JP2013206646A - Fuel cell system and fuel cell catalyst performance improving method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
固体高分子型燃料電池に用いられるカソード側の白金触媒に生じた酸化皮膜を除去するために、燃料ガスの供給圧力を高くすることで、燃料ガスを還元剤としてアノードからカソードにリークさせる技術が知られている(例えば、特許文献1)。 In order to remove the oxide film formed on the platinum catalyst on the cathode side used in polymer electrolyte fuel cells, a technique for leaking fuel gas from the anode to the cathode as a reducing agent by increasing the supply pressure of the fuel gas is proposed. Known (for example, Patent Document 1).
上記従来技術が有する課題は、触媒の性能の向上が不十分であるという点であった。 The problem of the above prior art is that the improvement in the performance of the catalyst is insufficient.
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、以下の形態または適用例として実現できる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
適用例1:燃料電池システムであって;触媒を用いる燃料電池と;前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池のカソードに水分を含む不活性ガスを流すガス制御部と;を備える燃料電池システム。この適用例によれば、カソードの触媒の性能を向上させることができる。アノードに燃料ガスが、カソードに不活性ガスが供給された状態は、カソードに対して強い還元力を持つ。この還元力によって、カソードの触媒に存在する酸化被膜が還元除去される。さらに、水分を含んだ不活性ガスがカソードに流れることによって、カソードの触媒に吸着した被毒物質が洗い流される。このようにして、カソードに生じた酸化皮膜および被毒物質が除去される結果、カソードの触媒の性能が向上する。 Application Example 1: A fuel cell system; a fuel cell using a catalyst; a gas control unit for supplying an inert gas containing moisture to the cathode of the fuel cell while supplying fuel gas to the anode of the fuel cell; A fuel cell system comprising: According to this application example, the performance of the cathode catalyst can be improved. When the fuel gas is supplied to the anode and the inert gas is supplied to the cathode, the anode has a strong reducing power. By this reducing power, the oxide film present on the cathode catalyst is reduced and removed. Furthermore, when the inert gas containing moisture flows to the cathode, poisonous substances adsorbed on the cathode catalyst are washed away. In this way, as a result of the removal of the oxide film and poisonous substances produced on the cathode, the performance of the cathode catalyst is improved.
適用例2:適用例1に記載の燃料電池システムであって;前記燃料電池のアノードに燃料ガスが、前記燃料電池のカソードに酸化ガスが供給されている時に、前記燃料電池の電圧を、要求された電力値を発電するための値よりも小さな値に調節する電圧調節部を備える燃料電池システム。この適用例によれば、カソードの触媒の性能を向上させることができる。電圧調節部によって燃料電池の電圧が小さくなると、カソードの触媒に吸着したアニオンの吸着力が弱まる。よって、この後、カソードに空気が供給されると、空気に含まれる水分の流れによって、吸着が弱まったアニオンが洗浄される。アニオンは被毒物質の一種なので、アニオンの除去によって、カソードの触媒の性能が向上する。さらに、電圧調節部によって燃料電池の電圧が小さくなると、通常、発電される電力値が増加する。発電される電力値が増加すると、発電に伴って生成される水分が増加する。生成水の増量は、上記洗浄の能力を向上させるので、カソードの触媒の性能が効率的に向上する。 Application Example 2: The fuel cell system according to Application Example 1, wherein when the fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell and the oxidizing gas is supplied to the cathode of the fuel cell, the voltage of the fuel cell is requested. A fuel cell system comprising a voltage adjusting unit that adjusts a generated power value to a value smaller than a value for generating power. According to this application example, the performance of the cathode catalyst can be improved. When the voltage of the fuel cell is decreased by the voltage adjusting unit, the adsorptive power of the anion adsorbed on the cathode catalyst is weakened. Therefore, after that, when air is supplied to the cathode, anions whose adsorption is weakened are washed away by the flow of moisture contained in the air. Since the anion is a poisonous substance, the removal of the anion improves the performance of the cathode catalyst. Further, when the voltage of the fuel cell is reduced by the voltage adjusting unit, the value of the generated electric power usually increases. When the power value to be generated increases, the moisture generated along with the power generation increases. Increasing the amount of produced water improves the cleaning ability, so that the performance of the cathode catalyst is efficiently improved.
