JP2012038481A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池にて発電を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power with a fuel cell.
燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極層を接合した膜電極接合体の両電極に燃料とその酸化剤、例えば水素ガスと酸素含有ガスとしての空気の供給を受け、水素と酸素の電気化学反応を経て発電する。この電気化学反応は、電解質膜のプロトン伝導を介して進行し、空気供給側のカソードでは水が生成され、この水生成の中間反応として過酸化水素が生成することが知られている。過酸化水素は化学的に不安定な化合物であることから、生成した過酸化水素は容易に分解して、水酸基、いわゆるラジカルを生じる。ラジカルは活性が高いことから、膜電極接合体の酸化分解劣化、詳しくはその電極や電解質膜の酸化分解劣化、延いては電池性能の低下を招きやすいので、過酸化水素の生成抑制を通して電池性能維持を図る手法が種々提案されている(例えば、特許文献1等)。 The fuel cell is supplied with fuel and its oxidant, for example, hydrogen gas and air as an oxygen-containing gas, to both electrodes of a membrane electrode assembly in which electrode layers are joined to both membrane surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity. It generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is known that this electrochemical reaction proceeds via proton conduction of the electrolyte membrane, water is generated at the cathode on the air supply side, and hydrogen peroxide is generated as an intermediate reaction of this water generation. Since hydrogen peroxide is a chemically unstable compound, the generated hydrogen peroxide is easily decomposed to generate hydroxyl groups, so-called radicals. Since radicals are highly active, they tend to cause oxidative degradation degradation of membrane electrode assemblies, specifically oxidative degradation degradation of the electrodes and electrolyte membranes, and eventually battery performance degradation. Various methods for maintaining are proposed (for example, Patent Document 1).
これら特許文献で提案された手法によれば、過酸化水素の生成は抑制できるものの、過酸化水素が全く生成されないようにすることは困難である。このため、僅かとはいえ過酸化水素が生成される余地があるので、その生成された過酸化水素の分解を経て生じるラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化、延いては電池性能の劣化が危惧される。 According to the methods proposed in these patent documents, the production of hydrogen peroxide can be suppressed, but it is difficult to prevent the production of hydrogen peroxide at all. For this reason, there is still room for hydrogen peroxide to be generated, but the degradation of the membrane electrode assembly due to radicals generated through the decomposition of the generated hydrogen peroxide, and further deterioration of the battery performance. I'm worried.
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、生成された過酸化水素の分解を経て生じるラジカルによる劣化抑制の実効性を高めることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve at least a part of the above-described conventional problems, and an object thereof is to improve the effectiveness of suppressing deterioration due to radicals generated through decomposition of generated hydrogen peroxide.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the following configuration is adopted.
[適用1:燃料電池システム]
プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極層を接合した膜電極接合体を有する燃料電池と、
一方の前記電極層に燃料を、他方の前記電極層に前記燃料の酸化剤を供給する供給系と、
該供給系による前記燃料と前記酸化剤の供給状況を制御して、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
該発電制御手段による前記燃料電池の発電の要否を判定する判定手段とを備え、
前記発電制御手段は、
前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されると、前記燃料電池の電極面積当たりの電流密度が0.6A/cm2以上となるように、前記燃料電池の発電を制御する
ことを要旨とする。
[Application 1: Fuel cell system]
A fuel cell having a membrane electrode assembly in which electrode layers are bonded to both membrane surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity;
A supply system for supplying fuel to one of the electrode layers and supplying an oxidant of the fuel to the other electrode layer;
Power generation control means for controlling power generation of the fuel cell by controlling the supply status of the fuel and the oxidant by the supply system;
Determination means for determining whether or not the fuel cell needs to be generated by the power generation control means,
The power generation control means includes
If the determination means determines that power generation of the fuel cell is necessary, the power generation of the fuel cell is controlled so that the current density per electrode area of the fuel cell is 0.6 A / cm 2 or more. The gist.
上記構成を備える燃料電池システムでは、判定手段により燃料電池の発電が必要と判定される場合において、発電制御手段により燃料電池の発電が制御され、その発電電力の出力が可能となる。そして、この際の燃料電池の発電制御は、燃料電池の電極面積当たりの電流密度が0.6A/cm2以上となるようになされ、この電流密度では、膜電極接合体の電解質膜のプロトン伝導を介した電気化学反応は活発に進行する。このため、膜電極接合体における発電領域では、比較的多量の水が生成することになり、電解質膜は多量の水(生成水)により充分に湿潤する。こうした電解質膜の充分な湿潤状況下では、仮に過酸化水素の生成とその分解によりラジカルが生じても、このラジカルは、生成水により分解あるいはクエンチされると考えられる。 In the fuel cell system having the above configuration, when the determination unit determines that the power generation of the fuel cell is necessary, the power generation control unit controls the power generation of the fuel cell, and the generated power can be output. The power generation control of the fuel cell at this time is such that the current density per electrode area of the fuel cell is 0.6 A / cm 2 or more. At this current density, proton conduction of the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly is performed. The electrochemical reaction through the substrate proceeds actively. For this reason, a relatively large amount of water is generated in the power generation region in the membrane electrode assembly, and the electrolyte membrane is sufficiently wetted by a large amount of water (generated water). Under such a sufficiently wet state of the electrolyte membrane, even if radicals are generated by the generation and decomposition of hydrogen peroxide, the radicals are considered to be decomposed or quenched by the generated water.
この結果、上記構成を備える燃料電池システムによれば、ラジカルによる電解質膜の酸化分解劣化を高い実効性で抑制できることになる。これにより、電解質膜に用いる膜材料の採択の幅が広がり、汎用性が高まる。また、ラジカルによる酸化分解劣化は、膜電極接合体の電極層にても起き得るが、上記した多量の生成水によるラジカルのクエンチまたは分解は、電解質膜に接合した電極層でも起きるので、電極層の酸化分解劣化も高い実効性で抑制でき、これらを通して、上記構成を備える燃料電池システムによれば、電池性能も維持できる。 As a result, according to the fuel cell system having the above configuration, the oxidative degradation of the electrolyte membrane due to radicals can be suppressed with high effectiveness. Thereby, the range of the adoption of the membrane material used for an electrolyte membrane spreads, and versatility increases. In addition, the oxidative degradation deterioration due to radicals can also occur in the electrode layer of the membrane electrode assembly, but the radical quenching or decomposition due to the large amount of generated water also occurs in the electrode layer bonded to the electrolyte membrane. Oxidative decomposition degradation of can be suppressed with high effectiveness, and through these, according to the fuel cell system having the above configuration, the cell performance can be maintained.
