CN107634246A - 燃料电池车辆的运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制电极催化剂的溶出且能够减少所述电极催化剂的劣化的燃料电池车辆的运转方法。在从燃料电池堆(18)及蓄电池(14)向马达(16)供给电力的状态下，在所述燃料电池堆(18)的输出电位进入了因铂氧化还原反应而促进该燃料电池堆(18)的劣化的电压区域即劣化促进区域时，使从发电单元(28)取出的电力变动。

Description

燃料电池车辆的运转方法
技术领域
本发明涉及具备从燃料电池及蓄电池供给电力的车辆驱动用电动机的燃料电池车辆的运转方法。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的一侧的面配设有阳极电极，且在另一侧的面配设有阴极电极。电解质膜-电极结构体通过由隔板夹持而构成发电单元(单位单元)。通常，通过层叠规定数量的发电单元，例如作为车载用燃料电池堆而组装于燃料电池车辆(燃料电池电动机动车等)。
在构成发电单元的电极(阳极电极及阴极电极)中，根据发电时的电位条件，存在电极催化剂(例如铂)反复变化成氧化状态和还原状态的情况。因此，存在电极催化剂容易溶出且所述电极催化剂的耐久性降低这样的问题。
因此，例如已知有专利文献1所公开的燃料电池系统。在该燃料电池系统中，在二次电池的SOC(充电率)比较有富余的情况下，以使燃料电池的电压成为比规定电压高的电压的方式限制所述燃料电池的输出。接着，当二次电池的SOC变小时，解除燃料电池的输出限制，根据马达所需的电力来控制所述燃料电池的输出。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4978019号公报
发明所要解决的课题
然而，在上述的燃料电池系统中，燃料电池从OCV(开路电压)起开始运转，当低于一定的电位时，引起电极催化剂的溶出。而且，在燃料电池的运转开始时，来自二次电池的电力的供给成为主体，在所述二次电池的容量降低了的阶段，由所述燃料电池进行发电来进行充电。因此，存在电极催化剂的溶出变得显著这样的问题。
发明内容
本发明用于解决这种课题，其目的在于，提供一种通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制电极催化剂的溶出且能够减少所述电极催化剂的劣化的燃料电池车辆的运转方法。
用于解决课题的方案
本发明涉及一种具备从燃料电池及蓄电池供给电力的车辆驱动用电动机的燃料电池车辆的运转方法。在该运转方法中，在从燃料电池及蓄电池向车辆驱动用电动机供给电力的状态下，在所述燃料电池的输出电位进入了劣化促进区域时，控制从所述燃料电池取出的电力。在此，劣化促进区域是指因铂氧化还原反应而促进燃料电池的劣化的电压区域。
另外，在该运转方法中，优选的是，具有如下工序：在通过从燃料电池及蓄电池向车辆驱动用电动机供给电力而使所述燃料电池的输出电位到达规定值时，将所述燃料电池的输出电位维持为恒定值。在该运转方法中，优选的是，具有如下工序：在蓄电池的充电率比规定值降低时，使从燃料电池取出的电力变动。
而且，在本发明的燃料电池车辆的运转方法中，在从燃料电池及蓄电池向车辆驱动用电动机供给电力的状态下，在使从所述燃料电池取出的电力增减时，在劣化促进区域的上限侧及下限侧使所述燃料电池的输出电位保持为恒定值。在此，劣化促进区域是指因铂氧化还原反应而促进燃料电池的劣化的电压区域。
发明效果
根据本发明，在燃料电池的输出电位进入了劣化促进区域时，控制从所述燃料电池取出的电力。因而，电极催化剂被维持为氧化状态，因此通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制所述电极催化剂的溶出，且能够减少所述电极催化剂的劣化。
