CN115377459A - 用于燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池系统的控制方法。用于燃料电池系统的控制方法包括：获取燃料电池的电极催化剂的中毒率；当电极催化剂的中毒率大于规定值α时，执行电位维持操作，该电位维持操作将燃料电池的电位维持在第一电位范围中；以及在已经执行电位维持操作之后，执行电位改变操作，该电位改变操作重复以下循环，在该循环中，燃料电池的电位在第二电位范围的上限电位和下限电位之间改变，其中该第二电位范围高于第一电位范围。

Description

用于燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在燃料电池中，在发电时，除了发生主反应(2H++2e-+(1/2)O2→H2O)之外，还发生副反应(2H++O2+2e-→H2O2)。在副反应中产生的过氧化氢(H2O2)与已经作为杂质流入膜电极组件(MEA)中的Fe反应以产生自由基。自由基攻击电解质膜并且因此其电解质材料受到损坏。结果，由于对质子(H+)的传导性降低，可能发生燃料电池性能的降低。由于对电解质材料的过度损坏，可能在电解质膜中形成孔，氢气可能从阳极泄漏到阴极，并且因此可能发生燃料效率降低。在最坏的情形中，车辆可能停止移动。已经提出了各种发明从而解决这个问题。
例如，日本未审查专利申请公报第2007-12375号(JP 2007-12375 A)公开了一种通过预先将Ti(SO4)2添加到电解质材料来补充和络合过氧化氢并且从燃料电池移除过氧化氢的手段。日本未审查专利申请公报第2008-218100号(JP 2008-218100 A)公开了一种用密封构件涂覆电解质膜的边缘的一部分并且将过氧化物分解催化剂添加到用于涂覆电解质膜的密封构件的至少一部分的手段，其中该电解质膜的一表面未涂覆有电极。
在JP 2007-12375A、JP 2008-218100 A等中公开的手段中，在过氧化氢已经在燃料电池中产生之后，通过经由过氧化氢的补充或者分解从燃料电池移除过氧化氢来执行过氧化氢解毒。然而，这些手段是在过氧化氢产生之后采取措施，而不是在过氧化氢产生之前采取措施。因为燃料电池需要使用特定的添加剂来执行过氧化氢解毒，所以需要充分地考虑由于添加添加剂而在成本和性能之间的冲突的影响。当产生比预期更多的过氧化氢时，产生的过氧化氢的量不能从外部确定并且因此不清楚在燃料电池操作之前添加的添加剂的量是否将是令人满意地执行过氧化氢解毒所要求的适当的量。
在另一方面，日本未审查专利申请公报第2020-181665号(JP 2020-181665 A)公开了一种用于燃料电池系统的控制方法，该控制方法基于以下两个事实来防止产生过氧化氢，即1)当电极催化剂的中毒率小于阈值γ时，燃料电池中的过氧化氢的产生率是轻微的，和2)通过在高电位和低电位之间重复地改变燃料电池的电位的电位改变操作，可以降低电极催化剂的中毒率。在这种方法中，从通过循环伏安法获取的还原波和氧化波的曲线预测电极催化剂的中毒率并且估计过氧化氢的产生率变得大于规定值并且当电极催化剂的中毒率大于阈值时突然地增加。在此情形中，通过执行在高电位和低电位之间重复地改变燃料电池的电位的电位改变操作并且降低电极催化剂的中毒率，降低了电极催化剂中的过氧化氢的产生率。
发明内容
然而，在JP 2020-181665 A中公开的用于燃料电池系统的控制方法中，当在电位改变操作中在高电位和低电位之间重复地改变燃料电池的电位时，用作包括在电极中的催化剂的催化剂金属(诸如铂)的提取和再聚集可能重复并且因此催化剂金属颗粒可能粗大化。相应地，有助于反应的催化剂金属颗粒的表面面积可能降低并且包括在电极中的催化剂可能劣化。结果，担心燃料电池的性能降低。
本发明提供一种能够抑制催化剂劣化的用于燃料电池系统的控制方法。
根据本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池系统的控制方法，该控制方法包括：获取燃料电池的电极催化剂的中毒率；当电极催化剂的中毒率大于规定值α时，执行电位维持操作，所述电位维持操作将燃料电池的电位维持在第一电位范围中；以及在已经执行电位维持操作之后，执行电位改变操作，所述电位改变操作重复以下循环，在该循环中，燃料电池的电位在第二电位范围的上限电位和下限电位之间改变，其中，该第二电位范围高于第一电位范围。
