JP2009230887A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の触媒層の剥離回復に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to recovery recovery of a catalyst layer of a fuel cell.
近年、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。 In recent years, a fuel cell system using a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of reaction gases (fuel gas and oxidizing gas) as an energy source has attracted attention. The fuel cell system supplies high-pressure fuel gas from the fuel tank to the anode of the fuel cell, and also supplies air as the oxidizing gas to the cathode, and generates an electromotive force by electrochemically reacting these fuel gas and oxidizing gas. It is what
このような燃料電池システムにおいて、アノード、カソードを構成する触媒層の劣化が問題となる。例えば、特許文献1では、カソード触媒の酸化状態を判定して酸化物の除去を行うことで触媒の性能を回復させることが開示されている。
しかしながら、触媒層の劣化は、触媒層の酸化によるもののみならず、電解質膜からの触媒層の剥離によっても起こる。この剥離現象は、燃料電池の低温環境下での使用により生じやすく、特に、燃料電池の氷点下始動を繰り返した場合、触媒に含まれる水の凝固、氷の融解による体積の膨張、収縮が繰りかえされることで触媒層の剥離が生じやすい。このような剥離に起因する触媒層の劣化については従来技術では未解決のままであった。 However, the deterioration of the catalyst layer occurs not only due to oxidation of the catalyst layer but also due to peeling of the catalyst layer from the electrolyte membrane. This exfoliation phenomenon is likely to occur when the fuel cell is used in a low temperature environment. In particular, when the fuel cell is repeatedly started below the freezing point, the water contained in the catalyst is solidified, and the volume expands and contracts due to melting of the ice. As a result, the catalyst layer is easily peeled off. The deterioration of the catalyst layer due to such peeling remains unsolved in the prior art.
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜からの触媒層の剥離を回復させ、ひいては燃料電池の発電性能の低下を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and provides a fuel cell system that recovers the separation of the catalyst layer from the electrolyte membrane, and thus suppresses a decrease in the power generation performance of the fuel cell. With the goal.
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、電解質膜を挟持する一対の触媒層を備えた単セルが、複数積層されてなる燃料電池と、前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定する判定手段と、前記触媒層が前記電解質膜から剥離していると判定された場合に、該触媒層を剥離状態から回復させる回復動作を行う回復手段と、を備えた燃料電池システムを構成する。 In the present invention, the following means are adopted in order to solve the above-mentioned problems. That is, a fuel cell in which a plurality of unit cells each having a pair of catalyst layers sandwiching an electrolyte membrane are stacked, a determination means for determining whether or not the catalyst layer is peeled off from the electrolyte membrane, and the catalyst When it is determined that the layer is peeled from the electrolyte membrane, a fuel cell system is provided that includes recovery means for performing a recovery operation for recovering the catalyst layer from the peeled state.
この構成によれば、電解質膜から触媒層が剥離をしているか否かを検知し、剥離がある場合は回復動作により再度触媒層を剥離状態から回復させることができる。すなわち、燃料電池を自己治癒させることができる。これにより、燃料電池の発電性能の低下を抑制し、耐久性を向上させることができる。 According to this structure, it can be detected whether the catalyst layer has peeled from the electrolyte membrane, and when there is peeling, the catalyst layer can be recovered from the peeled state again by the recovery operation. That is, the fuel cell can be self-healed. Thereby, the fall of the power generation performance of a fuel cell can be suppressed and durability can be improved.
また、上記構成において、前記判定手段は、前記燃料電池を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性を測定して、前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定するようにしてもよい。 Further, in the above configuration, the determination unit measures current-voltage characteristics when the fuel cell is generated in a dry state rather than during normal power generation, and the catalyst layer is peeled off from the electrolyte membrane. You may make it determine.
