JP2010027297A - Fuel battery system, operation method of fuel battery, and fuel battery vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、および燃料電池自動車に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell driving method, and a fuel cell vehicle.
近年、環境負荷の少ない電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素および水素の供給を受けて電力を発生するものである。燃料電池では、電極触媒として白金または白金合金が用いられている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as a power source with a low environmental load. A fuel cell receives power from oxygen and hydrogen and generates electric power. In a fuel cell, platinum or a platinum alloy is used as an electrode catalyst.
電極触媒として白金を含む燃料電池に関する技術としては、白金触媒の酸化にともなう発電性能の低下を抑制する見地から、下記の特許文献1に示すような燃料電池装置が知られている。特許文献1に開示されている燃料電池装置は、燃料電池のカソード電位(空気極電位)を周期的に0.6Vvs.SHE以下に低下させることにより白金酸化物を還元して、燃料電池の性能を回復させるものである。
しかしながら、上記燃料電池装置では、白金の酸化および還元が繰り返されることにより白金が溶解して、長期的には燃料電池の性能が低下してしまうという問題がある。 However, the fuel cell device has a problem that platinum is dissolved by repeated oxidation and reduction of platinum, and the performance of the fuel cell is deteriorated in the long term.
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems. Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a fuel cell operating method capable of restoring the power generation performance of the fuel cell and improving the durability of the fuel cell.
また、本発明の他の目的は、上記燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system.
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。 The above object of the present invention is achieved by the following means.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池、状態検出手段、電位決定手段、および電位制御手段を有する。前記燃料電池は、電極触媒として白金を含む。前記状態検出手段は、前記燃料電池の状態を検出する。前記電位決定手段は、前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する。前記電位制御手段は、前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a state detection unit, a potential determination unit, and a potential control unit. The fuel cell contains platinum as an electrode catalyst. The state detection means detects the state of the fuel cell. The potential determining means determines a target potential that is a target value of the air electrode potential of the fuel cell based on the detected state of the fuel cell. The potential control means restores the power generation performance of the fuel cell by lowering the air electrode potential of the fuel cell to the determined target potential.
本発明の燃料電池の運転方法は、状態検出段階、電位決定段階、および電位制御段階を有する。前記状態検出段階は、電極触媒として白金を含む燃料電池の状態を検出する。前記電位決定段階は、前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する。前記電位制御段階は、前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる。 The fuel cell operation method of the present invention includes a state detection stage, a potential determination stage, and a potential control stage. In the state detection step, the state of the fuel cell containing platinum as an electrode catalyst is detected. The potential determination step determines a target potential that is a target value of the air electrode potential of the fuel cell based on the detected state of the fuel cell. The potential control step restores the power generation performance of the fuel cell by lowering the air electrode potential of the fuel cell to the determined target potential.
本発明の燃料電池自動車は、上記燃料電池システムを駆動用電源として搭載している。 The fuel cell vehicle of the present invention is equipped with the fuel cell system as a driving power source.
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の発電性能を回復させるために低下される空気極電位の目標電位が燃料電池の状態に応じて変更されるため、白金の溶解を抑制しつつ、白金酸化物を還元することができる。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 According to the fuel cell system and the fuel cell operation method of the present invention, the target potential of the air electrode potential that is lowered to restore the power generation performance of the fuel cell is changed according to the state of the fuel cell. It is possible to reduce the platinum oxide while suppressing dissolution. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be restored and the durability of the fuel cell can be improved.
本発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池の耐久性が向上するため、燃料電池自動車の信頼性が向上する。 According to the fuel cell vehicle of the present invention, since the durability of the fuel cell is improved, the reliability of the fuel cell vehicle is improved.
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明を燃料電池自動車の電源システムに適用した場合を例にとって説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following embodiment, a case where the present invention is applied to a power supply system of a fuel cell vehicle will be described as an example.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池の状態に応じて、燃料電池のカソード電位を可逆水素電極電位(RHE)に対して0.6Vまたは0.8Vの電位まで低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復させるものである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment reduces the cathode potential of the fuel cell to a potential of 0.6 V or 0.8 V with respect to the reversible hydrogen electrode potential (RHE) according to the state of the fuel cell. The power generation performance of the battery is restored.
図1に示すとおり、本実施の形態の燃料電池システム100は、燃料電池10、燃料タンク20、コンプレッサ30、電圧検出部40、温度検出部50、抵抗検出部60、負荷器70、電流検出部80、および制御部90を備える。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池10は、水素および酸素の供給を受けて電力を生成するものである。燃料電池10は、単位電池としての単セルが複数積層されて構成される。各単セルには、電極触媒として白金が用いられている。燃料電池10についての詳細な構成については後述する。
The