適用例3:適用例2に記載の燃料電池システムであって;前記電圧調節部の動作に伴い、カソードに供給する酸化ガスの流量を、要求された電力値を発電するための流量よりも増大させる流量増大部を備える燃料電池システム。この適用例によれば、カソードの触媒の性能を更に向上させることができる。電圧調節部の動作に伴い、カソードに供給される酸化ガスの流量が増大すると、上記の洗浄能力が更に向上するからである。なお「電圧調節部の動作に伴い…増大させる」とは、「電圧調節部の動作開始と同時に…増大を開始する」という意味に限定されず、流量の増大の開始は、電圧調節部の動作開始の前後何れでも良い。 Application Example 3 In the fuel cell system according to Application Example 2, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode is increased more than the flow rate for generating the required power value in accordance with the operation of the voltage adjusting unit. A fuel cell system including a flow rate increasing unit. According to this application example, the performance of the cathode catalyst can be further improved. This is because the cleaning ability is further improved when the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode increases with the operation of the voltage adjusting unit. The phrase “increase with the operation of the voltage regulator” is not limited to the meaning “starts to increase simultaneously with the start of the operation of the voltage regulator”. Either before or after starting.
適用例4:適用例1から適用例3の何れか1つに記載の燃料電池システムであって;前記ガス制御部は、発電が要求されていない場合に動作する燃料電池システム。この適用例によれば、カソードの触媒の性能をより向上させることができる。カソードに不活性ガスが流れれば、アノードに燃料ガスが供給されたとしても、発電は起こらなくなる。よって、カソードに不活性ガスを流すことによって、発電が要求されていない状況に応えることができる。さらに、発電が起こらなくなれば、燃料電池の電圧は降下していく。電圧が降下すると、カソードの触媒に付着したアニオンの吸着力が弱まる。この結果、アニオンの吸着力が弱まった状態で、水分を含む不活性ガスが流れることになり、アニオンがより効率的に除去される。 Application Example 4: The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the gas control unit operates when power generation is not required. According to this application example, the performance of the cathode catalyst can be further improved. If an inert gas flows to the cathode, power generation will not occur even if fuel gas is supplied to the anode. Therefore, it is possible to respond to a situation where power generation is not required by flowing an inert gas to the cathode. Furthermore, if power generation stops, the voltage of the fuel cell will drop. When the voltage drops, the adsorptive power of the anion adhering to the cathode catalyst decreases. As a result, an inert gas containing moisture flows in a state where the anion adsorption force is weakened, and the anion is removed more efficiently.
適用例5:適用例1から適用例4の何れか1つに記載の燃料電池システムであって;前記ガス制御部に供給する不活性ガスを貯蔵するためのタンクを備える燃料電池システム。この適用例によれば、外部から不活性ガスの供給を受けなくても、ガス制御部が動作できる。 Application Example 5: The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4, wherein the fuel cell system includes a tank for storing an inert gas supplied to the gas control unit. According to this application example, the gas control unit can operate without receiving an inert gas supply from the outside.
適用例6:車両に搭載される適用例1から適用例4の何れか1つに記載の燃料電池システムであって;前記ガス制御部は、車両の駐車時に動作する燃料電池システム。この適用例によれば、燃料電池システムに不活性ガスを保存しなくても良くなる。駐車時であれば、外部から不活性ガスを供給できるからである。駐車時とは、例えば、車両の点検時や修理時などが考えられる。 Application Example 6: The fuel cell system according to any one of Application Example 1 to Application Example 4 installed in a vehicle, wherein the gas control unit operates when the vehicle is parked. According to this application example, it is not necessary to store the inert gas in the fuel cell system. This is because an inert gas can be supplied from the outside during parking. The parking time may be, for example, a vehicle inspection or repair.
