JP7669776B2 - Fuel cell potential control device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池電位制御装置に関し、さらに詳しくは、燃料電池に対して負荷要求があった時に、要求通りの電力が出力され、発電効率が相対的に高くなり、かつ、カソード触媒の劣化が最小限に抑制されるように、燃料電池を制御することが可能な燃料電池電位制御装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell potential control device, and more specifically, to a fuel cell potential control device capable of controlling a fuel cell so that when a load is required for the fuel cell, the requested power is output, the power generation efficiency is relatively high, and deterioration of the cathode catalyst is minimized.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に触媒を含む触媒層が接合された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)を備えている。触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の触媒粒子を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。
固体高分子形燃料電池において、触媒層の外側には、通常、ガス拡散層が配置されている。ガス拡散層の外側には、さらにガス流路を備えた集電体(セパレータ)が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなMEA、ガス拡散層、及び集電体からなる単セルが複数個積層された構造(燃料電池スタック)を備えている。
A polymer electrolyte fuel cell is equipped with a membrane electrode assembly (MEA) in which catalyst-containing catalyst layers are bonded to both sides of an electrolyte membrane. The catalyst layer is the reaction field for the electrode reaction and is generally made of a composite of carbon carrying catalyst particles such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer).
In a polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer is usually arranged on the outside of the catalyst layer. A current collector (separator) having a gas flow path is further arranged on the outside of the gas diffusion layer. A polymer electrolyte fuel cell usually has a structure (fuel cell stack) in which a plurality of unit cells each consisting of such an MEA, gas diffusion layer, and current collector are stacked.
固体高分子形燃料電池を車載動力源として用いた場合、車両の走行状況に応じて固体高分子形燃料電池の電圧が大きく変動する。固体高分子形燃料電池が低負荷状態にある場合、発電効率は高くなるが、カソード触媒は高電位状態に曝されるためにカソード触媒から触媒成分が溶出しやすくなる。一方、固体高分子形燃料電池が高負荷状態にある場合、発電効率は低くなるが、カソード触媒は低電位状態に曝されるために溶出した触媒成分がカソード触媒の表面に再析出しやすくなる。そのため、カソード触媒が高電位状態と低電位状態に繰り返し曝されると、カソード触媒が次第に劣化するという問題がある。 When a polymer electrolyte fuel cell is used as an on-board power source, the voltage of the polymer electrolyte fuel cell fluctuates greatly depending on the driving conditions of the vehicle. When the polymer electrolyte fuel cell is in a low-load state, the power generation efficiency is high, but the cathode catalyst is exposed to a high potential state, making it easier for catalytic components to dissolve from the cathode catalyst. On the other hand, when the polymer electrolyte fuel cell is in a high-load state, the power generation efficiency is low, but the cathode catalyst is exposed to a low potential state, making it easier for the dissolved catalytic components to re-deposit on the surface of the cathode catalyst. Therefore, if the cathode catalyst is repeatedly exposed to high and low potential states, there is a problem in that the cathode catalyst gradually deteriorates.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、燃料電池の運転ポイントにおける出力電圧が上限電圧値を超えると判断されたときに、運転ポイントにおける出力電圧に代えて上限電位が燃料電池の出力電圧となるように燃料電池を発電させる燃料電池システムが開示されている。
特許文献2には、アイドルストップ状態を解除して低負荷のアイドル状態に燃料電池システムを移行する際に、燃料電池スタックの電圧が所定電圧以下となるように燃料電池スタックから取り出す電流を設定する燃料電池システムが開示されている。
In order to solve this problem, various proposals have been made in the past.
For example,
Patent Document 2 discloses a fuel cell system that sets the current drawn from the fuel cell stack so that the voltage of the fuel cell stack is below a predetermined voltage when the idle stop state is released and the fuel cell system transitions to a low-load idle state.
特許文献3には、燃料電池の起動時に酸化剤極に酸化剤ガスが存在すると判定された場合には、燃料電池の出力電圧を所定の上限値以下に制限する燃料電池システムの制御装置が開示されている。
特許文献4には、燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として高電位回避制御する制御手段を備えた燃料電池システムが開示されている。
Patent document 3 discloses a control device for a fuel cell system that limits the output voltage of the fuel cell to a predetermined upper limit value or lower if it is determined that oxidant gas is present at the oxidant electrode when the fuel cell is started up.
Patent Document 4 discloses a fuel cell system equipped with a control means for controlling the output voltage of the fuel cell to avoid high potential, with an upper limit set to a high potential avoidance voltage that is lower than the open end voltage of the fuel cell.