另外，根据本发明，在使从燃料电池取出的电力增减时，在劣化促进区域的上限侧及下限侧使所述燃料电池的输出电位保持为恒定值。因此，夹着劣化促进区域而急剧的电位的变动被阻止，因此通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制电极催化剂的溶出，且能够减少所述电极催化剂的劣化。
附图说明
图1是适用本发明的实施方式的运转方法的燃料电池车辆的简要结构说明图。
图2是构成燃料电池堆的发电单元的输出电位与电极催化剂的劣化的关系说明图。
图3是表示所述发电单元的电位与蓄电池的SOC的关系的说明图。
图4是说明第一实施方式的运转方法的流程图。
图5是说明所述运转方法的时间图。
图6是说明第二实施方式的运转方法的流程图。
图7是说明第三实施方式的运转方法的时间图。
符号说明：
10…燃料电池车辆 12…燃料电池系统
14…蓄电池 16…马达
18…燃料电池堆 20…氧化剂气体供给装置
22…燃料气体供给装置 24…冷却介质供给装置
26…控制装置 28…发电单元
42…空气压缩机 58…高压氢罐
90…电位测定装置
具体实施方式
如图1所示，适用本发明的实施方式的运转方法的燃料电池车辆10例如是燃料电池电动机动车。燃料电池车辆10具备燃料电池系统12、蓄电池14及马达(车辆驱动用电动机)16。蓄电池14包括二次电池、电容器等。
燃料电池系统12具备燃料电池堆18、氧化剂气体供给装置20、燃料气体供给装置22、冷却介质供给装置24及控制装置26。氧化剂气体供给装置20向燃料电池堆18供给氧化剂气体，燃料气体供给装置22向所述燃料电池堆18供给燃料气体，冷却介质供给装置24向所述燃料电池堆18供给冷却介质。控制装置26进行燃料电池系统12整体的控制。
燃料电池堆18层叠有多个发电单元28。各发电单元28构成MEA，该MEA例如具备含有水分的全氟磺酸的薄膜即固体高分子电解质膜30、夹持所述固体高分子电解质膜30的阳极电极32及阴极电极34。固体高分子电解质膜30除了使用氟系电解质以外，还可使用HC(烃)系电解质。燃料电池堆18的输出(电力)向马达16供给，并且能够向蓄电池14充电。从蓄电池14向马达16供给输出(电力)。
在燃料电池堆18设有向阳极电极32供给燃料气体(例如氢气)的燃料气体入口连通孔36a及燃料气体出口连通孔36b。在燃料电池堆18设有向阴极电极34供给氧化剂气体(例如空气)的氧化剂气体入口连通孔38a及氧化剂气体出口连通孔38b。在燃料电池堆18设有使冷却介质向各发电单元28流通的冷却介质入口连通孔40a及冷却介质出口连通孔40b。
氧化剂气体供给装置20具备对来自大气的空气进行压缩并供给的空气压缩机(空气泵)42，所述空气压缩机42配设于空气供给流路44。在空气供给流路44设有加湿器46和经由阀48而绕过所述加湿器46的旁通流路50。空气供给流路44与燃料电池堆18的氧化剂气体入口连通孔38a连通。在氧化剂气体出口连通孔38b连通有空气排出流路52。在空气排出流路52配设有背压控制阀54，并且在所述背压控制阀54的下游连接有稀释器56。
燃料气体供给装置22具备贮存高压氢的高压氢罐58，所述高压氢罐58经由氢供给流路60而与燃料电池堆18的燃料气体入口连通孔36a连通。在氢供给流路60上，沿着氢气流动方向依次设有压力调整用的阀62及喷射器64。
在燃料电池堆18的燃料气体出口连通孔36b连通有废气流路66。废气流路66与气液分离器68连接，并且在所述气液分离器68上设有排出液体成分的放泄流路70和排出气体成分的气体流路72。气体流路72经由循环路74而与喷射器64连接，另一方面，在排气阀76的打开作用下与稀释器56连通。放泄流路70经由阀78而与稀释器56连通。
