JP2007103115A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子型燃料電池における酸化剤極触媒の酸化による劣化を正確に推定して、触媒性能の回復運転を行う。
【解決手段】 燃料電池システムの制御装置１２は、図示しない電流計により燃料電池電流、電圧計により燃料電池電圧、及び内蔵するタイマにより経過時間を監視する。制御装置１２は、燃料電池電圧が触媒性能を回復可能させる第１電圧値以下である継続時間が第１所定時間未満であり、且つ監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上となった場合、または燃料電池起動開始からの所定電流値における燃料電池電圧の最高値に対して性能上許容可能な電圧降下分である第２電圧値以上の電圧低下が見られる場合、燃料電池の触媒性能の劣化が生じたと推定して、触媒性能を回復させる回復運転を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に酸化剤極の触媒性能低下時に、回復運転を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。

固体高分子型燃料電池では、燃料極及び酸化剤極に電極触媒として、白金(Pt)担持触媒が用いられているが、使用時間の経過と共に、酸化剤極における酸素の還元反応を促進する触媒の性能が低下する。この触媒性能を回復して、酸化剤極における酸素の還元反応の速度を維持することができるように、セル電圧を単セル当たり0.6[V]以下となるように、定格運転よりも大きな電流を流し、カソード再生処理する技術が知られている。この処理は、定格運転中に一定時間毎に行われる、また定格運転中の発電特性の監視結果に基づいて行われる（特許文献１）。

また、通常の電池作動中に生じる現象により引き起こされた固体高分子型燃料電池の性能低下がカソード電位を0.6[V]以下、好ましくは0.1[V]以下に低下させることにより回復されることが知られている（特許文献２）。

上記のように、燃料電池運転中にカソードの白金触媒層の酸化(Pt→PtO）により、酸素の還元反応速度低下が発生し、これを回復する為に低い電圧（0.6[V]以下）で運転することにより、酸化した白金の還元（PtO→Pt）が行われることが分かっている。
特開２００３−１１５３１８号公報（第３頁、図１） 特表２００３−５３６２３２号公報（第１２頁、図２）

燃料電池システム発電時において、酸化剤極の白金触媒酸化(PtO) により酸素還元反応速度の低下が発生し、燃料電池発電性能の低下が起こっていた。低電圧運転へ切り替えることで性能回復を行うことができるが、従来技術では一定時間間隔毎に回復運転がなされる為、実際の燃料電池性能に見合った効率の向上が求められていた。

上記問題点を解決するために、本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、監視開始からの経過時間及び燃料電池の所定運転条件における時間を計測する時間計測手段と、燃料電池の電流を計測する電流計測手段と、燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
監視開始から燃料電池電圧が触媒性能を回復可能させる第１電圧値以下である継続時間が第１所定時間未満であり、且つ監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上となった場合、または燃料電池起動開始からの所定電流値における燃料電池電圧の最高値に対して性能上許容可能な電圧降下分である第２電圧値以上の電圧低下が見られる場合、の少なくとも一方が該当する場合は、燃料電池触媒の性能を回復させる回復運転を行うように制御する制御装置と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池電圧と運転時間とに基づいて、燃料電池酸化剤極の白金触媒層酸化による燃料電池性能低下の発生を推定した場合、回復運転を行うことで、無駄に燃料ガスを消費することなく、燃料電池酸化剤極の白金触媒層を還元し、燃料電池性能を回復することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下の各実施例は、燃料電池の定格負荷に比べて比較的低負荷の運転状態の比率が大きい燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すブロック図である。図２は、実施例１における運転制御の処理手順を示す制御フローチャートである。