特許文献5には、燃料電池システムのアイドルストップ状態時に、燃料電池セルの最大セル電圧が予め設定された上限電圧以下となるように酸化剤ガス供給手段を稼動させる燃料電池システムが開示されている。
特許文献6には、コンバータ指令電圧を燃料電池の開放電圧よりも低い高電位回避電圧に維持することにより、燃料電池の総電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する燃料電池システムが開示されている。
Patent Document 5 discloses a fuel cell system in which, when the fuel cell system is in an idle-stop state, an oxidant gas supply means is operated so that the maximum cell voltage of the fuel cell unit is equal to or lower than a preset upper limit voltage.
Patent document 6 discloses a fuel cell system that prevents the total voltage of the fuel cell from exceeding a predetermined high-potential avoidance voltage threshold by maintaining the converter command voltage at a high-potential avoidance voltage that is lower than the open circuit voltage of the fuel cell.
特許文献7には、出力上限値演算手段の出力又は目標発電量演算手段の出力のいずれか小さい方を、燃料電池から取出す出力の指令値とする燃料電池の発電量制御装置が開示されている。
特許文献8には、燃料電池内の電極触媒層の予測される劣化の状態を判定し、判定した劣化状態に応じて、燃料電池の出力電圧の上限値を決定する燃料電池システムが開示されている。
Patent Document 7 discloses a power generation control device for a fuel cell that uses the smaller of the output of an output upper limit value calculation means or the output of a target power generation amount calculation means as a command value for the output to be taken from the fuel cell.
Patent Document 8 discloses a fuel cell system that judges the predicted state of deterioration of an electrode catalyst layer in a fuel cell and determines an upper limit value for the output voltage of the fuel cell depending on the judged state of deterioration.
特許文献9には、システム運転中における燃料電池の下限電圧や上限電圧を、電位変動に伴うカーボン担体の劣化の進行を考慮に入れて設定する燃料電池システムが開示されている。
特許文献10には、燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する制御手段と、蓄電装置の充電状態に応じて高電位回避電圧を可変設定する高電位回避電圧設定手段とを備えた燃料電池システムが開示されている。
Patent Document 9 discloses a fuel cell system in which the lower limit voltage and the upper limit voltage of the fuel cell during system operation are set taking into consideration the progression of deterioration of the carbon support due to potential fluctuations.
Patent Document 10 discloses a fuel cell system equipped with a control means for controlling the operation of the fuel cell with the output voltage of the fuel cell set at an upper limit of a high potential avoidance voltage that is lower than the open end voltage, and a high potential avoidance voltage setting means for variably setting the high potential avoidance voltage according to the charging state of a power storage device.
さらに、特許文献11には、
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、
蓄電装置の充電量が上限充電閾値に到達することが予測される時に、蓄電装置の充電量が上限充電閾値を超えないように燃料電池の下限電位を制御する制御部と
を備えた燃料電池システムが開示されている。
Furthermore, Patent Document 11 states:
A fuel cell that receives a supply of reactant gas and generates electricity;
a power storage device that stores at least a portion of the power generated by the fuel cell;
The present invention discloses a fuel cell system including a control unit that controls the lower limit potential of the fuel cell when it is predicted that the charge amount of the power storage device will reach an upper limit charge threshold so that the charge amount of the power storage device does not exceed the upper limit charge threshold.
燃料電池の劣化は、燃料電池を作動させる範囲(上限電位と下限電位)を定めることである程度抑制することができる。また、これによって、耐久性の向上が期待できる。しかしながら、特許文献1~7は、いずれも燃料電池を作動させる範囲が固定されており、その背反として発電効率の低下や燃料電池の出力密度の低下が生じていた。
発電効率が低下する原因は、燃料電池は低負荷であるほど発電効率が高くなるという特性を持つためである。上限電位を設定すると、効率の良い発電点で燃料電池を使用できず、発電効率が低下する。
また、出力密度が低下する原因は、下限電位を設定すると、燃料電池より掃引できる電力が制限されるためである。
Deterioration of a fuel cell can be suppressed to some extent by defining the range (upper and lower limit potential) in which the fuel cell is operated. This is also expected to improve durability. However, in
The reason for the decrease in power generation efficiency is that the lower the load on a fuel cell, the higher its power generation efficiency. If an upper limit potential is set, the fuel cell cannot be used at the most efficient power generation point, and power generation efficiency decreases.
Moreover, the reason for the decrease in the power density is that when a lower limit potential is set, the power that can be swept from the fuel cell is limited.
