JP5601178B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
[形態1]
燃料電池システムであって、電解質膜の両側に触媒電極が形成された燃料電池セルを1つ以上有する燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池の出力状態を制御する電池出力制御部と、前記電池出力制御部による前記燃料電池の制御状態が、前記出力状態測定部により測定される前記燃料電池セルの電圧が所定の下限電圧以上上限電圧以下となるように、前記ガス供給部による前記ガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返し、前記燃料電池システムの負荷に対する電力の供給を停止する待機制御状態において、前記ガスの供給の実行と停止の間欠的な繰り返しの時間間隔を測定する時間間隔測定部と、前記触媒電極の劣化状態を判定する触媒劣化判定部と、を備え、前記触媒劣化判定部は、前記待機制御状態において前記時間間隔測定部により測定した時間間隔が、予め設定された許容時間間隔よりも大きい場合に、前記触媒電極が劣化していると判定することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、従来技術のCVの測定に比べて、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることが可能であり、また、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することが可能である。
[形態2]
形態1に記載の燃料電池システムであって、前記電池出力制御部は、前記触媒劣化判定部によって前記触媒電極が劣化していると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を触媒活性化電圧に低下させる触媒活性化制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することができるとともに、この判定を受けて、触媒活性化制御を実行することにより触媒の劣化状態を回復させることが可能である。
[形態3]
形態2に記載の燃料電池システムであって、前記電池出力制御部は、前記待機制御状態から前記負荷に対する電力の供給制御状態に移行する際に前記触媒活性化制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、待機制御状態から負荷に対する電力の供給制御状態に移行する際に触媒活性化制御を実行することができるので、効率的な触媒活性化のタイミングで触媒の劣化状態を回復させることが可能である。
燃料電池システムであって、電解質膜の両側に触媒電極が形成された燃料電池セルを1つ以上有する燃料電池と、前記燃料電池の出力状態を制御する電池出力制御部と、前記燃料電池の出力状態を測定する出力状態測定部と、前記触媒電極の劣化状態を判定する触媒劣化判定部と、を備え、前記触媒劣化判定部は、前記電池出力制御部による前記燃料電池の制御状態が前記燃料電池システムの負荷に対する電力の供給を停止する待機制御状態において、前記出力状態測定部により測定した前記燃料電池の出力電流値が、予め設定された出力電流の許容電流値よりも低い場合に、前記触媒電極が劣化していると判定することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、従来技術のCVの測定に比べて、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることが可能であり、また、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することが可能である。
適用例1に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部を備え、前記待機制御状態は、前記出力状態測定部により測定される前記燃料電池セルの電圧が所定の下限電圧値以上上限電圧値以下となるように、前記ガス供給部による前記ガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返す制御状態であることを特徴とする燃料電池システム。
例えば、燃料電池システムの始動時や、駆動対象に対して電力の供給を停止する、いわゆる無負荷時のような場合には、待機制御状態として、燃料電池セルの電圧が所定の下限電圧値以上上限電圧値以下となるように、ガス供給部によるガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返す制御がなされる場合がある。上記構成によれば、このような待機制御状態を利用して、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することが可能であり、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることが可能である。
適用例1に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部を備え、前記待機制御状態は、前記出力状態測定部により測定される前記燃料電池セルの電圧が所定の上限電圧値となるように、前記ガス供給部による前記ガスの供給が制御されている制御状態であることを特徴とする燃料電池システム。
例えば、燃料電池システムの始動時や、駆動対象に対して電力の供給を停止する、いわゆる無負荷時のような場合には、待機制御状態として、燃料電池セルの電圧が所定の上限電圧値となるように、ガス供給部によるガスの供給が制御される場合がある。上記構成によれば、このような待機制御状態を利用して、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することが可能であり、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることが可能である。
