JP7211129B2 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL - Google Patents

FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL Download PDF

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Description

本開示は、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems and methods of operating fuel cells.

特許文献1には、カーボン粒子担体に白金などの触媒粒子を担持した電極触媒からなる電極触媒層を備えた燃料電池システムが開示されている。かかる電極触媒では、負荷変動によって白金粒子が溶出又は粗大化する劣化現象が促進され、高加湿下では、負荷変動による白金粒子の溶出または粗大化が更に促進される。一方、低加湿下では、発電特性が低減するが、負荷変動による白金粒子の溶出又は粗大化が抑制される。よって、一時的に高電圧となる起動停止時や燃料電池のアイドリング直後の負荷変動時のみ低加湿状態とし、高電圧、負荷変動による白金粒子の溶出又は粗大化を抑制し、高電圧、負荷変動が安定した後は高加湿状態として発電特性の向上を図り、電極の劣化の抑制と発電特性の向上の両立を図るようにしている。 Patent Literature 1 discloses a fuel cell system including an electrode catalyst layer comprising an electrode catalyst in which catalyst particles such as platinum are supported on a carbon particle carrier. In such an electrode catalyst, a deterioration phenomenon in which platinum particles are eluted or coarsened by load fluctuations is accelerated, and under high humidity, the elution or coarsening of platinum particles is further promoted by load fluctuations. On the other hand, under low humidification, power generation characteristics are reduced, but elution or coarsening of platinum particles due to load fluctuations is suppressed. Therefore, only when the voltage is temporarily high when starting and stopping or when the load changes immediately after idling of the fuel cell, the low humidification state is set to suppress the elution or coarsening of platinum particles due to high voltage and load changes. After the temperature is stabilized, a highly humidified state is set to improve power generation characteristics, and both deterioration of the electrodes and improvement of power generation characteristics are achieved.

また、特許文献1には、カソードを、カーボン粒子担体上に白金などの触媒粒子を担持したものから、酸化スズ系セラミックス粒子担体上に白金などの触媒粒子を担持したものに変更した燃料電池システムが開示されている。 Further, Patent Document 1 discloses a fuel cell system in which the cathode is changed from one in which catalyst particles such as platinum are supported on a carbon particle carrier to one in which catalyst particles such as platinum are supported on a tin oxide-based ceramic particle carrier. is disclosed.

特開2017-117599号公報JP 2017-117599 A

ところで、セラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持したカソードでは、触媒粒子の劣化抑制に伴い燃料電池の内部を低加湿にすると、電池抵抗が増加されるので燃料電池の出力性能が抑制され、燃料電池の内部を高加湿にするだけでは、燃料電池の出力性能を速やかに回復することができない。 By the way, in the case of a cathode in which catalyst particles are supported on a ceramic particle carrier, if the inside of the fuel cell is kept at a low humidity in order to suppress the deterioration of the catalyst particles, the cell resistance increases and the output performance of the fuel cell is suppressed. The output performance of the fuel cell cannot be quickly recovered only by highly humidifying the inside of the.

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、触媒粒子の劣化抑制に伴い出力性能が抑制された燃料電池の出力性能を速やかに回復できる、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。 In view of the circumstances described above, at least one embodiment of the present invention provides a fuel cell system and a fuel cell operation method capable of quickly recovering the output performance of a fuel cell whose output performance has been suppressed due to the suppression of deterioration of catalyst particles. intended to provide

(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池システムは、アノードとカソードのうち、少なくともカソードにセラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持した電極を用いる燃料電池と、前記アノードに水素の供給が可能な水素供給源と、前記カソードに空気の供給が可能であって、前記カソードに供給する空気の流量及び空気の圧力の調整が可能な空気供給手段と、前記燃料電池に接続される負荷の大きさを調整可能な負荷調整手段と、前記燃料電池の内部を加湿した状態で水素と空気を供給するように、前記水素供給源と前記空気供給手段を制御する通常運転制御手段と、前記燃料電池の内部の湿度が前記通常運転制御手段が制御する状態よりも低下し、前記カソードに供給される空気の酸素分圧が前記通常運転制御手段が制御する状態よりも高くなるように、前記空気供給手段を制御する劣化抑制運転制御手段と、前記燃料電池に微小負荷を与え、その後、前記燃料電池の電池電圧が一定となるように、前記負荷調整手段を制御するとともに、前記カソードに供給される空気が前記通常運転制御手段が制御する状態と同等の圧力となるように、前記空気供給手段を制御する出力性能回復運転制御手段とを備える。 (1) A fuel cell system according to at least one embodiment of the present invention includes a fuel cell using an electrode in which catalyst particles are supported on a ceramic particle carrier as at least the cathode of an anode and a cathode, and hydrogen is supplied to the anode. an air supply means capable of supplying air to the cathode and capable of adjusting the flow rate and pressure of the air supplied to the cathode; and a load connected to the fuel cell. a load adjusting means whose size is adjustable; a normal operation control means for controlling the hydrogen supply source and the air supply means so as to supply hydrogen and air while the inside of the fuel cell is humidified; The air is adjusted so that the humidity inside the battery is lower than the state controlled by the normal operation control means and the oxygen partial pressure of the air supplied to the cathode is higher than the state controlled by the normal operation control means. a deterioration suppressing operation control means for controlling the supply means; and a micro load applied to the fuel cell, and thereafter controlling the load adjustment means so that the cell voltage of the fuel cell becomes constant. an output performance recovery operation control means for controlling the air supply means so that the air supplied to the engine has a pressure equivalent to that controlled by the normal operation control means.