一方、特許文献8には、電極触媒層の劣化状態に応じて上限電位を可変させる方法が開示されている。しかしながら、同文献に記載の方法は、変動回数に応じて上限電位を変更することで燃料電池の延命をするに止まっており、高発電効率と高出力密度とを両立させることはできない。
特許文献9には、カーボン担体の劣化状態に応じて上限電位及び下限電位を可変させる方法が開示されている。しかしながら、同文献に記載の方法は、特許文献8と同様に、発電効率と出力密度を両立させることができない。
さらに、特許文献10、11に記載の方法は、蓄電装置の劣化(過充電)を抑制するための方法であり、燃料電池の劣化を抑制するための方法ではない。
On the other hand, Patent Document 8 discloses a method of varying the upper limit potential depending on the deterioration state of the electrode catalyst layer. However, the method described in this document only extends the life of the fuel cell by changing the upper limit potential depending on the number of fluctuations, and is unable to achieve both high power generation efficiency and high output density.
Patent Document 9 discloses a method for varying the upper and lower limit potentials depending on the deterioration state of the carbon support. However, the method described in this document, like Patent Document 8, is unable to achieve both power generation efficiency and output density.
Furthermore, the methods described in Patent Documents 10 and 11 are methods for suppressing deterioration (overcharging) of a power storage device, and are not methods for suppressing deterioration of a fuel cell.
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池に対して負荷要求があった時に、出力密度や発電効率を犠牲にすることなく、カソード触媒の劣化が最小限に抑制されるように、燃料電池を制御することが可能な燃料電池電位制御装置を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide a fuel cell potential control device that can control a fuel cell so that deterioration of the cathode catalyst is minimized without sacrificing output density or power generation efficiency when a load is required for the fuel cell.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池電位制御装置は、
(A)固体高分子形燃料電池に対する負荷要求Pを取得し、前記Pをメモリに記憶させる第1手段と、
(B)少なくとも前記固体高分子形燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)を取得し、前記V(i)を前記メモリに記憶させる第2手段と、
(C)少なくとも前記V(i)に基づいて、前記時刻iにおけるカソード側の貴金属系触媒粒子に含まれる貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)を算出し、前記M(i)を前記メモリに記憶させる第3手段と、
(D)前記M(i)が第1閾値ε1未満(又は前記M(i)が前記ε1以下)である時には、前記固体高分子形燃料電池の電位範囲Vrの上限電位VHを減少させ、及び/又は、前記Vrの下限電位VLを増加させ、
前記M(i)が第2閾値ε2(≧ε1)以上(又は前記M(i)が前記ε2超)である時には、前記VHを増加させ、及び/又は、前記VLを減少させ、
増加又は減少後の前記VH及び/又は前記VLを前記メモリに記憶させる第4手段と、
(E)前記Pに基づいて、出力電流IP及び出力電位VPにより定まる制御点を設定し、前記制御点を前記メモリに記憶させる第5手段と、
(F)VH>VPでない時(又は、VH≧VPでない時)は、時刻(i+1)における電圧V(i+1)として前記VHを出力し、
VL<VPでない時(又は、VL≦VPでない時)は、前記V(i+1)として前記VLを出力し、
VL<VP<VHである時(又は、VL≦VP≦VHである時)は、前記V(i+1)として前記VPを出力する第6手段と
を備えている。
In order to solve the above problems, the fuel cell potential control device according to the present invention comprises:
(A) a first means for acquiring a load requirement P for a polymer electrolyte fuel cell and storing said P in a memory;
(B) a second means for acquiring a total voltage V(i) of at least the solid polymer electrolyte fuel cell at time i and storing the V(i) in the memory;
(C) a third means for calculating a total amount M(i) of precious metal oxide and precious metal hydroxide contained in the cathode-side precious metal-based catalyst particles at the time i based on at least the V(i) and storing the M(i) in the memory;
(D) when the M(i) is less than the first threshold ε 1 (or the M(i) is equal to or less than the ε 1 ), decreasing the upper limit potential VH of the potential range Vr of the polymer electrolyte fuel cell and/or increasing the lower limit potential VL of the potential range Vr ;
When M(i) is equal to or greater than a second threshold ε 2 (≧ε 1 ) (or when M(i) is greater than ε 2 ), increasing V H and/or decreasing V L ;
A fourth means for storing the increased or decreased VH and/or VL in the memory;
(E) a fifth means for setting a control point determined by an output current I P and an output potential V P based on the P, and storing the control point in the memory;
(F) when V H >V P is not satisfied (or when V H ≧V P is not satisfied), output the V H as the voltage V(i+1) at time (i+1);
When V L <V P is not satisfied (or when V L ≦V P is not satisfied), output V L as V(i+1);
and sixth means for outputting V P as V(i+1) when V L <V P <V H (or when V L ≦V P ≦V H ).
