(57)【要約】【課題】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。【解決手段】燃料電池システムの触媒被毒状態を判定する方法は、燃料電池システムの低負荷電圧の予測値を取得する工程と、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を実測する工程と、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を判定する工程と、を備える。【選択図】図２
2010257810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３１１０８０号公報
【特許文献２】特開２００４−２４１２０１号公報
【特許文献３】特開２００５−８５６６２号公報
【特許文献４】特開平１−１２２５７０号公報
【特許文献５】特開２００７−１０３１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［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。
【０００８】
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。
【０００９】
［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。
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】低負荷電圧の予測曲線を示す説明図である。
【図４】触媒洗浄処理の方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【符号の説明】
【００３２】
１０…燃料電池自動車
１００…燃料電池システム
２００…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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