JP2022159764A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】より簡便に過酸化水素の発生率を推定できる燃料電池システムの制御方法を提供することにある。【解決手段】本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池セルの所定の電流密度での発電電圧を測定する測定工程と、上記燃料電池セルの上記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係から、上記測定工程で測定した上記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する第１算出工程と、上記燃料電池セルの電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係から、上記第１算出工程で算出した上記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する第２算出工程と、を備えることを特徴とする。【選択図】図３
Description
本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料電池では、発電時において、主反応（２Ｈ＋＋２ｅ－＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ）の他に副反応（２Ｈ＋＋Ｏ２＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ２）が生じる。副反応で生成する過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assemblies）に不純物として流入したＦｅと反応することで、ラジカルが生成する。ラジカルが電解質膜を攻撃することで電解質材料が破壊される。その結果、プロトン（Ｈ＋）の伝導性の低下による性能の低下が起きることがある。さらに、電解質材料が過度に破壊される結果、電解質膜に穴が開き、水素がアノードからカソードに漏れ出し、燃費の低下が起きることもある。最も好ましくないケースでは、車両が走行停止に至ることもある。これらの問題を回避するために、種々の発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、Ｔｉ（ＳＯ４）２を電解質材料に予め添加しておくことにより、過酸化水素を補足、錯体化し、燃料電池セルから取り除くという手段が記載されている。また、特許文献２には、電解質膜の縁部で表面を電極で被覆されていない部位をシール部材によって被覆し、シール部材の少なくとも電解質膜を被覆する部分には過酸化物分解触媒を添加するという手段が記載されている。
特許文献１及び２等に記載された手段では、燃料電池セルで過酸化水素が発生した後に、過酸化水素を補足しセルから取り除くか、又は過酸化水素を分解することにより、過酸化水素を無害化している。しかしながら、これらの手段は、いずれも過酸化水素の発生後の対策を講じるものであり、過酸化水素の発生前に対策を講じるものではない。また、過酸化水素を無害化するために特殊な添加物をセルに用いる必要があるため、添加によるコスト面や性能面への背反の影響を十分に考慮する必要がある。さらに、過酸化水素が想定以上に発生した場合には、過酸化水素の発生量を外部から診断することができないので、燃料電池の稼働前に添加した添加物の量が過酸化水素を十分に無害化するために必要な量として適正な量であるか否かが不明瞭となる。
これに対し、特許文献３では、燃料電池セルにおいて、１）過酸化水素の発生率は、電極触媒の被毒率が閾値γ未満である場合には軽微であること、及び２）燃料電池セルの電位を高電位及び低電位の間で繰り返し変動させる電位変動運転により電極触媒の被毒率を低減できることという、２つの知見を利用することにより、過酸化水素の発生自体を抑制する燃料電池システムの制御方法が記載されている。この方法では、サイクリックボルタンメトリーにより得られる還元波及び酸化波の曲線から電極触媒の被毒率を見積り、電極触媒の被毒率が閾値以上である場合には過酸化水素の発生率が規定値以上となり急激に高くなると推定する。そして、その場合に、燃料電池セルの電位を高電位及び低電位の間で繰り返し変動させる電位変動運転を行い、電極触媒の被毒率を低減することにより、電極触媒の過酸化水素の発生率を低減している。