上記(1)の構成によれば、劣化抑制運転制御手段は、燃料電池の内部の湿度が通常運転制御手段が制御する状態よりも低下し、カソードに供給される空気の酸素分圧が通常運転制御手段が制御する状態よりも高くなるように、空気供給手段を制御する。これにより、セラミックスの粒子担体の表面に電子空乏層が形成されるので、燃料電池の出力性能が抑制され、セラミックスの粒子担体に担持された触媒粒子の劣化が抑制される。また、出力性能回復運転制御手段は、燃料電池に微小負荷を与え、その後、燃料電池の電池電圧が一定となるように、負荷調整手段を制御するとともに、カソードに供給される空気が通常運転制御手段が制御する状態と同等の圧力となるように、空気供給手段を制御する。これにより、セラミックスの粒子担体の表面に形成された電子空乏層の消失を加速することができるので、触媒粒子の劣化抑制に伴い出力性能が抑制された燃料電池の出力性能を速やかに回復できる。 According to the above configuration (1), the deterioration suppression operation control means reduces the humidity inside the fuel cell below the state controlled by the normal operation control means, and the oxygen partial pressure of the air supplied to the cathode is reduced to normal operation. The air supply means is controlled to be higher than the state controlled by the control means. As a result, an electron depletion layer is formed on the surface of the ceramic particle carrier, thereby suppressing the output performance of the fuel cell and suppressing deterioration of the catalyst particles supported on the ceramic particle carrier. Further, the output performance recovery operation control means applies a minute load to the fuel cell, and thereafter controls the load adjustment means so that the cell voltage of the fuel cell becomes constant. The air supply means is controlled so that the pressure is the same as the conditions the means controls. As a result, the disappearance of the electron depletion layer formed on the surface of the ceramic particle carrier can be accelerated, so that the output performance of the fuel cell whose output performance has been suppressed due to the suppression of deterioration of the catalyst particles can be quickly recovered.

(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、前記出力性能回復運転制御手段は、前記燃料電池の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に制御を終了する。 (2) In some embodiments, in the configuration of (1) above, the output performance recovery operation control means terminates control when the cell resistance value of the fuel cell converges within a predetermined range.

上記(2)の構成によれば、出力性能回復運転制御手段は、燃料電池の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に制御を終了するので、燃料電池システムは、通常運転を開始できる。 According to the configuration (2) above, the output performance recovery operation control means ends control when the value of the cell resistance of the fuel cell converges within a predetermined range, so that the fuel cell system can start normal operation. .

(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、前記劣化抑制運転制御手段は、前記負荷が前記通常運転制御手段が制御する状態よりも小さくなるように、前記負荷調整手段を制御する。 (3) In some embodiments, in the configuration (1) or (2) above, the deterioration suppression operation control means controls the load so that the load becomes smaller than the state controlled by the normal operation control means. Control the load adjustment means.

上記(3)の構成によれば、劣化抑制運転制御手段は、内部は低加湿且つ電子空乏層を形成した状態で負荷が通常運転制御手段が制御する状態よりも小さくなるように、負荷調整手段を制御するので、酸化された白金粒子の溶出劣化加速反応を抑制することができる。 According to the above configuration (3), the deterioration suppressing operation control means controls the load adjustment means so that the load becomes smaller than the state controlled by the normal operation control means in a state in which the internal humidity is low and an electron depletion layer is formed. is controlled, it is possible to suppress the elution deterioration acceleration reaction of the oxidized platinum particles.

(4)本発明の一実施形態に係る燃料電池の運転方法は、アノードとカソードのうち、少なくともカソードにセラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持した電極を用いる燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池の内部を加湿した状態で空気と水素を供給する通常運転工程と、前記燃料電池の内部の湿度を前記通常運転工程よりも低下させるとともに、前記燃料電池に供給する空気の酸素分圧を前記通常運転工程よりも増加させ、前記セラミックスの粒子担体の表面に電子空乏層を形成させる劣化抑制運転工程と、前記燃料電池に微小負荷を与えるとともに、前記燃料電池の電池電圧が一定となるように、負荷を増大させ、前記電子空乏層を消失させる出力性能回復運転工程とを有する。 (4) A method of operating a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a method of operating a fuel cell using an electrode in which catalyst particles are supported on a ceramic particle carrier as at least the cathode of the anode and the cathode, a normal operation step of supplying air and hydrogen while the interior of the fuel cell is humidified; A deterioration suppressing operation step in which an electron depletion layer is formed on the surface of the ceramic particle support by increasing the number of steps compared to the normal operation step, and a micro load is applied to the fuel cell so that the cell voltage of the fuel cell is constant. and an output performance recovery operation step of increasing the load to eliminate the electron depletion layer.

上記(4)の方法によれば、出力性能回復運転工程は、燃料電池に微小負荷を与えるとともに、燃料電池の電池電圧が一定となるように、負荷を増大させ、電子空乏層を消失させるので、触媒粒子の劣化抑制に伴い出力性能が抑制された燃料電池の出力性能を速やかに回復できる。 According to the above method (4), the output performance recovery operation step applies a minute load to the fuel cell and increases the load so that the cell voltage of the fuel cell becomes constant, thereby eliminating the electron depletion layer. , the output performance of the fuel cell, whose output performance has been suppressed due to the suppression of deterioration of the catalyst particles, can be quickly recovered.

(5)幾つかの実施形態では、上記(4)の方法において、前記出力性能回復運転工程は、前記燃料電池の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に終了する。 (5) In some embodiments, in the method of (4) above, the output performance recovery operation step ends when the cell resistance value of the fuel cell converges within a predetermined range.

上記(5)の方法によれば、出力性能回復運転制御工程は、燃料電池の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に終了するので、燃料電池は、通常運転を開始できる。 According to method (5) above, the output performance recovery operation control step ends when the cell resistance value of the fuel cell converges within the predetermined range, so the fuel cell can start normal operation.