通过根据本发明的燃料电池系统，能够抑制催化剂的劣化。
用于燃料电池系统的控制方法可以还包括基于在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系，来计算能够使电极催化剂的中毒率降低到目标值的电位改变操作的循环数目，作为最佳循环数目。电位改变操作可以包括：以对应于最佳循环数目的次数来重复循环。
根据本发明，能够抑制催化剂的劣化。
附图说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中类似的符号表示类似的元件，并且其中：
图1是概略地示意执行根据一个实施例的用于燃料电池系统的控制方法的燃料电池系统的配置的图表；
图2是示意根据实施例的用于燃料电池系统的控制方法的流程图；
图3是示意在根据实施例的用于燃料电池系统的控制方法中当燃料电池元件的电位已经使用循环伏安法扫描时，电流密度变化的测量结果的曲线图；
图4是示意根据实施例的在燃料电池元件的预定操作状态下在预定电流密度下在电极催化剂的中毒率和过氧化氢的产生率之间的关系的曲线图；
图5是示意根据实施例的在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系的曲线图；并且
图6是示意根据实施例的在电位改变操作中的燃料电池元件的电位变化的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将描述根据本发明的实施例的用于燃料电池系统的控制方法。根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法是这样一种用于燃料电池系统的控制方法，其包括：获取燃料电池元件的电极催化剂的中毒率(中毒率获取步骤)；当电极催化剂的中毒率大于规定值α时，执行电位维持操作(电位维持操作执行步骤)，该电位维持操作将燃料电池元件的电位维持在第一电位范围中；并且在已经执行电位维持操作之后，执行电位改变操作(电位改变操作执行步骤)，所述电位改变操作重复以下循环，在该循环中燃料电池的电位在第二电位范围的上限电位和下限电位之间改变，其中该第二电位范围高于第一电位范围。
以下将概略地描述根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法的示例。
燃料电池系统
首先，在描述根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法之前，将在下面描述执行用于燃料电池系统的控制方法的燃料电池系统。图1是概略地示意执行根据这个实施例的用于燃料电池系统的控制方法的燃料电池系统的配置的图表。
如在图1中示意地，根据该实施例的燃料电池系统1包括燃料电池100、燃料电池转换器200、二次电池300、二次电池转换器400、开关电路450、直流(DC)/交流(AC)逆变器500、驱动马达600和控制单元700。
燃料电池系统1还包括燃料电池导线EW1、二次电池导线EW2和直流导线EW3。燃料电池导线EW1电连接燃料电池100和燃料电池转换器200。二次电池导线EW2电连接二次电池300和二次电池转换器400。直流导线EW3与DC/AC逆变器500并联地连接燃料电池转换器200和二次电池转换器400。
燃料电池100是固体聚合物燃料电池，并且产生直流电力。燃料电池100通过允许供应到燃料电池元件110的氢气气体(H2)和氧气气体(O2)在电化学反应中相互反应来发电。由燃料电池100产生的电力经由燃料电池导线EW1被输入到燃料电池转换器200、二次电池转换器400和DC/AC逆变器500。
燃料电池100具有堆叠结构，在该堆叠结构中，堆叠有作为用于电力产生的单元模块的多个燃料电池元件110。每一个燃料电池元件110包括由聚合物离子交换膜形成的电解质膜。每一个燃料电池元件110包括例如在电解质膜的一侧上的阳极电极和在电解质膜的另一侧上的阴极电极。阳极电极是阳极侧上的电极反应在其中进行的反应场并且在与电解质膜的接触表面附近包括用于促进电极反应的催化剂。阴极电极是阴极侧上的电极反应在其中进行的反应场，并且类似于阳极电极地在与电解质膜的接触表面附近包括催化剂。这里，“电极催化剂”指示包括在阴极电极中的催化剂。
