JP2018156747A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電する。燃料電池は、例えば燃料電池自動車(FCV:Fuel Cell Vehicle)に搭載されて車載電源システムとして機能する。 The fuel cell generates power by chemically reacting hydrogen of fuel and oxygen in the air. The fuel cell is mounted on, for example, a fuel cell vehicle (FCV) and functions as an in-vehicle power supply system.
燃料電池は、時間の経過とともに化学反応を促進する白金触媒が酸化し、その酸化物が白金触媒の表面に蓄積されることで発電性能が低下する(この状態を触媒の被毒とも称する)。このため、燃料電池システムは、酸素及び水素の一方の供給量を低下させることにより燃料電池のセル電圧を一時的に低下させる。これにより、酸化物が還元されるため、燃料電池の発電性能が回復する。なお、このように発電性能を回復させる動作を、以下の説明では「リフレッシュ制御」と称する。下記特許文献1では、触媒の表面に蓄積される酸化物の状況に応じて、当該酸化物を除去するリフレッシュ制御を行い、燃料電池の出力を回復させている。 In a fuel cell, a platinum catalyst that promotes a chemical reaction is oxidized with the passage of time, and the power generation performance is lowered by the accumulation of the oxide on the surface of the platinum catalyst (this state is also referred to as catalyst poisoning). For this reason, the fuel cell system temporarily reduces the cell voltage of the fuel cell by reducing the supply amount of one of oxygen and hydrogen. Thereby, since the oxide is reduced, the power generation performance of the fuel cell is restored. The operation for restoring the power generation performance in this way is referred to as “refresh control” in the following description. In Patent Document 1 below, refresh control for removing the oxide is performed according to the state of oxide accumulated on the surface of the catalyst, and the output of the fuel cell is recovered.
ところで、燃料電池の発熱量は、例えば高負荷要求時に特に増加する。上記のリフレッシュ制御は燃料電池のセル電圧を一時的に低下させるものであるので、このリフレッシュ制御を例えば高負荷要求時に行うことで燃料電池の発熱量を低減させるという考え方がある。しかしながら、上記特許文献1では、酸化物の状況(言い換えれば、被毒の状況)に応じてリフレッシュ制御を行うものであるため、発熱量を低減させるために具体的にどのようにリフレッシュ制御を行うかについては何ら考慮されていなかった。 By the way, the calorific value of the fuel cell increases particularly when a high load is required, for example. Since the above refresh control temporarily reduces the cell voltage of the fuel cell, there is a concept of reducing the amount of heat generated by the fuel cell by performing this refresh control, for example, when a high load is required. However, in Patent Document 1, refresh control is performed according to the state of oxides (in other words, the state of poisoning), so how to specifically perform refresh control in order to reduce the amount of heat generation. It was not considered at all.
そこで、本発明は、燃料電池の発熱量を効果的に低減させながら発電性能を回復させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can restore power generation performance while effectively reducing the amount of heat generated by the fuel cell.
本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の温度を測定する温度センサと、燃料電池の電圧を還元電位まで低下させることで燃料電池の発電性能を回復させるリフレッシュ制御を実行する制御部と、を備え、制御部は、温度センサにより検知される温度が所定値以上である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を実行する。 A fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving supply of an oxidizing gas and a fuel gas, and a temperature sensor that measures the temperature of the fuel cell, and a voltage of the fuel cell is reduced. And a control unit that performs refresh control to restore the power generation performance of the fuel cell by lowering the potential to a potential, and the control unit is formed in the catalyst layer when the temperature detected by the temperature sensor is equal to or higher than a predetermined value. Refresh control is executed regardless of the state of the oxide film.
かかる構成によれば、燃料電池の温度が所定値以上(例えば90℃以上)である場合には、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を行うため、リフレッシュ制御を利用して燃料電池の発熱量を効果的に低減させることができる。これにより、燃料電池で生じた熱を放熱するための装置を追加、大型化することなくリフレッシュ制御により燃料電池の発熱量を低減させることができ、発電性能を回復させることができる。 According to this configuration, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined value (for example, 90 ° C. or higher), refresh control is performed regardless of the state of the oxide film formed on the catalyst layer. Thus, the amount of heat generated by the fuel cell can be effectively reduced. As a result, the amount of heat generated by the fuel cell can be reduced by refresh control without adding and increasing the size of the device for radiating the heat generated in the fuel cell, and the power generation performance can be recovered.
本発明によれば、燃料電池の発熱量を効果的に低減させながら発電性能を回復させることができる燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can recover electric power generation performance can be provided, reducing the emitted-heat amount of a fuel cell effectively.
