(57)【要約】【課題】カソードガスの上流側でカソードの触媒に付着した被毒物質を除去できる燃料電池システム及び燃料電池の触媒被毒回復方法を提供できる。【解決手段】燃料電池と、燃料電池が出力要求に応じて発電を行う通常運転時ではカソードオフガスを排出マニホールドから排出され中間マニホールドからの排出が規制される通常排出状態に維持し、カソードオフガスを排出マニホールドからの排出が規制され中間マニホールドから排出される中間排出状態に切り替え可能な切替部と、カソードの電位を所定以下に維持しつつカソードの内部の湿度を所定以上にすることによって触媒を被毒から回復させる回復処理を実行するか否かを診断する被毒診断部と、被毒診断部により回復処理を実行すると診断された場合に、切替部によりカソードオフガスを中間排出状態にして回復処理を実行する回復処理部と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図５
2016072149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒をそれぞれ備えたアノード及びカソードで電解膜質を挟持した膜電極接合体と、カソードガスが流通するカソードガス流路と、前記カソードガス流路の上流側に連通した供給マニホールドと、前記カソードガス流路の下流側に連通した排出マニホールドと、前記カソードガス流路の前記上流側及び下流側の間に連通した中間マニホールドと、を備える燃料電池と、
前記燃料電池が出力要求に応じて発電を行う通常運転時ではカソードオフガスを前記排出マニホールドから排出され前記中間マニホールドからの排出が規制される通常排出状態に維持し、前記カソードオフガスを前記排出マニホールドからの排出が規制され前記中間マニホールドから排出される中間排出状態に切り替え可能な切替部と、
前記カソードの電位を所定以下に維持しつつ前記カソードの内部の湿度を所定以上にすることによって前記触媒を被毒から回復させる回復処理を実行するか否かを診断する被毒診断部と、
前記被毒診断部により前記回復処理を実行すると診断された場合に、前記切替部により前記カソードオフガスを前記中間排出状態にして前記回復処理を実行する中間排出回復処理を実行する回復処理部と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記切替部は、前記中間排出状態において、前記カソードガスを前記供給マニホールド及び排出マニホールドの双方に導入させ前記カソードオフガスを前記中間マニホールドから排出させる、請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回復処理部は、前記被毒診断部により前記回復処理を実行すると診断された場合に、前記切替部により前記カソードオフガスを前記通常排出状態にして前記回復処理を実行する通常排出回復処理と、前記中間排出回復処理とを選択的に実行する、請求項１又は２の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の内部湿度に相関する内部湿度相関値と、前記燃料電池の出力電圧に相関する出力電圧相関値と、を取得する相関値取得部を備え、
前記被毒診断部は、前記内部湿度相関値が第１の値から前記第１の値よりも前記内部湿度が低くなる第２の値となったときの前記出力電圧相関値の低下量が、前記低下量の閾値として予め設定された値よりも大きいか否かを判定することによって、前記回復処理を実行するか否かを診断する、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の内部湿度に相関する内部湿度相関値と、前記燃料電池の出力電圧に相関する出力電圧相関値と、を取得する相関値取得部を備え、
前記被毒診断部は、前記内部湿度相関値を変化させた基準時から所定の時間が経過した第１の時間と、前記第１の時間から所定の時間が経過した第２の時間との間における前記出力電圧相関値の低下量が、前記低下量の閾値として予め設定された値よりも大きいか否かを判定することによって、前記回復処理を実行するか否かを診断する、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
【請求項６】
前記回復処理部は、前記カソードの電位を０．６Ｖ以下に維持しつつ前記カソードの内部の湿度を１００％にする前記回復処理を実行する、請求項１乃至５の何れかの燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出マニホールドに連通し上流から下流に順に設けられ互いに連通した第１及び第２排出流路を備え、
前記切替部は、前記第１及び第２排出流路を連通又は遮断する遮断弁と、前記中間マニホールド及び第２排出流路を連通する中間流路と、前記中間流路を開閉する開閉弁と、を含み、
前記遮断弁が閉じ前記開閉弁が開くことにより前記カソードオフガスは前記中間排出状態に切り替えられる、請求項１の燃料電池システム。
【請求項８】
前記カソードガスが前記供給マニホールドに向けて流れる供給流路と、
前記排出マニホールドに連通し上流から下流に順に設けられ互いに連通した第１及び第２排出流路と、を備え、
前記切替部は、前記第１及び第２排出流路を連通又は遮断する遮断弁と、前記中間マニホールド及び第２排出流路を連通する中間流路と、前記中間流路を開閉する第１開閉弁と、前記供給流路及び第１排出流路を連通する分岐流路と、前記分岐流路を開閉する第２開閉弁と、を含み、
前記遮断弁が閉じ前記第１及び第２開閉弁が開くことにより前記カソードオフガスは前記中間排出状態に切り替えられる、請求項２の燃料電池システム。
【請求項９】
触媒をそれぞれ備えたアノード及びカソードで電解膜質を挟持した膜電極接合体と、カソードガスが流通するカソードガス流路と、前記カソードガス流路の上流側に連通した供給マニホールドと、前記カソードガス流路の下流側に連通した排出マニホールドと、前記カソードガス流路の前記上流側及び下流側の間に連通した中間マニホールドと、を備える燃料電池の触媒被毒回復方法であって、
前記カソードの電位を所定以下に維持しつつ前記カソードの内部の湿度を所定以上にすることによって前記触媒を被毒から回復させる回復処理を実行するか否かを診断する工程と、
前記回復処理を実行すると診断された場合に、カソードオフガスの前記排出マニホールドからの排出を規制して前記中間マニホールドから排出させて前記回復処理を実行する工程と、を備えた燃料電池の触媒被毒回復方法。
【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燃料電池の触媒被毒回復方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池内では、カソードガスの凝縮や発電により液水が生じる。このような液水により、所定の条件下でカソードの触媒に付着した被毒物質を除去して燃料電池から排出することができる。例えば特許文献１には、燃料電池内での液水の流通速度を所定以上とすることにより、燃料電池の触媒層に付着していた被毒物質を系外に排出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８１３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池内では、カソードガスの凝縮や発電により液水が生じる。このような液水により、所定の条件下でカソードの触媒に付着した被毒物質を除去して燃料電池から排出することができる。しかしながらこのような液水は、燃料電池内でのカソードガスの流通方向の下流側で多く発生し、上流側では液水が不足する恐れがある。この結果、上流側で被毒物質を十分に除去できずに残留する恐れがある。
【０００５】
そこで、カソードガスの上流側でカソードの触媒に付着した被毒物質を除去できる燃料電池システム及び燃料電池の触媒被毒回復方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、触媒をそれぞれ備えたアノード及びカソードで電解膜質を挟持した膜電極接合体と、カソードガスが流通するカソードガス流路と、前記カソードガス流路の上流側に連通した供給マニホールドと、前記カソードガス流路の下流側に連通した排出マニホールドと、前記カソードガス流路の前記上流側及び下流側の間に連通した中間マニホールドと、を備える燃料電池と、前記燃料電池が出力要求に応じて発電を行う通常運転時ではカソードオフガスを前記排出マニホールドから排出され前記中間マニホールドからの排出が規制される通常排出状態に維持し、前記カソードオフガスを前記排出マニホールドからの排出が規制され前記中間マニホールドから排出される中間排出状態に切り替え可能な切替部と、前記カソードの電位を所定以下に維持しつつ前記カソードの内部の湿度を所定以上にすることによって前記触媒を被毒から回復させる回復処理を実行するか否かを診断する被毒診断部と、前記被毒診断部により前記回復処理を実行すると診断された場合に、前記切替部により前記カソードオフガスを前記中間排出状態にして前記回復処理を実行する回復処理部と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。中間マニホールドからカソードオフガスを排出させて回復処理を実行することにより、上流側で発生する液水を確保でき、上流側でカソードの触媒に付着した被毒物質を除去できる。
