JP7401849B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に被毒したセルの特性を回復させる技術に関する。

所謂燃料電池自動車（以下、ＦＣＶ(Fuel Cell Vehicle)ともいう）は、水素タンクに貯留した水素とＦＣＶの外部から取り込んだ空気中に含まれる酸素を用いて、燃料電池内の電極触媒の発電反応により走行する。この燃料電池には、空気の反応が起こる空気極及び水素の反応が起こる水素極を有している。また、いずれの電極も、電極触媒として主にＰｔが用いられている。そのため、空気極では取り込んだ空気中に含有される硫黄不純物により、水素極では燃料とする水素ガス製造時に混入される硫黄不純物またはＦＣの部材の分解により発生する硫黄不純物により被毒する虞がある。

このように硫黄不純物によって電極触媒が被毒すると、電極触媒の発電性能が低下するという問題がある。特に、温泉地や交通量の多い交差点付近やトンネル内では、空気中に含有される硫黄不純物の割合が比較的高いため、電極触媒の被毒が顕著である。
そこで、硫黄不純物によって被毒した電極触媒の硫黄を除去する（特性回復処理）方法として、電極触媒を高電位状態（約０．９Ｖ）にする事により酸化させて除去する技術が開発されている（特許文献１）。

特開２０１０－４０４２６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される技術では、電極触媒を高電位状態にするために燃料電池の出力を停止する必要がある。すなわち、燃料電池の出力を停止するとＦＣＶの駆動力等の出力が大きく低下するため、ＦＣＶが走行中である場合には、被毒した電極触媒の硫黄を除去できないという問題がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、特性回復処理を実行しつつ車両の走行性能の低下を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料を用いて発電する複数のセルを含む燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記複数のセルのうち少なくともひとつのセルを稼働させる稼働装置と、前記複数のセルのうち少なくともひとつのセルに、被毒状態を正常な状態に回復させる特性回復処理を実行する回復処理装置と、前記複数のセルのうち前記特性回復処理の実行が必要なセルである要回復セルを選択する要回復セル選択部と、前記複数のセルのうち前記要回復セル以外のセルの少なくともひとつのセルである稼働セルを選択する稼働セル選択部と、前記回復処理装置を制御して前記要回復セルに前記特性回復処理を実行する回復処理制御部と、前記稼働装置を制御して前記稼働セルを稼働させる稼働制御部と、を備えることを特徴とする。

これにより、燃料電池の複数のセルのうち、要回復セル選択部により設定した要回復セルに特性回復処理を実行しつつ、稼働セル選択部により設定した稼働セルを稼働することで、燃料電池による発電を停止することなく、要回復セルの被毒状態を回復させることが可能とされる。
その他の態様として、前記複数のセルそれぞれの電圧値を検出する電圧検出部を備え、前記要回復セル選択部は、前記複数のセルのうち前記電圧検出部によって検出される前記電圧値が所定値以下のセルを前記要回復セルとして選択するのが好ましい。

これにより、複数のセルのうち電圧検出部によって検出される電圧値が所定値以下のセルの特性回復処理を実行することで、被毒状態となることで電圧が低下したセルについて特性回復処理を実行可能とされる。
その他の態様として、前記複数のセルそれぞれの前記特性回復処理を最後にした時を記憶する記憶部を備え、前記要回復セル選択部は、前記複数のセルのうち前記記憶部に記憶される前記特性回復処理を最後にした時から一定時間経過したセルを前記要回復セルとして選択するのが好ましい。

これにより、複数のセルのうち記憶部に記憶される特性回復処理を最後にした時から一定時間経過したセルの特性回復処理を実行することで、経時的に被毒したセルの被毒を定期的に回復させることが可能とされる。
その他の態様として、前記回復処理制御部は、前記特性回復処理を開始してから所定時間が経過すると該特性回復処理を終了するのが好ましい。

これにより、特性回復処理を開始してから所定時間が経過すると特性回復処理を終了することで、簡単な構成にして特性回復処理の終了時期を設定可能とされる。
その他の態様として、前記複数のセルのそれぞれの電圧値を検出する電圧検出部を備え、前記回復処理制御部は、前記電圧検出部によって検出される前記電圧値に応じて前記所定時間を変更するのが好ましい。

これにより、電圧検出部によって検出される電圧値に応じて回復処理装置による特性回復処理をする時間を変更することで、電圧が低下した度合から被毒の度合を推定し、必要充分な特性回復処理を可能とされる。
その他の態様として、前記稼働セル選択部は、前記要回復セルのうち少なくともひとつのセルを前記稼働セルによって挟むよう該稼働セルを選択するのが好ましい。

これにより、要回復セルのうち少なくともひとつのセルを稼働セルによって挟むよう該稼働セルを選択することで、例えば稼働セルで発生する熱を利用して要回復セルを温めることや要回復セルで発生する熱を利用して稼働セルを温めることが可能とされる。
その他の態様として、前記燃料電池によって発電される電力を蓄電するバッテリを備え、前記燃料電池システムは、前記バッテリを介して電力を出力するのが好ましい。

これにより、燃料電池システムに備えられるバッテリを介して電力を出力することで、特性回復処理を実行することにより、一時的に燃料電池の出力が低下した場合であっても、バッテリに蓄電された電力を出力可能とされる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の複数のセルのうち、要回復セル選択部により設定した要回復セルに特性回復処理を実行しつつ、稼働セル選択部により設定した稼働セルを稼働したので、燃料電池による発電を停止することなく、要回復セルの被毒状態を回復させることができる。すなわち、特性回復処理を実行しつつ車両の走行性能の低下を抑制できる。

