JP2010067434A - Operation control device and operation control method for fuel cell - Google Patents

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生豊 菅原
Masanobu Uchimura
允宣 内村
Kenha Cho
剣波 張
Tetsushi Horibe
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an operation control device and an operation control method for a fuel cell wherein it is possible to prevent deterioration of a catalyst metal such as platinum and platinum alloy without promoting deterioration of a storage battery. <P>SOLUTION: In the device to control operation of a fuel cell in which voltages are fluctuated according to required system power, a determining means (S2) of estimating a target voltage (Vt) after fluctuations based on the required system power, and determining whether or not the target voltage (Vt) is a voltage or more having possibility that a catalyst of an electrode catalyst layer is dissolved, and an operation control means (S4) to control operation of the fuel cell so that in the case the target voltage (Vt) is higher than the voltage (Vc) before the fluctuations and the dissolving start voltage or more, it is elevated up to a first stage elevated voltage (Vs1) which is the voltage or more of starting film formation in which the catalyst is covered by a protective film, and so that it becomes the target voltage (Vt) after a prescribed time (ts) passes from that time. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池の運転を制御する装置及び方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and method for controlling the operation of a fuel cell.

従来の燃料電池システムは、システム要求電力が徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位で一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補うように制御していた。その後、アクセル開度が下がるなどして燃料電池の発電が必要なくなったとしても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下で維持して発電を継続していた。このように生成される余剰電力をバッテリに充電し続け、バッテリの容量が所定値を超えるまで発電を継続していた。
特開2007−5038号公報
In conventional fuel cell systems, even when the system power requirement increases gradually, the output voltage of the fuel cell is limited once by the oxidation-reduction potential, and control is performed to supplement the power corresponding to the limited voltage with the battery. Was. Thereafter, even if the fuel cell power generation is no longer necessary due to a decrease in the accelerator opening, the power generation was continued while maintaining the output voltage of the fuel cell below the oxidation-reduction potential. The surplus power generated in this way is continuously charged into the battery, and power generation is continued until the capacity of the battery exceeds a predetermined value.
JP 2007-5038 A

しかしながら、このようにして電位変動を抑制するには、システム要求電力の変動にあわせて蓄電池の出力を変動させる必要がある。このようにすると蓄電池の充放電頻度が高まり、その結果、蓄電池の劣化が促進されるだけでなく、システム全体の発電効率が低下してしまうといった問題があった。   However, in order to suppress the potential fluctuation in this way, it is necessary to vary the output of the storage battery in accordance with the fluctuation of the system required power. If it does in this way, the charge / discharge frequency of a storage battery will increase, As a result, deterioration of a storage battery was accelerated | stimulated and there existed a problem that the electric power generation efficiency of the whole system fell.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、システム全体の発電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池の劣化の促進を抑制し、白金や白金合金などといった触媒金属の劣化を防止可能な燃料電池の運転制御装置及び運転制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and suppresses the deterioration of the power generation efficiency of the entire system, suppresses the promotion of deterioration of the storage battery, and catalytic metals such as platinum and platinum alloys. An object of the present invention is to provide a fuel cell operation control apparatus and operation control method capable of preventing deterioration of the fuel cell.

本発明は、目標電圧が変動前の電圧よりも高く、溶解開始電圧以上の場合には、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜開始電圧以上である第一段階上昇電圧まで上昇させる。また、そのときから所定時間が経過した後に目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する。   In the present invention, when the target voltage is higher than the voltage before the fluctuation and is equal to or higher than the melting start voltage, the catalyst is raised to the first stage rising voltage that is equal to or higher than the film starting voltage on which the catalyst is coated with the protective film. Further, the operation of the fuel cell is controlled so that the target voltage is reached after a predetermined time has elapsed since that time.

本発明によれば、燃料電池に対する要求電力が変動した場合であって電極触媒層の触媒の溶解する可能性のあるときに、触媒に保護皮膜が形成されるのを待ってから目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御するようにしたので、システム全体の発電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池の劣化の促進を抑制し、白金や白金合金などといった触媒金属の劣化を抑制できるのである。   According to the present invention, when the required power for the fuel cell fluctuates and there is a possibility that the catalyst of the electrode catalyst layer is dissolved, the target voltage is reached after waiting for the formation of the protective film on the catalyst. Thus, since the operation of the fuel cell is controlled, the deterioration of the power generation efficiency of the entire system can be suppressed, the acceleration of the deterioration of the storage battery can be suppressed, and the deterioration of the catalyst metal such as platinum or platinum alloy can be suppressed. is there.

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
(第1実施形態)
はじめに図1を参照して、本発明による燃料電池の運転制御装置を適用する燃料電池システムの一例について説明する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, an example of a fuel cell system to which a fuel cell operation control device according to the present invention is applied will be described with reference to FIG.

燃料電池システムは、燃料電池スタック1と、空気供給コンプレッサ2と、水素タンク3と、冷却水ポンプ4と、ラジエータ5と、温度センサ6と、温度記録部7と、負荷コントローラ8と、を備える。   The fuel cell system includes a fuel cell stack 1, an air supply compressor 2, a hydrogen tank 3, a cooling water pump 4, a radiator 5, a temperature sensor 6, a temperature recording unit 7, and a load controller 8. .

燃料電池スタック1は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。空気供給コンプレッサ2は、燃料電池スタック1にカソードガス(空気)を供給する。水素タンク3は、アノードガス(水素)を収容する密閉容器であり、そのアノードガス(水素)を燃料電池スタック1に供給する。冷却水ポンプ4は、燃料電池スタック1に供給する冷却水を循環する。ラジエータ5は、冷却水ポンプ4によって循環される冷却水の熱を逃がし、冷却水の過熱を防止する。温度センサ6は、冷却水温を検出する。温度記録部7は温度センサ6によって検出された冷却水温を記録する。負荷コントローラ8はシステム要求電力に基づいて燃料電池の出力負荷を設定し燃料電池の運転を制御する。   The fuel cell stack 1 is supplied with cathode gas and anode gas to generate electric power. The air supply compressor 2 supplies cathode gas (air) to the fuel cell stack 1. The hydrogen tank 3 is a sealed container that stores anode gas (hydrogen), and supplies the anode gas (hydrogen) to the fuel cell stack 1. The cooling water pump 4 circulates the cooling water supplied to the fuel cell stack 1. The radiator 5 releases the heat of the cooling water circulated by the cooling water pump 4 and prevents the cooling water from overheating. The temperature sensor 6 detects the cooling water temperature. The temperature recording unit 7 records the cooling water temperature detected by the temperature sensor 6. The load controller 8 sets the output load of the fuel cell based on the system required power and controls the operation of the fuel cell.

図2は、燃料電池を構成する単セルの拡大図である。図2(A)は構成を示す分解斜視図、図2(B)は側断面図である。   FIG. 2 is an enlarged view of a single cell constituting the fuel cell. 2A is an exploded perspective view showing the configuration, and FIG. 2B is a side sectional view.

燃料電池セルは、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)10の表裏両面にカソードセパレータ13a及びアノードセパレータ13bが配置された構成である。   The fuel cell has a configuration in which a cathode separator 13a and an anode separator 13b are arranged on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 10.

