JP2023127150A - fuel cell system - Google Patents
fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023127150A JP2023127150A JP2022030752A JP2022030752A JP2023127150A JP 2023127150 A JP2023127150 A JP 2023127150A JP 2022030752 A JP2022030752 A JP 2022030752A JP 2022030752 A JP2022030752 A JP 2022030752A JP 2023127150 A JP2023127150 A JP 2023127150A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- amount
- ion
- electrolyte membrane
- control unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 80
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 42
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 65
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 14
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 11
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- HSJPMRKMPBAUAU-UHFFFAOYSA-N cerium(3+);trinitrate Chemical compound [Ce+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O HSJPMRKMPBAUAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 150000002978 peroxides Chemical class 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 2
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems.
燃料電池システムは、燃料極、電解質膜および酸素極を有する燃料電池に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して、発電するシステムである。例えば、特許文献１には、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、撥水部材および過酸化水素分解触媒を含む撥水層と、を有する燃料電池が開示されている。また、特許文献２には、加湿経路のいずれかに固定された難溶性の炭酸塩を含む過酸化物分解触媒を備えた燃料電池システムが開示されている。 A fuel cell system is a system that generates electricity by supplying fuel gas and oxidant gas to a fuel cell having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an oxygen electrode. For example, Patent Document 1 discloses a fuel cell having an electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion layer, a water repellent layer including a water repellent member and a hydrogen peroxide decomposition catalyst. Further, Patent Document 2 discloses a fuel cell system including a peroxide decomposition catalyst containing a hardly soluble carbonate fixed in one of the humidification paths.
燃料電池の化学反応においては、副反応により過酸化物（過酸化水素）が生成される場合があり、過酸化水素から生じるヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）は、燃料電池の電解質膜を劣化させる恐れがある。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電解質膜の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを主目的とする。 In chemical reactions in fuel cells, peroxide (hydrogen peroxide) may be produced as a side reaction, and hydroxyl radicals (OH radicals) generated from hydrogen peroxide may deteriorate the electrolyte membrane of the fuel cell. be. The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and its main purpose is to provide a fuel cell system that can suppress deterioration of an electrolyte membrane.
上記課題を解決するために、本開示においては、電解質膜を有する燃料電池と、上記燃料電池を監視する監視ユニットと、上記燃料電池にＣｅイオン含有水を噴射する噴射装置と、上記Ｃｅイオン含有水の噴射量を制御する制御ユニットと、を備える燃料電池システムであって、上記監視ユニットは、上記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、上記燃料電池の電流を測定する電流センサと、を有し、上記制御ユニットは、上記電圧センサから電圧値を取得し、かつ、上記電流センサから電流値を取得する、取得部と、上記電圧値および上記電流値に基づき、上記燃料電池の発電量を計算する、第１計算部と、上記発電量に基づき、上記燃料電池から生成された生成水量を計算する、第２計算部と、上記生成水量およびＣｅ移動推定モデルに基づき、上記電解質膜におけるＣｅイオン量を計算する、第３計算部と、上記Ｃｅイオン量の経時変化に基づき、上記Ｃｅイオン含有水の噴射量を制御する、制御部と、を有する燃料電池システムを提供する。 In order to solve the above problems, the present disclosure provides a fuel cell having an electrolyte membrane, a monitoring unit that monitors the fuel cell, an injection device that injects Ce ion-containing water to the fuel cell, and a fuel cell that includes the Ce ion-containing water. A fuel cell system comprising: a control unit that controls the amount of water injected; the monitoring unit includes a voltage sensor that measures the voltage of the fuel cell; and a current sensor that measures the current of the fuel cell. The control unit includes an acquisition section that acquires a voltage value from the voltage sensor and a current value from the current sensor, and an acquisition unit that acquires a power generation amount of the fuel cell based on the voltage value and the current value. a first calculation unit that calculates the amount of water generated from the fuel cell based on the amount of power generation, and a second calculation unit that calculates the amount of water generated from the fuel cell based on the amount of power generated, and A fuel cell system is provided that includes a third calculation section that calculates the amount of Ce ions, and a control section that controls the injection amount of the Ce ion-containing water based on the change in the amount of Ce ions over time.
本開示によれば、Ｃｅイオン移動推定モデルによりＣｅイオン含有水の噴射量を制御するため、電解質膜の劣化を抑制することができる。 According to the present disclosure, since the injection amount of Ce ion-containing water is controlled using the Ce ion movement estimation model, deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed.
