JP2014212018A - Fuel cell system and 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.
従来、燃料電池の反応を促進するため、燃料電池の電解質膜の両面に配置された電極に白金（Ｐｔ）などの触媒を設ける方法が提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、燃料電池では、触媒の表面に不純物が吸着されて触媒活性が低下してしまうという触媒被毒が発生する場合がある。触媒活性の低下は、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不純物を除去することによって回復が可能である。 Conventionally, in order to promote the reaction of the fuel cell, a method of providing a catalyst such as platinum (Pt) on electrodes arranged on both surfaces of the electrolyte membrane of the fuel cell has been proposed (for example, Patent Document 1). However, in a fuel cell, catalyst poisoning may occur in which impurities are adsorbed on the surface of the catalyst and the catalytic activity decreases. The decrease in the catalyst activity causes a decrease in the power generation performance of the fuel cell. In general, the decrease in power generation performance of a fuel cell due to catalyst poisoning can be recovered by removing impurities adsorbed on the catalyst.
不純物により触媒が被毒されて触媒活性が低下したときに、回復制御を実施する燃料電池システムが知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムは、（ｉ）燃料電池スタックの特性回復処理の必要性を判断する工程と、（ｉｉ）特性回復処理を実施可能か否かについて判断する工程と、（ｉｉｉ）特性回復処理を行う工程と、を行う。
There is known a fuel cell system that performs recovery control when a catalyst is poisoned by impurities and its catalytic activity is reduced. The fuel cell system described in
しかし、特許文献１に記載された燃料電池システムで行う工程は、複雑であるという課題があった。また、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、触媒の回復制御を行うための専用の工程を踏まなければならないという課題があった。
However, the process performed by the fuel cell system described in
そのほか、従来の燃料電池システムにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上などが望まれていた。 In addition, the conventional fuel cell system has been desired to be downsized, reduced in cost, resource-saving, easy to manufacture, and improved in usability.
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、以下の形態として実現することが可能である。 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.
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、白金を含む触媒を備える燃料電池と、前記燃料電池のセル電圧を制御することによって、前記触媒の活性を回復させる電圧制御部と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え；前記制御部は、前記燃料電池をアイドル運転から間欠運転に移行することにより電圧を低下させる際の電流の変化を検知し、前記電圧制御部を制御して、前記電流の変化に応じて設定した、回復時間と回復用電圧とにしたがって前記触媒の活性を回復することができる。この形態の燃料電池システムによれば、触媒の活性を回復することを目的とした特別な工程を設けることなく、触媒の活性を回復できる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes a fuel cell including a catalyst containing platinum, a voltage control unit that restores the activity of the catalyst by controlling a cell voltage of the fuel cell, and a control unit that controls the fuel cell system. The control unit detects a change in current when the voltage is lowered by shifting the fuel cell from idle operation to intermittent operation, and controls the voltage control unit to change the current. The activity of the catalyst can be recovered according to the recovery time and the recovery voltage set accordingly. According to the fuel cell system of this embodiment, the activity of the catalyst can be recovered without providing a special step for recovering the activity of the catalyst.
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池に空気を送る空気供給手段を備え、前記制御部は、前記空気供給手段を制御して、空気を送る量を減らすことにより前記電圧の低下を行うこととしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、触媒の活性を回復することを目的とした特別な装置を設けることなく、触媒の活性を回復できる。 (2) In the fuel cell system of the above aspect, the fuel cell system further includes air supply means for sending air to the fuel cell, and the control unit controls the air supply means to reduce the amount of air sent. It is good also as performing fall of. According to the fuel cell system of this aspect, the activity of the catalyst can be recovered without providing a special device intended to recover the activity of the catalyst.