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、判定手段により燃料電池の発電が必要と判定される場合の燃料電池の発電制御を、電流密度が4.0A/cm2を超えないように行う態様とできる。一般に、燃料電池を電流密度が4.0A/cm2を超えるような高負荷発電に処すと、電池能力の上限付近もしくはこれを超える発電となるので、出力低下が起き得ると共に、燃料消費との関係からの発電効率においても低下すると指摘されている。よって、上記したような態様では、燃料電池の出力低下や発電効率低下を抑制した上で、既述した劣化抑制を図ることができる。 The fuel cell described above can be configured as follows. For example, the power generation control of the fuel cell when the determination unit determines that the power generation of the fuel cell is necessary can be performed such that the current density does not exceed 4.0 A / cm 2 . In general, when a fuel cell is subjected to high load power generation with a current density exceeding 4.0 A / cm 2 , power generation occurs near or exceeds the upper limit of the battery capacity, so that the output can be reduced and the fuel consumption can be reduced. It is pointed out that the power generation efficiency from the relationship also decreases. Therefore, in the above-described aspect, it is possible to suppress the deterioration described above, while suppressing a decrease in output of the fuel cell and a decrease in power generation efficiency.
また、上記した構成の燃料電池システムにおいて、更に、電力の充電と放電が可能な2次電池と、外部の負荷に供給する電力源として前記燃料電池と前記2次電池のいずれかを選択し、該選択した電力源から前記負荷に電力を供給する電力選択手段と、前記負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段とを備えるようにした上で、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて前記発電の要否を判定し、前記燃料電池の発電が必要と判定した際には、前記電力選択手段にて前記電力源を前記燃料電池に選択する態様とできる。こうすれば、例えば、要求電力が0.6A/cm2以上の電流密度での発電電力であるような場合に、燃料電池の発電が必要と判定して既述したように燃料電池を0.6A/cm2以上という電流密度で発電制御して、その発電電力を負荷に供給できる。つまり、上記の態様によれば、ラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制した上で、燃料電池の発電電力で負荷をその要求電力で運転できる。なお、この態様は、電力選択の観点から見ると、電流密度が0.6A/cm2以上となるように燃料電池の発電を制御している状況下で、燃料電池を負荷の動力源として選択することを意味する。 In the fuel cell system having the above-described configuration, the secondary battery capable of charging and discharging electric power, and the fuel cell and the secondary battery are selected as a power source to be supplied to an external load, A power selection unit that supplies power to the load from the selected power source; and a power detection unit that detects required power required to be output to the load. When determining whether or not the power generation is necessary according to the required power, and determining that the fuel cell needs to generate power, the power selection unit can select the power source as the fuel cell. In this way, for example, when the required power is generated power at a current density of 0.6 A / cm 2 or more, it is determined that the fuel cell needs to generate power and the fuel cell is set to 0. 0 as described above. Power generation can be controlled at a current density of 6 A / cm 2 or more, and the generated power can be supplied to the load. That is, according to the above aspect, the load can be operated with the required power by the generated power of the fuel cell while suppressing the oxidative decomposition deterioration of the membrane electrode assembly due to radicals. In this aspect, from the viewpoint of power selection, the fuel cell is selected as the power source of the load under the situation where the power generation of the fuel cell is controlled so that the current density is 0.6 A / cm 2 or more. It means to do.
上記の態様において、前記2次電池の充電容量を検出する容量手段を備えた上で、前記電力検出手段の検出した前記要求電力が0.6A/cm2を下回る電流密度での発電電力であって前記要求電力を前記容量検出手段の検出した2次電池の充電容量で賄えない場合には、前記燃料電池の発電が必要と判定して、燃料電池を電流密度が0.6A/cm2以上となるよう発電制御し、余剰の発電電力で前記2次電池を充電する態様とできる。こうすれば、ラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制した上で、燃料電池或いは2次電池を電力源として負荷をその要求電力で運転しつつ2次電池を充電できる。なお、この態様は、2次電池の充電容量の観点から見ると、要求電力を2次電池の充電容量で賄える場合には、2次電池を負荷の電力源として選択し、燃料電池の運転を行わないようにできることを意味する。 In the above aspect, the power generation means has a capacity means for detecting a charge capacity of the secondary battery, and the required power detected by the power detection means is generated power at a current density lower than 0.6 A / cm 2. When the required power cannot be covered by the charge capacity of the secondary battery detected by the capacity detecting means, it is determined that the fuel cell needs to generate power, and the current density of the fuel cell is 0.6 A / cm 2. Power generation control is performed so as to achieve the above, and the secondary battery can be charged with surplus generated power. If it carries out like this, after suppressing the oxidative decomposition degradation of the membrane electrode assembly by a radical, a secondary battery can be charged, operating a load with the required electric power by using a fuel cell or a secondary battery as a power source. From the viewpoint of the charge capacity of the secondary battery, this aspect selects the secondary battery as the load power source when the required power can be covered by the charge capacity of the secondary battery, and operates the fuel cell. It means that it can be avoided.
また、上記した構成の燃料電池システムにおいて、更に、外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備えた上で、前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されている際に、前記燃料電池の発電電力が前記電力検出手段の検出した前記要求電力を超えた余剰の発電電力を、電力の充電と放電が可能な2次電池への充電を含む電力消費に回す態様とできる。この態様によれば、燃料電池を0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御することで既述したラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制した上で、発電電力の余剰電力で2次電池を充電状態とできる。2次電池を満充電した後の余剰電力については、その他の電力消費、例えば加熱のための発熱体での電力消費等に回すことができる。 Further, the fuel cell system having the above-described configuration further includes power detection means for detecting required power required to be output to an external load, and the determination means determines that the fuel cell needs to generate power. Power consumption including surplus generated power exceeding the required power detected by the power detection means, including charging a secondary battery capable of charging and discharging power. It is possible to turn to the mode. According to this aspect, the power generation control of the fuel cell at a current density of 0.6 A / cm 2 or more suppresses the oxidative degradation deterioration of the membrane electrode assembly due to the radicals described above, and the surplus power of the generated power The secondary battery can be charged. The surplus power after the secondary battery is fully charged can be used for other power consumption, for example, power consumption in a heating element for heating.
