JP7010071B2 - 燃料電池システムおよび酸化被膜除去方法 - Google Patents
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Description
[形態1]燃料電池システムであって、触媒を含む燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を制御する流量制御部と、前記触媒に生じた酸化被膜を除去する酸化被膜除去処理を実行する除去処理実行部と、を備え、前記除去処理実行部は、前記燃料電池システムの運転が、前記燃料電池の電流値がゼロであり前記燃料電池の電圧が前記燃料電池の開回路電圧よりも低い予め定められた第1電圧範囲内を維持するように前記流量が制御されている第1運転から、前記電流値がゼロよりも大きく前記燃料電池に対する出力要求に応じて前記流量が制御されている第2運転に移行する際に、前記燃料電池の電圧を前記第1電圧範囲よりも低い予め定められた第2電圧範囲内にすることにより前記酸化被膜除去処理を実行し、前記触媒に生じた前記酸化被膜の量が予め定められた第1量以上の状態であることを示す第1条件が成立したか否かを判定する第1判定部を、さらに備え、前記除去処理実行部は、前記第1条件が成立したと判定された場合、前記燃料電池システムの運転が前記第1運転から前記第2運転に移行する際に、前記酸化被膜除去処理を実行し、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記触媒に生じた前記酸化被膜の量が、前記第1量よりも多い予め定められた第2量以上の状態であることを示す第2条件が成立したか否かを判定する第2判定部と、をさらに備え、前記除去処理実行部は、前記第2運転が実行中であり、且つ、前記第2条件が成立したと判定され、且つ、測定された前記電流が予め定められた電流閾値以下である場合に、前記酸化被膜除去処理を実行する、燃料電池システム。
A1.システム構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム10の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム10は、駆動モータ20に電力を供給するシステムとして、車両に搭載されて用いられる。燃料電池システム10は、燃料電池100と、アノード側ガス供給排出機構200と、カソード側ガス供給排出機構300と、燃料電池循環冷却機構400と、電源回路500と、二次電池550と、制御装置600とを備える。
図3は、触媒リフレッシュ処理の手順を示すフローチャートである。車両のスタータスイッチがオンされて、燃料電池システム10が始動すると、触媒リフレッシュ処理が実行される。
図8は、比較例における触媒リフレッシュ処理の実行前後におけるセル電圧の変化を示す説明図である。図8における横軸および縦軸は、図5における横軸および縦軸と同じである。比較例では、第1運転実行中に酸化被膜除去処理が実行される。この構成では、図5に示す例と同様に、時刻T1に電流が増加されてセル電圧が急激に減少して第2電圧範囲R2内となり、時刻T3まで第2電圧範囲R2内が維持される。時刻T3の後、セル電圧が第1電圧範囲R1内となるように、セル電圧が上昇される。しかし、このとき、燃料電池システム10では、第1運転(間欠運転)が実行されているため空気を急激に増加することはできず、セル電圧は少しずつ増減を繰り返しながら徐々に増加することとなる。このため、セル電圧が目標電圧、すなわち第1電圧範囲R1内の電圧まで上昇するまでに、非常に長時間を要する。すなわち、電圧復帰応答性が低い。このため、比較例では、セル電圧が第2電圧範囲R2近傍の比較的低い電圧に留まっている時間が長くなり、セル電圧が第1電圧範囲R1に復帰した後における触媒の流出が促進されてしまう。
第2実施形態の燃料電池システム10の装置構成は、第1実施形態の燃料電池システム10の装置構成と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第2実施形態の燃料電池システム10は、触媒リフレッシュ処理の手順において、第1実施形態の燃料電池システム10と異なる。
C1.その他の実施形態1:
各実施形態において、ステップS105を省略してもよい。すなわち、第1運転から第2運転に移行する際には、酸化被膜量に関わらずに、ステップS115、S115aを実行してもよい。かかる構成において、ステップS115、S115a実行時の電圧値、電流値、および期間と、その頻度とから特定される触媒の劣化(溶出し易さ)の度合いが、予め想定されている燃料電池100の寿命内で収まるように、電圧値等を設定してもよい。また、ステップS105とステップS110とを逆の順序で実行してもよい。
各実施形態において、ステップS120を省略してもよい。かかる構成であっても、FC電流が電流閾値以下の通常運転中に酸化膜除去処理が実行されるので、酸化被膜を除去できると共に、燃費の悪化を抑制できる。また、ステップS105に代えてステップS120を実行し、第2条件が成立しない場合には、ステップS110、S115(S115a)を実行し、第2条件が成立した場合には、ステップS125、S130を実行するようにしてもよい。この構成においては、第1運転から第2運転への移行が実行されなくても、酸化被膜量が第2量に達した場合には、FC電流が電流閾値以下であることを前提として、酸化被膜除去処理が実行されるので、酸化被膜量が非常に多くなってしまうことを抑制できる。
各実施形態において、第1条件は、「各単セル110のカソードの触媒に生じた酸化被膜量が第1量以上である」との条件であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、「前回の酸化膜除去処理実行からの経過時間が予め定められた第1閾値時間を経過した」との条件であってもよい。この場合も、第1閾値時間として、第1量に対応する経過時間、すなわち、図4における時間Taを設定することにより、各実施形態と同様な効果を奏する。すなわち、一般には、触媒に生じた前記酸化被膜の量が予め定められた第1量以上の状態であることを示す任意の条件を、第1条件としてもよい。
各実施形態において、燃料電池システム10は、駆動モータ20に電力を供給するためのシステムとして、車両に搭載されて用いられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、車両に代えて、船舶や飛行機などの駆動用電源を必要とする他の任意の移動体に搭載されて使用されてもよい。また、定置型電源として、例えば、オフィスや家庭において屋内または屋外に設置されて用いられてもよい。また、燃料電池100に含まれる各単セル110は、固体高分子型燃料電池用の単セルであったが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池用の単セルとして構成してもよい。