本発明の少なくとも一実施形態によれば、触媒粒子の劣化抑制に伴い出力性能が抑制された燃料電池の出力性能を速やかに回復できる。 According to at least one embodiment of the present invention, it is possible to quickly restore the output performance of a fuel cell whose output performance has been suppressed due to suppression of deterioration of catalyst particles.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムが搭載される燃料電池自動車の構成を概略的に示すブロック図である。1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention; FIG. 図1に示した燃料電池の構成を概略的に示す図である。2 is a diagram schematically showing the configuration of the fuel cell shown in FIG. 1; FIG. 図1に示した制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。2 is a block diagram schematically showing the configuration of a control device shown in FIG. 1; FIG. セラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持させた電極の劣化メカニズムを説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the deterioration mechanism of an electrode in which catalyst particles are supported on a ceramic particle carrier; 図1に示した燃料電池システムの作動タイミングを示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing operation timings of the fuel cell system shown in FIG. 1; セラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持させた電極の構成を概略的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of an electrode in which catalyst particles are carried on a ceramic particle carrier; 本発明の一実施形態に係る燃料電池の運転方法を概略的に示すフローチャートである。3 is a flow chart schematically showing a method of operating a fuel cell according to an embodiment of the invention;

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described as embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, and are merely illustrative examples. Absent.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1が搭載される燃料電池自動車100の構成を概略的に示すブロック図である。図2は、図1に示した燃料電池2の構成を概略的に示す図である。図3は、図1に示した制御装置10の構成を概略的に示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fuel cell vehicle 100 equipped with a fuel cell system 1 according to an embodiment of the invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the fuel cell 2 shown in FIG. 1. As shown in FIG. FIG. 3 is a block diagram schematically showing the configuration of control device 10 shown in FIG.

図1に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1が搭載される燃料電池自動車(FCV(Fuel Cell Vehicle))100は、レンジエクステンダ型の電動車両であって、駆動用バッテリ(二次電池)6からモータ7に電力が供給され、駆動用バッテリ6を充電する場合や駆動用バッテリ6からモータ7に供給する電力が不足する場合(モータ7の出力が不足する場合)に燃料電池システム1が運転される。 As shown in FIG. 1, a fuel cell vehicle (FCV (Fuel Cell Vehicle)) 100 equipped with a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention is a range extender type electric vehicle that uses a driving battery. When power is supplied from the (secondary battery) 6 to the motor 7 to charge the driving battery 6, or when the power supplied from the driving battery 6 to the motor 7 is insufficient (when the output of the motor 7 is insufficient) The fuel cell system 1 is operated.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1が搭載される燃料電池自動車100は、燃料電池システム1、DC/DCコンバータ8、駆動用バッテリ6、インバータ9、モータ7及び制御装置(FCV-ECU)10を備える。 A fuel cell vehicle 100 equipped with a fuel cell system 1 according to one embodiment of the present invention includes a fuel cell system 1, a DC/DC converter 8, a drive battery 6, an inverter 9, a motor 7, and a control device (FCV-ECU). ) 10.

燃料電池システム1は、燃料電池(FC(Fuel Cell))2、水素供給源3及び空気供給手段4を含み、DC/DCコンバータ8、駆動用バッテリ6、インバータ9及びモータ7とともに制御装置10によって制御される。この意味において、制御装置10は、燃料電池システム1の一部を構成する。 The fuel cell system 1 includes a fuel cell (FC (Fuel Cell)) 2, a hydrogen supply source 3 and air supply means 4, and is controlled by a controller 10 together with a DC/DC converter 8, a drive battery 6, an inverter 9 and a motor 7. controlled. In this sense, the control device 10 forms part of the fuel cell system 1 .

燃料電池2は、燃料ガス(水素)と酸化ガス(酸素)の電気化学反応によって発電可能である。燃料電池2は、セル(single cell)(図示せず)が複数積層されることによって構成される。 The fuel cell 2 can generate electric power through an electrochemical reaction between a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen). The fuel cell 2 is configured by stacking a plurality of single cells (not shown).

図2に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池2は、アノード(負極)21とカソード(正極)22のうち、少なくともカソード22にセラミックスの粒子担体221に触媒粒子222を担持した電極を用いる。セラミックスは、例えば、酸化スズのセラミックスである。触媒粒子222は、例えば、貴金属の触媒粒子222であり、例えば、白金のナノ粒子である。 As shown in FIG. 2, in the fuel cell 2 according to one embodiment of the present invention, of an anode (negative electrode) 21 and a cathode (positive electrode) 22, at least the cathode 22 carries catalyst particles 222 on a ceramic particle carrier 221. Use electrodes. The ceramics are, for example, tin oxide ceramics. The catalyst particles 222 are, for example, noble metal catalyst particles 222, for example, platinum nanoparticles.

アノード21には、燃料ガス(水素ガス)が供給可能であり、カソード22には、酸化ガス(空気)が供給可能である。これにより、アノード21では、燃料ガスがH→2H+2eの反応によって、プロトン(水素イオンH)と電子に分解され、プロトンは電解質膜23を通りカソード22へ移動し、電子は導線内を通ってカソード22へ移動する。一方、カソード22では、プロトンと電子とが酸化ガスに含まれる酸素と反応し、4H+O+4e→2HOの反応によって、水(以下「反応水」という)が生成される。これにより、燃料電池2の内部は加湿される。 A fuel gas (hydrogen gas) can be supplied to the anode 21 , and an oxidizing gas (air) can be supplied to the cathode 22 . As a result, at the anode 21, the fuel gas is decomposed into protons (hydrogen ions H + ) and electrons by the reaction H 2 →2H + +2e , the protons move through the electrolyte membrane 23 to the cathode 22, and the electrons through the interior to the cathode 22 . On the other hand, at the cathode 22, protons and electrons react with oxygen contained in the oxidizing gas, and the reaction of 4H + +O 2 +4e →2H 2 O produces water (hereinafter referred to as “reaction water”). Thereby, the inside of the fuel cell 2 is humidified.