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記電圧の降下を一定の速度で行うこととしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、電圧の降下速度を一定とすることにより、電流の変化量をより正確に測定することができる。このため、回復時間と回復用電圧も正確に設定できるため、触媒活性の回復をより正確に行うことができる。 (3) In the fuel cell system of the above aspect, the control unit may decrease the voltage at a constant speed. According to the fuel cell system of this embodiment, the amount of change in current can be measured more accurately by making the voltage drop rate constant. For this reason, since the recovery time and the recovery voltage can also be set accurately, the recovery of the catalyst activity can be performed more accurately.
（４）本発明の他の形態によれば、白金を含む触媒を備える燃料電池の前記触媒の活性を回復させる方法が提供される。白金を含む触媒を備える燃料電池の前記触媒の活性を回復させる方法は、前記燃料電池をアイドル運転から間欠運転に移行することにより電圧を低下させる際の電流の変化を検知する工程と、前記電流の変化に応じて設定した、回復時間と回復用電圧とにしたがって前記触媒の活性を回復する工程と、を備える。この形態の方法によれば、触媒の活性を回復することを目的とした特別な工程を設けることなく、触媒の活性を回復できる。 (4) According to another aspect of the present invention, there is provided a method for recovering the activity of the catalyst of a fuel cell including a catalyst containing platinum. A method of recovering the activity of the catalyst of a fuel cell including a catalyst containing platinum includes a step of detecting a change in current when the voltage is decreased by shifting the fuel cell from idle operation to intermittent operation, and the current Recovering the activity of the catalyst according to the recovery time and the recovery voltage set according to the change in According to the method of this aspect, the activity of the catalyst can be recovered without providing a special step aimed at recovering the activity of the catalyst.
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、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。 The present invention can be realized in various forms, for example, a method for controlling a fuel cell system, a method for detecting performance deterioration of a fuel cell due to catalyst poisoning, and a function of those methods or systems. The present invention can be realized in the form of a computer program for recording, a recording medium storing the computer program, and the like.
Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池システム１００の構成
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は燃料電池車両に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池車両の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。
A. Embodiment:
A1. Configuration of
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。
The
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）（「エア」とも呼ぶ）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。
The
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。本実施形態では、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。
The
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、本実施形態において、触媒は、白金（Ｐｔ）を採用し、導電性粒子としては、カーボン（Ｃ）粒子を採用する。
The
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。
The
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。
The cathode
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。
The
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。
The on-off
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。
The cathode
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。
The opening of the
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。
The anode
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。
The on-off
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。
The
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。
The anode
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。
The on-off
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、図１の構成に加えて、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。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrical configuration of the
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。
The
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。
The
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、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、その回生電力を直流電力に変換する。
The DC /
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の単セル１１に接続されており、単セル１１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、単セル１１の抵抗（以下、単に「セル抵抗」とも呼ぶ）を計測する。
The
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。
The
Ａ２．燃料電池１０の運転制御：
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決定する。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。
A2. Operation control of the fuel cell 10:
FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure of operation control of the
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−電力特性（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフＧI-Pと、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-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。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the normal output control of the
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ＧI-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ＧI-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、その制御用情報を参照して、燃料電池１０の電流・電圧の指令値を取得する。
Usually, the I-P characteristic of a fuel cell is expressed as an upwardly convex curve graph (graph G IP ). Further, the IV characteristic of the fuel cell is represented as a horizontal S-shaped curve graph in which the voltage gradually decreases as the current increases (graph G IV ). The
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。
It should be noted that the IP characteristic and the IV characteristic of the
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ＧI-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ＧI-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。
The
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。これにより、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）。
The
ところで、燃料電池１０では、その運転中に、触媒被毒が発生する場合がある。「触媒被毒」とは、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、不純物として触媒表面に吸着し、触媒活性が低下してしまう現象をいう。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、所定の実行タイミングに到達したときに、触媒の活性を回復する性能回復処理を行う（ステップＳ３０）。
Incidentally, in the
Ａ３．性能回復処理（ステップＳ３０）：
図５は、性能回復処理（ステップＳ３０）の処理手順を示すフローチャートである。制御部２０は、燃料電池１０をアイドル運転から間欠運転に移行するとき、制御部２０は、性能回復処理（ステップＳ３０）を開始する。
A3. Performance recovery process (step S30):
FIG. 5 is a flowchart showing the processing procedure of the performance recovery process (step S30). When the
「アイドル運転」とは、燃料電池１０へのモータ２００などからの出力要求がない状態であり、かつ、燃料電池１０から補機などへの出力を取り出している状態をいう。なお、モータ２００などからの出力要求がない状態とは、例えば、アクセルオフの状態をいう。補機とは、燃料電池１０を稼動させるために燃料電池１０以外に必要な周辺機器をいう。補機としては、例えば、エアコンプレッサ３２が挙げられる。また、「間欠運転」とは、燃料電池１０から出力を取り出していない状態をいう。
“Idle operation” refers to a state where there is no output request from the
図６は、燃料電池１０をアイドル運転から間欠運転にするときのエア流量と、燃料電池１０のセル電圧と、電流密度との変化を示す図である。図６の横軸は時間軸であり、縦軸は、上から順にエア流量、セル電圧、電流密度を示す。
FIG. 6 is a diagram showing changes in the air flow rate, the cell voltage of the
時間軸において破線Ｌ１より前は、燃料電池１０のアイドル運転時のエア流量と、セル電圧と、電流密度とを示す。時間軸において破線Ｌ２より後は、燃料電池１０の間欠運転時のエア流量と、セル電圧と、電流密度とを示す。時間軸において破線Ｌ１から破線Ｌ２との間は、燃料電池１０をアイドル運転から間欠運転への移行時のエア流量と、セル電圧と、電流密度とを示す。
Before the broken line L1 on the time axis, the air flow rate, the cell voltage, and the current density during idle operation of the
本実施形態において、燃料電池１０をアイドル運転から間欠運転にする時とは、運転者が、ドライブモードからパーキングモードにシフトするとの出力要求を制御部２０が受信した場合である。「ドライブモード」とは、制御部２０が、燃料電池車両の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状態をいう。「パーキングモード」とは、制御部２０が、燃料電池車両の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ない状態をいう。
In the present embodiment, the time when the
ドライブモードからパーキングモードにシフトするとの出力要求を制御部２０が受信した場合、制御部２０は、エアコンプレッサ３２と開閉弁３４とを制御することにより、エアフロメータ３３がエア流量を０と判断するまで、エア流量を低下させる。
When the
エア流量が低下すると、単セル１１あたりのセル電圧は低下していく。これは、エア流量の低下によりカソードガスが燃料電池１０に供給されなくなるためである。なお、エア流量が０とエアフロメータ３３が判断した時点でセル電圧、電流密度がともに０とならない理由は、燃料電池１０内にカソードガスが未だ存在するためである。このため、エア流量がエアフロメータ３３により０と判断されてから所定のタイムラグの後、セル電圧と電流密度とは０となる。燃料電池１０の間欠運転時において（破線Ｌ２以降）、エア流量、セル電圧、電流密度は、いずれも０となる。
As the air flow rate decreases, the cell voltage per
図６の電流密度において、電流密度ＣＤ１は触媒被毒が少ない状態の電流密度を示し、電流密度ＣＤ２は触媒被毒が多い状態の電流密度を示している。触媒被毒が少ない状態は、例えば、燃料電池システム１００が工場より出荷された直後の状態や、燃料電池システム１００が長期間可動していない状態である。一方、触媒被毒が多い状態は、例えば、燃料電池システム１００が長時間稼動している状態や、エアに不純物を多く含む地域（都市圏など）を走行している状態である。
In the current density of FIG. 6, the current density CD1 indicates a current density in a state where the catalyst poisoning is low, and the current density CD2 indicates a current density in a state where the catalyst poisoning is high. The state where the catalyst poisoning is low is, for example, a state immediately after the
本発明の発明者らは、触媒被毒が多い状態の電流密度ＣＤ２において、特徴的なピークＰが出現することを見出した。また、本発明の発明者らは、電流密度ＣＤ２と電流密度ＣＤ１とが形成する面積Ｓと、触媒の被毒量とに相関関係があることを見出した。 The inventors of the present invention have found that a characteristic peak P appears in the current density CD2 in a state where the catalyst poisoning is large. The inventors of the present invention have also found that there is a correlation between the area S formed by the current density CD2 and the current density CD1 and the poisoning amount of the catalyst.