燃料タンク20は、燃料電池10に供給されるアノードガス(水素を含む燃料ガス)を貯蔵するものである。燃料タンク20は、水素供給用配管を通じて、燃料電池10のアノード(燃料極)にアノードガスを供給する。
The
コンプレッサ30は、燃料電池10にカソードガス(たとえば、空気)を供給するものである。コンプレッサ30は、酸素供給用配管を通じて、燃料電池10のカソード(空気極)に接続されている。本実施の形態のコンプレッサ30は、制御部90によって制御され、燃料電池10のカソードにカソードガスを供給する。
The
電圧検出部40は、燃料電池10のセル電圧を検出するものである。電圧検出部40は、燃料電池10に取り付けられる電圧センサを含み、燃料電池10を構成する複数の単セルのうち一の単セルのセル電圧を検出する。電圧検出部40は、制御部90に電気的に接続されており、電圧検出部40からの信号は、制御部90に送信される。
The
温度検出部50は、温度検出手段として、燃料電池10の温度を検出するものである。温度検出部50は、温度センサを含み、燃料電池10の温度を検出する。温度検出部50は、制御部90に電気的に接続されており、温度検出部50からの信号は、制御部90に送信される。
The
抵抗検出部60は、燃料電池10の抵抗値を検出するものである。抵抗検出部60は、燃料電池10に電気的に並列に接続される抵抗計を含み、燃料電池10の電気的な抵抗値を測定する。また、抵抗検出部60は、燃料電池10の含水量を検出する含水量検出手段として機能する。抵抗検出部60は、制御部90に電気的に接続されており、抵抗検出部60からの信号は、制御部90に送信される。
The
負荷器70は、燃料電池10から電流を取り出すものである。負荷器70は、燃料電池10に電気的に並列に接続されており、燃料電池10で発生される電力を消費または蓄電する。本実施の形態の負荷器70は、燃料電池自動車を駆動させるための駆動モータ、燃料電池10の補機、および二次電池を含む。負荷器70は、制御部90によって制御され、燃料電池10から電流を取り出す。
The
電流検出部80は、燃料電池10を流れる電流を検出するものである。電流検出部80は、燃料電池10と負荷器70との間に設けられる電流計を含み、燃料電池10と負荷器70との間を流れる電流を検出する。電流検出部80は、制御部90に電気的に接続されており、電流検出部80からの信号は、制御部90に送信される。
The
制御部90は、コンプレッサ30および負荷器70を制御するものである。制御部90は、コンプレッサ30および負荷器70を制御して、燃料電池10のカソード電位を低下させる。制御部90は、電圧検出部40、温度検出部50、抵抗検出部60、および電流検出部80から信号を受信して、コンプレッサ30および負荷器70に指令信号を送信する。コンプレッサ30、負荷器70、および制御部90は、電位制御手段として機能する。また、制御部90は、温度検出部50および抵抗検出部60で検出される燃料電池10の温度および含水量に基づいて、燃料電池10のカソード電位の目標値である目標電位を決定する電位決定部(電位決定手段)として機能する。
The
次に、図2を参照して、本実施の形態の燃料電池10について詳細に説明する。
Next, the
図2は、図1に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセル構造を示す斜視図である。上述したとおり、本実施の形態の燃料電池10は、アノードガスとカソードガスとの反応により起電力を生じる単位電池としての単セルが複数積層されて構成されている。
FIG. 2 is a perspective view showing a cell structure of the fuel cell in the fuel cell system shown in FIG. As described above, the
図2に示すとおり、燃料電池10を構成する各単セル11は、MEA12と、MEA12の両面にそれぞれ配置されるセパレータ13とから構成される。
As shown in FIG. 2, each
MEA12は、固体高分子電解質膜14と、固体高分子電解質膜14を両側から挟み込むアノード15およびカソード16と、を有する。固体高分子電解質膜14は、水素イオンを通す高分子電解質膜から構成される。アノード15は、アノード触媒層15Aおよびガス拡散層15Bから構成され、カソード16は、カソード触媒層16Aおよびガス拡散層16Bから構成される。カソード触媒層16Aは、電極触媒として白金(Pt)を含む。カソード触媒層16Aは、白金の粒子が、たとえば、炭素粉末の担体によって担持されてなる。なお、本実施の形態とは異なり、電極触媒として、Pt−Mo合金、Pt−Fe合金、Pt−Ni合金、およびPt−Co合金などの白金合金が用いられてもよい。
The
セパレータ13は、導電性を有する材料により形成される。セパレータ13の一方の面の発電に寄与するアクティブ領域には、MEA12にアノードガスを流通させるアノードガス流路17Aをなす溝部17が形成されている。一方、セパレータ13の他方の面のアクティブ領域には、MEA12にカソードガスを流通させるカソードガス流路18Aをなす溝部18が形成されている。アノードガスは、アノードガス導入口より導入されて溝部17を流れ、アノードガス排出口より排出される。カソードガスは、カソードガス導入口より導入されて溝部18を流れ、カソードガス排出口より排出される。
The
アノードガス流路17Aおよびカソードガス流路18Aにアノードガスおよびカソードガスをそれぞれ流通させると、水素はアノード触媒層15Aの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜14を通過する。カソード触媒層16Aでは固体高分子電解質膜14を通過してきた水素イオンと外部回路(不図示)を経由してきた電子がカソードガス中に含まれる酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード15がマイナスに、カソード16がプラスになり、図2に示すとおり、アノード15とカソード16との間で直流電圧が発生する。本実施の形態では、この直流電圧を電圧検出部40によって検出する。なお、通電していない状態では、この直流電圧は、理想的には1.23Vである。しかしながら、燃料電池には内部抵抗が存在するため、電圧検出部40によって検出される電圧は、理想的な電圧よりも低い値を示す。
When the anode gas and the cathode gas are circulated through the
以上のとおり構成される本実施の形態の燃料電池システム100によれば、燃料電池10の状態に基づいて目標電位が決定され、決定された目標電位まで燃料電池10のカソード電位を低下させることにより、燃料電池10の発電性能が回復される。以下、図3〜図8を参照して、本実施の形態の燃料電池システム100における燃料電池の運転方法について説明する。
According to the
図3は、本実施の形態の燃料電池システムによる燃料電池の運転方法を説明するためのフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart for explaining a fuel cell operating method by the fuel cell system of the present embodiment.
図3に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、まず、白金触媒が酸化される酸化領域において、燃料電池10の運転が継続されていることが検知される(ステップS101)。具体的には、たとえば、燃料電池10のセル電圧(またはカソード電位)が0.8V以上の値を維持している状態が所定時間以上継続しているか否かを判定することによって、酸化領域における燃料電池10の運転の継続が検知される。なお、酸化領域における燃料電池の運転が継続されている状態とは、たとえば、渋滞時に、燃料電池自動車が長時間アイドリング運転されている状態である。このような低負荷運転状態では、白金の酸化が進行して、セル電圧がゆっくりと低下する。
As shown in FIG. 3, in the fuel cell operating method of the present embodiment, first, it is detected that the operation of the
次に、燃料電池10の発電性能を回復させるために低下されるカソード電位の目標電位が決定される(ステップS102)。本実施の形態では、燃料電池10の温度および含水量に基づいて、0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEの目標電位が決定される。目標電位を決定する処理の詳細については後述する。
Next, the target potential of the cathode potential that is lowered to restore the power generation performance of the
次に、燃料電池10の単セル11あたりのセル電圧が検出される(ステップS103)。本実施の形態では、電圧検出部40が燃料電池10を構成する一の単セル11の電圧をセル電圧として検出する。
Next, the cell voltage per
次に、触媒として用いられている白金の被覆率が算出される(ステップS104)。本実施の形態では、燃料電池10に用いられる材料毎に、セル電圧と被覆率との関係を示すセル電圧−被覆率変換テーブルが予め定められており、ステップS103に示す処理で算出されたセル電圧に応じて被覆率が算出される。なお、セル電圧が低いほど、被覆率は高くなる。
Next, the coverage of platinum used as a catalyst is calculated (step S104). In the present embodiment, for each material used in the
次に、白金を被覆している物質が白金酸化物のみか否かが判断される(ステップS105)。本実施の形態では、ステップS101に示す処理で用いられる所定時間に対応して材料毎に予め求められている白金の被覆率と、ステップS104の被覆率とを比較して、白金が白金酸化物によってのみ覆われているか否かが判断される。ステップS104で算出される被覆率が時間に応じて定められている被覆率よりも大きい場合、白金酸化物以外の物質(以下、コンタミ物質と称する)が白金酸化物とともに白金を覆っていると判断される。 Next, it is determined whether or not the material covering platinum is only platinum oxide (step S105). In the present embodiment, the platinum coverage determined in advance for each material corresponding to the predetermined time used in the process shown in step S101 is compared with the coverage in step S104, and platinum is a platinum oxide. Whether or not it is covered only by is determined. If the coverage calculated in step S104 is greater than the coverage determined according to time, it is determined that a substance other than platinum oxide (hereinafter referred to as a contaminant substance) covers platinum together with platinum oxide. Is done.