カソード側の貴金属系触媒粒子が高電位に曝されると、貴金属系触媒粒子中の貴金属成分が酸化し、貴金属系触媒粒子の表面に貴金属酸化物及び貴金属水酸化物を含む被膜が形成される。時刻iにおける貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)は、燃料電池の作動履歴(主として、燃料電池の時刻iにおける電圧V(i))に依存する。
そのため、燃料電池の作動履歴を逐次取得すると、現時点におけるM(i)、すなわち、貴金属系触媒粒子の表面を被覆する酸化物及び水酸化物の総量を知ることができる。
When the cathode-side precious metal-based catalyst particles are exposed to a high potential, the precious metal components in the precious metal-based catalyst particles are oxidized, and a coating containing precious metal oxides and precious metal hydroxides is formed on the surfaces of the precious metal-based catalyst particles. The total amount M(i) of precious metal oxides and precious metal hydroxides at time i depends on the operating history of the fuel cell (mainly the voltage V(i) of the fuel cell at time i).
Therefore, by successively acquiring the operation history of the fuel cell, it is possible to know M(i) at the current time, that is, the total amount of oxides and hydroxides covering the surfaces of the precious metal-based catalyst particles.
M(i)が小さいことは、貴金属系触媒粒子の表面を被覆する酸化物及び水酸化物の総量が少ないことを意味する。このような場合において、貴金属系触媒粒子に急激な電位変動が作用すると、貴金属成分の溶解・析出が進行し、これによって触媒が劣化する。
そのため、M(i)が小さい場合において、燃料電池の電位範囲Vrを狭くする(すなわち、上限電位VHを減少させ、及び/又は、下限電位VLを増加させる)と、過度の電位変動が抑制される。その結果、貴金属系触媒粒子の劣化を抑制することができる。
A small M(i) means that the total amount of oxides and hydroxides covering the surface of the precious metal catalyst particles is small. In such a case, when a sudden potential change acts on the precious metal catalyst particles, dissolution and precipitation of the precious metal components progresses, which causes the catalyst to deteriorate.
Therefore, when M(i) is small, narrowing the potential range Vr of the fuel cell (i.e., decreasing the upper limit potential VH and/or increasing the lower limit potential VL ) suppresses excessive potential fluctuations, and as a result, deterioration of the precious metal-based catalyst particles can be suppressed.
一方、M(i)が大きいことは、貴金属系触媒粒子の表面を被覆する酸化物及び水酸化物の総量が多いことを意味する。このような場合において、貴金属系触媒粒子に急激な電位変動が作用しても、貴金属成分の溶解・析出が進行しにくい。
そのため、M(i)が大きい場合において、燃料電池の電位範囲Vrを広くする(すなわち、上限電位VHを増加させ、及び/又は、下限電位VLを減少させる)と、貴金属成分の溶解・析出を抑制しながら、要求通りの電力を出力し、あるいは、発電効率の高い運転条件を選択することができる。
On the other hand, a large M(i) means that the total amount of oxides and hydroxides covering the surface of the precious metal catalyst particles is large. In such a case, even if a sudden potential change acts on the precious metal catalyst particles, dissolution and precipitation of the precious metal components are unlikely to proceed.
Therefore, when M(i) is large, by widening the potential range Vr of the fuel cell (i.e., by increasing the upper limit potential VH and/or decreasing the lower limit potential VL ), it is possible to output the required electric power while suppressing the dissolution and deposition of the precious metal components, or to select operating conditions that provide high power generation efficiency.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池電位制御装置]
本発明に係る燃料電池電位制御装置は、
(A)固体高分子形燃料電池に対する負荷要求Pを取得し、前記Pをメモリに記憶させる第1手段と、
(B)少なくとも前記固体高分子形燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)を取得し、前記V(i)を前記メモリに記憶させる第2手段と、
(C)少なくとも前記V(i)に基づいて、前記時刻iにおけるカソード側の貴金属系触媒粒子に含まれる貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)を算出し、前記M(i)を前記メモリに記憶させる第3手段と、
(D)前記M(i)が第1閾値ε1未満(又は前記M(i)が前記ε1以下)である時には、前記固体高分子形燃料電池の電位範囲Vrの上限電位VHを減少させ、及び/又は、前記Vrの下限電位VLを増加させ、
前記M(i)が第2閾値ε2(≧ε1)以上(又は前記M(i)が前記ε2超)である時には、前記VHを増加させ、及び/又は、前記VLを減少させ、
増加又は減少後の前記VH及び/又は前記VLを前記メモリに記憶させる第4手段と、
(E)前記Pに基づいて、出力電流IP及び出力電位VPにより定まる制御点を設定し、前記制御点を前記メモリに記憶させる第5手段と、
(F)VH>VPでない時(又は、VH≧VPでない時)は、時刻(i+1)における電圧V(i+1)として前記VHを出力し、
VL<VPでない時(又は、VL≦VPでない時)は、前記V(i+1)として前記VLを出力し、
VL<VP<VHである時(又は、VL≦VP≦VHである時)は、前記V(i+1)として前記VPを出力する第6手段と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Fuel cell potential control device]
The fuel cell potential control device according to the present invention comprises:
(A) a first means for acquiring a load requirement P for a polymer electrolyte fuel cell and storing said P in a memory;
(B) a second means for acquiring a total voltage V(i) of at least the solid polymer electrolyte fuel cell at time i and storing the V(i) in the memory;
(C) a third means for calculating a total amount M(i) of precious metal oxide and precious metal hydroxide contained in the cathode-side precious metal-based catalyst particles at the time i based on at least the V(i) and storing the M(i) in the memory;
(D) when the M(i) is less than the first threshold ε 1 (or the M(i) is equal to or less than the ε 1 ), decreasing the upper limit potential VH of the potential range Vr of the polymer electrolyte fuel cell and/or increasing the lower limit potential VL of the potential range Vr ;
When M(i) is equal to or greater than a second threshold ε 2 (≧ε 1 ) (or when M(i) is greater than ε 2 ), increasing V H and/or decreasing V L ;
A fourth means for storing the increased or decreased VH and/or VL in the memory;
(E) a fifth means for setting a control point determined by an output current I P and an output potential V P based on the P, and storing the control point in the memory;
(F) when V H >V P is not satisfied (or when V H ≧V P is not satisfied), output the V H as the voltage V(i+1) at time (i+1);
When V L <V P is not satisfied (or when V L ≦V P is not satisfied), output V L as V(i+1);
and sixth means for outputting V P as V(i+1) when V L <V P <V H (or when V L ≦V P ≦V H ).
[1.1. 第1手段]
第1手段は、固体高分子形燃料電池(以下、単に「燃料電池」ともいう)に対する負荷要求Pを取得し、Pをメモリに記憶させるための手段である。燃料電池車両の場合、Pは、アクセル操作等により、システムから燃料電池に要求される負荷に対応する。
本発明において、Pの取得方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。取得されたPは、燃料電池の出力電流IP及び出力電圧VPを決定するために用いられる。この点は、後述する。
[1.1. First means]
The first means is a means for acquiring a load requirement P for a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter also simply referred to as a "fuel cell") and storing in a memory the load requirement P. In the case of a fuel cell vehicle, the load P corresponds to a load required of the fuel cell by the system due to accelerator operation or the like.
In the present invention, the method of acquiring P is not particularly limited, and an optimal method can be selected depending on the purpose. The acquired P is used to determine the output current I P and the output voltage V P of the fuel cell. This will be described later.
[1.2. 第2手段]
第2手段は、少なくとも固体高分子形燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)を取得し、V(i)をメモリに記憶させる手段である。
第2手段は、V(i)に加えて、固体高分子形燃料電池の時刻iにおける電流I(i)及び直流抵抗R(i)を取得し、I(i)及びR(i)をメモリに記憶させる手段を含んでいても良い。
さらに、第2手段は、固体高分子形燃料電池の時刻iにおける温度Te(i)を取得し、これをメモリに記憶させる手段をさらに含んでいても良い。
[1.2. Second means]
The second means is a means for acquiring at least the total voltage V(i) of the polymer electrolyte fuel cell at time i, and storing V(i) in a memory.
The second means may include means for acquiring, in addition to V(i), the current I(i) and DC resistance R(i) of the polymer electrolyte fuel cell at time i, and storing I(i) and R(i) in a memory.
Furthermore, the second means may further include means for acquiring the temperature T e (i) of the polymer electrolyte fuel cell at time i and storing it in a memory.
本発明において、V(i)の取得方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。取得されたV(i)は、時刻iにおけるカソード触媒の触媒電位Vcat(i)の算出に用いられる。
また、I(i)及びR(i)をさらに取得した場合、これらもVcat(i)の算出に用いられる。直流抵抗R(i)の測定方法は、特に限定されないが、電流I(i)あるいは総電圧V(i)に高周波をFDC等で重畳し、測定するのが好ましい。
さらに、Te(i)を取得した場合、Te(i)は、被覆率θ1(i)~θ3(i)の補正、すなわち、M(i)の補正に用いられる。これは、θ1(i)~θ2(i)は、厳密には、Te(i)にも依存するためである。
また、Te(i)は、劣化(溶解、析出)速度にも影響するため、Te(i)に応じてVLやVHを矯正しても良い。この点については、後述する。
In the present invention, the method of acquiring V(i) is not particularly limited, and an optimal method can be selected depending on the purpose. The acquired V(i) is used to calculate the catalytic potential Vcat(i) of the cathode catalyst at time i.