燃料電池システムであって、電解質膜の両側に触媒電極が形成された燃料電池セルを1つ以上有する燃料電池と、前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池の出力状態を制御する電池出力制御部と、前記電池出力制御部による前記燃料電池の制御状態が、前記出力状態測定部により測定される前記燃料電池セルの電圧が所定の下限電圧以上上限電圧以下となるように、前記ガス供給部による前記ガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返し、前記燃料電池システムの負荷に対する電力の供給を停止する待機制御状態において、前記ガスの供給の実行と停止の間欠的な繰り返しの時間間隔を測定する時間間隔測定部と、前記触媒電極の劣化状態を判定する触媒劣化判定部と、を備え、前記触媒劣化判定部は、前記待機制御状態において前記時間間隔測定部により測定した時間間隔が、予め設定された許容時間間隔よりも大きい場合に、前記触媒電極が劣化していると判定することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、従来技術のCVの測定に比べて、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることが可能であり、また、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することが可能である。
適用例1ないし適用例4のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、前記電池出力制御部は、前記触媒劣化判定部によって前記触媒電極が劣化していると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を触媒活性化電圧に低下させる触媒活性化制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、触媒電極の劣化状態を簡便に判定することができるとともに、この判定を受けて、触媒活性化制御を実行することにより触媒の劣化状態を回復させることが可能である。
適用例5に記載の燃料電池システムであって、前記電池出力制御部は、前記待機制御状態から前記負荷に対する電力の供給制御状態に移行する際に前記触媒活性化制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、待機制御状態から負荷に対する電力の供給制御状態に移行する際に触媒活性化制御を実行することができるので、効率的な触媒活性化のタイミングで触媒の劣化状態を回復させることが可能である。
A.触媒劣化判定の基本概念:
B.第1実施例:
C.第2実施例:
D.第3実施例:
E.変形例:
図1は、本発明の燃料電池の触媒電極の劣化判定の基本概念について示す説明図であり、図1(A)は燃料電池セルの発電特性、すなわち、電流対電圧特性について示しており、図1(B)は触媒電極の劣化判定の流れについて示している。
it0=k・θt0・exp[−(α・n・F/RT)・Et0] ・・・(1)
k:反応速度定数
θt0:始動直後の反応に寄与する触媒の割合(触媒率)
α:移動係数
n:酸化還元反応電子数
F:ファラデー定数
R:気体定数
T:燃料電池の温度
itr=k・θtr・exp[−(α・n・F/RT)・Et0] ・・・(2)
θtr:運転経時後の反応に寄与する触媒率
it0’=it0=k・θtr・exp[−(α・n・F/RT)・(Et0+Δη)] ・・・(3)
よって、θtrは、(1),(3)式から下式(4)で表されることになる。
θtr=θt0・exp[(α・n・F/RT)・Δη] …(4)
itr=k・θt0・exp[−(α・n・F/RT)・Et0]・exp[(α・n・F/RT)・Δη]
=it0・exp[(α・n・F/RT)・Δη] ・・・(5)
すなわち、所定電圧Et0における許容電流値itrは、所定電圧Et0における初期電流値it0および許容降下電圧値Δηに基づいて設定することができる。
B1.燃料電池システムの構成例:
図2は、第1実施例における燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。この燃料電池システム10は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
図3は、第1実施例における触媒劣化判定ルーチンを示すフローチャートである。図4は、図3の触媒劣化判定ルーチンにおける処理について示す説明図である。この触媒劣化判定ルーチンは、電気自動車の起動前は暗電流、具体的には、二次電池610に蓄積されている電力にて実行される。
itri=it0i・exp[(α・n・F/RT)・Δη] ・・・(6)
従って、初期待機電流値it0iを測定すれば、上記(6)式から判定基準電流値itriを算出することが可能である。
なお、例えば、Δη=−5mV,α=0.5,n=4,F=9.64853×104Cmol−1,R=8.31447JK−1mol−1,T=353K(=80℃)とすると、判定基準電流値itriは、上記した(6)式を用いて、下式(7)で表される。
itri≒0.72・it0i ・・・(7)
従って、初期待機電流値it0iを測定すれば、上記(7)式から判定基準電流値itriを算出することができる。
C1.燃料電池システムの構成例:
図5は、第2実施例における燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。この燃料電池システム10Bは、制御部700のCPU710が、電池出力制御部710aおよび触媒劣化判定部710bに加えて、時間間隔測定ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより時間間隔測定部710cとして機能する点を除いて、第1実施例の燃料電池システム10の構成と全く同じである。
図6は、第2実施例における触媒劣化判定ルーチンを示すフローチャートである。図7は、第6の触媒劣化判定ルーチンにおける処理について示す説明図である。この触媒劣化判定ルーチンも、電気自動車の起動前は暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、CPU710の触媒劣化判定部710bは、第1実施例の触媒劣化判定ルーチン(図3参照)と同様に、始動スイッチ740がオン状態にあるか否か判定する(ステップS100)。ここで、始動スイッチ740がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定したときには、触媒劣化判定部710bは、ステップS110の処理を繰り返して、始動スイッチ740が操作者によって操作されてオン状態となるのを待つ。なお、始動スイッチ740がオン状態となった場合には、第1実施例の場合と同様に、別途、電池出力制御部710aによって燃料電池100が起動される。電池出力制御部710aは、第1実施例の場合と同様に、まず、アクセル750がオン状態となって燃料電池100のモータ630を駆動するための通常の発電制御を実行して通常の発電を開始するまで、待機制御を実行する。そして、アクセル750がオン状態となった場合には、通常の発電を開始する。