燃料电池转换器200是将燃料电池100的输出电压升压到目标电压并且输出升压的电压的升压转换器。燃料电池转换器200经由直流导线EW3电连接到DC/AC逆变器500。
二次电池300随同燃料电池100一起地用作燃料电池系统1的电源。二次电池300用由燃料电池100产生的电力进行充电。二次电池300将充电的电力输入驱动马达600。二次电池300由锂离子电池形成。二次电池300可以是另一种类型的电池诸如铅蓄电池、镍镉电池，或者镍氢电池。
二次电池转换器400是升压/降压转换器器件，并且具有类似于燃料电池转换器200的配置的配置。二次电池转换器400调节二次电池导线EW2的电压并且控制二次电池300的充电/放电。当燃料电池转换器200的输出功率对于目标而言不够时，二次电池转换器400引起二次电池300排放电力。在另一方面，当再生电力在驱动马达600中产生时，二次电池转换器400引起二次电池300用再生电力充电。二次电池转换器400可以具有不同于燃料电池转换器200的配置的配置。
开关电路450被设置在燃料电池100和燃料电池转换器200之间，并且作为当燃料电池100发电时在将在以后描述的质子泵浦过程中切换连接到二次电池300的燃料电池100的电极的极性的开关电路。
DC/AC逆变器500将经由直流导线EW3从燃料电池100和二次电池300作为DC电力供应的电力转换成三相交流(AC)电力。DC/AC逆变器500经由AC导线被电连接到驱动马达600并且向驱动马达600供应三相AC电力。DC/AC逆变器500在控制单元700的控制下将由驱动马达600产生的再生电力转换成DC电力并且经由直流导线EW3将DC电力输入二次电池300。
驱动马达600构成燃料电池系统1的主电源。驱动马达600是将从DC/AC逆变器500供应的三相AC电力转换成旋转动力的电马达。
燃料电池系统1还包括阳极气体供应单元22、阳极气体供应通道28和阳极气体排放通道38。燃料电池系统1还包括氧气气体供应单元42、氧气气体供应通道43、氮气气体供应单元44、氮气气体供应通道45、开关阀46、阴极气体供应通道48和阴极气体排放通道58。
阳极气体供应单元22是向燃料电池100的每一个燃料电池元件110供应氢气气体的单元。阳极气体供应单元22可以包括例如在加压状态下存储氢气气体的氢气容器和调节供应的氢气气体的量的调节阀。阳极气体供应单元22经由阳极气体供应通道28被连接到燃料电池100中的氢气气体的流动通道的端部。作为阳极气体的废气经由阳极气体排放通道38被排放到燃料电池系统1的外部。
氧气气体供应单元42是向燃料电池100的每一个燃料电池元件110供应包括氧气气体的空气的单元。氧气气体供应单元42可以包括例如能够调节供应的氧气气体的量的空气泵。氧气气体供应单元42经由氧气气体供应通道43和阴极气体供应通道48被连接到燃料电池100中的阴极气体的流动通道的端部。
氮气气体供应单元44是向燃料电池100的每一个燃料电池元件110供应作为不包括氧气气体的非氧气气体的氮气气体(N2)的单元。氮气气体供应单元44可以包括例如氮气容器和调节供应的氮气气体的量的调节阀。氮气气体供应单元44经由氮气气体供应通道45和阴极气体供应通道48被连接到燃料电池100中的阴极气体的流动通道的端部。
氧气气体供应通道43、氮气气体供应通道45和阴极气体供应通道48的连接部分设置有开关阀46。通过切换开关阀46，其中氧气气体能够经由氧气气体供应通道43和阴极气体供应通道48被供应到每一个燃料电池元件110的状态和其中氮气气体能够经由氮气气体供应通道45和阴极气体供应通道48被供应到每一个燃料电池元件110的状态能够在其之间切换。阴极废气经由阴极气体排放通道58被排放到燃料电池系统1的外部。
燃料电池系统1还包括第一电压计VM1、电流计IM和第二电压计VM2。第一电压计VM1和电流计IM被设置在燃料电池导线EW1中。第二电压计VM2被设置在直流导线EW3中。
