JP5428496B2 - Determination of catalyst poisoning status of fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムにおける触媒被毒状態の判定に関する。 The present invention relates to determination of a catalyst poisoning state in a fuel cell system.
燃料電池システムにおいて、検出された電圧降下量と予めメモリーに格納された劣化判断基準値(起電圧低下量)とを比較して触媒劣化状態を判定する技術や、単セル積層体の測定電圧、測定温度、時間に対する測定温度の傾きに基づいて燃料電池のフラッディング状態、ドライアップ状態、触媒被毒状態を推定する技術が知られている。 In a fuel cell system, a technology for determining a catalyst deterioration state by comparing a detected voltage drop amount with a deterioration judgment reference value (electromotive voltage drop amount) stored in a memory in advance, a measurement voltage of a single cell stack, A technique for estimating the flooding state, dry-up state, and catalyst poisoning state of a fuel cell based on the measured temperature and the inclination of the measured temperature with respect to time is known.
上記従来の技術は、燃料電池システムにおける触媒被毒状態の判定精度の点で向上の余地があった。 The prior art described above has room for improvement in terms of accuracy in determining the catalyst poisoning state in the fuel cell system.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおける触媒被毒状態の判定精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the determination accuracy of the catalyst poisoning state in the fuel cell system.
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。例えば、本発明は、燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する方法であって、(a)予め設定された負荷閾値より低負荷域での前記燃料電池システムの電圧である低負荷電圧の予測値を取得する工程と、(b)前記燃料電池システムの電圧を、カソード電極触媒表面に付着した酸化皮膜が除去される電圧値として予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させた後に、前記燃料電池システムの前記低負荷電圧を実測する工程と、(c)前記低負荷電圧の前記予測値と前記実測値との比較結果に基づき、前記燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する工程と、を備える方法として実現することが可能である。その他、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following forms or application examples. For example, the present invention is a method for determining a catalyst poisoning state of a fuel cell system, and (a) prediction of a low load voltage that is a voltage of the fuel cell system in a load region lower than a preset load threshold. Obtaining a value; and (b) reducing the voltage of the fuel cell system to a value smaller than a voltage threshold preset as a voltage value at which the oxide film adhering to the cathode electrode catalyst surface is removed, A step of actually measuring the low load voltage of the fuel cell system; and (c) determining a catalyst poisoning state of the fuel cell system based on a comparison result between the predicted value of the low load voltage and the actually measured value. It is possible to implement | achieve as a method provided with these. In addition, the present invention can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する方法であって、
(a)予め設定された負荷閾値より低負荷域での前記燃料電池システムの電圧である低負荷電圧の予測値を取得する工程と、
(b)前記燃料電池システムの電圧を予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させた後に、前記燃料電池システムの前記低負荷電圧を実測する工程と、
(c)前記低負荷電圧の前記予測値と前記実測値との比較結果に基づき、前記燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する工程と、を備える、方法。
Application Example 1 A method for determining a catalyst poisoning state of a fuel cell system,
(A) obtaining a predicted value of a low load voltage that is a voltage of the fuel cell system in a load region lower than a preset load threshold;
(B) measuring the low load voltage of the fuel cell system after reducing the voltage of the fuel cell system to a value smaller than a preset voltage threshold;
(C) determining a catalyst poisoning state of the fuel cell system based on a comparison result between the predicted value of the low load voltage and the measured value.
この方法では、燃料電池システムの低負荷電圧の予測値が取得され、燃料電池システムの電圧を予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させた後に低負荷電圧が実測され、低負荷電圧の予測値と実測値との比較結果に基づき燃料電池システムの触媒被毒状態が判定される。燃料電池システムの電圧を予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させる処理により、触媒表面に付着した酸化被膜が除去されるため、酸化被膜による低負荷電圧の実測値への影響が抑制される。従って、この方法では、燃料電池システムにおける触媒被毒状態の判定精度を向上させることができる。 In this method, a predicted value of the low load voltage of the fuel cell system is acquired, and after the voltage of the fuel cell system is reduced to a value smaller than a preset voltage threshold, the low load voltage is measured and the predicted low load voltage is estimated. The catalyst poisoning state of the fuel cell system is determined based on the comparison result between the value and the actual measurement value. The process of reducing the voltage of the fuel cell system to a value smaller than a preset voltage threshold value removes the oxide film adhering to the catalyst surface, thereby suppressing the influence of the oxide film on the actually measured value of the low load voltage. . Therefore, according to this method, the determination accuracy of the catalyst poisoning state in the fuel cell system can be improved.