しかしながら、特許文献３に記載された燃料電池システムの制御方法では、例えば、車両出荷時や車両点検時等に外部測定機を燃料電池セルに接続した上で、外部測定機を使用し、サイクリックボルタンメトリーでの測定により燃料電池セルの電極触媒の被毒率を診断する必要がある。このような被毒率の診断作業は、煩雑であり、特に車両出荷時には面倒な作業となる。このため、より簡便に過酸化水素の発生率を推定する方法が求められている。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より簡便に過酸化水素の発生率を推定できる燃料電池システムの制御方法を提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池セルの所定の電流密度での発電電圧を測定する測定工程と、上記燃料電池セルの上記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係から、上記測定工程で測定した上記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する第１算出工程と、上記燃料電池セルの電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係から、上記第１算出工程で算出した上記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する第２算出工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の燃料電池システムによれば、より簡便に過酸化水素の発生率を推定できる。
上記燃料電池システムにおいては、上記第２算出工程で算出した上記過酸化水素の発生率が規定値α以上である場合に、上記燃料電池セルの電位を高電位及び低電位の間で繰り返し変動させる電位変動運転を行う電位変動運転工程をさらに備えるものでもよい。
本発明によれば、より簡便に過酸化水素の発生率を推定できる。
以下、本発明の燃料電池システムの制御方法に係る実施形態について説明する。
実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池セルの所定の電流密度での発電電圧を測定する測定工程と、上記燃料電池セルの上記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係から、上記測定工程で測定した上記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する第１算出工程と、上記燃料電池セルの電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係から、上記第１算出工程で算出した上記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する第２算出工程と、を備えることを特徴とする。
実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池セルの所定の電流密度での発電電圧を測定する測定工程と、上記燃料電池セルの上記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係から、上記測定工程で測定した上記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する第１算出工程と、上記燃料電池セルの電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係から、上記第１算出工程で算出した上記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する第２算出工程と、を備えることを特徴とする。
最初に、実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の概略について、一実施形態を例示して説明する。
（燃料電池システム）
一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明する前に、当該制御方法を実施する燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を実施する燃料電池システムを示す概略構成図である。
一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明する前に、当該制御方法を実施する燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を実施する燃料電池システムを示す概略構成図である。
図１に示すように、一実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料電池コンバータ２００と、二次電池３００と、二次電池コンバータ４００と、ＤＣ／ＡＣインバータ５００と、駆動モータ６００と、制御部７００とを備えている。
燃料電池システム１０は、燃料電池導線ＥＷ１と、二次電池導線ＥＷ２と、直流導線ＥＷ３とをさらに備えている。燃料電池導線ＥＷ１は、燃料電池１００及び燃料電池コンバータ２００を電気的に接続している。二次電池導線ＥＷ２は、二次電池３００及び二次電池コンバータ４００を電気的に接続している。直流導線ＥＷ３は、燃料電池コンバータ２００及び二次電池コンバータ４００をＤＣ／ＡＣインバータ５００に対して並列に接続している。
燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池であり、直流の電力を発電する。燃料電池１００は、燃料電池セル１１０において外部から供給された水素ガス及び酸素ガスを電気化学反応で反応させることにより発電する。燃料電池１００で発電した電力は、燃料電池導線ＥＷ１を介して、燃料電池コンバータ２００及び二次電池コンバータ４００やＤＣ／ＡＣインバータ５００に入力される。なお、燃料電池システム１０は、図示しないが、外部から燃料電池セル１１０に水素ガスを供給し、水素ガスの供給量を調整できるガス供給部と、外部から燃料電池セル１１０に酸素ガスを供給し、酸素ガスの供給量を調整できるガス供給部とをさらに備えている。
燃料電池１００は、発電の単位モジュールである同一の燃料電池セル１１０が複数積層されたスタック構造を有している。各燃料電池セル１１０は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を有している。各燃料電池セル１１０は、例えば、電解質膜の一方側にアノード電極を、電解質膜の他方側にカソード電極を有している。アノード電極は、アノード側の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傍に電極反応を促進する触媒を含んでいる。カソード電極は、カソード側の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傍に触媒を含んでいる。ここで、「電極触媒」とは、カソード電極の触媒を指す。
燃料電池コンバータ２００は、燃料電池１００から入力される電圧を目標電圧まで昇圧して出力する昇圧型コンバータである。燃料電池コンバータ２００は、直流導線ＥＷ３を介してＤＣ／ＡＣインバータ５００と電気的に接続されている。
二次電池３００は、燃料電池１００とともに燃料電池システム１０の電力源として機能する。二次電池３００は、燃料電池１００で発電した電力を充電する。また、二次電池３００は、充電した電力を駆動モータ６００へ入力する。二次電池３００は、リチウムイオン電池によって構成される。二次電池３００は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池など他の種類の電池であってもよい。
二次電池コンバータ４００は、昇降型のコンバータ装置であり、燃料電池コンバータ２００と類似の構成を有している。二次電池コンバータ４００は、二次電池導線ＥＷ２の電圧を調整し、二次電池３００の充放電を制御する。二次電池コンバータ４００は、燃料電池コンバータ２００の出力電力が目標に対して不足する場合には、二次電池３００に放電させる。一方、二次電池コンバータ４００は、駆動モータ６００で回生電力が発生する場合には、二次電池３００に回生電力を充電させる。なお、二次電池コンバータ４００は、燃料電池コンバータ２００とは異なる構成を有していてもよい。
ＤＣ／ＡＣインバータ５００は、燃料電池１００及び二次電池３００から直流導線ＥＷ３を介して直流で供給される電力を三相交流の電力に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ５００は、交流導線を介して駆動モータ６００と電気的に接続し、三相交流電力を駆動モータ６００に供給する。また、ＤＣ／ＡＣインバータ５００は、制御部７００からの指示により、駆動モータ６００で発生した回生電力を、直流電力に変換した上で、直流導線ＥＷ３を介して二次電池３００に入力する。
駆動モータ６００は、燃料電池システム１０の主動力源を構成している。駆動モータ６００は、ＤＣ／ＡＣインバータ５００から供給される三相交流電力を回転動力に変換する電動機である。
燃料電池システム１０は、第１電圧測定部ＶＭ１と、電流測定部ＩＭと、第２電圧測定部ＶＭ２とをさらに備えている。第１電圧測定部ＶＭ１及び電流測定部ＩＭは、燃料電池導線ＥＷ１に設置されている。第２電圧測定部ＶＭ２は、直流導線ＥＷ３に設置されている。第１電圧測定部ＶＭ１は、燃料電池１００の出力電圧を測定し、測定した出力電圧を信号で制御部７００に入力する。電流測定部ＩＭは、燃料電池１００の出力電流を測定し、測定した出力電流を信号で制御部７００に入力する。第２電圧測定部ＶＭ２は、燃料電池コンバータ２００の出力電圧を測定し、測定した出力電圧を信号で制御部７００に入力する。
制御部７００は、燃料電池システム１０の各構成要素を制御する。制御部７００は、燃料電池システム１０の各構成要素を制御する機能部としての被毒対策処理部７１０を有している。後述する燃料電池システムの制御方法において、制御部７００の被毒対策処理部７１０は、燃料電池１００の出力電圧に基づいて、電極触媒の被毒率を算出する。被毒対策処理部７１０は、算出した電極触媒の被毒率に基づいて、過酸化水素の発生率を算出する。被毒対策処理部７１０は、算出した過酸化水素の発生率に基づいて、電位変動運転を行うかどうかを決めるための判定を行う。被毒対策処理部７１０は、その判定の結果次第で、燃料電池１００の出力電圧及び出力電流に基づいて、電位変動運転を行う。