図７は、面積Ｓと触媒活性との関係を表す図である。図７の横軸は、触媒の活性を示し、図７の縦軸は、電流密度ＣＤ２―電流密度ＣＤ１の面積Ｓを示す。触媒活性は、最もよい状態を１としている。また、面積Ｓは、下記の式により算出できる。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the area S and the catalyst activity. The horizontal axis of FIG. 7 shows the activity of the catalyst, and the vertical axis of FIG. 7 shows the area S of current density CD2−current density CD1. The best catalytic activity is 1. The area S can be calculated by the following formula.
Ｓ＝∫｛ｆ（ＣＤ２）−ｆ（ＣＤ１）｝ｄｔ
なお、積分の始期は、アイドル運転から間欠運転時への転換時であり、積分の終期は、間欠運転への転換が完了したときである。アイドル運転から間欠運転時への転換時は、ドライブモードからパーキングモードにシフトするとの出力要求を制御部２０が受信した時である。間欠運転への転換が完了したときは、セル電圧が０となったときである。
S = ∫ {f (CD2) −f (CD1)} dt
The start of integration is when the operation is switched from idle operation to intermittent operation, and the end of integration is when the conversion to intermittent operation is completed. The transition from the idle operation to the intermittent operation is when the
面積Ｓが大きくなるほど、触媒の活性が低下することを、図７は示している。つまり、面積Ｓが大きくなるほど、触媒の被毒量が増加することを、図７は示している。 FIG. 7 shows that the activity of the catalyst decreases as the area S increases. That is, FIG. 7 shows that the poisoning amount of the catalyst increases as the area S increases.
図８は、異なる電位における保持時間と被毒回復量の関係を表す図である。図８の横軸は、セル電圧を各電圧に保持した時間（ｈ）を示し、図８の縦軸は、触媒活性を示す。この触媒活性は、セル電圧を０．９Ｖとした場合の触媒活性を示す。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between holding time and poisoning recovery amount at different potentials. The horizontal axis in FIG. 8 indicates the time (h) during which the cell voltage is held at each voltage, and the vertical axis in FIG. 8 indicates the catalyst activity. This catalytic activity indicates the catalytic activity when the cell voltage is 0.9V.
曲線Ｌ１０は、セル電圧を−０．２Ｖとしたときの触媒活性を示す。曲線Ｌ２０は、セル電圧を０．１Ｖとしたときの触媒活性を示す。曲線Ｌ３０は、セル電圧を０．９５Ｖとしたときの触媒活性を示す。なお、セル電圧は、制御部２０がＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、単セル１１に電圧を掛ける。この際、電気は二次電池８１から放電される。また、回復電圧Ｖが−（マイナス）の場合は、電圧の高低さが反対となるように制御部２０がＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御している。
Curve L10 shows the catalytic activity when the cell voltage is -0.2V. Curve L20 shows the catalytic activity when the cell voltage is 0.1V. Curve L30 shows the catalytic activity when the cell voltage is 0.95V. The cell voltage is applied to the
図８は、セル電圧により触媒活性の回復量が異なることを示している。また、触媒活性の回復量は、セル電圧を−０．２Ｖとした場合が最も大きく、セル電圧を０．１Ｖとした場合が次に大きく、セル電圧を０．９５Ｖとした場合が最も小さいことを、図８は示している。 FIG. 8 shows that the recovery amount of the catalyst activity varies depending on the cell voltage. In addition, the recovery amount of the catalyst activity is the largest when the cell voltage is −0.2V, the second largest when the cell voltage is 0.1V, and the smallest when the cell voltage is 0.95V. FIG. 8 shows this.
