JP5581880B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
[形態1]
燃料電池システムであって、
触媒を有し、反応ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池におけるクロスリーク電流値を決定するクロスリーク電流値決定部と、
前記燃料電池が、所定の水分量よりも多い水分量を含む高湿潤状態であるか否かを判定する湿潤判定部と、
前記燃料電池の開回路時の電圧である開回路電圧を測定する開回路電圧測定部と、
前記燃料電池の開回路時の理論上電圧である理論開回路電圧を算出すると共に、前記測定された開回路時の電圧である実測開回路電圧と前記理論開回路電圧との差分電圧を決定する差分電圧決定部と、
前記開回路時に前記燃料電池を流れる電流である開回路電流値を決定する開回路電流値決定部と、
前記燃料電池に流れる電流の電流値を調整する電流調整部と、
前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を調整する流量調整部と、
前記燃料電池が前記高湿潤状態であると判定された場合において、前記流量調整部を制御して前記反応ガスを濃度過電圧の発生を抑制する条件で前記燃料電池に供給すると共に、前記電流調整部を制御して低い電流密度範囲で前記燃料電池に流れる電流の電流値を変化させながら、前記燃料電池の電圧及び抵抗を測定する測定制御部と、
前記測定制御部により得られた電圧の測定電圧値と、前記測定制御部により得られた抵抗の測定抵抗値と、前記測定電圧値及び前記測定抵抗値に対応する電流値とに基づき、電荷移動係数を決定する電荷移動係数決定部と、
前記決定された差分電圧と、前記決定された開回路電流値と、前記決定された電荷移動係数とに基づき、交換電流密度を決定する交換電流密度決定部と、
前記決定された交換電流密度に基づき、前記触媒の劣化率を決定する劣化率決定部と、
を備え、
前記電荷移動係数決定部は、各電流値ごとに、対応する前記測定抵抗値と前記電流値とを掛け合わせて得られるIR過電圧を、対応する前記測定電圧値に加えて補正後電圧値を求めると共に、各電流値の対数値と対応する前記補正後電圧値とを直線近似した場合の傾きを求め、前記求めた傾き及び前記燃料電池温度に基づき、式1Aに基づき前記電荷移動係数を決定し、
前記交換電流密度決定部は、前記決定されたクロスリーク電流値と、予め設定されているマイクロショート電流の電流値と、前記決定された電荷移動係数と、に基づき、式1Bにより初期状態の交換電流密度を求めると共に、式1Cにより現在の交換電流密度を求め、
前記劣化率決定部は、前記求められた初期状態の交換電流密度と、前記求められた現在の交換電流密度とに基づき、式1Dにより前記触媒の劣化率を決定し、
前記開回路電流値は、前記クロスリーク電流及び前記マイクロショート電流の合計電流値である、燃料電池システム。
前記式1Bにおいて、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、αは前記電荷移動係数を、Fはファラデー定数を、Rは気体定数を、Tは前記燃料電池温度を、i_LEAKは前記クロスリーク電流値を、i_SHORTは前記マイクロショート電流を、それぞれ示し、
前記式1Cにおいて、i0(T)は前記現在の交換電流密度を、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、Rは気体定数を、Tは現在の前記燃料電池温度を、T1は前記i0_INIを求める際の前記燃料電池温度を、前記G_i0は前記Tと前記T1との差分をキャンセルして前記現在の交換電流密度を求めるための所定の係数を、それぞれ示し、
前記式1Dにおいて、Rdは前記触媒の劣化率を、i0は前記現在の交換電流密度を、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、それぞれ示す。
A1.システム構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム100は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気車両に搭載されて用いられる。燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、空気供給路61と、カソードオフガス排出路62と、水素ガス供給路63と、第1アノードオフガス排出路64と、水素ガスバイパス路65と、第2アノードオフガス排出路66と、エア流量計22と、エアコンプレッサ21と、カソード側圧力センサ24と、調圧弁72と、水素タンク31と、水素ガス用循環ポンプ32と、アノード側圧力センサ33と、遮断弁73と、冷却媒体供給路68と、冷却媒体排出路67と、ラジエータ41と、冷却媒体用循環ポンプ42と、温度センサ43と、パワーコントロールユニット52(以下、「PCU」と呼ぶ)と、電圧測定部53と、電流測定部54と、インピーダンス測定部55と、制御ユニット90とを備えている。