コンタミ物質が白金酸化物とともに白金を覆っていると判断される場合(ステップS105:NO)、白金酸化物とともにコンタミ物質を除去するために、ステップS110に示す処理に移行する。一方、白金が白金酸化物のみで覆われていると判断される場合(ステップS105:YES)、燃料電池10へのカソードガスの供給が停止される(ステップS106)。本実施の形態では、制御部90がコンプレッサ30に指令信号を送信して、コンプレッサ30を停止することにより、燃料電池10へのカソードガスの供給が停止される。その結果、燃料電池10のカソード電位が低下する。
When it is determined that the contaminant substance covers the platinum oxide together with the platinum oxide (step S105: NO), the process proceeds to the process shown in step S110 in order to remove the contaminant substance together with the platinum oxide. On the other hand, when it is determined that platinum is covered only with platinum oxide (step S105: YES), the supply of the cathode gas to the
そして、カソード電位がモニタリングされる(ステップS107)。本実施の形態では、ステップS102に示す処理で決定された目標電位までカソード電位が低下したことを検知するために、セル電圧からカソード電位が算出されてモニタリングされる。本実施の形態では、セル電圧からカソード電位を算出して直接的にモニタリングすることにより、燃料電池10のカソード電位を正確に制御する。ここで、セル電圧とカソード電位とは、次のような関係にある。
Then, the cathode potential is monitored (step S107). In the present embodiment, the cathode potential is calculated from the cell voltage and monitored in order to detect that the cathode potential has dropped to the target potential determined in the process shown in step S102. In the present embodiment, the cathode potential of the
セル電圧=カソード電位−アノード電位−(電流i×内部抵抗R)
一般的に、アノード側の過電圧は無視できるほど小さいので、燃料電池10に電流が流れない状態であれば、カソード電位は、セル電圧と同じ値を示す。一方、燃料電池10に電流が流れる場合、電流検出部80によって電流iが検出され、抵抗検出部60で検出される燃料電池10の抵抗値を単セル11の積層数で割ることにより、一の単セル11の内部抵抗Rが算出される。そして、これらの値に基づいて、セル電圧からカソード電位が算出される。
Cell voltage = cathode potential−anode potential− (current i × internal resistance R)
In general, the overvoltage on the anode side is negligibly small. Therefore, if no current flows through the
次に、カソード電位が目標電位まで到達したか否かが判断される(ステップS108)。カソード電位が目標電位まで到達しない場合(ステップS108:NO)、カソード電位が目標電位に到達するまで待機する。 Next, it is determined whether or not the cathode potential has reached the target potential (step S108). When the cathode potential does not reach the target potential (step S108: NO), the process waits until the cathode potential reaches the target potential.
一方、カソード電位が目標電位に到達した場合(ステップS108:YES)、燃料電池10へのカソードガスの供給が再開され(ステップS109)、処理が終了される。本実施の形態では、制御部90が、コンプレッサ30に指令信号を送信して、コンプレッサ30を作動させることにより、燃料電池10へのカソードガスの供給が再開される。
On the other hand, when the cathode potential reaches the target potential (step S108: YES), the supply of the cathode gas to the
以上のとおり、ステップS106〜S109に示す処理によれば、燃料電池10へのカソードガスの供給を停止することにより、燃料電池10のカソード電位が0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEの目標電位まで一時的に低下される。その結果、白金の溶解を抑制しつつ白金酸化物が還元されることにより、燃料電池10の発電性能が回復される。
As described above, according to the processing shown in steps S106 to S109, the supply of the cathode gas to the
一方、ステップS105に示す処理において、白金が白金酸化物とコンタミ物質とによって覆われていると判断される場合(ステップS105:NO)、燃料電池10から電流が取り出される(ステップS110)。本実施の形態では、制御部90が、負荷器70に指令信号を送信して負荷器70を作動させ、燃料電池10から電流を取り出させる。その結果、カソード電位が低下するとともに、燃料電池10の発電にともなって水が生成される。
On the other hand, in the process shown in step S105, when it is determined that platinum is covered with platinum oxide and contaminants (step S105: NO), current is taken out from the fuel cell 10 (step S110). In the present embodiment, the
そして、カソード電位がモニタリングされる(ステップS111)。本実施の形態では、ステップS102に示す処理で算出された目標電位までカソード電位が低下したことを検知するために、セル電圧からカソード電位が算出されてモニタリングされる。なお、セル電圧からカソード電位を算出する方法は、ステップS107に示す処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。 Then, the cathode potential is monitored (step S111). In the present embodiment, the cathode potential is calculated from the cell voltage and monitored in order to detect that the cathode potential has decreased to the target potential calculated in the process shown in step S102. Note that the method for calculating the cathode potential from the cell voltage is the same as the processing shown in step S107, and thus detailed description thereof is omitted.
次に、カソード電位が目標電位まで到達したか否かが判断される(ステップS112)。カソード電位が目標電位まで到達しない場合(ステップS112:NO)、カソード電位が目標電位に到達するまで待機する。 Next, it is determined whether or not the cathode potential has reached the target potential (step S112). If the cathode potential does not reach the target potential (step S112: NO), the process waits until the cathode potential reaches the target potential.
一方、カソード電位が目標電位に到達した場合(ステップS112:YES)、燃料電池10からの電流の取り出しが停止され(ステップS113)、処理が終了される。本実施の形態では、制御部90が、負荷器70に指令信号を送信して負荷器70の作動を停止させることにより、燃料電池10からの電流の取り出しが停止される。
On the other hand, when the cathode potential reaches the target potential (step S112: YES), the extraction of the current from the
以上のとおり、ステップS110〜S113に示す処理によれば、燃料電池10から電流を取り出すことにより、燃料電池10のカソード電位が0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEの目標電位まで一時的に低下される。その結果、白金の溶解を抑制しつつ白金酸化物が還元されることにより、燃料電池10の発電性能が回復される。加えて、燃料電池10の発電にともなって生成される水の流れにより、コンタミ物質が取り除かれる。
As described above, according to the processes shown in steps S110 to S113, the cathode potential of the
次に、図4を参照して、図3のステップS102に示す目標電位決定処理について詳細に説明する。図4は、本実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。 Next, the target potential determination process shown in step S102 of FIG. 3 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart for explaining the target potential determination processing in the present embodiment.
図4に示すとおり、本実施の形態の目標電位決定処理では、まず、燃料電池10の温度が検出される(ステップS201)。本実施の形態では、温度検出部50によって燃料電池10の温度が検出される。温度検出部50は、たとえば、燃料電池10のガス排出口近傍に配置される単セル11の温度を検出する。また、温度検出部50は、セパレータとガス拡散層との間の温度、または、ガス拡散層と触媒層との間の温度を検出する。
As shown in FIG. 4, in the target potential determination process of the present embodiment, first, the temperature of the
次に、燃料電池10の含水量が検出される(ステップS202)。本実施の形態では、抵抗検出部60により燃料電池10の抵抗値が検出されて含水量が算出される。より具体的には、燃料電池10の抵抗値と含水量との関係を示す抵抗値−含水量変換テーブルが予め定められており、抵抗検出部60により検出される抵抗値に基づいて燃料電池10の含水量が算出される。なお、含水量が少ないほど、燃料電池10の抵抗値は大きくなる。
Next, the water content of the
次に、燃料電池10が高温・高含水量状態であるか否かが判断される(ステップS203)。本実施の形態では、図5に示すような予め設定されている変換テーブルに基づいて、ステップS201,S202に示す処理で検出された温度および含水量から、燃料電池10が高温・高含水量状態であるか否かが判断される。
Next, it is determined whether or not the
燃料電池10が高温・高含水量状態ではないと判断される場合(ステップS203:NO)、燃料電池10は劣化しにくい状態であるとして、燃料電池10の発電性能が迅速に回復するように、目標電位が0.6Vvs.RHEに決定される。一方、燃料電池10が高温・高含水量状態であると判断される場合(ステップS203:YES)、燃料電池10が劣化しやすい状態であるとして、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ発電性能が回復するように、目標電位が0.8Vvs.RHEに決定される。
When it is determined that the
以上のとおり、図4に示すフローチャートの処理によれば、燃料電池10の温度および含水量に基づいて、0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEの目標電位が決定される。より具体的には、燃料電池10が高温・高含水量状態でない場合、燃料電池10の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の目標電位が0.6Vvs.RHEに決定される。一方、燃料電池10が高温・高含水量状態である場合、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池10の発電性能が回復するように、カソード電位の目標電位が0.8Vvs.RHEに決定される。そして、上述したとおり、燃料電池10のカソード電位が目標電位まで低下されることにより、燃料電池10の発電性能が回復される。
As described above, according to the processing of the flowchart shown in FIG. 4, 0.6 Vvs. RHE or 0.8Vvs. A target potential for RHE is determined. More specifically, when the
次に、図6を参照して、燃料電池のカソード電位の目標電位と燃料電池の劣化度合いとの関係について説明する。 Next, the relationship between the target potential of the cathode potential of the fuel cell and the degree of deterioration of the fuel cell will be described with reference to FIG.