第一电压计VM1测量燃料电池100的输出电压，并且作为信号将测量的输出电压输入到控制单元700。电流计IM测量燃料电池100的输出电流并且作为信号将测量的输出电流输入到控制单元700。第二电压计VM2测量燃料电池转换器200的输出电压并且作为信号将测量的输出电压输入到控制单元700。
控制单元700能够控制燃料电池系统1的构成单元。控制单元700包括作为功能单元的中毒对策处理单元710。控制单元700通过如由图1中的虚线箭头指示地向和从燃料电池系统1的构成单元传输和接收信号(诸如驱动信号)来执行将在以后描述的用于燃料电池系统的控制方法。
用于燃料电池系统的控制方法
将在下面描述根据实施例的用于燃料电池系统的控制方法。图2是示意根据这个实施例的用于燃料电池系统的控制方法的流程图。
在根据实施例的用于燃料电池系统的控制方法中，首先，如在图2中示意地计算每一个燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率(中毒率获取步骤S10)。
在中毒率获取步骤S10中，如在图1中示意地，外部量计20被电连接到燃料电池100，并且使用外部量计20通过循环伏安法测量当燃料电池元件110的电位为0.9伏时的电流密度Pa。然后，使用将在以后描述的表达式(1)从当燃料电池元件110的电位为0.9伏时的电流密度Pa计算燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率。其细节将在下面描述。
图3是示意在根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法中当燃料电池元件的电位已经使用循环伏安法扫描时电流密度中的变化的测量结果的曲线图。在图3中，La1和La2是表示在燃料电池元件110的电极催化剂由于中毒贡献者(诸如具有极性官能团的有机材料)而中毒的状态下的电流密度的曲线，其中La1表示当燃料电池元件110的电位从高电位到低电位扫描时产生的还原波，并且La2表示当燃料电池元件110的电位从低电位到高电位扫描时产生的氧化波。在另一方面，Lb1和Lb2是表示在燃料电池元件110的电极催化剂未中毒的状态下的电流密度的曲线，其中Lb1表示当燃料电池元件110的电位从高电位到低电位扫描时产生的还原波，并且Lb2表示当燃料电池元件110的电位从低电位到高电位扫描时产生的氧化波。如在图3中示意地，在曲线Lb1中，当燃料电池元件110的电位接近0.9伏时电流密度最大化。当电流密度最大化时的电位是使为了发电而要求的在燃料电池元件110的电极催化剂上的氧气吸附率最大化的电位。在燃料电池元件110的电极催化剂中毒的状态下，在电极催化剂上的氧气吸附受到阻碍。相应地，在曲线La1中，如由箭头A指示地，当燃料电池元件110的电位为0.9伏时的电流密度小于在曲线Lb1中的电流密度。在另一方面，在曲线La1和Lb1中，当燃料电池元件110的电位接近0.4伏时，在燃料电池元件110的电极催化剂上的氧气吸附率是最小化的。其中燃料电池元件110的电极催化剂未中毒的状态是其中当通过在电极催化剂在如将在以后描述地中毒的状态(其中电极催化剂的中毒率为70％的状态)下在燃料电池元件110上重复电位改变操作的一个循环100次而使得燃料电池元件110的电位变为0.9伏时，电流密度已经饱和的状态。
如以上描述地，能够基于由箭头A指示的电流密度的降低计算燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率。具体地，当在曲线La1中Pa定义当电位为0.9伏时的电流密度，Pa0在曲线La1中定义当电位为0.4伏时的电流密度，Pb在曲线Lb1中定义当电位为0.9伏时的电流密度，并且Pb0在曲线Lb1中定义当电位为0.4伏时的电流密度时，燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率由表达式(1)定义。
电极催化剂的中毒率＝(1-(Pa-Pa0)/(Pb-Pb0))×100…(1)