また、上記した構成の燃料電池システムにおいて、更に、外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備えた上で、前記燃料電池を、複数の電池ユニットの集合体として構成されて、各電池ユニットごとに発電すると共に、各電池ユニットごとの発電電力を集電するものとし、前記供給系を、前記電池ユニットごとに前記燃料と前記酸化剤とを供給するものとし、前記判定手段を、前記発電制御手段による前記燃料電池の前記電池ユニットごとの発電要否を、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて判定するものとし、前記発電制御手段にて、前記電池ユニットごとに前記供給系での前記供給状況を制御して、前記電池ユニットごとの発電を制御し前記集電された発電電力を出力する態様とできる。この態様によれば、要求電力に応じて発電制御が必要とされた電池ユニットについては、これを0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御することで既述したラジカルによる膜電極接合体の酸化分解劣化を抑制できる。この場合、発電制御が不要とされた電池ユニットでは、燃料・酸化剤の供給および発電制御がなされないので、ラジカルは生じず、ラジカルによる膜電極接合体の酸化分解については問題とならない。 Further, in the fuel cell system having the above-described configuration, the fuel cell is further provided as an aggregate of a plurality of battery units, further comprising power detection means for detecting required power required to be output to an external load. It is configured to generate power for each battery unit, collect the generated power for each battery unit, and supply the fuel and the oxidant to the supply system for each battery unit, The determination means determines whether or not the power generation control means needs to generate power for each battery unit according to the required power detected by the power detection means, and the power generation control means The supply status in the supply system may be controlled for each battery unit, power generation for each battery unit may be controlled, and the collected generated power may be output. According to this aspect, for the battery unit for which power generation control is required according to the required power, the above-described radical membrane electrode assembly by controlling power generation at a current density of 0.6 A / cm 2 or more. Oxidative degradation degradation can be suppressed. In this case, in the battery unit in which the power generation control is not required, the supply of fuel and oxidant and the power generation control are not performed. Therefore, radicals are not generated, and oxidative decomposition of the membrane electrode assembly by radicals does not cause a problem.
本発明は、燃料電池の運転方法や、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムを設置して燃料電池を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できることは勿論である。 The present invention is naturally applicable to a fuel cell operation method, a vehicle equipped with a fuel cell system, and a stationary power generation system in which the fuel cell system is installed and the fuel cell is used as a power generation source.
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図1は本発明の実施例としての燃料電池搭載車両10を概略的に平面視して示す説明図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a
図示するように、この燃料電池搭載車両10は、車体12に、燃料電池システム20を搭載する。この燃料電池システム20は、燃料電池100と、水素ガスタンク110を含む水素ガス供給系120と、モーター駆動のコンプレッサ130を含む空気供給系140と、2次電池150と、DC−DCコンバーター160とを備える。燃料電池システム20は、燃料電池100の発電電力、或いは2次電池150の充電電力を、前輪FW駆動用のモーター170を始めとする負荷に供給する。
As shown in the figure, the fuel cell-equipped
燃料電池100は、図において概略的に示すように、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極(電極層)を接合させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を備える発電単位の電池セルを積層したスタック構造とされ、前輪FWと後輪RWの間において車両床下に位置する。燃料電池100におけるMEAの電解質膜は、プロトン伝導性を備えた固体高分子型電解質膜であり、本実施例では炭化水素系電解質膜、或いは、フッ素系電解質膜のいずれも採用できる。炭化水素系電解質膜として、ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテルなど、エンジニアリングプラスチック系高分子をスルホン化した安価な炭化水素系電解質膜などを用いることができる。ここで、MEAの製造手法について簡単に説明する。
As schematically shown in the figure, the
まず、触媒としての白金(Pt)の微細粒子をプロトン伝導性を有する電解質溶液に分散させ、その分散液を上記した炭化水素系電解質膜の両膜面上にスプレー塗布等の手法で塗布して、炭化水素系電解質膜の両膜面にアノードおよびカソードの電極層を形成する。次いで、この電極層にガスの拡散透過性を有するカーボンペーパー等を熱圧着してガス拡散層を形成してMEAを得る。 First, fine particles of platinum (Pt) as a catalyst are dispersed in an electrolyte solution having proton conductivity, and the dispersion is applied to both membrane surfaces of the above hydrocarbon electrolyte membrane by a technique such as spray coating. Then, anode and cathode electrode layers are formed on both surfaces of the hydrocarbon electrolyte membrane. Next, a carbon paper or the like having gas diffusion permeability is thermocompression bonded to this electrode layer to form a gas diffusion layer to obtain an MEA.
燃料電池100は、上記のMEAを図示しないセパレーターで挟持した電池セルの両電極層(アノード電極層、カソード電極層)に、後述の水素ガス供給系120と空気供給系140から水素ガスと空気の供給を受ける。そして、燃料電池100は、供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を各電池セルにて起こして発電し、その発電電力にてモーター170等の負荷を駆動する。燃料電池100の発電状況は電流センサー102にて計測され、その計測結果は電流センサー102から後述の制御装置200に出力される。
The
水素ガス供給系120は、水素ガスタンク110から燃料電池100に到る水素供給経路121と、未消費の水素ガス(アノードオフガス)を水素供給経路121に循環させる循環経路122とを備える。そして、この水素ガス供給系120は、水素供給経路121の流量調整バルブ123にて調整した流量と、循環経路122の循環ポンプ124にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池100のアノードに供給する。この水素ガス供給量は、アクセル180の操作に基づいて、後述の制御装置200にて定められ、燃料電池100に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系120は、循環経路122から分岐した排出管路125の開閉バルブ126の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを大気放出する。
The hydrogen
空気供給系140は、コンプレッサ130を経て燃料電池100に到る酸素供給経路141と、未消費の空気(カソードオフガス)を大気放出する放出経路142とを備える。そして、この空気供給系140は、酸素供給経路141の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ130にて流量調整した上で燃料電池100のカソードに供給しつつ、放出経路142の排出流量調整バルブ143で調整された流量でカソードオフガスを放出経路142を経て大気放出する。このように空気供給系140にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系140は、排出流量調整バルブ143を所定開度にした上で、コンプレッサ130にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル180の操作に基づいて制御装置200にて定められ、燃料電池100に求められる負荷に応じた供給量となる。また、燃料電池システム20は、上記した供給系の他、冷却媒体の循環供給により燃料電池100を冷却する図示しない冷却系を有するが、この冷却系は本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。
The
2次電池150は、DC−DCコンバーター160を介して燃料電池100に接続されており、燃料電池100とは別の電力源として機能する。本実施例では、後述するように燃料電池100を所定の発電状況下で運転することを前提とするので、燃料電池100の運転停止状態において、2次電池150は、その充電電力をモーター170に供給する。2次電池150としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。2次電池150には、容量検出センサー152が接続され、当該センサーは、2次電池150の充電状況を検出し、その検出充電量を制御装置200に出力する。