図９は、異なるセル電圧における被毒回復量の差を示す図である。図９の横軸は、セル電圧を示し、図９の縦軸は、セル電圧が０．９Ｖのときの触媒活性を示している。図９の結果は、各セル電圧で８時間保持した場合の触媒活性の回復量を示す。なお、試験開始時の触媒活性は０．０２２であった。 FIG. 9 is a diagram showing a difference in poisoning recovery amount at different cell voltages. The horizontal axis of FIG. 9 shows the cell voltage, and the vertical axis of FIG. 9 shows the catalytic activity when the cell voltage is 0.9V. The result of FIG. 9 shows the recovery amount of the catalyst activity when held at each cell voltage for 8 hours. The catalyst activity at the start of the test was 0.022.
図９は、セル電圧を０．２Ｖ以上で保持した場合に比べ、セル電圧を０．２Ｖ以下で保持した場合に、触媒活性の回復量が高いことを示している。 FIG. 9 shows that the recovery amount of the catalyst activity is higher when the cell voltage is held at 0.2 V or lower than when the cell voltage is held at 0.2 V or higher.
図１０は、保持時間と触媒活性回復率との関係の一例を示す図である。図１０の横軸は、セル電圧を０．０５Ｖで保持した時間を示し、図１０の縦軸は、触媒活性の回復率を示している。なお、最も高い触媒活性は、０．０３６であり、試験開始時の触媒活性は０．０２２である。図１０は、保持時間の常用対数値と触媒活性回復率とは相関関係があることを示している。 FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the relationship between the retention time and the catalyst activity recovery rate. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the time during which the cell voltage is held at 0.05 V, and the vertical axis in FIG. 10 indicates the recovery rate of the catalyst activity. The highest catalytic activity is 0.036, and the catalytic activity at the start of the test is 0.022. FIG. 10 shows that there is a correlation between the common logarithm value of the retention time and the catalyst activity recovery rate.
ステップＳ１００（図５）では、制御部２０は、燃料電池１０をアイドル運転から間欠運転に移行する際の電流密度の変異から、面積Ｓの有無および面積Ｓの大きさを判断する。また、面積Ｓの大きさより、制御部２０は触媒の被毒量を推定する。なお、制御部２０は、面積Ｓと触媒の被毒量の関係（図７参照）を示すデータＤＴ１を有している。このため、制御部２０は、データＤＴ１と面積Ｓより触媒の被毒量を推定できる。
In step S100 (FIG. 5), the
面積Ｓの有無および面積Ｓの大きさの判断は、燃料電池１０をアイドル運転から間欠運転に移行する際の電流密度の変異から行う。電流密度の変異は、セル電圧の低下により起こる。このため、触媒の活性回復を目的とした新たな工程を設けることなく、触媒活性の回復が必要か否かについて判断できる。
The presence / absence of the area S and the size of the area S are determined from the variation in current density when the
また、セル電圧の低下は、制御部２０がエアコンプレッサ３２と開閉弁３４とを制御してエア流量を減らすことにより起こる。通常、エアコンプレッサ３２と開閉弁３４とは、燃料電池システムに設けられている。このため、触媒の活性回復を目的とした特別な装置を設けることなく、触媒活性の回復が必要か否かについて判断できる。
Further, the cell voltage is lowered by the
エア流量を減らす際、制御部２０は、セル電圧の降下速度が常に一定となるように、エアコンプレッサ３２と開閉弁３４とを制御する。こうすることにより、アニオン被毒の程度が同じであれば、電流密度の変化は同じ変化の仕方をする。このため、アニオン被毒の程度が電流密度に正確に反映されるため、面積Ｓの大きさをより正確に判断でき、その結果、後述する回復電圧Ｖおよび保持時間Ｔを、より正確に設定できる。
When reducing the air flow rate, the
図５のステップＳ１０５では、制御部２０は、触媒の被毒量の有無を判断する。面積Ｓが所定の値以上であると制御部２０が判断した場合、ステップＳ１１０に進む。一方、面積Ｓが所定の値未満であると制御部２０が判断した場合、フローは終了する。
In step S105 of FIG. 5, the
