(57)【要約】【課題】  カソード触媒の劣化を正確に判断して、無駄にカソードリカバリを実行することを防止し、燃料電池の燃費性能を向上させる。【解決手段】  カソードリカバリ実行判断手段１０１は、燃料電池システムの通常運転時に過渡的にカソード酸素濃度を薄い状態にするカソード酸素希薄化手段を備え、このカソード酸素希薄化手段により、カソード酸素濃度が薄い状態となったときの燃料電池電圧に基づいて、カソード触媒の劣化状態を判定し、カソードリカバリを実行するか否かを判断する。カソードリカバリ手段１０２は、カソードリカバリ実行判断手段１０１の判断結果に応じてカソードリカバリを実行し、カソード触媒を劣化状態から回復させる。カソードリカバリ終了判断手段１０３は、カソードリカバリの終了タイミングを判断する。【選択図】      図２
2005174643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード及びカソードによって挟持した燃料電池本体と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
前記カソードに空気を供給する空気供給装置と、
燃料電池本体の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記カソードの触媒を劣化状態から回復させるカソードリカバリを実行する手段であるカソードリカバリ手段と、
前記電圧検出手段が検出した電圧に基づいて前記カソードリカバリ手段により前記カソードリカバリを実行させるか否かを判断するカソードリカバリ実行判断手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記カソードリカバリ実行判断手段は、
燃料電池システムの通常運転時に過渡的にカソード酸素濃度を薄い状態にするカソード酸素希薄化手段を備え、該カソード酸素希薄化手段により、カソード酸素濃度が薄い状態となったときに、前記電圧検出手段が検出した燃料電池の電圧に基づいて、前記カソードリカバリ手段により前記カソードリカバリを実行させるか否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記カソードリカバリ実行判断手段は、前記カソード酸素希薄化手段により過渡的に酸素が薄くなった状態で前記電圧検出手段が検出した燃料電池の電圧が理想電圧より所定値以上乖離した回数が所定数を超えた場合に、前記カソードリカバリ実行手段により前記カソードリカバリを実行させると判断する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記カソード酸素希薄化手段は、
前記空気供給装置からカソードへ空気が到達するまでの応答よりも早い応答で燃料電池から取り出す電力を過渡的に増加させる負荷制御手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記カソードリカバリ手段は、
燃料電池の電解質膜の加湿量を増加する手段と燃料電池のアノード側の圧力を増加する手段の少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソードリカバリ手段は、
前記空気供給装置からカソードへの空気供給を停止させた状態で、前記燃料供給装置からアノードへ燃料ガスを供給させる手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池のアノードとカソード間にダミー抵抗器を接続するダミー抵抗接続手段を備え、
前記カソードリカバリ手段は、
前記カソードリカバリ実行中に、前記ダミー抵抗接続手段によりダミー抵抗器をアノードとカソード間に接続することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記カソードリカバリ実行中に、燃料電池の運転状態に基づいてカソードリカバリの終了タイミングを判断するカソードリカバリ終了判断手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記カソードリカバリ終了判断手段は、
前記カソードリカバリ実行中に、燃料電池電圧が上昇し始めて所定電圧を超えた場合にカソードリカバリを終了するタイミングであると判断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソードリカバリ終了判断手段は、
前記カソードリカバリ実行中に、カソード出口の水素濃度が、所定時間以上所定値以上となった場合にカソードリカバリを終了するタイミングであると判断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記カソードリカバリ終了判断手段は、