The
DC−DCコンバーター160は、2次電池150の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置200の制御信号を受けて2次電池150の充・放電を制御するとともに、モーター170に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
The DC-
制御装置200は、論理演算を実行するCPUやROM、RAM等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル180等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両10の種々の制御を司る。例えば、制御装置200は、アクセル180の操作状況に応じたモーター170への要求電力を求め、その要求電力が燃料電池100の発電で得られるよう、或いは、2次電池150の充電電力で賄うよう、モーター170に電力を供給する。モーター170の要求電力を燃料電池100の発電で得る場合には、その要求電力に見合うよう水素ガス供給系120や空気供給系140でのガス供給量を制御する。また、制御装置200は、モーター170への要求電力に応じて、DC−DCコンバーター160を制御する。
The
本実施例の燃料電池搭載車両10では、燃料電池100の発電運転の要否を判定した上で、燃料電池100を後述する所定条件下で発電運転することから、まず、燃料電池100の運転特性について説明する。図2はモデル化した電池セルの単体について発電時の電流密度とMEAの電解質膜の分子量低下率との関係を示すグラフである。この図2のグラフは、次の耐久試験を経て求めた。
In the fuel cell-equipped
試験対象となる単体の電池セルは、既述したように炭化水素系電解質膜(例えば、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化した電解質膜)を用いたMEAを有する電池セルであり、この電池セルに、セル温度が95℃、アノード露点45℃、カソード露点55℃の低加湿条件下で水素ガスおよび空気を供給して、発電させた。そして、この発電の際のMEAの電極面積当たりの電流密度を種々変えつつ、その発電と非発電の繰り返しサイクルを200時間に亘って継続する耐久試験を行い、試験前後の炭化水素系電解質膜の分子量変化(低下率)を質量分析器等の分析装置で求めた。この場合、200時間に亘る耐久試験の後に、MEAから触媒(Pt)を除去して、耐久試験前後の炭化水素系電解質膜自体の分子量変化(低下率)を計測した。なお、耐久試験前の炭化水素系電解質膜自体の分子量は、試験に先だち予め計測済みであることから、耐久試験前後の炭化水素系電解質膜自体の分子量の計測値から、分子量低下率を算出した。 A single battery cell to be tested is a battery cell having an MEA using a hydrocarbon electrolyte membrane (for example, an electrolyte membrane obtained by sulfonating polyetheretherketone) as described above. Electric power was generated by supplying hydrogen gas and air under low humidification conditions of a cell temperature of 95 ° C., an anode dew point of 45 ° C., and a cathode dew point of 55 ° C. Then, while variously changing the current density per electrode area of the MEA at the time of this power generation, an endurance test that continues the repeated cycle of power generation and non-power generation over 200 hours is performed, and the hydrocarbon electrolyte membranes before and after the test are tested. The molecular weight change (decrease rate) was determined with an analyzer such as a mass analyzer. In this case, after the durability test for 200 hours, the catalyst (Pt) was removed from the MEA, and the molecular weight change (decrease rate) of the hydrocarbon-based electrolyte membrane itself before and after the durability test was measured. In addition, since the molecular weight of the hydrocarbon electrolyte membrane itself before the durability test was measured in advance prior to the test, the molecular weight reduction rate was calculated from the measured value of the molecular weight of the hydrocarbon electrolyte membrane itself before and after the durability test. .
図2におけるサンプルAは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを30秒の非発電と20秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間(20秒)での電池セルの発電条件は、0.6A/cm2の電流密度である。 A sample A in FIG. 2 is a measurement value obtained by performing an endurance test on the battery cell in a repetitive cycle of 30 seconds of non-power generation and 20 seconds of power generation under the above-mentioned low humidification gas supply conditions. In this case, the power generation condition of the battery cell in the power generation period (20 seconds) of each cycle is a current density of 0.6 A / cm 2 .
図2におけるサンプルBは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを10秒の非発電と10秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間(10秒)での電池セルの発電条件は、1.2A/cm2の電流密度である。 Sample B in FIG. 2 is a measurement value obtained by performing an endurance test on the battery cell in a repeated cycle of 10 seconds of non-power generation and 10 seconds of power generation under the above-mentioned low humidification gas supply conditions. In this case, the power generation condition of the battery cell in the power generation period (10 seconds) of each cycle is a current density of 1.2 A / cm 2 .
図2におけるサンプルCは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを30秒の非発電と60秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間(60秒)での電池セルの発電条件は、0.1A/cm2の電流密度である。 Sample C in FIG. 2 is a measurement value obtained by performing an endurance test on the battery cell in a cycle of 30 seconds of non-power generation and 60 seconds of power generation under the above-mentioned gas supply conditions with low humidification. In this case, the power generation condition of the battery cell in the power generation period (60 seconds) of each cycle is a current density of 0.1 A / cm 2 .
図2におけるサンプルDは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを180秒の非発電と60秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間(60秒)での電池セルの発電条件は、0.1A/cm2の電流密度である。 A sample D in FIG. 2 is a measurement value obtained by performing an endurance test on the battery cell in a cycle of non-power generation for 180 seconds and power generation for 60 seconds under the above-mentioned gas supply condition with low humidification. In this case, the power generation condition of the battery cell in the power generation period (60 seconds) of each cycle is a current density of 0.1 A / cm 2 .
図2におけるサンプルEは、上記の低加湿のガス供給条件下で電池セルを30秒の非発電と180秒の発電の繰り返しサイクルで耐久試験を行った計測値である。この場合の各サイクルの発電期間(180秒)での電池セルの発電条件は、0.4A/cm2の電流密度である。 Sample E in FIG. 2 is a measurement value obtained by performing an endurance test on a battery cell in a cycle of 30 seconds of non-power generation and 180 seconds of power generation under the above-mentioned gas supply conditions with low humidification. In this case, the power generation condition of the battery cell in the power generation period (180 seconds) of each cycle is a current density of 0.4 A / cm 2 .