电流密度Pb是当燃料电池元件110的电极催化剂未中毒时的电流密度并且因此是恒定的。随着燃料电池元件110的电极催化剂的中毒的进行，电流密度Pa相对于Pb降低。在另一方面，电流密度Pa0和Pb0是基于燃料电池元件110的电极催化剂的特性确定的并且是相同的。相应地，由表达式(1)定义的电极催化剂的中毒率为0％，因为当燃料电池元件110的电极催化剂的中毒不进行时，Pa＝Pb得以满足，并且随着电极催化剂中毒的进行而增加。在中毒率获取步骤S10中，如以上描述地测量当燃料电池元件110的电位为0.9伏时的电流密度Pa，并且使用表达式(1)从电流密度Pa来计算燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率。
然后，如在图2中示意地，确定在中毒率获取步骤S10中计算的电极催化剂的中毒率是否等于或者小于规定值α(确定步骤S20)。
图4是示意根据实施例的在燃料电池元件的预定操作状态下在预定电流密度下在电极催化剂的中毒率和过氧化氢的产生率之间的关系的曲线图。在图4中，示意了在燃料电池元件110的相对湿度为165％RH的操作状态下在0.2A/cm2的电流密度下在电极催化剂的中毒率和过氧化氢的产生率之间的关系。这里，“过氧化氢的产生率”被计算作为通过将通过将产生的过氧化氢的量[mol]除以在电力产生中产生的水的量[mol]和产生的过氧化氢的量[mol]之和获得的商再乘以100而获得的值[％]。如在图4中示意地，当电极催化剂的中毒率等于或者小于规定值α时，过氧化氢的产生率是轻微的，但是当电极催化剂的中毒率大于规定值α时，随着电极催化剂的中毒率的增加，过氧化氢的产生率突然地增加。在确定步骤S20中，控制单元700的中毒对策处理单元710基于预先存储的规定值α来确定在中毒率获取步骤S10中计算的电极催化剂的中毒率是等于或者大于规定值α还是大于规定值α的任意值β。
然后，如在图2中示意地，当在中毒率获取步骤S10中计算的电极催化剂的中毒率是大于规定值α的任意值β时，执行电位维持操作(电位维持操作执行步骤S30)，该电位维持操作将燃料电池元件110的电位维持在第一电位范围中。
在电位维持操作执行步骤S30中，当在确定步骤S20中确定电极催化剂的中毒率是大于规定值α的任意值β时，控制单元700的中毒对策处理单元710执行电位维持操作。在另一方面，当在确定步骤S20中确定电极催化剂的中毒率等于或者小于规定值α时，控制单元700的中毒对策处理单元710结束燃料电池系统的这个控制。
在电位维持操作中，中毒对策处理单元710通过切换开关阀46而将经由阴极气体供应通道48供应到燃料电池元件110的气体从来自氧气气体供应单元42供应的氧气气体改变为从氮气气体供应单元44供应的氮气气体。相应地，在这种状态下，氢气气体被供应到燃料电池元件110的阳极电极并且氮气气体被供应到阴极电极。在这种状态下，中毒对策处理单元710通过控制开关电路450而将二次电池300的正电极和负电极连接到燃料电池100的负电极(在发电时的负电极)和正电极(在发电时的正电极)。通过进一步控制燃料电池转换器200和二次电池转换器400，中毒对策处理单元710从二次电池300向燃料电池100供应电力并且执行以预定速率(例如，20毫伏/秒)从第一电位范围的下限(例如，-0.5伏)到上限(例如，小于0.1伏)扫描燃料电池元件110的电位的质子泵浦过程。
相应地，通过将燃料电池元件110的电位维持在低于在将在以后描述的电位改变操作中的电位的电位处并且还原电极催化剂的被氧化的催化剂金属表面，在电极催化剂和中毒贡献者(诸如包括极性官能团的有机材料)之间的相互作用受到抑制，并且中毒贡献者在电极催化剂上的吸附降低。因为通过引起从阳极电极扩散的质子(H+)和从二次电池300供应的电子(e-)相互反应，所以在燃料电池元件110的阴极电极中产生氢气气体(H2)，所以通过该中毒贡献者反应热，该中毒贡献者被软化，并且执行了用氢气气体推起中毒贡献者的行为。相应地，能够降低能够将燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率从任意值β降低到规定值α(目标值)的电位改变操作的最小循环数目。
然后，如在图2中示意地，基于在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系，能够将电极催化剂的中毒率降低到规定值α(目标值)的电位改变操作的最小循环数目计算为最佳循环数目(最佳循环数目计算步骤S40)。