燃料電池システム100を搭載した電気車両において、燃料電池スタック10がOC状態になった場合に、触媒劣化決定処理を実行する。なお、OC状態とは、燃料電池スタック10の両極間における電荷の移動が遮断された状態(無負荷状態)であり、本実施例では、燃料電池スタック10が発電を停止した状態を意味する。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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。
上記実施例では、燃料電池システム100は、触媒劣化率を決定するまでを行っていたが、これに加えて、決定した触媒劣化率に基づき種々の処理を実行することもできる。具体的には、例えば、触媒劣化率が所定の値に達した場合には、高電位回避制御処理を禁止させることができる。高電位回避制御処理とは、例えば、負荷(駆動用モータなど)への電力供給の停止指示があった場合に、反応ガスの供給量を減らすと共に電力供給を継続することで、カソードが高電位無負荷となって触媒が形態変化(劣化)することを抑制する処理を意味する。このような構成により、触媒劣化がある程度進み、高電位回避制御を行っても高い効果が得られない場合には、無駄な反応ガスの供給を抑制して燃費を向上させることができる。また、例えば、触媒劣化率が所定の値に達した場合には、触媒の洗浄を行うことで、被毒した触媒をリフレッシュする処理を実行することもできる。このような構成により、触媒の劣化を抑制して活性化過電圧の発生を抑制できるので、燃費を向上させることができる。
上記実施例では、触媒劣化率決定処理が開始されるのは、電気車両が停止してOC状態になった場合であったが、これに変えて、アイドリング中など、負荷から燃料電池スタック10が切り離されてOC状態となった場合に、触媒劣化率決定処理を開始する構成を採用することができる。すなわち、一般には、OC状態において(開回路時に)、触媒劣化率決定処理を実行する任意の構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
上記実施例では、交換電流密度i0を求める際に、クロスリーク電流値i_LEAK及びマイクロショート電流値i_SHORTを用いていたが、これに代えて、クロスリーク電流値i_LEAK及びマイクロショート電流値i_SHORTのうち、一方の電流値のみを用いることもできる。例えば、単セル80の構成によりマイクロショート電流が非常に小さい場合には、クロスリーク電流値i_LEAKのみ用いて交換電流密度i0を導出することもできる。この構成では、定数i_SHORTをROM93に格納しなくて済み、また、交換電流密度i0の決定処理(式7の演算)が比較的短時間で実行できる。すなわち、一般には、開回路時に燃料電池スタック10を流れる電流である開回路電流値を、交換電流密度i0を求める際に用いることができる。
上記実施例では、燃料電池スタック10全体としての触媒の劣化率を求めたが、これに代えて、各単セル80について触媒の劣化率を求めることもできる。例えば、電圧測定部53及びインピーダンス測定部55を、各単セル80単位で電圧及びインピーダンスを測定可能な構成とし、ステップS140において、各単セル80単位で電流値を変えながら電圧値及び抵抗値を測定する。また、ステップS145において、各単セル80単位で電荷移動係数αを決定する。そして、予め各単セル80単位で交換電流密度i0_INIを求めておき、ステップS155では、各単セル80単位で触媒劣化率を決定する。このような構成により、各単セル80ごとに触媒の劣化率を管理することができる。
上記実施例では、ステップS140においてカソード側に供給する反応ガス(エア)は、通常運転の際と同様に、エアコンプレッサ21から供給されるエアであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、濃度が100%の酸素を貯蔵する酸素タンクを用意して、かかる酸素タンクから酸素ガスを供給することもできる。この構成では、例えば、空気供給路61においてエアコンプレッサ21よりも下流側に三方弁を配置し、エアコンプレッサ21と、酸素タンクと、燃料電池スタック10とを三方弁で接続する。そして、ステップS140を実行する際には、三方弁を制御して酸素タンクから燃料電池スタック10に酸素ガスを供給する構成を採用することができる。このような構成により、濃度過電圧の影響をより抑制することができ、触媒劣化率をより正確に求めることができる。
上記実施例では、燃料電池スタック10内部が高湿潤状態であるか否かを判定するために、燃料電池スタック10の温度を利用して判定していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、電気車両が停止してからの期間を測定し、かかる期間が所定期間を過ぎた場合に、燃料電池スタック10内部が高湿潤状態であると判定することもできる。電気車両が停止すると燃料電池スタック10の温度は低下し始めるので、十分に燃料電池スタック10の温度が低下して高湿潤状態となり得るまでに要する期間を、予め実験等により求めて設定することができる。すなわち、一般には、燃料電池スタック10内部が、所定の水分量よりも多い水分量を含む高湿潤状態であるか否かを任意の方法で判定する湿潤判定部を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