燃料電池を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性は、剥離が生じている場合と生じていない場合とで有意な差異を生じるので、上記構成によれば、他の触媒層の劣化原因(例えば、酸化)との切り分けも含め、触媒層の剥離を効果的に判定することができる。 Since the current-voltage characteristic when the fuel cell is generated in a dry state than during normal power generation has a significant difference between the case where peeling occurs and the case where peeling does not occur, according to the above configuration, The separation of the catalyst layer can be effectively determined including the separation from the cause of deterioration (for example, oxidation) of the catalyst layer.
また、上記構成において、前記回復動作は、前記燃料電池の単セルの積層方向の締結荷重を大きくする動作であるようにしてもよい。 In the above configuration, the recovery operation may be an operation of increasing the fastening load in the stacking direction of the single cells of the fuel cell.
上記構成によれば、燃料電池の単セルの積層方向に締結加重が加わるので、触媒層を電解質膜に物理的に接着させることができ、触媒層を剥離状態から回復させることができる。 According to the said structure, since a fastening load is added to the lamination direction of the single cell of a fuel cell, a catalyst layer can be physically adhere | attached on an electrolyte membrane, and a catalyst layer can be recovered from a peeling state.
また、上記構成において、前記回復動作は、前記燃料電池の運転温度を通常発電時よりも高くする動作であるようにしてもよい。 In the above configuration, the recovery operation may be an operation for raising the operating temperature of the fuel cell higher than that during normal power generation.
上記構成によれば、単セル中の触媒層、電解質膜の温度が通常運転時より上昇するため、触媒層と電解質膜とを化学的に接着させることができ、触媒層を剥離状態から回復させることができる。 According to the above configuration, since the temperature of the catalyst layer and the electrolyte membrane in the single cell is higher than that during normal operation, the catalyst layer and the electrolyte membrane can be chemically bonded, and the catalyst layer is recovered from the peeled state. be able to.
また、上記構成において、低温始動の回数が所定回数を超えた場合に前記判定を行うようにしてもよい。 Further, in the above configuration, the determination may be performed when the number of times of cold start exceeds a predetermined number.
上記構成によれば、触媒層の剥離が生じやすいのは低温始動を繰り返した場合であるので、剥離判定を行う必要性が高く、また逆に判定を行う場合を低温始動の回数により規定することで、余分な剥離判定を防止することができる。尚、ここで低温始動とは、触媒層に含まれる液体が凝固する温度以下での始動を示し、典型的には、氷点下での始動を示す。 According to the above configuration, the catalyst layer is likely to be peeled off when the low temperature start is repeated. Therefore, it is highly necessary to make the peel determination, and conversely, the case where the determination is made is defined by the number of times of the low temperature start. Thus, it is possible to prevent excessive peeling determination. Here, the low temperature start indicates a start below the temperature at which the liquid contained in the catalyst layer solidifies, and typically indicates a start below freezing point.
また、上記構成において、低温環境での前記燃料電池の発電性能が所定値より低下した場合に前記判定を行うようにしてもよい。 In the above configuration, the determination may be performed when the power generation performance of the fuel cell in a low temperature environment is lower than a predetermined value.
上記構成によれば、低温環境での発電性能、例えば、電流−電圧特性が下がっている場合は、剥離が生じている可能性が高いので、剥離判定を行う必要性が高く、また逆に判定をおこなう場合を発電性能が所定値より低下した場合により規定することで、余分な剥離判定を防止することができる。尚、ここで、低温環境とは、典型的には燃料電池が0〜50程度の温度域にある環境を示す。 According to the above configuration, when power generation performance in a low-temperature environment, for example, current-voltage characteristics are lowered, there is a high possibility that peeling has occurred. By defining the power generation performance when the power generation performance falls below a predetermined value, it is possible to prevent excessive peeling determination. Here, the low temperature environment typically indicates an environment where the fuel cell is in a temperature range of about 0 to 50.
また、上記構成において、前記回復動作の後に前記触媒層が前記電解質膜から依然として剥離していると前記判定手段にて判定された場合、前記燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも大きくするようにしてもよい。 In the above configuration, when the determination unit determines that the catalyst layer is still detached from the electrolyte membrane after the recovery operation, the operating humidity of the fuel cell is set to be higher than that during normal power generation. It may be.