図１において、燃料電池システムは、燃料極２に供給された燃料ガスと酸化剤極３に供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池１と、燃料ガスとしての水素ガスを高圧で貯蔵する燃料タンク４と、外気を圧縮する酸化剤ブロアー５と、燃料タンク４から燃料極２へ水素を供給する燃料極供給配管６と、燃料極２から使用済みのガスを排出する燃料極排気配管７と、図示しない外気取り込み口から酸化剤極３までの酸化剤供給配管８と、酸化剤極３から使用済みのガスを排出する酸化剤排気配管９と、燃料極２へ供給する燃料ガスの圧力・流量を調整する燃料供給弁１０と、酸化剤極３へ供給する酸化剤の圧力・流量を調整する酸化剤供給弁１１と、二次電池１３と、二次電池１３と燃料電池１及び出力部リレー１６との接続を開閉する二次電池リレー１４と、負荷装置１５と、負荷装置１５への電気的出力を開閉する出力部リレー１６と、これら燃料電池システム全体を制御する制御装置１２とを備えている。

燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、水素イオン導電性の固体高分子電解質膜を備えている。固体高分子電解質膜の両面には、それぞれ白金(Pt)を用いた燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とが形成されている。そして、燃料極、酸化剤極では、それぞれ以下に示すような電気化学反応が生じ、燃料電池外部へ発電電流を供給できるようになっている。

〔燃料極〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^-
〔酸化剤極〕 ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ (1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ
制御装置１２は、例えば、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、時間監視用の監視タイマと、入出力インタフェースと、を備えたマイクロプロセッサで構成され、本発明における回復運転を制御する制御装置も兼ねている。尚、図示しないが、燃料電池１の電圧を計測する電圧計、燃料電池１の電流を計測する電流計が設けられ、それぞれの計測値は、制御装置１２へ入力されている。

制御装置１２は、監視開始から燃料電池電圧が触媒性能を回復可能させる第１電圧値以下である継続時間が第１所定時間未満であり、且つ監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上となった場合、または燃料電池起動開始からの所定電流値における燃料電池電圧の最高値に対して性能上許容可能な電圧降下分である第２電圧値以上の電圧低下が見られる場合、の少なくとも一方が該当する場合は、燃料電池の触媒性能の劣化が生じたと推定して、触媒性能を回復させる回復運転を行うように制御する制御装置である。

そして、本実施例における回復運転は、燃料電池電圧が第１電圧値（触媒性能を回復可能させる電圧、例えば、単セル当たりの燃料電池電圧が0.67[V] ）以下となる運転状態を第１所定時間以上継続させることに特徴がある。

次に、図２を参照して、本実施例における制御装置１２の制御内容を詳細に説明する。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、監視タイマに監視開始の初期時刻（初期値）を設定して燃料電池電圧と経過時間との監視を開始する。次いで、Ｓ１２で、燃料電池の電圧降下時における所定電流値であるか、所定電流値における電圧最高値から第２電圧値以上燃料電池電圧が低下したか判定する。Ｓ１２の判定がともにＹｅｓならば、燃料電池の酸化剤極触媒劣化状態からの回復運転が必要としてＳ２２へ進む。Ｓ１２の判定の少なくとも一方がＮｏならば、Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４では、燃料電池の電圧上昇時における所定電流値であるか、所定電流値における電圧最高値から第２電圧値以上燃料電池電圧が低下したか判定する。Ｓ１４の判定がともにＹｅｓならば、燃料電池の酸化剤極触媒劣化状態からの回復運転が必要としてＳ２２へ進む。Ｓ１４の判定の少なくとも一方がＮｏならば、Ｓ１６へ進む。

Ｓ１６では、燃料電池電圧が第１電圧値以下であるか否かを判定する。Ｓ１６の判定がＹｅｓであれば、Ｓ１８へ進み、Ｎｏの場合には、Ｓ２０へ進む。Ｓ１８では、第１電圧値以下の燃料電池電圧が第１所定時間以上継続したか否かを判定する。Ｓ１８の判定で、Ｙｅｓであれば、酸化剤極触媒の劣化から回復できる運転条件が満たされており、酸化剤極触媒の劣化はない燃料電池状態であるとしてＳ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。Ｓ１８の判定でＮｏであれば、Ｓ２０へ進む。

Ｓ２０では、監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上であるか否かを判定する。第２所定時間未満であれば、監視を継続するために、Ｓ１２へ戻る。第２所定時間以上であれば、Ｓ２２へ進む。