各実施例では、燃料電池システム100は、電気車両に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車,船舶,ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック10を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物における暖房システムに適用することもできる。
上記実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
21…エアコンプレッサ
22…エア流量計
24…カソード側圧力センサ
31…水素タンク
32…水素ガス用循環ポンプ
33…アノード側圧力センサ
41…ラジエータ
42…冷却媒体用循環ポンプ
43…温度センサ
52…パワーコントロールユニット
53…電圧測定部
54…電流測定部
55…インピーダンス測定部
61…空気供給路
62…カソードオフガス排出路
63…水素ガス供給路
64…第1アノードオフガス排出路
65…水素ガスバイパス路
66…第2アノードオフガス排出路
67…冷却媒体排出路
68…冷却媒体供給路
72…調圧弁
73…遮断弁
80…単セル
81…アノード側セパレータ
83…カソード側セパレータ
90…制御ユニット
91…CPU
91a…湿潤判定部
91b…測定制御部
91c…分圧決定部
91d…クロスリーク電流決定部
91e…過電圧決定部
91f…電荷移動係数決定部
91g…交換電流密度決定部
91h…触媒劣化率決定部
92…RAM
93…ROM
100…燃料電池システム
Claims (7)
- 燃料電池システムであって、
触媒を有し、反応ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池におけるクロスリーク電流値を決定するクロスリーク電流値決定部と、
前記燃料電池が、所定の水分量よりも多い水分量を含む高湿潤状態であるか否かを判定する湿潤判定部と、
前記燃料電池の開回路時の電圧である開回路電圧を測定する開回路電圧測定部と、
前記燃料電池の開回路時の理論上電圧である理論開回路電圧を算出すると共に、前記測定された開回路時の電圧である実測開回路電圧と前記理論開回路電圧との差分電圧を決定する差分電圧決定部と、
前記開回路時に前記燃料電池を流れる電流である開回路電流値を決定する開回路電流値決定部と、
前記燃料電池に流れる電流の電流値を調整する電流調整部と、
前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を調整する流量調整部と、
前記燃料電池が前記高湿潤状態であると判定された場合において、前記流量調整部を制御して前記反応ガスを濃度過電圧の発生を抑制する条件で前記燃料電池に供給すると共に、前記電流調整部を制御して低い電流密度範囲で前記燃料電池に流れる電流の電流値を変化させながら、前記燃料電池の電圧及び抵抗を測定する測定制御部と、
前記測定制御部により得られた電圧の測定電圧値と、前記測定制御部により得られた抵抗の測定抵抗値と、前記測定電圧値及び前記測定抵抗値に対応する電流値とに基づき、電荷移動係数を決定する電荷移動係数決定部と、
前記決定された差分電圧と、前記決定された開回路電流値と、前記決定された電荷移動係数とに基づき、交換電流密度を決定する交換電流密度決定部と、
前記決定された交換電流密度に基づき、前記触媒の劣化率を決定する劣化率決定部と、
を備え、
前記電荷移動係数決定部は、各電流値ごとに、対応する前記測定抵抗値と前記電流値とを掛け合わせて得られるIR過電圧を、対応する前記測定電圧値に加えて補正後電圧値を求めると共に、各電流値の対数値と対応する前記補正後電圧値とを直線近似した場合の傾きを求め、前記求めた傾き及び前記燃料電池温度に基づき、式1Aに基づき前記電荷移動係数を決定し、
前記交換電流密度決定部は、前記決定されたクロスリーク電流値と、予め設定されているマイクロショート電流の電流値と、前記決定された電荷移動係数と、に基づき、式1Bにより初期状態の交換電流密度を求めると共に、式1Cにより現在の交換電流密度を求め、
前記劣化率決定部は、前記求められた初期状態の交換電流密度と、前記求められた現在の交換電流密度とに基づき、式1Dにより前記触媒の劣化率を決定し、
前記開回路電流値は、前記クロスリーク電流及び前記マイクロショート電流の合計電流値である、燃料電池システム。
前記式1Bにおいて、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、αは前記電荷移動係数を、Fはファラデー定数を、Rは気体定数を、Tは前記燃料電池温度を、i_LEAKは前記クロスリーク電流値を、i_SHORTは前記マイクロショート電流を、それぞれ示し、
前記式1Cにおいて、i0(T)は前記現在の交換電流密度を、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、Rは気体定数を、Tは現在の前記燃料電池温度を、T1は前記i0_INIを求める際の前記燃料電池温度を、前記G_i0は前記Tと前記T1との差分をキャンセルして前記現在の交換電流密度を求めるための所定の係数を、それぞれ示し、