ステップＳ１１０では、制御部２０は、面積Ｓから回復電圧Ｖおよび保持時間Ｔを設定する。なお、制御部２０は、異なるセル電圧における保持時間とアニオン被毒回復量の関係（図８参照）を示すデータＤＴ２を有している。このため、制御部２０は、データＤＴ２と面積Ｓから、回復電圧Ｖおよび保持時間Ｔを設定できる。
In step S110, the
回復電圧は低いほうが触媒活性の回復量は大きいことを図８は示している。しかし、回復電圧を低くすると、触媒であるＰｔの溶解がおこり、その結果、触媒活性が低下する。このため、本実施形態において、触媒の活性が最大活性の８０％未満の場合、回復電圧は０．０５Ｖで行う。一方、触媒の活性が最大活性の８０％以上の場合は、回復電圧は０．１Ｖで行う。こうすることにより、触媒の溶解による触媒活性の低下を抑制しつつ、必要な分だけ触媒の活性を回復させることができる。 FIG. 8 shows that the lower the recovery voltage, the larger the recovery amount of the catalyst activity. However, when the recovery voltage is lowered, the catalyst Pt is dissolved, and as a result, the catalytic activity is lowered. For this reason, in this embodiment, when the activity of the catalyst is less than 80% of the maximum activity, the recovery voltage is 0.05V. On the other hand, when the activity of the catalyst is 80% or more of the maximum activity, the recovery voltage is 0.1V. By doing so, it is possible to recover the activity of the catalyst by a necessary amount while suppressing a decrease in the catalyst activity due to the dissolution of the catalyst.
本実施形態において、保持時間は、決定した回復電圧で触媒の活性が最大活性の９０％となる時間とする。例えば、触媒の推定活性が最大活性の６０％の場合、制御部２０は回復電圧を０．０５Ｖとし、保持時間を１００分とする。
In the present embodiment, the holding time is a time at which the activity of the catalyst becomes 90% of the maximum activity at the determined recovery voltage. For example, when the estimated activity of the catalyst is 60% of the maximum activity, the
ステップＳ１２０では、アニオン被毒回復処理を実施する。具体的には、保持時間Ｔの間、セル電圧を回復電圧Ｖとなるように、制御部２０がＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御することにより、アニオン被毒回復処理を実施する。保持時間Ｔの経過後、制御部２０は、セル電圧の制御を停止する。
In step S120, an anion poisoning recovery process is performed. Specifically, during the holding time T, the
次に、パーキングモードからドライブモードにシフトするとの出力要求を制御部２０が受信した場合（ステップＳ１３０）、つまり、間欠運転からアイドル運転となった場合、制御部２０は、ステップＳ１００で確認した面積ＳとデータＤＴ２（異なるセル電圧における保持時間とアニオン被毒回復量の関係（図８参照）を示すデータ）より、触媒活性の回復量ΔＩ１の推定を行う（ステップＳ１４０）。なお、保持時間Ｔの経過前に、パーキングモードからドライブモードにシフトするとの出力要求を制御部２０が受信した場合、セル電圧が回復電圧Ｖに保持できた時間から触媒活性の回復量の推定ΔＩ１を、データＤＴ２を参照して行う（ステップＳ１４０）。
Next, when the
ステップＳ１５０では、制御部２０は、アイドル運転時の電流密度を測定する。アイドル運転時の電流密度を測定することにより、アニオン被毒回復後の触媒活性を測定できる。
In step S150, the
ステップＳ１６０では、制御部２０は、ステップＳ１５０で測定した実際の触媒活性とステップＳ１００以前のアイドル運転時の電流密度との差である触媒活性の回復量ΔＩ２を算出する。その後、触媒活性の回復量ΔＩ２が、ステップＳ１３０で推定した触媒活性の回復量ΔＩ１と同じまたは誤差σの範囲内か、そうではないかについて、制御部２０が判断する。
In step S160, the
触媒活性の回復量ΔＩ２が、ステップＳ１３０で推定した触媒活性の回復量ΔＩ１と同じまたは誤差σの範囲内の場合（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、フローは終了する。一方、触媒活性の回復量ΔＩ２が、ステップＳ１３０で推定した触媒活性の回復量ΔＩ１と同じではなく、かつ、誤差σの範囲内でもない場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部２０は、面積Ｓと触媒の被毒量の関係（図７参照）を示すデータＤＴ１を修正した後、フローは終了する。