図1に示すように、燃料電池2には、温度計(温度センサ)24が設けられている。温度センサ24は、制御装置10に接続され、燃料電池2の作動温度は制御装置10で管理される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 2 is provided with a thermometer (temperature sensor) 24 . The temperature sensor 24 is connected to the control device 10 and the operating temperature of the fuel cell 2 is managed by the control device 10 .

また、燃料電池2には、燃料電池抵抗計25が設けられている。燃料電池抵抗計25は、制御装置10に接続され、燃料電池2の電池抵抗は制御装置10で管理される。 The fuel cell 2 is also provided with a fuel cell resistance meter 25 . The fuel cell resistance meter 25 is connected to the control device 10 and the cell resistance of the fuel cell 2 is managed by the control device 10 .

水素供給源3は、アノード21に水素(燃料ガス)の供給が可能な供給源であり、例えば、水素タンク(Hタンク)31、元弁32及び減圧弁33を含んでいる。したがって、水素供給源3は、アノード21に供給する水素の供給/停止を任意に選択可能であり、アノード21に供給する水素の圧力を任意に調整可能である。 The hydrogen supply source 3 is a supply source capable of supplying hydrogen (fuel gas) to the anode 21 and includes, for example, a hydrogen tank ( H2 tank) 31 , a main valve 32 and a pressure reducing valve 33 . Therefore, the hydrogen supply source 3 can arbitrarily select supply/stop of hydrogen to be supplied to the anode 21 and can arbitrarily adjust the pressure of hydrogen to be supplied to the anode 21 .

空気供給手段4は、カソード22に空気(酸化ガス)の供給が可能な供給手段である。空気供給手段4がカソード22に供給する空気は、例えば、大気から導入される無加湿の空気である。これにより、燃料電池2の発電開始直後は燃料電池2の内部を低加湿に保つことができ、燃料電池2の発電開始直後は燃料電池2の電池電圧が高電圧になり難く、カソード22のセラミックスの粒子担体221に担持された触媒粒子222の劣化を抑制できる。 The air supply means 4 is a supply means capable of supplying air (oxidizing gas) to the cathode 22 . The air supplied to the cathode 22 by the air supply means 4 is, for example, non-humidified air introduced from the atmosphere. As a result, the inside of the fuel cell 2 can be kept at low humidity immediately after the power generation of the fuel cell 2 is started. deterioration of the catalyst particles 222 supported on the particle carrier 221 can be suppressed.

空気供給手段4は、例えば、燃料電池自動車100の走行による自然吸気と空気圧縮機41とで構成される。したがって、燃料電池自動車100の走行によってカソード22に空気の供給が可能であり、空気圧縮機41の稼働によってもカソード22に空気の供給が可能である。 The air supply means 4 is composed of, for example, a naturally aspirated air by running the fuel cell vehicle 100 and an air compressor 41 . Therefore, air can be supplied to the cathode 22 by running the fuel cell vehicle 100 , and air can be supplied to the cathode 22 by operating the air compressor 41 .

空気供給手段4は、カソード22に供給する空気の流量の調整が可能である。カソード22に供給する空気の流量は、例えば、燃料電池自動車100の走行速度によって調整可能である。また、カソード22に供給する空気の流量は、例えば、空気圧縮機41の稼働によっても調整可能である。 The air supply means 4 can adjust the flow rate of air supplied to the cathode 22 . The flow rate of the air supplied to the cathode 22 can be adjusted by the running speed of the fuel cell vehicle 100, for example. Moreover, the flow rate of the air supplied to the cathode 22 can also be adjusted by operating the air compressor 41, for example.

空気供給手段4には、流量計(流量センサ)42が設けられている。流量センサ42は、制御装置10に接続され、カソード22に供給される空気の流量は制御装置10で管理可能である。 The air supply means 4 is provided with a flow meter (flow sensor) 42 . The flow rate sensor 42 is connected to the control device 10 so that the flow rate of the air supplied to the cathode 22 can be managed by the control device 10 .

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1は、更に、水素再循環手段5を含む。水素再循環手段5は、燃料電池2から排出された水素をアノード21に再循環させる手段であり、例えば、水素再循環ポンプ51を含んでいる。 The fuel cell system 1 according to one embodiment of the invention further comprises hydrogen recirculation means 5 . The hydrogen recirculation means 5 is means for recirculating the hydrogen discharged from the fuel cell 2 to the anode 21 and includes, for example, a hydrogen recirculation pump 51 .

図4は、セラミックスの担体221に触媒222を担持した電極の劣化抑制メカニズムを説明するための図である。ここでは、セラミックスの担体に白金(Pt)を担持した電極の劣化抑制メカニズムを例に説明する。 FIG. 4 is a diagram for explaining the deterioration suppression mechanism of an electrode in which a catalyst 222 is supported on a ceramic carrier 221. FIG. Here, the deterioration suppression mechanism of an electrode in which platinum (Pt) is supported on a ceramic carrier will be described as an example.