【０００７】
前記切替部は、前記中間排出状態において、前記カソードガスを前記供給マニホールド及び排出マニホールドの双方に導入させ前記カソードオフガスを前記中間マニホールドから排出させる。
【０００８】
前記回復処理部は、前記被毒診断部により前記回復処理を実行すると診断された場合に、前記切替部により前記カソードオフガスを前記通常排出状態にして前記回復処理を実行する通常排出回復処理と、前記中間排出回復処理とを選択的に実行する。
【０００９】
前記燃料電池の内部湿度に相関する内部湿度相関値と、前記燃料電池の出力電圧に相関する出力電圧相関値と、を取得する相関値取得部を備え、前記被毒診断部は、前記内部湿度相関値が第１の値から前記第１の値よりも前記内部湿度が低くなる第２の値となったときの前記出力電圧相関値の低下量が、前記低下量の閾値として予め設定された値よりも大きいか否かを判定することによって、前記回復処理を実行するか否かを診断する。
【００１０】
前記燃料電池の内部湿度に相関する内部湿度相関値と、前記燃料電池の出力電圧に相関する出力電圧相関値と、を取得する相関値取得部を備え、前記被毒診断部は、前記内部湿度相関値を変化させた基準時から所定の時間が経過した第１の時間と、前記第１の時間から所定の時間が経過した第２の時間との間における前記出力電圧相関値の低下量が、前記低下量の閾値として予め設定された値よりも大きいか否かを判定することによって、前記回復処理を実行するか否かを診断する。
【００１１】
前記回復処理部は、前記カソードの電位を０．６Ｖ以下に維持しつつ前記カソードの内部の湿度を１００％にする前記回復処理を実行する。
【００１２】
前記排出マニホールドに連通し上流から下流に順に設けられ互いに連通した第１及び第２排出流路を備え、前記切替部は、前記第１及び第２排出流路を連通又は遮断する遮断弁と、前記中間マニホールド及び第２排出流路を連通する中間流路と、前記中間流路を開閉する開閉弁と、を含み、前記遮断弁が閉じ前記開閉弁が開くことにより前記カソードオフガスは前記中間排出状態に切り替えられる。
【００１３】
前記カソードガスが前記供給マニホールドに向けて流れる供給流路と、前記排出マニホールドに連通し上流から下流に順に設けられ互いに連通した第１及び第２排出流路と、を備え、前記切替部は、前記第１及び第２排出流路を連通又は遮断する遮断弁と、前記中間マニホールド及び第２排出流路を連通する中間流路と、前記中間流路を開閉する第１開閉弁と、前記供給流路及び第１排出流路を連通する分岐流路と、前記分岐流路を開閉する第２開閉弁と、を含み、前記遮断弁が閉じ前記第１及び第２開閉弁が開くことにより前記カソードオフガスは前記中間排出状態に切り替えられる。
【００１４】
上記目的は、触媒をそれぞれ備えたアノード及びカソードで電解膜質を挟持した膜電極接合体と、カソードガスが流通するカソードガス流路と、前記カソードガス流路の上流側に連通した供給マニホールドと、前記カソードガス流路の下流側に連通した排出マニホールドと、前記カソードガス流路の前記上流側及び下流側の間に連通した中間マニホールドと、を備える燃料電池の触媒被毒回復方法であって、前記カソードの電位を所定以下に維持しつつ前記カソードの内部の湿度を所定以上にすることによって前記触媒を被毒から回復させる回復処理を実行するか否かを診断する工程と、前記回復処理を実行すると診断された場合に、カソードオフガスの前記排出マニホールドからの排出を規制して前記中間マニホールドから排出させて前記回復処理を実行する工程と、を備えた燃料電池の触媒被毒回復方法によっても達成できる。
【発明の効果】
【００１５】
カソードガスの上流側でカソードの触媒に付着した被毒物質を除去できる燃料電池システム及び燃料電池の触媒被毒回復方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１の燃料電池システムの概略構成を例示した説明図である。
【図２】燃料電池の概略構成を例示した説明図である。
【図３】燃料電池のカソード側セパレータの平面図である。
【図４】被毒診断回復制御を例示したフローチャートである。
【図５】被毒診断回復制御を例示したフローチャートである。
【図６】触媒被毒の程度の異なる２つの燃料電池のカソード湿度とセル電圧との関係を例示した説明図である。
【図７】カソードの触媒の部位に応じたアニオンの付着量を示したグラフである。
【図８】図８Ａ〜８Ｃは、回復処理を実行した場合でのカソードの部位に応じた積算生成水量を示したグラフである。
【図９】触媒被毒の程度の異なる２つの燃料電池のカソードストイキ比を瞬時に変化させたときのセル電圧の変化を例示した説明図である。
【図１０】実施例１に適用可能な燃料電池のカソード側セパレータの平面図である。
【図１１】実施例２の燃料電池システムの概略構成を例示した説明図である。
【図１２】燃料電池のカソード側セパレータの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明に係る複数の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、実施例１の燃料電池システム１００の概略構成を例示した説明図である。図２は、燃料電池２００の概略構成を例示した説明図である。燃料電池システム１００（以下、単にシステムと称する）は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車や電気自動車等に搭載されて使用される。システム１００は、燃料電池２００、カソードガス供給排出部１１０、アノードガス供給排出部１３０、燃料電池循環冷却部１４０、負荷装置１５０、制御装置１９０、を備えている。
【００１９】
カソードガス供給排出部１１０は、コンプレッサ１１１、加湿部１１２、第１カソードガス供給流路（以下、第１供給流路と称する）１１３、第２カソードガス供給流路（以下、第２供給流路と称する）１１３´、封止弁１１３ｓ、温度センサ１１４、湿度センサ１１５、流量センサ１１６、第１カソードガス排出流路１１７（以下、第１排出流路と称する）、第２カソードガス排出流路（以下、第２排出流路と称する）１１７´、圧カセンサ１１９、切替部１６０を備えている。カソードガス供給排出部１１０は、燃料電池２００の、触媒層を含むカソード２２５に酸素を供給するために、コンプレッサ１１１から、第１及び第２供給流路１１３、１１３´を介して、燃料電池２００のカソードガス流路ＣＧＣにカソードガス（酸素）を含む空気を供給する。カソードガス流路ＣＧＣに供給された空気は、カソード側拡散層２３７を介してカソード２２５に供給される。
【００２０】
切替部１６０は、中間流路１６１、分岐流路１６３、調圧弁１６２、１６４、１６７を備えている。分岐流路１６３は、第２供給流路１１３´、第１排出流路１１７を連通している。中間流路１６１は、燃料電池２００、第２排出流路１１７´を連通している。調圧弁１６７は、第１及び第２排出流路１１７、１１７´の間に設けられこれら流路を連通又は遮断する遮断弁の一例である。調圧弁１６２、１６４はそれぞれ中間流路１６１、分岐流路１６３を開閉する第１及び第２開閉弁の一例である。
【００２１】
第２供給流路１１３´、第１排出流路１１７は、燃料電池２００に接続されている。第１供給流路１１３上に、コンプレッサ１１１、加湿部１１２が設けられている。封止弁１１３ｓは、第１及び第２供給流路１１３、１１３´との間に設けられこれら流路を連通又は遮断する。第２供給流路１１３´上に、温度センサ１１４、湿度センサ１１５、流量センサ１１６が設けられている。第１排出流路１１７上に、圧カセンサ１１９が設けられている。
【００２２】