If the recovery amount ΔI2 of the catalyst activity is the same as the recovery amount ΔI1 of the catalyst activity estimated in step S130 or is within the error σ (step S160: YES), the flow ends. On the other hand, when the recovery amount ΔI2 of the catalyst activity is not the same as the recovery amount ΔI1 of the catalyst activity estimated in step S130 and is not within the error σ (step S160: NO), the
このようにすることにより、触媒の活性回復を目的とした新たな工程を設けることなく、触媒活性の回復が必要か否かについて判断できる。また、触媒の活性回復を目的とした特別な装置を設けることなく、触媒活性の回復が必要か否かについて判断できる。 By doing in this way, it can be judged whether restoration of catalyst activity is required, without providing a new process aiming at restoration of catalyst activity. Further, it is possible to determine whether or not it is necessary to restore the catalyst activity without providing a special device for the purpose of restoring the activity of the catalyst.
そして、エア流量を減らす際、制御部２０は、セル電圧の降下速度が一定となるように、エアコンプレッサ３２と開閉弁３４とを制御することにより、より正確に電流の変異を測定できる。より正確に電流の変異を測定できることにより、面積Ｓの大きさをより正確に判断できるため、後述する回復電圧Ｖおよび保持時間Ｔを、より正確に設定できる。
When the air flow rate is reduced, the
また、燃料電池システムは、面積Ｓと触媒の被毒量の関係（図７参照）を示すデータＤＴ１を適宜修正することにより、現状に対応した形態での触媒活性の回復が可能となる。 In addition, the fuel cell system can recover the catalyst activity in a form corresponding to the current situation by appropriately modifying the data DT1 indicating the relationship between the area S and the poisoning amount of the catalyst (see FIG. 7).
アイドル運転時の電流密度だけでは、触媒活性の低下が何に由来するかの特定ができなかった。しかし、面積Ｓからアニオン被毒量を正しく推定することにより、触媒活性の回復を必要なときに、必要な量だけ行うことができる。 Only the current density during idling could not identify what caused the decrease in catalyst activity. However, by correctly estimating the anion poisoning amount from the area S, it is possible to perform the necessary amount only when the recovery of the catalytic activity is necessary.
なお、本実施形態における「ＤＣ／ＤＣコンバータ８２」は、課題を解決するための手段における「電圧制御部」に相当する。「エアコンプレッサ３２および開閉弁３４」は、空気供給手段」に相当する。
The “DC /
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態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。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
Ｂ１．変形例１：
本実施形態においては、アイドル運転から間欠運転に移行することによりセル電圧を降下させる方法として、エアコンプレッサ３２と開閉弁３４を制御して、空気を送る量を減らす方法を用いた。しかし、本発明はこれに限定されない。アイドル運転から間欠運転に移行することによりセル電圧を降下させる方法として、アノードガスを制御してセル電圧を降下させてもよい。
B1. Modification 1:
In the present embodiment, as a method of decreasing the cell voltage by shifting from idle operation to intermittent operation, a method of controlling the
Ｂ２．変形例２：
本実施形態において、セル電圧の降下速度を一定としたが、本発明はこれにかぎられない。面積Ｓが判断できる方法であれば、セル電圧の降下速度はばらついてもよい。
B2. Modification 2:
In the present embodiment, the cell voltage drop rate is constant, but the present invention is not limited to this. As long as the area S can be determined, the cell voltage drop rate may vary.