前記カソードリカバリ実行中に、カソード出口の水分濃度が、所定時間以上所定値以下となった場合にカソードリカバリを終了するタイミングであると判断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードに電極触媒を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
一般に、固体高分子型燃料電池の構成単位であるセルは、高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体（ＭＥＡ）と、燃料極側に燃料ガスとしての水素を供給するセパレータと、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するセパレータとを備えて構成されている。これらの電極触媒層は、通常白金等の触媒と、触媒担体としての炭素が使用されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
固体高分子型燃料電池において、アノードに水素ガスが、カソードに空気（又は酸素）が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【０００５】
（化１）
アノード（水素極）：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-                   …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 →Ｈ2Ｏ       …（２）
燃料電池の電解質膜の両面には、電極触媒としてプラチナ微粒子などが塗られる。プラチナは高価であるため、一般的には炭素を担体として炭素の表面に塗られる。
【０００６】
このような固体高分子型燃料電池において、燃料電池セルの電圧が所定電圧（通常０．８Ｖ／セル）より高い電圧に保持されると、カソード側の触媒の酸化現象が進行し、触媒活性領域が減少して電池特性の低下を引き起こすことが知られている。
【０００７】
このため、従来の燃料電池システムにおいては、最も早期に電圧低下する部位である燃料電池スタック内のガス供給経路の下流側でセル電圧を検出し、燃料電池の破損を防止していた（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３１３３９６号公報（第４頁、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
カソード側触媒が酸化により劣化した場合、酸化物除去のために水素を使って還元処理すると、触媒を劣化から回復させることができる。この場合、酸化物が蓄積した時に還元処理しないと水素のむだになる。
【０００９】
しかしながら、燃料電池電圧の低下の原因は、触媒の酸化劣化現象のみが原因とは限らない。このため、従来方法の電圧低下による判断では、酸化物蓄積により電圧が低下したのかどうかを判断できないため、この判断を元に酸化物の除去を行おうとすると酸化物除去が不必要なときに水素を使うことにつながり、水素のむだ使いとなって燃料電池の燃費性能が低下するという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するため、電解質膜をアノード及びカソードによって挟持した燃料電池本体と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記カソードに空気を供給する空気供給装置と、燃料電池本体の電圧を検出する電圧検出手段と、前記カソードの触媒を劣化状態から回復させるカソードリカバリを実行する手段であるカソードリカバリ手段と、前記電圧検出手段が検出した電圧に基づいて前記カソードリカバリ手段により前記カソードリカバリを実行させるか否かを判断するカソードリカバリ実行判断手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記カソードリカバリ実行判断手段は、燃料電池システムの通常運転時に過渡的にカソード酸素濃度を薄い状態にするカソード酸素希薄化手段を備え、該カソード酸素希薄化手段により、カソード酸素濃度が薄い状態となったときに、前記電圧検出手段が検出した燃料電池の電圧に基づいて、前記カソードリカバリ手段により前記カソードリカバリを実行させるか否かを判断することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池システムの通常運転時に、カソードリカバリが必要か否かを判断するためのカソード酸素が希薄な状態を作り出し、この状態で燃料電池電圧を検出してカソードリカバリの要否の判断を行うことができるので、カソードリカバリが不要なときにカソードリカバリを行って、燃料ガスを無駄に使用することがなくり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する実施例は、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施例を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池（燃料電池本体）１は、特に限定されないが内部加湿型であり、アノード１ａ、カソード１ｂ、電解質膜１ｃ、多孔質のセパレータ１ｄ，１ｅ、純水により反応ガスを加湿するための純水極１ｆ、１ｇ、純水極１ｇと冷却水流路１ｉを分離するセパレータ１ｈ、冷却水流路１ｉを備えている。
【００１４】
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁３０１、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３０１で機械的に所定の中間圧力まで減圧され、水素供給弁４で中間圧力が所望の水素圧まで減圧制御されてアノード１ａへ供給される。
【００１５】
燃料電池システム全体の制御は、システム全体を制御するコントローラ２８の下に、カソード１ｂの空気圧力を制御する空気圧力制御手段２２，アノード１ａの水素圧力を制御する水素圧力制御手段２３，冷却水温度を制御する冷却水温度制御手段２４，低温環境下での燃料電池停止時に純水を純水タンク１３へ回収するように制御する純水回収制御手段２５とを備えている。
【００１６】
エゼクタ５及び水素循環ポンプ８は、水素供給弁４から供給される新規水素とアノード１ａで消費されなかった水素とを混合してアノード１ａに供給する再循環を行わせるための燃料ガス循環装置として設置されている。水素循環ポンプ８はエゼクタ５が作動しない水素流量の領域で水素循環機能を補うために設置されている。
【００１７】
アノード１ａの水素圧は、水素圧力制御手段２３が圧力センサ６ａで検出した圧力をフィードバックして水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。
【００１８】
アノード１ａと希釈ブロア９との間に設けられたパージ弁７は、次の（１）から（３）に示すような場合に開く。（１）水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）燃料電池の起動時に、アノード１ａのみガスを供給して燃料電池１から電力を取り出してカソード１ｂの酸素を消費させる燃料電池触媒劣化抑制制御を行いつつ水素系内のガスを水素置換する。また停止時にも同様に燃料電池触媒劣化抑制制御をおこなう。
【００１９】
希釈ブロア９は、パージ弁７から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈してシステム外へ排出する。
【００２０】
カソード１ｂへの空気はコンプレッサ１０から供給される。カソード１ｂの空気圧は、カソード入口に設けられた圧力センサ６ｂで検出される。空気圧力制御手段２２は、圧力センサ６ｂが検出した圧力をフィードバック制御して空気調圧弁１１を駆動することによって、カソード空気圧を所望の値に制御する。
【００２１】
純水極１ｆ、１ｇが使用する加湿用の純水は、純水タンク１３から純水ポンプ１２により供給される。空気圧、水素圧、純水圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜１ｃやセパレータ１ｄ，１ｅに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。純水極１ｆ、１ｇに供給された純水の一部は、多孔質のセパレータ１ｄ，１ｅを介してアノードの水素、カソードの空気をそれぞれ加湿する。純水の残部は、純水シャット弁１４ｄを介して純水タンク１３へ戻る。
【００２２】
純水回収制御手段２５は、純水回収弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ及び純水シャット弁１４ｄを駆動することによって、燃料電池１の純水極１ｆ、１ｇ及び純水系配管内の純水をコンプレッサ１０がカソード１ｂに供給する空気圧で純水タンク１３へ回収する。純水が純水極１ｆ、１ｇに残ったままの状態で燃料電池システムを停止すると、氷点下においては純水が凍結膨張して燃料電池１が破損する可能性があるため、純水を純水タンク１３へ回収する。尚、純水タンク１３内部で純水が凍結しても、純水タンク１３が破損しないように構造上の工夫がされている。
【００２３】