コンプレッサ１１１は、取り込んだカソードガス（酸素）を含む空気を任意の圧力で燃料電池２００のカソード２２５へ搬送する搬送部の一例である。搬送部は、コンプレッサ１１１の代わりにポンプやファンであってもよい。加湿部１１２は、コンプレッサ１１１から燃料電池２００に供給される空気を加湿することができる。封止弁１１３ｓは、第２供給流路１１３´を開閉する。温度センサ１１４は、第２供給流路１１３´を流通する空気の温度（カソードの入口温度）Ｔｃｉｎ［℃］を検出する。湿度センサ１１５は、第２供給流路１１３´を流通する空気の相対湿度(カソードの入口湿度)ＲＨｃｉｎ［％］を検出する。流量センサ１１６は、第２供給流路１１３´を流通する空気の流量(カソードの入口流量)Ｆｃｉｎ［ｌ／Ｓ］を検出する。
【００２３】
カソードガス供給排出部１１０は、燃料電池２００から排出されたカソードオフガスを、第１及び第２排出流路１１７、１１７´を介して燃料電池２００の外部に排出する。調圧弁１６７は、第１及び第２排出流路１１７、１１７´を流れるガスの流量を調整可能に構成されている。圧カセンサ１１９は、第１排出流路１１７の内部の圧力（カソードの出口圧力）Ｐｏｕｔ［Ｐａ］を検出する。カソードガス供給排出部１１０は、コンプレッサ１１１による空気の供給流量や加湿部１１２による加湿量を調整することによって、カソードの内部を任意の湿度とすることができる。
【００２４】
切替部１６０について詳細に説明する。中間流路１６１の一端は燃料電池２００の後述する中間マニホールドに連通し、他端は、調圧弁１６７を介して燃料電池２００とは反対側にある第２排出流路１１７´に連通している。分岐流路１６３の一端は、封止弁１１３ｓと燃料電池２００の間で第２供給流路１１３´に連通し、他端は調圧弁１６７と燃料電池２００との間で第１排出流路１１７に連通している。尚、分岐流路１６３の一端は、加湿部１１２と封止弁１１３ｓとの間の第１供給流路１１３に連通していてもよい。分岐流路１６３、中間流路１６１は、直接は連通していない。調圧弁１６２、１６４は制御装置１９０からの指令に基づいてそれぞれ中間流路１６１、分岐流路１６３を開閉する。調圧弁１６２、１６４により中間流路１６１、分岐流路１６３が閉じられることにより、カソードガスは、第１及び第２供給流路１１３、１１３´を介して燃料電池２００内を流れる。カソードオフガスは、燃料電池２００から第１及び第２排出流路１１７、１１７´を介して外部へ排出される。この際のカソードガスの流通方向を順方向と称する。第１及び第２排出流路１１７、１１７´は、それぞれ、通常運転時で燃料電池２００から排出されたカソードオフガスが順に流れる第１及び第２排出流路の一例である。「通常運転」とは、燃料電池２００への要求発電量にしたがって例えばアノードガスやカソードガスの供給量を制御することにより、要求発電量に応じた電力を燃料電池２００に発電させる運転である。
【００２５】
制御装置１９０からの指令に基づいて調圧弁１６７が閉じ、調圧弁１６２、１６４が開くと、カソードガスの一部は第２供給流路１１３´を介して燃料電池２００を流れ、カソードガスの他の部分は分岐流路１６３、第１排出流路１１７を介して燃料電池２００を流れる。また、燃料電池２００から排出されるカソードオフガスは、中間流路１６１、第２排出流路１１７´を介して外部へと排出される。従って、第２供給流路１１３´から燃料電池２００内を流れて中間流路１６１へ向かうカソードガスの流通方向は順方向であるが、分岐流路１６３及び第１排出流路１１７から燃料電池２００内を流れて中間流路１６１へ向かうカソードガスの流通方向は、順方向とは逆方向である。図１には、第２供給流路１１３´から第１排出流路１１７へ向かうカソードガスの順方向を実線の矢印Ｆで示し、第２供給流路１１３´から中間流路１６１へ向かうカソードガスの順方向を点線の矢印Ｆ１で示し、第１排出流路１１７から中間流路１６１へ向かうカソードガスの逆方向を点線の矢印Ｒで示している。このように切替部１６０は、カソードオフガスの排出先を第１排出流路１１７又は中間流路１６１に切り替えることができる。カソードオフガスが第１排出流路１１７から排出される状態を通常排出状態と称し、中間流路１６１から排出されることを中間排出状態と称する。尚、通常運転時では通常排出状態が維持される。
【００２６】
アノードガス供給排出部１３０は、水素供給部１３１、加湿部１３２、アノードガス供給流路１３３、封止弁１３３ｓ、アノードガス排出流路１３５、封止弁１３６を備えている。アノードガス供給排出部１３０は、燃料電池２００の、触媒層を含むアノード２２４に水素を供給するために、水素供給部１３１から、アノードガス供給流路１３３を介して、燃料電池２００のアノードガス流路ＡＧＣに水素ガスを供給する。封止弁１３３ｓは、アノードガス供給流路１３３に設けられ、アノードガス供給流路１３３を開閉する。アノードガス流路ＡＧＣに供給された水素は、アノード側拡散層２３６を介してアノード２２４に供給される。水素供給部１３１は、水素タンク、流量調整弁を含んで構成され、水素を任意の流量および圧力で燃料電池２００に供給することができる。加湿部１３２は、アノードガス供給流路１３３を介して水素供給部１３１から燃料電池２００に供給される水素ガスを加湿することができる。また、アノードガス供給排出部１３０は、燃料電池２００のアノード２２４に供給された水素を含むガスを、アノードガス排出流路１３５を介して、燃料電池２００の外部に排出する。封止弁１３６は、アノードガス排出流路１３５に設けられ、アノードガス排出流路１３５を開閉する。なお、アノードガス供給排出部１３０は、アノードガス排出流路１３５から排出されるガスをアノードガス供給流路１３３に循環させる構成としてもよい。
【００２７】
燃料電池循環冷却部１４０は、ラジエータ１４１、温度センサ１４３、冷媒循環ポンプ１４４、冷媒供給流路１４５、冷媒排出流路１４６を備えている。ラジエータ１４１は、冷媒供給流路１４５を介して、冷却媒体を燃料電池２００に供給するとともに、冷媒排出流路１４６を介して、燃料電池２００の冷却に供された後の冷却媒体を受け取ることにより、冷却媒体を循環させて燃料電池２００を冷却させる。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。温度センサ１４３は、冷媒排出流路１４６の燃料電池２００との接続部付近に設けられ、燃料電池２００から流出する冷媒の温度(冷媒温度)Ｔｆｏｕｔ［℃］を測定する。本実施例では、冷媒温度Ｔｆｏｕｔ［℃］を燃料電池２００の内部温度(セル温度)Ｔｃｅｌ［℃］および、カソード２２５の温度であるカソード温度Ｔｃａ[℃]として使用する(Ｔｆｏｕｔ＝Ｔｃｅｌ＝Ｔｃａ)。燃料電池循環冷却部１４０は、冷媒循環ポンプ１４４による冷却媒体の流通速度を調整することによって、カソードの内部の温度を調節することができる。
【００２８】
負荷装置１５０は、燃料電池２００の電気的特性を測定するための装置であり、例えば、電気化学系汎用ポテンシオガルバノスタットを含んで構成することができる。負荷装置１５０は、配線１５４、１５５によってアノード側セパレータ２４０とカソード側セパレータ２５０に電気的に接続されている。負荷装置１５０は、燃料電池２００の発電時に燃料電池２００を流れる電流Ｉｃｅｌ［Ａ］と、燃料電池２００の電圧(セル電圧)Ｅｃｅｌ［Ｖ］を測定することができる。
【００２９】
制御装置１９０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ)、ＲＯＭ(Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ)、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。制御装置１９０は、システム１００の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、制御装置１９０は、ＲＯＭにシステム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭを利用しながら制御プログラムを実行することにより、相関値取得部１９１、被毒診断部１９３、回復処理部１９５として機能する。また、ＲＯＭには、後述する被毒診断処理、回復処理などに用いられるデータが格納されている。被毒診断部１９３は、カソード２２５の触媒被毒の程度を診断する被毒診断処理を実行する。回復処理部１９５は、触媒被毒を回復させる回復処理を実行する。「触媒被毒」とは、カソード２２５において触媒として使用されているＰｔ（白金）の表面がアニオン(例えば、硫酸イオン(ＳＯ４２−)や、硫酸水素イオン（ＨＳＯ４−)）によって覆われることで触媒活性が低下する状態をいう。この触媒被毒によって触媒は可逆的に劣化する。「回復処理」とは、燃料電池２００のカソード２２５の触媒被毒の診断結果に応じて触媒被毒を回復させる処理である。回復処理の詳細については後述する。
【００３０】