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely an example, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.
図1は本実施形態に係る燃料電池システム100を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
FIG. 1 is a schematic configuration of a vehicle equipped with a
燃料電池40は、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて化学反応することにより発電して電力を発生する。燃料電池40は、MEAなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池40の実運転動作点における出力電圧(以下、FC電圧)及び出力電流(以下、FC電流)は、それぞれ電圧センサ140及び電流センサ150によって検出される。燃料電池40の燃料極(アノード)には、燃料ガス供給源10から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極(カソード)には、酸化ガス供給源70から空気などの酸化ガスが供給される。単セルを多数積層してなる燃料電池40では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池40全体としては(3)式の起電反応が生じる。
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
The
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
なお、アノード極は、白金系の金属触媒(Pt,Pt−Fe,Pt−Cr,Pt−Ni,Pt−Ruなど)を担持するカーボン粉末を主成分とし高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層と、を有する。同様に、カソード極は、触媒層とガス拡散層とを有する。高分子電解質膜は、固体高分子材料、例えば、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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜、アノード極、及びカソード極によって膜電極接合体が形成される。 The anode electrode has a catalyst layer mainly composed of carbon powder supporting a platinum-based metal catalyst (Pt, Pt—Fe, Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Ru, etc.), and is in contact with the polymer electrolyte membrane; A gas diffusion layer formed on the surface of the catalyst layer and having both air permeability and electronic conductivity. Similarly, the cathode electrode has a catalyst layer and a gas diffusion layer. The polymer electrolyte membrane is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluororesin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. A membrane electrode assembly is formed by the polymer electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode.
燃料ガス供給源10は、例えば水素タンク、インジェクタ及び様々な弁等を含んで構成され、弁開度やON/OFF時間などを調整することにより、燃料電池40に供給する燃料ガス量を制御する。
The fuel
酸化ガス供給源70は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池40に供給する酸化ガス量を調整する。
The oxidizing
バッテリ60は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ60の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器(例えばキャパシタ)を設けても良い。このバッテリ60と燃料電池40とはトラクションモータ用のインバータ110に並列接続されており、バッテリ60とインバータ110の間にはDC/DCコンバータ130が設けられている。
The
インバータ110は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御装置80から与えられる制御指令に応じて燃料電池40またはバッテリ60から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ115へ供給する。トラクションモータ115は、車輪116L、116Rを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ110によって制御される。
The
DC/DCコンバータ130は、例えば4つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路(いずれも図示略)によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。DC/DCコンバータ130は、バッテリ60から入力されたDC電圧を昇圧または降圧して燃料電池40側に出力する機能、燃料電池40などから入力されたDC電圧を昇圧または降圧してバッテリ60側に出力する機能を備えている。また、DC/DCコンバータ130の機能により、バッテリ60の充放電が実現される。
The DC /
バッテリ60とDC/DCコンバータ130の間には、車両補機やFC補機などの補機類120が接続されている。バッテリ60は、これら補機類120の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器(照明機器、空調機器、油圧ポンプなど)をいい、FC補機とは、燃料電池40の運転に使用される種々の電力機器(燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど)をいう。
An
制御装置80は、CPU、ROM、RAMなどにより構成され、FC電圧を検出する電圧センサ140や、FC電流を検出する電流センサ150、燃料電池40の温度を検出する温度センサ50、バッテリ60の充電状態を検出するSOCセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき、当該システム各部を中枢的に制御する。なお、温度センサ50は、燃料電池出口の温度を測定する。
The
ところで、燃料電池40の電解質膜の表面には、化学反応を促進する白金触媒が塗布されている。白金触媒は発電により酸化し、その酸化物が白金触媒の表面に蓄積されることで燃料電池40の発電性能は低下する。このため、制御装置80は、発電性能を回復するリフレッシュ制御を実行する。リフレッシュ制御では、制御装置80は、酸化ガス及び水素ガスの一方の供給量を低下させることにより燃料電池40のセル電圧を一時的に低下(例えば0.6(V)以下)させる。これにより、酸化物が還元されるため、燃料電池の発電性能が回復する。
By the way, a platinum catalyst that promotes a chemical reaction is applied to the surface of the electrolyte membrane of the
こうしたリフレッシュ制御を例えば高負荷要求時に実行するように制御する例がある。すなわち、燃料電池40を車両に搭載した場合、例えば高負荷要求時には燃料電池の発熱量が大きくなるので、上記したリフレッシュ制御を実行して燃料電池のセル電圧を一時的に低下させて発熱量を低下させるように制御することが考えられる。しかしながら、車両において高負荷要求時は過渡的なものが多く、必要以上にリフレッシュ制御を行うことで燃料電池の劣化を促進させるおそれがある。このように、高負荷要求時に常にリフレッシュ制御を実行することで燃料電池の劣化が促進するという問題が生じる可能性があるので、本実施形態では以下のようにリフレッシュ制御を実行する。
There is an example in which such refresh control is performed, for example, when a high load is requested. That is, when the
図2は、本実施形態での燃料電池システムで実行されるリフレッシュ制御の一例を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of refresh control executed in the fuel cell system according to the present embodiment.