In addition, when I(i) and R(i) are further acquired, these are also used in the calculation of Vcat(i). The method of measuring the DC resistance R(i) is not particularly limited, but it is preferable to superimpose a high frequency on the current I(i) or the total voltage V(i) using an FDC or the like and measure it.
Furthermore, when T e (i) is acquired, T e (i) is used to correct the coverage factors θ 1 (i) to θ 3 (i), that is, to correct M(i), because θ 1 (i) to θ 2 (i) also depend on T e (i), strictly speaking.
In addition, since T e (i) also affects the deterioration (dissolution, precipitation) rate, V L and V H may be corrected according to T e (i), as will be described later.
ここで、「総電圧V(i)」とは、時刻iにおけるスタックの両端の電位差をいう。
「カソード触媒の触媒電位Vcat(i)」とは、厳密には、各単セルのカソードの電位に内部抵抗に起因する電位降下を加えた値をいう。Vcat(i)は、厳密には、V(i)、I(i)、及びR(i)に基づいて算出されるが、R(i)を取得できない時には、V(i)のみを用いた近似計算により算出しても良い。Vcat(i)の算出方法の詳細については、後述する。
Here, "total voltage V(i)" refers to the potential difference across the stack at time i.
Strictly speaking, the "catalytic potential Vcat(i) of the cathode catalyst" refers to the value obtained by adding the potential drop caused by the internal resistance to the potential of the cathode of each single cell. Strictly speaking, Vcat(i) is calculated based on V(i), I(i), and R(i), but when R(i) cannot be obtained, it may be calculated by an approximation calculation using only V(i). Details of the calculation method of Vcat(i) will be described later.
[1.3. 第3手段]
第3手段は、少なくともV(i)に基づいて、時刻iにおけるカソード側の貴金属系触媒粒子に含まれる貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)を算出し、M(i)をメモリに記憶させる手段である。
[1.3. Third means]
The third means is a means for calculating the total amount M(i) of precious metal oxide and precious metal hydroxide contained in the cathode-side precious metal-based catalyst particles at time i based on at least V(i) and storing M(i) in memory.
[1.3.1. 貴金属系触媒粒子]
本発明において、「貴金属系触媒粒子(以下、単に「触媒粒子」ともいう)」とは、貴金属元素を含む金属又は合金からなる粒子であって、酸素還元反応(ORR)に対して活性を持つものをいう。
本発明において、触媒粒子の材料は、ORR活性を示す限りにおいて、特に限定されない。触媒粒子の材料としては、
(a)貴金属(Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)、
(b)2種以上の貴金属元素を含む合金、
(c)1種又は2種以上の貴金属元素と、1種又は2種以上の卑金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Cr、V、Tiなど)とを含む合金
などがある。
[1.3.1. Precious metal catalyst particles]
In the present invention, the term "noble metal-based catalyst particles (hereinafter, simply referred to as "catalyst particles")" refers to particles made of a metal or alloy containing a noble metal element, and which have activity in the oxygen reduction reaction (ORR).
In the present invention, the material of the catalyst particles is not particularly limited as long as it exhibits ORR activity.
(a) Noble metals (Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os),
(b) an alloy containing two or more precious metal elements;
(c) Alloys containing one or more precious metal elements and one or more base metal elements (e.g., Fe, Co, Ni, Cr, V, Ti, etc.).
[1.3.2. Vcat(i)の算出]
M(i)は、触媒粒子の作動履歴、すなわち、Vcat(i)に依存する。そのため、M(i)を算出するためには、まず、Vcat(i)を算出する必要がある。Vcat(i)は、V(i)の関数であるため、少なくともV(i)を取得すれば、Vcat(i)を算出することができる。Vcat(i)は、具体的には、次の式(1)又は式(2)で表される。
Calculation of Vcat(i)
M(i) depends on the operation history of the catalyst particles, i.e., Vcat(i). Therefore, in order to calculate M(i), it is necessary to first calculate Vcat(i). Since Vcat(i) is a function of V(i), Vcat(i) can be calculated by obtaining at least V(i). Specifically, Vcat(i) is expressed by the following formula (1) or formula (2).
Ncellは、前記固体高分子形燃料電池のセルの積層数、
Acellは、前記セルの面積。
N cell is the number of stacked cells of the polymer electrolyte fuel cell,
A cell is the area of the cell.