純水シャット弁１４ｄは、純水配管への水素リークを抑制する開閉弁である。燃料電池システムの起動、停止時に、純水が純水極１ｆ、１ｇに循環していない状態で水素をアノード１ａへ供給する場合に、純水回収弁１４ｂ及び純水シャット弁１４ｄを閉じることによって、純水配管への水素リークを抑制することができる。
【００２４】
燃料電池１内部の冷却水流路１ｉへの冷却水は、冷却水ポンプ１５により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流する。ラジエタファン１８は、走行風によるラジエタ１７の冷却が十分でないときに、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、冷却水温度制御手段２４が温度センサ１９で検出した冷却水温度をフィードバックして三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整される。
【００２５】
パワーマネージャー２０は、燃料電池１から電力を取り出して図示しない車両駆動モータなどの負荷装置へ電力を供給する。
【００２６】
燃料電池１から電力を取り出すことができる電力消費手段２９は、ダミー抵抗器２６と、これを燃料電池１へ接続・切り離しする開閉器２７とを備えて構成されている。燃料電池の起動時または停止時に、燃料電池１の電圧が上昇して電極触媒を劣化させることがないように、コントローラ２８は、電力消費手段２９の開閉器２７を制御してダミー抵抗器２６を燃料電池１に接続して放電させることにより過電圧を防止する。
【００２７】
また、燃料電池１のカソード１ｂの出口付近には、カソード排空気の水分濃度を測定する水分濃度センサ３０、及びカソード排空気の水素濃度を測定する水素濃度センサ３１が設けられている。水分濃度センサ３０，水素濃度センサ３１の検出信号は、コントローラ２８へ入力されていて、コントローラ２８における燃料電池状態の判断に使用される。
【００２８】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの要部構成を示す制御ブロック図であり、図１のコントローラ２８の機能の一部として実現されている。コントローラ２８は、特に限定されないが、本実施例では、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと周辺インターフェースとを備えたマイクロコンピュータで実現されている。
【００２９】
図２において、カソードリカバリ実行判断手段１０１は、カソード１ｂの酸素が希薄な状態を作り出し、この状態における電圧センサ２１が検出した燃料電池１の電圧に基づいて、カソードリカバリ手段１０２により燃料電池１のカソード１ｂ触媒を劣化状態から回復させるカソードリカバリを実行するか否かを判断する手段である。
【００３０】
カソードリカバリ手段１０２は、燃料電池１のカソード１ｂを劣化状態から回復させるカソードリカバリを実行する手段である。
【００３１】
カソードリカバリ終了判断手段１０３は、ソードリカバリ手段１０２によるカソードリカバリ実行中に、燃料電池１の運転状態に基づいてカソードリカバリの終了タイミングを判断する手段である。
【００３２】
次に、コントローラ２８によるカソードリカバリ制御機能の動作を図３〜図６のフローチャートを使って説明する。図３は、カソードリカバリを燃料電池システム起動時に実行する例を示す。
【００３３】
図３において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、アノードに水素の供給を開始する。アノードのみに水素を供給してカソードには空気を供給しない状態とする。  図１の構成図では水素タンク元弁３を開、水素供給弁４を所定の圧力に設定し、パージ弁７を開、希釈ブロワ９を作動、水素循環ポンプ８を作動、エゼクタ５の弁を開とすることに相当する。
【００３４】
パージ弁７を開とし、希釈ブロワ９を作動させるのは、燃料電池の運転停止中にアノード１ａへ浸入した空気などを素早く排出するために、アノード１ａからの排水素経路を確保するためである。
【００３５】
水素循環ポンプ８を作動させ、エゼクタ５の弁を開とするのは、水素供給開始時になるべく速く各単セルのアノードの出口まで水素が到達して、各単セルのアノード内で水素分布が速く均一となるようにするために、水素の流速を上げるように作用させるためである。水素供給開始時にアノード内で水素分布勾配を生じるとカソード触媒が腐食劣化反応を引き起こすため、カソード触媒の腐食劣化反応をできる限り短時間にして腐食劣化を最小限にするためである。
【００３６】
本実施例では、水素圧力制御手段２３から制御する水素供給弁４によりアノード入口圧力を目標運転圧力に維持するように制御している。
【００３７】