（燃料電池セルの電極触媒の被毒率）
続いて、一実施形態に係る燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率について説明する。図２は、一実施形態に係る燃料電池セルの電極触媒の被毒率を説明するグラフである。
続いて、一実施形態に係る燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率について説明する。図２は、一実施形態に係る燃料電池セルの電極触媒の被毒率を説明するグラフである。
図２には、サイクリックボルタンメトリーでの測定により燃料電池セルの電位を掃引した状態の電流密度の変化が示されている。図２において、Ｌａ１及びＬａ２は、燃料電池セル１１０の電極触媒が有機物等の被毒原因物質により被毒している状態の電流密度を示す曲線であり、Ｌａ１は、燃料電池セル１１０の電位を高電位から低電位に掃引すると生じる還元波を示し、Ｌａ２は、燃料電池セル１１０の電位を低電位から高電位に掃引すると生じる酸化波を示す。一方、Ｌｂ１及びＬｂ２は、燃料電池セル１１０の電極触媒が被毒していない状態の電流密度を示す曲線であり、Ｌｂ１は、燃料電池セル１１０の電位を高電位から低電位に掃引すると生じる還元波を示し、Ｌｂ２は、燃料電池セル１１０の電位を低電位から高電位に掃引すると生じる酸化波を示す。
図２に示すように、Ｌｂ１では、燃料電池セル１１０の電位が０．９Ｖ付近となる時に電流密度が最大となる。電流密度が最大となる時の電位は、燃料電池セル１１０の電極触媒に対する発電に必要な酸素の吸着率が最大となる電位である。燃料電池セル１１０の電極触媒が有機物等の被毒原因物質により被毒している場合、電極触媒への酸素の吸着が阻害される。これにより、Ｌａ１では、燃料電池セル１１０の電位が０．９Ｖとなる時の電流密度がＬｂ１と比較して矢印Ａに示すように減少することになる。燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率は、矢印Ａに示す電流密度の減少量に基づいて見積もることができる。一方、Ｌａ１及びＬｂ１において、燃料電池セル１１０の電位が０．４Ｖ付近となる時に燃料電池セル１１０の電極触媒に対する酸素の吸着率は最小となる。
なお、燃料電池セル１１０の電極触媒が被毒していない状態とは、燃料電池セル１１０の電極触媒が被毒している一状態（後述するように電極触媒の被毒率が７０％となっている状態）から後述する電位変動運転を行った場合において、電位変動をサイクル回数が１００回となるまで繰り返し、燃料電池セル１１０の電位が上記０．９Ｖ付近となる時の電流密度がサーチュレートとした時の状態を指す。
以上のことから、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率については、ＰａをＬａ１における電位が０．９Ｖとなる時の電流密度とし、Ｐａ０をＬａ１における電位が０．４Ｖとなる時の電流密度とし、ＰｂをＬｂ１における電位が０．９Ｖとなる時の電流密度とし、Ｐｂ０をＬｂ１における電位が０．４Ｖとなる時の電流密度とした場合に、式（１）で規定される。
電極触媒の被毒率＝（１－（Ｐａ－Ｐａ０）／（Ｐｂ－Ｐｂ０））×１００ （１）
電極触媒の被毒率＝（１－（Ｐａ－Ｐａ０）／（Ｐｂ－Ｐｂ０））×１００ （１）
Ｐａ０及びＰｂ０は、燃料電池セル１１０の電極触媒自体の特性で定まり、電極触媒の被毒の有無にかかわらず一定となる。また、Ｐｂは、燃料電池セル１１０の電極触媒が被毒していない場合の電流密度であるため一定となる。一方、Ｐａは、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒が進行するのに伴いＰｂに対して減少する。このため、ＰｂからＰｂ０を引いた差分（Ｐｂ－Ｐｂ０）は一定となるのに対して、ＰａからＰａ０を引いた差分（Ｐａ－Ｐａ０）は、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒が進行するのに伴い減少する。従って、式（１）で規定される電極触媒の被毒率は、燃料電池セル１１０の電極触媒が被毒していない状態では、０％となり、電極触媒の被毒が進行するのに伴い高くなる。
なお、Ｐａ及びＰｂとしては、電極触媒の被毒率を規定できる電流密度であれば特に限定されず、それぞれＬａ１及びＬｂ１における電位が上記０．９Ｖ付近となる時の電流密度でよいので、電位が０．９Ｖ以外の値（例えば、０．８５Ｖ）となる時の電流密度でもよい。同様に、Ｐａ０及びＰｂ０としては、電極触媒の被毒率を規定できる電流密度であれば特に限定されず、それぞれＬａ１及びＬｂ１における電位が上記０．４Ｖ付近となる時の電流密度でよいので、電位が０．４Ｖ以外の値（例えば、０．３Ｖ）となる時の電流密度でもよい。