図6は、燃料電池のカソード電位の目標電位と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図である。図6(A)は、燃料電池のカソード電位を変化させる処理を説明するための図であり、図6(B)は、燃料電池のカソード電位を変化させる処理を繰り返した場合の触媒表面積(Normalized ECA)の減少度合いを示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the target potential of the cathode potential of the fuel cell and the degree of deterioration of the fuel cell. FIG. 6A is a diagram for explaining the process of changing the cathode potential of the fuel cell, and FIG. 6B is a diagram showing the catalyst surface area (Normalized) when the process of changing the cathode potential of the fuel cell is repeated. It is a figure which shows the decreasing degree of ECA).
図6(A)に示すとおり、温度80℃かつ湿度100%の環境化で、燃料電池のカソード電位を0.95Vvs.RHEと種々の目標電位との間で繰り返し変化させ、触媒表面積を測定した。図6(B)の横軸はサイクル数であり、縦軸は、触媒表面積である。 As shown in FIG. 6 (A), the cathode potential of the fuel cell is set to 0.95 Vvs. The catalyst surface area was measured by repeatedly changing between RHE and various target potentials. In FIG. 6B, the horizontal axis represents the number of cycles, and the vertical axis represents the catalyst surface area.
図6(B)に示すとおり、燃料電池のカソード電位を繰り返し変化させる場合、燃料電池のカソード電位の目標電位が低いほど、燃料電池の触媒表面積の減少は大きくなる。言い換えれば、燃料電池のカソード電位を低い電位まで低下させるほど多くの白金が溶解し、燃料電池の劣化は進行する。したがって、本実施の形態における燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能を回復させるためには、カソード電位を高めの目標電位(たとえば、0.8Vvs.RHE)まで低下させる。一方、燃料電池の発電性能を迅速に回復させるためには、カソード電位を低めの目標電位(たとえば、0.6Vvs.RHE)まで低下させる。 As shown in FIG. 6B, when the cathode potential of the fuel cell is repeatedly changed, the catalyst surface area of the fuel cell decreases more as the target potential of the cathode potential of the fuel cell is lower. In other words, as the cathode potential of the fuel cell is lowered to a lower potential, more platinum is dissolved and the deterioration of the fuel cell proceeds. Therefore, according to the method of operating the fuel cell in the present embodiment, in order to restore the power generation performance of the fuel cell while giving priority to suppressing deterioration of the fuel cell, the cathode potential is increased to a higher target potential (for example, 0.8 Vvs). .RHE). On the other hand, in order to quickly recover the power generation performance of the fuel cell, the cathode potential is lowered to a lower target potential (for example, 0.6 V vs. RHE).
次に、図7を参照して、燃料電池の温度および含水量と燃料電池の劣化度合いとの関係について説明する。 Next, the relationship between the temperature and water content of the fuel cell and the degree of deterioration of the fuel cell will be described with reference to FIG.
図7(A)は、燃料電池の温度と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図であり、図7(B)は、燃料電池の含水量と燃料電池の劣化度合いとの関係を示す図である。図7(A)および図7(B)の横軸は、サイクル数であり、縦軸は、触媒表面積である。なお、図7(B)では、燃料電池の含水量として、燃料電池に供給されるガスの湿度を検出している。 FIG. 7A is a diagram showing the relationship between the temperature of the fuel cell and the degree of deterioration of the fuel cell, and FIG. 7B is a diagram showing the relationship between the water content of the fuel cell and the degree of degradation of the fuel cell. It is. 7A and 7B, the horizontal axis is the number of cycles, and the vertical axis is the catalyst surface area. In FIG. 7B, the humidity of the gas supplied to the fuel cell is detected as the water content of the fuel cell.
図7(A)に示すとおり、燃料電池の温度が高いほど、燃料電池の触媒表面積の減少は大きくなる。言い換えれば、燃料電池の温度が高いほど、燃料電池は劣化しやすい。したがって、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、燃料電池の温度が高い場合には、カソード電位を高めの電位(0.8Vvs.RHE)まで低下させて、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能を回復させる。一方、燃料電池の温度が低い場合には、カソード電位を低めの電位(たとえば、0.6Vvs.RHE)まで低下させて、燃料電池の発電性能を迅速に回復させる。 As shown in FIG. 7A, the higher the temperature of the fuel cell, the greater the reduction in the catalyst surface area of the fuel cell. In other words, the higher the temperature of the fuel cell, the more likely the fuel cell will deteriorate. Therefore, in the fuel cell operation method according to the present embodiment, when the temperature of the fuel cell is high, the cathode potential is lowered to a higher potential (0.8 V vs. RHE) to give priority to suppressing deterioration of the fuel cell. While restoring the power generation performance of the fuel cell. On the other hand, when the temperature of the fuel cell is low, the cathode potential is lowered to a lower potential (for example, 0.6 V vs. RHE) to quickly recover the power generation performance of the fuel cell.
また、図7(B)に示すとおり、燃料電池の含水量が高いほど、燃料電池の触媒表面積の減少は大きくなる。言い換えれば、燃料電池の含水量が高いほど、燃料電池は劣化しやすい。したがって、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、燃料電池の含水量が多い場合には、カソード電位を高めの電位(0.8Vvs.RHE)まで低下させて、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能を回復させる。一方、燃料電池の含水量が少ない場合には、カソード電位を低めの電位(たとえば、0.6Vvs.RHE)まで低下させて、燃料電池の発電性能を迅速に回復させる。 Further, as shown in FIG. 7B, the higher the water content of the fuel cell, the greater the reduction in the catalyst surface area of the fuel cell. In other words, the higher the water content of the fuel cell, the more likely the fuel cell will deteriorate. Therefore, in the fuel cell operating method according to the present embodiment, when the fuel cell has a high water content, the cathode potential is lowered to a higher potential (0.8 V vs. RHE) to give priority to suppression of deterioration of the fuel cell. At the same time, the power generation performance of the fuel cell is restored. On the other hand, when the water content of the fuel cell is low, the cathode potential is lowered to a lower potential (for example, 0.6 V vs. RHE) to quickly recover the power generation performance of the fuel cell.