上機構成によれば、回復動作でも十分に剥離が回復できない場合に、燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも上昇させるので、剥離に起因する電流−電圧特性の劣化を運転湿度の上昇により補填することで、所望の出力を得ることができるようになる。 According to the above machine configuration, when the peeling cannot be sufficiently recovered even in the recovery operation, the operating humidity of the fuel cell is increased more than that during normal power generation. By making up, it becomes possible to obtain a desired output.
本発明によれば、電解質膜からの触媒層の剥離を回復させ、ひいては燃料電池の発電性能の低下を抑制する燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that recovers separation of the catalyst layer from the electrolyte membrane and thus suppresses a decrease in power generation performance of the fuel cell.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について以下の順番で説明する。各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
1.燃料電池システムの全体構成
2.燃料電池システムの自己治癒制御
3.変形例
Hereinafter, fuel cells according to embodiments of the present invention will be described in the following order with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
1. 1. Overall configuration of
尚、本実施形態においては、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムとしても用いることが可能である。 In this embodiment, a solid polymer fuel cell suitable for a vehicle will be described as an example. Of course, the fuel cell system provided with the fuel cell can be mounted not only on the vehicle but also on a self-propelled mobile body such as a robot, a ship, an aircraft, etc., and power generation for a building (house, building, etc.) It can also be used as a stationary power generation system used as equipment.
1.本発明の実施の形態にかかる燃料電池の全体構成
まず、図1を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。ここで、図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。図1に示した燃料電池システム1は、燃料電池2と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4と、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システム1の電力を充放電する電力系6と、システム全体を統括制御する制御部7と、を備えている。
1. First, the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a configuration diagram of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 shown in FIG. 1 supplies a
燃料電池2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。各単セルは、膜・電極接合体(以下、「MEA」ともいう)およびMEAを両側から挟みこむように配置された一対のセパレータを有している。
The
MEAは、詳細には、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を両面から挟みこむように配置された一対の触媒層とで構成される。高分子電解質膜は、高分子材料のイオン交換膜からなる。触媒層は、触媒担持炭素と電解質が混合しマトリクス状になっている。触媒としては、例えば白金が用いられる。触媒担持炭素上の触媒と電解質との界面において電極反応が行われ、一対の触媒層は、アノード及びカソードとして機能する。そして、アノード側のセパレータの酸化ガス流路2aに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路2bに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池2の温度は、およそ60〜80℃となる。
Specifically, the MEA includes a polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst layers arranged so as to sandwich the polymer electrolyte membrane from both sides. The polymer electrolyte membrane is made of an ion exchange membrane made of a polymer material. The catalyst layer is a matrix in which the catalyst-supporting carbon and the electrolyte are mixed. For example, platinum is used as the catalyst. An electrode reaction is performed at the interface between the catalyst and the electrolyte on the catalyst-supporting carbon, and the pair of catalyst layers function as an anode and a cathode. Then, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing
酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる供給路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排出路12と、を有している。供給路11の下流端は酸化ガス流路2aの上流端に連通し、排出路12の上流端は酸化ガス流路2aの下流端に連通している。また、酸化オフガスは、燃料電池2の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