MEA10は、電解質膜11と、カソード12aと、アノード12bと、を含む。   The MEA 10 includes an electrolyte membrane 11, a cathode 12a, and an anode 12b.

電解質膜11は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜11は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜11の性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜11の水分状態を最適に保つ必要がある。そこで燃料電池セルに導入する反応ガス(カソードガス及びアノードガス)を加湿している。なお電解質膜11の水分状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池セルに供給しては、電解質膜11に不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。   The electrolyte membrane 11 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine resin. The electrolyte membrane 11 exhibits good electrical conductivity in a wet state. Therefore, in order to extract the performance of the electrolyte membrane 11 and improve the power generation efficiency, it is necessary to keep the moisture state of the electrolyte membrane 11 optimal. Therefore, the reaction gas (cathode gas and anode gas) introduced into the fuel cell is humidified. Note that pure water may be used as water for optimally maintaining the moisture state of the electrolyte membrane 11. This is because when water mixed with impurities is supplied to the fuel cell, impurities accumulate in the electrolyte membrane 11 and power generation efficiency decreases.

カソード12aは電解質膜11の片面(図2(B)の左側)に設けられ、アノード12bは反対面(図2(B)の右側)に設けられる。カソード12a及びアノード12bは、触媒層121と、ガス拡散層(Gas Diffusion Layer;GDL)122と、で構成される。触媒層121は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。ガス拡散層122は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。   The cathode 12a is provided on one side (left side of FIG. 2B) of the electrolyte membrane 11, and the anode 12b is provided on the opposite side (right side of FIG. 2B). The cathode 12 a and the anode 12 b include a catalyst layer 121 and a gas diffusion layer (GDL) 122. The catalyst layer 121 is formed of, for example, carbon black particles on which platinum is supported. The gas diffusion layer 122 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, such as carbon fiber.

カソードセパレータ13aは、カソード12aの外側に重なる。カソードセパレータ13aの片面(カソード12aへの対向面)には、リブ131が凸設され、リブ131の間に反応ガス流路132が形成される。図2では、4列の反応ガス流路132が形成される。カソードセパレータ13aは、たとえばカーボン製又は金属製である。   The cathode separator 13a overlaps the outside of the cathode 12a. On one side of the cathode separator 13 a (the surface facing the cathode 12 a), ribs 131 are provided so as to form a reaction gas channel 132 between the ribs 131. In FIG. 2, four rows of reaction gas flow paths 132 are formed. The cathode separator 13a is made of, for example, carbon or metal.

アノードセパレータ13bは、アノード12bの外側に重なる。アノードセパレータ13bの片面(アノード12bへの対向面)には、リブ131が凸設され、リブ131の間に反応ガス流路132が形成される。図2では、4列の反応ガス流路132が形成される。アノードセパレータ13bは、たとえばカーボン製又は金属製である。   The anode separator 13b overlaps the outside of the anode 12b. On one side of the anode separator 13 b (the surface facing the anode 12 b), a rib 131 is provided so as to form a reaction gas channel 132 between the ribs 131. In FIG. 2, four rows of reaction gas flow paths 132 are formed. The anode separator 13b is made of, for example, carbon or metal.

以上のような構成の燃料電池セルが数百セル積層されて所定の面圧で保持されたものが燃料電池スタック1である。   A fuel cell stack 1 is formed by stacking several hundred fuel cells having the above-described configuration and maintaining a predetermined surface pressure.

続いて本発明の理解を容易にするために、本件発明者らの知見について説明する。   Next, in order to facilitate understanding of the present invention, the knowledge of the present inventors will be described.

燃料電池システムでは、システムに対する要求電力が変動すると燃料電池の発電電力が変動し、その結果燃料電池の電圧が変動する。このような電圧変動は、燃料電池システムが自動車をはじめとする各種移動体の動力源として用いられる場合に特に顕著である。一般的には、燃料電池を構成する単電池では+0.6ボルトから+1.0ボルト程度の電圧変動がある。アノードにおける水素酸化反応は極めて速いので、単電池の電圧が変動してもアノード電位はほとんど変動せず常にほぼ0ボルトであり、カソード電位が+0.6ボルトから+1.0ボルト程度で変動する。   In the fuel cell system, when the required power for the system fluctuates, the generated power of the fuel cell fluctuates, and as a result, the voltage of the fuel cell fluctuates. Such voltage fluctuation is particularly noticeable when the fuel cell system is used as a power source for various mobile objects including automobiles. Generally, a unit cell constituting a fuel cell has a voltage fluctuation of about +0.6 volts to +1.0 volts. Since the hydrogen oxidation reaction at the anode is extremely fast, the anode potential hardly changes even when the voltage of the unit cell fluctuates, and is always approximately 0 volts, and the cathode potential varies between +0.6 volts and +1.0 volts.

ところで、電極には電気化学反応を促進するために触媒金属が塗布されている。触媒金属は、白金や白金合金などであり、微粒子状態で高比表面積カーボンに担持されている。白金や白金合金などの触媒金属は、通常は化学的に安定しているが、上記範囲で電位が変動すると劣化するという現象が確認されている。触媒金属が劣化すると燃料電池の出力が低下してしまう。   By the way, a catalytic metal is applied to the electrode in order to promote an electrochemical reaction. The catalyst metal is platinum or a platinum alloy, and is supported on the high specific surface area carbon in a fine particle state. Catalytic metals such as platinum and platinum alloys are usually chemically stable, but it has been confirmed that they deteriorate when the potential varies within the above range. When the catalyst metal deteriorates, the output of the fuel cell decreases.

従来、触媒金属の劣化は、次式(1)に示すような白金の酸化反応(白金酸化物の形成)と白金酸化物の還元反応との繰り返しによって生じると考えられていた。   Conventionally, it has been considered that catalytic metal deterioration is caused by repetition of platinum oxidation reaction (formation of platinum oxide) and platinum oxide reduction reaction as shown in the following formula (1).

Figure 2010067434
Figure 2010067434

式(1)に示すような酸化還元反応が起こる電位を跨ぐように電位が変動することで、触媒が劣化すると考えられていた。しかしながら、本件発明者らの見解によれば上記の考え方では、劣化メカニズムを十分には説明できない。本件発明者らは鋭意検討を重ねた結果、次のようなメカニズムによって触媒が劣化すると考えた。以下ではその考えについて説明する。   It was thought that the catalyst deteriorates when the potential fluctuates so as to straddle the potential at which the oxidation-reduction reaction as shown in Formula (1) occurs. However, according to the view of the present inventors, the above mechanism cannot sufficiently explain the deterioration mechanism. As a result of intensive studies, the present inventors have thought that the catalyst is deteriorated by the following mechanism. The idea will be described below.

図3は燃料電池の電流密度とカソード電位の関係を示す図である。図4(A)は、カソード電位と触媒金属の溶解速度との関係を示す図である。図4(B)は、カソード電位と触媒金属の表面に形成される酸化皮膜の定常被覆率との関係を示す図である。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the current density of the fuel cell and the cathode potential. FIG. 4A is a graph showing the relationship between the cathode potential and the dissolution rate of the catalytic metal. FIG. 4B is a graph showing the relationship between the cathode potential and the steady coverage of the oxide film formed on the surface of the catalyst metal.

