JP2012089448A - 燃料電池の劣化判定システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の触媒電極を有する燃料電池の劣化判定システムは、燃料電池の出力電圧を予め定められた降下パターンで降下制御することにより、出力電圧が降下している際に発生する電流を積算した電気量を測定する第1の測定処理を実行することが可能な測定部と、測定した電気量と、あらかじめ設定されている電気量の基準値とを比較して、触媒電極の触媒の劣化に応じた電気量の変化および触媒を担持する担体の劣化に応じた電気量の変化を求めることにより、触媒と担体のいずれが劣化しているかを判定する劣化判定部と、を備える。
【選択図】図3
Description
触媒電極を有する燃料電池の劣化判定システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を予め定められた降下パターンで降下制御することにより、前記出力電圧が降下している際に発生する電流を積算した電気量を測定する第1の測定処理を実行することが可能な測定部と、
測定した電気量と、あらかじめ設定されている電気量の基準値とを比較して、前記触媒電極の触媒の劣化に応じた電気量の変化および前記触媒を担持する担体の劣化に応じた電気量の変化を求めることにより、前記触媒と前記担体のいずれが劣化しているかを判定する劣化判定部と、
を備えることを特徴とする劣化判定システム。
上記構成によれば、燃料電池の不具合部位を特定して検知することができる。具体的には、触媒電極の劣化として、触媒が劣化しているのか担体が劣化しているのかを判定することができる。また、電気量の変化から劣化の度合い、すなわち、不具合の度合いを検知することができる。
適用例1記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記燃料電池のカソードに対してエアブローを実行した後で、前記第1の測定処理を実行し、
前記劣化判定部は、前記担体の劣化の判定のための前記電気量の基準値である担体用基準値と前記測定した電気量とを比較し、前記担体用基準値よりも前記測定した電気量が減少している場合には、前記担体に劣化があると判定する
ことを特徴とする劣化判定システム。
上記構成によれば、燃料電池のカソードに対してエアブローを実行することにより、触媒の劣化の有無に関わらず、担体の劣化に応じた電気量の変化のみを測定することができるので、担体の劣化およびその度合いを検知することが可能となる。
適用例2記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記劣化判定部による前記担体の劣化の判定後において、
前記測定部は、前記第1の測定処理を実行し、
前記劣化判定部は、前記触媒のみの劣化の判定のための前記電気量の基準値である触媒用基準値と前記測定した電気量とを比較し、前記触媒用基準値よりも前記測定した電気量が減少している場合には、前記触媒に劣化があると判定する
ことを特徴とする劣化判定システム。
上記構成によれば、触媒のみの劣化およびその度合いを検知することが可能となる。
適用例3記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記燃料電池へ供給するエアストイキを理論値よりも少ない所定値に低減した環境下で、前記第1の測定処理を実行する
ことを特徴とする劣化判定システム。
上記構成によれば、触媒の劣化に応じた電気量の変化をより容易に求めることができるので、触媒の劣化およびその度合いをより容易に検知することが可能となる。
適用例1ないし適用例4のいずれか一つに記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記出力電圧の降下制御時における所定の電圧において発生する電流もしくは発生する電流値のピークにおける電圧の少なくとも1つを前記電気量に対応するパラメータとして測定する第2の測定処理を実行することが可能であり、
前記劣化判定部は、前記電気量の基準値に対応する前記パラメータの基準値として、あらかじめ設定されたパラメータ用基準値を用いる
ことを特徴とする劣化判定システム。
上記構成によれば、発生する電流を積算した電気量の測定が困難な場合においても簡易的に劣化の判定を行うことができる。
適用例1記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記燃料電池のインピーダンスもしくは前記燃料電池に供給された冷媒温度を測定することが可能であり、
前記劣化判定部は、測定したインピーダンスがあらかじめ設定されているインピーダンスダンス用基準値以上の場合もしくは測定した冷媒温度があらかじめ設定されている冷媒温度用基準値以上の場合において、前記触媒もしくは前記担体が劣化していると判定した場合には、前記触媒電極に乾燥部位があると判定する
ことを特徴とする劣化判定システム。
上記構成によれば、触媒電極に乾燥部位があることを判定することができ、電気量の変化から乾燥の度合いを検知することが可能となる。