車両の概略構成図である。 燃料電池の構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの制御に係るＥＣＵの接続構成が示されたブロック図である。 ＥＣＵが実行する、本発明に係る燃料電池システムの制御手順のルーチンを示すフローチャートである。 要回復セル設定部が実行する、要回復セル設定制御の制御手順のルーチンを示すフローチャートである。 稼働セル設定部が実行する、稼働セル設定制御の制御手順のルーチンを示すフローチャートである。 回復処理制御部が実行する、回復処理制御の制御手順のルーチンを示すフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの制御による、電圧センサが検出する各セルの電圧の変化及びＳＯＣセンサが検出するバッテリのＳＯＣの変化の一例が示されたグラフを縦に並べた図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１を参照すると、車両１の概略構成図が示されている。車両１には、駆動輪３、従動輪５、モータ７、減速機９、駆動軸１１及び燃料電池システム１３が搭載されている。この車両１は、燃料電池システム１３から電力の供給を受けたモータ７が減速機９を介して駆動軸１１を回転させることで、駆動輪３を駆動して走行可能である。

すなわち、車両１は、水素燃料及び車両１外部の空気中に含まれる酸素から電気エネルギを生成する所謂ＦＣＶである。また、車両１は、バッテリ３１に蓄電した電力でモータ７を駆動して走行可能な所謂ハイブリット車でもある。
燃料電池システム１３は、燃料電池２１、水素タンク２３、コンプレッサ２５、バッテリ３１及びインバータ３３を備えている。燃料電池２１は、水素（燃料）と酸素とを結合させて水を生成する際に電気エネルギを生成（発電）可能な水素燃料電池である。なお、燃料電池２１の詳細な構成については後述する。

水素タンク２３は、水素を高圧下で貯蓄するタンクである。この水素タンク２３に貯蓄されている水素は、水素供給経路２３ａを介して燃料電池２１に供給される。また、燃料電池２１で消費されなかった水素は、水素排出経路２３ｂを介して再び水素タンク２３に貯蓄される。コンプレッサ２５は、車両１の外部から空気を吸引する吸引装置である。このコンプレッサ２５によって吸引された空気は、空気供給経路２５ａを介して燃料電池２１に供給される。

これにより、燃料電池２１は、水素タンク２３に貯蓄されている水素と車両１の外部からコンプレッサ２５によって吸引する空気内に含まれている酸素とを結合させることで発電できる。このように発電した燃料電池２１は、発電する際に生成された水である水蒸気や空気中に含まれる酸素以外の物質を空気排出経路２５ｂを介して車両１の外部に排出する。

バッテリ３１は、繰り返し充放電可能な、例えばリチウムイオン二次電池である。インバータ３３は、電圧を昇圧または降圧することや、交流電流から直流電流または直流電流から交流電流に変換可能な変換装置である。このインバータ３３は、モータ７、燃料電池２１及びバッテリ３１と通電可能に接続している。
これにより、インバータ３３は、燃料電池２１によって発電された直流電流の電力を昇圧または降圧してバッテリ３１に蓄電することや、バッテリ３１に蓄電された電力を三相交流電流に変換してモータ７に供給可能である。ゆえに、車両１は、燃料電池２１によって発電した電力をバッテリ３１に蓄電し、バッテリ３１に蓄電された電力を用いてモータ７を駆動して走行できる。

図２を参照すると、燃料電池２１の構成図が示されている。燃料電池２１には、第１セルＣ１、第２セルＣ２、第３セルＣ３及び第４セルＣ４（複数のセル）が一列に並べて配設されている。また、各セルは、アノード集電板４４、第１カソード集電板４５ａ、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄによって仕切られている。

第１セルＣ１は、アノードセパレータ４１とカソードセパレータ４２との間に膜電極接合体４３を挟むようにして構成されている。アノードセパレータ４１は、水素供給経路２３ａから供給される水素を膜電極接合体４３の接触する面に均一に拡散させる多孔質材料である。カソードセパレータ４２は、空気供給経路２５ａから供給される空気を膜電極接合体４３の接触する面に均一に拡散させる多孔質材料である。

膜電極接合体４３は、高分子電解質膜４３ａ、触媒層４３ｂ及びガス拡散層４３ｃを含んでいる。高分子電解質膜４３ａは、例えばプロトン交換膜やアニオン交換膜等の固体高分子膜である。触媒層４３ｂは、例えば多孔質の炭素膜に白金やパラジウムなどの貴金属の触媒を担持させて形成されている。この触媒層４３ｂは、高分子電解質膜４３ａの両面に配設されている。ガス拡散層４３ｃは、例えば導電性多孔質体やカーボン繊維で形成されており、水素や空気を拡散させることが可能である。このガス拡散層４３ｃは、触媒層４３ｂをさらに挟むように配設されている。

これにより、第１セルＣ１は、アノードセパレータ４１に供給された水素をガス拡散層４３ｃにて拡散させて均一に触媒層４３ｂ及び高分子電解質膜４３ａに供給し、カソードセパレータ４２に供給された空気をガス拡散層４３ｃにて拡散させて均一に触媒層４３ｂ及び高分子電解質膜４３ａに供給し、高分子電解質膜４３ａ及び触媒層４３ｂにて水素イオンと酸素イオンとを結合させて水を生成し、水蒸気として空気排出経路２５ｂから排出する。