まず、ステップS10では、酸化ガス及び水素ガスを燃料電池40に供給して電気化学反応により発電を開始、つまり、定常の通常発電を行う。
First, in step S10, oxidizing gas and hydrogen gas are supplied to the
次いで、ステップS20では、燃料電池40の温度を検出する温度センサ50により検知される温度が所定値(例えば90℃)以上であるか否かを判定する。燃料電池40の温度が所定値以上であれば(ステップS20(YES))、ステップS30に移行する。一方で、燃料電池40の温度が所定値未満であれば(ステップS20(NO))、ステップS25に移行する。
Next, in step S20, it is determined whether or not the temperature detected by the
ステップS25では、触媒層に形成される酸化膜の状況(被毒の状況)を判定し、その状況に応じてリフレッシュ制御を実行する必要があるか否かを判定する。酸化膜の状況としては、例えば触媒層に形成された酸化膜の量(推定量)が所定値以上であるか等を基準とすることが挙げられる。触媒層に形成された酸化膜の状況によりリフレッシュ制御を実行する必要がないと判定した場合には(ステップS25(NO))、ステップS10に戻りステップS10以降の処理を繰り返す。一方で、触媒層に形成された酸化膜の状況によりリフレッシュ制御を実行する必要があると判定した場合には(ステップS25(YES))、ステップS40に移行して後述するリフレッシュ制御を実行する。 In step S25, the state of the oxide film formed on the catalyst layer (poisoning state) is determined, and it is determined whether or not refresh control needs to be executed in accordance with the state. As a situation of the oxide film, for example, it may be based on whether the amount (estimated amount) of the oxide film formed on the catalyst layer is a predetermined value or more. When it is determined that it is not necessary to execute the refresh control depending on the state of the oxide film formed on the catalyst layer (step S25 (NO)), the process returns to step S10 and the processes after step S10 are repeated. On the other hand, when it is determined that the refresh control needs to be executed depending on the state of the oxide film formed on the catalyst layer (step S25 (YES)), the process proceeds to step S40 and the later-described refresh control is executed.
ステップS20(YES)に続くステップS30では、前回実行したリフレッシュ制御(後述のステップS40)から規定時間が経過したか否かを判定する。規定時間としては、任意の時間に設定することができるが、例えば、リフレッシュ制御を実行したとしても燃料電池の劣化を促進させないようにする観点から、触媒に酸化被膜が再度付着する反応時間を目安に設定をする。この規定時間が経過していなければ、ステップS10に戻り規定時間が経過したと判定されるまでステップS10以降の処理を繰り返す。一方で、前回実行したリフレッシュ制御から規定時間が経過したと判定された場合には、ステップS40に移行する。 In step S30 following step S20 (YES), it is determined whether or not a specified time has elapsed since the previously executed refresh control (step S40 described later). The specified time can be set to any time, but for example, from the viewpoint of not promoting the deterioration of the fuel cell even when refresh control is executed, the reaction time for re-deposition of the oxide film on the catalyst is a guide. Set to. If this specified time has not elapsed, the process returns to step S10 and the processes in and after step S10 are repeated until it is determined that the specified time has elapsed. On the other hand, if it is determined that the specified time has elapsed since the last executed refresh control, the process proceeds to step S40.
