JP2013206647A - 燃料電池システムおよびその制御方法、触媒被毒に起因する燃料電池の発電性能の低下の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒被毒に起因する燃料電池の発電性能の低下の検出精度を向上させる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００の触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０の運転中に、所定のタイミングで、触媒被毒対策処理を実行する。触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０に対する反応ガスの供給量を微量まで低減させた状態で、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性（極限Ｉ−Ｖ特性）を取得する。触媒被毒対策処理部２１は、極限Ｉ−Ｖ特性において、所定の第１と第２の電流値Ｉ₁，Ｉ₂に対して取得できる第１と第２の電圧ｖ₁，ｖ₂の差ΔＶを算出する。触媒被毒対策処理部２１は、ΔＶが所定の閾値Ｖｔｈより大きいときに、触媒被毒に起因する燃料電池１０の性能劣化が発生していると判定する。
【選択図】図６

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の両面に配置された電極に、燃料電池反応を促進するための白金（Ｐｔ）などの触媒が配置されている（下記特許文献１等）。燃料電池では、触媒の表面に触媒毒が吸着されて、触媒活性が低下してしまう触媒被毒が発生する場合がある。触媒被毒は、燃料電池の発電性能を低下させる原因となる。一般に、触媒被毒による燃料電池の発電性能の低下は、触媒に吸着している触媒毒を除去することによって回復が可能である。

これに対して、燃料電池では、触媒が電極から溶出したり、触媒が凝集したりすることにより、不可逆的に発電性能が低下してしまう場合がある。燃料電池の発電性能の低下に対する適切なメンテナンス処理を実行するためにも、その発電性能の低下が触媒被毒の蓄積に起因するものであり、回復可能なものであるか否かを、的確に特定できることが望ましい。しかし、従来は、検出された燃料電池の発電性能の低下の原因が触媒被毒に起因するものであると特定するための十分な工夫がなされてこなかった。

特開２００９−０３２５６８号公報 特開２００６−３５１２５２号公報 特開２００７−１４９５９５号公報 特開２００７−１４１６２３号公報

本発明は、触媒被毒に起因する燃料電池の発電性能の低下の検出精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池と、前記燃料電池の電流と電圧との関係として表される前記燃料電池の発電特性を取得する発電特性検出部と、前記燃料電池の発電特性において、所定の電流の範囲内で検出される、電流の増大量に対する電圧の低下量が所定の閾値より大きいときに、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する制御部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、触媒被毒に起因して燃料電池の発電性能が低下していることを高い精度で検出することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、
（ａ）前記燃料電池の発電特性において、それ以上電流を増大させても電圧が低下しなくなる電流の最大値を検出できるように、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給量を調整するガス供給量制御を実行し、
（ｂ）前記ガス供給量制御の実行後に、前記燃料電池の発電特性を取得し、
（ｃ）前記燃料電池の発電特性において、前記電流の最大値に所定の第１と第２の比率をそれぞれ乗算した第１と第２電流値に対して取得できる、第１と第２の電圧値の差の大きさが所定の閾値より大きいときに前記性能劣化が発生していると判定する、第１の被毒劣化検出処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池に対する反応ガスの供給量が所定量に規定された条件下における燃料電池の発電特性を用いて、触媒被毒に起因して燃料電池の発電性能が低下していること高い精度で検出することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の抵抗を検出する抵抗検出部を備え、前記制御部は、
（ｉ）前記燃料電池の発電特性において、電圧が、前記所定の電流の範囲内において、所定の変化率よりも大きい変化率で略線形的に低下しており、かつ、
（ｉｉ）前記発電特性を検出する際の、前記所定の電流の範囲内における前記燃料電池の抵抗の変化が、所定の許容範囲内で収まっているときに、前記性能劣化が発生していると判定する、第２の被毒劣化検出処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池における電流と抵抗との関係が規定された条件下における燃料電池の発電特性を用いて、触媒被毒に起因して燃料電池の発電性能が低下していることを高い精度で検出することができる。

［適用例４］
適用例２および適用例３に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の出力電力によって充電され、前記燃料電池とともに電力源として機能する二次電池と、前記二次電池の蓄電量を表す充電状態を検出する充電状態検出部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の運転中に、前記第１または第２の被毒劣化検出処理を実行し、前記制御部は、前記二次電池の蓄電量に応じて、前記第１と第２の被毒劣化検出処理のうちのいずれを実行するかを選択する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、第１または第２の被毒劣化検出処理を、二次電池の充電状態に応じて適切に選択して実行するため、二次電池の充電状態が原因で、触媒被毒に起因する性能劣化を検出する処理の実行が阻害されてしまうことを抑制できる。

［適用例５］
適用例１から適用例４のいずれかひとつに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記性能劣化を検出した後に、前記触媒被毒を回復させるメンテナンス処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、触媒被毒に起因する性能劣化が検出された後に、その触媒被毒を回復するための適切なメンテナンス処理を実行するため、確実に燃料電池の性能低下を抑制できる。

［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、外部負荷の要求に応じて前記燃料電池の出力電流を制御する第１の制御を実行し、前記制御部は、前記第１の制御の実行中に前記性能劣化を検出した場合には、前記外部負荷の要求に応じた出力電流よりも大きい電流を前記燃料電池に出力させる第２の制御を、前記メンテナンス処理として実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転を停止さることなく、触媒被毒による燃料電池の性能低下を回復させるためのメンテナンス処理を実行することができる。

［適用例７］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の排ガスを、前記燃料電池に循環供給できる排ガス循環部を備え、前記メンテナンス処理は、前記燃料電池の運転終了後に、前記排ガス循環部によって、前記燃料電池に前記排ガスを循環させて、前記燃料電池の内部をパージする処理を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムが実行するメンテナンス処理であれば、排ガスの循環によって、触媒被毒を回復させることができるため、効率的である。

［適用例８］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備え、前記メンテナンス処理は、前記燃料電池の運転終了後に、前記燃料電池に前記不活性ガスを供給し、前記燃料電池の内部をパージする処理を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、不活性ガスのパージによって触媒被毒を回復させることができる。

［適用例９］
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の電流と電圧との関係として表される前記燃料電池の発電特性を取得する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の発電特性において、所定の電流の範囲内で検出される、電流の増大量に対する電圧の低下量が所定の閾値より大きいときに、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する工程と、を備える、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法であれば、触媒被毒に起因して燃料電池の発電性能が低下していることを高い精度で検出することができる。

［適用例１０］
適用例９記載の燃料電池の制御方法であって、さらに、
（ｃ）前記性能劣化の発生を検出した後に、前記触媒被毒を回復させるメンテナンス処理を実行する工程と、を備える、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法によれば、触媒被毒に起因する性能劣化が検出された後に、その劣化を回復するための適切なメンテナンス処理を実行するため、燃料電池の性能低下を確実に抑制できる。

