JP2017224575A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
触媒層の劣化を促進する要因として、触媒層上で生じる酸化還元反応の繰り返しが挙げられる。例えば、車両の加減速に伴い燃料電池に要求される出力電力が変動すると、燃料電池の運転状態はアイドル運転と発電運転との間で変化し、それに伴い単セルの電圧(以下、セル電圧という)は、アイドル運転時の高電圧域と発電運転時の低電圧域との間で変動する。このようなセル電圧の増加及び低下に伴って触媒層上では酸化還元反応が繰り返され、これにより特に空気極側の触媒層の白金粒子はオストワルド成長による凝集や白金溶出によって発電反応比面積が減少し、これらの現象が触媒層の劣化を進行させる要因となる。
このため特許文献1の技術のように、セル電圧が所定範囲にあることを条件として湿度低下のために単一の手法(加湿器による加湿量の抑制等)を適用するだけでは、燃料電池の運転状態に合致した最適な湿度低下を実現できない。結果として、例えば湿度の低下幅が不足した場合には酸化還元反応を十分に抑制できなくなり、また、湿度低下の応答性が悪い場合には発生直後の酸化還元反応を迅速に抑制できなくなることから、白金凝集・溶出に起因する触媒層の劣化を確実に防止できるとは言い難かった。
その他の態様として、前記湿度低下手段が、前記電圧が低下方向に変化した場合には低下率が大であるほど、前記電圧が所定値以上の場合にはアイドル相当値に接近するほど、前記電圧が増加方向に変化した場合には増加率が大であるほど、それぞれ目標湿度をより低下側に設定し、該目標湿度に基づき前記湿度低下手法を実行することが好ましい。
その他の態様として、前記湿度低下手段が、湿度低下を要しない場合の通常制御時の湿度を前記目標湿度の上限とし、前記電圧が低下方向に変化した場合に前記目標湿度の下限を最も低くし、前記電圧が増加方向に変化した場合には前記目標湿度の下限を最も高くし、該上限と下限との間で目標湿度を設定することが好ましい。
この態様によれば、複数の湿度低下手法として互いに異なる制御内容が設定され、現在の電圧に対応する湿度低下手法の制御内容により湿度低下がなされる。
この態様によれば、複数の湿度低下手法として同一の制御内容が設定されると共に、制御内容に適用する制御量が異にされ、現在の電圧に対応する制御量により湿度低下手法の制御内容が実行されて湿度低下がなされる。
図1は本実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。
本実施形態の電動車両1は、モータ2を走行用動力源とすると共に、その電源として2次電池3及び燃料電池システム4を備えたハイブリッド燃料電池車両である。周知のように2次電池3は、化学反応により直流電力を充放電可能な電池であり、燃料電池システム4は、後述する燃料電池10での水素ガスを用いた電気化学反応により発電するシステムである。基本的にモータ2は2次電池3からの電力により駆動され、燃料電池システム4は主に2次電池3を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータ2の駆動にも利用される。
燃料電池システム4は、燃料電池10、水素タンク11、エアブロアー12、加湿装置13、DC-DCコンバータ14等から構成される。本実施形態の燃料電池10は固体高分子型燃料電池であり、所期の電圧が得られるように多数の単セルを積層して直列接続してなる。それぞれの単セルは、固体高分子膜10a(電解質)の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極(負極)10b及び空気極(正極)10cを貼り合わせてMEA(Membrane Electrode Assembly:膜/電極接合体)を構成し、そのMEAを多孔質のガス拡散層及びガス流路を有するセパレータにより挟持してなる。このような構成は典型的な燃料電池10の構成に倣うため、図2では図示を省略する。
一方、燃料電池10は一対の冷却ライン32,33を介してラジエータ34と接続され、一方の冷却ライン32にはウォータポンプ35が介装されている。結果として燃料電池10、一方の冷却ライン32、ラジエータ34、他方の冷却ライン33からなる環状の冷却回路36が形成され、内部に充填された冷却水がウォータポンプ35の駆動により循環する。
例えばFC-ECU40は、水素タンク11及びエアブロアー12の元弁17,27を共に所定の開度で開弁し、水素タンク11から吐出される水素ガスを水素供給ライン15を経て燃料極10bに供給すると共に、エアブロアー12から吐出される空気を空気供給ライン25を経て空気極10cに供給する。
一方、インバータ5にはモータECU45が接続され、このモータECU45によりモータ2の駆動制御等が実行される。例えばモータECU45はインバータ5を駆動制御し、2次電池3や燃料電池10から供給される出力電力によりモータ2を駆動する一方、モータ2による回生電力を2次電池3に充電する。