適用例7:燃料電池に用いられる触媒の性能を向上させる方法であって;前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池のカソードに水分を含む不活性ガスを流す触媒性能向上方法。この適用例は、例えば、燃料電池の製造工程において、或いは、燃料電池の使用開始後における点検時に実施できる。 Application Example 7: A method for improving the performance of a catalyst used in a fuel cell; improving the performance of a catalyst that supplies an inert gas containing moisture to the cathode of the fuel cell while supplying fuel gas to the anode of the fuel cell Method. This application example can be implemented, for example, in the manufacturing process of the fuel cell or at the time of inspection after the start of use of the fuel cell.
上記の何れの適用例も、他の形態によって実現できる。例えば、上記の触媒性能向上方法を生産工程の一部とした燃料電池の生産方法、上記の触媒性能向上方法を実現するためのプラグラム、このプログラムを記憶する一時的でない記憶媒体などが考えられる。この他、適用例2又は適用例3からガス制御部を除外した形態が考えられる。電圧調節部および流量増大部は、ガス制御部を除外しても動作し得るからである。 Any of the above application examples can be realized by other forms. For example, a fuel cell production method using the above catalyst performance improvement method as a part of the production process, a program for realizing the above catalyst performance improvement method, a non-temporary storage medium for storing this program, and the like are conceivable. In addition, the form which excluded the gas control part from the application example 2 or the application example 3 is considered. This is because the voltage adjusting unit and the flow rate increasing unit can operate even if the gas control unit is excluded.
1.実施例1:
1−1.ハードウェア構成:
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。
1. Example 1:
1-1. Hardware configuration:
FIG. 1 is a schematic diagram of a
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。
The
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。
The hydrogen
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。
The hydrogen
一方、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、加湿装置145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。加湿装置145は、空気供給経路141上においてコンプレッサ130と燃料電池100との間に配置されており、燃料電池100に供給される空気を加湿する。排出流量調整バルブ143は、水素ガス供給系120と放出経路123との間をつなぐ経路上に配置され、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。
On the other hand, the
空気供給系140は更に、窒素ガスタンク148と窒素供給用開閉バルブ149とを備える。窒素ガスタンク148は、内部に窒素ガスを貯蔵する。窒素供給用開閉バルブ149は、窒素ガスタンク148と加湿装置145との間のガス経路に設けられ、燃料電池100のカソードに対する窒素ガスの供給を制御するために開閉する。加湿装置145を通った窒素ガスは、燃料電池100のカソードに供給され、その後、カソードから排出流量調整バルブ143に向けて排出される。
The
上記の排出流量調整バルブ143から排出された空気または窒素ガスは、加湿装置145を経て、先述した放出経路123に流入する。この加湿装置145は、気液分離機器として構成されている。つまり、加湿装置145は、カソードオフガスから水分を分離し、その分離した水分を空気供給経路141内の空気または窒素ガスに混合するように、なおかつ、カソード背圧が高いほど分離・混合する水分量が多くなるように構成されている。これを利用して、燃料電池100に供給される空気または窒素ガスの湿度調整は、排出流量調整バルブ143によるカソード背圧調整によって実行される。
The air or nitrogen gas exhausted from the exhaust flow
一方、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。
On the other hand, the
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。
Next, the electric system will be described. As an electrical system, in addition to the
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。
The control device 200 is configured by a microcomputer provided with a CPU, ROM, RAM, and the like. The control device 200 acquires signal inputs from the