［適用例１１］
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池において、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する方法であって、
（ａ）前記燃料電池の電流と電圧との関係として表される、前記燃料電池の発電特性において、それ以上電流を増大させても電圧が低下しなくなる電流の最大値を検出できるように、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給量を制御する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記燃料電池の発電特性を取得する工程と、
（ｃ）前記燃料電池の発電特性において、前記電流の最大値に所定の第１と第２の比率をそれぞれ乗算した第１と第２電流値に対して取得できる、第１と第２の電圧値の差の大きさが所定の閾値より大きいときに前記性能劣化が発生していると判定する工程と、を備える、方法。
この方法によれば、触媒被毒に起因して燃料電池の発電性能が低下していることを的確に検出することができる。

［適用例１２］
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池において、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する方法であって、
（Ａ）前記燃料電池の発電特性を検出するとともに、前記燃料電池の電流に対する抵抗の変化を検出する工程と、
（Ｂ）前記燃料電池の発電特性において、（ｉ）電圧が、所定の電流の範囲内において、所定の変化率よりも大きい変化率で略線形的に低下しており、かつ、（ｉｉ）前記所定の電流の範囲内における前記燃料電池の抵抗の変化が、所定の許容範囲内で収まっているときに、前記性能劣化が発生していると判定する工程と、を備える、方法。
この方法によれば、触媒被毒に起因して燃料電池の発電性能が低下していることを的確に検出することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、触媒被毒に起因する燃料電池の性能劣化の検出方法、触媒被毒に起因する燃料電池の性能劣化の回復方法、それらの方法またはシステムの機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 制御部が実行する燃料電池の運転制御の制御手順を示す説明図。 制御部による燃料電池の通常出力制御を説明するための説明図。 触媒被毒対策処理部が実行する触媒被毒対策処理の処理手順を示す説明図。 触被毒劣化の判定処理を説明するための説明図。 低効率運転制御を説明するための説明図。 低効率運転制御による被毒劣化の回復効果を説明するための説明図。 第２実施例における触媒被毒対策処理の実行手順を示す説明図。 第２実施例における被毒劣化の判定処理を説明するための説明図。 第３実施例における触媒被毒対策処理の実行手順を示す説明図。 第４実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。 第４実施例における燃料電池の運転制御の制御手順を示す説明図。 第４実施例における被毒劣化検出処理の実行手順を示す説明図。 第４実施例の触媒被毒対策処理部が実行する触媒メンテナンス処理の処理手順を示す説明図。 パージ処理の実行時間と、被毒劣化の回復の度合いとの関係を説明するための説明図。 第５実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、燃料電池車両の動力源となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、を備える。なお、燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池１０に冷媒を供給して、その運転温度を調整する冷媒供給系を備えるが、その図示および説明は省略する。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。なお、燃料電池１０には、反応ガスや冷媒のためのマニホールドが積層方向に沿った貫通孔として形成されているが、その図示は省略してある。

各単セル１１は、膜電極接合体５と、膜電極接合体５を狭持して反応ガスや冷媒の流路を形成するとともに、集電板としても機能する板状基材である２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。膜電極接合体５は、電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極２，３とを有している。電解質膜１は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。本実施例では、電解質膜１は、イオン交換基としてスルホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）を有している。

電極２，３は、いわゆる触媒インクの塗布膜として形成することができる。ここで、「触媒インク」とは、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子と、電解質膜１を構成するのと同種又は類似のアイオノマーと、を分散させた分散液を意味する。なお、触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、以下に説明する各系３０，４０，５０，６０を制御して、システムに対する外部からの出力要求に応じた電力を燃料電池１０に発電させる。制御部２０による燃料電池１０の運転制御については後述する。

また、制御部２０は、燃料電池１０における触媒被毒（後述）に起因する発電性能の低下を抑制するための触媒被毒対策処理を実行する触媒被毒対策処理部２１としての機能を備える。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中に、定期的に、触媒被毒対策処理部２１に触媒被毒対策処理を実行させる。触媒被毒対策処理部２１による触媒被毒対策処理の具体的な処理内容については後述する。

カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、圧力計測部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドに接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。

エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。圧力計測部３５は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドの入口近傍における空気の圧力を計測し、制御部２０に出力する。

カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管である。カソード排ガスは、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測結果を制御部２０に出力する。

アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側の供給用マニホールドと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。

開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素の流量を制御する。

アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、開閉弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドに接続された配管である。発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスは、アノード排ガス配管６１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

開閉弁６６は、アノード排ガス配管６１に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。アノードガス排出系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドの近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に出力する。

図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３と、電流計測部９０と、セル電圧計測部９１と、インピーダンス計測部９２と、ＳＯＣ検出部９３と、を備える。

燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池車両の駆動力源であるモータ２００に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。

二次電池８１は、燃料電池１０の出力電力や、モータ２００の回生電力によって充電され、燃料電池１０とともに電力源として機能する。二次電池８１は、例えばリチウムイオン電池で構成することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８２は、制御部２０の指令に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧を制御するとともに、二次電池８１の充・放電を制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。また、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、その回生電力を直流電力に変換する。

電流計測部９０は、直流配線ＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に出力する。セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各単セル１１に接続されており、各単セル１１ごとの電圧（以下、「セル電圧」とも呼ぶ）を計測し、制御部２０に出力する。インピーダンス計測部９２は、交流インピーダンス法を利用して、各単セル１１ごとの抵抗（以下、単に「セル抵抗」とも呼ぶ）を計測する。

ＳＯＣ検出部９３は二次電池８１に接続されている。ＳＯＣ検出部９３は、二次電池８１の充電状態であるＳＯＣ（State of Charge）を検出し、制御部２０に出力する。ここで、二次電池８１のＳＯＣとは、二次電池８１の充電容量に対する二次電池８１の充電残量（蓄電量）の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９３は、二次電池８１の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池８１のＳＯＣを検出する。制御部２０は、ＳＯＣ検出部９３の検出値に基づいて、二次電池８１のＳＯＣが、基準値を中心とする所定の範囲（二次電池８１の劣化を抑制できる限界範囲）内に収まるように、二次電池８１の充・放電を制御する。

図３は、制御部２０が実行する燃料電池１０の運転制御の制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、制御部２０は、運転者によるアクセル操作等の運転操作に基づき、燃料電池システム１００に対する出力要求を受け付ける。ステップＳ２０では、制御部２０は、出力要求に応じて燃料電池１０の出力を制御する通常出力制御を実行する。

図４は、ステップＳ２０における燃料電池１０の通常出力制御を説明するための説明図である。図４には、燃料電池１０の電流−電圧特性（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフＧ_I-Pと、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧ_I-Vとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧および電力とし、横軸を電流として示してある。

通常、燃料電池のＩ−Ｐ特性は、上に凸の曲線グラフとして表される（グラフＧ_I-P）。また、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、電流の増大に従って、電圧がなだらかに低下する横Ｓ字状の曲線グラフとして表される（グラフＧ_I-V）。制御部２０は、燃料電池１０についてのＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性を表す情報を、燃料電池１０の制御用情報として予め記憶しており、その制御用情報に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧の指令値を取得する。