以上のFC-ECU40、モータECU45及びバッテリECU49は、上位ユニットに相当する車両ECU46に接続されており、各ECU40,45,46,49は、それぞれ入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央演算処理装置(CPU)等から構成されている。
そのために車両ECU46には、アクセルセンサ47からのアクセル開度等の各種検出情報が入力されると共に、バッテリECU49を介してバッテリモニタリングユニット48から2次電池3のSOC(充電率:State Of Charge)や温度TBAT等が入力され、FC-ECU40を介して燃料電池システム4の運転状態が入力され、モータECU45を介してモータ2の運転状態が入力される。
また車両ECU46は、2次電池3のSOCや車両走行のための要求出力に基づき燃料電池システム4の出力電力を算出し、その出力電力を達成するようにFC-ECU40に指令信号を出力する。例えば、2次電池3のSOCが所定値未満まで低下して充電を要する場合、或いは2次電池3からの電力供給のみではモータ2が要求出力を達成不能と判定した場合、車両ECU46は燃料電池10の出力電力を増加側に設定する。
このような点を鑑みて本発明者は、燃料電池10の運転状態毎に予め湿度低下の達成に最適な手法(以下、湿度低下手法という)をそれぞれ設定し、現在の燃料電池10の運転状態に対応する湿度低下手法を選択して湿度低下する対策を見出した。以下、この知見の下に実施される触媒層の劣化防止について説明する。
燃料電池10を冷却する冷却回路36のウォータポンプ35の回転速度を低下または停止させ、冷却水の流量を低下または流量0とする。これにより燃料電池10のセル温度が上昇して、燃料極10bの水素ガスや空気極10cの空気の湿度が低下する(本発明のセル温度の上昇制御であり、以下、制御内容1という)。
また、水素ガスに関しては、元弁17の開度を増加させて燃料極10bへの水素ガスの供給量を増加させる。空気に関しては、エアブロアー12の回転速度を増加させて空気極10cへの空気の供給量を増加させる。これらの処理は何れか一方でもよいし、双方の処理を実行してもよい。多量のガス流入により燃料極10bの水素ガスや空気極10cの空気が乾燥し、結果として湿度が低下する。なお、この現象を生起させるには、流入する水素ガスや空気がある程度低湿度である必要がある(本発明のガス流量の増加制御であり、以下、制御内容4という)。
まず、図3に示したように燃料電池10の運転状態はセル電圧Vと相関し、運転状態をセル電圧Vで表すと4種の状況に大別できる。即ち、燃料電池10が発電運転中でセル電圧Vが低電圧域に保たれている状況(以下、低電圧時Aという)、発電運転からアイドル運転への移行中でセル電圧Vが増加方向に変化している状況(以下、電圧増加時Bという)、アイドル運転中でセル電圧Vが高電圧域(アイドル相当値)に保たれている状況(以下、高電圧時Cという)、アイドル運転から発電運転への移行中でセル電圧Vが低下方向に変化している状況(以下、電圧低下時Dという)である。
まず各セル電圧Vの状況(A〜D)において、触媒層上でのPt反応及びPt反応による触媒層の劣化状態を下表1に示す。
セル電圧Vの電圧低下時D(本発明の第1状態に相当)では、触媒層上でのPtの反応は酸化から還元に変化し、このときの反応状態の変化は触媒層を劣化させる重篤な要因になる共に、その劣化への影響度はセル電圧Vの低下率が大である場合ほど高まる。よって、劣化防止のためには水素ガスや空気の湿度を大幅に低下させることが、他の運転状態に比較して最も強く要求される。また、高電圧時Cから電圧低下時Dへの移行は、例えば運転者の急激なアクセルオン等により発生するため、電圧低下時Dへの移行に伴って迅速に湿度低下させる必要があり、湿度低下に良好な応答性が要求される。
なお、以上の各湿度低下手法b〜dに関する説明から明らかなように、湿度低下手法cと湿度低下手法b,dとは互いに異なる制御内容が設定されていることから、本願の請求項5の複数の湿度低下手法の関係に相当し、湿度低下手法bと湿度低下手法dとは互いに同一の制御内容が設定されると共に、制御内容に適用する制御量を異にしていることから、本願の請求項6の複数の湿度低下手法の関係に相当する。
図4はFC-ECU40が実行する湿度低下ルーチンを示すフローチャートであり、FC-ECU40は燃料電池10の運転中に当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
