガス循環経路１２２、放出経路１２３、水素ガス循環ポンプ１２７及び水素ガス流量センサ１２８を備える。水素ガス循環経路１２２は、アノードオフガスを水素供給経路１２１に戻して循環させるための経路である。この循環は、水素ガス循環ポンプ１２７が実行する。水素ガス流量センサ１２８は、循環する水素ガスの流量を測定する。放出用開閉バルブ１２９は、水素ガス循環経路１２２と放出経路１２３との間の経路を開閉する。放出経路１２３は、燃料電池１００によって消費されなかった水素ガス（アノードオフガス）を、大気放出するための経路である。放出経路１２３は、後述する空気供給系１４０においても、空気を放出する経路として用いられる。放出経路１２３において、アノードオフガスと空気とが混合することによって、アノードオフガスが希釈される。
【００１３】
空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０、空気供給経路１４１、排出流量調整バルブ１４３、及び空気流量センサ１４７を備える。コンプレッサ１３０は、大気から取り込んだ空気を圧縮する。空気供給経路１４１は、コンプレッサ１３０によって圧縮された空気が流れるガス経路であり、燃料電池１００のカソードに通じている。排出流量調整バルブ１４３は、燃料電池１００によって消費されなかった空気（カソードオフガス）の排出圧力（カソード背圧）及び排出量を調整する。
【００１４】
冷却系１６０は、ラジエータ１５０、冷却水循環経路１６１、バイパス１６２、三方流量調整弁１６３、冷却水循環ポンプ１６４及び温度センサ１６６を備える。冷却水循環経路１６１は、燃料電池１００とラジエータ１５０との間で冷却水を循環させるための経路である。この循環は冷却水循環ポンプ１６４が行う。このようにして循環する冷却水は、燃料電池１００内において吸熱し、ラジエータ１５０において放熱することで、燃料電池１００を冷却する。つまり、セル温度を低下させる。また、バイパス１６２は、燃料電池１００から流出した冷却水を、ラジエータ１５０を通過させずに再度、燃料電池１００に流入させるための経路である。一方、三方流量調整弁１６３は、バイパス１６２を通過する冷却水の流量を調整する。この調整は、ラジエータ１５０における放熱量の調整のために行われる。
【００１５】
次に、電気系統について説明する。電気系統としては、燃料電池１００の他、先述した二次電池１７２及びＤＣ−ＤＣコンバータ１７４が備えられている。二次電池１７２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７４を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００によって発電された電力の充電、及び充電した電力を他の機器へ供給することができる。二次電池１７２には、残容量検出センサ１７６が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１７４は、燃料電池１００の電圧制御を含む発電制御、二次電池１７２の充放電の制御、モータ１７０への電力供給を行う。
【００１６】
制御装置２００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータによって構成される。この制御装置２００は、アクセルペダル１８０や先述した種々のセンサからの信号入力を取得し、その取得した信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ１７４やその他種々のバルブや機器等を先述したように制御することにより、燃料電池システム３０を運転する。
【００１７】
図２は、触媒性能回復処理を示すフローチャートである。触媒性能回復処理の実行主体は、制御装置２００である。触媒性能回復処理は、高温運転（例えば９５℃以上）が所定頻度（例えば、過去１時間において８０％）以上、継続された場合に実行される。
【００１８】
初めに、燃料電池１００による発電の電流密度が基準値以上かを判定する（ステップＳ２１０）。基準値以上の場合（ステップＳ２１０、ＹＥＳ）、カソードガスの入り口付近における触媒は被毒していないと見なし、ステップＳ２１０の判定を繰り返す。
【００１９】
一方、電流密度が基準値未満の場合（ステップＳ２１０、ＮＯ）、カソードガスの入り口付近における触媒が被毒したと見なし、所定時間（例えば３５分）、カソードガスの入り口付近に発電を集中させ（ステップＳ２２０）、ステップＳ２１０に戻る。
【００２０】
カソードガスの入り口付近に発電が集中すると、カソードガスの入り口付近の電位が下がり、且つ生成水が増加する。この２つの作用によって触媒に付着したアイオノマ分解物が除去され、触媒が被毒から回復する。
【００２１】
本実施形態において、カソードガスの入り口付近に発電を集中させることは、燃料電池１００の運転温度を低下させること、及びカソードガスのストイキ比を低下させることの少なくとも一方によって実現する。例えば、運転温度を４０℃、燃料電池１００全体の電流密度を２．０Ａ／ｃｍ2に制御する。或いは、ストイキ比を１．０、燃料電池１００全体の電流密度を０．６Ａ／ｃｍ2に制御する。
【００２２】
燃料電池１００の運転温度を低下させると、カソードガス出口付近においてフラッディングが発生することによって、カソードガス出口付近において電流密度が低下する。この結果、カソードガス入り口付近に発電が集中する。本実施形態において、燃料電池１００の運転温度の低下は、冷却水循環ポンプ１６４の回転数を増大させることによって実現する。
【００２３】
一方、カソードガスのストイキ比を低下させると、カソードガスが不足することになるので、カソードガス出口付近において発電不良が発生する。この結果、カソードガス入り口付近に発電が集中する。本実施形態において、カソードガスのストイキ比の低下は、コンプレッサ１３０と排出流量調整バルブ１４３との少なくとも一方を制御することによって実現する。
【００２４】
発明者による実験は、６５時間の高温運転によって８％程度、低下したセル電圧が、性能回復処理によって回復したことを示した。
【００２５】
本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。
【符号の説明】
【００２６】
２０…燃料電池自動車
２２…車体
３０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０２…電流センサ
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…水素ガス循環経路
１２３…放出経路
１２４…水素供給用開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…水素ガス循環ポンプ
１２８…水素ガス流量センサ
１２９…放出用開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…空気供給経路
１４３…排出流量調整バルブ
１４７…空気流量センサ
１５０…ラジエータ
１６０…冷却系
１６１…冷却水循環経路
１６２…バイパス
１６３…三方流量調整弁
１６４…冷却水循環ポンプ
１６６…温度センサ
１７０…モータ
１７２…二次電池
１７４…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１７６…残容量検出センサ
１８０…アクセルペダル
２００…制御装置
【図１】
2014154418.tif 000003
【図２】
2014154418.tif 000004