Ｓ２０では、開閉器２７を閉じてダミー抵抗器２６を燃料電池１のアノード１ａとカソード１ｂ間に接続し、燃料電池１が発電する電力を消費させる。Ｓ１０で水素供給を開始して各単セルのアノードに水素が供給され始めた時、アノードの水素とカソードに残存している酸素とが電解質膜を介して発電反応を起こして燃料電池電圧が上昇する。カソードに空気を供給しない状態なので、しばらくするとカソードの残存酸素は消費されて減少し、これに伴って電圧も低下してくる。
【００３８】
各単セルのアノードに水素が供給され始めた時、入口側のほうが出口側よりも水素リッチな状態であり、各単セルのアノード内で水素分布勾配を生じる。このためアノード出口側（水素リッチでない方）ではプロトンが不足し、このプロトン不足を補うためカソード出口側ではカソード触媒とサポートしているカーボン材とＨ2Ｏが反応するようになり、カソード触媒の有効面積が減少するようになり、腐食劣化反応を引き起こす。
【００３９】
プロトンが不足している各単セルの出口側は入口側に比べて電位が上昇し、この電位上昇が腐食劣化反応を引き起こすエネルギとして作用する。
【００４０】
Ｓ２０では、ダミー抵抗器２６を燃料電池のアノード１ａとカソード１ｂ間に接続するので、ダミー抵抗器２６に電流が流れる。ダミー抵抗器２６に電流が流れることによって燃料電池の電圧は低下し、腐食劣化反応を引き起こすエネルギが減少するため腐食劣化反応は抑制される。
【００４１】
本実施例では、電力消費手段２９はダミー抵抗器２６とダミー抵抗器２６を接続・切り離しする開閉器２７の構成としたが、このような構成以外も可能である。例えば本実施例固定抵のダミー抵抗としたが、可変抵抗として負荷制御するようにしても良い。またＤＣ／ＤＣコンバータをもつ負荷装置で取り出し負荷（負荷電流）を任意に制御できる装置であっても良い。取り出した負荷はバッテリに充電するような構成であっても良い。
【００４２】
Ｓ３０ではカソードリカバリを実行するかどうかを判断する。Ｓ３０でカソードリカバリを実行しないと判断された場合には、Ｓ６０へジャンプする。
【００４３】
Ｓ３０でカソードリカバリを実行すると判断された場合には、Ｓ４０からＳ６０までの各ステップを実行する。
【００４４】
図４は、図３のＳ３０の詳細を説明する詳細フローチャートである。本実施例では、前回の運転停止時以前に、図６を参照して後述するカソード触媒劣化判断ルーチンが実行され、予め燃料電池の通常運転中にカソード酸素濃度が薄い状態を作り出し、その状態における燃料電池の電流及び電圧を計測し、計測電流値における計測電圧が理想電圧と所定以上乖離した回数、言い換えれば、カソード酸素希薄下で燃料電池の電流−電圧特性が理想状態から所定以上乖離した回数をカウントしている。そして、燃料電池の起動時に、このカウント値が所定値を超えていれば、カソードリカバリを実行すると判断して、カソードリカバリを実行している。
【００４５】
図４において、まずＳ１１０で、燃料電池の電流−電圧特性が理想状態から所定以上乖離したカウント回数を読み出し、この回数が所定数を超えているか否かを判定する。回数が所定数を超えていれば、Ｓ１１２へ進み、カソードリカバリを実行すると判断する。回数が所定数を超えていなければ、Ｓ１１４へ進み、カソードリカバリを実行しないと判断する。
【００４６】
Ｓ３０でカソードリカバリを実行すると判断した場合には、アノードのみに水素を供給してダミー抵抗器で燃料電池から電力を取り出している状態を維持して、Ｓ４０へ移る。  Ｓ４０ではアノードのみに水素を供給している状態を維持している最中に、アノードの水素がアノードとカソードの間にある電解質膜を通過してカソードに到達しやすくなる手段を実行する。燃料電池の電解質膜の加湿量増加とアノード側の圧力増加を実行する。図１の構成図では純水ポンプ１２の回転数を増加する。加湿量を増加するとアノードの水素が水分に溶け込んでカソードに到達しやすくなる。アノードの水素圧力を増加すると水素分圧差が上昇してアノードの水素がカソードに到達しやすくなる。図１の構成図では水素圧力制御手段２３の目標圧力を高く設定する。このようにすることでカソードリカバリを早く終了するようにして排水素量減少させ、水素のむだ使いを防止することができるという効果がある。
【００４７】
Ｓ４０では、カソードに残存していた酸素が全て消費された状態になり、アノードの水素はアノードとカソードの間にある電解質膜を通過してカソードに到達し、カソードの酸化物と還元反応するようになり、カソード触媒の酸化が還元される。いつまで維持するかどうかは後述のＳ５０で判断する。
【００４８】
Ｓ５０では、カソードリカバリ実行の終了タイミングを判断する。本実施例では以下の３条件を判断して、３条件が全て満足された場合（アンド条件）に、カソードリカバリを終了するタイミングであると判断するようにした。