The oxidizing
供給路11には、エアクリーナ13を介して酸化ガス(外気)を取り込むコンプレッサ14(圧縮機)と、コンプレッサ14によって燃料電池2に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられている。加湿器15は、供給路11を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路12を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池2に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
The
燃料電池2に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路12に配設された調圧弁16によって調圧される。調圧弁16は、例えばステップモータで駆動する弁であり、制御部7に電気的に接続されている。調圧弁16の弁開度は、制御部7によって、全開、半開及び全閉を含む任意の範囲で調整可能に構成されている。酸化オフガスは、調圧弁16及び加湿器15を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
The back pressure of the oxidizing gas supplied to the
燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される
水素ガスが流れる供給路22と、燃料電池2から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路22の合流点Aに戻すための循環路23と、循環路23内の水素オフガスを供給路22に圧送するポンプ24と、循環路23に分岐接続されたパージ路25と、を有している。元弁26を開くことで水素供給源21から供給路22に流出した水素ガスは、調圧弁27その他の減圧弁、及び遮断弁28を経て、燃料電池2に供給される。パージ路25には、水素オフガスを水素希釈器(図示省略)に排出するためのパージ弁33が設けられている。
The fuel
冷媒配管系5は、燃料電池2内の冷却流路2cに連通する冷媒流路41と、冷媒流路41に設けられた冷却ポンプ42と、燃料電池2から排出される冷媒を冷却するラジエータ43と、ラジエータ43をバイパスするバイパス流路44と、ラジエータ43及びバイパス流路44への冷却水の通流を設定する切替え弁45と、を有している。冷却ポンプ42は、モータ駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。
The
電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、及び各種の補機インバータ65,66,67を備えている。高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、バッテリ62から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ63側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータ64から入力された直流電圧を調整してバッテリ62に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、バッテリ62の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。
The
トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ64は、燃料電池システム1が搭載される例えば車両100の主動力源を構成し、車両100の車輪101L,101Rに連結されている。補機インバータ65、66、67は、それぞれ、コンプレッサ14、ポンプ24、冷却ポンプ42のモータ14a、24a、42aの駆動を制御する。
The
制御部7は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。 The control unit 7 is configured as a microcomputer including a CPU, a ROM, and a RAM inside. The CPU executes a desired calculation according to the control program and performs various processes and controls. The ROM stores control programs and control data processed by the CPU. The RAM is mainly used as various work areas for control processing.
制御部7は、ガス系統(3,4)や冷媒系統5に用いられる圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム1が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両100のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、燃料電池システム1の各構成要素に制御信号を出力する。
The control unit 7 includes a pressure sensor and a temperature sensor used in the gas system (3, 4) and the
2.燃料電池システムの自己治癒制御
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの自己治癒制御について説明する。燃料電池システム1は、燃料電池2の各単セルの触媒層が電解質膜から剥離しているか否かを検知し(剥離判定)、剥離を検知した場合には自律的にこの剥離を回復させる(自己治癒制御)。以下、図2を用いてこの制御を詳述する。ここで、図2は、燃料電池システムの自己治癒制御を説明するためのフローチャートである。
2. Next, self-healing control of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 1 detects whether or not the catalyst layer of each single cell of the
図2に示すように、自己治癒制御は、燃料電池システム1において、氷点下始動がなされた際に開始される(ステップS1)。これは、触媒層の剥離が、燃料電池の低温環境下での使用、特に、燃料電池の氷点下始動を繰り返した場合に生じやすいためである。ここで、氷点下始動か否かは、冷媒流路41内の冷媒温度や、燃料電池2のスタック温度、エアクリーナ13を通る酸化ガス(外気)温度等様々な温度により判定することができる。