燃料電池では、システム要求電力の変動に応じて燃料電池の電流密度が変化し、それにともない図3に示されているようにカソード電位(電圧)が変動する。一般的に、この電位はおよそ+0.6〜+1.0ボルトの範囲で変動する。通常、金属は晒される電位が高いほど溶解しやすくなる傾向がある。カソード触媒に用いられている白金について考えると、電位が高いほど次式(2)に示す反応が促進されて白金が溶解し白金イオンになりやすい。   In the fuel cell, the current density of the fuel cell changes according to the fluctuation of the system power requirement, and the cathode potential (voltage) fluctuates as shown in FIG. In general, this potential varies in the range of approximately +0.6 to +1.0 volts. In general, metals tend to dissolve more easily as the exposed potential is higher. Considering platinum used for the cathode catalyst, the higher the potential, the more the reaction shown in the following formula (2) is promoted, and the platinum is easily dissolved and becomes platinum ions.

Figure 2010067434
Figure 2010067434

このときの標準電位(理論値)は+1.188ボルト(25℃)である。ただしこの電位は、温度、白金イオン濃度及び白金微粒子の粒径によって変化する。そして本件発明者らによれば、実際のカソードに用いられる白金は、図4(A)に示すように、+0.8ボルト程度よりも高電位のときに溶解(白金イオン化)し、高電位ほど溶解速度が上がることが確認された。以下では触媒金属(白金)が溶解し始める電位を溶解開始電位と称する。なお具体的な電位は、燃料電池の運転状態・環境や用いられている材料に影響され変化し、一定値ではない。   The standard potential (theoretical value) at this time is +1.188 volts (25 ° C.). However, this potential varies depending on the temperature, platinum ion concentration, and the particle size of the platinum fine particles. According to the inventors of the present invention, as shown in FIG. 4A, platinum used for an actual cathode dissolves (platinum ionization) when the potential is higher than about +0.8 volts, and the higher the potential, the higher the potential. It was confirmed that the dissolution rate was increased. Hereinafter, a potential at which the catalytic metal (platinum) starts to dissolve is referred to as a dissolution start potential. The specific potential varies depending on the operating state / environment of the fuel cell and the material used, and is not a constant value.

しかしながら白金が溶解開始電位よりも高電位に晒されても、次式(3)に示す反応によって表面に酸化皮膜が形成されて被覆率が上がれば、これが保護皮膜として作用し、図4(A)の一点鎖線で示されるように、溶解速度は極めて低くなることが確認された。   However, even if platinum is exposed to a potential higher than the dissolution start potential, if the oxide film is formed on the surface by the reaction shown in the following formula (3) and the coverage increases, this acts as a protective film, and FIG. ), The dissolution rate was confirmed to be extremely low, as indicated by the alternate long and short dash line.

Figure 2010067434
Figure 2010067434

この反応は図4(B)に示すように、+0.7ボルト程度(皮膜形成開始電位)よりも高電位で進行し、電位が高くなるほど被覆率が上がる。なおこの被覆率は、後述のように電位変動の履歴によって変化する。また皮膜は電位変動に遅れて形成される。電位が変動すると、皮膜は、その電位でとりうる最大値に到達しその値が定常値となる。図4(B)はその状態の皮膜率、すなわち定常皮膜率を示している。また後述のように電位上昇時の定常被覆率は電位下降時の定常被覆率に比べて低い。図4(B)には電位上昇時の定常被覆率を図示してある。   As shown in FIG. 4B, this reaction proceeds at a potential higher than about +0.7 volts (film formation start potential), and the coverage increases as the potential increases. In addition, this coverage changes with the log | history of an electric potential fluctuation | variation so that it may mention later. The film is formed with a delay in potential fluctuation. When the potential fluctuates, the film reaches the maximum value that can be taken at that potential, and that value becomes a steady value. FIG. 4B shows the coating rate in that state, that is, the steady coating rate. As will be described later, the steady coverage when the potential is increased is lower than the steady coverage when the potential is lowered. FIG. 4B shows the steady coverage when the potential is increased.

システム要求電力が非常に低い状態や無負荷状態が長時間継続した場合には、白金は+0.8ボルト(溶解開始電位)を超えた電位に長時間晒され溶解が進行するが、式(3)の反応によって酸化皮膜が形成されていれば、図4(A)の一点鎖線で示されるように、溶解速度は極めて低い。   When the system power requirement is very low or no load continues for a long time, platinum is exposed to a potential exceeding +0.8 volts (melting start potential) for a long time, and melting proceeds. If the oxide film is formed by the reaction of), the dissolution rate is extremely low as shown by the one-dot chain line in FIG.

ところが、システム要求電力の変動に応じてカソード電位が+0.7ボルト(皮膜形成開始電位)よりも低い電位から、+0.8ボルト(溶解開始電位)を超える電位に短時間で変化する場合には、白金表面にはほとんど酸化皮膜が形成されていないので、図4(A)の実線で示したように高電位であるほど溶解速度が上がり、式(2)の反応によって白金が溶解する。   However, when the cathode potential changes from a potential lower than +0.7 volts (film formation start potential) to a potential exceeding +0.8 volts (dissolution start potential) in a short time according to fluctuations in system power requirements. Since almost no oxide film is formed on the platinum surface, the higher the potential, the higher the dissolution rate as shown by the solid line in FIG. 4A, and the platinum is dissolved by the reaction of formula (2).

そしてその後、式(3)の反応によって酸化皮膜が形成される。酸化皮膜の被覆率はその電位でとりうる最大値に到達しその値が定常値である。酸化皮膜が形成されると白金の溶解速度は遅くなる。   After that, an oxide film is formed by the reaction of the formula (3). The coverage of the oxide film reaches the maximum value that can be taken at the potential, and the value is a steady value. When the oxide film is formed, the dissolution rate of platinum becomes slow.

しかし、システム要求電力が再び上昇してカソード電位が皮膜形成開始電位(+0.7ボルト)を下回ると、酸化皮膜は式(3)の逆反応によって還元されるので、続くシステム要求電力の低下時(電位上昇時)には式(2)の反応によって白金が溶解する。   However, when the system power requirement rises again and the cathode potential falls below the film formation start potential (+0.7 volts), the oxide film is reduced by the reverse reaction of equation (3). When the potential is increased, platinum is dissolved by the reaction of the formula (2).

なおシステム要求電力が高く、白金が晒される電位が皮膜形成開始電位(+0.7ボルト程度)よりも低ければ、式(3)による酸化皮膜は形成されないが、このときは式(2)による白金溶解も進行しないので、白金触媒は劣化しない。   If the system power requirement is high and the potential to which platinum is exposed is lower than the film formation start potential (about +0.7 volts), an oxide film according to equation (3) is not formed, but in this case, platinum according to equation (2) is not formed. Since the dissolution does not proceed, the platinum catalyst does not deteriorate.

以上が触媒劣化のメカニズムであると、本件発明者らは考えたのである。そこで、本件発明者らは、燃料電池に対する要求電力が低下したときは、カソード電位が皮膜形成開始電位になるように制御した後、そのときから所定時間が経過して保護皮膜が十分に形成されるのを待ってから溶解開始電位になるように制御することで、触媒(白金)の溶解を抑制できると考えたのである。   The present inventors thought that the above is the mechanism of catalyst deterioration. Therefore, the present inventors have controlled the cathode potential to be the coating formation start potential when the required power for the fuel cell is reduced, and then a sufficient amount of protective coating is formed after that time. It was thought that the dissolution of the catalyst (platinum) can be suppressed by controlling so as to reach the dissolution start potential after waiting for the dissolution.

また白金溶解反応は、燃料電池内の温度及び含水状態に強く依存することも知見された。すなわち電位の変動波形が同一であっても、燃料電池内の温度及び含水状態が異なれば、劣化進行度合いに著しい差異が生じるのである。   It was also found that the platinum dissolution reaction strongly depends on the temperature and water content in the fuel cell. That is, even if the potential fluctuation waveform is the same, if the temperature and water content in the fuel cell are different, the degree of deterioration will be significantly different.

化学反応において温度は反応速度を決める重要な因子であり、反応速度はアレニウス則に従い温度が高くなるほど指数関数的に増大する。白金の溶解反応においても違わない。したがって、燃料電池の運転中に同じ電位変動が生じた場合であっても、燃料電池内の温度が高いほど白金溶解反応は進行する。   In a chemical reaction, temperature is an important factor that determines the reaction rate, and the reaction rate increases exponentially as the temperature increases according to the Arrhenius rule. There is no difference in the dissolution reaction of platinum. Accordingly, even when the same potential fluctuation occurs during operation of the fuel cell, the platinum dissolution reaction proceeds as the temperature in the fuel cell increases.

含水状態の影響については、これまでの研究結果から、燃料電池内の温度が一定の場合において、白金溶解反応は燃料電池内の含水量が低くなるほど抑制される。これは以下のように考えられる。すなわち低含水状態では電解質膜及び触媒層のポリマー中でのイオン伝導性が低下し、溶解した白金イオンの移動が抑制される。この結果、溶解反応が起こっている白金粒子近傍の白金イオン濃度が高含水時よりも高くなり、平衡論的に白金溶解が起こりにくくなる。さらに、白金粒子近傍に白金イオンがとどまるので、白金イオンの白金粒子上への再析出が起こりやすくなり、電解質膜中への移動および析出も抑制される。   As for the influence of the water content, the platinum dissolution reaction is suppressed as the water content in the fuel cell becomes lower when the temperature in the fuel cell is constant. This is considered as follows. That is, in a low water content state, the ion conductivity in the polymer of the electrolyte membrane and the catalyst layer is lowered, and the movement of dissolved platinum ions is suppressed. As a result, the platinum ion concentration in the vicinity of the platinum particles in which the dissolution reaction is occurring becomes higher than when the water content is high, and platinum dissolution is less likely to occur in equilibrium. Furthermore, since platinum ions remain in the vicinity of the platinum particles, reprecipitation of platinum ions onto the platinum particles easily occurs, and movement and precipitation into the electrolyte membrane are also suppressed.

以上の知見に基づけば、燃料電池の状態と白金溶解劣化の進行し易さとの間には相関があり、運転中の燃料電池内の温度及び含水状態から判断して、白金溶解反応の進行し難い状態であると推定できるときには、上述のような電圧上昇時の白金溶解抑制制御を行わず、矩形波状に電圧を上昇することができ、さらなる効率向上が可能となるのである。   Based on the above knowledge, there is a correlation between the state of the fuel cell and the ease of progress of platinum dissolution degradation, and the platinum dissolution reaction proceeds based on the temperature and water content in the fuel cell during operation. When it can be estimated that the state is difficult, it is possible to increase the voltage in a rectangular wave shape without performing the platinum dissolution suppression control at the time of voltage increase as described above, and to further improve the efficiency.

以下ではこのような技術思想を実現する具体的な発明について説明する。   Hereinafter, a specific invention for realizing such a technical idea will be described.

図5は、本発明による燃料電池の運転制御装置の制御ロジックのメインフローチャートである。   FIG. 5 is a main flowchart of the control logic of the fuel cell operation control apparatus according to the present invention.

コントローラはシステム要求電力の変更指令を受けたら以下の処理を微少時間(たとえば10ミリ秒)ごとに繰り返し実行する。   When receiving a command to change the system power requirement, the controller repeatedly executes the following processing every minute time (for example, 10 milliseconds).

ステップS1においてコントローラは、皮膜形成制御の必要性を判定済みであるか否かを判断する。まだ判定していなければステップS2へ処理を移行し、既に判定していればステップS3へ処理を移行する。   In step S1, the controller determines whether or not the necessity for film formation control has been determined. If not yet determined, the process proceeds to step S2, and if already determined, the process proceeds to step S3.

ステップS2においてコントローラは、皮膜形成制御の必要性を判定する。具体的な内容は後述する。   In step S2, the controller determines the necessity of film formation control. Specific contents will be described later.

ステップS3においてコントローラは、皮膜形成制御が必要であるか否かを判定する。必要であればステップS4へ処理を移行し、不要であればステップS5へ処理を移行する。   In step S3, the controller determines whether film formation control is necessary. If necessary, the process proceeds to step S4, and if not necessary, the process proceeds to step S5.

ステップS4においてコントローラは、皮膜形成制御を実行する。具体的な内容は後述する。   In step S4, the controller executes film formation control. Specific contents will be described later.

ステップS5においてコントローラは、皮膜形成制御することなく通常の制御を実行する。   In step S5, the controller executes normal control without controlling film formation.

図6は、皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart showing a film formation control necessity determination routine.

ステップS21においてコントローラは、現在の電圧(カソード電位)Vcを検出する。   In step S21, the controller detects the current voltage (cathode potential) Vc.

ステップS22においてコントローラは、アクセル開度や車速、補機消費電力などから求められているシステムに対する要求電力Pdに基づいて目標電圧Vtを推定する。具体的にはあらかじめROMに格納された図8に示す特性のマップにシステム要求電力Pdを適用して目標電圧Vtを推定する。   In step S22, the controller estimates the target voltage Vt based on the required power Pd for the system determined from the accelerator opening, the vehicle speed, the auxiliary machine power consumption, and the like. Specifically, the target voltage Vt is estimated by applying the system required power Pd to the characteristic map shown in FIG. 8 stored in advance in the ROM.

ステップS23においてコントローラは、目標電圧Vtは現在の電圧Vcよりも高いか否かを判定する。高ければステップS24へ処理を移行し、低ければステップS29へ処理を移行する。   In step S23, the controller determines whether or not the target voltage Vt is higher than the current voltage Vc. If so, the process proceeds to step S24, and if low, the process proceeds to step S29.