本開示においては、電解質膜の劣化を抑制できるという効果を奏する。 The present disclosure has the effect of suppressing deterioration of the electrolyte membrane.
以下、本開示における燃料電池システムについて、詳細に説明する。
図１は、本開示における燃料電池システムを概略的に例示する模式図である。図１に示される燃料電池システム１００は、電解質膜を有する燃料電池１０と、燃料電池１０を監視する監視ユニット２０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３０を備える。ＥＣＵ３０は、燃料電池システムの各種制御を行うが、後述する制御ユニットとしても機能する。
Hereinafter, the fuel cell system according to the present disclosure will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic diagram schematically illustrating a fuel cell system according to the present disclosure. A fuel cell system 100 shown in FIG. 1 includes a fuel cell 10 having an electrolyte membrane, a monitoring unit 20 that monitors the fuel cell 10, and an electronic control unit (ECU) 30. The ECU 30 performs various controls on the fuel cell system, and also functions as a control unit, which will be described later.
また、燃料電池システム１００は、Ｃｅイオン含有水を噴射する噴射装置４０と、Ｃｅイオン含有水を貯蔵し、かつ、Ｃｅイオン含有水流路４２を介して噴射装置４０へ供給するタンク４１と、エアコンプレッサ４３と、燃料電池１０に供給、排出されるガスの流れを制御するバルブ４４と、を有している。図１に示す燃料電池システム１００では、噴射装置４０は、燃料電池１０に供給されるカソードガスの流路上に設けられている。これにより、燃料電池システム１００は、エアコンプレッサ４３により取り込まれたカソードガス（例えば空気）を、噴射装置４０から噴射されたＣｅイオン含有水とともに燃料電池１０内部に供給できる。なお、Ｃｅイオン含有水は、燃料電池に供給されるアノードガスの流路上に設けられた噴射装置により、アノードガスとともに燃料電池に供給されてもよい。また、図示しないが、燃料電池１０は、例えば昇圧コンバーターを介して二次電池と接続されていてもよい。 The fuel cell system 100 also includes an injection device 40 that injects Ce ion-containing water, a tank 41 that stores Ce ion-containing water and supplies it to the injection device 40 via a Ce ion-containing water flow path 42, and an air It has a compressor 43 and a valve 44 that controls the flow of gas supplied to and discharged from the fuel cell 10. In the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, the injection device 40 is provided on the flow path of cathode gas supplied to the fuel cell 10. Thereby, the fuel cell system 100 can supply the cathode gas (for example, air) taken in by the air compressor 43 into the fuel cell 10 together with the Ce ion-containing water injected from the injection device 40. Note that the Ce ion-containing water may be supplied to the fuel cell together with the anode gas by an injection device provided on the flow path of the anode gas supplied to the fuel cell. Further, although not shown, the fuel cell 10 may be connected to a secondary battery via, for example, a boost converter.
監視ユニット２０は、後述する電圧センサおよび電流センサを少なくとも備える。また、ＥＣＵは、例えばバルブ４４の開閉などの燃料電池システム１００の各種電子制御を行うが、燃料電池の内部に噴射されるＣｅイオン含有水の噴射量を制御する制御ユニットとしても機能する。制御ユニットは、その機能を実現するための処理ブロックとして、取得部、第１計算部、第２計算部、第３計算部および制御部を有する。 The monitoring unit 20 includes at least a voltage sensor and a current sensor, which will be described later. Further, the ECU performs various electronic controls of the fuel cell system 100, such as opening and closing the valve 44, and also functions as a control unit that controls the amount of Ce ion-containing water injected into the fuel cell. The control unit includes an acquisition section, a first calculation section, a second calculation section, a third calculation section, and a control section as processing blocks for realizing its functions.
本開示によれば、Ｃｅイオン移動推定モデルによりＣｅイオン含有水の噴射量を制御するため、電解質膜の劣化を抑制することができる。 According to the present disclosure, since the injection amount of Ce ion-containing water is controlled using the Ce ion movement estimation model, deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed.