このとき、水素を水素イオンに分解する際に発生する電子は、アノード集電板４４及びアノード側に延びるアノード電線４１Ｌを介してアノード側に移動し、カソードセパレータ４２内の酸素を酸素イオンに分解するために必要な電子は、第１カソード集電板４５ａ及びカソード側に延びるカソード電線４２Ｌを介してカソード側から供給される。これにより、膜電極接合体４３のアノード側から水素イオンが供給され、カソード側から酸素イオンが供給されて水素と酸素とを結合させることができる。また、このように第１セルＣ１内で水素と酸素とを結合させて水を生成することで、電子の移動が発生して発電できる。なお、第２セルＣ２、第３セルＣ３及び第４セルＣ４も同様の構成であるため、説明を省略する。

第１セルＣ１のアノードセパレータ４１には、水素供給経路２３ａから供給される水素の量を調整及び閉弁可能な第１水素供給弁５１ａが設けられている。また、アノードセパレータ４１には、水素排出経路２３ｂに排出される水素の量を調整及び閉弁可能な第１水素排出弁５１ｂが設けられている。同様に、第１セルＣ１のカソードセパレータ４２には、空気供給経路２５ａから供給される空気の量を調整及び閉弁可能な第１空気供給弁５１ｃが設けられている。

また、カソードセパレータ４２には、空気排出経路２５ｂに排出される空気の量を調整及び閉弁可能な第１空気排出弁５１ｄが設けられている。また、これら第１水素供給弁５１ａ、第１水素排出弁５１ｂ、第１空気供給弁５１ｃ及び第１空気排出弁５１ｄは、図示はしないが、後述するＥＣＵ８０と電気的に接続しており、それぞれの開閉を制御できる。

この第１水素供給弁５１ａ、第１水素排出弁５１ｂ、第１空気供給弁５１ｃ及び第１空気排出弁５１ｄをそれぞれ制御することで、アノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２の水素及び空気の流量を調整できる。このようにアノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２の水素及び空気の流量を調整することで、水素及び空気の流量を増加させて第１セルＣ１における発電を促進することや、アノードセパレータ４１に水素を供給することを停止してアノードセパレータ４１内の水素を消費できる。

なお、第２セルＣ２、第３セルＣ３及び第４セルＣ４にも同様に第２水素供給弁５２ａ、第２水素排出弁５２ｂ、第２空気供給弁５２ｃ及び第２空気排出弁５２ｄ、第３水素供給弁５３ａ、第３水素排出弁５３ｂ、第３空気供給弁５３ｃ及び第３空気排出弁５３ｄ並びに第４水素供給弁５４ａ、第４水素排出弁５４ｂ、第４空気供給弁５４ｃ及び第４空気排出弁５４ｄが設けられており、同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。また、説明の便宜上、上記供給弁５１ａ、５１ｃ、５２ａ、５２ｃ、５３ａ、５３ｃ、５４ａ、５４ｃ、及び上記排出弁５１ｂ、５１ｄ、５２ｂ、５２ｄ、５３ｂ、５３ｄ、５４ｂ、５４ｄを総じて制御弁５０ともいう。

第１セルＣ１と第２セルＣ２とを仕切る第１カソード集電板４５ａは、第１カソードスイッチ６１を介してカソード電線４２Ｌに接続している。第１カソードスイッチ６１は、通電（ＯＮ）または絶縁（ＯＦＦ）に切り替えることが可能なスイッチである。換言すると、第１カソードスイッチ６１は、ＯＮにすることで第１セルＣ１の電位を下げるとともにカソード電線４２Ｌに放電でき、ＯＦＦにすることで、第１セルＣ１の電位が下がることを抑制できる。

この第１カソードスイッチ６１は、後述するＥＣＵ８０と電気的に接続しており、制御できる。なお、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄからカソード電線４２Ｌに接続する第２カソードスイッチ６２、第３カソードスイッチ６３及び第４カソードスイッチ６４についても同様の構成であるため、説明を省略する。また、説明の便宜上、第１カソードスイッチ６１、第２カソードスイッチ６２、第３カソードスイッチ６３及び第４カソードスイッチ６４を総じてカソード出力スイッチ６０ともいう。

アノード集電板４４は、第１スイッチ６１と同様の第１アノードスイッチ６６を介してアノード電線４１Ｌに接続している。第１アノードスイッチ６６は、通電（ＯＮ）または絶縁（ＯＦＦ）に切り替えることが可能なスイッチである。換言すると、第１アノードスイッチ６６は、ＯＮにすることで第１セルＣ１の電位を下げるとともにアノード電線４１Ｌに放電でき、ＯＦＦにすることで、第１セルＣ１の電位が下がることを抑制できる。

この第１アノードスイッチ６６は、後述するＥＣＵ８０と電気的に接続しており、制御できる。なお、第１カソード集電板４５ａ、第２カソード集電板４５ｂ及び第３カソード集電板４５ｃからアノード電線４１Ｌに接続する第２アノードスイッチ６７、第３アノードスイッチ６８及び第４アノードスイッチ６９についても同様の構成であるため、説明を省略する。また、説明の便宜上、第１アノードスイッチ６６、第２アノードスイッチ６７、第３アノードスイッチ６８及び第４アノードスイッチ６９を総じてアノード出力スイッチ６５ともいう。

このように、燃料電池２１は、アノード集電板４４、第１カソード集電板４５ａ、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄにカソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５が配設されることにより、例えば第１カソードスイッチ６１及び第１アノードスイッチ６６をＯＮにし、その他のカソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５をＯＦＦにするようにして、稼働するセル（後述する稼働セルＣｄ）を選択的に稼働させることができる。