なお、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性は、燃料電池１０の運転温度など、その運転状態に応じて変化する。そのため、制御部２０は、それらの運転状態ごとの制御用情報を予め記憶しており、現在の燃料電池１０の運転状態に応じて、適宜、制御用情報を選択して用いることが好ましい。

制御部２０は、ステップＳ１０で取得した出力要求に応じて、燃料電池１０が出力すべき電力（目標電力Ｐｔ）を決定する。そして、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性（グラフＧ_I-P）に基づいて、目標電力Ｐｔに対して燃料電池１０が出力すべき電流の目標値（目標電流Ｉｔ）を取得する。さらに、制御部２０は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性（グラフＧ_I-V）に基づいて、目標電流Ｉｔを出力するために必要な燃料電池１０の電圧の目標値（目標電圧Ｖｔ）を取得する。

制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、目標電圧Ｖｔを燃料電池１０に出力させる。これによって、燃料電池１０に目標電流Ｉｔを出力させることができる。なお、燃料電池１０の電圧が目標電圧Ｖｔに到達するまでの間の不足電力は、二次電池８１からの出力電力によって補償される。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転が終了するまで、ステップＳ１０，Ｓ２０の運転制御を繰り返す（ステップＳ４０）。

ところで、燃料電池１０では、その運転中に、電解質膜１や電極２，３に含まれるアイオノマーが分解したイオンであるＨＳＯ₄ ^-やＳＯ₄ ^2-が、触媒毒として触媒表面に吸着し、触媒活性が低下してしまう触媒被毒が発生する場合がある。触媒被毒が著しく蓄積されると、燃料電池１０の発電性能が低下してしまう原因となる。そこで、制御部２０は、運転制御の実行中において、所定の実行タイミングに到達したときには、触媒被毒対策処理部２１に触媒被毒対策処理の実行を開始させ（ステップＳ３０）、触媒被毒の蓄積に起因する燃料電池１０の発電性能の低下（以下、単に「被毒劣化」と呼ぶ）を抑制する。

なお、触媒被毒対策処理の実行タイミングとしては、例えば、燃料電池システム１００の起動後、所定の時間経過した後としても良いし、燃料電池車両が所定の走行距離を走行したときであるとしても良い。また、触媒被毒対策処理の実行頻度は、例えば１日に１回程度であっても良いし、１週間に１回程度、数ヶ月に１回程度であっても良い。

図５は、触媒被毒対策処理部２１が実行する触媒被毒対策処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１０，Ｓ１２０では、触媒被毒対策処理部２１は、特定の条件下で取得した燃料電池１０のＩ−Ｖ特性に基づいて、燃料電池１０における被毒劣化を検出する。

ここで、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、燃料電池に対する反応ガスの供給量によっても変化する。燃料電池に対する反応ガスの供給量をある微小量まで低減させた状態で取得した燃料電池のＩ−Ｖ特性では、高電流領域において電圧がほぼ垂直に降下し、燃料電池の電圧をそれ以上低下させても、電流が増大しなくなる電流の限界値を取得することができる。

本明細書では、この電流の限界値を「限界電流値」と呼ぶ。また、反応ガスの供給量が微量な状態において取得され、限界電流値が現れている燃料電池のＩ−Ｖ特性を、「極限Ｉ−Ｖ特性」と呼ぶ。

ステップＳ１１０では、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性において限界電流値が検出できるように、所定量（例えば、燃料電池１０が発電不能に陥る限界量に近い量）まで反応ガスの供給量を低減させる。触媒被毒対策処理部２１は、この反応ガスの供給量が低減された状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、燃料電池１０の出力電流を挿引しつつセル電圧を計測することにより、燃料電池１０の極限Ｉ−Ｖ特性を取得する。

なお、触媒被毒対策処理部２１は、各単セル１１ごとの、または、任意の単セル１１のＩ−Ｖ特性を取得して、以下に説明する判定処理において、各単セル１１ごとに、または、任意の単セル１１について、被毒劣化を検出するものとしても良い。また、触媒被毒対策処理部２１は、セル電圧の計測値に基づき、燃料電池１０全体の電圧を取得し、燃料電池１０全体のＩ−Ｖ特性を取得するものとしても良い。

図６は、ステップＳ１２０における被毒劣化の判定処理を説明するための説明図である。図６には、ステップＳ１１０において取得される燃料電池１０の極限Ｉ−Ｖ特性を示すグラフＳ_I-Vの一例を実線で図示してある。また、図５には、説明の便宜のため、工場出荷時などの燃料電池１０の初期状態において、ステップＳ１１０と同じ条件で取得できる、燃料電池１０の基準となる極限Ｉ−Ｖ特性を示すグラフＭ_I-Vを一点鎖線で図示してある。

なお、図５の２つのグラフＳ_I-V，Ｍ_I-Vはそれぞれ、限界電流値Ｉ_limを１として規格化（正規化）したものである。また、以下の説明における電流の値は、限界電流値Ｉ_limを１として規格化したときの値である。

本発明の発明者は、限界電流値Ｉ_limを基準に規格化した極限Ｉ−Ｖ特性には、被毒劣化の度合いに応じて以下のような特徴が現れることを見出した。極限Ｉ−Ｖ特性は、被毒劣化が著しい場合であっても、電流が０の近傍（０〜０．１）においては電流に対する電圧は、初期状態のときからほとんど低下しない。これに対して、電流が、少なくとも０．１より大きく、１より小さい領域においては、電流に対する電圧は、被毒劣化の度合いに応じて初期状態のときよりも低下する。特に、その低下量は、電圧の低下率が著しく大きくなる電流の領域（例えば、電流が０．６〜０．９の領域）において顕著になる。

そこで、ステップＳ１２０では、触媒被毒対策処理部２１は、ステップＳ１１０で取得した極限Ｉ−Ｖ特性に基づいて、以下のように、触媒被毒に起因する燃料電池１０の発電性能の低下を検出する。触媒被毒対策処理部２１は、極限Ｉ−Ｖ特性において、初期状態に対して電流に対する電圧の低下がほとんどない領域における第１の電流Ｉ₁に対する電圧ｖ₁を取得し、初期状態に対して電流に対する電圧の低下が顕著に現れる領域における第２の電流Ｉ₂に対する電圧ｖ₂を取得する。具体的に、第１の電流Ｉ₁は０．１とし、第２の電流Ｉ₂は０．８としても良い。触媒被毒対策処理部２１は、２つの電圧ｖ₁，ｖ₂の差ΔＶを算出し、このΔＶが所定の閾値Ｖｔｈより大きいときに、触媒被毒に起因する燃料電池１０の発電性能の低下を検出する。

なお、燃料電池１０の発電性能の低下が、触媒被毒以外の原因によるものである場合（例えば、触媒の溶出などの不可逆的な劣化に起因するものである場合）には、通常、極限Ｉ−Ｖ特性において、第１の電流Ｉ₁に対する電圧ｖ₁が初期状態よりも低下する。従って、この場合には、ΔＶが所定の閾値より大きくはならない。このように、ΔＶの変化は、触媒被毒の蓄積に起因して燃料電池１０の発電性能が低下しているときに、極限Ｉ−Ｖ特性において現れる特徴的な変化であると言える。