上述のように、燃料電池の副反応で生じた過酸化水素に起因して、電解質膜が劣化する恐れがある。特許文献１においては、過酸化物分解触媒として、固体のセリウム（ＣｅＯ２）をガス拡散層の撥水層に添加することで、燃料電池の電解質膜の劣化抑制を図っている。ここで、セリウムはイオンの状態（Ｃｅ３＋）で過酸化水素から生じるＯＨラジカルを消失させるが、セリウムを固体状態で添加した場合には、Ｃｅイオンの溶出量（Ｃｅイオンの電解質膜への供給量）を制御することが困難である。また、ＣｅＯ２は難溶性の物質であるため、よりＣｅイオンの電解質膜への供給量の制御が困難となる。同様に、難溶性の炭酸塩を含む過酸化物分解触媒を用いている特許文献２においても、Ｃｅイオンの電解質膜への供給量の制御が困難となる。この点について、Ｃｅイオンの電解質膜への供給量が少なすぎると、十分にＯＨラジカルを消失させることができない。一方、Ｃｅイオンの電解質膜への供給量が多すぎると、プロトン伝導が阻害され、電池性能が低下する恐れがある。 As described above, the electrolyte membrane may deteriorate due to hydrogen peroxide generated by side reactions in the fuel cell. In Patent Document 1, solid cerium (CeO 2 ) is added to a water-repellent layer of a gas diffusion layer as a peroxide decomposition catalyst to suppress deterioration of an electrolyte membrane of a fuel cell. Here, cerium eliminates OH radicals generated from hydrogen peroxide in the ionic state (Ce 3+ ), but when cerium is added in the solid state, the elution amount of Ce ions (supply of Ce ions to the electrolyte membrane amount) is difficult to control. Furthermore, since CeO 2 is a poorly soluble substance, it becomes more difficult to control the amount of Ce ions supplied to the electrolyte membrane. Similarly, in Patent Document 2, which uses a peroxide decomposition catalyst containing a hardly soluble carbonate, it is difficult to control the amount of Ce ions supplied to the electrolyte membrane. Regarding this point, if the amount of Ce ions supplied to the electrolyte membrane is too small, OH radicals cannot be sufficiently eliminated. On the other hand, if too much Ce ion is supplied to the electrolyte membrane, proton conduction may be inhibited and battery performance may deteriorate.
さらに、電池反応においてＣｅイオンは電解質膜の面内を移動して偏りが生じ、予め燃料電池の内部にセリウムを添加しているのみでは、電解質膜の局所的な劣化が生じる恐れがある。そこで、本発明者は、Ｃｅイオンを燃料電池の外部から供給する方法について検討し、Ｃｅイオン移動推定モデルに基づいてＣｅイオン含有水の噴射量を制御することで、効果的にＣｅイオンを電解質膜に供給でき、電解質膜の劣化を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。 Furthermore, in a cell reaction, Ce ions move within the plane of the electrolyte membrane, causing imbalance, and if cerium is only added to the interior of the fuel cell in advance, there is a risk that local deterioration of the electrolyte membrane will occur. Therefore, the present inventor investigated a method of supplying Ce ions from outside the fuel cell, and by controlling the injection amount of Ce ion-containing water based on a Ce ion movement estimation model, the inventors effectively transferred Ce ions to the electrolyte. The present invention was completed based on the discovery that the electrolyte membrane can be supplied to the electrolyte membrane and deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed.
１．燃料電池
本開示における燃料電池は、少なくとも電解質膜を有する。図２は、本開示における燃料電池を例示する概略断面図である。図２に示される燃料電池（単セル）１０は、カソード側ガス拡散層１、カソード触媒層２、電解質膜３、アノード触媒層４、アノード側ガス拡散層５がこの順に積層された膜－電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する２枚のセパレータ１２を有している。燃料電池は、単セルであってもよく、複数の単セルが積層された積層体であってもよい。
1. Fuel Cell The fuel cell in the present disclosure has at least an electrolyte membrane. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a fuel cell according to the present disclosure. The fuel cell (single cell) 10 shown in FIG. 2 is a membrane-electrode in which a cathode gas diffusion layer 1, a cathode catalyst layer 2, an electrolyte membrane 3, an anode catalyst layer 4, and an anode gas diffusion layer 5 are laminated in this order. It has a joined body (MEA) 11 and two separators 12 that sandwich the MEA 11. The fuel cell may be a single cell or a laminate in which a plurality of single cells are stacked.