tt0=Vc/it0i
=Vc・{k・θt0・exp[−(α・n・F/RT)・EH]}−1 ・・・(8)
同様に、判定基準待機制御時間間隔ttrは、上記(6)式の判定基準電流値itriおよび上記(8)式の初期待機制御時間間隔tt0を用いて下式(9)のように表される。
ttr=Vc/itri
=Vc/{it0i・exp[(α・n・F/RT)・Δη]}
=(Vc/itri)・{1/exp[(α・n・F/RT)・Δη]}
=tt0・exp[−(α・n・F/RT)・Δη] ・・・(9)
従って、初期待機制御時間間隔tt0を測定すれば、上記(9)式から判定基準待機制御時間間隔ttrを算出することが可能である。
なお、例えば、Δη=−5mV,α=0.5,n=4,F=9.64853×104Cmol−1,R=8.31447JK−1mol−1,T=353K(=80℃)とすると、判定基準待機制御時間間隔ttrは、上記した(9)式を用いて、下式(10)のように表される。
ttr≒1.38・tt0 ・・・(10)
従って、初期待機制御時間間隔tt0を測定すれば、上記(10)式から判定基準待機制御時間間隔ttrを算出することができる。
図8は、第3実施例における触媒劣化判定ルーチンの一部を示すフローチャートである。図8は、図3に示した第1実施例における触媒劣化判定ルーチンステップS160とステップS170との間に、ステップS162cの処理が追加されており、また、ステップS160とステップS200との間に、ステップS164cの処理が追加されたものである。
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る。
上記第1実施例では、ガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返す待機制御時の待機電流により触媒劣化の判定を行う場合を例に説明したが、発明の基本概念で示したように、燃料電池セルの電圧が所定の電圧値、例えば所定の上限電圧値となるように、ガスの供給が制御されている待機制御時の待機電流により触媒劣化の判定を行うようにしてもよい。
上記実施例では、車両に搭載される燃料電池システムを例に示しているが、車両のみならず、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
10B…燃料電池システム
100…燃料電池
200…アノードガス供給部
210…水素ガスタンク
220…アノードガス供給流路
222…開閉バルブ
224…レギュレータ
226…水素供給部
230…アノードガス循環流路
232…水素ガスポンプ
234…気液分離部
236…排気排水バルブ
238…排出流路
300…カソードガス供給部
310…吸気口
320…コンプレッサ
330…カソードガス供給流路
340…カソードオフガス排出流路
342…背圧調整バルブ
350…排気口
360…加湿部
400…冷却装置
410…冷却部
420…冷媒供給流路
430…冷媒排出流路
500…モニター部
510…セル電圧モニター
520…電圧センサー
530…電流センサー
600…電力制御部
610…二次電池
620…二次電池制御部
630…モータ
640…モータ制御部
700…制御部
710…CPU
710a…電池出力制御部
710b…触媒劣化判定部
710c…時間間隔測定部
720…メモリ
730…入出力部
740…始動スイッチ
750…アクセル
Claims (4)
- 燃料電池システムであって、
電解質膜の両側に触媒電極が形成された燃料電池セルを1つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池の出力状態を制御する電池出力制御部と、
前記燃料電池の出力状態を測定する出力状態測定部と、
前記電池出力制御部による前記燃料電池の制御状態が、前記出力状態測定部により測定される前記燃料電池セルの電圧が所定の下限電圧以上上限電圧以下となるように、前記ガス供給部による前記ガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返し、前記燃料電池システムの負荷に対する電力の供給を停止する待機制御状態において、前記ガスの供給の実行と停止の間欠的な繰り返しの時間間隔を測定する時間間隔測定部と、
前記触媒電極の劣化状態を判定する触媒劣化判定部と、
を備え、
前記触媒劣化判定部は、前記待機制御状態において前記時間間隔測定部により測定した時間間隔が、予め設定された許容時間間隔よりも大きい場合に、前記触媒電極が劣化していると判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記電池出力制御部は、前記触媒劣化判定部によって前記触媒電極が劣化していると判定された場合に、前記燃料電池の出力電圧を触媒活性化電圧に低下させる触媒活性化制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記電池出力制御部は、前記待機制御状態から前記負荷に対する電力の供給制御状態に移行する際に前記触媒活性化制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
電解質膜の両側に触媒電極が形成された燃料電池セルを1つ以上有する燃料電池と、
前記燃料電池に発電用のガスとして燃料ガスおよび酸化ガスを供給するガス供給部と、
を備え、
前記燃料電池システムの制御方法は、
前記燃料電池の制御状態を、前記燃料電池セルの電圧が所定の下限電圧以上上限電圧以下となるように、前記ガス供給部による前記ガスの供給の実行と停止を間欠的に繰り返し、前記燃料電池システムの負荷に対する電力の供給を停止する待機制御状態とする工程と、
前記待機制御状態において、前記ガスの供給の実行と停止の間欠的な繰り返しの時間間隔を測定する工程と、
測定した時間間隔が、予め設定された許容時間間隔よりも大きい場合に、前記触媒電極が劣化していると判定する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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