また、上記のステップＳ１２０における処理は、限界電流値Ｉ₁に所定の第１と第２の比率をそれぞれ乗算した第１と第２電流値Ｉ₁，Ｉ₂に対して取得できる、第１と第２の電圧値ｖ１，ｖ２の差ΔＶの大きさが所定の閾値Ｖｔｈより大きいときに被毒劣化が発生していると判定する処理であると解釈することができる。さらに、上記のステップＳ１２０における処理は、極限Ｉ−Ｖ特性において、所定の電流の範囲内で検出される、電流の増大量に対する電圧の低下量が所定の閾値より大きいときに被毒劣化が発生していると判定する処理であるとも解釈することができる。

触媒被毒対策処理部２１は、ステップＳ１２０において、燃料電池１０の被毒劣化を検出しなかった場合には、触媒被毒対策処理を終了する。この場合には、制御部２０は、通常の運転制御（図３）を再開する。一方、被毒劣化を検出た場合には、触媒被毒対策処理部２１は、触媒被毒を回復するためのメンテナンス処理として、以下に説明する運転制御を開始する（ステップＳ１３０，Ｓ１４０）。

ステップＳ１３０では、触媒被毒対策処理部２１は、制御部２０が実行する通常の運転制御におけるステップＳ１０と同様に、外部からの出力要求を受け付ける。ステップＳ１４０では、触媒被毒対策処理部２１は、受け付けた出力要求に基づいて、以下に説明する低効率運転制御によって、燃料電池１０を運転する。

図７は、ステップＳ１４０における低効率運転制御を説明するための説明図である。図７には、両側の２本の縦軸をそれぞれ電圧とシステム効率とし、横軸を電流として、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示すグラフＧ_I-Vの一例と、燃料電池１０の出力電流に対する燃料電池システム１００のシステム効率の変化を示すグラフＧ_I-eの一例とを図示してある。なお、グラフＧ_I-Vは、図４で説明したものと同様のグラフである。

燃料電池１０の出力電流に対する燃料電池システム１００のシステム効率は、そのピークが低電流領域に偏っている、上に凸の曲線グラフとして表される（グラフＧ_I-e）。ここで、本明細書において、「燃料電池システムのシステム効率」とは、燃料電池の出力電流に対して、その出力電流を燃料電池に出力させるために消費されるエネルギー量の少なさを表す指標として算出される数値である。

また、本明細書では、システム効率が所定の閾値ｅ_th（例えば５０％）以上となる領域で燃料電池１０に電流を出力させる運転を「高効率運転」と呼ぶ。一方、システム効率が所定の閾値ｅ_thより低くなる領域で燃料電池１０に電流を出力させる運転を「低効率運転」と呼ぶ。

図３で説明した制御部２０による通常の運転制御では、燃料電池１０に高負荷・高出力が要求される場合以外には、基本的に、高効率運転となる領域で、燃料電池１０に電流を出力させる。これに対して、触媒被毒対策処理におけるステップＳ１４０では、燃料電池１０に、要求出力に応じた出力電流より大きい電流を出力させることにより、あえて、低効率運転となる領域で、燃料電池１０に電流を出力させる。具体的には、以下の通りである。

触媒被毒対策処理部２１は、図３で説明した制御部２０による制御手順と同様な手順で、要求出力に対して目標電力Ｐｔを決定し、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性に基づき、目標電力Ｐｔに対する目標電流Ｉｔを取得する。そして、触媒被毒対策処理部２１は、目標電流Ｉｔに対して所定の電流増加量ΔＩ（ΔＩ＞０）を加算して、低効率運転制御となる領域に含まれる低効率目標電流Ｉｔ_leを取得する（Ｉｔ_le＝Ｉｔ＋ΔＩ）。

触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性（グラフＧ_I-V）に基づいて、低効率目標電流Ｉｔ_leを出力するために必要な燃料電池１０の目標電圧Ｖｔ_leを取得する。触媒被毒対策処理部２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、目標電圧Ｖｔ_leを燃料電池１０に出力させ、燃料電池１０に低効率目標電流Ｉｔ_leを出力させる。なお、要求出力に対して余る燃料電池１０の出力電力が二次電池８１に蓄電される。

触媒被毒対策処理部２１は、ステップＳ１３０，Ｓ１４０の運転制御を、所定の時間だけ継続した後、再び、ステップＳ１１０，Ｓ１２０において燃料電池１０の被毒劣化を検出する処理を実行する（破線矢印）。低効率運転制御によって、燃料電池１０の被毒劣化が回復している場合には、触媒被毒対策処理部２１は触媒被毒対策処理を終了し、制御部２０が通常の運転制御（図３）を再開する。

一方、燃料電池１０の被毒劣化が回復していない場合には、触媒被毒対策処理部２１は再びステップＳ１３０，Ｓ１４０の運転制御を、所定の時間だけ継続する。なお、ステップＳ１３０，Ｓ１４０の運転制御が繰り返されている間には、触媒被毒対策処理部２１は、運転者に、低効率運転制御であることが報知することが好ましい。

このように、低効率運転制御を実行することにより、通常の運転制御のときよりも、燃料電池１０の出力電流を増大させることができ、燃料電池１０の内部で生成される水分量を増大させることができる。従って、触媒に吸着している触媒毒を、その生成水により洗い流すことができ、触媒被毒の蓄積に起因して低下している燃料電池１０の発電性能を回復させることができる。

図８は、低効率運転制御による被毒劣化の回復効果を説明するための説明図である。本発明の発明者は、所定の度合いの被毒劣化を生じている燃料電池に、一定の出力電流密度（回復処理電流密度）の電流を出力させる発電を所定の時間だけ継続させた後に、所定の電流に対する電圧（回復電圧）を計測する実験を、回復処理電流密度を変えて行った。図８には、その実験結果を示すグラフが、縦軸を回復電圧とし、横軸を回復処理電流密度として図示してある。なお、図８のグラフＧａは、電流密度０．８Ａ／ｃｍ₂の電流に対して回復電圧を計測したときのグラフであり、グラフＧｂは、電流密度０．０５Ａ／ｃｍ₂の電流に対して回復電圧を計測したときのグラフである。

このように、回復処理電流密度が大きいほど、低電流領域（グラフＧｂ）においても高電流領域（グラフＧａ）においても、発電性能の回復の度合いが高くなった。これは、燃料電池における生成水量が多くなるほど、触媒被毒の解消効果がより高くなるためである。従って、触媒被毒対策処理（図５）における低効率運転制御（ステップＳ１４０）では、燃料電池１０に、より高い電流を出力させることが好ましい。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００であれば、燃料電池１０における被毒劣化を、他の発電性能の低下と区別して検出することができる。従って、被毒劣化に対する適切なメンテナンス処理を実行することができ、燃料電池１０の発電性能を確実に回復させることができる。