Vcat(i)は、厳密には式(1)で表される。式(1)中、第1項は、単セルの両端の電位差(セル電圧)を表す。第2項は、単セル当たりの、内部抵抗に起因する電位降下を表す。式(1)を用いると、Vcat(i)を正確に算出することができる。M(i)を正確に算出するためには、Vcat(i)の算出には、式(1)を用いるのが好ましい。
式(2)は、内部抵抗に起因する電位降下を無視したVcat(i)の近似式である。式(2)は、式(1)に比べて計算精度に劣る。しかしながら、式(2)を用いると、R(i)を取得せずに演算できるので、Vcat(i)の演算を簡略化することができる。
Strictly speaking, Vcat(i) is expressed by formula (1). In formula (1), the first term represents the potential difference (cell voltage) across the single cell. The second term represents the potential drop per single cell due to internal resistance. By using formula (1), Vcat(i) can be calculated accurately. In order to accurately calculate M(i), it is preferable to use formula (1) for calculating Vcat(i).
Equation (2) is an approximation of Vcat(i) that ignores the potential drop caused by the internal resistance. Equation (2) is less accurate than Equation (1). However, by using Equation (2), calculation can be performed without acquiring R(i), so that the calculation of Vcat(i) can be simplified.
[1.3.3. 酸化物の種類]
カソード側の触媒粒子が高電位に曝されると、触媒粒子から触媒成分が溶出しやすくなる。一方、触媒粒子が高電位に曝されると、触媒粒子の表面に酸化皮膜(水酸化物を含む)が形成され、触媒粒子からの触媒成分の溶出が抑制される。しかしながら、酸化被膜の形成速度は遅いため、急激にカソードの電位が変動すると、酸化被膜の形成が遅れ、触媒粒子から触媒成分が溶出しやすくなる。すなわち、急激な電位変動が繰り返される環境下で燃料電池を使用し続けると、触媒粒子がやがて劣化する。
換言すれば、カソード側の貴金属系触媒粒子の耐久性は、貴金属系触媒粒子の表面に存在する貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)に依存する。
[1.3.3. Types of oxides]
When the catalyst particles on the cathode side are exposed to a high potential, the catalyst components are more likely to dissolve from the catalyst particles. On the other hand, when the catalyst particles are exposed to a high potential, an oxide film (including hydroxide) is formed on the surface of the catalyst particles, suppressing the dissolution of the catalyst components from the catalyst particles. However, since the rate at which the oxide film forms is slow, if the potential of the cathode fluctuates suddenly, the formation of the oxide film is delayed, and the catalyst components are more likely to dissolve from the catalyst particles. In other words, if the fuel cell is continued to be used in an environment where sudden potential fluctuations are repeated, the catalyst particles will eventually deteriorate.
In other words, the durability of the cathode-side precious metal-based catalyst particles depends on the total amount M(i) of the precious metal oxide and precious metal hydroxide present on the surface of the precious metal-based catalyst particles.
貴金属系触媒粒子の表面に存在する貴金属酸化物は、
(a)貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属酸化物、
(b)貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属水酸化物、及び、
(c)貴金属系触媒粒子の内部に酸素が拡散することによって、粒子の表面直下に形成された貴金属酸化物
に大別される。
The precious metal oxide present on the surface of the precious metal catalyst particles is
(a) a precious metal oxide adsorbed on the surface of a precious metal-based catalyst particle;
(b) a precious metal hydroxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particles; and
(c) precious metal oxides formed just below the surface of the particles as a result of oxygen diffusing into the interior of the precious metal catalyst particles.
図1に、酸化被膜が形成されたPt粒子の断面模式図を示す。Pt粒子が高電位に曝されると、Pt粒子表面に酸化物(水酸化物を含む)が形成される。
この場合、Pt粒子表面の酸化物は、
(a)Pt粒子の表面に吸着しているPt酸化物(PtOad)、
(b)Pt粒子の表面に吸着しているPt水酸化物(PtOHad)、及び、
(c)Pt粒子の内部に酸素が拡散することによって、Pt粒子の表面直下の内部に形成されるPt酸化物(PtOsub)
からなる。
A schematic cross-sectional view of a Pt particle on which an oxide film is formed is shown in Fig. 1. When a Pt particle is exposed to a high potential, an oxide (including a hydroxide) is formed on the surface of the Pt particle.
In this case, the oxide on the surface of the Pt particles is
(a) Pt oxide (PtO ad ) adsorbed on the surface of Pt particles;
(b) Pt hydroxide (PtOH ad ) adsorbed on the surface of the Pt particles; and
(c) Pt oxide (PtO sub ) formed just below the surface of the Pt particle due to oxygen diffusion into the Pt particle.