（燃料電池システムの制御方法）
続いて、一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。図３は、一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。
続いて、一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。図３は、一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。
一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法では、まず、図３に示すように、インラインにより、燃料電池セル１１０の所定の運転状態における所定の電流密度（例えば、２．０Ａ／ｃｍ２）での発電電圧を測定する（測定工程Ｓ１０）。
具体的には、測定工程Ｓ１０では、制御部７００の被毒対策処理部７１０が、出力要求に応じて、燃料電池システム１０を制御することで燃料電池セル１１０への水素ガス及び酸素ガスの供給量の調整などを行うことにより、電流測定部ＩＭで測定される燃料電池１００の出力電流の電流密度を上記所定の電流密度に掃引し、その時に第１電圧測定部ＶＭ１で測定される燃料電池１００の出力電圧から燃料電池セル１１０の発電電圧を求める。この際、燃料電池セル１１０の発電電圧は、被毒対策処理部７１０が燃料電池１００の出力電圧を燃料電池セル１１０の積層数で割ることで算出される。
次に、図３に示すように、燃料電池セル１１０の上記所定の運転状態における上記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係から、測定工程Ｓ１０で測定した上記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する（第１算出工程Ｓ２０）。
具体的には、制御部７００の被毒対策処理部７１０が、燃料電池セル１１０の上記所定の運転状態における上記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の関係を第１制御用情報として予め記憶している。第１算出工程Ｓ２０では、被毒対策処理部７１０が、第１制御用情報から、測定工程Ｓ１０で測定した上記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する。
ここで、図４は、一実施形態に係る燃料電池セルの所定の運転状態における所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係の例を示すグラフである。図４には、燃料電池セル１１０の相対湿度１６５％ＲＨの運転状態における電流密度０．２Ａ／ｃｍ２及び２．０Ａ／ｃｍ２での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係が示されている。これらの発電電圧及び電極触媒の被毒率の関係は、非常に良い相関を有している。燃料電池セル１１０の所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の関係は、燃料電池セル１１０の材料及び相対湿度や温度並びに燃料電池システム１０の構成等の条件で定まる運転状態に応じて変化する。このため、制御部７００の被毒対策処理部７１０は、運転状態ごとの第１制御用情報（燃料電池セル１１０の所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の関係）を予め記憶させておくことにより、運転状態に応じて、適宜、第１制御用情報を選択して用いることができる。
次に、図３に示すように、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率及び過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）の発生率の予め定められた関係から、第１算出工程Ｓ２０で算出した上記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する（第２算出工程Ｓ３０）。
具体的には、制御部７００の被毒対策処理部７１０が、燃料電池セル１１０の上記所定の運転状態における上記所定の電流密度での電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の関係を第２制御用情報として予め記憶している。第２算出工程Ｓ３０では、被毒対策処理部７１０が、第２制御用情報から、第１算出工程Ｓ２０で算出した上記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する。