B．第２実施例：
図９は、本発明の第２実施例としての燃料電池システムにおいて、触媒被毒対策処理部２１によって実行される触媒被毒対策処理の実行手順を示すフローチャートである。図９は、ステップＳ１１０に換えて、ステップＳ１１１が設けられている点と、ステップＳ１２５が追加されている点以外は、図５とほぼ同じである。

なお、第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システムの構成と同様である（図１，図２）。また、第２実施例の燃料電池システムにおいて、制御部２０が実行する通常の運転制御の制御手順は、第１実施例で説明した制御手順と同様である（図３）。

ステップＳ１１１では、燃料電池１０における被毒劣化の検出に用いる燃料電池１０のＩ−Ｖ特性と、燃料電池１０における電流と抵抗との関係（Ｉ−Ｒ特性）とを検出する。具体的には、触媒被毒対策処理部２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、燃料電池１０の出力電流を挿引しつつセル電圧を計測することにより、燃料電池１０の現在のＩ−Ｖ特性を取得する。また、触媒被毒対策処理部２１は、同時に燃料電池１０におけるセル抵抗の変化を計測することにより、燃料電池１０の現在のＩ−Ｒ特性を取得する。

図１０は、ステップＳ１２０における被毒劣化の判定処理を説明するための説明図である。図１０には、ステップＳ１１１において取得される燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示すグラフＳ_I-Vの一例を実線で示し、Ｉ−Ｒ特性を示すグラフＳ_I-Rの一例を一点鎖線で図示してある。また、図１０には、参考例として、工場出荷時などの燃料電池１０の初期状態において取得される、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示すグラフＭ_I-Vを二点鎖線で図示してある。

本発明の発明者は、被毒劣化による燃料電池の発電特性を調べる実験を行い、次のような知見を得た。即ち、燃料電池において被毒劣化が生じている場合には、電流の増大に対して抵抗がほぼ変動していないにもかかわらず、電流の増大に対して電圧が略線形的に低下する電流領域において、電流に対する電圧の低下率が大きくなる。

そこで、ステップＳ１２０では、触媒被毒対策処理部２１は、以下の２つの条件（ａ），（ｂ）のいずれもが満たされているときに、燃料電池１０の被毒劣化を検出する。
（ａ）電流増大に対して電圧が略線形的に低下する電流領域（即ち、下記の式（１）が成立する電流領域）において、電流に対する電圧の低下率｜γ｜が所定の値｜γ_th｜より大きくなっている（｜γ｜＞｜γ_th｜）。
Ｖ＝γ・Ｉ＋α…（１）
Ｖ：電圧，Ｉ：電流，γ：０未満の定数，α：定数
（ｂ）前記の電流領域において、電流に対する抵抗の変動幅（Δｒ）が所定の許容範囲（ｒ₁〜ｒ₂）内に収まっている（ｒ₁≦Δｒ≦ｒ₂）。

ここで、燃料電池において触媒被毒以外の原因で発電性能の低下が生じている場合には、通常、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示すグラフは、全体がほぼ平行に低下したり、Ｉ−Ｒ特性の変化に応じて変化する。従って、上記の判定条件（ａ），（ｂ）のいずれもが満たされているときには、燃料電池１０の発電性能の低下が、触媒被毒に起因するものであると、特定することが可能である。

ところで、上記の判定条件（ａ）における「電流増加に対して電圧が略線形的に低下する電流領域」としては、具体的には、例えば、電流密度が０Ａ／ｃｍ²に近い低電流領域（より具体的には、０〜０．２Ａ／ｃｍ²の範囲の領域）であるものとしても良い。または、電流密度が１Ａ／ｃｍ²以上の高電流領域（より具体的には、電流密度が１．０〜２．０Ａ／ｃｍ²の範囲の領域）であるものとしても良い。

なお、触媒被毒対策処理に実行周期が比較的短い場合（例えば１日〜２日単位の実行周期である場合）には、高電流領域でのＩ−Ｖ特性を用いて判定することが好ましい。一方、実行周期が比較的長い場合（例えば週または月単位での実行周期である場合）には、低電流領域でのＩ−Ｖ特性を用いて判定することが好ましい。これによって、ステップＳ１２０の判定処理において、触媒被毒以外の原因による発電特性の変化の影響を低減することができ、判定精度を向上させることができる。

ステップＳ１２０（図９）において、燃料電池１０の被毒劣化が検出されなかった場合には、触媒被毒対策処理部２１は、触媒被毒対策処理を終了する。一方、燃料電池１０の被毒劣化が検出された場合には、触媒被毒対策処理部２１は、メンテナンス処理として、第１実施例で説明したのと同様な低効率運転制御を実行する（ステップＳ１３０，Ｓ１４０）。

ところで、燃料電池１０では、経年劣化などによって、燃料電池１０のセル抵抗が全体的に高くなるなど、Ｉ−Ｒ特性が不可逆的に変化してしまう場合がある。この場合には、Ｉ−Ｒ特性の不可逆的に変化によって、ステップＳ１２０の判定処理において、上記の判定条件（ｂ）が満たされなくなってしまう可能性がある。

そこで、ステップＳ１２５では、Ｉ−Ｒ特性の変化が検出された場合には、その変化に応じて、判定条件（ｂ）の許容範囲を更新する処理を実行する。これによって、より適切に、触媒被毒に起因する発電性能の低下を検出することが可能となる。

以上のように、第２実施例の燃料電池システムであっても、触媒被毒に起因する燃料電池１０の発電性能の低下を的確に検出することができ、その触媒被毒を解消するための適切な処理を実行することができる。また、第２実施例の燃料電池システムであれば、第１実施例の燃料電池システム１００とは異なり、Ｉ−Ｖ特性を取得する際に、反応ガスの供給量を調整する必要がないため、触媒被毒に起因する発電性能の低下をより簡易に検出することができる。

C．第３実施例：
図１１は、本発明の第３実施例としての燃料電池システムにおいて、触媒被毒対策処理部２１によって実行される触媒被毒対策処理の実行手順を示すフローチャートである。なお、第３実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成と同様である（図１，図２）。また、第３実施例の燃料電池システムにおいて、制御部２０が実行する通常の運転制御の制御手順は、第１実施例で説明した制御手順と同様である（図３）。

第３実施例の燃料電池システムでは、触媒被毒対策処理部２１は、第１実施例で説明したのと同様な第１の触媒被毒対策処理（図５）と、第２実施例で説明したのと同様な第２の触媒被毒対策処理（図９）とを、二次電池８１のＳＯＣに応じて適宜選択して実行する。二次電池８１のＳＯＣを基準として触媒被毒対策処理の種類を選択する理由は以下のためである。

燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を取得するためには、高電流（例えば２Ａ程度）まで電流を挿引する必要がある場合もある。これに対して、第１実施例で説明した燃料電池１０の極限Ｉ−Ｖ特性を取得するためには、比較的低い電流領域における電流の挿引によって取得が可能である。このように、極限Ｉ−Ｖ特性を用いた判定処理を実行する第１の触媒被毒対策処理と、通常のＩ−Ｖ特性を用いた判定処理を実行する第２の触媒被毒対策処理とでは、被毒劣化を検出する際に、燃料電池１０が出力する電力に差がある。