燃料電池２００は、カソードガス供給排出部１１０から供給されたカソードガス(空気に含まれる酸素)と、アノードガス供給排出部１３０から供給されたアノードガス(水素)との電気化学反応によって発電する。ここでは、燃料電池２００は、積層された複数の燃料電池セルから構成されるが、以下の説明では１つの燃料電池セルについて説明する。燃料電池２００は、電解質膜２２１の各面に触媒電極層であるアノード２２４およびカソード２２５が形成された膜電極接合体(ＭＥＡとも呼ぱれる)２２０を備えている。燃料電池２００は、このＭＥＡ２２０の両側に一対のガス拡散層(アノード側拡散層２３６およびカソード側拡散層２３７)を配置した発電体２３０と、発電体２３０を挟持する一対のセパレータ(アノード側セパレータ２４０およびカソード側セパレータ２５０)とを含んで構成されている。
【００３１】
電解質膜２２１は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。アノード２２４、およぴ、カソード２２５は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属(ここではＰｔ)を担持したカーボン粒子(触媒担持担体)と、プロトン伝導性を有する高分子電解質(例えぱフッ素系樹脂)を含んで構成されている。以下では、アノード２２４とカソード２２５をまとめて、単に触媒層とも呼ぶ。アノード側拡散層２３６およびカソード側拡散層２３７は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材により形成される。アノード側拡散層２３６およびカソード側拡散層２３７は、ＭＥＡ２２０と接触する面に撥水層を備えていてもよい。
【００３２】
アノード側セパレータ２４０およびカソード側セパレータ２５０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ２４０およびカソード側セパレータ２５０は、表面にガスや液体が流通する流路を形成するための凹凸形状を有している。アノード側セパレータ２４０は、アノード側拡散層２３６との間に、ガスや液体が流通可能なアノードガス流路ＡＧＣを形成している。カソード側セパレータ２５０は、カソード側拡散層２３７との間に、ガスや液体が流通可能なカソードガス流路ＣＧＣを形成している。
【００３３】
図３は、燃料電池２００のカソード側セパレータ２５０の平面図である。カソード側セパレータ２５０には、カソードガス流路ＣＧＣ、カソードガス供給マニホールド３１３、カソードガス排出マニホールド３１７、中間マニホールド３６１、アノードガス供給マニホールド３３３、アノードガス排出マニホールド３３５、冷媒供給マニホールド３４５、冷媒排出マニホールド３４６が形成されている。これらマニホールドは、複数のセルの積層方向に貫通するように形成されている。カソードガス供給マニホールド３１３、カソードガス排出マニホールド３１７、中間マニホールド３６１は、それぞれ第２供給流路１１３´、第１排出流路１１７、中間流路１６１に接続されている。同様に、アノードガス供給マニホールド３３３、アノードガス排出マニホールド３３５、冷媒供給マニホールド３４５、冷媒排出マニホールド３４６は、それぞれアノードガス供給流路１３３、アノードガス排出流路１３５、冷媒供給流路１４５、冷媒排出流路１４６に接続されている。カソードガス流路ＣＧＣは、直線状の複数の溝が平行に並んだストレート型である。カソードガス供給マニホールド３１３、カソードガス排出マニホールド３１７、中間マニホールド３６１は、カソードガス流路ＣＧＣに連通している。中間マニホールド３６１は、カソードガス流路ＣＧＣを介してカソードガス供給マニホールド３１３とは逆側に設けられカソードガス排出マニホールド３１７と同じ側に設けられている。
【００３４】
通常排出状態では、調圧弁１６２により中間流路１６１が閉じられて中間マニホールド３６１からのカソードオフガスの排出が規制され、カソードガスはカソードガス供給マニホールド３１３からカソードガス流路ＣＧＣを介してカソードガス排出マニホールド３１７へ順方向に流れる。図３には、通常排出状態でのカソードガスの流通方向を実線の矢印Ｆで示している。このように、カソードガス供給マニホールド３１３、カソードガス排出マニホールド３１７は、それぞれカソードガス流路ＣＧＣの上流側及び下流側で連通している。中間マニホールド３６１は、カソードガス供給マニホールド３１３が連通したカソードガス流路ＣＧＣの上流側とカソードガス排出マニホールド３１７が連通したカソードガス流路ＣＧＣの下流側との間で、カソードガス流路ＣＧＣに連通している。
【００３５】
中間排出状態では、カソードガスはカソードガス供給マニホールド３１３、カソードガス排出マニホールド３１７からカソードガス流路ＣＧＣに導入されカソードオフガスは中間マニホールド３６１から排出される。従って、カソードガスはカソードガス排出マニホールド３１７からカソードガス流路ＣＧＣを介して中間マニホールド３６１へと逆方向に流れる。図３に示すように、カソードガスが逆方向に流れる際には、カソードガス排出マニホールド３１７付近の下流側には流れない。図３には、中間排出状態でのカソードガスの流通方向を矢印Ｆ１、Ｒで示している。以上のように切替部１６０は、カソードオフガスをカソードガス排出マニホールド３１７から排出させ中間マニホールド３６１からの排出を規制した通常排出状態から、カソードガス排出マニホールド３１７からの排出を規制して中間マニホールド３６１から排出させた中間排出状態に切り替えることができる。
【００３６】
図３に示したように、中間マニホールド３６１は、カソードガス流路ＣＧＣを介してカソードガス供給マニホールド３１３とは逆側に設けられているがこれに限定されない。中間マニホールド３６１はカソードガス供給マニホールド３１３と同じ側に設けられていてもよい。また、中間マニホールド３６１とカソードガス流路ＣＧＣとが連通した位置は、カソードガス供給マニホールド３１３が連通したカソードガス流路ＣＧＣの上流側とカソードガス排出マニホールド３１７が連通したカソードガス流路ＣＧＣの下流側との間であれば、どの位置でもよい。例えば、中間マニホールド３６１とカソードガス流路ＣＧＣとが連通した位置は、カソードガス流路ＣＧＣの中間地点よりも上流側であってもよいし、下流側であってもよい。
【００３７】
図４、５は、被毒診断回復制御を例示したフローチャートである。制御装置１９０は、被毒診断処理を実行するタイミングとして予め設定されている条件(診断開始条件)を満たしているか否かを判定する(ステップＳ１)。診断開始条件としては、例えば、燃料電池２００の内部温度(セル温度)Ｔｃｅｌが閥値Ｔｈ１以上(Ｔｃｅｌ≧Ｔｈ１)となった状態が所定時間以上(例えば、１時間以上)継続したときである。閾値Ｔｈ１は、後述するカソード２２５のＰｔ触媒の被毒が進行している状態で燃料電池２００の内部温度Ｔｃｅｌが取り得る値である。尚、診断開始条件はこれに限定されない。例えば、燃料電池２００の運転開始時又は運転停止時から一定期間経過したときや、前回の回復処理から一定期間経過したときに、診断開始条件を満たすと判定してもよい。
【００３８】
制御装置１９０は、診断開始条件を満たしていない場合（ステップＳ１でＮｏ）、イグニッションオフ信号を検出後（ステップＳ２）、被毒診断処理を実行せずに燃料電池２００の運転を停止し（ステップＳ３）、イグニッションオン信号を検出後（ステップＳ１１）、燃料電池２００を起動して通常運転を実行する（ステップＳ３０）。この場合、後述する回復処理は実行されない。「燃料電池２００の運転を停止し」とは、燃料電池２００が要求に応じた電力の出力を停止している状態を意味する。
【００３９】
制御装置１９０は、診断開始条件を満たす場合（ステップＳ１でＹｅｓ）、イグニッションオフ信号を検出後（ステップＳ４）、被毒診断処理を実行後に燃料電池２００の運転を停止する（ステップＳ５）。被毒診断処理では、被毒診断部１９３によって、カソード２２５に生じている触媒被毒の程度が回復処理を必要とする程度か否かが診断される。
【００４０】
被毒診断処理が開始されると、まず、制御装置１９０の相関値取得部１９１は、カソード湿度相関値Ｃｖｈを取得する。「カソード湿度相関値Ｃｖｈ」とは、カソード２２５の湿度と相関するパラメータであり、ここでは、その一例として、入口湿度ＲＨｃｉｎ、電流Ｉｃｅｌ、カソード温度Ｔｃａから推定されるカソード湿度ＲＨｃａ［％］を使用する。湿度センサ１１５から取得される入口湿度ＲＨｃｉｎは、カソード２２５に流入する水の量ΔＷｉｎに相関している。負荷装置１５０から取得される燃料電池２００の電流Ｉｃｅｌは、燃料電池２００の内部で生じる生成水の量ΔＷｇｅに相関している。また、温度センサ１１４から取得されるカソード温度Ｔｃａは、カソード２２５付近の飽和水蒸気圧Ｐｓｗと相関している。よって、流入水量ΔＷｉｎと、生成水量ΔＷｇｅと、カソードから排出される水の量としての設定値である排出水量ΔＷｌｏｓから、カソード２２５の内部の水の増加量(ΔＷｉｎ＋ΔＷｇｅ−ΔＷｌｏｓ)を推定し、推定した水の量とカソード２２５付近の飽和水蒸気圧と既知のカソード２２５の流路体積からカソード２２５の湿度を推定することができる。本実施例では、入口湿度ＲＨｃｉｎ、電流Ｉｃｅｌ、カソード温度Ｔｃａと、カソード湿度ＲＨｃａとの対応関係を示したマップが定義されており、このマップを使用することによって、被毒診断部１９３は、入口湿度ＲＨｃｉｎと、電流Ｉｃｅｌと、カソード温度Ｔｃａから、カソード湿度ＲＨｃａを推定する。