图5是示意根据实施例的在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系的曲线图。在图5中，示意了当在电位维持操作已经在其中电极催化剂的中毒率为70％的燃料电池元件110上执行之后再执行电极催化剂的中毒率时，在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的关系，以及当电位改变操作在相同状态下在燃料电池元件110上执行而不在该燃料电池元件上执行电位维持操作时，在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的关系。如在图5中示意地，在电位改变操作执行的情形和电位改变操作不执行的情形这两个情形中，电极催化剂的中毒率与电位改变操作的循环数目成反比地降低。在该两个情形中的曲线表明，能够与电位改变操作是否执行无关地移除在电极催化剂上带有弱吸附力的中毒贡献者，并且能够易于通过执行电位改变操作来移除在电极催化剂上带有弱吸附力的中毒贡献者。当不执行电位维持操作时，通过重复电位改变操作的循环100次，电极催化剂的中毒率降低到0％。当执行电位改变操作时，通过重复电位改变操作的循环60次，电极催化剂的中毒率降低到0％。能够从图5看到，能够将电极催化剂的中毒率从任意值β降低到规定值α的电位改变操作的最小循环数目在当电位改变操作执行时是(ε-γ)并且与电位改变操作不执行的情形相比能够降低(Δ-ε)。
当在电位维持操作已经预先在其中电极催化剂的中毒率为70％的燃料电池元件110上执行之后再执行电位改变操作时，控制单元700的中毒对策处理单元710存储在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的关系。在最佳循环数目计算步骤S40中，当在电位维持操作已经在其中电极催化剂的中毒率为70％的燃料电池元件110上执行之后再执行电位改变操作时，控制单元700的中毒对策处理单元710基于在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的关系，来将能够将电极催化剂的中毒率从任意值β降低到规定值α的电位改变操作的最小循环数目(ε-γ)计算为最佳循环数目。
然后，如在图2中示意地，执行电位改变操作(电位改变操作执行步骤S50)，该电位改变操作以最佳循环数目重复第二电位范围的上限电位和下限电位之间改变燃料电池元件110的电位的循环，其中第二电位范围高于第一电位范围。
图6是示意根据实施例的在电位改变操作中的燃料电池元件的电位变化的曲线图。在电位改变操作执行步骤S50中，控制单元700的中毒对策处理单元710通过切换开关阀46而将经由阴极气体供应通道48供应到燃料电池元件110的气体从来自氮气气体供应单元44供应的氮气气体改变为从氧气气体供应单元42供应的氧气气体。相应地，在这种状态下，氢气气体被供应到燃料电池元件110的阳极电极并且氧气气体被供应到阴极电极。在这种状态下，中毒对策处理单元710通过控制开关电路450将二次电池300的正电极和负电极连接到燃料电池100的正电极和负电极。此后，通过进一步控制燃料电池转换器200和二次电池转换器400，中毒对策处理单元710执行改变由电流计IM和第一电压计VM1测量的燃料电池100的输出电流和输出电压的电位改变操作，使得将以下循环重复如在图6中示意的最佳循环数目，所述循环是在高于第一电位范围的第二电位范围的上限电位(例如，0.9伏)和下限电位(例如，0.1伏)之间改变燃料电池元件110的电位的循环。通过这种电位改变操作，当燃料电池元件110的电位增加时，吸附在电极催化剂上的中毒贡献者通过氧化而被移除。在另一方面，当燃料电池元件110的电位降低时，中毒贡献者在电极催化剂上的吸附力降低并且燃料电池元件110的输出电流增加以在燃料电池元件110中产生水，由此能够实现用产生的水清洗掉中毒贡献者的作用。相应地，能够移除中毒贡献者。结果，能够将燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率从任意值β降低到规定值α。在电位改变操作执行步骤S50之后，控制单元700的中毒对策处理单元710再次执行中毒率获取步骤S10。