Ｓ２２以下では、燃料電池の電圧が第１電圧以下となる運転条件で、第１所定時間以上継続した回復運転を行うことにより、燃料電池酸化剤触媒の劣化状態からの回復運転を行う。Ｓ２２では、二次電池１３の空き容量が確保できているか否かを判定する。確保できていなければ、Ｓ２４へ進み、二次電池の蓄電量を消費させて、Ｓ２２で再度判定する。Ｓ２２で空き容量が確保できていれば、Ｓ２６へ進む。Ｓ２６では、燃料電池１の運転条件として、単セル当たりの燃料電池電圧が0.67[V] 以下となるような燃料電池電圧の第１所定値以下に制御した運転を第１所定時間以上継続させながら、発電した余剰電力で二次電池１３を充電し、第１所定時間以上経過すれば、Ｓ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。このように、二次電池に充電余裕がある場合は、回復運転時に発電される電力の一部を二次電池へ充電させることで、燃料電池発電への要求出力に対する余剰電力を蓄電することができ、発電効率化を高めることができる。

以上説明した本実施例によれば、監視開始から燃料電池電圧が触媒性能を回復可能させる第１電圧値以下である継続時間が第１所定時間未満であり、且つ監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上となった場合、または燃料電池起動開始からの所定電流値における燃料電池電圧の最高値に対して性能低下許容可能な電圧である第２電圧値以上の電圧低下が見られる場合、の少なくとも一方が該当する場合は、燃料電池の触媒性能の劣化が生じたと推定して、燃料電池電圧が第１電圧値（触媒性能を回復可能させる電圧）以下となる運転状態を第１所定時間以上継続させるように制御するので、正確に触媒性能劣化を推定して燃料ガスを無駄にすることなく、燃料電池酸化剤極の白金触媒層を還元し、燃料電池性能を回復することができるという効果がある。

また、本実施例によれば、燃料電池の電圧下降途中と、電圧上昇途中とを区別し、それぞれにおける所定電流値での最大電圧値から所定電流値の燃料電池電圧が性能低下許容可能な電圧である第２電圧以上の電圧低下が現れた場合に、燃料電池触媒の性能劣化を推定するようにしたので、より一層触媒性能劣化を正確に推定することができるという効果がある。

次に、実施例２を図１及び図３を参照して説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例における回復運転は、二次電池に空き容量がある場合には、燃料電池電圧が第１電圧値（触媒性能を回復可能させる電圧、例えば、単セル当たりの燃料電池電圧が0.67[V] ）以下となる運転状態を第１所定時間以上継続させ、二次電池に空き容量がない場合には、酸化剤極の酸素濃度を触媒性能が回復する濃度以下に低減させた運転状態を第３所定時間以上継続させることに特徴がある。

次に、図３の制御フローチャートを参照して、本実施例における制御装置１２の制御内容を詳細に説明する。まず、Ｓ１０において、監視タイマに監視開始の初期時刻（初期値）を設定して燃料電池電圧と経過時間との監視を開始する。次いで、Ｓ１２で、燃料電池の電圧降下時における所定電流値であるか、所定電流値における電圧最高値から第２電圧値以上燃料電池電圧が低下したか判定する。Ｓ１２の判定がともにＹｅｓならば、燃料電池の酸化剤極触媒劣化状態からの回復運転が必要としてＳ２２へ進む。Ｓ１２の判定の少なくとも一方がＮｏならば、Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４では、燃料電池の電圧上昇時における所定電流値であるか、所定電流値における電圧最高値から第２電圧値以上燃料電池電圧が低下したか判定する。Ｓ１４の判定がともにＹｅｓならば、燃料電池の酸化剤極触媒劣化状態からの回復運転が必要としてＳ２２へ進む。Ｓ１４の判定の少なくとも一方がＮｏならば、Ｓ１６へ進む。