As shown in FIG. 2, the self-healing control is started when the fuel cell system 1 is started below freezing (step S 1 ). This is because separation of the catalyst layer is likely to occur when the fuel cell is used in a low-temperature environment, particularly when the fuel cell is started below the freezing point. Here, whether or not the engine is started below freezing can be determined by various temperatures such as the refrigerant temperature in the
氷点下始動が行われると、制御部7は、燃料電池2の氷点下始動が総計で何回目であるかを検知し、所定回数N0(N0は自然数)以上であるか否かを判定する(ステップS2)。これは、氷点下始動の回数が増える毎に、触媒層に含まれる水の凝固、氷の融解による体積の膨張、収縮が繰りかえされることになり、結果として触媒層の剥離が生じている蓋然性が高くなるからである。所定回数N0は、触媒層の耐久性に応じて燃料電池システムにより任意に定めることができる。
When the sub-freezing start is performed, the control unit 7 detects the total number of sub-freezing starts of the
氷点下始動回数が所定回数N0未満である場合(ステップS2:NO)、触媒層が電解質から剥離しているおそれはないとして、通常運転を行う(ステップS7)。すなわち、制御部7は、燃料電池2を通常の条件で発電させる。このとき、制御部7は、氷点下始動回数の総数を更新し、内部の記憶装置(例えば、RAM)に記憶させて次回の判定に備える。氷点下始動の回数が小さい場合は触媒層の剥離判定を行わないので、余分な判定を防止することができる。
When the number of starting points below freezing is less than the predetermined number N 0 (step S 2 : NO), the normal operation is performed (step S 7 ) assuming that there is no possibility that the catalyst layer has peeled from the electrolyte. That is, the control unit 7 causes the
氷点下始動回数が所定回数N0以上である場合(ステップS2:YES)、制御部7は、触媒層が電解質から剥離しているか否かを判定する(ステップS3)。この判定は、触媒層が剥離している場合は、乾燥による影響を受けやすくなること、すなわち燃料電池2を通常発電時よりも乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性が、剥離が生じている場合と生じていない場合とで有意な差異を生じることを利用する。具体的には、制御部7は、加湿器15を制御して、燃料電池2に供給される酸化ガスを通常運転時よりも低湿潤状態とし、燃料電池2を通常状態より乾燥させて発電させる。そして、このときの燃料電池2の電流−電圧特性を測定することで、判定を行う。一例を、図3に示す。ここで、図3は、燃料電池を乾燥状態で発電させた場合の電流−電圧特性を示す模式図である。制御部7は、図3に示す基準ラインF0を予め内部に記憶している。そして、制御部7は、測定した電流−電圧特性が、この基準ラインF0よりも高い場合は剥離が生じておらず、低い場合は剥離が生じていると判定する。図3においては、測定結果がF1であれば、剥離が生じておらず、測定結果がF2であれば、剥離が生じていると判定されることになる。これにより、他の触媒層の劣化原因(例えば、酸化)との切り分けも含め、触媒層の剥離を効果的に判定することができる。
When the number of starting points below freezing is equal to or greater than the predetermined number N 0 (step S 2 : YES), the control unit 7 determines whether or not the catalyst layer is peeled from the electrolyte (step S 3 ). This determination is that if the catalyst layer is peeled off, it becomes more susceptible to drying, that is, the current-voltage characteristic when the
図2に戻って説明を続ける。剥離が生じていないと判定された場合(ステップS3:NO)は、通常運転に移行し、制御部7は、燃料電池2を通常の条件で発電させる。(ステップS7)。このとき、制御部7は、氷点下始動回数の総数を更新し、内部の記憶装置(例えば、RAM)に記憶させ、次回の判定に備える。
Returning to FIG. 2, the description will be continued. When it is determined that no peeling has occurred (step S 3 : NO), the operation proceeds to normal operation, and the control unit 7 causes the
剥離が生じていると判定された場合(ステップS3:YES)は、制御部7は剥離回復動作を行う(ステップS4)。剥離回復動作は、剥離した触媒層を再度電解質膜に接着させる動作である。ここでは、燃料電池2の単セルの積層方向の締結加重を強めることで電解質膜と剥離した触媒層とを物理的に接着させる。本実施の形態では、燃料電池2のスタック端部の締結部材に油圧機構を配置し(図示せず)、この油圧機構を制御部7からの指令により収縮させ締結部材を圧縮することで、燃料電池2の積層方向の締結加重を強めるようにしている。
If the peeling is determined to have occurred (Step S 3: YES), the control unit 7 performs the peeling recovery operation (step S 4). The peeling recovery operation is an operation in which the peeled catalyst layer is adhered to the electrolyte membrane again. Here, the electrolyte membrane and the separated catalyst layer are physically bonded by increasing the fastening load in the stacking direction of the single cells of the
剥離回復動作の終了後、制御部7は、触媒層が電解質から依然として剥離しているか否かを判定する(ステップS5)。判定の方法は、ステップS3の場合と同様である。 After completion of the peeling recovery operation, the control unit 7 determines whether or not the catalyst layer is still peeled from the electrolyte (step S 5 ). The method of determination is the same as the case of Step S 3.