ステップS24においてコントローラは、現在の電圧Vcに基づいて酸化皮膜被覆率θを推定する。ここで酸化皮膜被覆率θは、高電位ほど大きくなる傾向がある。しかしながら、電位のみによって一義的に決まるものではなく、ある幅を持っているので、燃料電池の発電履歴(たとえば、ある電位に晒された時間とその電位に晒される前の電位が高かったか、低かったか等)を用いると、より正確に酸化被覆率θを推定できる。具体的にはあらかじめROMに格納された図9に示す特性のマップに現電圧Vc及び履歴を適用して酸化皮膜被覆率θを推定する。たとえば、被覆率0である電位E1から電位E2に極短時間で変化したときは、変化直後は被覆率0であるが、その後時間の経過と共に被覆率は上昇し被覆率θ1に達する。一方、被覆率0である電位E1から電位E3に極短時間で変化したときは、変化直後は被覆率0であるが、その後時間の経過と共に被覆率は上昇し被覆率θ3に達する。そしてその後、電位E3から電位E2に低下すると、低下直後は被覆率θ3であるが、その後時間の経過と共に被覆率は低下し被覆率θ2に達する。つまり同じ電位E2であっても、電位の変化履歴によって被覆率が異なるのである。なお、被覆率が定常被覆率に到達するまでの時間は、別途測定して求めることが望ましいが、測定が困難であれば、たとえば1秒程度としても実用上問題はない。なお、ここで示した電位変化の仕方は簡略的に説明したものである。本発明の変化の仕方とは異なる。いずれにせよ図9のような関係を示すマップをあらかじめ設定しておくことで、発電履歴による被覆率の推算が可能となる。なお、カソード電位と電圧は近似しているため、本実施形態中において、カソード電位と電圧を置き換えることができる。   In step S24, the controller estimates the oxide film coverage θ based on the current voltage Vc. Here, the oxide film coverage θ tends to increase as the electric potential increases. However, it is not uniquely determined only by the potential, but has a certain width, so the fuel cell power generation history (for example, the time of exposure to a certain potential and the potential before or after exposure to that potential is high or low). , Etc. can be used to estimate the oxide coating rate θ more accurately. Specifically, the oxide film coverage θ is estimated by applying the current voltage Vc and the history to the characteristic map shown in FIG. 9 stored in advance in the ROM. For example, when the potential E1 is changed from the potential E1 having the coverage of 0 to the potential E2 in a very short time, the coverage is 0 immediately after the change, but thereafter the coverage increases with the passage of time and reaches the coverage θ1. On the other hand, when the potential E1 is changed from the potential E1, which is 0, to the potential E3 in a very short time, the coverage is 0 immediately after the change, but thereafter the coverage increases with time and reaches the coverage θ3. After that, when the potential E3 is decreased to the potential E2, the coverage rate θ3 is immediately after the decrease, but the coverage rate subsequently decreases with time and reaches the coverage rate θ2. That is, even with the same potential E2, the coverage varies depending on the change history of the potential. It is desirable that the time until the coverage reaches the steady coverage is measured separately, but if the measurement is difficult, there is no practical problem even if it is about 1 second, for example. Note that the method of changing the potential shown here is simply described. This is different from the method of change of the present invention. In any case, by setting a map showing the relationship as shown in FIG. 9 in advance, it is possible to estimate the coverage based on the power generation history. Since the cathode potential and the voltage are approximate, the cathode potential and the voltage can be replaced in this embodiment.

ステップS25においてコントローラは、酸化皮膜被覆率θに基づいて第一段階上昇電圧Vs1を推定する。具体的にはあらかじめROMに格納された図10に示す特性のマップに被覆率θを適用して第一段階上昇電圧Vs1を推定する。なお、第一段階上昇電圧Vs1は、皮膜開始電圧以上であって溶解開始電圧よりも低い電圧である。   In step S25, the controller estimates the first stage rising voltage Vs1 based on the oxide film coverage θ. Specifically, the first-stage rising voltage Vs1 is estimated by applying the coverage θ to the characteristic map shown in FIG. 10 stored in advance in the ROM. The first stage rising voltage Vs1 is a voltage that is equal to or higher than the film start voltage and lower than the melting start voltage.

ステップS26においてコントローラは、第一段階上昇電圧Vs1は目標電圧Vtよりも低いか否かを判定する。低ければステップS27へ処理を移行し、高ければステップS29へ処理を移行する。   In step S26, the controller determines whether or not the first stage rising voltage Vs1 is lower than the target voltage Vt. If it is low, the process proceeds to step S27, and if it is high, the process proceeds to step S29.

ステップS27においてコントローラは、皮膜形成制御が必要であると判定する。   In step S27, the controller determines that film formation control is necessary.

ステップS28においてコントローラは、第二段階上昇速度Rを設定する。具体的にはたとえばあらかじめROMに格納された図11(A)に示す特性のマップに触媒の劣化進行度を適用して第二段階上昇速度Rを設定する。なお触媒の劣化進行度は、簡略的には燃料電池の運転時間が長いほど進んでいるとして求めればよい。またあらかじめROMに格納された図11(B)に示す特性のマップに蓄電池の充電可能容量を適用して第二段階上昇速度Rを設定してもよい。   In step S <b> 28, the controller sets the second stage rising speed R. Specifically, for example, the second stage rising speed R is set by applying the degree of catalyst deterioration progress to the characteristic map shown in FIG. The degree of progress of catalyst deterioration may be determined simply by assuming that the longer the operating time of the fuel cell is, the more advanced it is. Alternatively, the second stage rising speed R may be set by applying the chargeable capacity of the storage battery to the characteristic map shown in FIG. 11B stored in advance in the ROM.

図7は、皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart showing a film formation control routine.

ステップS41においてコントローラは、現在の電圧(カソード電位)Vcを検出する。   In step S41, the controller detects the current voltage (cathode potential) Vc.

ステップS42においてコントローラは、現電圧(カソード電位)Vcが第一段階上昇電圧Vs1よりも低いか否かを判定する。低ければステップS43へ処理を移行し、高ければステップS44へ処理を移行する。   In step S42, the controller determines whether or not the current voltage (cathode potential) Vc is lower than the first stage rising voltage Vs1. If it is low, the process proceeds to step S43, and if it is high, the process proceeds to step S44.

ステップS43においてコントローラは、一気に電圧(カソード電位)V1まで上げる。なおこの電圧V1は第一段階上昇電圧Vs1以上であって溶解開始電圧Vs2よりも低い電圧である。   In step S43, the controller increases the voltage (cathode potential) V1 at once. The voltage V1 is equal to or higher than the first stage rising voltage Vs1 and lower than the melting start voltage Vs2.

ステップS44においてコントローラは、電圧(カソード電位)を第二段階上昇速度Rで上昇させる。   In step S44, the controller increases the voltage (cathode potential) at the second stage increase rate R.

ステップS45においてコントローラは、現電圧(カソード電位)Vcが目標電圧Vtよりも低いか否かを判定する。低いあいだは一旦処理を抜け、高くなったらステップS46へ処理を移行する。   In step S45, the controller determines whether or not the current voltage (cathode potential) Vc is lower than the target voltage Vt. If it is low, the process is temporarily exited. If it is high, the process proceeds to step S46.

ステップS46においてコントローラは、皮膜形成制御を完了する。   In step S46, the controller completes the film formation control.

図12は、本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートである。なお以下の説明ではフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、フローチャートのステップ番号をS付けで併記した。   FIG. 12 is a time chart showing the operation of the fuel cell operation control apparatus according to the present invention. In the following description, the step numbers of the flowcharts are shown with S to make it easy to understand the correspondence with the flowcharts.