[適用例2]燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する装置であって、
予め設定された負荷閾値より低負荷域での前記燃料電池システムの電圧である低負荷電圧の予測値を取得する予測値取得部と、
前記燃料電池システムの電圧を予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させた後の前記燃料電池システムの前記低負荷電圧の実測値を取得する実測値取得部と、
前記低負荷電圧の前記予測値と前記実測値との比較結果に基づき、前記燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する判定部と、を備える、装置。
Application Example 2 An apparatus for determining a catalyst poisoning state of a fuel cell system,
A predicted value acquisition unit that acquires a predicted value of a low load voltage, which is a voltage of the fuel cell system in a low load region lower than a preset load threshold;
An actual value acquisition unit for acquiring an actual value of the low load voltage of the fuel cell system after reducing the voltage of the fuel cell system to a value smaller than a preset voltage threshold;
And a determination unit that determines a catalyst poisoning state of the fuel cell system based on a comparison result between the predicted value of the low load voltage and the actual measurement value.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの触媒被毒状態判定方法、燃料電池システムの触媒被毒状態判定装置、燃料電池車両等の態様で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, a fuel cell system, a catalyst poisoning state determination method for a fuel cell system, a catalyst poisoning state determination device for a fuel cell system, a fuel cell vehicle, and the like It is realizable with the aspect of.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A.実施例:
図1は、本発明の実施例における燃料電池自動車10の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池自動車10は、燃料電池システム100と、制御部200と、を有している。制御部200は、CPUやRAM、ROM等を有するコンピューターによって構成されており、燃料電池システム100を含む燃料電池自動車10全体を制御する。
A. Example:
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a
燃料電池システム100は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電するシステムである。燃料電池システム100は、図示しない燃料電池を含んでいる。本実施例の燃料電池は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。
The
燃料電池は、MEA(Membrane Electrode Assembly(膜・電極接合体))をセパレータで挟んで複数積層したスタック構造を有している。MEAは、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に配置されたアノード電極と、電解質膜の他方の表面に配置されたカソード電極と、を有している。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する。アノード電極は、アノード側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辺に電極反応を促進する触媒(例えば白金)を含んでいる。カソード電極は、カソード側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辺に触媒を含んでいる。燃料電池のアノード電極には、燃料ガス供給マニホールドを介して水素ガスを含む燃料ガスが供給され、カソード電極には、酸化ガス供給マニホールドを介して空気が供給される。供給された燃料ガスおよび空気は、MEAにおける電気化学反応による発電に利用される。 The fuel cell has a stack structure in which a plurality of MEAs (Membrane Electrode Assemblies (membrane / electrode assemblies)) are sandwiched between separators. The MEA has an electrolyte membrane, an anode electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane. The electrolyte membrane has good proton conductivity in a wet state. The anode electrode is a reaction field where the anode-side electrode reaction proceeds, and contains a catalyst (for example, platinum) that promotes the electrode reaction in the vicinity of the contact surface with the electrolyte membrane. The cathode electrode is a reaction field where the cathode side electrode reaction proceeds, and contains a catalyst in the vicinity of the contact surface with the electrolyte membrane, similarly to the anode electrode. A fuel gas containing hydrogen gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell via a fuel gas supply manifold, and air is supplied to the cathode electrode via an oxidizing gas supply manifold. The supplied fuel gas and air are used for power generation by an electrochemical reaction in the MEA.