第１カソード集電板４５ａと第１スイッチ６１との間には、第１電圧センサ７１が配設されている。第１電圧センサ７１は、第１カソード集電板４５ａからカソード電線４２Ｌに通電する電流の電圧値を検出するセンサである。なお、第２カソード集電板４５ｂ、第３カソード集電板４５ｃ及び第４カソード集電板４５ｄからカソード電線４２Ｌに接続する第２電圧センサ７２、第３電圧センサ７３及び第４電圧センサ７４についても同様の構成であるため、説明を省略する。また、説明の便宜上、第１電圧センサ７１、第２電圧センサ７２、第３電圧センサ７３及び第４電圧センサ７４を総じて電圧センサ（電圧検出部）７０ともいう。

図１に戻り、バッテリ３１には、ＳＯＣセンサ７５が配設されている。このＳＯＣセンサ７５は、バッテリ３１の充電率であるＳＯＣ(State of Charge)を検出可能なセンサである。
図３を参照すると、本発明に係る燃料電池システム１３の制御に係るＥＣＵ８０の接続構成がブロック図で示されている。

ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１３の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。このＥＣＵ８０の入力側には、電圧センサ７０及びＳＯＣセンサ７５が電気的に接続している。これにより、電圧センサ７０からは各セルそれぞれの電圧値に関する情報が入力され、ＳＯＣセンサ７５からはバッテリ３１のＳＯＣに関する情報が入力される。

一方、ＥＣＵ８０の出力側には、制御弁５０（後述する５０Ｄ及び５０Ｃ）、カソード出力スイッチ６０（後述する６０Ｄ及び６０Ｃ）及びアノード出力スイッチ６５（後述する６５Ｄ及び６５Ｃ）が電気的に接続している。これにより、制御弁５０を制御することで、各セルの水素及び空気の供給や排出を制御でき、カソード出力スイッチ６０及びアノード出力スイッチ６５を制御することで、各セルからの放電を調整して各セルの電位をそれぞれ調整できる。

また、ＥＣＵ８０には、要回復セル設定部（要回復セル選択部）８１、稼働セル設定部（稼働セル選択部）８２、計時部８３、記憶部８４、稼働制御部８５及び回復処理制御部８６が設けられている。要回復セル設定部８１は、電圧センサ７０から入力される各セルそれぞれの電圧値に関する情報に基づいて、後述する要回復セル設定制御を実行し、要回復セルＣｃを設定する設定部である。

ここで、要回復セルＣｃとは、例えばセル内の膜電極接合体４３における特に触媒層４３ｂ内に含まれる白金が、空気中に含まれる硫黄等と化合して硫化白金となり、発電性能が低下した状態（以下、硫黄被毒状態という。）のセルのことである。この硫黄被毒状態のセルは、発電性能が低下しているため、正常なセルと比較して電圧値が低いという特性を有している。

稼働セル設定部８２は、ＳＯＣセンサ７５から入力されるバッテリ３１のＳＯＣに関する情報及び要回復セル設定部８１によって設定される要回復セルＣｃに基づいて、後述する稼働セル設定制御を実行し、稼働セルＣｄを設定する設定部である。ここで、稼働セルＣｄとは、要回復セルＣｃ以外のセルのうち少なくともひとつのセルのことであり、後述するように、単数の場合もあれば複数の場合もある。

計時部８３は、時間の経過を計時するタイマである。記憶部８４は、ＥＣＵ８０内の各種情報を記憶するメモリである。稼働制御部８５は、稼働セル設定部８２によって設定された稼働セルＣｄの制御弁（稼働装置）５０Ｄ、カソード出力スイッチ（稼働装置）６０Ｄ及びアノード出力スイッチ（稼働装置）６５Ｄを制御する制御部である。回復処理制御部８６は、要回復セル設定部８１によって設定された要回復セルＣｃの制御弁（回復処理装置）５０Ｃ、カソード出力スイッチ（回復処理装置）６０Ｃ及びアノード出力スイッチ（回復処理装置）６５Ｃを制御する制御部である。

図４を参照すると、ＥＣＵ８０が実行する、本発明に係る燃料電池システム１３の制御手順を示すルーチンがフローチャートで示されており、以下、同フローチャートに沿い説明する。まず、全体的な流れとして、ステップＳ１０では、要回復セル設定部８１により、要回復セル設定制御を実行することで、上記した要回復セルＣｃを設定する。その後、ステップＳ２０では、稼働セル設定部８２により、稼働セル設定制御を実行することで、上記した稼働セルＣｄを設定する。そして、ステップＳ３０では、稼働セルＣｄの稼働をしつつ、要回復セルＣｃの硫黄被毒状態を回復させる回復処理制御（特性回復処理）を実行し、本ルーチンを繰り返し実行する。