通过根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法，能够通过执行电位维持操作来降低能够将燃料电池元件110的电极催化剂的中毒率从任意值β降低到规定值α(目标值)的电位改变操作的最小循环数目。通过在将电位改变操作的最小循环数目计算为最佳循环数目之后以最佳循环数目重复电位改变操作的循环，电极催化剂的中毒率能够被降低到规定值α。相应地，通过执行电位改变操作，能够抑制燃料电池元件110中的过氧化氢的产生率的增加并且因此抑制电解质膜的破坏。另外，通过降低电位改变操作的循环数目，能够通过用于电极催化剂的催化剂金属的重复提取和再聚集来抑制催化剂金属颗粒的粗大化并且因此抑制电极催化剂的劣化。能够降低在电位改变操作的循环中产生的噪声并且抑制由于电位改变操作引起的燃料效率的降低。
将在下面描述根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法的细节。
1.中毒率获取步骤
在中毒率获取步骤中，获取了燃料电池元件的电极催化剂的中毒率。
获取电极催化剂的中毒率的方法不受特别限制，并且例如可以采用以下方法作为根据该实施例的控制方法，所述方法是通过使用外部量计的循环伏安法测量当燃料电池元件的电位接近0.9伏时的电流密度Pa并且然后使用表达式(1)从电流密度Pa计算燃料电池元件的电极催化剂的中毒率。
表达式(1)中的电流密度Pa和Pb不受特别限制，只要它们能够限定电极催化剂的中毒率即可，并且可以是当电位具有除了0.9伏之外的值(例如，0.85伏)时的电流密度，只要它们是当电位接近0.9伏时的电流密度即可。表达式(1)中的电流密度Pa0和Pb0不受特别限制，只要它们能够限定电极催化剂的中毒率即可，并且可以是当电位具有除了0.4伏之外的值(例如，0.3伏)时的电流密度，只要它们是当电位接近0.4伏时的电流密度即可。
2.电位维持操作执行步骤
在电位维持操作执行步骤中，当电极催化剂的中毒率大于规定值α时，执行将燃料电池元件的电位维持在第一电位范围中的电位维持操作。这里，“燃料电池元件的电位”表示燃料电池元件的阴极电极相对于阳极电极的电位。
电极催化剂的中毒率的规定值α不受特别限制，并且例如是当电极催化剂的中毒率大于规定值α时过氧化氢的产生率增加以引起电解质膜的破坏问题的值。
执行电位维持操作的方法不受特别限制，只要它能够将燃料电池元件的电位维持在低于第二电位范围的第一电位范围中即可，并且例如可以采用执行将燃料电池元件的电位维持在第一电位范围中的质子泵浦过程的方法，诸如根据实施例的执行电位维持操作的方法。这里，“质子泵浦过程”是通过在阳极电极中产生质子H+并且经由电解质膜将质子H+移动到阴极电极而引起在阴极电极中产生H2的质子反应的过程。执行将燃料电池元件的电位维持在第一电位范围中的质子泵浦过程的方法的示例是执行质子泵浦过程的以下方法，所述方法是在氢气气体被供应到燃料电池元件的阳极电极并且氮气气体被供应到阴极电极的状态下，以预定速率(例如，20毫伏/秒)从第一电位范围的下限电位(例如，等于或者大于-0.5伏的电位)到上限电位(例如，小于0.2伏的电位)扫描燃料电池元件的电位。由这种方法执行的质子泵浦过程的示例可以是在第一电位范围中扫描燃料电池元件的电位的过程。例如，在质子泵浦过程中向阴极电极供应气体的方法可以是向阴极电极供应惰性气体诸如氮气气体、氦气气体、氖气气体或者氩气气体的方法或者不向阴极电极供应气体的方法。
执行电位维持操作的方法可以是当通过向燃料电池元件的阳极电极供应氢气气体并且向阴极电极供应氧气气体而引起燃料电池发电时将燃料电池元件的电位维持在第一电位范围中的方法。通过这种方法，能够通过将燃料电池元件的电位维持在低于第二电位范围的电位来还原电极催化剂的被氧化的催化剂金属表面，并且能够通过在阴极电极中产生水而用所产生的水清洗掉中毒贡献者。相应地，能够使用电位改变操作更加有效地发挥中毒减轻作用并且降低电位改变操作的最佳循环数目。可以采用当通过向燃料电池元件的阳极电极供应氢气气体并且向阴极电极供应氧气气体而引起燃料电池发电时将燃料电池元件的电位维持在第一电位范围中的方法，例如，采用将燃料电池元件的电位维持在等于或者小于0.2伏的电位(例如，0.2伏，这可以是根据第二电位范围小于0.2伏的电位)五分钟或者更长时间(例如，1小时)的方法。