稀释器56具有将从燃料电池堆18的燃料气体出口连通孔36b排出的废气(含氢气)与从所述燃料电池堆18的氧化剂气体出口连通孔38b排出的废气(含氧)混合而将氢浓度稀释成规定值以下的功能。
冷却介质供给装置24具备冷却介质循环路80，该冷却介质循环路80与燃料电池堆18的冷却介质入口连通孔40a及冷却介质出口连通孔40b连通，并循环供给冷却介质。在冷却介质循环路80中，与冷却介质入口连通孔40a侧接近而配置有冷却泵82，并且与冷却介质出口连通孔40b接近而配置有散热器84。
在发电单元28中设有规定数量的电位传感器86。导电线88的一端与电位传感器86连接，所述导电线88的另一端与电位测定装置90连接。虽然没有图示，但在电位测定装置90上连接有与参照电极连接的导电线。由电位测定装置90计测出的电位向控制装置26输入。对于发电单元28的电位而言，可以计测电池堆整体的值。
在空气供给流路44、空气排出流路52、氢供给流路60及废气流路66上分别配置有压力计92a、92b、92c及92d。在空气供给流路44及氢供给流路60上配置有湿度计94a、94b。在空气排出流路52、气体流路72及冷却介质循环路80上配置有温度计96a、96b及96c。
以下说明这样构成的燃料电池车辆10的动作。
经由构成氧化剂气体供给装置20的空气压缩机42而向空气供给流路44输送空气(氧化剂气体)。该空气在通过加湿器46而被加湿后、或通过旁通流路50而绕过所述加湿器46后，向燃料电池堆18的氧化剂气体入口连通孔38a供给。
另一方面，在燃料气体供给装置22中，在阀62的打开作用下从高压氢罐58向氢供给流路60供给氢气(燃料气体)。该氢气在通过喷射器64后，向燃料电池堆18的燃料气体入口连通孔36a供给。
另外，在冷却介质供给装置24中，在冷却泵82的作用下，从冷却介质循环路80向燃料电池堆18的冷却介质入口连通孔40a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
空气从氧化剂气体入口连通孔38a向各发电单元28的阴极电极34供给。另一方面，氢气从燃料气体入口连通孔36a向各发电单元28的阳极电极32供给。因此，在各发电单元28中，向阴极电极34供给的空气与向阳极电极32供给的氢气在电极催化剂层内因电化学反应被消耗而进行发电。
接下来，向阴极电极34供给而被消耗了的空气向氧化剂气体出口连通孔38b排出，在空气排出流路52中流通而被导入稀释器56。同样，向阳极电极32供给而被消耗了的氢气作为废气(一部分被消耗了的燃料气体)而向燃料气体出口连通孔36b排出。废气在从废气流路66导入气液分离器68而被除去液状水分之后，从气体流路72经由循环路74而被喷射器64吸引。
另外，供给到冷却介质入口连通孔40a的冷却介质在冷却了各发电单元28之后，从冷却介质出口连通孔40b排出。冷却介质通过冷却介质循环路80而由散热器84冷却，进而在冷却泵82的作用下，向燃料电池堆18循环供给。
接下来，以下说明本发明的第一实施方式的运转方法。
首先，图2示出了构成发电单元28的电极催化剂的劣化率与电位(单元电压)的关系。作为低电位的电位Va(例如0.65V)～电位Vb(例如0.7V)的区间是电极催化剂所包含的铂的还原反应进行的还原区域，发电单元28在以该区间的电位进行发电的情况下是稳定的。
电位Vb～电位Vc(例如0.79V)的区间是铂的氧化与还原切换的铂氧化还原反应进行的区域，是所述铂的溶出显著且不稳定的区域，即，是劣化促进区域。劣化促进区域是因铂氧化还原反应而促进发电单元28的劣化的电压区域，在该劣化促进区域中，如后所述，进行基于劣化抑制模式的控制。