これにより、複数のセルのうち、要回復セルＣｃと稼働セルＣｄとをそれぞれ設定し、稼働セルＣｄの稼働をしつつ、要回復セルＣｃの硫黄被毒状態を回復させることで、燃料電池２１による発電を停止することなく、要回復セルＣｃを硫黄被毒状態から回復させることができる。
図５を参照すると、要回復セル設定部８１が実行する、要回復セル設定制御の制御手順を示すルーチンがフローチャートで示されている。ステップＳ１１では、回復処理制御（ステップＳ３０）によって硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過したセルがあるか否かを判別する。ステップＳ１１の判別結果が真（Ｙｅｓ）で硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過したセルがあると判別した場合には、ステップＳ１４に移行し、この一定時間経過したセル（該当するセル）を要回復セルＣｃとして設定したあと、ステップＳ１６に以降する。ステップＳ１６では、要回復セルＣｃの電圧値を記憶部８４に記憶させて要回復セル設定制御を終了する。一方、ステップＳ１１の判別結果が偽（Ｎｏ）で硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過したセルがないと判別した場合には、ステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、電圧センサ７０から入力される各セルそれぞれの電圧値に関する情報に基づき、電圧値が所定値以下のセルがあるか否かを判別する。ステップＳ１１の判別結果が偽（Ｎｏ）で電圧値が所定値以下のセルがないと判別した場合には、要回復セル設定制御及び燃料電池システム１３の制御（図４のフロー）を終了する。一方、ステップＳ１１の判別結果が真（Ｙｅｓ）で電圧値が所定値以下のセルがあると判別した場合には、ステップＳ１５に移行し、最も電圧値が低いセルを要回復セルＣｃとして設定してステップＳ１７に以降する。ステップＳ１７では、要回復セルＣｃの電圧値を記憶部８４に記憶させて要回復セル設定制御を終了する。

このように、ステップＳ１１～ステップＳ１５では、硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過し再び硫黄被毒状態にあると推定されるセルを要回復セルＣｃとして設定し（ステップＳ１１でＹｅｓ、ステップＳ１４）、硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過していない場合であっても（ステップＳ１１でＮｏ）電圧値が所定値以下であり硫黄被毒状態にあると推定されるセルを要回復セルＣｃとして設定できる（ステップＳ１２でＹｅｓ、ステップＳ１５）。また、電圧値が所定値以下のセルがない場合は（ステップＳ１２でＮｏ）、硫黄被毒状態にあると推定されるセルがないと推定し、要回復セル設定制御及び燃料電池システム１３の制御を終了する。

これにより、ステップＳ１０の要回復セル設定制御では、回復処理制御（ステップＳ３０）によって硫黄被毒状態から回復させる必要があるセルを的確に推定し、要回復セルＣｃとして設定できる。
図４に戻り、ステップＳ１０の要回復セル設定制御で要回復セルＣｃを設定すると、ステップＳ２０に移行し、稼働セル設定制御を実行する。

図６を参照すると、稼働セル設定部８２が実行する、稼働セル設定制御の制御手順を示すルーチンがフローチャートで示されている。ステップＳ２１では、ＳＯＣセンサ７５から入力されるバッテリ３１のＳＯＣに関する情報に基づき、バッテリ３１のＳＯＣが一定値（例えば５０％）以上か否かを判別する。ステップＳ２１の判別結果が真（Ｙｅｓ）でバッテリ３１のＳＯＣが一定値以上であると判別するとステップＳ２２に移行し、ステップＳ２１の判別結果が偽（Ｎｏ）でバッテリ３１のＳＯＣが一定値未満であると判別するとステップＳ２３に移行する。

ステップＳ２２では、要回復セルＣｃと近接する少なくともひとつのセルを稼働セルＣｄとして設定して稼働セル設定制御を終了する。ここで、要回復セルＣｃと近接する少なくともひとつのセルとは、図２によると、例えば要回復セルＣｃが第２セルＣ２である場合は、第１セルＣ１及び第３セルＣ３のことであり、要回復セルＣｃが第１セルＣ１である場合は、第２セルＣ２のことである。

これにより、要回復セルＣｃと近接するセルを稼働させる際に発生する熱を利用して回復処理制御を良好に実行できる。なお、要回復セルＣｃが第２セルＣ２である場合であれば、第１セルＣ１または第３セルＣ３のいずれか一方のみを稼働セルＣｄとして設定してもよく、要回復セルＣｃが第１セルＣ１である場合であれば、第２セルＣ２及び第４セルＣ４を稼働セルＣｄとして設定してもよく、各セルの排熱性や車両１の運転手による要求トルクに応じて要回復セルＣｃ以外のセルであればその他のセルを稼働セルＣｄとして適宜設定してもよい。

一方、ステップＳ２３では、要回復セルＣｃ以外のセルすべてを稼働セルＣｄとして設定して稼働セル設定制御を終了する。これにより、要回復セルＣｃについて回復処理制御を実行する間の発電を要回復セルＣｃ以外のすべてのセルで補うことができる。図４に戻り、ステップＳ２０の稼働セル設定制御で稼働セルＣｄを設定したあと、ステップＳ３０に移行し、回復処理制御を実行する。

図７を参照すると、回復処理制御部８６が実行する、回復処理制御の制御手順を示すルーチンがフローチャートで示されている。ステップＳ３１では、要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃをすべて開弁（例えば要回復セルＣｃが第１セルＣ１であれば、第１水素供給弁５１ａ、第１水素排出弁５１ｂ、第１空気供給弁５１ｃ及び第１空気排出弁５１ｄを開弁）し、要回復セルＣｃのカソード出力スイッチ６０Ｃ及びアノード出力スイッチ６５ＣをＯＦＦ（例えば要回復セルＣｃが第１セルＣ１であれば、第１カソードスイッチ６１及び第１アノードスイッチ６５をＯＦＦ）にし、ステップＳ３２に移行する。