なお、「過酸化水素の発生率」とは、発電で発生する水の発生量［ｍｏｌ］と過酸化水素の発生量［ｍｏｌ］の和を過酸化水素の発生量［ｍｏｌ］で割った商に１００を掛けた値［％］を指す。
ここで、図５は、一実施形態に係る燃料電池セルの所定の運転状態における所定の電流密度での電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係の例を示すグラフである。図５には、燃料電池セル１１０の相対湿度１６５％ＲＨの運転状態における電流密度０．２Ａ／ｃｍ２での電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係が示されている。燃料電池セル１１０の所定の電流密度での電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の関係は、燃料電池セル１１０の運転状態に応じて変化する。このため、制御部７００の被毒対策処理部７１０は、運転状態ごとの第２制御用情報（燃料電池セル１１０の所定の電流密度での電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の関係）を予め記憶させておくことにより、運転状態に応じて、適宜、第２制御用情報を選択して用いることができる。
一実施形態によれば、例えば、車両出荷時や車両点検時等の検査において、以上のようにインライン測定可能な燃料電池セル１１０の発電電圧から燃料電池セル１１０の過酸化水素の発生率を推定できるので、より簡便に燃料電池セル１１０の過酸化水素の発生率を推定できる（効果１）。さらに、例えば、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２～２．０Ａ／ｃｍ２といった広い範囲において、燃料電池セル１１０の発電電圧及び電極触媒の被毒率の関係が非常に良い相関を有するため、広い範囲の電流密度において過酸化水素の発生率を推定可能であり、車両の検査工程の簡略化を実現できる（効果２）。
一実施形態に係る制御方法では、次に、図３に示すように、第２算出工程Ｓ３０で算出した過酸化水素の発生率が予め定められた規定値α以上か否かを判定する（判定工程Ｓ４０）。具体的には、制御部７００の被毒対策処理部７１０が、規定値αを予め記憶している。被毒対策処理部７１０が、第２算出工程Ｓ３０で算出した過酸化水素の発生率が規定値α以上か否かを判定する。
ここで、燃料電池セル１１０の過酸化水素の発生率について予め定められた規定値αについて説明する。図５に示す例のように、過酸化水素の発生率は、電極触媒の被毒率が閾値γ未満である場合には軽微である。一方、過酸化水素の発生率は、電極触媒の被毒率が閾値γ以上である場合には電極触媒の被毒率の増加に伴って急激に高くなる。規定値αは、電極触媒の被毒率が閾値γである場合の過酸化水素の発生率の値である。規定値αは、燃料電池セル１１０の電流密度及び運転状態に応じて変化する。このため、制御部７００の被毒対策処理部７１０は、電流密度及び運転状態ごとの規定値αを予め記憶させておくことにより、燃料電池１００の電流密度及び運転状態に応じて、適宜、規定値αを選択して用いることができる。
次に、図３に示すように、第２算出工程Ｓ３０で算出した過酸化水素の発生率が規定値α以上である場合に、燃料電池セル１１０の電位を高電位及び低電位の間で繰り返し変動させる電位変動運転を行う（電位変動運転工程Ｓ５０）。ここで、「燃料電池セルの電位」とは、燃料電池セルのアノード電極に対するカソード電極の電位を指す。
具体的には、電位変動運転工程Ｓ５０では、制御部７００の被毒対策処理部７１０が、判定工程Ｓ４０で過酸化水素の発生率が規定値α以上であると判定した場合に電位変動運転を行う。電位変動運転工程Ｓ５０後には、被毒対策処理部７１０が、再び測定工程Ｓ１０を実行する。一方、図３に示すように、被毒対策処理部７１０は、判定工程Ｓ４０で過酸化水素の発生率が規定値α以上でないと判定した場合に燃料電池システムの制御を終了する。
以下、一実施形態に係る電位変動運転について説明する。図６は、一実施形態に係る電位変動運転における燃料電池セルの電位変動を示すグラフである。
電位変動運転では、燃料電池セル１１０の電位を高電位及び低電位の間で繰り返し変動させる。具体的には、制御部７００の被毒対策処理部７１０が、燃料電池システム１０を制御することで燃料電池セル１１０への水素ガス及び酸素ガスの供給量の調整などを行うことにより、図６に示すように燃料電池セル１１０の電位が高電位（例えば、０．９Ｖ）及び低電位（例えば、０．１Ｖ）の間で繰り返し変動するように、電流測定部ＩＭ及び第１電圧測定部ＶＭ１でそれぞれ測定される燃料電池１００の出力電流及び出力電圧を変動させる。これにより、燃料電池セル１１０の電位が高電位となる時には、電極触媒に付着した有機物等の被毒原因物質が酸化除去され、燃料電池セル１１０の電位が低電位となる時には、電極触媒への被毒原因物質の付着力が低減するとともに、燃料電池セル１１０で出力される電流が増大することで燃料電池セル１１０の内部で生成される水分量が増大する結果、生成水により被毒原因物質を洗い流す作用が向上する。よって、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率を低減できる。この結果、燃料電池セル１１０の過酸化水素の発生率を低減できる。これにより、電解質膜の破損を抑制できる。