制御部200による制御の下、燃料電池システム100により発電された電力は、図示しないインバータに出力され、燃料電池自動車10の走行モータの駆動に使用される。また、例えば燃料電池自動車10の走行に必要な電力よりも発電量が大きい場合には、余剰の電力がDC/DCコンバータを介して二次電池に蓄電され、急加速時などの電力不足時に使用される。
Under the control of the
図2は、燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。本実施例における燃料電池システム100の運転制御では、以下に詳細に説明するように、電極触媒の被毒状態の判定(電極触媒が被毒しているか否かの判定)が行われる。電極触媒の被毒は、運転中に外気、燃料、電池構成材料と共にセル内部に進入してくる物質、電池構成材料からの溶出物、電池構成材料の分解物などの影響で、電極触媒での発電反応が阻害され、発電性能が低下する現象である。触媒被毒は、定期的に発生するものではなく予測が困難であるため、本実施例では、電極触媒の被毒状態の判定を行い、電極触媒が被毒していると考えられる場合には電極触媒の洗浄処理を実行するものとしている。
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of operation control of the fuel cell system. In the operation control of the
燃料電池自動車10においては、制御部200の制御の下、燃料電池システム100の通常運転が行われる(図2のステップS110)。定期的にまたは随時、燃料電池システム100の低負荷電圧の実測が行われ、低負荷電圧の実測値が制御部200によって取得される(ステップS120)。低負荷電圧は、負荷が所定の閾値(例えば0.2A/cm2)以下である低負荷域でのセル電圧であり、カソード電極触媒の表面積を表す指標値(カソード電極触媒の表面積に相関のある指標値)として利用される。本実施例では、低負荷電圧として、負荷が0.1A/cm2の時の電圧が実測される。低負荷電圧の実測は、例えば、運転中に燃料電池システム100の電圧をモニタリングすることにより実行される。
In the
ここで、本実施例では、低負荷電圧の実測の前に、カソード電極触媒表面に付着した酸化被膜を除去するために、燃料電池システム100のセル電圧を0.5V以下に低下させる処理が実行される。一般に、燃料電池システム100を一定時間運転すると、カソード電極触媒表面に酸化被膜が付着する。カソード電極触媒表面に付着した酸化被膜は、燃料電池システム100の電圧低下の要因となりうる。本実施例では、燃料電池システム100のセル電圧を0.5V以下に低下させてカソード電極触媒表面に付着した酸化被膜を除去する処理が実行されるため、酸化被膜による低負荷電圧の実測値への影響が抑制される。
Here, in the present embodiment, a process for reducing the cell voltage of the
低負荷電圧の実測値の取得が完了すると、低負荷電圧の実測値Zと低負荷電圧の予測値Zxとの比較判定が実行される(ステップS130)。比較対象である低負荷電圧の予測値Zxは、運転時間(または走行距離)毎の低負荷電圧の予測値Zxを示す予測曲線に基づき決定される。図3は、低負荷電圧の予測曲線を示す説明図である。図3に示すように、低負荷電圧の予測曲線は、運転時間が増加するほど低負荷電圧の値が減少する右肩下がりの曲線となっている。これは、燃料電池システム100の運転中においては、電極電位の変動によって触媒の溶解析出が繰り返され、カソード電極触媒の表面積が低下する(形態が変化する)からである。
When the acquisition of the measured value of the low load voltage is completed, a comparison determination between the measured value Z of the low load voltage and the predicted value Zx of the low load voltage is executed (step S130). The low load voltage predicted value Zx to be compared is determined based on a prediction curve indicating the low load voltage predicted value Zx for each operation time (or travel distance). FIG. 3 is an explanatory diagram showing a prediction curve of a low load voltage. As shown in FIG. 3, the prediction curve for the low load voltage is a downward-sloping curve in which the value of the low load voltage decreases as the operation time increases. This is because during the operation of the
燃料電池自動車10の制御部200(図1)は、運転負荷を利用したシミュレーションに基づき低負荷電圧の予測曲線を設定する予測システムを有している。予測曲線を設定するためのシミュレーションは、公知のシミュレーション手法(例えば、「R.M. DarlingおよびJ.P. Meyers:J. Electrochem. Soc., 150巻, A1523−A1527頁, (2003年)」に記載の手法)を利用して実行可能である。なお、低負荷電圧に対する触媒被毒の影響は予測困難であるため、低負荷電圧の予測シミュレーションは、触媒被毒の影響を考慮せずに実行される。制御部200は、予測システムにより設定された低負荷電圧の予測曲線に基づき予測値Zxを取得し、低負荷電圧の実測値Zと予測値Zxとの比較判定を行う。
The control unit 200 (FIG. 1) of the
低負荷電圧の実測値Zと予測値Zxとの比較判定(ステップS130)は、電極触媒の被毒状態の判定に相当する。すなわち、低負荷電圧の実測値Zが低負荷電圧の予測値Zxより小さい場合には(図3のタイミングT1参照)、低負荷電圧の実測値Zを予測値Zxよりも低下させる原因としてカソード電極の触媒被毒が考えられる。一方、実測値Zが予測値Zxより小さくない場合には、カソード電極の触媒被毒は発生していないと考えられる。 The comparison determination (step S130) between the actual measurement value Z and the predicted value Zx of the low load voltage corresponds to the determination of the poisoning state of the electrode catalyst. That is, when the measured value Z of the low load voltage is smaller than the predicted value Zx of the low load voltage (see timing T1 in FIG. 3), the cathode electrode is a cause of lowering the measured value Z of the low load voltage below the predicted value Zx. Catalytic poisoning is considered. On the other hand, when the actual measurement value Z is not smaller than the predicted value Zx, it is considered that catalyst poisoning of the cathode electrode has not occurred.