Ptの電気化学的酸化反応(Pt→Pt2++2e)は、電子の移動を伴う反応である。セラミックスの担体221(例えば、酸化スズ)の場合、セラミックスの担体221に酸素を吸着することで担体表面の電子を奪う。これにより、図4(a)に示すように、セラミックスの担体221(SnO)の表面の電子濃度が低下し、セラミックスの担体221の表面に電子が移動しにくい電子空乏層223が形成される(これにより、電子空乏層223を劣化抑制層と称することができる)。この電子空乏層223がPt劣化加速反応の電子の移動をしにくくするため、Ptの劣化が抑制される。これにより、燃料電池2の出力は抑制される。 The electrochemical oxidation reaction of Pt (Pt→Pt 2+ +2e ) is a reaction accompanied by electron transfer. In the case of the ceramic carrier 221 (for example, tin oxide), electrons on the surface of the carrier are taken away by adsorbing oxygen on the ceramic carrier 221 . As a result, as shown in FIG. 4A, the electron concentration on the surface of the ceramic carrier 221 (SnO 2 ) is reduced, and an electron depletion layer 223 is formed on the surface of the ceramic carrier 221 in which electrons are less likely to move. (By this, the electron depletion layer 223 can be called a deterioration suppression layer). Since the electron depletion layer 223 makes it difficult for electrons to move in the Pt deterioration acceleration reaction, the deterioration of Pt is suppressed. As a result, the output of the fuel cell 2 is suppressed.

したがって、燃料電池2の出力を回復するには、セラミックスの担体221(SnO)の表面に形成された電子空乏層223を消失させる必要がある。セラミックスの担体221(SnO)の表面に形成された電子空乏層223が消失すると、電子の移動が容易になり、燃料電池2の出力が回復する。 Therefore, in order to restore the output of the fuel cell 2, it is necessary to eliminate the electron depletion layer 223 formed on the surface of the ceramic carrier 221 (SnO 2 ). When the electron depletion layer 223 formed on the surface of the ceramic carrier 221 (SnO 2 ) disappears, the movement of electrons becomes easier and the output of the fuel cell 2 recovers.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1では、通常運転、劣化抑制運転、出力性能回復運転の順に実行することにより、燃料電池2の劣化を抑制するとともに、燃料電池2の高出力運転を可能にする。 In the fuel cell system 1 according to one embodiment of the present invention, deterioration of the fuel cell 2 is suppressed and high output operation of the fuel cell 2 is suppressed by executing normal operation, deterioration suppression operation, and output performance recovery operation in this order. to enable.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1は、上述した通常運転、劣化抑制運転及び出力性能回復運転を可能にするために、更に、負荷調整手段11、通常運転制御手段12、劣化抑制運転制御手段13及び出力性能回復運転制御手段14を備える。 The fuel cell system 1 according to one embodiment of the present invention further includes a load adjustment means 11, a normal operation control means 12, and a deterioration suppression operation to enable the above-described normal operation, deterioration suppression operation, and output performance recovery operation. A control means 13 and an output performance recovery operation control means 14 are provided.

負荷調整手段11は、燃料電池2に接続される負荷の大きさを調整可能である。負荷は、例えば、DC/DCコンバータ8、インバータ9、駆動用バッテリ6又はモータ7であり、負荷調整手段11は、これらの負荷の大きさを任意に調整可能である。負荷調整手段11は、例えば、DC/DCコンバータ8、インバータ9及びモータ7を制御する制御装置10に設けられる(図3参照)。 The load adjusting means 11 can adjust the magnitude of the load connected to the fuel cell 2 . The load is, for example, the DC/DC converter 8, the inverter 9, the drive battery 6, or the motor 7, and the load adjustment means 11 can arbitrarily adjust the magnitude of these loads. The load adjustment means 11 is provided, for example, in a controller 10 that controls the DC/DC converter 8, the inverter 9, and the motor 7 (see FIG. 3).

通常運転制御手段12は、燃料電池2の内部を加湿した状態で水素と空気を供給するように、水素供給源3と空気供給手段4を制御する。これにより、燃料電池2の内部が加湿された状態で水素と空気が供給される(通常運転)。通常運転では、図6(a)に示すように、触媒222からセラミックスの担体221に電子が流れ、燃料電池2の高出力運転を可能にする。 The normal operation control means 12 controls the hydrogen supply source 3 and the air supply means 4 so as to supply hydrogen and air while the inside of the fuel cell 2 is humidified. As a result, hydrogen and air are supplied while the interior of the fuel cell 2 is humidified (normal operation). In normal operation, as shown in FIG. 6A, electrons flow from the catalyst 222 to the ceramic carrier 221, enabling the fuel cell 2 to operate at high output.

通常運転制御手段12は、例えば、水素供給源3(元弁32,減圧弁33)及び空気供給手段4(空気圧縮機41)を制御する制御装置10に設けられる(図3参照)。 The normal operation control means 12 is provided, for example, in the control device 10 that controls the hydrogen supply source 3 (main valve 32, pressure reducing valve 33) and the air supply means 4 (air compressor 41) (see FIG. 3).