図2に示すように、サンプルAは、分子量低下率にあっても僅か3%程度に過ぎなかった。よって、サンプルAでは、炭化水素系電解質膜の劣化は殆ど起きていないと想定される。サンプルBにあっても、分子量低下率にあっても僅か2%程度に過ぎなかった。よって、サンプルBにあっても、炭化水素系電解質膜の劣化は殆ど起きていないと想定される。上記した2〜3%の分子量低下率は、分析装置の最大測定能力上限とほぼ等しい。なお、1.2A/cm2より大きな電流密度で電池セルを発電した場合については図示していないが、4.0A/cm2を超えるような高負荷で電池セルを発電すると、電池能力の上限付近もしくはこれを超える発電となるので、出力低下が起き得ると共に、燃料消費との関係からの発電効率においても低下する。そして、0.6〜1.2A/cm2までの間においては、分子量低下率はほぼ同程度に測定上限において推移していることから、電池セルを4.0A/cm2以下の電流密度で発電させても、サンプルA〜Bとほぼ同様に炭化水素系電解質膜の劣化を抑制できると想定される。 As shown in FIG. 2, the sample A was only about 3% even in the molecular weight reduction rate. Therefore, in sample A, it is assumed that the hydrocarbon electrolyte membrane hardly deteriorates. Even in Sample B, the molecular weight reduction rate was only about 2%. Therefore, even in the sample B, it is assumed that the hydrocarbon-based electrolyte membrane hardly deteriorates. The molecular weight reduction rate of 2 to 3% is almost equal to the upper limit of the maximum measuring ability of the analyzer. In addition, although it is not illustrated about the case where a battery cell is generated with a current density greater than 1.2 A / cm 2 , if the battery cell is generated with a high load exceeding 4.0 A / cm 2 , the upper limit of the battery capacity Since the power generation is in the vicinity or beyond this, the output can decrease, and the power generation efficiency in relation to the fuel consumption also decreases. In the range from 0.6 to 1.2 A / cm 2 , the molecular weight decrease rate has changed at the upper limit of measurement to approximately the same level, so that the battery cell is at a current density of 4.0 A / cm 2 or less. Even if power is generated, it is assumed that the deterioration of the hydrocarbon-based electrolyte membrane can be suppressed in substantially the same manner as in Samples A to B.
これに対し、サンプルCは、40%の分子量低下率が観察された。つまり、サンプルCでは、サンプルA〜Bに比して発電電力が小さいにも拘わらず、炭化水素系電解質膜は大きく劣化していると想定される。この電解質膜劣化は、分子量低下を招くことが原因と考えられ、分子量低下は、耐久試験における発電期間で生成された過酸化水素の分解を経て生じたラジカルによる酸化分解によりもたらされると想定される。 On the other hand, in Sample C, a molecular weight reduction rate of 40% was observed. That is, in sample C, it is assumed that the hydrocarbon-based electrolyte membrane is greatly deteriorated although the generated power is smaller than in samples A to B. This deterioration of the electrolyte membrane is considered to be caused by a decrease in molecular weight, and it is assumed that the decrease in molecular weight is caused by oxidative decomposition by radicals generated through the decomposition of hydrogen peroxide generated during the power generation period in the durability test. .
また、サンプルDにあっても、45%の分子量低下率が観察された。つまり、サンプルDにあっても、サンプルCと同様に、ラジカルによる酸化分解が原因の炭化水素系電解質膜の大きな劣化が起きたと想定される。 Also in Sample D, a 45% reduction in molecular weight was observed. That is, even in the sample D, as in the sample C, it is assumed that the hydrocarbon-based electrolyte membrane is greatly deteriorated due to oxidative decomposition due to radicals.
サンプルEは、27%の分子量低下率が観察された。つまり、サンプルEにあっても、サンプルC〜Dと同様に、ラジカルによる酸化分解が原因の炭化水素系電解質膜の大きな劣化が起きたと想定される。 In Sample E, a 27% molecular weight reduction rate was observed. That is, even in the sample E, as in the samples C to D, it is assumed that the hydrocarbon electrolyte membrane is largely deteriorated due to oxidative decomposition due to radicals.
図2にプロットした耐久試験から、電池セルを0.6〜4.0A/cm2の範囲の電流密度で発電運転させれば、炭化水素系電解質膜の劣化を顕著に抑制できることが判明した。この知見を経て、本実施例の燃料電池搭載車両10では、以下に説明するような燃料電池発電制御とモーター駆動を行うようにした。
From the durability test plotted in FIG. 2, it was found that the deterioration of the hydrocarbon-based electrolyte membrane can be remarkably suppressed if the battery cell is operated for power generation at a current density in the range of 0.6 to 4.0 A / cm 2 . Based on this knowledge, the fuel cell-equipped
図3は燃料電池搭載車両10の走行状況とその際の要求出力並びにこの出力のソースとの関係を概略的に示す説明図である。図示するように、本実施例の燃料電池搭載車両10では、渋滞や低速走行と言った低要求出力の状況下では、2次電池150(図1参照)をパワーソースとし、加速或いは高速走行状況下では、要求出力も高まることから、燃料電池100(図1参照)をパワーソースに選択する。しかも、燃料電池100をパワーソースとした場合には、0.6A/cm2以上の電流密度で燃料電池100を発電運転する。図4は制御装置200にて行われるパワーソース選択と燃料電池100の発電制御の様子を示すフローチャートである。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the traveling state of the
図示するように、制御装置200は、まず、アクセル180の踏込状況等をセンシングしてモーター170に求められる負荷要求電力YPを読み込む(ステップS100)。この読込の際には、アクセル180の踏込状況の他、燃料電池搭載車両10の車速、図示しないシフトレバーの操作ポジション(例えば、パーキングポジション、ドライブポジション)等を考慮して、負荷要求電力YPを読み込むようにすることもできる。
As shown in the figure, the
次いで、制御装置200は、その読み込んだ負荷要求電力YPが0.6A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電運転した場合の発電電力以上であるか否かを判定する(ステップS110)。ここで肯定判定すれば、その際の負荷要求電力YPを燃料電池100の発電電力で賄うべく、ステップS120に移行する。このステップS120では、モーター170のパワーソースとして燃料電池100を選択した上で、燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御する。この場合、制御装置200は、負荷要求電力YPを賄えるだけの電流密度で燃料電池100を発電制御する。例えば、負荷要求電力YPが0.6A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置200は、燃料電池100を0.6A/cm2の電流密度で発電制御する。同様に、負荷要求電力YPが2.0A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置200は、燃料電池100を2.0A/cm2の電流密度で発電制御する。つまり、ステップS120において、制御装置200は、負荷要求電力YPに応じた電流密度で燃料電池100を発電制御するものの、この際の燃料電池100の発電制御は、0.6〜4.0A/cm2の範囲の電流密度での発電制御となる。制御装置200は、こうして燃料電池100を発電制御しつつ、その発電電力(=負荷要求電力YP)をモーター170に出力し(ステップS130)、モーター170をその負荷要求電力YPで駆動する(ステップS150)。