電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜などのフッ素系電解質膜および非フッ素系電解質膜が挙げられる。非フッ素系電解質膜としては、例えば炭化水素系電解質膜が挙げられる。電解質膜の厚さは、例えば、５μｍ以上、１００μｍ以下である。 Examples of the electrolyte membrane include fluorine-based electrolyte membranes such as perfluorosulfonic acid membranes and non-fluorine-based electrolyte membranes. Examples of non-fluorine electrolyte membranes include hydrocarbon electrolyte membranes. The thickness of the electrolyte membrane is, for example, 5 μm or more and 100 μm or less.
カソード触媒層およびアノード触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、触媒金属を担持する母材、プロトン伝導性を有する電解質、および、電子伝導性を有するカーボン粒子を備える。触媒金属としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などの金属単体、Ｐｔを含む合金が挙げられる。電解質としては、例えばフッ素系樹脂が挙げられる。また、母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料が挙げられる。カソード触媒層およびアノード触媒層の厚さは、例えば、それぞれ、５μｍ以上、１００μｍ以下である。 The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include, for example, a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction, a base material that supports the catalyst metal, an electrolyte that has proton conductivity, and carbon particles that have electron conductivity. Examples of the catalyst metal include simple metals such as Pt (platinum) and Ru (ruthenium), and alloys containing Pt. Examples of the electrolyte include fluororesin. Furthermore, examples of the base material and the conductive material include carbon materials such as carbon. The thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is, for example, 5 μm or more and 100 μm or less, respectively.
アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンクロスおよびカーボンペーパーなどのカーボン多孔質体、金属メッシュおよび発泡金属などの金属多孔質体が挙げられる。アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の厚さは、例えば、それぞれ、５μｍ以上、１００μｍ以下である。 The anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer may be electrically conductive members having gas permeability. Examples of the conductive member include carbon porous bodies such as carbon cloth and carbon paper, and metal porous bodies such as metal mesh and foam metal. The thicknesses of the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer are, for example, 5 μm or more and 100 μm or less, respectively.
セパレータは、ガス拡散層（アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層）に対向する面にガス流路を有していてもよい。セパレータの材料としては、例えば、ステンレス鋼などの金属材料およびカーボンコンポジット材などの炭素材料を挙げることができる。 The separator may have a gas flow path on the surface facing the gas diffusion layer (the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer). Examples of the material of the separator include metal materials such as stainless steel and carbon materials such as carbon composite materials.
２．監視ユニット
本開示における監視ユニットは、燃料電池の状態を監視する。例えば図１において、監視ユニット２０は、燃料電池１０の状態を監視し、その監視結果をＥＣＵ３０に出力する。監視ユニットは、燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、燃料電池の電流を測定する電流センサと、を有している。
2. Monitoring Unit The monitoring unit in the present disclosure monitors the state of the fuel cell. For example, in FIG. 1, the monitoring unit 20 monitors the state of the fuel cell 10 and outputs the monitoring result to the ECU 30. The monitoring unit includes a voltage sensor that measures the voltage of the fuel cell and a current sensor that measures the current of the fuel cell.
３．Ｃｅイオン含有水
Ｃｅイオン含有水は、Ｃｅイオンを含有する。Ｃｅイオン含有水は、Ｃｅイオンとして、３価のイオン（Ｃｅ３＋）を含有していてもよく、４価のイオン（Ｃｅ４＋）を含有していてもよい。一方、Ｃｅイオン含有水は、Ｃｅ３＋を主なＣｅイオンとして含有することが好ましい。セリウムはＣｅ３＋の状態で過酸化水素から生じるＯＨラジカルを消失させることができるからである。
3. Ce ion-containing water Ce ion-containing water contains Ce ions. The Ce ion-containing water may contain trivalent ions (Ce 3+ ) or tetravalent ions (Ce 4+ ) as Ce ions. On the other hand, the Ce ion-containing water preferably contains Ce 3+ as the main Ce ion. This is because cerium can eliminate OH radicals generated from hydrogen peroxide in the Ce 3+ state.
Ｃｅイオン含有水におけるＣｅイオン濃度は、例えば、０．１ｍｏｌ／Ｌ以上、１０００ｍｏｌ／Ｌ以下である。 The Ce ion concentration in the Ce ion-containing water is, for example, 0.1 mol/L or more and 1000 mol/L or less.