コントローラは時刻t11でシステム要求電力の変更指令を受けたら皮膜形成制御の必要性を判定済みであるか否かを判断し(S1)、現在の電圧(カソード電位)Vcを検出し(S21)、システムに対する要求電力Pdに基づいて目標電圧Vtを推定する(S22)。目標電圧Vtは現在の電圧Vcよりも高いので(S23でYes)、現在の電圧Vcに基づいて酸化皮膜被覆率θを推定し(S24)、酸化皮膜被覆率θに基づいて第一段階上昇電圧Vs1を推定する(S25)。第一段階上昇電圧Vs1は目標電圧Vtよりも低いので(S26でYes)、皮膜形成制御が必要であると判定し(S27)、第二段階上昇速度Rを設定する(S28)。   When the controller receives an instruction to change the system required power at time t11, the controller determines whether the necessity of film formation control has been determined (S1), detects the current voltage (cathode potential) Vc (S21), A target voltage Vt is estimated based on the required power Pd for the system (S22). Since the target voltage Vt is higher than the current voltage Vc (Yes in S23), the oxide film coverage θ is estimated based on the current voltage Vc (S24), and the first-stage rising voltage is determined based on the oxide film coverage θ. Vs1 is estimated (S25). Since the first stage rising voltage Vs1 is lower than the target voltage Vt (Yes in S26), it is determined that film formation control is necessary (S27), and the second stage rising speed R is set (S28).

そして次サイクルではS1→S3→S4と処理が進み、現電圧(カソード電位)Vcが第一段階上昇電圧Vs1よりも低いので(S42でYes)、一気に電圧V1まで上がるようにする。   In the next cycle, the process proceeds from S1 to S3 to S4, and the current voltage (cathode potential) Vc is lower than the first-stage rising voltage Vs1 (Yes in S42), so that the voltage is increased to V1 at a stretch.

そして時刻t11以降では、S1→S3→S4→S41→S42→S44→S45と処理が進み、現電圧(カソード電位)Vcが目標電圧Vtよりも高くなるまで電圧が第二段階上昇速度Rで上がるようにして(S44)、処理を繰り返す。   After time t11, the process proceeds in the order of S1, S3, S4, S41, S42, S44, and S45, and the voltage increases at the second-stage increase rate R until the current voltage (cathode potential) Vc becomes higher than the target voltage Vt. In this way (S44), the process is repeated.

そして時刻t12では、現電圧(カソード電位)Vcが目標電圧Vtよりも高くなったら(S45でYes)、皮膜形成制御を完了する(S46)。   At time t12, when the current voltage (cathode potential) Vc becomes higher than the target voltage Vt (Yes in S45), the film formation control is completed (S46).

本実施形態によれば、燃料電池に対する要求電力が低下したら、カソード電位が皮膜形成開始電位になるように制御した後、そのときから所定時間が経過して保護皮膜が十分に形成されるのを待ってから溶解開始電位になるように制御するようにしたので、触媒(白金)の溶解を抑制でき、触媒(白金)の劣化を防止できるのである。また、システム全体の発電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池の劣化の促進を抑制できる。   According to the present embodiment, when the required power for the fuel cell is reduced, the cathode potential is controlled to be the coating formation start potential, and then the protective coating is sufficiently formed after the predetermined time has elapsed. Since the control is performed so that the dissolution start potential is reached after waiting, the dissolution of the catalyst (platinum) can be suppressed, and the deterioration of the catalyst (platinum) can be prevented. Further, it is possible to suppress the deterioration of the storage battery while suppressing a decrease in the power generation efficiency of the entire system.

(第2実施形態)
図13は、第2実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。
(Second Embodiment)
FIG. 13 is a flowchart showing a film formation control necessity determination routine of the second embodiment.

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。   In the following description, parts having the same functions as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.

本実施形態では、ステップS282においてコントローラは、第二段階保持時間tkを設定する。具体的にはたとえばあらかじめROMに格納された図15(A)に示す特性のマップに触媒の劣化進行度を適用して第二段階保持時間tkを設定する。またあらかじめROMに格納された図15(B)に示す特性のマップに蓄電池の充電可能容量を適用して第二段階保持時間tkを設定してもよい。   In the present embodiment, in step S282, the controller sets the second stage holding time tk. Specifically, for example, the second stage holding time tk is set by applying the degree of catalyst deterioration progress to the characteristic map shown in FIG. Further, the second stage holding time tk may be set by applying the chargeable capacity of the storage battery to the characteristic map shown in FIG. 15B stored in advance in the ROM.

図14は、第2実施形態の皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。   FIG. 14 is a flowchart showing a film formation control routine of the second embodiment.

本実施形態では、ステップS442においてコントローラは、電圧V1を保持する。   In the present embodiment, in step S442, the controller holds the voltage V1.

ステップS452においてコントローラは、電圧保持を開始してから時間tkが経過したか否かを判定する。経過するまでは一旦処理を抜け、経過したらステップS46へ処理を移行する。   In step S452, the controller determines whether time tk has elapsed since the start of voltage holding. Until the time elapses, the process once exits, and when time elapses, the process proceeds to step S46.

図16は、本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートである。   FIG. 16 is a time chart showing the operation of the fuel cell operation control apparatus according to the present invention.

コントローラは時刻t21でシステム要求電力の変更指令を受けたら皮膜形成制御の必要性を判定済みであるか否かを判断し(S1)、現在の電圧(カソード電位)Vcを検出し(S21)、システムに対する要求電力Pdに基づいて目標電圧Vtを推定する(S22)。目標電圧Vtは現在の電圧Vcよりも高いので(S23でYes)、現在の電圧Vcに基づいて酸化皮膜被覆率θを推定し(S24)、酸化皮膜被覆率θに基づいて第一段階上昇電圧Vs1を推定する(S25)。第一段階上昇電圧Vs1は目標電圧Vtよりも低いので(S26でYes)、皮膜形成制御が必要であると判定し(S27)、第二段階保持時間tkを設定する(S282)。   When the controller receives a command to change the system power requirement at time t21, the controller determines whether the necessity for film formation control has been determined (S1), detects the current voltage (cathode potential) Vc (S21), A target voltage Vt is estimated based on the required power Pd for the system (S22). Since the target voltage Vt is higher than the current voltage Vc (Yes in S23), the oxide film coverage θ is estimated based on the current voltage Vc (S24), and the first-stage rising voltage is determined based on the oxide film coverage θ. Vs1 is estimated (S25). Since the first stage rising voltage Vs1 is lower than the target voltage Vt (Yes in S26), it is determined that the film formation control is necessary (S27), and the second stage holding time tk is set (S282).

そして次サイクルではS1→S3→S4と処理が進み、現電圧(カソード電位)Vcが第一段階上昇電圧Vs1よりも低いので(S42でYes)、一気に電圧V1まで上がるようにする。   In the next cycle, the process proceeds from S1 to S3 to S4, and the current voltage (cathode potential) Vc is lower than the first-stage rising voltage Vs1 (Yes in S42), so that the voltage is increased to V1 at a stretch.