剥離が生じていないと判定された場合(剥離が回復した場合)(ステップS5:NO)は、通常運転に移行し、制御部7は、燃料電池2を通常の条件で発電させる。(ステップS7)。このとき、制御部7は、氷点下始動回数の総数を更新し、内部の記憶装置(例えば、RAM)に記憶させ、次回の判定に備える。
When it is determined that peeling has not occurred (when peeling has been recovered) (step S 5 : NO), the operation proceeds to normal operation, and the control unit 7 causes the
剥離が生じていると判定された場合(剥離が依然として回復していない場合)(ステップS5:YES)、高加湿運転に移行する。すなわち、制御部7は、燃料電池の運転湿度を通常発電時よりも大きくする。具体的には、制御部7は、加湿器15を制御して、燃料電池2に供給される酸化ガスを通常運転時よりも高湿潤状態とし、燃料電池2を通常状態より高い湿度で発電させる。加湿量は、剥離判定の際の電流−電圧特性の測定値が基準ラインF0からどれだけ乖離しているかを考慮して算出される。
If the peeling is determined to have occurred (if peeling is still not recovered) (Step S 5: YES), the process proceeds to a high humidification operation. That is, the control unit 7 increases the operating humidity of the fuel cell than during normal power generation. Specifically, the control unit 7 controls the
以上により、電解質膜から触媒層が剥離をしているか否かを検知し、剥離がある場合は回復動作により再度触媒層を剥離状態から回復させることができる。すなわち、燃料電池を自己治癒させることができる。これにより、燃料電池の発電性能の低下を抑制し、耐久性を向上させることができる。また、回復動作でも十分に剥離が回復できない場合であっても、剥離に起因する電流−電圧特性の劣化を運転湿度の上昇により補填させることで、燃料電池2の所望の出力を得ることができる。
As described above, it is detected whether or not the catalyst layer is peeled off from the electrolyte membrane, and when there is peeling, the catalyst layer can be recovered from the peeled state again by the recovery operation. That is, the fuel cell can be self-healed. Thereby, the fall of the power generation performance of a fuel cell can be suppressed and durability can be improved. Further, even when the peeling cannot be sufficiently recovered even by the recovery operation, the desired output of the
3.本発明の実施の形態にかかる燃料電池の変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
3. Modifications of Fuel Cell According to Embodiment of Present Invention Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment, and various aspects are within the scope not departing from the gist of the present invention. Implementation is possible. For example, the following modifications are possible.
上記実施の形態においては、氷点下始動の回数をカウントして触媒層の剥離判定をおこなっているが、これに限られるものではなく、剥離判定を行うか否かを、触媒層の剥離に関連する一または複数のパラメータにより決定するようにしてもよい。これにより、剥離判定を剥離の蓋然性が高い場合に限って行うことができるので余分な剥離判定を避けることができる。例えば、低温環境での燃料電池2の発電性能が所定値より低下した場合に剥離判定を行うようにしてもよい。低温環境での発電性能が下がっている場合は、剥離が生じている可能性が高いためである。
In the above embodiment, the catalyst layer peeling determination is performed by counting the number of times of starting below freezing. However, the present invention is not limited to this, and whether or not the peeling determination is performed is related to the catalyst layer peeling. It may be determined by one or a plurality of parameters. Thereby, since peeling determination can be performed only when the probability of peeling is high, unnecessary peeling determination can be avoided. For example, the peeling determination may be performed when the power generation performance of the
また上記実施の形態においては、回復動作として、燃料電池2の単セルの積層方向の締結加重を強めるようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、制御装置7により、燃料電池2の運転条件を制御することによって電解質膜と剥離した触媒層とを接着させるようにしてもよい。例えば、燃料電池2の運転温度を通常発電時よりも高くして触媒層と電解質膜とを化学的に接着させ、触媒層を剥離状態から回復させるようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, as the recovery operation, the fastening load in the stacking direction of the single cells of the
また、上記実施の形態においては、一回の剥離回復動作(ステップS4)の後で、触媒層の剥離が回復していなければ(ステップS5:YES)、高加湿運転を行う(ステップS6)ようになっているが、これに限られるものではない。例えば、一回の剥離回復動作の後で剥離が回復していない場合、すぐに高加湿運転をするのではなく、この剥離回復動作を複数回繰り返すようにしてもよい。また、別の回復動作を試みるようにしてもよい。 In the above-described embodiment, if the peeling of the catalyst layer has not recovered after one peeling recovery operation (step S 4 ) (step S 5 : YES), a high humidification operation is performed (step S 6 ) Although it is like this, it is not limited to this. For example, when peeling has not recovered after one peeling recovery operation, this peeling recovery operation may be repeated a plurality of times instead of immediately performing a high humidification operation. Further, another recovery operation may be attempted.
