JP5850133B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを備えた燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングを予測し、その予測結果に基づいて前記性能回復処理の要否及び内容を決定するものであり、前記性能回復処理が必要と判定し、且つ、前記出力増加要求のタイミングまでの予測時間が所定時間よりも長い場合には、前記所定時間よりも短い場合よりも前記性能回復処理における目標電圧を低くする、又は/及び、前記性能回復処理の実施時間を長くするものである。
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングが第1の所定時間の経過よりも前と予測した場合には、前記燃料電池の出力電圧を前記第1の皮膜除去電圧までしか下げないが、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングが前記第1の所定時間の経過よりも後、或いは前記第1の所定時間よりも長い第2の所定時間の経過よりも後と予測した場合には、前記燃料電池の出力電圧を前記第2の皮膜除去電圧まで下げるようにしてもよい。
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングをブレーキ開度に基づいて予測するようにしてもよい。
12 燃料電池
24a 触媒層
25 膜−電極アセンブリ
60 コントローラ(制御装置)
図1は燃料電池システム10のシステム構成を示す。
燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給するための酸化ガス供給系30と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給するための燃料ガス供給系40と、電力の充放電を制御するための電力系50と、システム全体を統括制御するコントローラ60とを備えている。
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
セル21は、高分子電解質膜22と、アノード極23と、カソード極24と、セパレータ26,27とから構成されている。アノード極23及びカソード極24は、高分子電解質膜22を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。
燃料電池システム10は、運転負荷に応じて、燃料電池スタック20の運転モードを切り替えることにより発電効率の向上を図る。
なお、先の図3には、通常負荷運転後のアイドル運転時(例えば、信号待ちの際)にリフレッシュ処理の要否を判定する例が記載されているが、図4では、通常負荷運転中にリフレッシュ処理の要否を判定する例について説明する。
ブレーキ開度が閾値αを超えている場合(ステップS5:YES)、例えば信号待ち等で燃料電池スタック20の運転モードがアイドル運転中でブレーキ開度が全開のときには、リフレッシュ処理を行なう(ステップS7)。
このときのリフレッシュ電圧は、触媒層24aの性能回復の最大化という観点にたてば、後述のII型酸化皮膜又はIII型酸化皮膜を除去できる低さの電圧であることが好ましい。
図5は、ブレーキ開度が所定の閾値を超えたときにブレーキ開度に応じたリフレッシュ処理を実施する手順を示すフローチャートである。
また、図6,7は、図5のブレーキ開度に応じたリフレッシュ処理の一例であり、図6はブレーキ開度とリフレッシュ電圧との関係を示す表であり、図7はブレーキ開度とリフレッシュ時間との関係を示す表である。
例えば、図6に示すように、ブレーキ開度≦25%の場合のリフレッシュ電圧は0.6Vであり(以下、パターンV1と称する。)、このリフレッシュ処理によれば、後述のI型酸化皮膜の除去が可能である。
I型酸化皮膜(例えば、0.65V〜0.9V)>II型酸化皮膜(例えば、0.4V〜0.6V)>III型酸化皮膜(例えば、0.05V〜0.4V)
また、I型酸化皮膜、II型酸化皮膜、及びIII型酸化皮膜は、例えば図9に示すように(ただし、III型酸化皮膜については図示略)、燃料電池スタック20の出力電圧が所定の境界電圧(例えば、0.8V)を上下に跨いだ回数(以下、サイクル数)の増大に伴い酸化皮膜中の割合が徐々に変化するものとしても知られている。
例えば、図7に示すように、ブレーキ開度≦10%の場合のリフレッシュ時間は0.5秒であり(以下、パターンT1と称する。)、10%<ブレーキ開度≦30%の場合のリフレッシュ時間は1秒であり(以下、パターンT2と称する。)、30%<ブレーキ開度の場合のリフレッシュ時間は3秒である。
例えば、ブレーキ開度≦10%の場合のリフレッシュ電圧及びリフレッシュ時間はそれぞれ0.6V及び0.5秒、10%<ブレーキ開度≦25%の場合のリフレッシュ電圧及びリフレッシュ時間はそれぞれ0.6V及び1秒、25%<ブレーキ開度≦30%の場合のリフレッシュ電圧及びリフレッシュ時間はそれぞれ0.4V及び1秒、30%<ブレーキ開度≦50%の場合のリフレッシュ電圧及びリフレッシュ時間はそれぞれ0.4V及び3秒、50%<ブレーキ開度の場合のリフレッシュ電圧及びリフレッシュ時間はそれぞれ0.05V及び3秒に設定して、リフレッシュ処理を実施してもよい。
Claims (4)
- 触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを備えた燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を所定電圧まで低下させることにより前記触媒層の性能回復処理を実施する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングを予測し、その予測結果に基づいて前記性能回復処理の要否及び内容を決定するものであり、前記性能回復処理が必要と判定し、且つ、前記出力増加要求のタイミングまでの予測時間が所定時間よりも長い場合には、前記所定時間よりも短い場合よりも前記性能回復処理における目標電圧を低くする、又は/及び、前記性能回復処理の実施時間を長くする、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電中に前記触媒層に形成される酸化皮膜が、前記燃料電池の出力電圧を第1の皮膜除去電圧まで低下させることにより除去できる第1の酸化皮膜と、前記燃料電池の出力電圧を前記第1の皮膜除去電圧よりも低い第2の皮膜除去電圧まで低下させないと除去できない第2の酸化皮膜とが混在したものである場合に、
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングが第1の所定時間の経過よりも前と予測した場合には、前記燃料電池の出力電圧を前記第1の皮膜除去電圧までしか下げないが、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングが前記第1の所定時間の経過よりも後、或いは前記第1の所定時間よりも長い第2の所定時間の経過よりも後と予測した場合には、前記燃料電池の出力電圧を前記第2の皮膜除去電圧まで下げる、燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力要求が所定値以下であるときに前記燃料電池の出力電圧を前記第2の皮膜除去電圧まで下げる、燃料電池システム。 - 車載電源として燃料電池車両に搭載された請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記燃料電池に対する出力増加要求のタイミングをブレーキ開度に基づいて予測する、燃料電池システム。
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