Next, the
その一方、ステップS110において、負荷要求電力YPは0.6A/cm2を下回る電流密度で燃料電池100を発電運転した場合の発電電であると否定判定すると、制御装置200は、この負荷要求電力YPを2次電池150の充電電力で賄うべく、ステップS150に移行してモーター170のパワーソースとして2次電池150を選択する。次いで、制御装置200は、容量検出センサー152のセンサー出力から2次電池150の電池容量BPを読み込み(ステップS160)、この電池容量BPで負荷要求電力YPを賄えるか否かを判定する(ステップS170)。ここで電池容量BPで負荷要求電力YPを賄えると肯定判定すれば、制御装置200は、負荷要求電力YPに合致した電力で2次電池150を放電して負荷要求電力YPをDC−DCコンバーター160を介してモーター170に出力し(ステップS130)、モーター170をその負荷要求電力YPで駆動する(ステップS150)。
On the other hand, if it is determined in step S110 that the load required power YP is generated when the
そして、ステップS170で2次電池150の電池容量BPでは負荷要求電力YPを賄えないと否定定判定すれば、2次電池150を充電すべく、ステップS180に移行する。このステップS180では、燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御する。ステップS180は、ステップS110での否定判定(YP<0.6A/cm2発電電力)を受けてのものであるため、燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御すると、その発電電力は負荷要求電力YPを上回ることになる。よって、ステップS180では、その余剰の発電電力にて2次電池150を充電し、続くステップS130にて、負荷要求電力YPの発電電力をモーター170に出力し、モーター170をその負荷要求電力YPで駆動する(ステップS150)。この場合、ステップS180では、燃料電池100を0.6A/cm2の電流密度で発電制御するようにしたり、0.6〜4.0A/cm2の範囲の所定の電流密度で発電制御するようにできる。
If it is determined in step S170 that the battery capacity BP of the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム20では、アクセル180の操作状況等により車両走行のためにモーター170に求められる負荷要求電力YPに応じて、燃料電池100の運転要否を判定する。つまり、負荷要求電力YPが燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電運転した場合の発電電力であれば、燃料電池100の運転が必要と判定して(ステップS110)、燃料電池100を負荷要求電力YPに応じた0.6A/cm2以上の電流密度で発電させ、その発電電力にてモーター170を駆動する(ステップS130〜140)。つまり、電流密度が0.6A/cm2以上となるように燃料電池100の発電制御している状況下で、燃料電池100をモーター170のパワーソースとして選択し、モーター170を駆動する。
As described above, in the
このように燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電運転すれば、電流密度が大きいことから、燃料電池100の各電池セルでは、電気化学反応が活発に進行し、電池セルのMEAにおける発電領域では、比較的多量の水が生成する。燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電運転することは、図2におけるサンプルA〜Bに相当し、これらサンプルA〜Bは、既述したようにMEAの電解質膜(本実施例では、炭化水素系電解質膜)の劣化は見られない。このことは、高い電流密度での発電運転によりMEAの電解質膜(炭化水素系電解質膜)を多量の生成水で充分に湿潤させることができ、こうした電解質膜の充分な湿潤状況下では、仮に過酸化水素の生成とその分解によりラジカルが生じても、図2にて説明したように、電解質膜の酸化分解を高い実効性で抑制できた(サンプルA〜B)ことを意味する。つまり、・OHと表したラジカルは、生成水によりクエンチまたは分解されるため、電解質膜の酸化分解をもたらさないと考えられ、このことは、図2で説明したサンプルA〜Bに電解質膜劣化が見られないことに符合する。
Thus, if the
この結果、本実施例の燃料電池システム20によれば、ラジカルの水への変遷を通して、燃料電池100の電解質膜(炭化水素系電解質膜)の酸化分解劣化を高い実効性で抑制できると共に、電池性能を長期に亘って維持できる。また、炭化水素系電解質膜は安価で汎用性が高いことから、この炭化水素系電解質膜を燃料電池100のMEAに用いることで、燃料電池システム20、延いては燃料電池搭載車両10のコスト低下を図ることができる。
As a result, according to the
また、本実施例の燃料電池システム20では、燃料電池100を負荷要求電力YPに応じて0.6A/cm2以上の電流密度で発電運転するに当たり、電流密度が4.0A/cm2を超えないようにした。このため、電流密度が4.0A/cm2を超えるような高負荷発電では燃料電池100を発電運転しないので、電池能力の上限付近もしくはこれを超える発電による出力低下や燃料消費との関係からの発電効率低下を招かないようにした上で、電解質膜劣化の抑制を図ることができる。
Further, in the
また、本実施例の燃料電池システム20では、モーター170に求められる負荷要求電力YPが小さい場合には(ステップS110:否定判定)、燃料電池100を発電運転しないので、こうした場合におけるMEAの電解質膜劣化を招かない。その上で、負荷要求電力YPが小さい場合には、2次電池150をパワーソースに選択して(ステップS150)、2次電池150の充電電力でこの負荷要求電力YPを賄い(ステップS170:肯定判定)、2次電池150の充電電力で負荷要求電力YPを賄えない場合には、燃料電池100を電流密度が0.6A/cm2以上となるよう発電制御して(ステップS180)、余剰の発電電力で2次電池150を充電する。このため、本実施例の燃料電池システム20によれば、ラジカルによる燃料電池100のMEAの酸化分解劣化を抑制した上で、燃料電池100或いは2次電池150を電力源としてモーター170をその要求電力で運転しつつ2次電池150を充電できる。
Further, in the
次に、他の実施例について説明する。この実施例は、燃料電池100の運転が必要と判定した場合には、燃料電池100を定常的に運転させる点に特徴がある。図5は他の実施例における燃料電池100の発電制御の様子を示すフローチャートである。
Next, another embodiment will be described. This embodiment is characterized in that the
図示するように、この実施例では、まず、燃料電池100の発電要否を判定する(ステップS200)。例えば、シフトレバーがある程度の期間に亘ってパーキングポジションにあるような場合は、車両は停車を継続していると予想される。こうした停車中には、大きな電力を必要としないので、燃料電池100を運転することなく本ルーチンを終了する。なお、車両停車中において車室オーディオ等がオンとされても、こうした場合の電力は2次電池150で通常賄うことができ、支障はない。なお、後述するように、この実施例では、2次電池150の充電状態を燃料電池100の余剰電力により満充電に維持することから、2次電池150の電力だけで車両発進に必要な電力を賄うことも可能である。
As shown in the figure, in this embodiment, first, it is determined whether or not the
一方、ステップS200で燃料電池100の運転が必要と判定すれば、負荷要求電力YPの読み込み(ステップS210)に続いて、燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御する(ステップS220)。次に、読み込んだ負荷要求電力YPが0.6A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電運転した場合の発電電力以上であるか否かを判定する(ステップS230)。0.6A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電運転した場合の発電電力は、車両が低速走行している際に必要とされる電力に相当するため、ステップS230では、車両が低速から高速の走行状態にある場合に肯定判定され、車両が一時停止や渋滞走行等にある場合に否定判定される。
On the other hand, if it is determined in step S200 that the
ステップS230で肯定判定すれば、ステップS220にて0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御されている燃料電池100の発電電力FP(=負荷要求電力YP)をモーター170に出力し(ステップS240)、モーター170をその負荷要求電力YPで駆動する(ステップS250)。なお、ステップS220では、0.6A/cm2以上の電流密度で燃料電池100を発電制御した上で、負荷要求電力YP(=0.6A/cm2の電流密度でお発電電力)を賄えるよう燃料電池100を発電制御する。例えば、負荷要求電力YPが0.6A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置200は、燃料電池100を0.6A/cm2の電流密度で発電制御する。同様に、負荷要求電力YPが2.0A/cm2の電流密度で燃料電池100を発電制御した場合の発電電力であれば、制御装置200は、燃料電池100を2.0A/cm2の電流密度で発電制御する。その一方、負荷要求電力YPが0.6A/cm2より小さい電流密度で燃料電池100を発電制御した場合の発電電力であっても、制御装置200は、燃料電池100を0.6A/cm2の電流密度で発電制御し、この場合には、後述のステップS260に以降する。つまり、ステップS220において、制御装置200は、負荷要求電力YPに応じた電流密度で燃料電池100を発電制御するものの、この際の燃料電池100の発電制御は、0.6〜4.0A/cm2の範囲の電流密度での発電制御となる。