1−2.燃料電池運転処理(図2):
図2は、燃料電池運転処理を示すフローチャートである。燃料電池運転処理の実行主体は、制御装置200である。燃料電池運転処理は、燃料電池自動車20が走行可能状態である場合に継続して実行される。走行可能状態とは、駐車状態でない状態である。本実施形態では、セレクトレバー(シフトレバー)がパーキングレンジを選択している状態であり、且つ駐車ブレーキ(サイドブレーキ)が制動を行っている状態である場合、駐車状態であると判定する。
1-2. Fuel cell operation process (Figure 2):
FIG. 2 is a flowchart showing the fuel cell operation process. The execution subject of the fuel cell operation processing is the control device 200. The fuel cell operation process is continuously executed when the
まず、発電が要求されている(発電要求時である)かを判定する(ステップS210)。この判定は、二次電池172の残容量や、モータ170による消費電力などに基づく。発電が要求されている場合(ステップS210、YES)、触媒の性能が低下したかを判定する(ステップS220)。この判定は、燃料電池の電流−電圧特性(IV特性)等に基づく。具体的には、現状のIV特性が、判定基準として予め定められた電流−電圧特性(IV特性)を下回った場合に、触媒の性能が低下したかを判定する。触媒の性能が低下していないと判定すると(ステップS220、NO)、要求に応じた負荷運転を実行し(ステップS230)、ステップS210に戻る。
First, it is determined whether power generation is requested (when power generation is requested) (step S210). This determination is based on the remaining capacity of the
一方、触媒の性能が低下したと判定すると(ステップS220、YES)、時間T1に渡り、電圧をV1に設定する(ステップS240)。時間T1及び後述する時間T2〜T4は、実験等に基づき予め定めておく。電圧の設定には、DC−DCコンバータ174を利用する。電圧V1は、負荷運転時において設定される電圧の平均値よりも低い電圧である。より好ましいのは、負荷運転時において設定される電圧の最低値よりも低い電圧である。この運転を、本実施形態では低電位運転と呼ぶ。
On the other hand, if it is determined that the catalyst performance has deteriorated (step S220, YES), the voltage is set to V1 over time T1 (step S240). Time T1 and times T2 to T4 described later are determined in advance based on experiments and the like. A DC-
続いて、電圧を負荷運転のための値に戻しつつ、時間T2に渡り、カソードに供給する空気の流量を、負荷運転のための値よりも増大させる(ステップS250)。この流量の増大は、コンプレッサ130の制御によって実現する。ステップS240及びステップS250について、図3を用いて説明する。
Subsequently, while returning the voltage to the value for load operation, the flow rate of air supplied to the cathode is increased from the value for load operation over time T2 (step S250). This increase in the flow rate is realized by controlling the
1−2a.発電要求時における経時変化(図3):
図3は、発電要求時における各値の経時変化を示したグラフである。図3(A)は燃料電池100の電圧値、図3(B)は燃料電池100の電流値、図3(C)はカソードの触媒に存在する硫酸イオン(Pt−SO4 2-)の量と、酸化皮膜(PtO)の量との経時変化を示す。
1-2a. Change over time when power generation is requested (Fig. 3):
FIG. 3 is a graph showing a change with time of each value at the time of power generation request. 3A shows the voltage value of the
図3(A)(B)における時刻0〜時刻t1は、通常の負荷運転によって、電圧値および電流値が要求電力値に応じて変動することを模式的に示す。図3(C)における時刻0〜時刻t1は、これまでの運転によって、或る量の硫酸イオンと酸化皮膜とがカソードの触媒に存在することを模式的に示す。
図3(A)における時刻t1〜時刻t2は、低電位運転(ステップS240)の実行によって、時間T1に渡り、電圧値が電圧V1に設定されたことを示す。図3(B)における時刻t1〜時刻t2は、電圧値が電圧V1に設定されたことによって、電流値が負荷運転時よりも増大したことを示す。このような電圧値および電流値によって、ステップS240の実行中は、発電される電力値が負荷運転時に比べて増大すると共に、発電と共に生成される水の量も増大する。 Time t1 to time t2 in FIG. 3A indicate that the voltage value has been set to the voltage V1 over time T1 by executing the low potential operation (step S240). Time t1 to time t2 in FIG. 3 (B) indicate that the current value has increased from that during the load operation due to the voltage value being set to the voltage V1. With such a voltage value and a current value, during the execution of step S240, the generated power value increases as compared to during load operation, and the amount of water generated along with power generation also increases.