ステップS40では、リフレッシュ制御を実行する。リフレッシュ制御としては、例えば燃料電池40への酸化ガス供給を制御、或いは、放電装置の掃引電流を制御することで燃料電池40の電圧を還元電位まで低下させる。例えば、供給する酸化ガスの供給を意図的に削減することや、瞬間的に掃引電流を増加させることで還元電位まで低下させる。リフレッシュ制御の実行後は、ステップS10に戻り既述したステップS10以降の処理を繰り返す。このように本実施形態では、燃料電池40の温度が所定値以上である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を実行する。
In step S40, refresh control is executed. As the refresh control, for example, the supply of the oxidizing gas to the
リフレッシュ制御を実行することにより、電流−電圧特性が向上すること、及び、燃料電池の発熱量が低下することを図3、図4を参照しながら説明する。図3は、リフレッシュ前後における電流−電圧特性を説明するためのグラフであり、図4は、リフレッシュ前後における電流−発熱量の関係を説明するためのグラフである。図3において、横軸は、電流を示し、縦軸は燃料電池40のセル電圧を示す。なお、セル電圧とは、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単体の電圧を示す。図4において横軸は電流を示し、縦軸は燃料電池40の発熱量を示す。
It will be described with reference to FIG. 3 and FIG. 4 that the current-voltage characteristics are improved and the heat generation amount of the fuel cell is reduced by executing the refresh control. FIG. 3 is a graph for explaining current-voltage characteristics before and after refresh, and FIG. 4 is a graph for explaining the relationship between current and heat generation before and after refresh. In FIG. 3, the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents the cell voltage of the
セル電圧は、白金触媒の酸化物の蓄積のため、使用時間の経過に伴って低下するが、リフレッシュ制御を実行することにより増加する(図3に示すA→A´)。つまり、電圧−電流特性が向上し、同じ燃料電池の出力の動作点がA→A´へ移動する。すると、図4に示す発熱量−電流特性上で動作点がB→B´へ移動し、燃料電池の発熱量が低下する。発熱量が低下することで、小型の放熱装置においても制御狙いの水温が実現できるようになり(偏差が小さくなり)、掃引できる電流(出力)が増加する。 The cell voltage decreases as the usage time elapses due to the accumulation of the oxide of the platinum catalyst, but increases when the refresh control is executed (A → A ′ shown in FIG. 3). That is, the voltage-current characteristic is improved, and the operating point of the output of the same fuel cell moves from A to A ′. Then, the operating point moves from B to B ′ on the heat generation amount-current characteristic shown in FIG. 4, and the heat generation amount of the fuel cell decreases. By reducing the amount of heat generation, a water temperature targeted for control can be realized even in a small heat radiating device (deviation becomes small), and the current (output) that can be swept increases.
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池の温度が所定値以上(例えば90℃以上)である場合に、触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらずリフレッシュ制御を行うことにより、リフレッシュ制御を利用して燃料電池の発熱量を効果的に低減させることができる。これにより、燃料電池で発生した熱を放熱するための装置を追加、大型化することなく燃料電池システムの発熱量を低減させることができる。また本実施形態によれば、前回実行したリフレッシュ制御から規定時間が経過したか否かを条件としてリフレッシュ制御を実行するので、必要以上にリフレッシュ制御を実行することが制限され、そのような制限なくリフレッシュ制御を実行する構成と比較して燃料電池の劣化が促進することを抑制することができる。 According to the embodiment described above, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined value (for example, 90 ° C. or higher), refresh control is performed regardless of the state of the oxide film formed on the catalyst layer. The amount of heat generated by the fuel cell can be effectively reduced using the control. Thereby, the calorific value of a fuel cell system can be reduced, without adding the apparatus for radiating the heat which generate | occur | produced in the fuel cell, and enlarging. In addition, according to the present embodiment, the refresh control is executed on the condition that the specified time has passed since the refresh control executed last time. Therefore, it is limited to execute the refresh control more than necessary, and there is no such limitation. It is possible to suppress the deterioration of the fuel cell from being promoted as compared with the configuration in which the refresh control is executed.
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention. Each element included in the embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. In addition, the structures shown in different embodiments can be partially replaced or combined.
10…燃料ガス供給源
40…燃料電池
50…温度センサ
60…バッテリ
70…酸化ガス供給源
80…制御装置
100…燃料電池システム
110…インバータ
115…トラクションモータ
120…補機類
130…コンバータ
140…電圧センサ
150…電流センサ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
前記燃料電池の電圧を還元電位まで低下させることで前記燃料電池の発電性能を回復させるリフレッシュ制御を実行する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記温度センサにより検知される温度が所定値以上である場合に、前記触媒層に形成される酸化膜の状況にかかわらず前記リフレッシュ制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell including a membrane electrode assembly in which electrodes having a catalyst layer are arranged on both surfaces of a polymer electrolyte membrane,
A temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell;
A control unit that performs refresh control to recover the power generation performance of the fuel cell by lowering the voltage of the fuel cell to a reduction potential; and
The control unit performs the refresh control regardless of a state of an oxide film formed on the catalyst layer when the temperature detected by the temperature sensor is equal to or higher than a predetermined value. .
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