そのため、二次電池８１に十分な充電容量が確保できない場合には、燃料電池１０の出力電力が少ない第１の触媒被毒対策処理を実行することが望ましい。一方、二次電池８１に十分な充電容量が確保できる場合には、燃料電池１０の出力電力が多いが、反応ガスの供給量の調整を必要とせず、簡易に実行できる、第２の触媒被毒対策処理を実行することが望ましい。

そこで、第３実施例の燃料電池システムでは、触媒被毒対策処理部２１は、まず、ＳＯＣ検出部９３から現在の二次電池８１のＳＯＣを取得する（ステップＳ２００）。そして、二次電池８１のＳＯＣが所定の閾値以上である場合には、第１の触媒被毒対策処理（図５）を実行する（ステップＳ２２０）。一方、二次電池８１のＳＯＣが所定の閾値以上である場合には、第２の触媒被毒対策処理（図９）を実行する（ステップＳ２３０）。

以上のように、第３実施例の燃料電池システムであれば、二次電池８１のＳＯＣが高い場合であっても、触媒被毒対策処理の実行を確保することができる。また、燃料電池１０の被毒劣化を検出する際の燃料電池１０の出力電力を、二次電池８１に確実に蓄電することができ、システム効率が向上する。

D．第４実施例：
図１２は、本発明の第４実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図である。図１２は、制御部２０に時刻計測部２２としての機能が設けられている点と、温度検出部９４が設けられている点と、カソード排ガス循環系７０が設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、第４実施例の燃料電池システム１００Ａの電気的構成は、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである（図２）。

時刻検出部２２は、現在時刻を検出することができる。制御部２０は、燃料電池システム１００Ａが起動されるたびに、時刻計測部２２が検出する時刻を、起動開始時刻として記録する。温度検出部９４は、燃料電池１０の温度を検出して、制御部２０に出力する。なお、温度検出部９４は、燃料電池１０から排出される冷媒の温度に基づいて、燃料電池１０の温度を検出するものとしても良いし、燃料電池１０の本体の温度を直接的に計測するものとしても良い。

カソード排ガス循環系７０は、三方弁７１と、バイパス配管７２と、ポンプ７３と、を備える。三方弁７１は、カソード排ガス配管４１の調圧弁４３より上流側に取り付けられており、制御部２０によって、その開閉状態が制御される。バイパス配管７２は、三方弁７１に接続されるとともに、開閉弁３４の下流側において、カソードガス配管３１に接続され、カソード排ガス配管４１と、カソードガス配管３１とを連結する。ポンプ７３は、バイパス配管７２に設けられており、触媒被毒対策処理部２１の指令に応じて駆動する。

カソード排ガス循環系７０は、燃料電池システム１００Ａの運転停止後に、触媒被毒を解消するために実行される燃料電池１０のパージ処理に用いられる。パージ処理については後述する。なお、燃料電池システム１００Ａの運転中には、制御部２０は、三方弁７１によって、バイパス配管７２と、カソード排ガス配管４１との接続を遮断した状態に保持しておく。

図１３は、制御部２０が実行する燃料電池１０の運転制御の制御手順を示すフローチャートである。図１３は、ステップＳ５０に換えて、ステップＳ５１が設けられている点と、ステップＳ５，Ｓ７０，Ｓ８０が追加されている点以外は、図３とほぼ同じである。ステップＳ５では、制御部２０は、上述したように、燃料電池システム１００Ａの起動開始時刻を記録する。

その後、制御部２０は、第１実施例で説明したのと同様な燃料電池１０の通常の運転制御（ステップＳ１０，Ｓ２０）を、燃料電池システム１００Ａの運転終了まで繰り返し実行する。そして、その運転制御の実行中に、所定のタイミングで、触媒被毒対策処理部２１に、被毒劣化検出処理の実行を開始させる（ステップＳ５１）。

図１４は、第４実施例における被毒劣化検出処理の実行手順を示すフローチャートである。図１４は、ステップＳ１３０，Ｓ１４０に換えて、ステップＳ１５０，Ｓ１５１が設けられている点以外は、図５とほぼ同じである。被毒劣化検出処理では、触媒被毒対策処理部２１は、第１実施例における触媒被毒対策処理と同様に、極限Ｉ−Ｒ特性を取得し、その極限Ｉ−Ｒ特性を用いて、燃料電池１０における被毒劣化を検出する（ステップＳ１１０，Ｓ１２０）。

ステップＳ１５０，Ｓ１５１では触媒被毒対策処理部２１は、その検出結果を示す変数である触媒フラグを設定する。触媒被毒対策処理部２１は、被毒劣化を検出したときには、触媒被毒フラグを「ＯＮ」に設定し（ステップＳ１５０）、被毒劣化を検出しなかったときには、触媒被毒フラグを「ＯＦＦ」に設定する（ステップＳ１５１）。触媒被毒対策処理部２１は、触媒フラグを設定すると、被毒劣化検出処理を終了する。

制御部２０は、燃料電池システム１００Ａの運転終了時には、燃料電池１０の運転を終了させた後に、触媒フラグについての判定を実行する（図１３のステップＳ７０）。制御部２０は、触媒フラグが「ＯＦＦ」に設定されていた場合には、そのまま燃料電池システム１００Ａの運転を終了する。制御部２０は、触媒フラグが「ＯＮ」に設定されていた場合には、燃料電池１０において触媒被毒が著しく蓄積されているものとして、触媒被毒を解消するための触媒メンテナンス処理を、触媒被毒対策処理部２１に開始させる（ステップＳ８０）。

図１５は、触媒被毒対策処理部２１が実行する触媒メンテナンス処理の処理手順を示すフローチャートである。触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０の内部の残留水分が十分に凝縮して液水化するように、燃料電池１０の温度が所定の温度（例えば４０℃程度）まで低下するまで待機する（ステップＳ３００）。触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０の温度が所定の温度まで低下した場合には、ステップＳ３２０のパージ処理を開始する（ステップＳ３１０）。

また、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０の温度が所定の温度まで低下していない場合であっても、所定の時刻に到達したときには、ステップＳ３２０のパージ処理を開始する（ステップＳ３１０）。ここで、「所定の時刻」とは、システム起動のたびに記録されている起動開始時刻に基づいて算出した平均起動時刻までにステップＳ３２０のパージ処理が完了できるように、触媒被毒対策処理部２１が、逆算して、予め設定した時刻である。

ステップＳ３２０では、触媒被毒対策処理部２１は、カソード排ガス循環系７０（図１２）を用いたパージ処理を、所定の時間（例えば数時間）だけ実行する。具体的にパージ処理は以下のように実行される。触媒被毒対策処理部２１は、三方弁７１の開閉状態を制御して、カソードガス配管３１とカソード排ガス配管４１とが、バイパス配管７２を介して接続された状態とする。これによって、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドと排出用マニホールドとが接続されたカソード排ガスの循環経路が形成される。