【００４１】
なお、カソード湿度相関値Ｃｖｈとしては、カソード湿度ＲＨｃａのほかに、第１及び第２排出流路１１７、１１７´の内部の相対湿度(出口湿度)ＲＨｃｏｕｔ［％］や、カソードストイキ比ＲＳＴ[−]、燃料電池２００の内部温度(セル温度)Ｔｃｅｌ[℃]、第１供給流路１１３又は第２供給流路１１３´の内部の露点温度(入口露点温度)ＤＴｃｉｎ[℃]等であってもよい。「出口湿度ＲＨｃｏｕｔ」は入口湿度ＲＨｃｉｎと、電流Ｉｃｅｌと、セル温度Ｔｃｅｌ(=Ｔｃａ)から算出することができる。また、出口湿度ＲＨｃｏｕｔは、第１排出流路１１７又は第２排出流路１１７´に湿度センサが備えられていれば、このセンサの検出値としてもよい。「カソードストイキ比ＲＳＴ」とは、カソードガスとしての酸素のストイキ比であり、燃料電池２００が必要とする酸素の理論値に対する、実際の酸素の供給量の比率である。空気に含まれる酸素の量は一定なので、カソードストイキ比ＲＳＴは、第１及び第２供給流路１１３、１１３´を流通する空気の流量(入口流量)Ｆｃｉｎ［１／Ｓ］と、燃料電池２００を流れる電流Ｉｃｅｌ［Ａ］から算出することができる。通常の運転では、カソードストイキ比ＲＳＴは、１．３〜１.５程度に設定される。「入口露点温度ＤＴｃｉｎ」は、第１供給流路１１３又は第２供給流路１１３´の内部の水蒸気圧を飽和水蒸気圧としたときの温度であり、入口湿度ＲＨｃｉｎ［％］と入口温度Ｔｃｉｎ[℃]から算出することができる。
【００４２】
被毒診断部１９３は、カソード湿度ＲＨｃａを低下(乾燥)させたときの出力電圧相関値ＣＶｖの低下量ΔＣＶｖから回復処理が必要か否かを判定する(ステップＳ６)。「出力電圧相関値ＣＶｖ」とは、燃料電池２００の電圧(セル電圧)Ｅｃｅｌ［Ｖ］と相関するパラメータであり、セル電圧Ｅｃｅｌ［Ｖ］のほか、セル抵抗Ｒｃｅｌ等を例示することができる。本実施例では、出力電圧相関値ＣＶｖとして、負荷装置１５０によって検出されるセル電圧Ｅｃｅｌを使用する。この出力電圧相関値ＣＶｖとしてのセル電圧Ｅｃｅｌは、相関値取得部１９１によって取得される。制御装置１９０は、カソード湿度相関値Ｃｖｈを変更可能に構成されている。ここでは、制御装置１９０は、加湿部１１２の制御による入口湿度ＲＨｃｉｎの増減、水素供給部１３１およびコンプレッサ１１１の制御による電流Ｉｃｅｌの増減、燃料電池循環冷却部１４０の制御によるカソード温度Ｔｃａの増減の少なくとも１つを実行することによってカソード温度Ｔｃａを変更可能に構成されている。
【００４３】
次に、被毒診断処理の第1例について具体的に説明する。図６は、触媒被毒の程度の異なる２つの燃料電池のカソード湿度ＲＨｃａとセル電圧Ｅｃｅｌとの関係を例示した説明図である。図６の横軸は、カソード湿度ＲＨｃａ［％］であり、縦軸は、燃料電池のセル電圧Ｅｃｅｌ［Ｖ］である。図６には、カソード２２５の触媒被毒の程度が相対的に小さい燃料電池のカソード湿度ＲＨｃａとセル電圧Ｅｃｅｌとの関係(ＲＨｃａ-Ｅｃｅｌ特性)を○(白丸)で示し、触媒被毒の程度が相対的に大きい燃料電池のＲＨｃａ-Ｅｃｅｌ特性を△(三角)で示している。図６からわかるように、触媒被毒の程度が大きい燃料電池ほど、カソード湿度ＲＨｃａが低下(乾燥)したときのセル電圧Ｅｃｅｌの低下量(低下割合)が大きくなることがわかる。そのため、本実施例の被毒診断部１９３は、以下の方法によって、燃料電池の触媒被毒の程度を判定する。
【００４４】
まず、相関値取得部１９１は、カソード湿度ＲＨｃａ［％］が第１の値ＲＨｃａ１［％］(例えば、８０［％］)となっているときのセル電圧Ｅｃｅｌ１［Ｖ］と、第１の値よりもカソード湿度が低い第２の値ＲＨｃａ２［％］(例えば、２０［％］、ＲＨｃａ１>ＲＨｃａ２)となっているときのセル電圧Ｅｃｅｌ２［Ｖ］をそれぞれ検出する。被毒診断部１９３は、検出したセル電圧Ｅｃｅｌ１［Ｖ］とセル電圧Ｅｃｅｌ２［Ｖ］との差であるセル電圧差分値ΔＥｃｅｌ(ΔＥｃｅｌ=Ｅｃｅｌ１−Ｅｃｅｌ２)を算出する。セル電圧差分値ΔＥｃｅｌは、カソード湿度ＲＨｃａの低下(乾燥)による発電性能の低下量を示している。被毒診断部１９３は、このセル電圧差分値ΔＥｃｅｌが予め設定されている閥値Ｔｈ２以上のとき(ΔＥｃｅｌ>Ｔｈ２)に、触媒被毒の程度が回復処理の必要な程度であると診断する。
【００４５】
本実施例では、カソード湿度ＲＨｃａの第１の値として、ＲＨｃａ１＝８０［％］が設定され、第２の値として、ＲＨｃａ２＝２０［％］が設定されているが、第１の値ＲＨｃａ１と第２の値ＲＨｃａ２は、上記に限定されず任意の値とすることができる。なお、第１の値ＲＨｃａ１と第２の値ＲＨｃａ２は、具体的に特定する必要がなく、カソード湿度ＲＨｃａが一定量増減すればよいため、カソード湿度ＲＨｃａ以外のカソード湿度相関値ＣＶｈを使用して第１の値と第２の値を設定してもよい。また同様に、セル電圧差分値ΔＥｃｅｌは、具体的に値を特定する必要がなく、相対的なセル電圧差分値ΔＥｃｅｌの大小関係がわかればよいため、セル電圧Ｅｃｅｌ[Ｖ]以外の出力電圧相関値ＣＶｖを測定し、その低下量ΔＣＶｖから相対的なセル電圧差分値ΔＥｃｅｌの大小関係を推定してもよい。
【００４６】
カソード２２５の触媒被毒の程度が相対的に大きい燃料電池ほど、カソード湿度ＲＨｃａが低下(乾燥)したときの性能低下量(セル電圧差分値ΔＥｃｅｌ)が大きくなる理由のーつとして以下の理由が考えられる。Ｐｔの触媒表面に対するＨ２ＯとＳＯ４２−、ＨＳＯ４−の吸着特性に関して、カソードが低電位のときには、Ｈ２Ｏの吸着がＳＯ４２−等の吸着よりも優勢となり、ＳＯ４２−等の吸着が抑制されることが知られている。このことから、カソード内の水の活量が増加すると、Ｐｔ触媒表面に対するＳＯ４２−等の吸着量が減少すると考えられる。一方、カソード湿度ＲＨｃａが低下して乾燥状態に近づくと、カソード内の水の活量が減少し、Ｐｔ触媒の表面に対するＳＯ４２−等の吸着量が増加するため、性能低下量が相対的に大きくなると考えられる。
【００４７】
図４、５に戻り、被毒診断部１９３によって触媒被毒の程度が、回復処理が必要な程度ではないと診断されると(ステップＳ６でＮｏ)、制御装置１９０はイグニッションオン信号を検出後（ステップＳ１１）、燃料電池２００を起動して通常運転を実行する（ステップＳ３０）。被毒診断部１９３によって触媒被毒の程度が、回復処理が必要な程度であると診断されると(ステップＳ６でＹｅｓ)、制御装置１９０はイグニッションオン信号の検出後（ステップＳ２１）、カソードの電位が０．６Ｖ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。満たしていない場合には（ステップＳ２２でＮｏ）、回復処理は実行されずに燃料電池２００の通常運転が実行される（ステップＳ３０）。カソード電位が０．６Ｖ以下の場合には、制御装置１９０は、セル温度Ｔｃｅｌ[℃]が例えば４５℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。満たしていない場合には（ステップＳ２３でＮｏ）、回復処理は実行されずに燃料電池２００の通常運転が実行される（ステップＳ３０）。
【００４８】
カソード電位が０．６Ｖ以下でありセル温度Ｔｃｅｌ[℃]が４５℃以下である場合には（ステップＳ２３でＹｅｓ）、被毒診断部１９３、前回実行された回復処理時でのカソードガスの流通方向が順方向であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。詳しくは後述するが、回復処理部１９５は、通常排出状態で回復処理（以下、通常排出回復処理と称する）と中間排出状態で回復処理（以下、中間排出回復処理と称する）とを選択的に実行できる。被毒診断部１９３は、例えば、通常排出回復処理が実行された場合にオンとなり中間排出回復処理が実行された場合にオフとなるフラグに基づいて、ステップＳ２４の判定を行う。前回の回復処理が中間排出回復処理の場合（ステップＳ２４でＮｏ）、回復処理部１９５は、通常排出回復処理を選択して実行する（ステップＳ２５）。前回の回復処理が通常排出回復処理の場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、回復処理部１９５は、中間排出回復処理を選択して実行する（ステップＳ２７）。このように、中間排出回復処理が実行された後に再度回復処理を実行すると診断された場合に、通常排出回復処理が実行される。また、通常排出回復処理が実行された後に再度回復処理を実行すると診断された場合に、中間排出回復処理が実行される。尚、カソード電位が０．６Ｖ以下でありセル温度Ｔｃｅｌ[℃]が４５℃以下の場合に回復処理を実行する理由は、カソード２２５が低電位のときにはＰｔ触媒の表面からのＳＯ４２−、ＨＳＯ４−の脱離が促進され、セル温度Ｔｃｅｌ[℃]が４５℃以下の場合にはカソード２２５内の液水の量が増加してＳＯ４２−、ＨＳＯ４−を外部へと排出できるからである。