図3(C)における時刻t1〜時刻t2は、低電位運転(ステップS240)の実行によって、カソードの触媒に存在する硫酸イオンの量と酸化皮膜の量とが減少することを示す。酸化皮膜の量が減少するのは、電圧V1による還元力が作用した結果である。硫酸イオンが減少するのは、電圧V1によって、触媒に対する吸着力が弱くなったからである。硫酸イオンの吸着力が弱くなると、カソードに作用する洗浄力によって、徐々に硫酸イオンの量が減少する。この洗浄力は、カソードにおける水分の流れによって生じる。この水分の流れは、カソードに供給される空気の流れによって引き起こされる。この水分の由来は、加湿装置145によって空気に加えられた水分、及び発電に伴う生成水である。この生成水は、先述したように、ステップS240において量が増える。この生成水の増量は、洗浄力の向上に貢献する。
Time t1 to time t2 in FIG. 3C indicate that the amount of sulfate ions and the amount of oxide film present in the cathode catalyst are reduced by the execution of the low potential operation (step S240). The decrease in the amount of the oxide film is a result of the action of the reducing force by the voltage V1. The reason why the sulfate ion is decreased is that the adsorptive power to the catalyst is weakened by the voltage V1. When the adsorption power of sulfate ions becomes weak, the amount of sulfate ions gradually decreases due to the cleaning power acting on the cathode. This detergency is generated by the flow of moisture at the cathode. This moisture flow is caused by the flow of air supplied to the cathode. The origin of this moisture is the moisture added to the air by the
図3(C)における時刻t2〜時刻t3は、カソードの触媒に存在する硫酸イオンの量が更に減少することを示す。硫酸イオンが更に減少するのは、ステップS250の実行によって、時間T2(時刻t2〜時刻t3)に渡り、上記の洗浄力が更に増強されるからである。洗浄力が増強されるのは、ステップS250の実行によって、カソードに供給される空気の流量が増大するからである。 Time t2 to time t3 in FIG. 3C indicate that the amount of sulfate ions present in the cathode catalyst further decreases. The reason why the sulfate ions are further reduced is that the above-described detergency is further enhanced over time T2 (time t2 to time t3) by executing step S250. The reason why the cleaning power is enhanced is that the flow rate of the air supplied to the cathode is increased by executing step S250.
図3(A)(B)における時刻t2〜時刻t3は、カソードに供給される空気の流量が増大している間、電圧値および電流値は、通常の負荷運転時と同じように制御されることを示す。ステップS250を終えると、ステップS210に戻る。 From time t2 to time t3 in FIGS. 3A and 3B, the voltage value and current value are controlled in the same manner as during normal load operation while the flow rate of air supplied to the cathode is increasing. It shows that. When step S250 is completed, the process returns to step S210.
一方、発電が要求されていない場合(以下「発電不要時」とも言う。)(ステップS210、NO)、触媒の性能が低下したかを判定する(ステップS260)。判定手法は、ステップS220の手法と同じである。但し、ステップS260の判定基準は、ステップS220の判定基準よりも、触媒の性能が低下したという判定を下しやすいように設定されている。触媒性能の向上は、発電不要時に実行した方が好ましいからである。 On the other hand, when power generation is not requested (hereinafter also referred to as “when power generation is not required”) (step S210, NO), it is determined whether the performance of the catalyst has deteriorated (step S260). The determination method is the same as the method in step S220. However, the determination criterion of step S260 is set so as to make it easier to determine that the catalyst performance has deteriorated than the determination criterion of step S220. This is because the catalyst performance should be improved when power generation is not required.