电位Vc～电位Vd(例如0.9V)的区间是铂的氧化反应进行的区域，是稳定的。电位Vc～电位Vd的区间是发电最优选的电压区域。
电位Vd～电位Ve(例如0.95V)的区间虽然为比较高的电位，但为铂的氧化区域，是比较稳定的。电位Ve～OCV(开路电位)即电位Vf的区间虽然为铂的氧化区域，但为高电位，因此劣化进展。在通常发电时，以降低电位Vb～电位Vc的区间的区域的使用频率的方式抑制发电条件。
另外，在图3中示出了基于电位区域的蓄电池14的使用条件。基本上，若电位降低(电力变高)，则蓄电池14的SOC(充电率)降低。具体而言，在高电位即电位Ve～电位Vd的区间，能够充电至使蓄电池14的SOC成为75％。
在电位Vc～电位Vd的区间，能够充电至使蓄电池14的SOC例如成为70％，在电位Vb～电位Vc的区间，能够充电至使所述蓄电池14的SOC例如成为50％。而且，在电位Va～电位Vb的区间，能够充电至使蓄电池14的SOC例如成为40％。并且，在电位Vb～电位Vc的区间，能够电力输出至最小SOC(SOCmin)例如为30％，另一方面，在电位Va～电位Vb的区间，能够电力输出至最小SOC(SOCmin)例如为10％。
接着，以下按照图4所示的流程图，说明基于控制装置26的运转方法。
燃料电池车辆10处于怠速状态(停车状态)(步骤S1)，驾驶员例如踏入加速踏板(未图示)，由此开始所述燃料电池车辆10的行驶(步骤S2)。需要说明的是，在从怠速状态进行车辆起步的情况下，燃料电池堆18成为主体而从所述燃料电池堆18进行输出(步骤S3)。
因此，从燃料电池堆18向辅机供给电力而驱动所述辅机，各发电单元28未成为OCV状态。如图5所示，发电单元28维持为电位Ve附近，NET输出为0。
在步骤S4中，判断燃料电池堆18的要求输出(电力)是否低于基准输出(电位Vc时的电力)。若判断为燃料电池堆18的要求输出低于基准输出(在步骤S4中为是)，即若判断为发电单元28的输出电位为高于电位Vc(中负荷的运转区域)的值(电极催化剂稳定范围)，则进入步骤S5。
在步骤S5中，判断是否已从燃料电池车辆10断开燃料电池堆18的要求输出且NET输出为0。若判断为未从燃料电池车辆10断开燃料电池堆18的要求输出或NET输出未成为0(在步骤S5中为否)，则进入步骤S6，进行从燃料电池堆18向蓄电池14的充电和向燃料电池车辆10的电力供给。并且，若判断为蓄电池14的SOC超过例如70％(在步骤S7中为是)，则进入步骤S8，结束所述蓄电池14的充电，并返回步骤S4。
另一方面，在步骤S5中若判断为已从燃料电池车辆10断开燃料电池堆18的要求输出的动力(power)且NET输出为0(在步骤S5中为是)，则进入步骤S9。在步骤S9中，判断驾驶员是否已踏入制动踏板(未图示)。若判断为已踏入制动器踏板(在步骤S9中为是)，则进入步骤S10，通过再生能量进行蓄电池14的充电。而且，停止燃料电池车辆10(步骤S11)、将所述燃料电池车辆10转变为怠速状态(步骤S12)，从而停止运转控制。
另外，在步骤S4中若判断为燃料电池堆18的要求输出为基准输出以上(在步骤S4中为否)，即若判断为发电单元28的输出电位为电位Vc以下的值(劣化促进区域)，则进入步骤S13的劣化抑制模式。在劣化抑制模式下，首先，若判断为蓄电池14的SOC高于例如30％(在步骤S14中为是)，则进入步骤S15，使所述蓄电池14成为主体且从燃料电池进行剩余的电力的供给。
因此，如图5所示，燃料电池堆18维持为恒定输出，从而发电单元28的输出电位保持为电位Vc附近。此时，从蓄电池14供给不足量的电力。并且，若蓄电池14的SOC成为30％以下(在步骤S14中为否)，则进入步骤S16，使燃料电池堆18成为主体来进行电力的供给，并且所述燃料电池堆18转变为电位变动模式。