【００４９】
中間排出回復処理又は通常排出回復処理では、カソード２２５を低電位(例えば、０．６Ｖ以下)に維持しつつ、カソード２２５内の湿度を１００パーセントにする処理が実行される。例えば以下の何れかの処理が実行される。
(１)アノードに水素ガス、カソードに加湿した窒素ガスを流す処理のように、カソード２２５が低電位となり、カソード２２５内の液水が多くなるような処理を実行する。
(２)カソードストイキ比ＲＳＴを１.２〜２.０とした大電流発電のように、カソード２２５が低電位となり、生成水によってカソード内の液水が多くなるような発電を行う。
(３)カソードストイキ比ＲＳＴを１.２以下とした低効率発電のように、カソードが低電位となり、カソード２２５内の液水の排出が抑制されるような発電を行う。
（４)カソード２２５内の液水が多くなるような発電を行う。例えば、(ａ)セル温度Ｔｃｅｌ[℃]を低下させる、（ｂ）要求出力よりも発電量を大きくする、(ｃ)カソードストイキ比ＲＳＴを低下させる、(ｄ)カソード２２５の背圧を上昇させる、(ｅ)入口露点温度ＤＴｃｉｎを上昇させる、(ｆ)カソード２２５に供給する空気の温度を低下させる、の少なくとも１つ以上を実行することによってカソード２２５内の液水の量を増加させることができる。カソードストイキ比ＲＳＴの低下によりカソード２２５内の液水の量が増加する理由は、カソードストイキ比ＲＳＴを低下させるとカソードガスの流量が低下して、カソード２２５内から蒸気として排出される水の量を抑制できるからである。また、カソード２２５の背圧の上昇によりカソード２２５内の液水の量が増加する理由は、カソード２２５の背圧が上昇することによってガスの線速度が低下して、カソード２２５内から蒸気として排出される水の量を抑制できるからである。尚、セル温度Ｔｃｅｌ[℃]の低下は、例えば冷媒循環ポンプ１４４による冷却媒体の流通速度を調整することにより可能である。カソードストイキ比ＲＳＴの低下は、コンプレッサ１１１による空気の流量を調整することによって可能である。カソード２２５の背圧の上昇は、調圧弁１６７の開度を調整することよって可能である。入口露点温度ＤＴｃｉｎの上昇は、加湿部１１２によってカソード２２５に供給される空気の湿度を上昇させることにより可能である。カソード２２５に空気の温度の低下は、例えば第１供給流路１１３にインタークーラを設けることにより可能である。
【００５０】
次に、カソード２２５のＰｔ触媒の部位に応じたアニオンの付着量について説明する。図７は、カソード２２５のＰｔ触媒の部位に応じたアニオンの付着量を示したグラフである。例えば長時間燃料電池２００を運転していると、カソード２２５のＰｔ触媒に付着したアニオンは、カソードガスの順方向での下流側よりも上流側の部位で多くなる。この理由は、カソード２２５の下流側で発生する液水の量は比較的多いのに対し、カソード２２５の上流側で発生する液水の量は比較的少ないと考えられるからである。
【００５１】
図８Ａ〜８Ｃは、回復処理を実行した場合でのカソード２２５の部位に応じた積算生成水量を示したグラフである。図８Ａは、通常排出回復処理での積算生成水量、図８Ｂは、中間排出回復処理でのカソード２２５の上流側から中間付近までの間での積算生成水量、図８Ｃは、中間排出回復処理でのカソード２２５の下流側から中間付近までの間での積算生成水量を示している。ここで、アノード２２４とカソード２２５との間の液水の移動はないものと仮定し、カソード２２５にカソードガスが導入された直後での相対湿度をゼロと仮定する。カソード２２５の全面で均一に発電し、ストイキ比を一定の条件でカソードガスをカソード２２５に供給するものと仮定する。ここで、中間排出回復処理では、カソードガスはカソード２２５の上流側及び下流側の双方から導入されて中間付近から排出される。従って、中間排出回復処理での上流側から導入されて中間付近から排出されるカソードガスの流量、及び中間排出回復処理での下流側から導入されて中間付近から排出されるカソードガスの流量、のそれぞれは、通常排出回復処理でのカソード２２５に導入されるカソードガスの流量よりも小さい。尚、生成水量は、燃料電池２００の発電により生じた水の合計量であり、液水と水蒸気とを含む。尚、本明細書において、「上流側」及び「下流側」とは、燃料電池２００の通常運転時にカソードガスが流れる方向を順方向とした場合での上流側及び下流側を意味する。
【００５２】
図８Ａに示すように、通常排出回復処理を実行した場合には、積算生成水量はカソード２２５の上流側から下流側へと徐々に増大する。従って、通常排出回復処理を実行した場合、下流側では液水が十分に発生してアニオンを除去できるが、上流側に十分な量の液水が生じずに上流側でのアニオンを十分に除去できない恐れがある。尚、本明細書において、「上流側」及び「下流側」とは、燃料電池２００の通常運転時にカソードガスが流れる方向を順方向とした場合での上流側及び下流側を意味する。
【００５３】
ここで、図８Ａ〜８Ｃには、中間付近での積算生成水量に含まれる積算液水量と積算水蒸気量とを示している。図８Ａ、８Ｂに示すように、中間付近においては通常排出回復処理、中間排出回復処理の何れの場合も積算生成水量は同じである。上述したように何れの場合もストイキ比を一定であるからである。しかしながら、中間排出回復処理での積算液水量は、通常排出回復処理での積算液水量よりも多い。この理由は以下による。中間排出回復処理で上流側から導入されて中間付近で排出されるカソードガスの流量は、通常排出回復処理でカソード２２５全体を流れるカソードガスの流量よりも少ない。このため、カソードガスの流量が少ないと水蒸気よりも相対的に液水の量が増加し、中間付近での積算液水量は中間排出回復処理の方が通常排出回復処理よりも多くなるからである。これにより、上流側から中間付近までの間での液水の量は、中間排出回復処理の方が通常排出回復処理よりも多くなる。従って、中間排出回復処理を実行することにより、カソード２２５の上流側付近で発生する液水の量を確保でき、カソード２２５の触媒の上流側付近に付着したアニオンを除去できる。また、図８Ｃに示すように、下流側で発生する液水の量も確保できるため、カソード２２５の触媒の下流側付近に付着したアニオンも除去できる。また、上述したように本実施例では通常排出回復処理の実行後には中間排出回復処理が実行され、中間排出回復処理の実行後には通常排出回復処理が実行される。このため、カソード２２５の全面でアニオンを除去できる。
【００５４】
図５に戻り、回復処理部１９５は、通常排出回復処理又は中間排出回復処理を継続して、所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２６、Ｓ２８）。所定時間が経過していない場合には（ステップＳ２６、Ｓ２８でＮｏ）、回復処理部１９５は通常排出回復処理又は中間排出回復処理を継続する。所定時間が経過すると（ステップＳ２６、Ｓ２８でＹｅｓ）、アニオンによる触媒被毒は回復したとして、回復処理部１９５は通常排出回復処理又は中間排出回復処理を停止して燃料電池２００を通常運転に切り替える（ステップＳ３０）。尚、所定時間とは、例えばアニオンによる触媒被毒の回復に要する時間である。尚、通常排出回復処理が継続される所定時間と、中間排出回復処理が継続される所定時間とは異なっていてもよい。
【００５５】
上述したように本実施例では、カソード湿度ＲＨｃａが低下して乾燥状態に近づくとＰｔ触媒の表面に対するアニオンの吸着量が増加してセル電圧が低下するという性質に基づいて被毒診断処理が行われる。このため、本実施例の被毒診断処理では、アニオンによる触媒被毒を容易に検出することができる。
【００５６】