前記式1Dにおいて、Rdは前記触媒の劣化率を、i0は前記現在の交換電流密度を、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、それぞれ示す。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記低い電流密度範囲は、0(アンペア/平方センチメートル)よりも大きく0.2(アンペア/平方センチメートル)以下である、燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記決定された劣化率が所定の劣化率に達した場合に、前記触媒のリフレッシュ処理を実行する、触媒リフレッシュ実行部を備える、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記測定制御部は、前記流量調整部を制御して、前記燃料電池における前記反応ガスの入口側におけるストイキ比が1.0以上かつ6.0未満となるように前記反応ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記反応ガスを濃度過電圧の発生を抑制する条件で前記燃料電池に供給する、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池のうち、最も端の燃料電池である、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のカソード側に用いられる前記反応ガスとして、濃度が100%の酸素ガスを貯蔵する酸素タンクを備え、
前記測定制御部は、前記燃料電池の電圧および抵抗を測定する際に、前記酸素ガスを濃度過電圧の発生を抑制する条件で前記燃料電池に供給する、燃料電池システム。 - 触媒及び電解質膜を有し反応ガスを利用して発電を行う燃料電池における前記触媒の劣化率を決定する方法であって、
(a)前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する工程と、
(b)前記燃料電池におけるクロスリーク電流値を決定する工程と、
(c)前記燃料電池の開回路時の電圧である開回路電圧を測定する工程と、
(d)前記燃料電池の開回路時の理論上電圧である理論開回路電圧を算出すると共に、前記測定された開回路時の電圧である実測開回路電圧と前記理論開回路電圧との差分電圧を決定する工程と、
(e)前記開回路時に前記燃料電池を流れる電流である開回路電流値を決定する工程と、
(f)前記燃料電池が、所定の水分量よりも多い水分量を含む高湿潤状態であるか否かを判定する工程と、
(g)前記燃料電池が前記高湿潤状態であると判定された場合において、前記反応ガスを濃度過電圧の発生を抑制する条件で前記燃料電池に供給すると共に、低い電流密度範囲で前記燃料電池に流れる電流の電流値を変化させながら、前記燃料電池の電圧及び抵抗を測定する工程と、
(h)前記得られた電圧の測定電圧値と、前記得られた抵抗の測定抵抗値と、前記測定電圧値及び前記測定抵抗値に対応する電流値とに基づき、電荷移動係数を決定する工程と、
(i)前記決定された差分電圧と、前記決定された開回路電流値と、前記決定された電荷移動係数とに基づき、交換電流密度を決定する工程と、
(j)前記決定された交換電流密度に基づき、前記触媒の劣化率を決定する工程と、
を備え、
前記工程(h)は、各電流値ごとに、対応する前記測定抵抗値と前記電流値とを掛け合わせて得られるIR過電圧を、対応する前記測定電圧値に加えて補正後電圧値を求めると共に、各電流値の対数値と対応する前記補正後電圧値とを直線近似した場合の傾きを求め、前記求めた傾き及び前記燃料電池温度に基づき、式1Eに基づき前記電荷移動係数を決定する工程を含み、
前記工程(i)は、前記決定されたクロスリーク電流値と、予め設定されているマイクロショート電流の電流値と、前記決定された電荷移動係数と、に基づき、式1Fにより、初期状態の交換電流密度を求めると共に、式1Gにより現在の交換電流密度を求める工程を含み、
前記工程(j)は、前記求められた初期状態の交換電流密度と、前記求められた現在の交換電流密度とに基づき、式1Hにより前記触媒の劣化率を決定する工程を含み、
前記開回路電流値は、前記クロスリーク電流及び前記マイクロショート電流の合計電流値である、方法。
前記式1Fにおいて、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、αは前記電荷移動係数を、Fはファラデー定数を、Rは気体定数を、Tは前記燃料電池温度を、i_LEAKは前記クロスリーク電流値を、i_SHORTは前記マイクロショート電流を、それぞれ示し、
前記式1Gにおいて、i0(T)は前記現在の交換電流密度を、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、Rは気体定数を、Tは現在の前記燃料電池温度を、T1は前記i0_INIを求める際の前記燃料電池温度を、前記G_i0は前記Tと前記T1との差分をキャンセルして前記現在の交換電流密度を求めるための所定の係数を、それぞれ示し、
前記式1Hにおいて、Rdは前記触媒の劣化率を、i0は前記現在の交換電流密度を、i0_INIは前記初期状態の交換電流密度を、それぞれ示す。
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