在电位变动模式下，如图5所示，以使从燃料电池堆18输出的电力接近要求输出的方式进行使从燃料电池堆18输出的电力周期性地上升的处理。输出变动以0.1秒～15秒的间隔实施。
接下来，若判断为燃料电池堆18的要求输出低于基准输出(在步骤S17中为是)，则结束劣化抑制模式并进入上述的步骤S5以后的处理。
在该情况下，在第一实施方式中，在发电单元28的输出电位进入了劣化促进区域即电位Vb(例如0.7V)～电位Vc(例如0.79V)的区间时，使输出(电力)即所述发电单元28的输出电位变动。因而，电极催化剂维持为氧化状态，因此通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制所述电极催化剂的溶出。由此，可以得到能够有效减少发电单元28的劣化这样的效果。
而且，如图5所示，在通过从燃料电池堆18及蓄电池14向马达16供给电力而使发电单元28的输出电位到达规定值(例如电位Vc)时，将所述发电单元28的输出电位维持为恒定值(电位Vc)。并且，在蓄电池14的SOC低于规定值(例如30％)时，使发电单元28的输出电位周期性地变动。因此，能够可靠地抑制发电单元28的劣化。
图6是说明本发明的第二实施方式的运转方法的流程图。需要说明的是，关于与说明第一实施方式的运转方法的流程图(参照图4)相同的处理，省略其详细的说明。
在第一实施方式中，尤其以中负荷的运转区域(电位Vb～电位Vc的区间)为中心进行了说明，但在第二实施方式中，以高速道路等高负荷的运转区域(电位Va～电位Vb的区间)为中心进行说明。
在燃料电池车辆10中，在燃料电池堆18的要求输出低于上侧基准输出(电位Vc时的电力)时，以所述燃料电池堆18为主体进行向蓄电池14的充电处理(步骤S101～步骤S108)。进而，按照步骤S109～步骤S112来完成燃料电池车辆10的停止处理。
另外，在燃料电池堆18的要求输出为上侧基准输出(电位Vc)以上时，转变为劣化抑制模式(步骤S113)。在该劣化抑制模式下，在蓄电池14的SOC高于30％时，使蓄电池14成为主体来进行电力的供给(步骤S114及步骤S115)。另一方面，若蓄电池14的SOC成为30％以下，则使燃料电池堆18成为主体来进行电力的供给，并且所述燃料电池堆18转变成电位变动模式(步骤S116)。
在电位变动模式下，若判断为燃料电池堆18的要求输出高于上侧基准输出(电位Vc时的电力)(在步骤S117中为否)，则进入步骤S118。在步骤S118中若判断为燃料电池堆18的要求输出高于下侧基准输出(电位Vb时的电力)(在步骤S118中为是)，即若判断为发电单元28的输出电位为低于电位Vb的值(电极催化剂稳定范围)，则进入步骤S119。
在该步骤S119中，燃料电池车辆10在高速道路等高负荷运转区域行驶，以燃料电池堆18为主体进行输出，从而所述燃料电池车辆10以动力模式完成运转。
若判断为燃料电池堆18的要求输出低于下侧基准输出(电位Vb时的电力)(在步骤S118中为否)，即若判断为发电单元28的输出电位为高于电位Vb的值(劣化促进区域)，则返回步骤S116。在步骤S116中，在电位Vb的附近完成电位变动模式。
在该情况下，在第二实施方式中，尤其在高负荷的运转区域中，在发电单元28的输出电位为电位Vb的附近的值时，转变为电位变动模式。在该电位变动模式下，以使从燃料电池堆18输出的电力接近要求输出的方式进行使从燃料电池堆18输出的电力周期地上升的处理。因此，可以得到通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制电极催化剂的溶出且能够有效减少发电单元28的劣化等与上述的第一实施方式同样的效果。
图7是说明本发明的第三实施方式的运转方法的时间图。