ここで、触媒劣化の他の要因として例えばＰｔ触媒に付着した酸化被膜がある。Ｐｔ酸化被膜は、カソード電位が低電位となるような発電をすることで除去できるが、アニオンによる触媒被毒は、低湿度条件でカソード電位が低電位となるような発電をおこなっても回復させることはできず、液水の多い発電をする必要がある。本実施例の被毒診断処理では、アニオンによる触媒被毒を他の要因とは区別して診断でき、アニオンによる触媒被毒を回復するのに適した回復処理を実行することができる。これにより、燃料電池２００の発電性能を効果的に回復させることができる。
【００５７】
また、本実施例では、触媒被毒を診断するための特別な装置を付加する必要がないため、燃料電池システムの大型化や複雑化を抑制することができる。
【００５８】
また、本実施例では、通常排出回復処理と中間排出回復処理とは交互に実行されるがこれに限定されない。例えば、通常排出回復処理を複数回実行した後に中間排出回復処理を実行してもよいし、中間排出回復処理を複数回実行した後に通常排出回復処理を実行してもよい。
【００５９】
また、本実施例では、１回の回復処理として通常排出回復処理又は中間排出回復処理の何れかが選択的に実行されるがこれに限定されない。例えば１回の回復処理の前半期間で通常排出回復処理及び中間排出回復処理の一方を実行し、後半期間で他方を実行してもよい。
【００６０】
また、本実施例では、通常排出回復処理又は中間排出回復処理の何れかが選択的に実行されるが、通常排出回復処理は実行せずに中間排出回復処理のみを実行してもよい。図７に示したように、カソード２２５のＰｔ触媒へのアニオンの付着量は、カソードガスの順方向での下流側よりも上流側の部位で多くなるため、中間排出回復処理のみを実行することによってこのようなアニオンの付着量の分布に対応させて上流側のアニオンを除去できるからである。
【００６１】
尚、制御装置１９０は、燃料電池２００の運転停止時には、封止弁１１３ｓ、調圧弁１６７、調圧弁１６２、１６４を閉じて、カソード２２５を封止する。また、封止弁１３３ｓ、１３６を閉じてアノード２２４を封止する。この際に、カソード２２５内に残留する酸素よりもアノード２２４内に残留する水素の量論比が大きくなる状態でカソード２２５、アノード２２４を封止する。封止後には水素がカソード２２５側にクロスリークして酸素と反応するため、セル内のガスは水素と不活性ガスである窒素が占めることになる。従って、残存する酸素と水素によるカソード２２５の触媒の劣化が抑制される。更にカソード電位が０．６Ｖ以下の低い状態に維持される。このため、燃料電池２００の運転停止中には、カソード電位が０．６Ｖ以下の低い状態に維持される。従って、燃料電池２００の運転停止期間がカソード２２５内に残留した酸素が消費されるのに十分な期間を経過していた場合には、制御装置１９０がイグニッションオン信号を検出した後においてもカソード電位は０．６Ｖ以下に維持されている（ステップＳ２２でＹｅｓ）。
【００６２】
次に、被毒診断処理の第２例について説明する。上述した被毒診断処理の第１例では、カソード湿度相関値ＣＶｈとしてのカソード湿度ＲＨｃａを第１の値ＲＨｃａ１から第２の値ＲＨｃａ２に変化させたときのセル電圧Ｅｃｅｌの変化量(セル電圧差分値ΔＥｃｅｌ)を用いて回復処理が必要か否かを診断した。しかし、被毒診断処理は、上記の方法に限定されない。例えば、触媒被毒の程度が大きい燃料電池ほど、カソード湿度ＲＨｃａが低下(乾燥)したときのセル電圧Ｅｃｅｌの低下量(低下割合)が大きくなることを利用して触媒被毒の程度を推定する種々の方法によって実現することができる。その一例として、被毒診断処理の第２例では、カソード湿度相関値ＣＶｈを瞬時に変化させたときのセル電圧Ｅｃｅｌの変化量(傾き)から回復処理が必要か否かを診断する。ここでは、カソード湿度相関値ＣＶｈとしてカソードストイキ比ＲＳＴを使用する。
【００６３】
図９は、触媒被毒の程度の異なる２つの燃料電池のカソードストイキ比ＲＳＴを瞬時に変化させたときのセル電圧Ｅｃｅｌの変化を例示した説明図である。図９の横軸は、時間ｔ[ｍｉｎ]であり、縦軸は、燃料電池２００のセル電圧Ｅｃｅｌ[Ｖ]およびカソードストイキ比ＲＳＴである。図９には、触媒被毒の程度が相対的に小さい燃料電池のセル電圧Ｅｃｅｌの時間的変化を実線で示し、触媒被毒の程度が相対的に大きい燃料電池のセル電圧Ｅｃｅｌの時間的変化を破線で示している。また、この２つの燃料電池のカソードストイキ比ＲＳＴの時間的変化を２点鎖線で示している。図９からわかるように、触媒被毒の程度が大きい燃料電池ほど、カソードストイキ比ＲＳＴを瞬時に変化させた後(ｔ０以降)のセル電圧Ｅｃｅｌの低下量(低下割合)が大きくなることがわかる。そのため、被毒診断処理の第２例においては、被毒診断部１９３は以下の方法によって燃料電池の触媒被毒の程度を診断する。
【００６４】
まず、制御装置１９０は、基準時間ｔ０(ここでは、ｔ０=５[ｍｉｎ])にカソードストイキ比ＲＳＴを瞬間的に変化(ここでは、ＲＳＴ=２→４)させる。カソードストイキ比の制御は、コンプレッサ１１１の駆動量や調圧弁１６７の開度などを制御することにより行われる。ここでの「瞬間的に」とは、例えば５秒程度を例示することができるが、変化に要する時間が毎回の診断ごとに変化しなければ、特に時間の長さについては限定されない。相関値取得部１９１は、基準時間ｔ０から所定の時間経った後の第１の時間ｔ１(例えば、ｔ１＝６[ｍｉｎ])におけるセル電圧Ｅｃｅｌ１[Ｖ]と、第１の時間からさらに所定の時間経った後の第２の時間ｔ２（例えば、ｔ２＝８[ｍｉｎ])におけるセル電圧Ｅｃｅｌ２［Ｖ］をそれぞれ検出する。被毒診断部１９３は、検出したセル電圧Ｅｃｅｌ１［Ｖ］とセル電圧Ｅｃｅｌ２［Ｖ］との差であるセル電圧差分値ΔＥｃｅｌ(ΔＥｃｅｌ＝Ｅｃｅｌ１−Ｅｃｅｌ２)を算出し、算出したセル電圧差分値ΔＥｃｅｌが予め設定されている閥値Ｔｈ３以上のとき(ΔＥｃｅｌ>Ｔｈ３)に、触媒被毒の程度が回復処理の必要な程度であると診断する。
【００６５】
例えば、第１の時間ｔ１として、基準時間ｔ０から１［ｍｉｎ］後の時間が設定され、第２の時間ｔ２として、第１の時間から２［ｍｉｎ］後の時間が設定されているが、第１の時間ｔ１と第２の時間ｔ２は、上記に限定されず任意のタイミングとすることができる。尚、基準時間ｔ０におけるカソードストイキ比ＲＳＴの変化量は、具体的に特定する必要がなく、カソード湿度ＲＨｃａが一定量増減すればよいため、カソードストイキ比ＲＳＴ以外のカソード湿度相関値ＣＶｈを瞬時に変化させてもよい。例えば、基準時間ｔ０に入口湿度ＲＨｃｉｎや入口露点温度ＤＴｃｉｎを瞬時に変化させてもよい。また同様に、セル電圧差分値ΔＥｃｅｌは、具体的に値を特定する必要がなく、相対的なセル電圧差分値ΔＥｃｅｌの大小関係がわかればよいため、セル電圧Ｅｃｅｌ［Ｖ］以外の出力電圧相関値ＣＶｖを測定し、その低下量ΔＣＶｖから相対的なセル電圧差分値ΔＥｃｅｌの大小関係を推定してもよい。
【００６６】
このように、被毒診断処理は、カソード湿度相関値ＣＶｈを第１の値から第２の値に変化させたときのセル電圧Ｅｃｅｌの変化量(セル電圧差分値ΔＥｃｅｌを用いて触媒被毒の程度を推定する方法に限定されない。被毒診断処理は、触媒被毒の程度が大きい燃料電池ほど、カソード湿度ＲＨｃａが低下(乾燥)したときのセル電圧Ｅｃｅｌの低下量(低下割合)が大きくなることを利用して触媒被毒の程度を推定する種々の方法によって実現することができる。
【００６７】
本実施例では、カソード湿度ＲＨｃａの推定は、入口湿度ＲＨｃｉｎ、電流Ｉｃｅｌ、カソード温度Ｔｃａを用いるものとして説明した。しかし、カソード湿度ＲＨｃａの推定方法はこれに限定されない。例えば、第１排出流路１１７又は第２排出流路１１７´に湿度センサが備えられていれば、この湿度センサによって検出される湿度をカソード湿度ＲＨｃａとして使用してもよい。また、入口湿度ＲＨｃｉｎ、電流Ｉｃｅｌ、カソード温度Ｔｃａのほか、第１排出流路１１７又は第２排出流路１１７´の湿度を使用してカソード湿度ＲＨｃａを推定してもよい。
【００６８】
本実施例の制御装置１９０は、カソード温度Ｔｃａをカソード湿度相関値Ｃｖｈとして使用しているため、加湿部１１２、水素供給部１３１およびコンプレッサ１１１、燃料電池循環冷却部１４０の少なくとも１つを制御することによってカソード温度Ｔｃａを変更可能であると説明した。しかし、制御装置１９０が制御可能なパラメータはカソード温度Ｔｃａに限定されない。例えば、制御装置１９０は、出口湿度ＲＨｃｏｕｔをカソード湿度相関値Ｃｖｈとして使用する場合には、加湿部１１２、水素供給部１３１、コンプレッサ１１１、封止弁１１３ｓ、調圧弁１６７、燃料電池循環冷却部１４０を制御することによって、出口湿度ＲＨｃｏｕｔを変更してもよい。また、制御装置１９０は、カソードストイキ比ＲＳＴをカソード湿度相関値Ｃｖｈとして使用する場合には、コンプレッサ１１１を制御することによってカソードストイキ比ＲＳＴの値を変更してもよい。また、制御装置１９０は、セル温度Ｔｃｅｌをカソード湿度相関値Ｃｖｈとして使用する場合には、燃料電池循環冷却部１４０を制御することによってセル温度Ｔｃｅｌの値を変更してもよい。また、制御装置１９０は、入口露点温度ＤＴｃｉｎをカソード湿度相関値Ｃｖｈとして使用する場合には、加湿部１１２を制御することによって入口露点温度ＤＴｃｉｎの値を変更してもよい。