燃料電池セル１１０の電位変動の高電位としては、有機物等の被毒原因物質の除去作用が得られれば特に限定されないが、例えば、０．８Ｖ以上１．０Ｖ以下の範囲内が好ましい。高電位がこの範囲の下限以上であることにより、電極触媒の被毒率を効果的に低減できるからである。高電位がこの範囲の上限以下であることにより、電極触媒の劣化を抑制できるからである。燃料電池セル１１０の電位を繰り返し変動させる時の低電位としては、有機物等の被毒原因物質の除去作用が得られれば特に限定されないが、例えば、０．１Ｖ以上０．２Ｖ以下の範囲内が好ましい。低電位がこの範囲の下限以上であることにより、生成される水分量が過剰となることを抑制できるからである。高電位がこの範囲の上限以下であることにより、生成水により被毒原因物質を洗い流す作用を効果的に向上できるからである。
ここで、図７は、一実施形態に係る燃料電池セルの電位変動のサイクル回数及び電極触媒の被毒率の関係の例を示すグラフである。図７には、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率が７０％である初期状態からの燃料電池セル１１０の電位変動のサイクル回数に対する電極触媒の被毒率の関係が示されている。
図７に示すように、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率は、電位変動のサイクル回数に反比例するように減少する。そして、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率は、電位変動のサイクル回数を１００回とした場合に０％に減少する。また、図７に示す関係から、燃料電池セル１１０の電極触媒の被毒率を３７％から閾値γ未満である２０％まで減少させるためには、燃料電池セル１１０の電位変動のサイクル回数を２０回とする必要があることがわかる。
燃料電池セル１１０の電位を繰り返し変動させる電位変動の１サイクルの時間としては、有機物等の被毒原因物質の除去作用が得られれば特に限定されないが、例えば、３秒以上１０秒以下の範囲が好ましい。電位変動の１サイクルの時間がこの範囲内であることにより、被毒原因物質の除去作用が効果的となるからである。
以上、本発明の燃料電池システムの制御方法に係る実施形態について詳述したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
１０ 燃料電池システム
１００ 燃料電池
１１０ 燃料電池セル
２００ 燃料電池コンバータ
３００ 二次電池
４００ 二次電池コンバータ
５００ ＤＣ／ＡＣインバータ
６００ 駆動モータ
７００ 制御部
７１０ 被毒対策処理部
ＥＷ１ 燃料電池導線
ＥＷ２ 二次電池導線
ＥＷ３ 直流導線
ＶＭ１ 第１電圧測定部
ＶＭ２ 第２電圧測定部
ＩＭ 電流測定部
１００ 燃料電池
１１０ 燃料電池セル
２００ 燃料電池コンバータ
３００ 二次電池
４００ 二次電池コンバータ
５００ ＤＣ／ＡＣインバータ
６００ 駆動モータ
７００ 制御部
７１０ 被毒対策処理部
ＥＷ１ 燃料電池導線
ＥＷ２ 二次電池導線
ＥＷ３ 直流導線
ＶＭ１ 第１電圧測定部
ＶＭ２ 第２電圧測定部
ＩＭ 電流測定部
なお、「過酸化水素の発生率」とは、発電で発生する水の発生量［ｍｏｌ］と過酸化水素の発生量［ｍｏｌ］の和で過酸化水素の発生量［ｍｏｌ］を割った商に１００を掛けた値［％］を指す。
Claims (2)
- 燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池セルの所定の電流密度での発電電圧を測定する測定工程と、
前記燃料電池セルの前記所定の電流密度での発電電圧及び電極触媒の被毒率の予め定められた関係から、前記測定工程で測定した前記発電電圧での電極触媒の被毒率を算出する第１算出工程と、
前記燃料電池セルの電極触媒の被毒率及び過酸化水素の発生率の予め定められた関係から、前記第１算出工程で算出した前記電極触媒の被毒率での過酸化水素の発生率を算出する第２算出工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 前記第２算出工程で算出した前記過酸化水素の発生率が規定値α以上である場合に、前記燃料電池セルの電位を高電位及び低電位の間で繰り返し変動させる電位変動運転を行う電位変動運転工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
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