A.劣化状態判定の基本概念:
B.劣化状態判定を実行する燃料電池システムの構成例:
C.第1実施例:
D.第2実施例:
E.第3実施例:
F.第4実施例:
G.第5実施例:
H.第6実施例:
I.変形例:
図1は、本発明の燃料電池の劣化状態判定の基本概念について示す説明図である。従来から、燃料電池の触媒電極において、触媒(例えばPt)を担持する触媒担体(例えばC)上には、電気二重層が形成されることが知られている。そして、この電気二重層は、図に示すように、燃料電池の出力電圧をあらかじめ定められた降下パターンで電圧降下させる走査制御(以下、「電圧降下走査制御」とも呼ぶ)を行ったときに発生した電流の積算値である電気量として検出されることがわかっている。
図2は、第1実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム10は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
図3は、燃料電池の劣化状態判定制御の手順を示すフローチャートである。この劣化状態判定制御は、燃料電池100の動作条件を同じとして、判定条件を同じとするために、燃料電池システム10の環境条件として同じ条件が設定される状態、例えば、燃料電池システム10の起動時等において、制御部600によって実行されるものとする。本例では、燃料電池システムの起動時において実行されるものとする。
図9は、第2実施例として触媒劣化判定制御の他の手順を示すフローチャートである。この触媒劣化判定制御は、図7に示した触媒劣化判定制御のステップS202,S204が、ステップS201,S202b,S204bに置き換えられている点が異なっており、他のステップは同じである。
図10は、第3実施例として触媒担体劣化判定制御の別の手順を示すフローチャートである。この触媒担体劣化判定制御は、図4に示した触媒担体劣化判定制御のステップS102,S106,S108が、ステップS102c,S106c,S108cに置き換えられている点が異なっており、他のステップは同じである。
図11は、第4実施例として触媒劣化判定制御の別の手順を示すフローチャートである。この触媒劣化判定制御は、図7に示した触媒劣化判定制御のステップS202,S206,S208が、ステップS202c,S206c,S208cに置き換えられている点が異なっており、他のステップは同じである。
電気量は電流の積算値であり、ある電圧値における電流値も触媒の劣化を反映するものであると考えられる。そこで、本制御においても、以下で説明するように、電圧降下走査制御において、電気量を測定するのではなく、ある電圧値における電流値を測定し、劣化判定のための基準値(以下、「触媒用電流基準値」と呼ぶ)と比較することにより、劣化の判定をするものである。
燃料電池の乾燥状態が進むと、その乾燥度合いに応じて、電圧降下走査制御時において発生する電気量が減少する。これは、燃料電池の乾燥状態の度合いに応じて、触媒電極の触媒担体と触媒のいずれかにおける電気二重層の形成が減少して、これに対応する電気量が減少し、上記第1実施例〜第4実施例で説明した触媒電極の触媒担体あるいは触媒の劣化状態と同様の状態となると考えられる。そこで、以下で説明するように、電圧降下走査制御時において発生する電気量を利用して、燃料電池の乾燥状態判定およびその度合いに対応する対策制御を実行することができる。
燃料電池の湿潤状態が進み過加湿状態となると、その過加湿の度合いに応じて、電圧降下走査制御時において発生する電気量が増加する。これは、燃料電池の過加湿の度合いに応じて、例えば、触媒電極の反応に寄与しない触媒が増加し、電気二重層の形成が増加して、これに対応する電気量が増加するためと考えられる。そこで、以下で説明するように、電圧降下走査制御時において発生する電気量を利用して、燃料電池の過加湿状態およびその度合いに対応する対策制御を実行することができる。
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る。
第1実施例における劣化判定制御は、図3に示したように、図4に示した触媒担体劣化判定制御と図7に示した触媒劣化制御を連続して順に実行する場合を例に説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池のある起動時に触媒担体劣化判定制御を行い、次の起動時に触媒劣化判定制御を行うようにしてもよい。すなわち、時間的には必ずしも連続して行う必要はなく、触媒担体劣化判定制御の後、触媒劣化判定制御を行うようにすればよい。
第3実施例では、触媒担体の劣化を反映するものとして、電気量の代わりにある電圧値における電流値を用いた場合を示しており、第4実施例では、触媒劣化を反映するものとして、電気量の代わりにある電圧値における電流値を用いた場合を示しているが、電気量の代わりに、発生する電流のピーク値における電圧の値を用いてもよい。この場合においても、同様に、簡単に触媒担体劣化判定およびその度合いに応じた対策制御や、触媒劣化判定およびその度合いに応じた対策制御を実行することが可能である。