次に、図8を参照して、本実施の形態における燃料電池の運転方法による燃料電池の発電性能の回復および劣化抑制のメカニズムについて説明する。 Next, with reference to FIG. 8, the mechanism of recovery and deterioration suppression of the power generation performance of the fuel cell according to the fuel cell operating method of the present embodiment will be described.
図8は、本実施の形態における燃料電池の運転方法における白金の状態変化を説明するための図である。なお、図8では、燃料電池のカソード電位を0.6Vvs.RHE未満の電位まで低下させる場合を比較例として示している。 FIG. 8 is a diagram for explaining a change in the state of platinum in the operation method of the fuel cell in the present embodiment. In FIG. 8, the cathode potential of the fuel cell is 0.6 Vvs. The case where it is lowered to a potential lower than RHE is shown as a comparative example.
図8(B)に示すとおり、比較例では、燃料電池の発電性能を回復させるために、燃料電池のカソード電位を0.6Vvs.RHE未満の電位まで低下させる。この場合、白金酸化物(PtOx)が白金(Pt)に還元される現象に加えて、白金が白金イオン(Ptn+)にイオン化される現象が発生するものと考えられる。したがって、比較例では、触媒活性が回復されて燃料電池の発電性能が回復する一方で、白金の溶解および再凝集が促進され、触媒表面積が減少する。加えて、溶解した白金が電解質膜の内部で再析出することにより、電解質膜の劣化が引き起こされる。その結果、比較例では、燃料電池の発電性能が一時的に回復するものの、長期的には燃料電池の性能が低下する。 As shown in FIG. 8B, in the comparative example, in order to restore the power generation performance of the fuel cell, the cathode potential of the fuel cell is set to 0.6 Vvs. Reduce to potential below RHE. In this case, in addition to the phenomenon in which platinum oxide (PtOx) is reduced to platinum (Pt), a phenomenon in which platinum is ionized to platinum ions (Pt n + ) is considered to occur. Therefore, in the comparative example, the catalytic activity is restored and the power generation performance of the fuel cell is restored, while the dissolution and reaggregation of platinum is promoted and the catalyst surface area is reduced. In addition, the dissolved platinum is reprecipitated inside the electrolyte membrane, causing deterioration of the electrolyte membrane. As a result, in the comparative example, although the power generation performance of the fuel cell is temporarily recovered, the performance of the fuel cell is deteriorated in the long term.
一方、図8(A)に示すとおり、本実施の形態における燃料電池の運転方法では、燃料電池の状態に応じて、燃料電池のカソード電位を0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEまで低下させる。この場合、白金酸化物の一部が還元されるとともに、残りの白金酸化物(PtOx)が状態変化を起こし、白金表面に保護被膜として残留するものと考えられる。そして、状態変化を起こした白金酸化物(PtOx)によって、白金の溶解が抑制され、燃料電池の劣化が抑制されると考えられる。 On the other hand, as shown in FIG. 8A, in the fuel cell operation method according to the present embodiment, the cathode potential of the fuel cell is set to 0.6 Vvs. RHE or 0.8Vvs. Reduce to RHE. In this case, it is considered that a part of the platinum oxide is reduced and the remaining platinum oxide (PtOx) undergoes a state change and remains on the platinum surface as a protective coating. And it is thought that platinum oxide (PtOx) which caused the state change suppresses the dissolution of platinum and suppresses the deterioration of the fuel cell.
以上のとおり、本実施の形態における燃料電池の運転方法によれば、燃料電池が劣化しやすい状態にある場合には、カソード電位が0.8Vvs.RHEまで低下され、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能が回復される。一方、燃料電池が劣化しにくい状態にある場合には、カソード電位が0.6Vvs.RHEまで低下され、燃料電池の発電性能が迅速に回復される。その結果、燃料電池の発電性能を回復するとともに、燃料電池の耐久性を向上することができる。 As described above, according to the operation method of the fuel cell in the present embodiment, the cathode potential is 0.8 Vvs. The power generation performance of the fuel cell is restored while giving priority to suppression of deterioration of the fuel cell. On the other hand, when the fuel cell is not easily deteriorated, the cathode potential is 0.6 Vvs. The power generation performance of the fuel cell is quickly recovered by reducing to RHE. As a result, the power generation performance of the fuel cell can be recovered and the durability of the fuel cell can be improved.
なお、上述した実施の形態では、燃料電池の温度および含水量に基づいて目標電位が決定された。しかしながら、燃料電池の温度のみから目標電位を決定してもよく、含水量のみから目標電位を決定してもよい。 In the above-described embodiment, the target potential is determined based on the temperature and water content of the fuel cell. However, the target potential may be determined only from the temperature of the fuel cell, or the target potential may be determined only from the water content.
また、上述した実施の形態では、燃料電池の温度および含水量に応じて、0.6Vvs.RHEおよび0.8Vvs.RHEの2つの電位レベルのうち一方の電位レベルが選択され、目標電位として決定された。しかしながら、燃料電池の状態に応じて、3つ以上の電位レベルの中から一の電位レベルを選択し、目標電位として決定してもよい。このような電位レベルは、0.6〜0.95Vvs.RHEの範囲で設定されることが好ましい。目標電位が0.6Vvs.RHE未満の場合、白金が溶解しやすく、燃料電池の劣化を確実に抑制することができない。目標電位が0.95Vvs.RHEを超える場合、材料によっては白金酸化物が還元されず、燃料電池の発電性能が回復しない。 In the above-described embodiment, 0.6 Vvs. Is selected depending on the temperature and water content of the fuel cell. RHE and 0.8 Vvs. One of the two potential levels of RHE was selected and determined as the target potential. However, according to the state of the fuel cell, one potential level may be selected from three or more potential levels and determined as the target potential. Such a potential level is 0.6 to 0.95 Vvs. It is preferably set within the range of RHE. Target potential is 0.6Vvs. When it is less than RHE, platinum is easily dissolved, and deterioration of the fuel cell cannot be reliably suppressed. The target potential is 0.95 Vvs. When it exceeds RHE, platinum oxide is not reduced depending on the material, and the power generation performance of the fuel cell is not recovered.
次に、図9を参照して、本実施の形態における燃料電池システム100を搭載した燃料電池自動車について説明する。
Next, a fuel cell vehicle equipped with the
図9は、本実施の形態における燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車を説明する図である。本実施の形態における燃料電池自動車200は、燃料電池システム100を駆動用電源として搭載している。燃料電池10によって生成される電力により自動車200のモータが駆動され、自動車200が走行する。上述したとおり、燃料電池自動車200が渋滞に巻き込まれ、燃料電池10のアイドリング運転が長期間継続される場合であっても、上述した処理により燃料電池10の発電性能は維持される。そして、本実施の形態の燃料電池自動車200によれば、燃料電池10の耐久性が向上されるため、自動車200の信頼性が向上する。
FIG. 9 is a diagram illustrating a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system according to the present embodiment. The
そして、このような燃料電池自動車200が実際に使用される地域および季節に応じて、燃料電池の温度および含水量は異なる。たとえば、モスクワの1月の平均気温は−9.5℃、最低気温は−16.2℃であるのに対して、ニューデリーの6月の平均気温は33.8℃、最高気温は39.9℃である。したがって、図7(A)において破線で示す−10℃程度での触媒表面積の減少曲線と30℃または50℃に対応する触媒表面積の減少曲線との関係を勘案すれば、燃料電池の温度を検出して燃料電池のカソード電位の目標電位を決定することにより、30%程度の触媒表面積の減少抑制効果が期待される。
The temperature and water content of the fuel cell vary depending on the region and season in which the
また、砂漠地帯の湿度(RH)は20〜30%であるのに対し、東南アジアの雨季の湿度は、80〜90%である。したがって、図7(B)に示す含水量と触媒表面積との関係を勘案すれば、燃料電池の含水量を検出して燃料電池のカソード電位の目標電位を決定することにより、30%程度の触媒表面積の減少抑制効果が期待される。 Further, the humidity (RH) in the desert region is 20 to 30%, whereas the humidity in the rainy season in Southeast Asia is 80 to 90%. Therefore, in consideration of the relationship between the water content and the catalyst surface area shown in FIG. 7B, the target potential of the cathode potential of the fuel cell is determined by detecting the water content of the fuel cell. Expected to reduce surface area.
