JP2010267516A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて触媒表面積の減少に伴う出力低下を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、触媒表面積が所定の閾値より小さい状態における触媒表面積とガス拡散抵抗との対応関係を記憶する記憶部と、触媒表面積の値を取得する取得部と、取得された触媒表面積の値が閾値より小さい場合に、対応関係に基づき、ガス圧力とガス流量との少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、カソード電極触媒は、負荷変動に伴い溶解析出を繰り返すことにより、粒径が大きくなり、表面積が減少する。燃料電池システムにおいて、定常運転時の出力電圧と、高酸素濃度運転時の出力電圧と、定常運転時と高酸素濃度運転時との出力電圧差の経時変化パターンとに基づき、カソード電極触媒の劣化状態を推定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平１−１２２５７０号公報 特開２００７−１０３１１５号公報 特開２００５−７１６２６号公報

燃料電池システムにおいて、電極触媒の表面積が減少すると、出力が低下する。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、触媒表面積の減少に伴う出力低下を抑制することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 燃料電池システムであって、
触媒表面積が所定の閾値より小さい状態における触媒表面積とガス拡散抵抗との対応関係を記憶する記憶部と、
触媒表面積の値を取得する取得部と、
取得された触媒表面積の値が前記閾値より小さい場合に、前記対応関係に基づき、ガス圧力とガス流量との少なくとも一方を制御する制御部と、を備える、燃料電池システム。

この燃料電池システムでは、触媒表面積の値が取得され、取得された触媒表面積の値が予め設定された閾値より小さい場合に、記憶された触媒表面積とガス拡散抵抗との対応関係に基づきガス圧力とガス流量との少なくとも一方が制御されるため、触媒表面積の減少に伴う燃料電池システムの出力低下を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法および制御装置、燃料電池車両等の態様で実現することができる。

本発明の実施例における燃料電池自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。 閾値Ｑｘの一例を示す説明図である。 カソード電極触媒表面積の低下に伴いガス拡散抵抗が増加する仕組みを示す説明図である。 カソードガス圧力と燃料電池システム１００の出力との対応マップの一例を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の実施例における燃料電池自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池自動車１０は、燃料電池システム１００と、制御部２００と、を有している。制御部２００は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するコンピューターによって構成されており、燃料電池システム１００を含む燃料電池自動車１０全体を制御する。

燃料電池システム１００は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電するシステムである。燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池を含んでいる。本実施例の燃料電池は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。

燃料電池は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ（膜・電極接合体））をセパレータで挟んで複数積層したスタック構造を有している。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に配置されたアノード電極と、電解質膜の他方の表面に配置されたカソード電極と、を有している。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する。アノード電極は、アノード側電極反応が進行する反応場であり、電解質膜との接触面の近辺に電極反応を促進する触媒（例えば白金）を含んでいる。カソード電極は、カソード側電極反応が進行する反応場であり、アノード電極と同様に、電解質膜との接触面の近辺に触媒を含んでいる。燃料電池のアノード電極には、燃料ガス供給マニホールドを介して水素ガスを含む燃料ガスが供給され、カソード電極には、酸化ガス供給マニホールドを介して空気が供給される。供給された燃料ガスおよび空気は、ＭＥＡにおける電気化学反応による発電に利用される。

制御部２００による制御の下、燃料電池システム１００により発電された電力は、図示しないインバータに出力され、燃料電池自動車１０の走行モータの駆動に使用される。また、例えば燃料電池自動車１０の走行に必要な電力よりも発電量が大きい場合には、余剰の電力がＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池に蓄電され、急加速時などの電力不足時に使用される。

図２は、燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。燃料電池自動車１０においては、制御部２００の制御の下、燃料電池システム１００の通常運転が行われる（ステップＳ１１０）。定期的にまたは随時、燃料電池システム１００のカソード電極触媒の表面積Ｑの値が取得され、取得されたカソード電極触媒表面積Ｑの値と所定の閾値Ｑｘとの比較判定が行われる（ステップＳ１２０）。