そして時刻t21以降では、S1→S3→S4→S41→S42→S442→S452と処理が進み、第二段階保持時間tkが経過するまで電圧V1を保持して(S442)、処理を繰り返す。   After time t21, the process proceeds from S1, S3, S4, S41, S42, S442, and S452, the voltage V1 is held until the second stage holding time tk elapses (S442), and the process is repeated.

そして時刻t22では、第二段階保持時間tkが経過したら(S452でYes)、皮膜形成制御を完了する(S46)。   At time t22, when the second stage holding time tk has elapsed (Yes in S452), the film formation control is completed (S46).

本実施形態によっても、燃料電池に対する要求電力が低下したら、カソード電位が皮膜形成開始電位になるように制御した後、そのときから所定時間が経過して保護皮膜が十分に形成されるのを待ってから溶解開始電位になるように制御するようにしたので、触媒(白金)の溶解を抑制でき、触媒(白金)の劣化を防止できるのである。そして第1実施形態に比べて簡易に実施可能である。   Also according to the present embodiment, when the required power for the fuel cell is reduced, the cathode potential is controlled to be the film formation start potential, and after that, a predetermined time has elapsed and a sufficient protective film is formed. Therefore, the dissolution potential of the catalyst (platinum) can be suppressed, and the deterioration of the catalyst (platinum) can be prevented. And it can implement simply compared with 1st Embodiment.

(第3実施形態)
図17は、第3実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。
(Third embodiment)
FIG. 17 is a flowchart showing a film formation control necessity determination routine of the third embodiment.

本実施形態では、ステップS201においてコントローラは、燃料電池スタック内の温度tsを検出する。   In the present embodiment, in step S201, the controller detects the temperature ts in the fuel cell stack.

ステップS202においてコントローラは、燃料電池スタック内の含水量wsを検出する。   In step S202, the controller detects the water content ws in the fuel cell stack.

ステップS203においてコントローラは、現在の運転で皮膜形成制御が必要であるか否かを判定する。具体的にはあらかじめROMに格納された図18(A)に示す特性のマップに燃料電池スタック内の温度ts及び含水量wsを適用して皮膜形成制御が必要であるか否かを判定する。なお図18(A)のマップは、図18(B)のように含水量ごとに燃料電池内の温度に対する白金溶解反応の進行度を実験によって求め、この実験結果から作成できる。   In step S203, the controller determines whether film formation control is necessary in the current operation. Specifically, it is determined whether or not film formation control is necessary by applying the temperature ts and the water content ws in the fuel cell stack to the characteristic map shown in FIG. 18 (A) stored in advance in the ROM. The map of FIG. 18 (A) can be created from the experimental results obtained by experimenting the progress of the platinum dissolution reaction with respect to the temperature in the fuel cell for each water content as shown in FIG. 18 (B).

本実施形態によれば、白金溶解反応の進行し難い状態であると推定できるときには、第1実施形態や第2実施形態のような電圧上昇時の白金溶解抑制制御を行わず、矩形波状に電圧を上昇させるので、効率よく燃料電池を制御できる。   According to this embodiment, when it can be estimated that the platinum dissolution reaction is unlikely to proceed, the platinum dissolution suppression control at the time of voltage increase as in the first embodiment and the second embodiment is not performed, and the voltage is rectangular. Therefore, the fuel cell can be controlled efficiently.

(第4実施形態)
図19は、第4実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。
(Fourth embodiment)
FIG. 19 is a flowchart showing a film formation control necessity determination routine of the fourth embodiment.

本実施形態では、ステップS2031においてコントローラは、スタック内温度tsが基準温度ts0よりも大きいか否かを判定する。大きければステップS202へ処理を移行し、小さければステップS29へ処理を移行する。   In the present embodiment, in step S2031, the controller determines whether or not the in-stack temperature ts is higher than the reference temperature ts0. If larger, the process proceeds to step S202, and if smaller, the process proceeds to step S29.

ステップS2032においてコントローラは、スタック内含水量wsが基準含水量ws0よりも大きいか否かを判定する。大きければステップS21へ処理を移行し、小さければステップS29へ処理を移行する。   In step S2032, the controller determines whether or not the moisture content in the stack ws is greater than the reference moisture content ws0. If larger, the process proceeds to step S21, and if smaller, the process proceeds to step S29.

ここで基準温度ts0,基準含水量ws0について図20を参照して説明する。すなわち基準温度ts0,基準含水量ws0は、第3実施形態の皮膜形成制御必要運転領域を簡略的に判定するための値である。   Here, the reference temperature ts0 and the reference water content ws0 will be described with reference to FIG. That is, the reference temperature ts0 and the reference water content ws0 are values for simply determining the film formation control necessary operation region of the third embodiment.

したがって本実施形態によれば、第3実施形態の図18(A)のようなマップを持つことなく、簡易に実施できるのである。   Therefore, according to the present embodiment, it can be easily implemented without having the map as shown in FIG. 18A of the third embodiment.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。   Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.

たとえば、上記説明においては、触媒金属として、白金を例示して説明したが、白金合金などであってもよい。   For example, in the above description, platinum is exemplified as the catalyst metal, but a platinum alloy or the like may be used.

本発明による燃料電池の運転制御装置を適用する燃料電池システムの一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the fuel cell system to which the operation control apparatus of the fuel cell by this invention is applied. 燃料電池を構成する単セルの拡大図である。It is an enlarged view of the single cell which comprises a fuel cell. 燃料電池の電流密度とカソード電位の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the current density of a fuel cell, and a cathode potential. カソード電位と触媒金属の溶解速度及び触媒金属の表面に形成される酸化皮膜の定常被覆率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a cathode potential, the dissolution rate of a catalyst metal, and the steady coverage of the oxide film formed on the surface of a catalyst metal. 本発明による燃料電池の運転制御装置の制御ロジックのメインフローチャートの一例である。It is an example of the main flowchart of the control logic of the operation control apparatus of the fuel cell by this invention. 皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the film formation control necessity determination routine. 皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a film formation control routine. システム要求電力Pdから目標電圧Vtを推定するための特性マップである。It is a characteristic map for estimating target voltage Vt from system demand electric power Pd. 現電圧Vcから酸化皮膜被覆率θを推定するための特性マップである。It is a characteristic map for estimating the oxide film coverage θ from the current voltage Vc. 被覆率θから第一段階上昇電圧Vs1を推定するための特性マップである。It is a characteristic map for estimating the first stage rising voltage Vs1 from the coverage θ. 第二段階上昇速度Rを設定するための特性マップである。6 is a characteristic map for setting a second stage rising speed R. 本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートの一例である。It is an example of the time chart which shows operation | movement of the operation control apparatus of the fuel cell by this invention. 第2実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the film formation control necessity determination routine of 2nd Embodiment. 第2実施形態の皮膜形成制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the film formation control routine of 2nd Embodiment. 第二段階保持時間tkを設定するための特性マップである。It is a characteristic map for setting the second stage holding time tk. 本発明による燃料電池の運転制御装置の動作を示すタイムチャートの一例である。It is an example of the time chart which shows operation | movement of the operation control apparatus of the fuel cell by this invention. 第3実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the film formation control necessity determination routine of 3rd Embodiment. 燃料電池スタック内の温度ts及び含水量wsから皮膜形成制御が必要であるか否かを判定するための特性マップである。It is a characteristic map for determining whether film formation control is required from the temperature ts and the water content ws in the fuel cell stack. 第4実施形態の皮膜形成制御必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the film formation control necessity determination routine of 4th Embodiment. 基準温度ts0,基準含水量ws0について説明する図である。It is a figure explaining standard temperature ts0 and standard moisture content ws0.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
8 負荷コントローラ
S22 電圧推定手段/電圧推定工程
S23,S26 判定手段/判定工程
S4 運転制御手段/運転制御工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 8 Load controller S22 Voltage estimation means / voltage estimation process S23, S26 Determination means / determination process S4 Operation control means / operation control process