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。 As described above, the described embodiment has the following effects.
(a)本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池、温度検出部、抵抗検出部、コンプレッサ、負荷器、および制御部を備える。燃料電池は、電極触媒として白金を含む。温度検出部および抵抗検出部は、燃料電池の温度および含水量を検出する。制御部は、検出された燃料電池の状態に基づいて、燃料電池のカソード電位の目標値である目標電位を決定する。コンプレッサ、負荷器、および制御部は、決定された目標電位まで燃料電池のカソード電位を低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復させる。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるために低下されるカソード電位の目標電位が燃料電池の状態に応じて変更されるため、白金の溶解を抑制しつつ、白金酸化物を還元することができる。その結果、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 (A) The fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell, a temperature detector, a resistance detector, a compressor, a loader, and a controller. The fuel cell contains platinum as an electrode catalyst. The temperature detector and the resistance detector detect the temperature and water content of the fuel cell. The control unit determines a target potential that is a target value of the cathode potential of the fuel cell based on the detected state of the fuel cell. The compressor, the loader, and the control unit recover the power generation performance of the fuel cell by lowering the cathode potential of the fuel cell to the determined target potential. Accordingly, since the target potential of the cathode potential that is lowered to restore the power generation performance of the fuel cell is changed according to the state of the fuel cell, platinum oxide can be reduced while suppressing the dissolution of platinum. . As a result, the power generation performance of the fuel cell can be recovered and the durability of the fuel cell can be improved.
(b)制御部は、燃料電池が劣化しやすい状態であるほど目標電位が高くなるように、燃料電池の状態に基づいて目標電位を決定する。したがって、燃料電池が劣化しやすい状態であるほど、燃料電池の劣化抑制を優先して発電性能が回復されるため、燃料電池の耐久性を確実に向上させることができる。 (B) The control unit determines the target potential based on the state of the fuel cell so that the target potential becomes higher as the fuel cell is more likely to deteriorate. Therefore, as the fuel cell is more likely to be deteriorated, the power generation performance is recovered by giving priority to the suppression of deterioration of the fuel cell, so that the durability of the fuel cell can be reliably improved.
(c)制御部は、0.6Vvs.RHE以上の範囲で予め設定される2つの電位レベルの中から燃料電池の状態に対応する一の電位レベルを選択して、目標電位として決定する。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性をより一層向上させることができる。 (C) The control unit is 0.6Vvs. One potential level corresponding to the state of the fuel cell is selected from two potential levels set in advance in a range equal to or higher than RHE, and determined as a target potential. Therefore, the power generation performance of the fuel cell can be recovered and the durability of the fuel cell can be further improved.
(d)制御部は、燃料電池の温度が高いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。したがって、燃料電池の温度を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 (D) The control unit determines a higher target potential, assuming that the fuel cell is more likely to deteriorate as the temperature of the fuel cell increases. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved by detecting the temperature of the fuel cell.
(e)制御部は、燃料電池の含水量が多いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。したがって、燃料電池の含水量を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 (E) The control unit determines a higher target potential on the assumption that the fuel cell is more likely to deteriorate as the water content of the fuel cell increases. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved by detecting the water content of the fuel cell.
(f)本実施の形態の燃料電池自動車は、上記燃料電池システムを駆動用電源として搭載している。したがって、燃料電池の耐久性が向上するため、燃料電池自動車の信頼性が向上する。 (F) The fuel cell vehicle of the present embodiment is equipped with the fuel cell system as a driving power source. Therefore, since the durability of the fuel cell is improved, the reliability of the fuel cell vehicle is improved.
(g)本実施の形態における燃料電池の運転方法は、状態検出段階、電位決定段階、および電位制御段階を有する。状態検出段階は、電極触媒として白金を含む燃料電池の状態を検出する。電位決定段階は、検出された燃料電池の状態に基づいて、燃料電池のカソード電位の目標値である目標電位を決定する。電位制御段階は、決定された目標電位まで燃料電池のカソード電位を低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復させる。したがって、燃料電池の発電性能を回復させるために低下されるカソード電位の目標電位が燃料電池の状態に応じて変更されるため、白金の溶解を抑制しつつ、白金酸化物を還元することができる。その結果、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 (G) The fuel cell operating method in the present embodiment includes a state detection stage, a potential determination stage, and a potential control stage. In the state detection step, the state of the fuel cell containing platinum as an electrode catalyst is detected. In the potential determination step, a target potential that is a target value of the cathode potential of the fuel cell is determined based on the detected state of the fuel cell. In the potential control stage, the power generation performance of the fuel cell is restored by lowering the cathode potential of the fuel cell to the determined target potential. Accordingly, since the target potential of the cathode potential that is lowered to restore the power generation performance of the fuel cell is changed according to the state of the fuel cell, platinum oxide can be reduced while suppressing the dissolution of platinum. . As a result, the power generation performance of the fuel cell can be recovered and the durability of the fuel cell can be improved.
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、燃料電池の温度および含水量からカソード電位の目標電位を決定した。本実施の形態は、燃料電池のカソード電位の履歴から目標電位を決定する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the target potential of the cathode potential is determined from the temperature and water content of the fuel cell. In the present embodiment, the target potential is determined from the history of the cathode potential of the fuel cell.