If an affirmative determination is made in step S230, the generated power FP (= load required power YP) of the
その一方、ステップS230において、負荷要求電力YPは0.6A/cm2を下回る電流密度で燃料電池100を発電運転した場合の発電電であると否定判定すると、燃料電池100は、負荷要求電力YPを上回る発電電力FPとなるよう発電運転していることになる。よって、この場合は、ステップS260に移行して、発電電力FPと負荷要求電力YPの差分である余剰電力を出力し、負荷要求電力YPに相当する発電電力FPをモーター170に出力し(ステップS240)、モーター170をその負荷要求電力YPで駆動する(ステップS250)。
On the other hand, if it is determined in step S230 that the load required power YP is generated when the
上記した実施例では、ステップS260での余剰電力出力を、種々の手法で行うことができ、まず第1に、2次電池150を満充電となるよう余剰電力で充電する。2次電池150を満充電としてもまだ余剰電力がある場合は、その余剰電力を消費に回せばよい。例えば、車両走行中において、ギヤを一段階落としてモーター回転数を上げることで車速を概ね維持しつつ電力消費を図るようにできる。或いは、動力伝達機構のクラッチを遮断してモーター空転を起こして電力消費を図ったり、車両搭載の他のモーター、例えばエアコン用のモーターで消費したり、暖房用ヒーターへの通電により消費したりできる。つまり、この実施例では、燃料電池100を0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御することで既述したようにMEAの酸化分解劣化を抑制した上で、余剰電力を2次電池150の満充電等の他の用途に有効利用できる。
In the above-described embodiment, the surplus power output in step S260 can be performed by various techniques. First, the
次に、また別の実施例について説明する。図6は別の実施例における燃料電池100Aの構成を概略的に示す説明図、図7は燃料電池100Aの発電制御の様子を示すフローチャートである。 Next, another embodiment will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a fuel cell 100A in another embodiment, and FIG. 7 is a flowchart showing the state of power generation control of the fuel cell 100A.
図6に示すように、燃料電池100Aは、電池セルを所定数積層した電池スタックを複数備えた電池ユニット集合体として構成され、各電池ユニットごとに発電する。この場合、水素ガスおよび空気は、各電池ユニットの電池セルにおけるMEAに供給されるよう構成され、その供給量は、電池ユニットごとに制御される。また、燃料電池100Aは、各電池ユニットごとの発電電力を集電して外部に出力できるよう構成されている。
As shown in FIG. 6, the
この燃料電池100Aの発電運転に際しては、図7に示すように、まず、左記の実施例と同様にシフトレバー位置等により燃料電池100の発電要否を判定し(ステップS300)、発電不要であれば本ルーチンを終了する。一方、ステップS300で燃料電池100の運転が必要と判定すれば、負荷要求電力YPを読み込み(ステップS310)、その読み込んだ負荷要求電力YPを賄うだけの発電を行う燃料電池100Aでのスタック数の決定と、その決定した数のスタックの各電池セルを0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御する(ステップS320)。例えば、燃料電池100Aにおける一つのスタックの各電池セルを0.6A/cm2の電流密度で発電運転した場合のスタック発電電力SFPで、負荷要求電力YPを除算して、負荷要求電力YPを賄うに足りる燃料電池100Aのスタック数を決定し、その決定した数のスタックの各電池セルを0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御する。そして、それぞれのスタックで得たスタック発電電力SFPを集電した集電電力(=負荷要求電力YP)をモーター170に出力し(ステップS330)、モーター170をその負荷要求電力YPで駆動する(ステップS340)。
In the power generation operation of the fuel cell 100A, as shown in FIG. 7, first, it is determined whether or not the
上記した実施例では、負荷要求電力YPに応じて発電制御が必要とされた燃料電池100Aの電池スタックについては、これを0.6A/cm2以上の電流密度で発電制御することで既述したラジカルによるMEAの酸化分解劣化を抑制できる。その一方、発電制御が不要とされた電池スタックでは、水素ガスと空気の供給および発電制御がなされないので電気化学反応は起きず、ラジカルは生じない。よって、発電不要の電池スタックでは、ラジカルによるMEAの酸化分解については問題とならず、劣化を来さないようにできる。 In the above-described embodiment, the fuel cell 100A battery stack that requires power generation control according to the load required power YP is described above by performing power generation control at a current density of 0.6 A / cm 2 or more. Oxidative degradation of MEA due to radicals can be suppressed. On the other hand, in a battery stack in which power generation control is not required, supply of hydrogen gas and air and power generation control are not performed, so that no electrochemical reaction occurs and no radical is generated. Therefore, in a battery stack that does not require power generation, there is no problem with oxidative decomposition of MEA by radicals, and deterioration can be prevented.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、上記の実施例では、燃料電池100のMEAを炭化水素系電解質膜を有するものとしたが、フッ素系電解質膜といった他の電解質膜を有するMEAとすることもできる。また、燃料電池システム20については、燃料電池搭載車両10に搭載するほか、定置式の発電システムとして適用することもできる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the MEA of the
10…燃料電池搭載車両
12…車体
20…燃料電池システム
100…燃料電池
100A…燃料電池
102…電流センサー
110…水素ガスタンク
120…水素ガス供給系
121…水素供給経路
122…循環経路
123…流量調整バルブ
124…循環ポンプ
125…排出管路
126…開閉バルブ
130…コンプレッサ
140…空気供給系
141…酸素供給経路
142…放出経路
143…排出流量調整バルブ
150…2次電池
152…容量検出センサー
160…DC−DCコンバーター
170…モーター
180…アクセル
200…制御装置
FW…前輪
RW…後輪
DESCRIPTION OF
Claims (7)
一方の前記電極層に燃料を、他方の前記電極層に前記燃料の酸化剤を供給する供給系と、
該供給系による前記燃料と前記酸化剤の供給状況を制御して、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、
該発電制御手段による前記燃料電池の発電の要否を判定する判定手段とを備え、
前記発電制御手段は、
前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されると、前記燃料電池の電極面積当たりの電流密度が0.6A/cm2以上となるように、前記燃料電池の発電を制御する
燃料電池システム。 A fuel cell having a membrane electrode assembly in which electrode layers are bonded to both membrane surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity;
A supply system for supplying fuel to one of the electrode layers and supplying an oxidant of the fuel to the other electrode layer;
Power generation control means for controlling power generation of the fuel cell by controlling the supply status of the fuel and the oxidant by the supply system;