劣化抑制運転制御手段13は、燃料電池2の内部の湿度が通常運転制御手段12が制御する状態よりも低下し、カソード22に供給される空気の酸素分圧が通常運転制御手段12が制御する状態よりも高くなるように、空気供給手段4を制御する。これにより、図5に示すように、燃料電池2の内部の湿度(空気極22の加湿度)が低下し、カソード22に供給される空気の酸素分圧が高くなる(劣化抑制運転)。劣化抑制運転では、カソード22に供給される空気の酸素分圧が高くなるので、セラミックスの担体221(SnO)の表面の電子濃度が低下し、図6(b)に示すように、セラミックスの担体221の表面に電子空乏層223が形成される。これにより、触媒222からセラミックスの担体221に電子が流れ難くなり、燃料電池2の劣化抑制を可能にする。尚、酸素分圧を高めるには、空気圧縮機41を運転してもよいし、燃料電池2の空気排気口を塞いでもよい(デッドエンド方式)。 The deterioration suppression operation control means 13 controls the oxygen partial pressure of the air supplied to the cathode 22 when the humidity inside the fuel cell 2 is lower than the state controlled by the normal operation control means 12. The air supply means 4 is controlled so as to be higher than the state. As a result, as shown in FIG. 5, the humidity inside the fuel cell 2 (the degree of humidification of the air electrode 22) decreases, and the oxygen partial pressure of the air supplied to the cathode 22 increases (deterioration suppression operation). In the deterioration suppression operation, the oxygen partial pressure of the air supplied to the cathode 22 increases, so the electron concentration on the surface of the ceramic carrier 221 (SnO 2 ) decreases, and as shown in FIG. An electron depletion layer 223 is formed on the surface of the carrier 221 . This makes it difficult for electrons to flow from the catalyst 222 to the ceramic carrier 221 , thereby suppressing deterioration of the fuel cell 2 . In order to increase the oxygen partial pressure, the air compressor 41 may be operated, or the air exhaust port of the fuel cell 2 may be closed (dead-end system).

劣化抑制運転制御手段13は、例えば、空気供給手段4(空気圧縮機41)を制御する制御装置10に設けられる(図3参照)。 The deterioration suppression operation control means 13 is provided, for example, in the control device 10 that controls the air supply means 4 (air compressor 41) (see FIG. 3).

また、劣化抑制運転制御手段13は、内部は低加湿且つ電子空乏層を形成した状態で燃料電池2の負荷が通常運転制御手段12が制御する状態よりも小さくなるように、負荷調整手段11を制御する(例えば、無負荷になるように制御する)。これにより、燃料電池2が無負荷になり、酸化された触媒粒子222(例えば、白金粒子)の溶出劣化加速反応を抑制できる。 Further, the deterioration suppressing operation control means 13 controls the load adjustment means 11 so that the load of the fuel cell 2 becomes smaller than the state controlled by the normal operation control means 12 in a state in which the internal humidity is low and an electron depletion layer is formed. control (eg control to no load). As a result, the fuel cell 2 becomes unloaded, and the elution deterioration acceleration reaction of the oxidized catalyst particles 222 (for example, platinum particles) can be suppressed.

出力性能回復運転制御手段14は、燃料電池2に微小負荷を与え、その後、燃料電池2の電池電圧が一定となるように、負荷調整手段11を制御するとともに、カソード22に供給される空気が通常運転制御手段12が制御する状態と同等の圧力となるように、空気供給手段4を制御する。これにより、図5に示すように、燃料電池2に微小負荷が与えられると、燃料電池2の電池電圧が一旦下がる。そして、燃料電池2の電池電圧が一定となるように負荷調整手段11を制御すると、燃料電池2に接続された負荷が漸次大きくなるように調整され、燃料電池2の内部の湿度(空気極22の加湿度)が漸次高くなる。また、カソード22に供給される空気が通常運転制御手段12が制御する状態と同等の圧力なる(出力性能回復運転)。 The output performance recovery operation control means 14 applies a minute load to the fuel cell 2 and then controls the load adjustment means 11 so that the cell voltage of the fuel cell 2 becomes constant. The air supply means 4 is controlled so that the pressure is the same as the state controlled by the normal operation control means 12 . As a result, as shown in FIG. 5, when a minute load is applied to the fuel cell 2, the cell voltage of the fuel cell 2 drops once. When the load adjustment means 11 is controlled so that the cell voltage of the fuel cell 2 is constant, the load connected to the fuel cell 2 is adjusted to gradually increase, and the humidity inside the fuel cell 2 (the air electrode 22 humidification) gradually increases. In addition, the air supplied to the cathode 22 has a pressure equivalent to the state controlled by the normal operation control means 12 (output performance recovery operation).

出力性能回復運転では、燃料電池2の電池電圧が一旦下がり、燃料電池2に接続された負荷が漸次大きくなるので、図6(c)に示すように、電子空乏層223の厚みが漸次薄くなり、やがて、電子空乏層223が消失する。 In the output performance recovery operation, the cell voltage of the fuel cell 2 drops once and the load connected to the fuel cell 2 gradually increases, so that the thickness of the electron depletion layer 223 gradually decreases as shown in FIG. 6(c). , the electron depletion layer 223 eventually disappears.

また、出力性能回復運転制御手段14は、燃料電池2の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に制御を終了する。所定の範囲内は、例えば、XΩ~YΩであり、一定と認められる範囲に収束した場合に制御を終了する。これにより、燃料電池システム1は、通常運転を開始(再開)できる(図6(d)参照)。 Further, the output performance recovery operation control means 14 ends the control when the cell resistance value of the fuel cell 2 converges within a predetermined range. The predetermined range is, for example, XΩ to YΩ, and the control is terminated when converging within a range recognized as constant. As a result, the fuel cell system 1 can start (restart) normal operation (see FIG. 6(d)).