Ｃｅイオン含有水は、予め調製してもよく、燃料電池の循環経路内において調製してもよい。前者の場合、Ｃｅイオン含有水は、例えば、硝酸セリウムを硝酸水溶液に溶解させて調製することができる。後者の場合、Ｃｅイオン含有水は、例えば、燃料電池から排出された生成水を気液分離機により回収し、回収した生成水と硝酸セリウムなどのセリウム原とを接触させて調製することができる。 Ce ion-containing water may be prepared in advance or may be prepared within the circulation path of the fuel cell. In the former case, Ce ion-containing water can be prepared, for example, by dissolving cerium nitrate in an aqueous nitric acid solution. In the latter case, Ce ion-containing water can be prepared, for example, by recovering produced water discharged from a fuel cell using a gas-liquid separator and bringing the recovered produced water into contact with a cerium source such as cerium nitrate. .
４．制御ユニット
（１）制御ユニットの構成
本開示における燃料電池システムは、制御ユニットを備える。制御ユニットは、上記監視ユニットから取得した電圧値、電流値から生成水量を算出し、生成水量とＣｅイオン移動推定モデルから、電解質膜におけるＣｅイオン量を計算するように構成されている。そして、制御ユニットは、Ｃｅイオン量の経時変化に基づき、前記Ｃｅイオン含有水の噴射量を制御するように構成されている。
4. Control Unit (1) Configuration of Control Unit The fuel cell system in the present disclosure includes a control unit. The control unit is configured to calculate the amount of water produced from the voltage value and current value obtained from the monitoring unit, and calculate the amount of Ce ions in the electrolyte membrane from the amount of water produced and the Ce ion movement estimation model. The control unit is configured to control the injection amount of the Ce ion-containing water based on the change in the amount of Ce ions over time.
例えば図１において、ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含む。メモリは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および、書き換え可能な不揮発性メモリを含む。メモリに記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで、各種制御が実行される。ＥＣＵが行なう各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。 For example, in FIG. 1, the ECU 30 includes a CPU (Central Processing Unit), a memory, and an input/output port for inputting and outputting various signals. The memory includes, for example, ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and rewritable nonvolatile memory. Various controls are executed by the CPU executing programs stored in the memory. The various controls performed by the ECU are not limited to processing by software, but can also be processed by dedicated hardware (electronic circuits).
制御ユニットは、その機能を実現するための処理ブロックとして、取得部、第１計算部、第２計算部、第３計算部および制御部を有する。取得部は、電圧センサが測定した電圧値と、電流センサが測定した電流値とを取得するように設定されている。 The control unit includes an acquisition section, a first calculation section, a second calculation section, a third calculation section, and a control section as processing blocks for realizing its functions. The acquisition unit is configured to acquire a voltage value measured by the voltage sensor and a current value measured by the current sensor.
第１計算部は、電圧値および電流値に基づき、燃料電池の発電量を計算するように設定されている。また、第２計算部は、発電量に基づき、燃料電池から生成された生成水量を計算するように設定されている。発電量および生成水量は、電圧値などの数値から一般的な計算方法により求めることができる。 The first calculation unit is set to calculate the amount of power generated by the fuel cell based on the voltage value and the current value. Further, the second calculation unit is set to calculate the amount of water generated from the fuel cell based on the amount of power generation. The amount of power generation and the amount of water produced can be determined from numerical values such as voltage values using general calculation methods.
第３計算部は、第２計算部によって計算された生成水量を、Ｃｅ移動推定モデルにあてはめて、電解質膜におけるＣｅイオン量を計算する設定されている。Ｃｅ移動推定モデルは、予備実験から構築することができ、メモリに記録されていることが好ましい。Ｃｅ移動推定モデルは、例えば、所定の面積の電解質膜に対して所定濃度のＣｅイオン含有水を添加し、この電解質膜を有する燃料電池に対して耐久試験を行い、時間ごとの電解質膜におけるＣｅイオン濃度を測定して構築することができる。第１計算部、第２計算部および第３計算部は、上述した計算を連続的に行ってもよく、所定の時間ごとに行ってもよい。 The third calculation unit is configured to apply the generated water amount calculated by the second calculation unit to the Ce migration estimation model to calculate the amount of Ce ions in the electrolyte membrane. The Ce movement estimation model can be constructed from preliminary experiments and is preferably stored in memory. The Ce migration estimation model is based on, for example, adding Ce ion-containing water at a predetermined concentration to an electrolyte membrane of a predetermined area, conducting an endurance test on a fuel cell having this electrolyte membrane, and estimating the amount of Ce in the electrolyte membrane over time. It can be constructed by measuring ion concentration. The first calculation section, the second calculation section, and the third calculation section may perform the above-mentioned calculations continuously or at predetermined intervals.