3.电位改变操作执行步骤
在电位改变操作执行步骤中，在电位维持操作已经执行之后再执行电位改变操作，该电位改变操作重复其中燃料电池元件的电位第二电位范围的上限电位和下限电位之间改变的循环，其中第二电位范围高于第一电位范围。
第二电位范围的上限电位不受特别限制，只要能够实现移除中毒贡献者的效果即可，并且优选地例如范围从0.8伏到1.0伏。这是因为，当上限电位等于或者大于该范围的下限时，能够通过氧化有效地移除中毒贡献者。这还因为当上限电位等于或者小于该范围的上限时能够抑制电极催化剂的劣化。第二电位范围的下限电位不受特别限制，只要它高于第一电位范围并且能够实现移除中毒贡献者的效果即可，并且优选地例如是从0.1伏到0.2伏的范围。这是因为，当下限电位等于或者大于该范围的下限时，能够防止产生过量的水。这还因为，当下限电位等于或者小于该范围的上限时，能够有效地增强使用产生的水清洗掉中毒贡献者的效果。
电位改变操作的一个循环的时间段不受特别限制，只要能够实现移除中毒贡献者的效果即可，并且优选地例如是从1秒到3秒的范围。这是因为，当一个循环的时间段在这个范围中时，移除中毒贡献者的效果是有效的。
4.最佳循环数目计算步骤
根据该实施例的用于燃料电池系统的控制方法能够优选地采用以下方法，该方法进一步执行基于在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系来将能够将电极催化剂的中毒率降低到目标值的电位改变操作的循环数目计算为最佳循环数目的步骤(最佳循环数目计算步骤)并且在电位改变操作中以该最佳循环数目重复循环。这是因为，电位改变操作的循环能够以使电极催化剂的中毒率能够被降低到目标值的循环数目重复。
具体地，在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系的示例是当在电位维持操作已经在燃料电池元件上执行之后在该燃料电池元件上执行电位改变操作时在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的关系。
在电位改变操作的循环数目和电极催化剂的中毒率之间的预定关系可以基于燃料电池元件和燃料电池系统的配置和电位改变操作和电位维持操作的条件通过试验或者模拟预先确定。
电极催化剂的中毒率的目标值不受特别限制，并且优选地是等于或者小于规定值α的值。最佳循环数目不受特别限制，只要它是能够将电极催化剂的中毒率降低到目标值的电位改变操作的循环数目即可，并且能够优选地采用能够将电极催化剂的中毒率降低到目标值的电位改变操作的最小循环数目。
虽然以上已经详细地描述了根据本发明的实施例的用于燃料电池系统的控制方法，但是本发明不限于该实施例，并且能够在不偏离在所附权利要求中描述的本发明的精神的情况下对此做出各种设计方面的改变。

Claims (2)

1.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述控制方法包括：
获取燃料电池的电极催化剂的中毒率；
当所述电极催化剂的中毒率大于规定值α时，执行电位维持操作，所述电位维持操作将所述燃料电池的电位维持在第一电位范围中；以及
在已经执行所述电位维持操作之后，执行电位改变操作，所述电位改变操作重复以下循环，在所述循环中，所述燃料电池的电位在第二电位范围的上限电位和下限电位之间改变，其中，所述第二电位范围高于所述第一电位范围。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池系统的控制方法，还包括：基于在所述电位改变操作的循环数目和所述电极催化剂的中毒率之间的预定关系，来计算能够使所述电极催化剂的中毒率降低到目标值的电位改变操作的循环数目，作为最佳循环数目，
其中，所述电位改变操作包括：以对应于所述最佳循环数目的次数来重复所述循环。
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