上述した本発明の一実施形態に係る燃料電池システム1によれば、劣化抑制運転制御手段13は、燃料電池2の内部の湿度が通常運転制御手段12が制御する状態よりも低下し、カソード22に供給される空気の酸素分圧が通常運転制御手段12が制御する状態よりも高くなるように、空気供給手段4を制御する。これにより、セラミックスの粒子担体221の表面に電子空乏層223が形成されるので、燃料電池2の出力性能が抑制され、酸化された触媒粒子222(白金粒子)の溶出劣化加速反応を抑制することができる。また、出力性能回復運転制御手段14は、燃料電池2に微小負荷を与え、その後、燃料電池2の電池電圧が一定となるように、負荷調整手段11を制御するとともに、カソード22に供給される空気が通常運転制御手段12が制御する状態と同等の圧力となるように、空気供給手段4を制御する。これにより、セラミックスの粒子担体221の表面に形成された電子空乏層223の消失を加速することができるので、触媒粒子222の劣化抑制に伴い出力性能が抑制された燃料電池2の出力性能を速やかに回復できる。 According to the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention described above, the deterioration suppressing operation control means 13 causes the humidity inside the fuel cell 2 to fall below the state controlled by the normal operation control means 12, and the cathode 22 The air supply means 4 is controlled so that the oxygen partial pressure of the air supplied to is higher than the state controlled by the normal operation control means 12 . As a result, an electron depletion layer 223 is formed on the surface of the ceramic particle carrier 221, so that the output performance of the fuel cell 2 is suppressed, and the elution deterioration acceleration reaction of the oxidized catalyst particles 222 (platinum particles) is suppressed. can be done. Further, the output performance recovery operation control means 14 applies a minute load to the fuel cell 2, and thereafter controls the load adjustment means 11 so that the cell voltage of the fuel cell 2 becomes constant, and supplies the voltage to the cathode 22. The air supply means 4 is controlled so that the air has the same pressure as the state controlled by the normal operation control means 12 . As a result, the disappearance of the electron depletion layer 223 formed on the surface of the ceramic particle support 221 can be accelerated. can recover to

図7は、本発明の一実施形態に係る燃料電池2の運転方法を概略的に示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flow chart schematically showing a method of operating the fuel cell 2 according to one embodiment of the invention.

本発明の一実施形態に係る燃料電池2の運転方法は、アノード21とカソード22のうち、少なくともカソード22にセラミックスの粒子担体221に触媒粒子222を担持した電極を用いる燃料電池2の運転方法である。 The method of operating the fuel cell 2 according to one embodiment of the present invention is a method of operating the fuel cell 2 in which, of the anode 21 and the cathode 22, at least the cathode 22 uses an electrode in which catalyst particles 222 are supported on a ceramic particle carrier 221. be.

本実施形態に係る燃料電池の運転方法は、通常運転工程(ステップS1)、劣化抑制運転工程(ステップS3)及び出力性能回復運転工程(ステップS5)を有する。 The method of operating a fuel cell according to this embodiment includes a normal operation step (step S1), a deterioration suppression operation step (step S3), and an output performance recovery operation step (step S5).

通常運転工程(ステップS1)は、燃料電池2の内部を加湿した状態で空気と水素を供給する工程である。通常運転工程が終了すると(ステップS2:Yes)、劣化抑制運転工程(ステップS3)に移行する。 The normal operation step (step S1) is a step of supplying air and hydrogen while the inside of the fuel cell 2 is humidified. When the normal operation process ends (step S2: Yes), the process proceeds to the deterioration suppression operation process (step S3).

劣化抑制運転工程(ステップS3)は、燃料電池2の内部の湿度を通常運転工程(ステップS1)よりも低下させるとともに、燃料電池2に供給する空気の酸素分圧を通常運転工程(ステップS1)よりも増加させ、セラミックスの粒子担体221の表面に電子空乏層223を形成させる工程である。劣化抑制運転工程が終了すると(ステップS4:Yes)、出力性能回復運転工程(ステップS5)に移行する。 In the deterioration suppression operation step (step S3), the humidity inside the fuel cell 2 is reduced to a level lower than that in the normal operation step (step S1), and the oxygen partial pressure of the air supplied to the fuel cell 2 is reduced to that of the normal operation step (step S1). , to form an electron depletion layer 223 on the surface of the ceramic particle carrier 221 . When the deterioration suppression operation process ends (step S4: Yes), the process proceeds to the output performance recovery operation process (step S5).

出力性能回復運転工程(ステップS5)は、燃料電池2に微小負荷を与え、その後、燃料電池2の電池電圧が一定となるように、負荷を増大させ、電子空乏層223を消失させる工程である。 The output performance recovery operation step (step S5) is a step in which a minute load is applied to the fuel cell 2, and then the load is increased so that the cell voltage of the fuel cell 2 becomes constant, and the electron depletion layer 223 disappears. .

また、出力性能回復工程(ステップS5)は、燃料電池2の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に終了する(ステップS6:Yes)。所定の範囲内は、例えば、XΩ~YΩであり、一定と認められる範囲に収束した場合に終了する。これにより、燃料電池は、通常運転工程(ステップS1)を再開できる。 Moreover, the output performance recovery step (step S5) ends when the value of the cell resistance of the fuel cell 2 converges within a predetermined range (step S6: Yes). The predetermined range is, for example, XΩ to YΩ, and ends when it converges within a range recognized as constant. As a result, the fuel cell can resume the normal operation process (step S1).

上述した本発明の一実施形態に係る燃料電池2の運転方法によれば、出力性能回復運転工程(ステップS3)は、燃料電池2に微小負荷を与えるとともに、燃料電池2の電池電圧が一定となるように、負荷を増大させ、電子空乏層223の消失を加速させることができるので、触媒粒子の劣化抑制に伴い出力性能が抑制された燃料電池の出力性能を速やかに回復できる。 According to the method of operating the fuel cell 2 according to the embodiment of the present invention described above, the output performance recovery operation step (step S3) applies a minute load to the fuel cell 2 and keeps the cell voltage of the fuel cell 2 constant. Since the load can be increased to accelerate the disappearance of the electron depletion layer 223, the output performance of the fuel cell whose output performance has been suppressed due to the suppression of deterioration of the catalyst particles can be quickly restored.

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes modifications of the above-described embodiments and modes in which these modes are combined as appropriate.