カソード電極触媒表面積Ｑの値は、実測値または予測値として取得される。カソード電極触媒表面積Ｑの実測は、例えば、点検時や停止時に、サイクリックボルタンメトリーといった電気化学的手法を用いて実行される。また、カソード電極触媒表面積Ｑの予測は、触媒劣化予測シミュレーションを用いて実行される。本実施例では、制御部２００（図１）が、運転負荷を考慮した触媒劣化予測シミュレーションを実行する予測システムを有しており、制御部２００の有する予測システムによる触媒劣化予測シミュレーションに基づき、予測値としてのカソード電極触媒表面積Ｑの値が取得される。なお、カソード電極触媒表面積Ｑを予測するためのシミュレーションは、公知のシミュレーション手法（例えば、「Ｒ．Ｍ． ＤａｒｌｉｎｇおよびＪ．Ｐ． Ｍｅｙｅｒｓ：Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．， １５０巻， Ａ１５２３−Ａ１５２７頁， （２００３年）」に記載の手法）を利用して実行可能である。

閾値Ｑｘは、予め試験に基づき設定され、制御部２００に記憶される。図３は、閾値Ｑｘの一例を示す説明図である。図３には、燃料電池システム１００におけるカソード電極触媒の有効表面積とガス拡散抵抗との関係が示されている。図３に示すように、カソード電極触媒の表面積が減少すると、あるレベルを境に、ガス拡散抵抗が急激に増加する。これは、カソード電極触媒の表面積が当該レベルを超えて減少すると、触媒層において触媒表面にガスが届きにくくなるからである。図４は、カソード電極触媒表面積の低下に伴いガス拡散抵抗が増加する仕組みを示す説明図である。図４の上段に示す初期状態では、カソード電極触媒の粒径が比較的小さく表面積が比較的大きいが、運転中の電位変動の繰り返しに伴い、図４の下段に示すようにカソード電極触媒の粒径が比較的大きくなり表面積が減少する。そのため、触媒表面にカソードガスが届きにくくなり、ガス拡散抵抗が増加するのである。

なお、カソード電極触媒表面積が減少すると、触媒層における反応表面積が減少することとなるため、活性化過電圧が増加し、燃料電池システム１００の性能が低下する。この場合の性能低下は、一般に、低負荷域における電圧低下として現出する。

また、上述したように、カソード電極触媒表面積が減少するとガス拡散抵抗が増加するため、狭いエリアに酸素拡散（溶解）が集中し、濃度過電圧も増加する（図４参照）。従って、燃料電池システム１００においては、カソード電極触媒表面積が減少すると、濃度過電圧の増加を原因とする性能低下も発生する。この場合の性能低下は、一般に、低負荷域よりも高負荷域においてより大きな電圧低下として現出する。

閾値Ｑｘは、図３に示すように、ガス拡散抵抗が急激に増加するようなカソード電極触媒表面積のレベルに設定される。すなわち、カソード電極触媒表面積が閾値Ｑｘ以上の領域においてはカソード電極触媒表面積の減少に伴うガス拡散抵抗の増加量が微小であるのに対し、カソード電極触媒表面積が閾値Ｑｘより小さい領域においてはカソード電極触媒表面積の減少に伴うガス拡散抵抗の増加量が大きくなるように、カソード電極触媒表面積の閾値Ｑｘが設定される。

カソード電極触媒表面積Ｑの値（実測値または予測値）と予め設定された閾値Ｑｘとの比較判定（図２のステップＳ１２０）において、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘ以上と判定された場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、通常運転（ステップＳ１１０）が継続実施される。

一方、比較判定において、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘより小さいと判定された場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、カソード電極触媒表面積Ｑの減少に伴う燃料電池システム１００の出力低下を補うような運転（以下、「補完運転」とも呼ぶ）が実行される（ステップＳ１３０）。補完運転は、カソードガス圧力と燃料電池システム１００の出力との対応マップを参照して実行される。