ステップS2の判定がNo(否定)のときにはステップS3に移行し、セル電圧Vが所定値V0以上であるか否か、即ちセル電圧Vが高電圧域に保たれる高電圧時Cを含め、触媒層の劣化現象が生じるような高いセル電圧Vであるか否かを判定する。ステップS3の判定がNoのときにはステップS4に移行し、セル電圧Vの変化率V’が正であるか否か、即ちセル電圧Vが増加中の電圧増加時Bであるか否かを判定し、Noのときには一旦ルーチンを終了する。
また、ステップS3の判定がYesのときにはステップS7に移行し、図示のマップに基づきセル電圧Vから目標湿度を算出する。続くステップS8では、制御量を大として湿度低下手法c(制御内容1,2)を実行する。
以上のように本実施形態の燃料電池システム4によれば、触媒層の劣化の可能性がある燃料電池10の運転状態、即ちセル電圧Vの電圧増加時B、高電圧時C及び電圧低下時Dの各運転状態において、触媒層の劣化防止のための湿度低下に要求される条件(湿度の低下幅や応答性等)を考慮した上で、予め各運転状態に対し制御量を含めて最適な制御内容となるようにそれぞれ湿度低下手法b〜dを設定し、燃料電池10の運転状態が切り換わる毎に、その運転状態に対応する湿度低下手法b〜dを選択・実行して湿度低下を達成している。
また、セル電圧Vの電圧増加時Bには、その増加率が大であるほど目標湿度を低下側に設定し、高電圧時Cには、セル電圧Vが高電圧域に接近するほど目標湿度を低下側に設定し、電圧低下時Dには、セル電圧Vの低下率が大であるほど目標湿度を低下側に設定している。セル電圧Vの低下率が大であるほど、セル電圧Vが高電圧域に接近するほど、セル電圧Vの増加率が大であるほど、それぞれ触媒層上での酸化還元反応に起因する白金凝集・溶出の可能性が高まるが、それに応じて目標湿度が低下側に設定されることから酸化還元反応をより確実に抑制することができる。
10 燃料電池
10b 燃料極
10c 空気極
41 電圧センサ(セル電圧検出手段)
40 FC-ECU(湿度低下手段)
Claims (6)
- 触媒層を有する燃料極及び空気極を備え、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に空気を供給して発電する燃料電池において、
前記燃料電池の出力電力に応じて変動する前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の稼動状態に応じて変化する複数の電圧状態に対応して選択される複数の湿度低下手法から現在の前記燃料電池の電圧状態に対応する湿度低下手法を選択して湿度低下を実行する湿度低下手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記複数の電圧状態として、前記電圧が低下方向に変化する第1状態、前記電圧が所定値以上となる第2状態、前記電圧が増加方向に変化する第3状態の内、少なくも2つ以上の状態を有すると共に、該2つ以上の状態のそれぞれに対応した前記湿度低下手法が予め設定され、
前記湿度低下手段は、前記複数の電圧状態の内何れかの状態が発生したときに湿度低下を要すると判定し、該発生した状態に対応する湿度低下手法を選択して実行する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記湿度低下手段は、前記電圧が低下方向に変化した場合には低下率が大であるほど、前記電圧が所定値以上の場合にはアイドル相当値に接近するほど、前記電圧が増加方向に変化した場合には増加率が大であるほど、それぞれ目標湿度をより低下側に設定し、該目標湿度に基づき前記湿度低下手法を実行する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記湿度低下手段は、湿度低下を要しない場合の通常制御時の湿度を前記目標湿度の上限とし、前記電圧が低下方向に変化した場合に前記目標湿度の下限を最も低くし、前記電圧が増加方向に変化した場合には前記目標湿度の下限を最も高くし、該上限と下限との間で目標湿度を設定する
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 - 前記複数の湿度低下手法は、湿度低下を目的としたセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、ガス流量の増加制御の内の互いに異なる何れかの制御内容が設定されている
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記複数の湿度低下手法は、湿度低下を目的としたセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、ガス流量の増加制御の内の同一の制御内容が設定されると共に、該設定された制御内容に適用する制御量を異にする
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池システム。
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