Ｓ１６では、燃料電池電圧が第１電圧値以下であるか否かを判定する。Ｓ１６の判定がＹｅｓであれば、Ｓ１８へ進み、Ｎｏの場合には、Ｓ２０へ進む。Ｓ１８では、第１電圧値以下の燃料電池電圧が第１所定時間以上継続したか否かを判定する。Ｓ１８の判定で、Ｙｅｓであれば、酸化剤極触媒の劣化から回復できる運転条件が満たされており、酸化剤極触媒の劣化はない燃料電池状態であるとしてＳ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。Ｓ１８の判定でＮｏであれば、Ｓ２０へ進む。

Ｓ２０では、監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上であるか否かを判定する。第２所定時間未満であれば、監視を継続するために、Ｓ１２へ戻る。第２所定時間以上であれば、Ｓ２２へ進む。

Ｓ２２以下では、燃料電池の電圧が第１電圧以下となる運転条件で、第１所定時間以上継続した回復運転を行うことにより、燃料電池酸化剤触媒の劣化状態からの回復運転を行う。Ｓ２２では、二次電池１３の空き容量が確保できているか否かを判定する。確保できていなければ、Ｓ３０へ進む。Ｓ３０では、酸化剤ブロアー５及び酸化剤供給弁１１を操作して、酸化剤極へ供給する酸化剤ガスの流量を減少させ、酸化剤極内の酸素濃度を低減した運転状態を第３所定時間以上継続させてからＳ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。

Ｓ２２で空き容量が確保できていれば、Ｓ２６へ進む。Ｓ２６では、燃料電池１の運転条件として、単セル当たりの燃料電池電圧が0.67[V] 以下となるような燃料電池電圧の第１所定値以下に制御した運転を第１所定時間以上継続させながら、発電した余剰電力で二次電池１３を充電し、第１所定時間以上経過すれば、Ｓ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。

以上説明した本実施例によれば、実施例１に記載の効果に加えて、二次電池に空き容量がない場合、二次電池から放電することなく、触媒性能を回復させることができるという効果がある。

次に、実施例３を図１及び図４を参照して説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。本実施例における回復運転は、二次電池に空き容量がある場合には、燃料電池電圧が第１電圧値（触媒性能を回復可能させる電圧、例えば、単セル当たりの燃料電池電圧が0.67[V] ）以下となる運転状態を第１所定時間以上継続させ、二次電池に空き容量がない場合には、燃料極の燃料ガス圧力を酸化剤極の酸化剤ガス圧力に対して触媒性能が回復する圧力値以上に上昇させた運転状態を第４所定時間以上継続させることに特徴がある。

次に、図４の制御フローチャートを参照して、本実施例における制御装置１２の制御内容を詳細に説明する。まず、Ｓ１０において、監視タイマに監視開始の初期時刻（初期値）を設定して燃料電池電圧と経過時間との監視を開始する。次いで、Ｓ１２で、燃料電池の電圧降下時における所定電流値であるか、所定電流値における電圧最高値から第２電圧値以上燃料電池電圧が低下したか判定する。Ｓ１２の判定がともにＹｅｓならば、燃料電池の酸化剤極触媒劣化状態からの回復運転が必要としてＳ２２へ進む。Ｓ１２の判定の少なくとも一方がＮｏならば、Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４では、燃料電池の電圧上昇時における所定電流値であるか、所定電流値における電圧最高値から第２電圧値以上燃料電池電圧が低下したか判定する。Ｓ１４の判定がともにＹｅｓならば、燃料電池の酸化剤極触媒劣化状態からの回復運転が必要としてＳ２２へ進む。Ｓ１４の判定の少なくとも一方がＮｏならば、Ｓ１６へ進む。

Ｓ１６では、燃料電池電圧が第１電圧値以下であるか否かを判定する。Ｓ１６の判定がＹｅｓであれば、Ｓ１８へ進み、Ｎｏの場合には、Ｓ２０へ進む。Ｓ１８では、第１電圧値以下の燃料電池電圧が第１所定時間以上継続したか否かを判定する。Ｓ１８の判定で、Ｙｅｓであれば、酸化剤極触媒の劣化から回復できる運転条件が満たされており、酸化剤極触媒の劣化はない燃料電池状態であるとしてＳ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。Ｓ１８の判定でＮｏであれば、Ｓ２０へ進む。