触媒の性能が低下していないと判定すると(ステップS260、NO)、間欠運転を行い(ステップS270)、ステップS210に戻る。間欠運転とは、発電を中断するための運転であり、両極へのガスの供給を中断すると共に、電圧をV2に設定する。電圧V2は、開回路電圧(OCV)よりも少し低い電圧である。 If it is determined that the catalyst performance has not deteriorated (step S260, NO), intermittent operation is performed (step S270), and the process returns to step S210. The intermittent operation is an operation for interrupting power generation. The supply of gas to both electrodes is interrupted and the voltage is set to V2. The voltage V2 is a voltage slightly lower than the open circuit voltage (OCV).
一方、触媒の性能が低下したと判定すると(ステップS260、YES)、時間T3に渡り、アノードに水素ガスを供給しつつ、カソードに窒素ガスを供給する(ステップS280)。カソードに窒素ガスを供給するには、コンプレッサ130を停止させ、窒素供給用開閉バルブ149を開く。図4と共に説明する。
On the other hand, if it is determined that the performance of the catalyst has deteriorated (step S260, YES), nitrogen gas is supplied to the cathode while supplying hydrogen gas to the anode over time T3 (step S280). To supply nitrogen gas to the cathode, the
1−2b.発電不要時における経時変化(図4):
図4は、発電不要時における各値の経時変化を示したグラフである。図4(A)は燃料電池100の電圧値、図4(B)は燃料電池100の電流値、図4(C)はカソードの触媒に存在する硫酸イオン(Pt−SO4 2-)の量と、酸化皮膜(PtO)の量との経時変化を示す。
1-2b. Change over time when power generation is not required (Fig. 4):
FIG. 4 is a graph showing the change with time of each value when power generation is not required. 4A shows the voltage value of the
図4(A)(B)における時刻t4〜時刻t5は、水素ガス及び窒素ガスの供給(ステップS280)の実行によって、電圧値および電流値が降下してゼロに収束することを示す。この現象は、カソードに窒素ガスが供給されることによって、カソードにおける酸素量が減少し、やがて発電が起こらなくなることに起因する。 Times t4 to t5 in FIGS. 4A and 4B indicate that the voltage value and the current value drop and converge to zero by the supply of hydrogen gas and nitrogen gas (step S280). This phenomenon is attributed to the fact that when nitrogen gas is supplied to the cathode, the amount of oxygen at the cathode decreases and power generation does not occur.
図4(C)における時刻t4〜時刻t5は、水素ガス及び窒素ガスの供給(ステップS280)の実行によって、カソードの触媒に存在する硫酸イオンの量と酸化皮膜の量とが減少することを示す。酸化皮膜の量が減少するのは、電圧降下と還元雰囲気とによる還元力が作用した結果である。この還元雰囲気とは、アノードが水素ガスリッチ、カソードが窒素ガスリッチの状態のことである。 Time t4 to time t5 in FIG. 4C indicate that the amount of sulfate ions and the amount of oxide film present in the cathode catalyst are reduced by the supply of hydrogen gas and nitrogen gas (step S280). . The decrease in the amount of the oxide film is a result of the action of the reducing power due to the voltage drop and the reducing atmosphere. This reducing atmosphere is a state in which the anode is rich in hydrogen gas and the cathode is rich in nitrogen gas.