【００４９】
（１）燃料電池電圧（図１の構成では２１電圧センサ）が上昇し始めて所定電圧を超えたか否かを判断する。所定電圧を超えていなければ、まだカソードリカバリを終了するタイミングでないとして、カソードリカバリを継続する。所定電圧を超えていれば、次の判定条件である（２）へ進む。
【００５０】
（２）カソード出口の水素濃度（図１の構成では水素濃度センサ３１の検出値）が、所定時間以上所定値以上となったか否かを判断する。所定時間以上所定値以上となっていなければ、まだカソードリカバリを終了するタイミングでないとして、カソードリカバリを継続する。所定時間以上所定値以上となっていれば、次の判定条件である（３）へ進む。
【００５１】
（３）カソード出口の水分濃度（図１の構成では水分濃度センサ３０の検出値）が、所定時間以上所定値以下となったか否かを判断する。所定時間以上所定値以下となっていなければ、まだカソードリカバリを終了するタイミングでないとして、カソードリカバリを継続する。所定時間以上所定値以下となった場合に、カソードリカバリを終了するタイミングであると判断する。
【００５２】
次に、上記条件（１）の燃料電池電圧によりカソードリカバリ終了を判断する場合を以下に説明する。アノードのみに水素を供給してカソードの残留酸素と発電反応をすると、カソードの残留酸素はしばらくすると反応で消費されて減少し、これに伴って電圧も低下し発電電圧はほぼゼロになる。さらにこの状態を続けているとカソードの酸素が消費された分わずかにカソードが負圧となり、配管継ぎ手の隙間あるいは排空気出口から空気がカソードに進入してくるようになり、発電反応が起きて電圧がわずかに上昇する。この場合、電解質膜を通過してアノードからカソードに到達した水素はカソードの酸化物還元に使用されず再度発電反応に使われるため、還元の効果は薄くなる。上記の条件（１）では燃料電池電圧を検出して検出値が所定電圧を超えた時にカソードリカバリ終了タイミングとする。
【００５３】
次に、上記条件（２）のカソード出口の水素濃度によりカソードリカバリ終了を判断する場合を以下に説明する。カソード触媒酸化物の還元が進んで酸化物がなくなってくると、電解質膜を通過してアノードからカソードに到達した水素はカソードに滞留するようになり、排空気配管から水素が排出されるようになる。この場合カソードに酸化物はほとんどない状態のためカソードリカバリを実行しても効果は薄い。上記の条件（２）ではこのような状態をカソードリカバリ終了と判断する。
【００５４】
次に、上記条件（３）のカソード出口の水分濃度によりカソードリカバリ終了を判断する場合を以下に説明する。アノードとカソードの間の電解質膜を通過してアノードからカソードに到達した水素がカソードの酸化物と還元反応すると、水が生成され、排空気配管から水分が排出されるようになる。カソードの酸化物がなくなってくると、還元反応は起きなくなるため排空気配管から排出される水分は少なくなる。この場合カソードに酸化物はほとんどない状態のためカソードリカバリを実行しても効果は薄い。上記条件（３）ではこのような状態をカソードリカバリ終了判断タイミングとする。
【００５５】
図５は、図３のＳ５０の詳細を説明する詳細フローチャートである。まず、Ｓ２１０で、電圧センサ２１の検出値を読み込み、燃料電池１の電圧が上昇し始めて所定電圧を超えたか否かを判定する。所定電圧を超えていなければ、Ｓ２１８へ進み、Ｓ２１８でカソードリカバリを継続すると判断して、Ｓ２１０へ戻る。
【００５６】
Ｓ２１０で、所定電圧を超えていれば、Ｓ２１２へ進む。Ｓ２１２では、水素濃度センサ３１の検出値を読み込み、水素濃度が所定時間以上所定値以上となっているか否かを判断する。所定時間以上所定値以上となっていなければ、Ｓ２１８へ進む。所定時間以上所定値以上となっていれば、Ｓ２１４へ進む。Ｓ２１４では、水分濃度センサ３０の検出値を読み込み、水分濃度が所定時間以上所定値以下となっているか否かを判断する。所定時間以上所定値以下となっていなければ、Ｓ２１８へ進む。所定時間以上所定値以下となっていれば、Ｓ２１６へ進む。Ｓ２１６では、カソードリカバリを終了するタイミングであると判断して、リターンする。
【００５７】
Ｓ６０ではカソードリカバリ実行を終了して通常の発電状態へ移行する。即ち、ダミー抵抗による電力消費を停止し、カソードに空気を供給開始して発電を開始する。
【００５８】
図１の構成図では、空気圧力制御手段２２からコンプレッサ１０を駆動して、カソード１ｂへ空気供給を開始する。また、開閉器２７を開としてダミー抵抗器２６を燃料電池１から切り離す。ダミー抵抗器２６は起動時の水素供給開始時の水素分布勾配に起因する触媒劣化を抑制するために接続した負荷抵抗なので、アノードの水素分布が均一となっているＳ６０では不要であり、余計な負荷として作用するだけとなるのでここで切り離す。以後、パワーマネージャー２０により燃料電池１から電力が取り出され、本来の負荷装置（例えば、燃料電池車両であれば、車両駆動モータやバッテリ）へ電力供給される。