Claims (13)

システム要求電力に応じて電圧が変動する燃料電池の運転を制御する装置であって、
システム要求電力に基づいて変動した後の電圧である目標電圧を推定する電圧推定手段と、
前記目標電圧が電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある溶解開始電圧以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記目標電圧が変動前の電圧よりも高く、前記溶解開始電圧以上の場合は、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜形成開始電圧以上である第一段階上昇電圧まで上昇させ、そのときから所定時間が経過した後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する運転制御手段と、
を有する燃料電池の運転制御装置。
An apparatus for controlling the operation of a fuel cell whose voltage varies according to the system power requirement,
Voltage estimation means for estimating a target voltage, which is a voltage after fluctuating based on system power requirement;
Determining means for determining whether or not the target voltage is equal to or higher than a melting start voltage at which the catalyst of the electrode catalyst layer may be dissolved;
When the target voltage is higher than the voltage before the fluctuation and is equal to or higher than the melting start voltage, the catalyst is increased to the first stage rising voltage that is equal to or higher than the film formation starting voltage to be coated with the protective film, and then the predetermined time Operation control means for controlling the operation of the fuel cell so that the target voltage is reached after elapse of time,
A fuel cell operation control apparatus comprising:
前記運転制御手段は、前記第一段階上昇電圧になった後、徐々に上昇して前記所定時間経過後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operation control means controls the operation of the fuel cell so as to gradually increase and reach the target voltage after elapse of the predetermined time after reaching the first step increase voltage.
The operation control apparatus for a fuel cell according to claim 1.
前記運転制御手段は、前記第一段階上昇電圧になった後、その電圧を保持し、前記所定時間経過後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operation control means holds the voltage after reaching the first step increase voltage, and controls the operation of the fuel cell so as to become the target voltage after the predetermined time has elapsed.
The operation control apparatus for a fuel cell according to claim 1.
前記運転制御手段は、触媒の劣化が進行しているほど前記所定時間が短くなるように燃料電池の運転を制御する、
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operation control means controls the operation of the fuel cell so that the predetermined time becomes shorter as the deterioration of the catalyst proceeds.
The operation control device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the operation control device is a fuel cell.
前記運転制御手段は、蓄電池の充電可能容量が小さいほど前記所定時間が短くなるように燃料電池の運転を制御する、
ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operation control means controls the operation of the fuel cell so that the predetermined time is shorter as the chargeable capacity of the storage battery is smaller,
The fuel cell operation control device according to any one of claims 1 to 4, wherein the operation control device is a fuel cell.
前記運転制御手段は、燃料電池スタックの内部温度が高いほど前記所定時間が長くなるように燃料電池の運転を制御する、
ことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operation control means controls the operation of the fuel cell so that the predetermined time becomes longer as the internal temperature of the fuel cell stack is higher.
The operation control apparatus for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
前記運転制御手段は、燃料電池スタックの内部湿度が低いほど前記所定時間が長くなるように燃料電池の運転を制御する、
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operation control means controls the operation of the fuel cell so that the predetermined time becomes longer as the internal humidity of the fuel cell stack is lower.
The operation control apparatus for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the operation control apparatus is a fuel cell.
前記第一段階上昇電圧は、現在の触媒の表面の被覆率が大きいほど高く設定される、
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の燃料電池の運転制御装置。
The first step increase voltage is set higher as the current catalyst surface coverage is larger,
The fuel cell operation control apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the operation control apparatus is a fuel cell.
前記被覆率は、同一電圧であっても電圧下降時のほうが電圧上昇時よりも大きい、
ことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池の運転制御装置。
The coverage is greater at the time of voltage drop than at the time of voltage rise even at the same voltage,
The fuel cell operation control device according to claim 8.
前記被覆率は、前記燃料電池の発電履歴によって決定される、
ことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池の運転制御装置。
The coverage is determined by the power generation history of the fuel cell.
The fuel cell operation control device according to claim 8.
燃料電池スタックの内部の温度及び湿度に基づいて電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある運転状態か否かを判定する運転状態判定手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載の燃料電池の運転制御装置。
Further provided is an operation state determination means for determining whether or not the operation state in which the catalyst of the electrode catalyst layer may be dissolved based on the temperature and humidity inside the fuel cell stack.
The operation control apparatus for a fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the operation control apparatus is a fuel cell.
前記運転状態判定手段は、
はじめに燃料電池スタックの内部の温度に基づいて電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある運転状態か否かを判定し、
次に燃料電池スタックの内部の湿度に基づいて電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある運転状態か否かを判定する、
ことを特徴とする請求項11に記載の燃料電池の運転制御装置。
The operating state determining means includes
First, based on the temperature inside the fuel cell stack, it is determined whether or not the operation state is likely to dissolve the catalyst of the electrode catalyst layer,
Next, based on the humidity inside the fuel cell stack, it is determined whether or not there is a possibility that the catalyst of the electrode catalyst layer is dissolved,
The operation control apparatus for a fuel cell according to claim 11.
システム要求電力に応じて電圧が変動する燃料電池の運転を制御する方法であって、
システム要求電力に基づいて変動した後の電圧である目標電圧を推定する電圧推定工程と、
前記目標電圧が電極触媒層の触媒の溶解する可能性のある溶解開始電圧以上であるか否かを判定する判定工程と、
前記目標電圧が変動前の電圧よりも高く、前記溶解開始電圧以上の場合は、触媒が保護皮膜で被覆される皮膜形成開始電圧以上であって前記溶解開始電圧よりも低い第一段階上昇電圧まで上昇させ、そのときから所定時間が経過した後に前記目標電圧になるように、燃料電池の運転を制御する運転制御工程と、
を有する燃料電池の運転制御方法。
A method for controlling the operation of a fuel cell whose voltage varies according to system power requirements,
A voltage estimation step for estimating a target voltage, which is a voltage after fluctuating based on system power requirement;
A determination step of determining whether or not the target voltage is equal to or higher than a dissolution start voltage at which the catalyst of the electrode catalyst layer may be dissolved;
When the target voltage is higher than the voltage before the fluctuation and is equal to or higher than the melting start voltage, the first stage rising voltage is equal to or higher than the film formation starting voltage on which the catalyst is coated with a protective film and lower than the melting start voltage. An operation control step for controlling the operation of the fuel cell so as to reach the target voltage after a predetermined time has elapsed since then,
A fuel cell operation control method comprising:
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