ここで、上記したように、カソード出力スイッチ６０Ｃ及びアノード出力スイッチ６５ＣをＯＦＦにすると、要回復セルＣｃの電位が下がることを抑制できる。また、要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃをすべて開弁することで、水素及び空気の流量を増加させて要回復セルＣｃにおける発電を促進できる。これにより、ステップＳ３１により、要回復セルＣｃの電位を高めることができる。

ステップＳ３２では、計時部８３による計時に基づき、ステップＳ３１により要回復セルＣｃの電位を高めることを開始してから設定時間Ａ（所定時間）を経過したか否かを判別する。ここで、設定時間Ａとは、要回復セル設定制御のステップＳ１６またはステップＳ１７で記憶部８４に記憶した要回復セルＣｃの電圧値を基に、要回復セルの電圧値Ｃｃが所定値より低ければ低いほど設定時間Ａを長時間に設定し、要回復セルの電圧値が所定値より高ければ高いほど設定時間Ａを短時間に設定する。ステップＳ３２では、判別結果が偽（Ｎｏ）で設定時間Ａを経過していないと判別する間はステップＳ３２を繰り返し実行し、判別結果が真（Ｙｅｓ）で設定時間Ａを経過したと判別すると、ステップＳ３３に移行する。

ステップＳ３３では、要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃをすべて閉弁（例えば要回復セルＣｃが第１セルＣ１であれば、第１水素供給弁５１ａ、第１水素排出弁５１ｂ、第１空気供給弁５１ｃ及び第１空気排出弁５１ｄを閉弁）し、要回復セルＣｃのカソード出力スイッチ６０Ｃ及びアノード出力スイッチ６５ＣをＯＮ（例えば要回復セルＣｃが第１セルＣ１であれば、第１カソードスイッチ６１及び第１アノードスイッチ６５をＯＮ）にし、回復処理制御及び燃料電池システム１３の制御を終了する。このように、制御弁５０Ｃをすべて閉弁してカソード出力スイッチ６０Ｃ及びアノード出力スイッチ６５ＣをＯＮにすることで、要回復セルＣｃの電位が高いまま放電して膜電極接合体４３が劣化することを抑制できる。

このように、回復処理制御では、ステップＳ３１により要回復セルＣｃの電位を高めた状態を設定時間Ａの間維持することで（ステップＳ３２）、要回復セルＣｃを硫黄被毒状態から回復させることができる。また、要回復セルＣｃの電圧値を基に設定時間Ａを設定することで、要回復セルＣｃの硫黄被毒の度合に応じて要回復セルＣｃの電位を高めた状態を維持する時間を長くできる。

この回復処理制御を実行している間、稼働制御部８５は、稼働セル設定部８２により設定された稼働セルＣｄを適宜稼働させることで稼働セルＣｄによりバッテリ３１の充電をできる。
図８を参照すると、本発明に係る燃料電池システム１３の制御による、電圧センサ７０が検出する各セルの電圧の変化及びＳＯＣセンサ７５が検出するバッテリ３１のＳＯＣの変化の一例がグラフを縦に並べた図が示されている。以下、主に図８に沿いつつ、本発明に係る燃料電池システム１３の制御による作用効果を説明する。

各セルは、上記したように、発電をするにつれて空気中の硫黄により白金が硫化し、発電性能が低下する。したがって、各セルは、稼働時間が長くなるにつれて電圧が低下する。第１時期Ｔ１のとき、第２電圧センサ７２により、第２セルＣ２の電圧値が所定値（所定値以下）となることを検出する（図５のステップＳ１２でＹｅｓ）。このように、第２電圧センサ７２を用いることで、第２セルＣ２が硫黄被毒状態であることを検出し、第２セルＣ２を要回復セルＣｃとして設定できる（ステップＳ１５）。このように要回復セルＣｃとして設定された第２セルＣ２は、回復処理制御により硫黄被毒状態から回復する（ステップＳ３１～Ｓ３３）。

また、第１時期Ｔ１のとき、バッテリ３１のＳＯＣが一定値未満であるため（図６ステップＳ２１でＮｏ）、稼働セル設定制御により、第２セルＣ２以外のセルである、第１セルＣ１、第３セルＣ３及び第４セルＣ４を稼働セルＣｄとして設定できる（ステップＳ２３）。
ここで、第２セルＣ２は、回復処理制御のステップＳ３１により第２スイッチ６２がＯＦＦであるため、放電できない（ステップＳ３１）。一方で、第２セルＣ２以外のセルを稼働セルＣｄとすることにより、稼働制御部８５が第１セルＣ１、第３セルＣ３及び第４セルＣ４を稼働させて発電し、バッテリ３１に電力を供給できる。

図８によると、第２セルＣ２は、回復処理制御により、第１時期Ｔ１から第２時期Ｔ２までの間（第２セル回復期間）、発電しない。このような第２セル回復期間に車両１が走行等することによりバッテリ３１に蓄電された電力は消費される。一方で、稼働制御部８５は、第１セルＣ１、第３セルＣ３及び第４セルＣ４を稼働させて発電し、バッテリ３１に電力を供給することで、バッテリ３１のＳＯＣが低下することを抑制できる。

これにより、車両１の走行性能の低下を抑制しつつ、第２セルＣ２の回復処理制御を実行できる。なお、第２セルＣ２の回復処理制御を一例として説明したが、第１セルＣ１、第３セルＣ３及び第４セルＣ４の回復処理制御を実行する場合も同様である。
第２セル回復期間の経過後、第３時期Ｔ３から第４時期Ｔ４までの間（第１セル回復期間）、第２セル回復期間と同様に、第１セルＣ１の回復処理制御を実行する。ここで、第１セル回復期間と第２セル回復期間との各制御の違いは、第１セル回復期間の始期である第３時期Ｔ３のとき、第１セルＣ１の電圧値が所定値より大きい点、第２セル回復期間と比較して第１セル回復期間が短い点及びバッテリ３１のＳＯＣが一定値以上である点にある。