1 燃料電池システム
2 燃料電池
21 アノード
22 カソード(空気極)
221 粒子担体(担体)
222 触媒粒子(触媒)
223 電子空乏層
23 電解質膜
24 温度計(温度センサ)
25 燃料電池抵抗計
3 水素供給源
31 水素タンク
32 元弁
33 減圧弁
4 空気供給手段
41 空気圧縮機
42 流量計(流量センサ)
5 水素再循環手段
51 水素再循環ポンプ
6 駆動用バッテリ
7 モータ
8 DC/DCコンバータ
9 インバータ
10 制御装置(FCV,ECU)
11 負荷調整手段
12 通常運転制御手段
13 劣化抑制運転制御手段
14 出力性能回復運転制御手段
100 燃料電池自動車
1 fuel cell system 2 fuel cell 21 anode 22 cathode (air electrode)
221 Particle Carriers (Carriers)
222 catalyst particles (catalyst)
223 electron depletion layer 23 electrolyte membrane 24 thermometer (temperature sensor)
25 fuel cell resistance meter 3 hydrogen supply source 31 hydrogen tank 32 main valve 33 pressure reducing valve 4 air supply means 41 air compressor 42 flow meter (flow sensor)
5 Hydrogen Recirculation Means 51 Hydrogen Recirculation Pump 6 Driving Battery 7 Motor 8 DC/DC Converter 9 Inverter 10 Control Device (FCV, ECU)
REFERENCE SIGNS LIST 11 load adjustment means 12 normal operation control means 13 deterioration suppression operation control means 14 output performance recovery operation control means 100 fuel cell vehicle

Claims (5)

アノードとカソードのうち、少なくともカソードにセラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持した電極を用いる燃料電池と、
前記アノードに水素の供給が可能な水素供給源と、
前記カソードに空気の供給が可能であって、前記カソードに供給する空気の流量及び空気の圧力の調整が可能な空気供給手段と、
前記燃料電池に接続される負荷の大きさを調整可能な負荷調整手段と、
前記燃料電池の内部を加湿した状態で水素と空気を供給するように、前記水素供給源と前記空気供給手段を制御する通常運転制御手段と、
前記燃料電池の内部の湿度が前記通常運転制御手段が制御する状態よりも低下し、前記カソードに供給される空気の酸素分圧が前記通常運転制御手段が制御する状態よりも高くなるように、前記空気供給手段を制御する劣化抑制運転制御手段と、
前記燃料電池に微小負荷を与え、その後、前記燃料電池の電池電圧が一定となるように、前記負荷調整手段を制御するとともに、前記カソードに供給される空気が前記通常運転制御手段が制御する状態と同等の圧力となるように、前記空気供給手段を制御する出力性能回復運転制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell using an electrode in which catalyst particles are supported on a ceramic particle carrier, at least for the cathode of the anode and the cathode;
a hydrogen supply source capable of supplying hydrogen to the anode;
air supply means capable of supplying air to the cathode and capable of adjusting the flow rate and pressure of the air supplied to the cathode;
load adjusting means capable of adjusting the magnitude of the load connected to the fuel cell;
normal operation control means for controlling the hydrogen supply source and the air supply means so as to supply hydrogen and air while the inside of the fuel cell is humidified;
so that the humidity inside the fuel cell is lower than the state controlled by the normal operation control means, and the oxygen partial pressure of the air supplied to the cathode is higher than the state controlled by the normal operation control means; deterioration suppression operation control means for controlling the air supply means;
A state in which a minute load is applied to the fuel cell, and then the load adjustment means is controlled so that the cell voltage of the fuel cell becomes constant, and the air supplied to the cathode is controlled by the normal operation control means. and an output performance recovery operation control means for controlling the air supply means so that the pressure becomes equal to the pressure of the fuel cell system.
前記出力性能回復運転制御手段は、前記燃料電池の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に制御を終了す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。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein said output performance recovery operation control means terminates control when a value of cell resistance of said fuel cell converges within a predetermined range. 前記劣化抑制運転制御手段は、前記負荷が前記通常運転制御手段が制御する状態よりも小さくなるように、前記負荷調整手段を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the deterioration suppression operation control means controls the load adjustment means so that the load becomes smaller than the state controlled by the normal operation control means. . アノードとカソードのうち、少なくともカソードにセラミックスの粒子担体に触媒粒子を担持した電極を用いる燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の内部を加湿した状態で空気と水素を供給する通常運転工程と、
前記燃料電池の内部の湿度を前記通常運転工程よりも低下させるとともに、前記燃料電池に供給する空気の酸素分圧を前記通常運転工程よりも増加させ、前記セラミックスの粒子担体の表面に電子空乏層を形成させる劣化抑制運転工程と、
前記燃料電池に微小負荷を与えるとともに、前記燃料電池の電池電圧が一定となるように、負荷を増大させ、前記電子空乏層を消失させる出力性能回復運転工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
A method of operating a fuel cell using an electrode in which catalyst particles are supported on a ceramic particle carrier as at least the cathode of the anode and the cathode,
a normal operation step of supplying air and hydrogen while the interior of the fuel cell is humidified;
The humidity inside the fuel cell is lowered below that in the normal operation process, the oxygen partial pressure of the air supplied to the fuel cell is increased above that in the normal operation process, and an electron depleted layer is formed on the surface of the ceramic particle carrier. A deterioration suppression operation step that forms
an output performance recovery operation step of applying a minute load to the fuel cell and increasing the load so that the cell voltage of the fuel cell becomes constant to eliminate the electron depletion layer;
A method of operating a fuel cell, comprising:
前記出力性能回復運転工程は、前記燃料電池の電池抵抗の値が所定の範囲内に収束した時に終了することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池の運転方法。 5. The method of operating a fuel cell according to claim 4, wherein the output performance recovery operation step ends when the cell resistance of the fuel cell converges within a predetermined range.
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