各実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、流量制御部610、除去処理実行部620、第1判定部630、第2判定部640のうちの少なくとも1つの機能部を、集積回路、ディスクリート回路、またはそれらの回路を組み合わせたモジュールにより実現してもよい。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア(コンピュータプログラム)は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやCD-ROMのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のRAMやROM等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
20…駆動モータ
100…燃料電池
110…単セル
111…電極板
200…アノード側ガス供給排出機構
210…タンク
220…遮断弁
221…調圧弁
222…インジェクタ
231…燃料ガス供給流路
232…第1アノードオフガス排出流路
233…ガス循環路
240…循環用ポンプ
250…気液分離器
260…パージ弁
262…第2アノードオフガス排出流路
271…圧力センサ
300…カソード側ガス供給排出機構
310…エアクリーナ
320…エアコンプレッサ
331…酸化剤ガス供給流路
332…カソードオフガス排出流路
340…背圧弁
391…酸化剤ガス供給部
392…カソードオフガス排出部
400…燃料電池循環冷却機構
410…ラジエータ
430…循環用ポンプ
441…冷却媒体供給流路
442…冷却媒体排出流路
500…電源回路
520…インバータ
530…燃料電池制御用コンバータ
550…二次電池
560…二次電池制御用コンバータ
570…電流測定部
580…セルモニタ
600…制御装置
610…流量制御部
620…除去処理実行部
630…第1判定部
640…第2判定部
690…酸化被膜量テーブル
C1~C3…特性
I1…電流値
I2…電流値
Itg…目標電流値
M1…酸化被膜量
M2…酸化被膜量
R1…第1電圧範囲
R2…第2電圧範囲
SD…積層方向
T0~T4…時刻
Ta…時間
Tb…時間
V10…下限電圧
V20…上限電圧
Vrf…電圧
Vtg…目標電圧
c21~c23…設定値
m1…上限値
Claims (3)
- 燃料電池システムであって、
触媒を含む燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を制御する流量制御部と、
前記触媒に生じた酸化被膜を除去する酸化被膜除去処理を実行する除去処理実行部と、
を備え、
前記除去処理実行部は、前記燃料電池システムの運転が、前記燃料電池の電流値がゼロであり前記燃料電池の電圧が前記燃料電池の開回路電圧よりも低い予め定められた第1電圧範囲内を維持するように前記流量が制御されている第1運転から、前記電流値がゼロよりも大きく前記燃料電池に対する出力要求に応じて前記流量が制御されている第2運転に移行する際に、前記燃料電池の電圧を前記第1電圧範囲よりも低い予め定められた第2電圧範囲内にすることにより前記酸化被膜除去処理を実行し、
前記触媒に生じた前記酸化被膜の量が予め定められた第1量以上の状態であることを示す第1条件が成立したか否かを判定する第1判定部を、さらに備え、
前記除去処理実行部は、前記第1条件が成立したと判定された場合、前記燃料電池システムの運転が前記第1運転から前記第2運転に移行する際に、前記酸化被膜除去処理を実行し、
前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、
前記触媒に生じた前記酸化被膜の量が、前記第1量よりも多い予め定められた第2量以上の状態であることを示す第2条件が成立したか否かを判定する第2判定部と、
をさらに備え、
前記除去処理実行部は、前記第2運転が実行中であり、且つ、前記第2条件が成立したと判定され、且つ、測定された前記電流が予め定められた電流閾値以下である場合に、前記酸化被膜除去処理を実行する、
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、
前記燃料電池の電流を調整する電源回路をさらに備え、
前記除去処理実行部は、前記電源回路を制御して前記電流を増加させることにより、前記燃料電池の電圧を前記第2電圧範囲内にして前記酸化被膜除去処理を実行する、
燃料電池システム。 - 燃料電池システムが有する燃料電池に含まれている触媒に生じた酸化被膜を、除去するための酸化被膜除去方法であって、
(a)前記燃料電池システムの運転が、前記燃料電池の電流値がゼロの状態において前記燃料電池の電圧が前記燃料電池の開回路電圧よりも低い予め定められた第1電圧範囲内を維持するように前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が制御されている第1運転から、前記電流値がゼロよりも大きく前記燃料電池に対する出力要求に応じて前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量が制御されている第2運転に移行する際に、前記燃料電池の電圧を前記第1電圧範囲よりも低い予め定められた第2電圧範囲内にすることにより、前記酸化被膜を除去する酸化被膜除去処理を実行する工程を含み、
(b)前記触媒に生じた前記酸化被膜の量が予め定められた第1量以上の状態であることを示す第1条件が成立したか否かを判定する工程を、さらに含み、
前記工程(a)は、前記第1条件が成立したと判定された場合、前記燃料電池システムの運転が前記第1運転から前記第2運転に移行する際に、前記酸化被膜除去処理を実行する工程を含み、
(c)記燃料電池の電流を測定する工程と、
(d)前記触媒に生じた前記酸化被膜の量が、前記第1量よりも多い予め定められた第2量以上の状態であることを示す第2条件が成立したか否かを判定する工程と、
をさらに含み、
前記工程(a)は、前記第2運転が実行中であり、且つ、前記第2条件が成立したと判定され、且つ、測定された前記電流が予め定められた電流閾値以下である場合に、前記酸化被膜除去処理を実行する工程を含む、
酸化被膜除去方法。
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