第３時期Ｔ１のとき、第１セルＣ１が硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過したと判別し（図５のステップＳ１１でＹｅｓ）、第１セルＣ１を要回復セルＣｃとして設定し（ステップＳ１４）、第１セルＣ１の電圧値を記憶部８４に記憶させる（ステップＳ１６）。このように、硫黄被毒状態から回復してから一定時間経過したセルを要回復セルＣｃと設定して（ステップＳ１４）回復処理制御（ステップＳ３０）を実行することで、いずれのセルも電圧値が所定値より大きい場合であっても、各セルに回復処理制御を定期的に実行できる（ステップＳ１５）。

また、第１セルＣ１の電圧値を記憶部８４に記憶させ（ステップＳ１６）、第１セルＣ１の電圧値が所定値より高ければ高いほど設定時間Ａを短時間に設定することで（図７のステップＳ３２）、回復処理制御に要する時間を低減する、換言すると、第２セル回復期間と比較して第１セル回復期間を短くできる。
さらに、稼働セル設定制御（ステップＳ２０）の際、バッテリ３１のＳＯＣが一定値以上であることを判別し（ステップＳ２１でＹｅｓ）、第１セルＣ１と近接する第２セルＣ２及び任意のセルとして第３セルＣ３を稼働させることで、第２セルＣ２が発電する際に生じる熱を第１セルＣ１に伝達させて回復処理の効率を向上させることや、回復処理制御によって発熱する第１セルＣ１の熱を利用して第２セルＣ２を温めることができる。また、バッテリ３１のＳＯＣが一定値以上のときは、車両１が減速する際に発電する所謂回生ブレーキによってバッテリを発電することが考えられる。

したがって、第４セルＣ４を休止させて第２セルＣ２及び第３セルＣ３のみ稼働するようにしてバッテリ３１のＳＯＣが低下することを抑制しつつ、バッテリ３１が満充電になることを抑制できる。
第１セル回復期間の経過後、第５時期Ｔ５から第６時期Ｔ６までの間（第３セル回復期間）、第２セル回復期間と同様に、第３セルＣ３の回復処理制御を実行する。ここで、第１セル回復期間と第３セル回復期間との各制御の違いは、第３セル回復期間の始期である第５時期Ｔ５のとき、バッテリ３１のＳＯＣが一定値以上である点にある。

第１セル回復期間の際の説明のように、稼働セル設定制御（ステップＳ２０）の際、バッテリ３１のＳＯＣが一定値以上であることを判別し（ステップＳ２１でＹｅｓ）、第３セルＣ３と近接するセルを稼働させる。ここで、第３セルＣ３に隣接するセルは、第２セルＣ２及び第４セルＣ４である（図２参照）。したがって、第１セルＣ１を休止させて第２セルＣ２及び第４セルＣ４をさせることで、第２セルＣ２及び第４セルＣ４が発電する際に生じる熱を第３セルＣ３に伝達させて回復処理の効率を向上させることや、回復処理制御によって発熱する第３セルＣ３の熱を利用して第２セルＣ２及び第４セルＣ４を温めることができる。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システム１３では、水素を用いて発電する複数のセルＣ１～Ｃ４を含む燃料電池２１を有する燃料電池システム１３であって、複数のセルのうち少なくともひとつのセルを稼働させる稼働セルＣｄの制御弁５０Ｄ及びカソード出力スイッチ６０Ｄ及びアノード出力スイッチ６５Ｄと、複数のセルのうち少なくともひとつのセルに、硫黄被毒状態を正常な状態に回復させる回復処理を実行する要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃ、カソード出力スイッチ６０Ｃ及びアノード出力スイッチ６５Ｃと、複数のセルのうち回復処理の実行が必要なセルである要回復セルＣｃを選択する要回復セル設定部８１と、複数のセルのうち要回復セルＣｃ以外のセルの少なくともひとつのセルである稼働セルＣｄを選択する稼働セル設定部８２と、要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃを制御して要回復セルＣｃに回復処理を実行する回復処理制御部８６と、稼働セルＣｄの制御弁５０Ｄを制御して稼働セルＣｄを稼働させる稼働制御部８５と、を備える。

従って、燃料電池２１の複数のセルのうち、要回復セル設定部８１により設定した要回復セルＣｃに回復処理を実行しつつ、稼働セル設定部８２により設定した稼働セルＣｄを稼働するようにしたので、燃料電池２１による発電を停止することなく、要回復セルＣｃの硫黄被毒状態を回復させることができる。
そして、複数のセルそれぞれの電圧値を検出する電圧センサ７０を備え、要回復セル設定部８１は、複数のセルのうち電圧センサ７０によって検出される電圧値が所定値以下のセルを要回復セルＣｃとして選択し、回復処理を実行するようにしたので、硫黄被毒状態となることで電圧が低下したセルについて回復処理を実行できる。

そして、複数のセルそれぞれの回復処理を最後にした時を記憶する記憶部８４を備え、要回復セル設定部８１は、複数のセルのうち記憶部８４に記憶される回復処理を最後にした時から一定時間経過したセルを要回復セルＣｃとして選択し、回復処理を実行するようにしたので、経時的に硫黄被毒したセルの硫黄被毒を定期的に回復させることができる。
そして、回復処理制御部８６は、回復処理を開始してから設定時間Ａが経過すると該回復処理を終了するようにしたので、簡単な構成にして回復処理の終了時期を設定できる。