図５は、カソードガス圧力と燃料電池システム１００の出力との対応マップの一例を示す説明図である。対応マップは、閾値Ｑｘより小さいカソード電極触媒表面積Ｑの各値（Ｑａ１，Ｑａ２・・・）について、カソードガス圧力と燃料電池システム１００の出力との対応を示すマップである。図５に示すように、カソード電極触媒表面積Ｑの値が小さいほど、あるカソードガス圧力で運転したときの燃料電池システム１００の出力は小さい。対応マップは、カソード電極触媒表面積とガス拡散抵抗との関係（図３）に基づき、カソード電極触媒表面積Ｑの減少に伴うガス拡散抵抗の増加（濃度過電圧の増加）を考慮して予め設定され、制御部２００に記憶される。

補完運転（図２のステップＳ１３０）では、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘであるときの出力が維持されるように、カソードガス圧力が補正される。例えば、カソード電極触媒表面積Ｑの値が図５のＱａ１である場合には、カソードガス圧力がＰｎ１のときの出力がＷａ１となる。このとき、制御部２００は、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘであるときの出力Ｗｘが維持されるように、カソードガス圧力をＰｎ２に上昇させる。

補完運転開始後は、カソード電極触媒表面積Ｑの値に応じた補完運転が継続実行される（図２のステップＳ１４０）。すなわち、カソード電極触媒表面積Ｑの値が取得され、取得された値に応じて、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘであるときの出力が維持されるように、対応マップ（図５）を参照したカソードガス圧力制御を伴う燃料電池システム１００の運転が実行される。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１００では、カソード電極触媒表面積とガス拡散抵抗との対応関係（図３）が予め設定されて制御部２００に記憶されており、カソード電極触媒表面積Ｑが取得され、取得されたカソード電極触媒表面積Ｑの値が閾値Ｑｘより小さい場合に、制御部２００が上記対応関係に基づき設定された対応マップ（図５）に従いカソードガス圧力を制御する。具体的には、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘであるときの燃料電池システム１００の出力が維持されるように、カソードガス圧力が補正される。従って、本実施例の燃料電池システム１００では、カソード電極触媒表面積の減少に伴う出力低下を抑制することができる。また、本実施例の燃料電池システム１００では、カソード電極触媒表面積の減少に伴う出力低下をユーザーに感じさせないように制御することが可能であり、ドライバビリティーを向上させることができる。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、補完運転（図２のステップＳ１３０）において、カソード電極触媒表面積Ｑが閾値Ｑｘであるときの出力が維持されるように、カソードガス圧力が補正されるとしているが、カソードガス圧力の代わりにカソードガス流量や相対湿度が補正されるとしてもよい。

カソード電極触媒表面積Ｑを予測するためのシミュレーションは、触媒の粒径分布を、同じ粒子径を持つ粒子の合計重量が、それぞれの粒径において同じである触媒粒子で代表させ、代表点の粒径の間隔を用いて触媒粒子の分布を表現するモデル化手法を用いたシミュレーション手法を利用して実行することも可能である。

燃料電池システム１００の運転制御（図２）の各ステップは、必ずしも制御部２００により実行される必要はない。例えば、取得されたカソード電極触媒表面積Ｑの値と所定の閾値Ｑｘとの比較判定（ステップＳ１２０）が、制御部２００以外の外部のコンピューターにより実行されるとしてもよい。また、制御部２００は、シミュレーションのための予測システムを有する必要はなく、外部のコンピューターを用いたシミュレーションによるってカソード電極触媒表面積Ｑの予測値が取得されるとしてもよい。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例における燃料電池システム１００の構成は、あくまで一例であり、他の構成を採用することも可能である。また、上記実施例では、燃料電池システム１００が燃料電池自動車１０に用いられている例を用いて説明したが、本発明は、定置式の燃料電池システムなどの他の燃料電池システムにも適用することが可能である。

１０…燃料電池自動車
１００…燃料電池システム
２００…制御部

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   触媒表面積が所定の閾値より小さい状態における触媒表面積とガス拡散抵抗との対応関係を記憶する記憶部と、
   触媒表面積の値を取得する取得部と、
   取得された触媒表面積の値が前記閾値より小さい場合に、前記対応関係に基づき、ガス圧力とガス流量との少なくとも一方を制御する制御部と、を備える、燃料電池システム。

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