燃料电池车辆10即使为怠速状态，也从燃料电池堆18进行输出，向辅机供给电力来驱动所述辅机。通过燃料电池车辆10加速，从而从燃料电池堆18输出的电力上升，发电单元28的输出电位从高电位侧的电位Ve向电位Vd降低，进一步朝向低电位侧的电位Vc降低。
电位Vc～电位Vb的区间为劣化促进区域，在进入该劣化促进区域之前，将从燃料电池堆18输出的电力维持为恒定输出。由此，发电单元28的输出电位保持为电位Vc附近。此时，通过从蓄电池14输出电力，从而实现与要求输出相应的电力的供给。即，进行使蓄电池14成为主体的电力的供给。
并且，在蓄电池14的SOC比规定值降低时，控制成向动力模式(电位Vb～电位Va的区间)转变而从燃料电池堆18进行输出。在此，若来自燃料电池堆18的输出存在富余，则蓄电池14被充电至使SOC成为40％。
接下来，若不需要输出，则从燃料电池堆18取出的电力降低。通过从燃料电池堆18取出的电力降低，从而发电单元28的输出电位上升。在发电单元28的输出电位到达电位Vb之前，使所述发电单元28的输出电位在恒定电位(电位Vb附近)保持例如0.1秒～10秒。在该期间，向蓄电池14充电。
而且，在从燃料电池堆18取出的电力降低且发电单元28的输出电位到达电位Vc之前，使所述发电单元28的输出电位在恒定电位(电位Vc附近)保持例如0.1秒～10秒。在该期间，向蓄电池14充电。接着，在从燃料电池堆18取出的电力降低且发电单元28的输出电位到达电位Vd之前，使所述发电单元28的输出电位在恒定电位(电位Vd附近)保持例如0.1秒～10秒。在该期间，向蓄电池14充电。
如上所述，在第三实施方式中，在使从燃料电池堆18取出的电力降低时，在劣化促进区域的上限侧(电位Vc)及下限侧(电位Vb)，还根据需要而在电位Vd处使发电单元28的输出电位以一定的时间保持为恒定值。需要说明的是，使发电单元28的输出电位以一定的时间保持为恒定值的控制不仅能够在使从燃料电池堆18取出的电力降低时适用，也能够在使从燃料电池堆18取出的电力增加时适用。即，能够在使从燃料电池堆18取出的电力增减时适用。
因此，在发电单元28中，夹着劣化促进区域而急剧的输出电位的变动被阻止，因此通过简单的控制就能够容易且可靠地抑制电极催化剂的溶出。由此，可以得到能够减少电极催化剂的劣化等与上述的第一及第二实施方式同样的效果。

Claims (3)

1.一种燃料电池车辆的运转方法，所述燃料电池车辆具备从燃料电池及蓄电池供给电力的车辆驱动用电动机，所述燃料电池车辆的运转方法的特征在于，
在从所述燃料电池及所述蓄电池向所述车辆驱动用电动机供给电力的状态下，在所述燃料电池的输出电位进入了因铂氧化还原反应而促进该燃料电池的劣化的电压区域即劣化促进区域时，控制从所述燃料电池取出的电力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的运转方法，其特征在于，具有：
在通过从所述燃料电池及所述蓄电池向所述车辆驱动用电动机供给电力而使所述燃料电池的输出电位到达规定值时，将所述燃料电池的输出电位维持为恒定值的工序；以及
在所述蓄电池的充电率比规定值降低时，使从所述燃料电池取出的电力变动的工序。
3.一种燃料电池车辆的运转方法，所述燃料电池车辆具备从燃料电池及蓄电池供给电力的车辆驱动用电动机，所述燃料电池车辆的运转方法的特征在于，
在从所述燃料电池及所述蓄电池向所述车辆驱动用电动机供给电力的状态下，在使从所述燃料电池取出的电力增减时，在因铂氧化还原反应而促进该燃料电池的劣化的电压区域即劣化促进区域的上限侧及下限侧，使所述燃料电池的输出电位保持为恒定值。
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