【００６９】
本実施例の被毒診断部１９３は、回復処理が必要か否かを診断する構成として説明したが、被毒診断部１９３は、推定した触媒の被毒量に基づいて回復処理が必要か否かを判定してもよい。例えば、被毒診断部１９３は、セル電圧差分値ΔＥｃｅｌと触媒の被毒量との対応関係が示されたテーブルを備えている場合には、セル電圧差分値ΔＥｃｅｌから触媒の被毒量を推定できる。この場合には、被毒診断部１９３は、被毒量から回復処理が必要か否かを判定できる。
【００７０】
上記実施例では、制御装置１９０はイグニッションオフ信号を受信した後に被毒診断処理を実行したがこれに限定されない。燃料電池２００が運転中であれば、任意のタイミングで被毒診断処理を行ってもよい。
【００７１】
尚、上述したようにカソード２２５内の液水が多くなるような発電を行う一例としてカソード２２５の背圧の上昇について説明したが、本実施例ではカソード２２５の背圧の上昇は、通常排出回復処理では調圧弁１６７の開度を調整することよって可能であり、中間排出回復処理では調圧弁１６２の開度を調整することによって可能である。
【００７２】
上記実施例での被毒診断処理は、セル電圧Ｅｃｅｌの低下量に基づいて触媒の被毒程度が回復処理な程度か否かを判定したが、被毒診断処理はこれに限定されない。例えば被毒診断処理では、前回の回復処理が実行されてからの燃料電池２００の累積運転時間が所定時間以上となった場合に、回復処理が必要であると診断してもよい。また、被毒診断処理は、前回の回復処理が実行されてからの車両の累積走行距離が所定距離以上となった場合に、回復処理が必要であると診断してもよい。燃料電池２００の運転時間や車両の走行距離が長いほど、燃料電池２００の触媒被毒の程度が大きいと考えられるからである。この場合も中間排出回復処理を実行する。この場合の中間排出回復処理の実行のタイミングは、例えば燃料電池２００のアイドリング運転中であってもよいし、イグニッションオフ信号を検出後で燃料電池２００の停止前であってもよい。また、カソード電位が０．６Ｖ以下となる範囲で燃料電池２００を発電させてもよい。燃料電池２００の発電により、カソード２２５内の液水は増加するからである。中間排出回復処理の継続期間は、例えば車両の累積走行距離又は累積運転時間と回復処理の継続期間との関係を規定したテーブルに基づいて設定される。このようなテーブルは実験データに基づいて算出され、制御装置１９０のＲＯＭに予め記憶されている。
【００７３】
図１０Ａ〜１０Ｃは、実施例１に適用可能な燃料電池２００ａ〜燃料電池２００ｃのカソード側セパレータ２５０ａ〜２５０ｃの平面図である。図１０Ａに示す燃料電池２００ａのカソード側セパレータ２５０ａには複数の壁部Ｗが設けられており、カソードガス流路ＣＧＣａは蛇行したサーペンタイン型である。カソードガスは、カソードガス流路ＣＧＣａに沿って蛇行しながら流れる。中間マニホールド３６１は、蛇行したカソードガス流路ＣＧＣａの途中の位置で連通している。
【００７４】
図１０Ｂに示す燃料電池２００ｂのカソード側セパレータ２５０ｂとカソード側拡散層との間には、金属多孔体（例えばエキスパンドメタル）等のガス拡散性及び導電性を有する多孔質材料で形成されたカソードガス流路ＣＧＣｂが配置されている。カソードガス流路ＣＧＣｂは、カソード側拡散層より空孔率が高いため、内部におけるガスの流動抵抗が低い。この場合、カソード側セパレータ２５０ｂの表面は平坦でありカソード側セパレータ２５０ｂには流路は形成されていない。中間マニホールド３６１は、カソードガス流路ＣＧＣｂの途中の位置で連通している。
【００７５】
同様に、図１０Ｃの燃料電池２００ｃのカソード側セパレータ２５０ｃとカソード側拡散層との間には、多孔質材料で形成されたカソードガス流路ＣＧＣｃが設けられている。カソードガス供給マニホールド３１３、アノードガス供給マニホールド３３３は、カソードガス流路ＣＧＣｃの左上の角部付近に設けられ、カソードガス排出マニホールド３１７、アノードガス排出マニホールド３３５は、この角部に対して対角線上にある右下の角部付近に設けられている。また、冷媒供給マニホールド３４５は、右上の角部付近に設けられ、冷媒排出マニホールド３４６は左下の角部付近に設けられている。中間マニホールド３６１は、カソードガス流路ＣＧＣｃの途中の位置で連通している。このような燃料電池２００ａ〜燃料電池２００ｃであっても、燃料電池２００と同様の効果を有する。尚、図１０Ａ〜１０Ｃにおいても、通常排出状態でのカソードガスの流通方向を矢印Ｆで示し、中間排出状態でのカソードガスの流通方向を矢印Ｆ１、Ｒで示している。
【実施例２】
【００７６】
図１１は、実施例２のシステム１００ａの概略構成を例示した説明図である。尚、システム１００ａについて、システム１００と同一の部分には同一の符号を付することにより重複する説明は省略する。図１２は、実施例２での燃料電池２００のカソード側セパレータ２５０の平面図である。実施例２では、１６０ａは、分岐流路１６３、調圧弁１６４は設けられておらず、構成が簡易であり低コストが図られている。従って、中間排出回復処理では、制御装置１９０ａの回復処理部１９５ａは調圧弁１６７を閉じて調圧弁１６２を開く。これにより、カソードガスは第２供給流路１１３´を介してのみ燃料電池２００へ流れて、カソードガス供給マニホールド３１３からカソードガス流路ＣＧＣを介して中間マニホールド３６１へと流れ、カソードオフガスが中間流路１６１から排出される。尚、図１２においても、通常排出状態でのカソードガスの流通方向を矢印Ｆで示し、中間排出状態でのカソードガスの流通方向を矢印Ｆ１で示している。
【００７７】
実施例２での中間排出回復処理では、下流側からカソード２２５へカソードガスが導入されることはない。しかしながらこの場合も、図８Ａ、８Ｂに示したように、カソードの中間付近での積算液水量は中間排出回復処理の方が通常排出回復処理よりも多い。従って、中間排出回復処理を実行することにより、カソード２２５の上流側付近で発生する液水の量を確保でき、カソード２２５の触媒の上流側付近に付着したアニオンを除去できる。また、通常排出回復処理を行うことにより下流側に付着したアニオンは除去できるため、双方の回復処理を実行することにより、カソード２２５の触媒の広い範囲にわたってアニオンを除去できる。
【００７８】
また、本実施例の中間排出回復処理では、カソードガスはカソードガス流路ＣＧＣの一部分のみを流れる。このため、カソードガスがカソードガス流路ＣＧＣの全体を流れる通常排出回復処理によってアニオンを除去するのに必要なカソードガスの量よりも少ないカソードガスの量で、カソード２２５の触媒の上流側に付着したアニオンを効率的に除去できる。また、本実施例の中間排出回復処理では、カソードガスはカソードガス流路ＣＧＣの一部分のみを流れるため、これによって発生する発電量を抑制できエネルギの損失をも抑制できる。
【００７９】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１００〜１００ｂ  燃料電池システム
１１０〜１１０ｂ  カソードガス供給排出部
１１１  コンプレッサ
１１３  第１カソードガス供給流路（第１供給流路）
１１３´  第２カソードガス供給流路（第２供給流路）
１１３ｓ、１３３ｓ、１３６  封止弁
１１７  第１カソードガス排出流路（第１排出流路）
１１７´  第２カソードガス排出流路（第２排出流路）
１６２、１６４、１６７  調圧弁
１３０  アノードガス供給排出部
１３３  アノードガス供給流路
１３５  アノードガス排出流路
１６０、１６０ａ  切替部
１６１  中間流路
１６３  分岐流路
１９０、１９０ａ  制御装置
１９１  相関値取得部
１９３  被毒診断部
１９５、１９５ａ  回復処理部
２００〜２００ｃ  燃料電池
２２１  電解質膜
２２４  アノード
２２５  カソード
２５０〜２５０ｃ  カソード側セパレータ
３１３  カソードガス供給マニホールド
３１７  カソードガス排出マニホールド
３６１  中間マニホールド
ＣＧＣ〜ＣＧＣｃ  カソードガス流路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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