一方、硫酸イオンが減少するのは、カソードに洗浄力が作用するからである。この洗浄力は、カソードにおける水分の流れによって生じる。水分の流れは、カソードに供給される窒素ガスの流れが引き起こす。この水分の由来は、加湿装置145によって窒素ガスに加えられた水分である。さらに、先述した電圧降下が、触媒に対する硫酸イオンの吸着力を弱めるので、硫酸イオンが効率的に除去される。
On the other hand, the reason why sulfate ions are reduced is that the cleaning power acts on the cathode. This detergency is generated by the flow of moisture at the cathode. The flow of moisture is caused by the flow of nitrogen gas supplied to the cathode. The origin of this moisture is the moisture added to the nitrogen gas by the
ステップS280の後、時間T4に渡り、アノードへの水素ガスの供給を止めつつ、カソードに空気を供給する(ステップS290)。ステップS290の目的は、発電を素早く再開するための準備である。この後、ステップS210に戻る。 After step S280, air is supplied to the cathode while stopping the supply of hydrogen gas to the anode over time T4 (step S290). The purpose of step S290 is preparation for quickly restarting power generation. Thereafter, the process returns to step S210.
1−3.効果:
燃料電池運転処理によれば、先述した通り、カソードの触媒に存在する酸化皮膜と硫酸イオンとの除去によって、カソードの触媒性能を向上させることができる。特に、硫酸イオンを除去する効果が大きい。なぜなら、発電不要時に、水素をアノードに供給しつつ、加湿された窒素ガスをカソードに流すことによって、強い洗浄力をカソードに及ぼすことができるからである。しかも、この洗浄に際して電圧降下が起こるので、硫酸イオンの吸着が弱まる。この結果、硫酸イオンの除去が効率的に行われる。加えて、この電圧降下は、酸化皮膜の除去にも貢献する。
1-3. effect:
According to the fuel cell operation process, as described above, the catalytic performance of the cathode can be improved by removing the oxide film and sulfate ions present in the cathode catalyst. In particular, the effect of removing sulfate ions is great. This is because a strong detergency can be exerted on the cathode by supplying humidified nitrogen gas to the cathode while supplying hydrogen to the anode when power generation is not required. Moreover, since a voltage drop occurs during this cleaning, the adsorption of sulfate ions is weakened. As a result, sulfate ions are efficiently removed. In addition, this voltage drop contributes to the removal of the oxide film.
さらに、発電要求時においても、電圧を低下させ、供給する空気を増量することによって、触媒性能を向上させることができる。 Furthermore, even when power generation is requested, the catalyst performance can be improved by reducing the voltage and increasing the amount of air to be supplied.
2.実施例1と適用例との対応関係:
ステップS240が電圧調節部を、ステップS250が流量増大部を、ステップS280がガス制御部をそれぞれ実現するためのソフトウェアに相当する。
2. Correspondence between Example 1 and application examples:
Step S240 corresponds to the voltage adjusting unit, step S250 corresponds to the flow rate increasing unit, and step S280 corresponds to software for realizing the gas control unit.
3.実施例2:
実施例2の説明は、実施例1と異なる点を説明することによって行う。実施例2における燃料電池自動車20は、窒素ガスタンク148と窒素供給用開閉バルブ149とを備えない。よって、先述した燃料電池運転処理の全てのステップを実行することはできないので、燃料電池システム30の運転は、従来の手法による。
3. Example 2:
The description of the second embodiment will be made by explaining points different from the first embodiment. The
その代わり、実施例2の燃料電池100は、燃料電池自動車20の製造時と、燃料電池自動車20の使用開始後における点検時とにおいて、アノードへの水素ガスの供給と、カソードへの加湿された窒素ガスの供給とを受ける。燃料電池自動車20の製造時とは、燃料電池システム30が自動車に搭載される前でも後でも良い。点検時や、燃料電池システム30が自動車に搭載された後に実行する場合は、例えば、空気供給経路141の大気取り込み口に窒素ガスタンクを接続することによってカソードに窒素を供給できる。これらのガス供給時において、電圧の制御などは不要である。これらのガス供給は、点検時においてはもちろん、製造時においてもカソードの触媒の性能を向上させることが見出された。なお、この効果は、製造時における供給のみでも、点検時における供給のみでも発揮される。
Instead, the
4.他の実施形態:
本発明の実施形態は、先述した実施形態に限られず、発明の技術的範囲を逸脱しない範囲における種々の形態が採用され得る。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の技術的特徴は、先述した課題の一部または全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部また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。その技術的特徴は、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。この他、例えば、以下のものが考えられる。
4). Other embodiments:
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various forms can be adopted without departing from the technical scope of the invention. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are intended to solve part or all of the above-described problems or part of the above-described effects. Or, in order to achieve all, replacement and combination can be performed as appropriate. The technical features can be deleted as appropriate unless they are described as essential. In addition, for example, the following can be considered.