【００５９】
図６は、通常運転中に過渡的にカソードの酸素が薄い状態を作り、この状態での燃料電池の測定電圧を判断するカソードリカバリ実行判断手段（図２の１０１）を示すフローチャートである。
【００６０】
まず、Ｓ３１０で、通常運転中の負荷変動時に空気供給応答よりも速い応答で負荷を燃料電池から取り出す。空気は質量が重いため空気供給装置（図１のコンプレッサ１０）から燃料電池まで供給されるのに時間遅れがある。一方負荷電流は負荷装置（図１のパワーマネージャー２０）が燃料電池から引き出す電流設定値を増やすと殆ど遅れなしで負荷電流が流れる。過渡的に燃料電池から引き出す電流を増加すると発電に使われる必要な酸素量も増える。しかし、空気は輸送遅れですぐには燃料電池まで到達しないため、過渡的に酸素が薄い状態となる。このように酸素が薄い状態となると燃料電池電圧は低下する。
【００６１】
本実施例では、酸素ガス（空気）供給装置から燃料電池本体の空気極へ空気が到達するまでの応答よりも早い応答で燃料電池から負荷を取り出すことで、応答の遅い空気系の制御をすることなく、過渡的にカソードの酸素濃度が薄い状態を作ることができるという効果がある。
【００６２】
燃料電池のカソード触媒が劣化していない正常な状態であれば、この電圧低下は酸素が薄くなったことに起因するもので、どのくらい電圧が低下するかどうかは燃料電池の電流−電圧特性から予め実験で知ることができる。本実施例では、カソード触媒が劣化していない燃料電池の電流−電圧特性データ（理想的な電流−電圧特性データ）を予め測定してコントローラ２８に記憶させている。
【００６３】
次いで、Ｓ３１２で酸素が薄い状態となった時の燃料電池の電圧及び電流を測定する。Ｓ２１４で、予め記憶させておいた電流−電圧特性データに電流値を入力して、測定電流に対応する理想電圧を算出する。そして、Ｓ３１６で、この様にして算出した理想電圧と測定電圧と比較する。ここで両者の乖離が所定値未満であればカソード触媒は正常であり、カソードリカバリを実行する必要はないとしれカウントを増加させずにリターンする。カソード触媒が酸化劣化して触媒有効面積が減少しているような場合には、実際の測定電圧が低く出るようになり理想電圧との乖離が大きくなる。測定条件をカソードの酸素が薄い状態としたことで、燃料電池電圧の低下は増幅されて現れるようになるため、酸化劣化して触媒有効面積が減少しているような場合を早期に正確に検出できるようになる。
【００６４】
このためＳ３１６の判断で、理想電圧と測定電圧との乖離が所定値以上であれば、Ｓ３１８へ進み、カウント数を１増加させる。
【００６５】
本実施例では、測定電圧の理想電圧からの乖離が所定値を超えた回数をカウントするようにして、カウント数が所定値を超えた場合にカソードリカバリを実行するようにしたので、燃料電池の測定電圧や測定電流に加わるノイズ等の影響を低減して、信頼性の高いカソード触媒劣化判定を実現している。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの要部構成図である。
【図３】実施例の燃料電池システムにおける起動制御を説明するゼネラルフローチャートである。
【図４】カソードリカバリ実行判断の詳細を説明するフローチャートである。
【図５】カソードリカバリ実行終了判断の詳細を説明するフローチャートである。
【図６】カソード触媒劣化判断の詳細を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…エゼクタ
６ａ、６ｂ…圧力センサ
７…パージ弁
８…水素循環ポンプ
９…希釈ブロア
１０…コンプレッサ
１１…空気調圧弁
１２…純水ポンプ
１３…純水タンク
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…純水回収弁
１４ｄ…純水シャット弁
１５…冷却水ポンプ
１６…三方弁
１７…ラジエタ
１８…ラジエタファン
１９…温度センサ
２０…パワーマネージャー
２１…電圧センサ
２２…空気圧力制御手段
２３…水素圧力制御手段
２４…冷却水温度制御手段
２５…純水回収制御手段
２６…ダミー抵抗器
２７…開閉器
２８…コントローラ
２９…電力消費手段
３０…水分濃度センサ
３１…水素濃度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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