1…燃料電池システム、2…燃料電池、2a…酸化ガス流路、2b…燃料ガス流路、2c…冷却流路、3…酸化ガス配管系、4…燃料ガス配管系、5…冷媒配管系、6…電力系、7…制御部、11…供給路、12…排出路、13…エアクリーナ、14…コンプレッサ、14a…モータ、15…加湿器、16…調圧弁、21…水素供給源、22…供給路、23…循環路、24…ポンプ、24a…モータ、25…パージ路、26…元弁、27…調圧弁、28…遮断弁、33…パージ弁、41…冷媒流路、42…冷却ポンプ、42a…モータ、43…ラジエータ、44…バイパス流路、45…切換え弁、61…高圧DC/DCコンバータ、62…バッテリ、63…トラクションインバータ、64…トラクションモータ、65…補機インバータ、66…補機インバータ、67…補機インバータ、100…車両、100L…車輪、100R…車輪 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 2a ... Oxidation gas flow path, 2b ... Fuel gas flow path, 2c ... Cooling flow path, 3 ... Oxidation gas piping system, 4 ... Fuel gas piping system, 5 ... Refrigerant piping system , 6 ... Electric power system, 7 ... Control unit, 11 ... Supply path, 12 ... Discharge path, 13 ... Air cleaner, 14 ... Compressor, 14a ... Motor, 15 ... Humidifier, 16 ... Pressure regulating valve, 21 ... Hydrogen supply source, 22 DESCRIPTION OF SYMBOLS Supply path, 23 ... Circulation path, 24 ... Pump, 24a ... Motor, 25 ... Purge path, 26 ... Original valve, 27 ... Pressure regulating valve, 28 ... Shut-off valve, 33 ... Purge valve, 41 ... Refrigerant flow path, 42 ... Cooling pump, 42a ... motor, 43 ... radiator, 44 ... bypass flow path, 45 ... switching valve, 61 ... high pressure DC / DC converter, 62 ... battery, 63 ... traction inverter, 64 ... traction motor, 65 ... auxiliary inverter, 66 Auxiliary inverter, 67 ... auxiliary inverter, 100 ... vehicle, 100L ... wheel, 100R ... wheel
Claims (7)
前記触媒層が前記電解質膜から剥離しているか否かを判定する判定手段と、
前記触媒層が前記電解質膜から剥離していると判定された場合に、該触媒層を剥離状態から回復させる回復動作を行う回復手段と、を備えた燃料電池システム。 A fuel cell in which a plurality of unit cells each including a pair of catalyst layers sandwiching an electrolyte membrane are stacked; and
Determining means for determining whether or not the catalyst layer is peeled off from the electrolyte membrane;
A fuel cell system comprising: recovery means for performing a recovery operation for recovering the catalyst layer from the peeled state when it is determined that the catalyst layer is peeled from the electrolyte membrane.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008071441A JP2009230887A (en) | 2008-03-19 | 2008-03-19 | Fuel cell system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011060674A (en) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
-
2008
- 2008-03-19 JP JP2008071441A patent/JP2009230887A/en active Pending
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JP2011060674A (en) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
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