自動車搭載用の燃料電池でなくとも、二輪車など、他の輸送用機器搭載用や家庭用発電機等どのような用途のものでも良い。
除去されるアニオンは、硫酸イオンに限られない。例えば塩化物イオンなどが挙げられる。
不活性ガスは、窒素ガスでなくても良い。例えば、アルゴンガス等の希ガスでも良いし、複数の不活性ガスを混合したものでも良い。
不活性ガスに水分を含ませる手法は、加湿装置を用いるものでなくても良い。例えば、水分を不活性ガスと共にタンクに貯蔵しても良い。
実施例2において、燃料電池100の製造時と、燃料電池自動車20の使用開始後における点検時との何れか一方のみにおいて、アノードへの水素ガスの供給と、カソードへの加湿された窒素ガスの供給とを実行しても良い。
Even if it is not a fuel cell for automobiles, it may be used for any purpose such as a motorcycle for mounting other transportation equipment or a home generator.
The anion to be removed is not limited to sulfate ion. For example, a chloride ion etc. are mentioned.
The inert gas may not be nitrogen gas. For example, a rare gas such as argon gas may be used, or a mixture of a plurality of inert gases may be used.
The method of including moisture in the inert gas may not use a humidifier. For example, moisture may be stored in a tank with an inert gas.
In the second embodiment, the hydrogen gas is supplied to the anode and the humidified nitrogen gas is supplied to the cathode only in one of the manufacturing time of the
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
145…加湿装置
147…空気流量センサ
148…窒素ガスタンク
149…窒素供給用開閉バルブ
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
DESCRIPTION OF
Claims (7)
触媒を用いる燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池のカソードに水分を含む不活性ガスを流すガス制御部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell using a catalyst;
A gas control unit for supplying an inert gas containing moisture to the cathode of the fuel cell while supplying fuel gas to the anode of the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池のアノードに燃料ガスが、前記燃料電池のカソードに酸化ガスが供給されている時に、前記燃料電池の電圧を、要求された電力値を発電するための値よりも小さな値に調節する電圧調節部
を備える燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
When the fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell and the oxidizing gas is supplied to the cathode of the fuel cell, the voltage of the fuel cell is adjusted to a value smaller than the value for generating the required power value. A fuel cell system comprising a voltage regulator.
前記電圧調節部の動作に伴い、カソードに供給する酸化ガスの流量を、要求された電力値を発電するための流量よりも増大させる流量増大部
を備える燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
A fuel cell system comprising: a flow rate increasing unit that increases the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode more than the flow rate for generating the required power value in accordance with the operation of the voltage adjusting unit.
前記ガス制御部は、発電が要求されていない場合に動作する
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
The gas control unit operates when a power generation is not required.
前記ガス制御部に供給する不活性ガスを貯蔵するためのタンク
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
A fuel cell system comprising a tank for storing an inert gas supplied to the gas control unit.
前記ガス制御部は、車両の駐車時に動作する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is mounted on a vehicle.
The gas control unit operates when the vehicle is parked.
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池のカソードに水分を含む不活性ガスを流す
触媒性能向上方法。 A method for improving the performance of a catalyst used in a fuel cell,
A method for improving catalyst performance, comprising supplying an inert gas containing moisture to a cathode of the fuel cell while supplying a fuel gas to the anode of the fuel cell.
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