Ｓ２０では、監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上であるか否かを判定する。第２所定時間未満であれば、監視を継続するために、Ｓ１２へ戻る。第２所定時間以上であれば、Ｓ２２へ進む。

Ｓ２２以下では、燃料電池の電圧が第１電圧以下となる運転条件で、第１所定時間以上継続した回復運転を行うことにより、燃料電池酸化剤触媒の劣化状態からの回復運転を行う。Ｓ２２では、二次電池１３の空き容量が確保できているか否かを判定する。確保できていなければ、Ｓ４０へ進む。Ｓ４０では、燃料供給弁１０及び酸化剤供給弁１１を操作して、燃料ガス圧力を酸化剤ガス圧力に対して触媒性能が回復する圧力値以上上昇させた運転状態を第４所定時間以上継続させてからＳ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。

Ｓ２２で空き容量が確保できていれば、Ｓ２６へ進む。Ｓ２６では、燃料電池１の運転条件として、単セル当たりの燃料電池電圧が0.67[V] 以下となるような燃料電池電圧の第１所定値以下に制御した運転を第１所定時間以上継続させながら、発電した余剰電力で二次電池１３を充電し、第１所定時間以上経過すれば、Ｓ１０へ戻り、再度初期時刻から監視を開始する。

以上説明した本実施例によれば、実施例１に記載の効果に加えて、二次電池に空き容量がない場合、二次電池から放電することなく、触媒性能を回復させることができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 実施例１における制御内容を説明するフローチャートである。 実施例２における制御内容を説明するフローチャートである。 実施例３における制御内容を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…燃料極
３…酸化剤極
４…燃料タンク
５…酸化剤ブロア
６…燃料供給配管
７…燃料排気配管
８…酸化剤供給配管
９…酸化剤排気配管
１０…燃料供給弁
１１…酸化剤供給弁
１２…制御装置
１３…二次電池
１４…二次電池リレー
１５…負荷装置
１６…出力部リレー

Claims (9)

1. 水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、
   監視開始からの経過時間及び燃料電池の所定運転条件における時間を計測する時間計測手段と、
   燃料電池の電流を計測する電流計測手段と、
   燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
   監視開始から燃料電池電圧が触媒性能を回復可能させる第１電圧値以下である継続時間が第１所定時間未満であり、且つ監視開始からの経過時間が第１所定時間より長い第２所定時間以上となった場合、または燃料電池起動開始からの所定電流値における燃料電池電圧の最高値に対して性能低下許容可能な電圧である第２電圧値以上の電圧低下が見られる場合、の少なくとも一方が該当する場合は、燃料電池の触媒性能の劣化が生じたと推定して、触媒性能を回復させる回復運転を行うように制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記回復運転は、燃料電池電圧が第１電圧値以下となる運転状態を第１所定時間以上継続させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記回復運転は、
   酸化剤極の酸素濃度を触媒性能が回復する濃度以下に低減させた運転状態を第３所定時間以上継続させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記回復運転は、
   燃料極の燃料ガス圧力を酸化剤極の酸化剤ガス圧力に対して触媒性能が回復する圧力値以上に上昇させた運転状態を第４所定時間以上継続させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池の電圧下降途中における所定電流値での燃料電池の電圧値が前記最高値に対して第２電圧値以上の電圧低下が現れた場合、前記回復運転を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池の電圧上昇途中における所定電流値での燃料電池の電圧値が前記最高値に対して第２電圧値以上の電圧低下が現れた場合、前記回復運転を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 二次電池を備え、前記二次電池の空き容量を確認し、充電余裕がある場合は、前記回復運転を行い、該運転による発電電力の少なくとも一部を前記二次電池へ充電することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 二次電池を備え、前記二次電池の空き容量を確認し、充電余裕が無い場合は、前記回復運転を行う前に、前記二次電池の電力を消費することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記回復運転があった場合は、監視開始時刻を初期値に設定し、再度運転時間及び電圧の監視を開始する初期化手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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