また、複数のセルのそれぞれの電圧値を検出する電圧センサ７０を備え、回復処理制御部８６は、電圧センサ７０によって検出される電圧値に応じて設定時間Ａを変更するようにしたので、電圧が低下した度合から硫黄被毒の度合を推定し、必要充分な回復処理をできる。
そして、稼働セル設定部８２は、要回復セルＣｃのうち少なくともひとつのセルを稼働セルＣｄによって挟むよう該稼働セルＣｄを選択するようにしたので、例えば稼働セルＣｄで発生する熱を利用して要回復セルＣｃを温めることや要回復セルＣｃで発生する熱を利用して稼働セルＣｄを温めることができる。

そして、燃料電池２１によって発電される電力を蓄電するバッテリ３１を備え、燃料電池システム１３は、バッテリ３１を介して電力を出力するようにしたので、回復処理を実行することにより、一時的に燃料電池２１の出力が低下した場合であっても、バッテリ３１に蓄電された電力を出力できる。
以上で本発明に係る燃料電池システムの説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、本実施形態では、本発明に係る燃料電池システム１３をＦＣＶである車両１に搭載するようにしたが、鉄道車両や船舶、飛行体に使用するようにしてもよい。
また、本実施形態では、硫黄被毒したセルの特性回復について説明したが、一酸化炭素による被毒に対する特性回復であってもよく、セルの特性を回復させるために当該セルからの放電を停止させる場合に適用可能な技術である。

また、本実施形態では、硫黄被毒の回復処理制御として、要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃをすべて開弁することで水素及び空気の流量を増加させて要回復セルＣｃにおける発電を促進して電位を高めるようにしたが（ステップＳ３１）、例えばアノードセパレータ４１に酸素を、カソードセパレータ４２に水素をそれぞれ供給可能な回路を別途設け、先に要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃをすべて閉弁してアノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２内の水素及び酸素を消費したあと、アノードセパレータ４１に酸素を、カソードセパレータ４２に水素をそれぞれ供給してアノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２の特性を回復させるようにしてもよい。

また、上記のように、先に要回復セルＣｃの制御弁５０Ｃをすべて閉弁してアノードセパレータ４１及びカソードセパレータ４２内の水素及び酸素を消費してから、アノードセパレータ４１に酸素を、カソードセパレータ４２に水素をそれぞれ供給することで、逆電流が発生して膜電極接合体４３の触媒層４３ｂが劣化することを抑制できる。
また、本実施形態では、各フローを用いて制御態様を説明したが、これらフローの順番は一例であり、本発明を実施可能な程度に順番を入れ替えるようにしてもよい。

１ 車両
１３ 燃料電池システム
２１ 燃料電池
５０Ｃ 要回復セルの制御弁（回復処理装置）
５０Ｄ 稼働セルの制御弁（稼働装置）
６０Ｃ 要回復セルのカソード出力スイッチ（回復処理装置）
６０Ｄ 稼働セルのカソード出力スイッチ（稼働装置）
６５Ｃ 要回復セルのアノード出力スイッチ（回復処理装置）
６５Ｄ 稼働セルのアノード出力スイッチ（稼働装置）
７０ 電圧センサ（電圧検出部）
８１ 要回復セル設定部（要回復セル選択部）
８２ 稼働セル設定部（稼働セル選択部）
８５ 稼働制御部
８６ 回復処理制御部
Ｃｃ 要回復セル
Ｃｄ 稼働セル

Claims (7)

1. 燃料を用いて発電する複数のセルを含む燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記複数のセルのうち少なくともひとつのセルを稼働させる稼働装置と、
   前記複数のセルのうち少なくともひとつのセルに、被毒状態を正常な状態に回復させる回復処理を実行する回復処理装置と、
   前記複数のセルのうち前記回復処理の実行が必要なセルである要回復セルを選択する要回復セル選択部と、
   前記複数のセルのうち前記要回復セル以外のセルの少なくともひとつのセルである稼働セルを選択する稼働セル選択部と、
   前記回復処理装置を制御して前記要回復セルに前記回復処理を実行する回復処理制御部と、
   前記稼働装置を制御して前記稼働セルを稼働させる稼働制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記複数のセルそれぞれの電圧値を検出する電圧検出部を備え、
   前記要回復セル選択部は、前記複数のセルのうち前記電圧検出部によって検出される前記電圧値が所定値以下のセルを前記要回復セルとして選択する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数のセルそれぞれの前記回復処理を最後にした時を記憶する記憶部を備え、
   前記要回復セル選択部は、前記複数のセルのうち前記記憶部に記憶される前記回復処理を最後にした時から一定時間経過したセルを前記要回復セルとして選択する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記回復処理制御部は、前記回復処理を開始してから所定時間が経過すると該回復処理を終了する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記複数のセルのそれぞれの電圧値を検出する電圧検出部を備え、
   前記回復処理制御部は、前記電圧検出部によって検出される前記電圧値に応じて前記所定時間を変更する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記稼働セル選択部は、前記要回復セルのうち少なくともひとつのセルを前記稼働セルによって挟むよう該稼働セルを選択する、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池によって発電される電力を蓄電するバッテリを備え、
   前記燃料電池システムは、前記バッテリを介して電力を出力する、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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