触媒被毒対策処理部２１は、ポンプ７３を駆動させることにより、燃料電池１０に残留しているガスを燃料電池１０のバイパス配管７２を介して循環させて、燃料電池１０の内部をパージする。このパージによって、燃料電池１０のカソード側に残留している液水とともに、触媒毒を触媒から脱落させ、燃料電池１０の外部へと排出させることができる。従って、燃料電池１０における触媒被毒を解消することが可能である。

なお、燃料電池１０の温度が十分に低下した状態（ステップＳ３００）でパージ処理が実行された場合には、燃料電池１０の内部の水分が液水化して、燃料電池１０内部に十分な液水が存在する状態でパージ処理が実行されることになる。そのため、より確実に触媒毒を洗い流すことができ、触媒被毒の回復効果を向上させることができる。

図１６は、パージ処理の実行時間と、被毒劣化の回復の度合いとの関係を説明するための説明図である。図１６には、本発明の発明者が行った実験の実験結果を示すグラフを図示してある。本発明の発明者は、所定の度合いの被毒劣化を生じている燃料電池に対してパージ処理を行った後に、当該燃料電池に発電させ、所定の電圧に対する電流を計測する実験を、パージ処理の実行時間を変えて行った。なお、この実験におけるパージ処理では、カソード側に窒素ガスを供給し、アノード側に水素を供給した。

図１６のグラフに示されるように、実行時間ｔｄまでは、パージ処理の実行時間を長くするほど、燃料電池の性能回復の度合いが高くなった。しかし、実行時間ｔｄより長い時間、パージ処理を実行した場合には、パージ処理の実行時間を長くしても、燃料電池の性能回復の度合いは上下に変動するのみで、著しい向上を示さなかった。この実験結果から、触媒性能を回復するためのパージ処理の実行時間は、時間ｔｄに相当する時間に適切に設定することが好ましいことがわかる。

以上のように、第４実施例の燃料電池システム１００Ａであれば、燃料電池１０の運転中に、燃料電池の被毒劣化が検出された場合には、その運転終了後に、触媒被毒を回復するための触媒メンテナンス処理が適切に実行される。従って、燃料電池１０における被毒劣化によるシステム効率の低下が抑制される。

E．第５実施例：
図１７は本発明の第５実施例としての燃料電池システム１００Ｂの構成を示す概略図である。図１７は、カソード排ガス循環系７０が設けられていない点と、カソードガス供給系３０に、窒素ガス供給系７５が接続されている点以外は、図１２とほぼ同じである。なお、第５実施例の燃料電池システム１００Ｂの電気的構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図２）。

窒素ガス供給系７５は、窒素タンク７６と、接続配管７７と、三方弁７８とを備える。三方弁７８は、カソードガス配管３１のエアコンプレッサ３２の下流側に設けられている。窒素タンク７６は窒素ガスが封入されており、接続配管７７を介して三方弁７８に接続されている。この構成により、第５実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、エアコンプレッサ３２の駆動力を利用して、窒素タンク７６の窒素ガスを、空気に換えて、燃料電池１０のカソード側に供給することができる。

ここで、第５実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、制御部２０は、第４実施例の燃料電池システム１００Ａと同様な運転制御（図１３）を実行する。また、触媒被毒対策処理部２１が、第４実施例で説明したのと同様な手順で、被毒劣化検出処理と、触媒メンテナンス処理（図１４，図１５）とを実行する。

ただし、触媒被毒対策処理部２１は、触媒メンテナンス処理におけるパージ処理（図１５のステップＳ３２０）では、燃料電池１０の残留ガスの循環供給によるパージではなく、窒素ガス供給系７５の窒素ガスを用いたパージを実行する。具体的には、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０のカソード側に窒素ガスを供給するとともに、アノード側に水素を供給して、パージを実行する。

以上のように、第５実施例の燃料電池システム１００Ｂであっても、触媒性能を回復するための触媒メンテナンス処理が、燃料電池１０の運転終了後に適切に実行されるため、燃料電池１０の触媒被毒に起因する発電性能低下を回復させることができる。

F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

F1．変形例１：
上記第１実施例では、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池システム１００の運転中の所定のタイミングで、燃料電池１０の反応ガスの供給量を調整した上で、燃料電池１０の電流を挿引することにより、燃料電池１０の極限Ｉ−Ｖ特性を取得していた（図５のステップＳ１１０）。しかし、触媒被毒対策処理部２１は、極限Ｉ−Ｖ特性の取得のための反応ガスの供給量の調整処理や、燃料電池１０の電流の挿引処理を実行することなく、極限Ｉ−Ｖ特性を取得するものとしても良い。例えば、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０に対する反応ガスの供給を間欠的にＯＮ／ＯＦＦする、いわゆる間欠運転の実行時における燃料電池１０の電流・電圧（セル電圧）の計測値に基づいて、極限Ｉ−Ｖ特性を取得するものとしても良い。

F2．変形例２：
上記第１実施例では、触媒被毒対策処理部２１は、初期状態に対して電流に対する電圧の低下がほとんどない領域における第１の電流Ｉ₁に対する電圧ｖ₁と、初期状態に対して電流に対する電圧の低下が顕著に現れる領域における第２の電流Ｉ₂に対する電圧ｖ₂との差ΔＶを算出し、このΔＶが所定の閾値より大きいときに、触媒被毒の蓄積に起因する燃料電池１０の発電性能の低下を検出していた（ステップＳ１２０）。しかし、第１と第２の電流値Ｉ₁，Ｉ₂は、予め設定された任意の電流値であっても良い。ただし、第１の電流Ｉ₁を初期状態に対して電流に対する電圧の低下がほとんどない領域における電流値に設定し、第２の電流Ｉ₂を、初期状態に対して電流に対する電圧の低下が顕著に現れる領域における電流値に設定すれば、より高い精度で、被毒劣化を検出することができる。

F3．変形例３：
上記第２実施例では、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池システムの運転中の所定のタイミングで、燃料電池１０の電流を挿引することにより、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｒ特性を取得していた（図９のステップＳ１１１）。しかし、触媒被毒対策処理部２１は、燃料電池１０の電流の挿引を実行することなく、燃料電池１０の通常の運転中における電流・電圧（セル電圧）・抵抗（セル抵抗）の計測値から、Ｉ−Ｖ特性、Ｉ−Ｒ特性を取得するものとしても良い。

F4．変形例４：
上記第３実施例では、触媒被毒対策処理部２１は、二次電池８１のＳＯＣに基づいて、第１の触媒被毒対策処理と、第２の触媒被毒対策処理とを適宜、選択して実行していた。しかし、触媒被毒対策処理部２１は、他の基準に基づいて、第１の触媒被毒対策処理と、第２の触媒被毒対策処理とを適宜、選択して実行するものとしても良い。例えば、触媒被毒対策処理部２１は、水素タンク５２における水素の残量に基づいて、第１の触媒被毒対策処理と、第２の触媒被毒対策処理とを適宜、選択して実行するものとしても良い。