低負荷電圧の実測値Zが予測値Zxより小さいと判定された場合には(図2のステップS130:Yes)、カソード電極の触媒被毒が発生していると考えられるため、制御部200によりカソード電極の触媒洗浄処理が実行される(ステップS140)。なお、実測および予測の誤差を考慮して、低負荷電圧の実測値Zと予測値Zxとの差が所定の閾値以上である場合にのみ、カソード電極の触媒洗浄処理が実行されるとしてもよい。 If it is determined that the actual measured value Z of the low load voltage is smaller than the predicted value Zx (step S130 in FIG. 2: Yes), it is considered that the catalyst poisoning of the cathode electrode has occurred. A catalyst cleaning process for the cathode electrode is performed (step S140). In consideration of errors in actual measurement and prediction, the catalyst cleaning process for the cathode electrode may be executed only when the difference between the actual measurement value Z and the predicted value Zx of the low load voltage is equal to or greater than a predetermined threshold value. .
図4は、触媒洗浄処理の方法を示す説明図である。図4に示すように、触媒洗浄処理では、タイミングT1において燃料電池システム100が起動されると(イグニッション−オン)、ユーザーのアクセル操作に関わらず所定の閾値以上の高い電流値I1で所定時間(タイミングT1からT2までの時間)の発電(電流掃引)が行われる。この電流掃引により、触媒を被毒する物質が分解除去され、発電性能が回復(上昇)する。なお、処理電流値I1や処理時間(タイミングT1からT2までの時間)は、燃料電池の構成材料やセル構成・形状に応じて最適値が異なるため、予め実験的に求められた値が使用される。この期間(電流掃引中)に得られる電力は二次電池に充電される。この期間にはReady表示をせず、燃料電池自動車10の走行(モーターの駆動)は行われない。なお、この期間において燃料電池自動車10の走行が行われるとしてもよく、この場合には燃料電池により得られる電力や二次電池の電力を用いて走行が行われる。予め設定されたタイミングT2以降は、ユーザーのアクセル操作に応じて出力を変更する通常運転(図2のステップS110)が実行される。
FIG. 4 is an explanatory view showing a method of catalyst cleaning treatment. As shown in FIG. 4, in the catalyst cleaning process, when the
低負荷電圧の実測値Zと予測値Zxとの比較判定(図2のステップS130)において、実測値Zが予測値Zxより小さくないと判定された場合には(ステップS130:No)、カソード電極の触媒は被毒していないと考えられるため、制御部200により通常運転(ステップS110)が実行される。
When it is determined that the measured value Z is not smaller than the predicted value Zx in the comparison determination (step S130 in FIG. 2) between the measured value Z of the low load voltage and the predicted value Zx (step S130: No), the cathode electrode Since it is considered that the catalyst is not poisoned, the
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム100では、低負荷電圧の実測値Zと予測値Zxとを比較することにより、電極触媒の被毒状態の判定が実行される。電極触媒の被毒状態の判定により、確実に出力回復できる最適なタイミングで電圧回復処理を実施できるため、燃料電池システム100の出力低下を抑制でき、ドライバビリティーを向上させることができる。ここで、本実施例では、低負荷電圧の実測の前に、カソード電極触媒表面に付着した酸化被膜を除去するためにセル電圧を0.5V以下に低下させる処理が実行されるため、酸化被膜による低負荷電圧の実測値Zへの影響が抑制される。従って、本実施例では、燃料電池システム100における電極触媒の被毒状態の判定の精度を向上させることができる。
As described above, in the
B.変形例:
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り、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
B1.変形例1:
上記実施例では、カソード電極触媒の表面積を表す指標値として、低負荷電圧が利用されているが、カソード電極触媒の表面積そのものが利用されるものとしてもよい。すなわち、カソード電極触媒の表面積が実測され、カソード電極触媒の表面積の実測値と予測値とを比較することにより、電極触媒の被毒状態の判定が実行されるとしてもよい。カソード電極触媒の表面積の実測は、例えば、サイクリックボルタンメトリーといった電気化学的手法を用いて実行される。なお、カソード電極触媒の表面積の実測の際にも、セル電圧が低下され、カソード電極触媒表面に付着した酸化被膜が除去されるため、カソード電極触媒の表面積の実測精度を向上させることができ、ひいては燃料電池システム100における電極触媒の被毒状態の判定の精度を向上させることができる。
B1. Modification 1:
In the above embodiment, the low load voltage is used as the index value representing the surface area of the cathode electrode catalyst, but the surface area of the cathode electrode catalyst itself may be used. That is, the surface area of the cathode electrode catalyst is measured, and the determination of the poisoning state of the electrode catalyst may be executed by comparing the measured value of the surface area of the cathode electrode catalyst with the predicted value. The actual measurement of the surface area of the cathode electrode catalyst is performed using an electrochemical method such as cyclic voltammetry. In the actual measurement of the surface area of the cathode electrode catalyst, the cell voltage is reduced and the oxide film attached to the surface of the cathode electrode catalyst is removed, so that the measurement accuracy of the surface area of the cathode electrode catalyst can be improved. As a result, the accuracy of determination of the poisoning state of the electrode catalyst in the
低負荷電圧(またはカソード電極触媒の表面積)の予測曲線を設定するためのシミュレーションは、触媒の粒径分布を、同じ粒子径を持つ粒子の合計重量が、それぞれの粒径において同じである触媒粒子で代表させ、代表点の粒径の間隔を用いて触媒粒子の分布を表現するモデル化手法を用いたシミュレーション手法を利用して実行することも可能である。 Simulations to set the prediction curve for low load voltage (or cathode electrode catalyst surface area) show catalyst particle size distribution, catalyst particles where the total weight of particles with the same particle size is the same at each particle size And a simulation method using a modeling method for expressing the distribution of the catalyst particles using the interval between the particle sizes of the representative points.