Ｂ３．変形例３：
本実施形態において、触媒活性の回復量ΔＩ２が、ステップＳ１３０で推定した触媒活性の回復量ΔＩ１と同じではなく、かつ、誤差σの範囲内でもない場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部２０は、面積Ｓと触媒の被毒量の関係（図７参照）を示すデータＤＴ１を修正する。しかし、本発明は、これに限られない。触媒活性の回復量ΔＩ２が、ステップＳ１３０で推定した触媒活性の回復量ΔＩ１と同じではなく、かつ、誤差σの範囲内でもない場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）においても、面積Ｓと触媒の被毒量の関係（図７参照）を示すデータＤＴ１を修正しなくてもよく、異なるセル電圧における保持時間とアニオン被毒回復量の関係（図８参照）を示すデータＤＴ２を修正してもよい。
B3. Modification 3:
In the present embodiment, when the recovery amount ΔI2 of the catalyst activity is not the same as the recovery amount ΔI1 of the catalyst activity estimated in step S130 and is not within the range of the error σ (step S160: NO), the
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments and the modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
１…電解質膜
２…電極
３…電極
５…膜電極接合体
１０…燃料電池
１１…単セル
２０…制御部
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
８１…二次電池
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
１００…燃料電池システム
２００…モータ
Ｐ…ピーク
Ｓ…面積
Ｖ…回復電圧
Ｔ…保持時間
Ｌ１…破線
ΔＩ１…回復量
Ｌ２…破線
ΔＩ２…回復量
Ｐｔ…目標電力
Ｉｔ…目標電流
Ｖｔ…目標電圧
ＧI…グラフ
Ｌ１０…曲線
Ｌ２０…曲線
Ｌ３０…曲線
ＣＤ１…電流密度
ＣＤ２…電流密度
ＤＴ１…データ
ＤＴ２…データ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
白金を含む触媒を備える燃料電池と、
前記燃料電池のセル電圧を制御することによって、前記触媒の活性を回復させる電圧制御部と、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池をアイドル運転から間欠運転に移行することにより電圧を低下させる際の電流の変化を検知し、
前記電圧制御部を制御して、前記電流の変化に応じて設定した、回復時間と回復用電圧とにしたがって前記触媒の活性を回復することができる、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell comprising a catalyst comprising platinum;
A voltage controller that restores the activity of the catalyst by controlling a cell voltage of the fuel cell;
A control unit for controlling the fuel cell system,
The controller is
Detecting a change in current when lowering the voltage by shifting the fuel cell from idle operation to intermittent operation,
A fuel cell system capable of recovering the activity of the catalyst in accordance with a recovery time and a recovery voltage set according to a change in the current by controlling the voltage control unit.
さらに、前記燃料電池に空気を送る空気供給手段を備え、
前記制御部は、前記空気供給手段を制御して、空気を送る量を減らすことにより前記電圧の低下を行う、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
Furthermore, an air supply means for sending air to the fuel cell is provided,
The said control part controls the said air supply means, The fuel cell system which reduces the said voltage by reducing the quantity which sends air.
前記制御部は、前記電圧の降下を一定の速度で行う、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 2, wherein
The said control part is a fuel cell system which performs the fall of the said voltage at a fixed speed | rate.
前記燃料電池をアイドル運転から間欠運転に移行することにより電圧を低下させる際の電流の変化を検知する工程と、
前記電流の変化に応じて設定した、回復時間と回復用電圧とにしたがって前記触媒の活性を回復する工程と、を備える方法。 A method for recovering the activity of a catalyst of a fuel cell comprising a catalyst comprising platinum,
Detecting a change in current when the voltage is decreased by shifting the fuel cell from idle operation to intermittent operation;
Recovering the activity of the catalyst according to a recovery time and a recovery voltage set according to the change in the current.
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