Determination means for determining whether or not the fuel cell needs to be generated by the power generation control means,
The power generation control means includes
When the determination means determines that power generation of the fuel cell is necessary, the power generation of the fuel cell is controlled so that the current density per electrode area of the fuel cell is 0.6 A / cm 2 or more. system.
更に、
電力の充電と放電が可能な2次電池と、
外部の負荷に供給する電力源として前記燃料電池と前記2次電池のいずれかを選択し、該選択した電力源から前記負荷に電力を供給する電力選択手段と、
前記負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段とを備え、
前記判定手段は、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて前記発電の要否を判定し、前記燃料電池の発電が必要と判定した際には、前記電力選択手段に前記電力源を前記燃料電池に選択させる
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
Furthermore,
A secondary battery capable of charging and discharging power;
Power selection means for selecting one of the fuel cell and the secondary battery as a power source to be supplied to an external load, and supplying power from the selected power source to the load;
Power detection means for detecting required power required to be output to the load,
The determination means determines whether or not the power generation is necessary according to the required power detected by the power detection means. When it is determined that the fuel cell needs to generate power, the power selection means supplies the power source to the power selection means. A fuel cell system that causes the fuel cell to select.
前記2次電池の充電容量を検出する容量手段を備え、
前記判定手段は、前記電力検出手段の検出した前記要求電力が0.6A/cm2を下回る電流密度での発電電力であって前記要求電力を前記容量検出手段の検出した充電容量で賄えない場合には、前記燃料電池の発電が必要と判定し、
前記発電制御手段は、電流密度が0.6A/cm2以上となるように前記燃料電池の発電を制御した上で、余剰の発電電力で前記2次電池を充電する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
Capacity means for detecting the charge capacity of the secondary battery,
The determination means is generated power at a current density where the required power detected by the power detection means is less than 0.6 A / cm 2, and the required power cannot be covered by the charge capacity detected by the capacity detection means. In the case, it is determined that power generation of the fuel cell is necessary,
The power generation control means controls the power generation of the fuel cell so that the current density becomes 0.6 A / cm 2 or more, and charges the secondary battery with surplus generated power.
更に、
外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備え、
前記発電制御手段は、前記判定手段により前記燃料電池の発電が必要と判定されている際に、前記燃料電池の発電電力が前記電力検出手段の検出した前記要求電力を超えた余剰の発電電力を、電力の充電と放電が可能な2次電池への充電を含む電力消費に回す
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
Furthermore,
Comprising power detection means for detecting required power required for output to an external load;
When the determination means determines that the fuel cell needs to generate power, the power generation control means generates surplus generated power exceeding the required power detected by the power detection means. A fuel cell system that can be used for power consumption, including charging secondary batteries that can be charged and discharged.
更に、
外部の負荷への出力が要求される要求電力を検出する電力検出手段を備え、
前記燃料電池は、複数の電池ユニットの集合体として構成されて、各電池ユニットごとに発電すると共に、各電池ユニットごとの発電電力を集電し、
前記供給系は、前記電池ユニットごとに前記燃料と前記酸化剤とを供給し、
前記判定手段は、前記発電制御手段による前記燃料電池の前記電池ユニットごとの発電要否を、前記電力検出手段の検出した前記要求電力に応じて判定し、
前記発電制御手段は、前記電池ユニットごとに前記供給系での前記供給状況を制御して、前記電池ユニットごとの発電を制御し前記集電された発電電力を出力する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
Furthermore,
Comprising power detection means for detecting required power required for output to an external load;
The fuel cell is configured as an assembly of a plurality of battery units, and generates power for each battery unit, and collects generated power for each battery unit,
The supply system supplies the fuel and the oxidant for each battery unit,
The determination means determines whether the power generation control means requires power generation for each battery unit of the fuel cell according to the required power detected by the power detection means,
The power generation control means controls the supply status in the supply system for each battery unit, controls power generation for each battery unit, and outputs the collected generated power.
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---|---|---|---|---|
JP2012084245A (en) * | 2010-10-07 | 2012-04-26 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and determination method for fuel cell system |
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-
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JP2012084245A (en) * | 2010-10-07 | 2012-04-26 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and determination method for fuel cell system |
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