なお、第5実施例では、インピーダンスを測定し、インピーダンス用基準値と比較することにより、乾燥状態にあるか否か判断しており、また、第6実施例では、インピーダンスを測定し、インピーダンス用基準値と比較することにより、過加湿状態にあるか否か判断しているが、冷媒温度を測定し、冷媒温度用基準値と測定冷媒温度とを比較して、冷媒温度用基準値以上である場合に乾燥状態にあると判断し、あるいは、過加湿状態にあると判断するようにしてもよい。この場合には、交流インピーダンス法によるインピーダンス測定を実行するための手段が不要となり、システムの簡素化に有利である。
上記実施例では、車両に搭載される燃料電池システムを例に示しているが、車両のみならず、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
100…燃料電池
200…アノードガス供給系
210…水素ガスタンク
220…アノードガス供給流路
222…開閉バルブ
224…レギュレータ
226…水素供給部
230…アノードガス循環流路
232…水素ガスポンプ
234…気液分離部
236…排気排水バルブ
238…排出流路
300…カソードガス供給系
310…吸気口
320…コンプレッサ
330…カソードガス供給流路
340…カソードオフガス排出流路
342…背圧調整バルブ
350…排気口
360…加湿部
400…冷却系
410…冷却部
420…冷媒供給流路
430…冷媒排出流路
500…電力制御系
510…二次電池
520…二次電池制御部
530…モータ
540…出力制御部
600…制御装置
600…制御部
V…電圧センサ
A…電流センサ
Pa…圧力センサ
Fa…流量センサ
Fc…流量センサ
Pc…圧力センサ
Ti…温度センサ
To…温度センサ
Claims (6)
- 触媒電極を有する燃料電池の劣化判定システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を予め定められた降下パターンで降下制御することにより、前記出力電圧が降下している際に発生する電流を積算した電気量を測定する第1の測定処理を実行することが可能な測定部と、
測定した電気量と、あらかじめ設定されている電気量の基準値とを比較して、前記触媒電極の触媒の劣化に応じた電気量の変化および前記触媒を担持する担体の劣化に応じた電気量の変化を求めることにより、前記触媒と前記担体のいずれが劣化しているかを判定する劣化判定部と、
を備えることを特徴とする劣化判定システム。 - 請求項1記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記燃料電池のカソードに対してエアブローを実行した後で、前記第1の測定処理を実行し、
前記劣化判定部は、前記担体の劣化の判定のための前記電気量の基準値である担体用基準値と前記測定した電気量とを比較し、前記担体用基準値よりも前記測定した電気量が減少している場合には、前記担体に劣化があると判定する
ことを特徴とする劣化判定システム。 - 請求項2記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記劣化判定部による前記担体の劣化の判定後において、
前記測定部は、前記第1の測定処理を実行し、
前記劣化判定部は、前記触媒のみの劣化の判定のための前記電気量の基準値である触媒用基準値と前記測定した電気量とを比較し、前記触媒用基準値よりも前記測定した電気量が減少している場合には、前記触媒に劣化があると判定する
ことを特徴とする劣化判定システム。 - 請求項3記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記燃料電池へ供給するエアストイキを理論値よりも少ない所定値に低減した環境下で、前記第1の測定処理を実行する
ことを特徴とする劣化判定システム。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記出力電圧の降下制御時における所定の電圧において発生する電流もしくは発生する電流値のピークにおける電圧の少なくとも1つを前記電気量に対応するパラメータとして測定する第2の測定処理を実行することが可能であり、
前記劣化判定部は、前記電気量の基準値に対応する前記パラメータの基準値として、あらかじめ設定されたパラメータ用基準値を用いる
ことを特徴とする劣化判定システム。 - 請求項1記載の燃料電池の劣化判定システムであって、
前記測定部は、前記燃料電池のインピーダンスもしくは前記燃料電池に供給された冷媒温度を測定することが可能であり、
前記劣化判定部は、測定したインピーダンスがあらかじめ設定されているインピーダンスダンス用基準値以上の場合もしくは測定した冷媒温度があらかじめ設定されている冷媒温度用基準値以上の場合において、前記触媒もしくは前記担体が劣化していると判定した場合には、前記触媒電極に乾燥部位があると判定する
ことを特徴とする劣化判定システム。
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