制御部は、Ｃｅイオン量の経時変化に基づき、前記Ｃｅイオン含有水の噴射量を制御するよう設定されている。制御部は、例えば、記第３計算部により計算される、第１の時における上記Ｃｅイオン量をＶ１とし、上記第１時よりも後の第２の時における上記Ｃｅイオン量をＶ２とした場合、Ｖ１－Ｖ２が閾値以上か否か判定する。そして、制御部は、閾値以上と判定した場合に、Ｃｅイオン含有水の噴射量を多くするよう制御する。この場合、制御部は、Ｃｅイオン含有水の噴射を開始するよう制御していてもよい。一方、制御部は、閾値未満と判定した場合に、Ｃｅイオン含有水の噴射量を少なくするよう制御する。この場合、制御部は、Ｃｅイオン含有水の噴射を停止するよう制御していてもよい。閾値については、予め設定し、例えばメモリに記録されていることが好ましい。閾値については、予備実験を行い設定することが好ましい。 The control unit is set to control the injection amount of the Ce ion-containing water based on the change in the amount of Ce ions over time. For example, the control unit sets the amount of Ce ions at the first time calculated by the third calculation unit as V1, and sets the amount of Ce ions at a second time after the first time as V2. If so, it is determined whether V1-V2 is equal to or greater than a threshold value. Then, when the control unit determines that the amount is equal to or higher than the threshold value, the control unit controls the injection amount of Ce ion-containing water to be increased. In this case, the control unit may control to start jetting the Ce ion-containing water. On the other hand, when the control unit determines that the amount is less than the threshold value, the control unit controls the injection amount of Ce ion-containing water to be reduced. In this case, the control unit may control the injection of Ce ion-containing water to be stopped. It is preferable that the threshold value be set in advance and recorded, for example, in a memory. It is preferable to set the threshold value by conducting a preliminary experiment.
（２）制御ユニットの処理
図３は、本開示における制御ユニットが実行する処理を例示するフローチャートである。ステップＳ１では、監視ユニットが測定した、燃料電池の電圧値および電流値を取得する。ステップＳ２では、取得した電圧値および電流値から燃料電池の発電量を計算する。ステップＳ３では、発電量から燃料電池から生成された生成水量を計算する。ステップＳ４では、ステップＳ３で計算した生成水量およびＣｅ移動推定モデルに基づき、電解質膜におけるＣｅイオン量を計算する。また、ステップＳ１～Ｓ４を繰り返し、第１の時におけるＣｅイオン濃度をＶ１とし、第１の時よりも後の第２の時におけるＣｅイオン濃度をＶ２とする。そして、ステップＳ５では、Ｖ１－Ｖ２が閾値以上か否かを判定する。そして、ステップＳ５において閾値以上と判定した場合に、ステップＳ６においてＣｅイオン含有水の噴射量を増加させるよう制御する。一方、ステップＳ５において閾値未満と判定した場合に、ステップＳ６においてＣｅイオン含有水の噴射量を減少させるよう制御する。
(2) Processing of Control Unit FIG. 3 is a flowchart illustrating processing executed by the control unit in the present disclosure. In step S1, the voltage value and current value of the fuel cell measured by the monitoring unit are acquired. In step S2, the amount of power generated by the fuel cell is calculated from the obtained voltage value and current value. In step S3, the amount of water generated from the fuel cell is calculated from the amount of power generated. In step S4, the amount of Ce ions in the electrolyte membrane is calculated based on the amount of water produced and the Ce transfer estimation model calculated in step S3. Further, steps S1 to S4 are repeated, and the Ce ion concentration at the first time is set to V1, and the Ce ion concentration at the second time after the first time is set to V2. Then, in step S5, it is determined whether V1-V2 is greater than or equal to a threshold value. Then, when it is determined in step S5 that the amount is equal to or greater than the threshold value, control is performed to increase the injection amount of Ce ion-containing water in step S6. On the other hand, when it is determined in step S5 that it is less than the threshold value, the injection amount of Ce ion-containing water is controlled to be reduced in step S6.
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。 Note that the present disclosure is not limited to the above embodiments. The above-mentioned embodiments are illustrative, and any configuration that has substantially the same technical idea as the claims of the present disclosure and provides similar effects is the present invention. within the technical scope of the disclosure.