図10は、本発明の第2の実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。なお、目標電位決定処理を除いては、本実施の形態の燃料電池システムの構成は、第1の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。 FIG. 10 is a flowchart for explaining target potential determination processing according to the second embodiment of the present invention. Except for the target potential determination process, the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment is the same as the configuration according to the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
図10に示すとおり、本実施の形態の目標電位決定処理では、まず、燃料電池10のカソード電位の履歴が取得される(ステップS301)。本実施の形態では、燃料電池10のカソード電位の履歴が記憶部(不図示)に記憶されており、処理開始時点から所定時間前までのカソード電位の履歴データが取得される。
As shown in FIG. 10, in the target potential determination process of the present embodiment, first, the history of the cathode potential of the
次に、カソード電位の履歴データにおいて、カソード電位が所定値以下になった期間があるか否かが判断される(ステップS302)。ここで、所定値とは、燃料電池10が高負荷運転状態であることを判定するための電位である。カソード電位が所定値以下になった期間がない場合(ステップS302:NO)、ステップS305以下の処理に移行する。一方、カソード電位が所定値以下になった期間がある場合(ステップS302:YES)、カソード電位が所定値以下になった期間が所定時間以上であるか否かが判断される(ステップS303)。
Next, in the cathode potential history data, it is determined whether or not there is a period during which the cathode potential has become a predetermined value or less (step S302). Here, the predetermined value is a potential for determining that the
カソード電位が所定値以下になった期間が所定時間未満の場合(ステップS303:NO)、ステップS305以下の処理に移行する。一方、カソード電位が所定値以下になった期間が所定時間以上の場合(ステップS303:YES)、燃料電池10は劣化しやすい状態であるとして、目標電位が0.8Vvs.RHEに決定され(ステップS304)、処理が終了される。 When the period during which the cathode potential is less than or equal to the predetermined value is less than the predetermined time (step S303: NO), the process proceeds to step S305 and subsequent steps. On the other hand, when the period during which the cathode potential is equal to or lower than the predetermined value is longer than the predetermined time (step S303: YES), the target potential is set to 0.8 Vvs. RHE is determined (step S304), and the process is terminated.
一方、カソード電位が所定値以下になった期間がない場合(ステップS302:NO)、または所定値以下になった期間が所定時間未満の場合(ステップS303:NO)、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所があるか否かが判断される(ステップS305)。ここで、所定の電位幅とは、燃料電池の運転状態が高負荷運転状態から低負荷運転状態まで、または低負荷運転状態から高負荷運転状態まで大きく変化したことを判定するための電位幅である。カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所がない場合(ステップS305:NO)、燃料電池10は劣化しにくい状態であるとして、目標電位が0.6Vvs.RHEに決定され(ステップS306)、処理が終了される。 On the other hand, when there is no period in which the cathode potential is less than or equal to a predetermined value (step S302: NO), or when the period in which the cathode potential is less than or equal to the predetermined value is less than a predetermined time (step S303: NO), the cathode potential is a predetermined potential width. It is determined whether or not there is a portion that has changed as described above (step S305). Here, the predetermined potential range is a potential range for determining that the operating state of the fuel cell has greatly changed from the high load operating state to the low load operating state or from the low load operating state to the high load operating state. is there. If there is no portion where the cathode potential fluctuates by more than the predetermined potential width (step S305: NO), the target potential is 0.6 Vvs. RHE is determined (step S306), and the process is terminated.
一方、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所がある場合(ステップS305:YES)、カソード電位の履歴データにおいて、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所の数が所定数以上か否かが判断される(ステップS307)。カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所の数が所定数以上の場合(ステップS307:YES)、燃料電池10は劣化しやすい状態であるとして、目標電位が0.8Vvs.RHEに決定され(ステップS304)、処理が終了される。一方、カソード電位が所定の電位幅以上変動した箇所の数が所定数未満の場合(ステップS307:NO)、燃料電池10は劣化しにくい状態であるとして、目標電位が0.6Vvs.RHEに決定され(ステップS306)、処理が終了される。 On the other hand, if there is a location where the cathode potential has fluctuated by a predetermined potential width or more (step S305: YES), whether or not the number of locations in which the cathode potential has fluctuated by a predetermined potential width or more in the cathode potential history data is greater than a predetermined number. Is determined (step S307). When the number of locations where the cathode potential fluctuates by more than a predetermined potential width is greater than or equal to the predetermined number (step S307: YES), the target potential is 0.8 Vvs. RHE is determined (step S304), and the process is terminated. On the other hand, when the number of locations where the cathode potential fluctuates by more than a predetermined potential width is less than the predetermined number (step S307: NO), the target potential is 0.6 Vvs. RHE is determined (step S306), and the process is terminated.
以上のとおり、図10に示すフローチャートの処理によれば、燃料電池10のカソード電位の履歴に基づいて、0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEの目標電位が決定される。より具体的には、燃料電池のカソード電位が所定値以下である期間が短い場合、またはカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が少ない場合、燃料電池の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の目標電位が0.6Vvs.RHEに決定される。一方、燃料電池のカソード電位が所定値以下である期間が長い場合、またはカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が多い場合、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能が回復するように、カソード電位の目標電位が0.8Vvs.RHEに決定される。そして、このような構成の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the process of the flowchart shown in FIG. 10, based on the history of the cathode potential of the
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第1の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。 As described above, the present embodiment described has the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
(h)制御部は、燃料電池のカソード電位が所定値以下である期間が長いほど、または燃料電池のカソード電位の所定の電位幅以上の変動回数が多いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。したがって、燃料電池のカソード電位の履歴を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 (H) The control unit is in a state where the fuel cell is more likely to be deteriorated as the period during which the cathode potential of the fuel cell is less than or equal to a predetermined value is longer or the number of fluctuations of the cathode potential of the fuel cell is greater than or equal to a predetermined potential width. As described above, a high target potential is determined. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved by detecting the history of the cathode potential of the fuel cell.
(第3の実施の形態)
本実施の形態は、燃料電池が搭載された燃料電池自動車のアクセル開度の履歴から目標電位を決定する実施の形態である。
(Third embodiment)
In the present embodiment, the target potential is determined from the history of the accelerator opening of the fuel cell vehicle on which the fuel cell is mounted.
図11は、本発明の第3の実施の形態における目標電位決定処理を説明するためのフローチャートである。なお、目標電位決定処理を除いては、本実施の形態の燃料電池システムの構成は、第1の実施の形態における構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。 FIG. 11 is a flowchart for explaining target potential determination processing according to the third embodiment of the present invention. Except for the target potential determination process, the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment is the same as the configuration according to the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.
図11に示すとおり、本実施の形態の目標電位決定処理では、まず、燃料電池自動車200のアクセル開度の履歴が取得される(ステップS401)。本実施の形態では、燃料電池自動車200のアクセル開度の履歴が記憶部(不図示)に記憶されており、処理開始時点から所定時間前までのアクセル開度の履歴データが取得される。
As shown in FIG. 11, in the target potential determination process of the present embodiment, first, the history of the accelerator opening of the
次に、アクセル開度の履歴データにおいて、アクセル開度が所定値以上になった期間があるか否かが判断される(ステップS402)。ここで、所定値とは、燃料電池が高負荷運転状態であることを判定するためのアクセル開度である。アクセル開度が所定値以上になった期間がない場合(ステップS402:NO)、燃料電池10は劣化しにくい状態であるとして、目標電位が0.6Vvs.RHEに決定され(ステップS403)、処理が終了される。 Next, it is determined whether or not there is a period in which the accelerator opening is equal to or greater than a predetermined value in the history data of the accelerator opening (step S402). Here, the predetermined value is an accelerator opening for determining that the fuel cell is in a high-load operation state. When there is no period in which the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value (step S402: NO), the target potential is 0.6 Vvs. RHE is determined (step S403), and the process is terminated.