F5．変形例５：
上記第４実施例の燃料電池システム１００Ａでは、触媒被毒対策処理部２１は、被毒劣化検出処理（図１４）において、燃料電池１０における被毒劣化の検出方法として、第１実施例と同様な、極限Ｉ−Ｖ特性を用いた方法を実行していた。しかし、第４実施例の被毒劣化検出処理における被毒劣化の検出方法としては、第２実施例で説明した方法を適用するものとしても良いし、第３実施例のように、第１実施例の方法と第２実施例の方法とを適宜選択して実行するものとしても良い。

F6．変形例６：
上記第５実施例では、触媒メンテナンス処理におけるパージ処理において、カソード側に窒素ガスを供給し、アノード側に水素ガスを供給していた。しかし、触媒メンテナンス処理におけるパージ処理では、アノード側の水素ガスの供給を省略するものとしても良い。

F7．変形例７：
上記第４実施例および第５実施例では、燃料電池システム１００Ａ，１００Ｂの運転終了後に、触媒被毒対策処理部２１が、触媒被毒フラグに応じて、自動的に、触媒メンテナンス処理を実行していた。しかし、触媒被毒対策処理部２１による触媒メンテナンス処理は省略されるものとしても良い。この場合には、例えば、燃料電池システム１００Ａ，１００Ｂの定期的なメンテナンス作業において、作業者が、触媒被毒フラグの設定値を読み取り、その設定値に基づいて、触媒メンテナンス処理を実行するものとしても良い。なお、作業者が触媒メンテナンス処理としてパージ処理を実行する場合には、燃料電池１０のカソード側とアノード側に水素を供給するものとしても良い。この方法であれば、カソード側に供給された水素によってカソード電位を低下させることができ、効果的である。

１…電解質膜
２，３…電極
５…膜電極接合体
１０…燃料電池
１１…単セル
２０…制御部
２１…触媒被毒対策処理部
２２…時刻計測部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…圧力計測部
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
６７…圧力計測部
７０…カソード排ガス循環系
７１…三方弁
７２…バイパス配管
７３…ポンプ
７５…窒素ガス供給系
７６…窒素タンク
７７…接続配管
７８…三方弁
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
９０…電流計測部
９１…セル電圧計測部
９２…インピーダンス計測部
９３…ＳＯＣ検出部
９４…温度検出部
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池システム
２００…モータ
ＤＣＬ…直流配線

Claims (12)

1. 燃料電池システムであって、
   電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池と、
   前記燃料電池の電流と電圧との関係として表される前記燃料電池の発電特性を取得する発電特性検出部と、
   前記燃料電池の発電特性において、所定の電流の範囲内で検出される、電流の増大量に対する電圧の低下量が所定の閾値より大きいときに、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する制御部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   （ａ）前記燃料電池の発電特性において、それ以上電流を増大させても電圧が低下しなくなる電流の最大値を検出できるように、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給量を調整するガス供給量制御を実行し、
   （ｂ）前記ガス供給量制御の実行後に、前記燃料電池の発電特性を取得し、
   （ｃ）前記燃料電池の発電特性において、前記電流の最大値に所定の第１と第２の比率をそれぞれ乗算した第１と第２電流値に対して取得できる、第１と第２の電圧値の差の大きさが所定の閾値より大きいときに前記性能劣化が発生していると判定する、
   第１の被毒劣化検出処理を実行する、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の抵抗を検出する抵抗検出部を備え、
   前記制御部は、
   （ｉ）前記燃料電池の発電特性において、電圧が、前記所定の電流の範囲内において、所定の変化率よりも大きい変化率で略線形的に低下しており、かつ、
   （ｉｉ）前記発電特性を検出する際の、前記所定の電流の範囲内における前記燃料電池の抵抗の変化が、所定の許容範囲内で収まっているときに、前記性能劣化が発生していると判定する、
   第２の被毒劣化検出処理を実行する、燃料電池システム。
4. 請求項２および請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池の出力電力によって充電され、前記燃料電池とともに電力源として機能する二次電池と、
   前記二次電池の蓄電量を表す充電状態を検出する充電状態検出部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の運転中に、前記第１または第２の被毒劣化検出処理を実行し、
   前記制御部は、前記二次電池の蓄電量に応じて、前記第１と第２の被毒劣化検出処理のうちのいずれを実行するかを選択する、燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記性能劣化を検出した後に、前記触媒被毒を回復させるメンテナンス処理を実行する、燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、外部負荷の要求に応じて前記燃料電池の出力電流を制御する第１の制御を実行し、
   前記制御部は、前記第１の制御の実行中に前記性能劣化を検出した場合には、前記外部負荷の要求に応じた出力電流よりも大きい電流を前記燃料電池に出力させる第２の制御を、前記メンテナンス処理として実行する、燃料電池システム。
7. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の排ガスを、前記燃料電池に循環供給できる排ガス循環部を備え、
   前記メンテナンス処理は、前記燃料電池の運転終了後に、前記排ガス循環部によって、前記燃料電池に前記排ガスを循環させて、前記燃料電池の内部をパージする処理を含む、燃料電池システム。
8. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備え、
   前記メンテナンス処理は、前記燃料電池の運転終了後に、前記燃料電池に前記不活性ガスを供給し、前記燃料電池の内部をパージする処理を含む、燃料電池システム。
9. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）前記燃料電池の電流と電圧との関係として表される前記燃料電池の発電特性を取得する工程と、
   （ｂ）前記燃料電池の発電特性において、所定の電流の範囲内で検出される、電流の増大量に対する電圧の低下量が所定の閾値より大きいときに、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する工程と、
   を備える、制御方法。
10. 請求項９記載の燃料電池の制御方法であって、さらに、
    （ｃ）前記性能劣化の発生を検出した後に、前記触媒被毒を回復させるメンテナンス処理を実行する工程と、
    を備える、制御方法。
11. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池において、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する方法であって、
    （ａ）前記燃料電池の電流と電圧との関係として表される、前記燃料電池の発電特性において、それ以上電流を増大させても電圧が低下しなくなる電流の最大値を検出できるように、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給量を制御する工程と、
    （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記燃料電池の発電特性を取得する工程と、
    （ｃ）前記燃料電池の発電特性において、前記電流の最大値に所定の第１と第２の比率をそれぞれ乗算した第１と第２電流値に対して取得できる、第１と第２の電圧値の差の大きさが所定の閾値より大きいときに前記性能劣化が発生していると判定する工程と、
    を備える、方法。
12. 電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置され、燃料電池反応を促進する触媒を含む電極と、を有する燃料電池において、アイオノマーの分解物による触媒被毒に起因する性能劣化を検出する方法であって、
    （Ａ）前記燃料電池の発電特性を検出するとともに、前記燃料電池の電流に対する抵抗の変化を検出する工程と、
    （Ｂ）前記燃料電池の発電特性において、
    （ｉ）電圧が、所定の電流の範囲内において、所定の変化率よりも大きい変化率で略線形的に低下しており、かつ、
    （ｉｉ）前記所定の電流の範囲内における前記燃料電池の抵抗の変化が、所定の許容範囲内で収まっているときに、
    前記性能劣化が発生していると判定する工程と、
    を備える、方法。

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