１０ …燃料電池
２０ …監視ユニット
３０ …ＥＣＵ
１００ …燃料電池システム
10...Fuel cell 20...Monitoring unit 30...ECU
100...Fuel cell system
Claims (1)
前記燃料電池を監視する監視ユニットと、
前記燃料電池にＣｅイオン含有水を噴射する噴射装置と、
前記Ｃｅイオン含有水の噴射量を制御する制御ユニットと、を備える燃料電池システムであって、
前記監視ユニットは、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
前記燃料電池の電流を測定する電流センサと、を有し、
前記制御ユニットは、
前記電圧センサから電圧値を取得し、かつ、前記電流センサから電流値を取得する、取得部と、
前記電圧値および前記電流値に基づき、前記燃料電池の発電量を計算する、第１計算部と、
前記発電量に基づき、前記燃料電池から生成された生成水量を計算する、第２計算部と、
前記生成水量およびＣｅ移動推定モデルに基づき、前記電解質膜におけるＣｅイオン量を計算する、第３計算部と、
前記Ｃｅイオン量の経時変化に基づき、前記Ｃｅイオン含有水の噴射量を制御する、制御部と、を有する燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte membrane;
a monitoring unit that monitors the fuel cell;
an injection device that injects Ce ion-containing water to the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a control unit that controls the injection amount of the Ce ion-containing water;
The monitoring unit includes:
a voltage sensor that measures the voltage of the fuel cell;
a current sensor that measures the current of the fuel cell,
The control unit includes:
an acquisition unit that acquires a voltage value from the voltage sensor and a current value from the current sensor;
a first calculation unit that calculates the amount of power generated by the fuel cell based on the voltage value and the current value;
a second calculation unit that calculates the amount of water generated from the fuel cell based on the amount of power generation;
a third calculation unit that calculates the amount of Ce ions in the electrolyte membrane based on the amount of generated water and the Ce transfer estimation model;
A fuel cell system comprising: a control unit that controls an injection amount of the Ce ion-containing water based on a change in the amount of Ce ions over time.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022030752A JP2023127150A (en) | 2022-03-01 | 2022-03-01 | fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022030752A JP2023127150A (en) | 2022-03-01 | 2022-03-01 | fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023127150A true JP2023127150A (en) | 2023-09-13 |
Family
ID=87971532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022030752A Pending JP2023127150A (en) | 2022-03-01 | 2022-03-01 | fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023127150A (en) |
-
2022
- 2022-03-01 JP JP2022030752A patent/JP2023127150A/en active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yousfi-Steiner et al. | A review on polymer electrolyte membrane fuel cell catalyst degradation and starvation issues: Causes, consequences and diagnostic for mitigation | |
| JP5347253B2 (en) | Fuel cell starting method, fuel cell starting device and vehicle equipped with the starting device | |
| JP2008311064A (en) | Fuel cell system and activation method of fuel cell | |
| JP5521909B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND MOBILE BODY MOUNTING THE FUEL CELL SYSTEM | |
| JP5872431B2 (en) | High pressure water electrolysis system and its startup method | |
| Phan et al. | Degradation analysis of polymer electrolyte membrane water electrolyzer with different membrane thicknesses | |
| JP2007005000A (en) | Control method for fuel cell system | |
| JP2005251434A (en) | Fuel cell system, and control method of fuel cell | |
| JP2013258038A (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| Petrovick et al. | Mass-Transport Resistances of Acid and Alkaline Ionomer Layers: A Microelectrode Study Part 1-Microelectrode Development | |
| JP2023127150A (en) | fuel cell system | |
| JP2016066574A (en) | Fuel cell system | |
| JP2014239017A (en) | Activating method of direct methanol type fuel battery | |
| JP2023142502A (en) | fuel cell system | |
| Datta | Electrochemical Characterization and Aging in PEM Fuel Cells | |
| JP2023168727A (en) | fuel cell system | |
| Ferreira-Aparicio et al. | Influence of the cathode catalyst layer thickness on the behaviour of an air breathing PEM fuel cell | |
| JP2013191568A (en) | Fuel cell system and activation method of fuel battery | |
| JP2024068749A (en) | Water electrolysis apparatus | |
| JP2023151802A (en) | fuel cell system | |
| JP2023137664A (en) | fuel cell system | |
| JP6973003B2 (en) | Aging method for polymer electrolyte fuel cells | |
| JP2023154495A (en) | fuel cell system | |
| JP2023128754A (en) | fuel cell system | |
| JP4887732B2 (en) | Fuel cell system |