一方、アクセル開度が所定値以上になった期間がある場合(ステップS402:YES)、アクセル開度が所定値以上になった期間が所定時間以上か否かが判断される(ステップS404)。アクセル開度が所定値以上になった期間が所定時間未満である場合(ステップS404:NO)、燃料電池10は劣化しにくい状態であるとして、目標電位が0.6Vvs.RHEに決定され(ステップS403)、処理が終了される。 On the other hand, when there is a period during which the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value (step S402: YES), it is determined whether or not the period during which the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value is equal to or greater than a predetermined time (step S404). When the period during which the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value is less than the predetermined time (step S404: NO), the target potential is 0.6 Vvs. RHE is determined (step S403), and the process is terminated.
アクセル開度が所定値以上になった期間が所定時間以上の場合(ステップS404:YES)、燃料電池10が劣化しやすい状態であるとして、目標電位が0.8Vvs.RHEに決定され(ステップS405)、処理が終了される。 When the period during which the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value is equal to or greater than the predetermined time (step S404: YES), the target potential is set to 0.8 Vvs. RHE is determined (step S405), and the process is terminated.
以上のとおり、図11に示すフローチャートの処理によれば、燃料電池10を搭載する燃料電池自動車200のアクセル開度に基づいて、0.6Vvs.RHEまたは0.8Vvs.RHEの目標電位が決定される。より具体的には、燃料電池のアクセル開度が所定値以上である期間が短い場合、燃料電池の発電性能が迅速に回復するように、カソード電位の目標電位が0.6Vvs.RHEに決定される。一方、燃料電池のアクセル開度が所定値以上である期間が長い場合、燃料電池の劣化抑制を優先しつつ燃料電池の発電性能が回復するように、カソード電位の目標電位が0.8Vvs.RHEに決定される。そして、このような構成の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の発電性能を回復させるとともに、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the processing of the flowchart shown in FIG. 11, 0.6 V vs. V is based on the accelerator opening of the
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第1および第2の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。 As described above, the described embodiment has the following effects in addition to the effects of the first and second embodiments.
(i)制御部は、アクセル開度が所定値以上である期間が長いほど燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い目標電位を決定する。したがって、燃料電池自動車のアクセル開度の履歴を検出することにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。 (I) The control unit determines a higher target potential, assuming that the fuel cell is more likely to deteriorate as the period during which the accelerator opening is equal to or greater than a predetermined value is longer. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved by detecting the history of the accelerator opening of the fuel cell vehicle.
以上のとおり、説明した第1〜第3の実施の形態において、本発明の燃料電池システム、燃料電池の運転方法、および燃料電池自動車を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。 As described above, in the first to third embodiments described, the fuel cell system, the fuel cell operating method, and the fuel cell vehicle of the present invention have been described. However, it goes without saying that the present invention can be appropriately added, modified, and omitted by those skilled in the art within the scope of the technical idea.
たとえば、上述した第1〜第3の実施の形態では、燃料電池へのカソードガスの供給を停止することにより、あるいは、燃料電池から電流を取り出すことにより、燃料電池のカソード電位を目標電位まで低下させた。しかしながら、燃料電池のカソード電位を低下させる手法としては、フラッディング(Flooding)、還元剤の供給、アノードとカソードとの短絡、またはカソードガスの減圧などの種々の方法を用いることができる。フラッディング処理では、燃料電池の温度を低下させたり、高加湿ガスを供給したり、液水を供給したりすることによりガスが流れない状態を作り出し、カソード電位を低下させる。還元剤の供給処理では、水素、過酸化水素、ヒドラジン、アスコルビン酸、クエン酸などの酸化剤を含むガスを燃料電池に供給することによりカソード電位を低下させる。 For example, in the first to third embodiments described above, the cathode potential of the fuel cell is lowered to the target potential by stopping the supply of the cathode gas to the fuel cell or by taking out the current from the fuel cell. I let you. However, as a method for reducing the cathode potential of the fuel cell, various methods such as flooding, supply of a reducing agent, short-circuit between the anode and the cathode, or depressurization of the cathode gas can be used. In the flooding process, a state in which no gas flows is created by lowering the temperature of the fuel cell, supplying a highly humidified gas, or supplying liquid water, thereby lowering the cathode potential. In the supply process of the reducing agent, the cathode potential is lowered by supplying a gas containing an oxidizing agent such as hydrogen, hydrogen peroxide, hydrazine, ascorbic acid, and citric acid to the fuel cell.
10 燃料電池、
20 燃料タンク、
30 コンプレッサ(電位制御手段)、
40 電圧検出部、
50 温度検出部(状態検出手段)、
60 抵抗検出部(状態検出手段)、
70 負荷器(電位制御手段)、
80 電流検出部、
90 制御部(電位制御手段および電位決定手段)、
100 燃料電池システム、
200 燃料電池自動車。
10 Fuel cell,
20 Fuel tank,
30 compressor (potential control means),
40 voltage detector,
50 temperature detector (state detection means),
60 resistance detection unit (state detection means),
70 loader (potential control means),
80 current detector,
90 control unit (potential control means and potential determination means),
100 fuel cell system,
200 Fuel cell vehicle.
Claims (9)
前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する電位決定手段と、
前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる電位制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell containing platinum as an electrode catalyst;
State detecting means for detecting the state of the fuel cell;
A potential determining means for determining a target potential which is a target value of the air electrode potential of the fuel cell based on the detected state of the fuel cell;
A potential control means for recovering the power generation performance of the fuel cell by reducing the air electrode potential of the fuel cell to the determined target potential;
A fuel cell system comprising:
前記電位決定手段は、前記検出される温度が高いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The state detection means has temperature detection means for detecting the temperature of the fuel cell,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the potential determination unit determines the higher target potential on the assumption that the fuel cell is more likely to deteriorate as the detected temperature is higher.
前記電位決定手段は、前記検出される含水量が多いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The state detection means includes water content detection means for detecting the water content of the fuel cell,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the potential determination unit determines the higher target potential, assuming that the fuel cell is more likely to deteriorate as the detected water content increases.
前記電位決定手段は、前記燃料電池の空気極電位が所定値以下である期間が長いほど、または前記空気極電位の所定の電位幅以上の変動回数が多いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The state detection means has a potential history detection means for detecting a history of the air electrode potential of the fuel cell,
The potential determining means is in a state in which the fuel cell is more likely to deteriorate as the period during which the air electrode potential of the fuel cell is less than or equal to a predetermined value is longer or the number of fluctuations of the air electrode potential is greater than or equal to a predetermined potential width. The fuel cell system according to claim 2, wherein the target potential that is high is determined.
前記電位決定手段は、前記アクセル開度が所定値以上である期間が長いほど前記燃料電池が劣化しやすい状態であるとして、高い前記目標電位を決定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The state detecting means includes accelerator opening history detecting means for detecting a history of accelerator opening of a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell,
The said electric potential determination means determines the said high target electric potential as the said fuel cell is in the state which is easy to deteriorate, so that the period when the said accelerator opening is more than predetermined value is long. Fuel cell system.
前記検出された燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の空気極電位の目標値である目標電位を決定する段階と、
前記決定された目標電位まで前記燃料電池の空気極電位を低下させることにより、前記燃料電池の発電性能を回復させる段階と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。 Detecting a state of a fuel cell containing platinum as an electrode catalyst;
Determining a target potential that is a target value of the air electrode potential of the fuel cell based on the detected state of the fuel cell;
Recovering the power generation performance of the fuel cell by reducing the cathode potential of the fuel cell to the determined target potential;
A method of operating a fuel cell, comprising:
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