燃料電池システム100の運転制御(図2)の各ステップは、必ずしも制御部200により実行される必要はない。例えば、低負荷電圧の実測値の取得(ステップS120)や予測値との比較判定(ステップS130)は、制御部200以外の外部のコンピューターにより実行されるとしてもよい。また、制御部200は、シミュレーションのための予測システムを有する必要はなく、外部のコンピューターを用いたシミュレーションによって低負荷電圧(またはカソード電極触媒の表面積)の予測曲線が予め設定され、制御部200に記憶されるとしてもよい。
Each step of the operation control (FIG. 2) of the
B2.変形例2:
上記実施例における燃料電池システム100の構成は、あくまで一例であり、他の構成を採用することも可能である。また、上記実施例では、燃料電池システム100が燃料電池自動車10に用いられている例を用いて説明したが、本発明は、定置式の燃料電池システムなどの他の燃料電池システムにも適用することが可能である。
B2. Modification 2:
The configuration of the
10…燃料電池自動車
100…燃料電池システム
200…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
(a)予め設定された負荷閾値より低負荷域での前記燃料電池システムの電圧である低負荷電圧の予測値を取得する工程と、
(b)前記燃料電池システムの電圧を、カソード電極触媒表面に付着した酸化皮膜が除去される電圧値として予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させた後に、前記燃料電池システムの前記低負荷電圧を実測する工程と、
(c)前記低負荷電圧の前記予測値と前記実測値との比較結果に基づき、前記燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する工程と、を備える、方法。 A method for determining a catalyst poisoning state of a fuel cell system, comprising:
(A) obtaining a predicted value of a low load voltage that is a voltage of the fuel cell system in a load region lower than a preset load threshold;
(B) After the voltage of the fuel cell system is lowered to a value smaller than a voltage threshold set in advance as a voltage value at which the oxide film attached to the cathode electrode catalyst surface is removed , the low load of the fuel cell system Measuring voltage, and
(C) determining a catalyst poisoning state of the fuel cell system based on a comparison result between the predicted value of the low load voltage and the measured value.
予め設定された負荷閾値より低負荷域での前記燃料電池システムの電圧である低負荷電圧の予測値を取得する予測値取得部と、
前記燃料電池システムの電圧を、カソード電極触媒表面に付着した酸化皮膜が除去される電圧値として予め設定された電圧閾値より小さい値に低下させた後の前記燃料電池システムの前記低負荷電圧の実測値を取得する実測値取得部と、
前記低負荷電圧の前記予測値と前記実測値との比較結果に基づき、前記燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する判定部と、を備える、装置。 An apparatus for determining a catalyst poisoning state of a fuel cell system,
A predicted value acquisition unit that acquires a predicted value of a low load voltage, which is a voltage of the fuel cell system in a low load region lower than a preset load threshold;
The actual measurement of the low load voltage of the fuel cell system after the voltage of the fuel cell system is lowered to a value smaller than a voltage threshold set in advance as a voltage value for removing the oxide film adhering to the cathode electrode catalyst surface. An actual value acquisition unit for acquiring values;
And a determination unit that determines a catalyst poisoning state of the fuel cell system based on a comparison result between the predicted value of the low load voltage and the actual measurement value.
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