It consists of:
ここで、PtOadのような貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属酸化物の時刻iにおける被覆率をθ1(i)とする。θ1(i)は、貴金属系触媒粒子の表面積(S0)に対する、貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属酸化物の面積(S1)の比率(=S1/S0)で表される。
同様に、PtOHadのような貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属水酸化物の時刻iにおける被覆率をθ2(i)とする。θ2(i)は、S0に対する、貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属水酸化物の面積(S2)の比率(=S2/S0)で表される。
同様に、PtOsubのような貴金属系触媒粒子の内部に存在している貴金属酸化物の時刻iにおける被覆率をθ3(i)とする。θ3(i)は、S0に対する、貴金属系触媒粒子の内部に存在する貴金属酸化物の面積(S3)の比率(=S3/S0)で表される。
さらに、特に、θ1(i)とθ2(i)の和をθad(i)とする。
Here, the coverage of the precious metal oxide adsorbed on the surface of a precious metal-based catalyst particle such as PtOad at time i is denoted as θ1 (i), which is expressed as the ratio (=S1/ S0 ) of the area ( S1 ) of the precious metal oxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particle to the surface area ( S0 ) of the precious metal-based catalyst particle.
Similarly, the coverage of the precious metal hydroxide adsorbed on the surface of a precious metal-based catalyst particle such as PtOH ad at time i is denoted as θ2 (i), which is expressed as the ratio (= S2 / S0 ) of the area (S2) of the precious metal hydroxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particle to S0 .
Similarly, the coverage of the precious metal oxide present inside a precious metal-based catalyst particle such as PtO sub at time i is defined as θ3 (i), which is expressed as the ratio (= S3 / S0 ) of the area ( S3 ) of the precious metal oxide present inside the precious metal-based catalyst particle to S0 .
Furthermore, in particular, the sum of θ 1 (i) and θ 2 (i) is denoted as θ ad (i).
貴金属系触媒粒子の表面に貴金属酸化物及び/又は貴金属水酸化物が吸着すると、粒子表面からの触媒成分の溶出が抑制される。これは、θad(i)が大きい時には、触媒粒子が高電位に曝されても、触媒粒子が劣化しにくいことを意味している。
図2に、触媒成分の溶出速度に及ぼす被覆率θadの影響を示す。図2より、
(a)触媒粒子が高電位に曝されると、溶出速度が増大すること、及び、
(b)θadが大きくなるほど、溶出速度が低下すること
が分かる。
When a precious metal oxide and/or a precious metal hydroxide is adsorbed on the surface of a precious metal-based catalyst particle, the elution of the catalyst components from the particle surface is suppressed, which means that when θ ad (i) is large, the catalyst particles are less likely to deteriorate even when exposed to a high potential.
FIG. 2 shows the effect of the coverage θ ad on the dissolution rate of the catalyst component.
(a) When catalyst particles are exposed to a high potential, the dissolution rate increases; and
(b) It can be seen that the larger θ ad is, the slower the dissolution rate is.
一方、貴金属系触媒粒子の内部に貴金属酸化物が形成されると、触媒粒子が安定化し、貴金属酸化物が還元されにくくなる。これは、θ3が大きい時には、触媒粒子が低電位に曝されても、触媒粒子表面の酸化物が保持されることを意味している。
図3に、燃料電池電位と酸化還元電流との関係を示す。図3の縦軸は、酸化物(水酸化物を含む。以下、同じ。)の還元電流であり、この値が小さいほど(グラフの下にあるほど)、表面に吸着している酸化物が還元され、θad(i)が減少していることを示す。図3より、θ3(i)が大きいほど、還元電流が減少し始める電位(θad(i)が減少し始める電位)が低電位側にシフトしていることが分かる。これは、θ3(i)が大きくなるほど、触媒粒子が安定化し、酸化物が還元されにくくなるためである。
On the other hand, when a precious metal oxide is formed inside a precious metal catalyst particle, the catalyst particle becomes stable and the precious metal oxide becomes difficult to reduce. This means that when θ3 is large, the oxide on the catalyst particle surface is maintained even if the catalyst particle is exposed to a low potential.
Figure 3 shows the relationship between the fuel cell potential and the redox current. The vertical axis in Figure 3 is the reduction current of oxides (including hydroxides; the same applies below), and the smaller this value (the lower down on the graph), the more the oxides adsorbed on the surface are reduced and θ ad (i) is reduced. Figure 3 shows that the larger θ 3 (i) is, the more the potential at which the reduction current begins to decrease (the potential at which θ ad (i) begins to decrease) shifts to the lower potential side. This is because the larger θ 3 (i) is, the more stable the catalyst particles become, making it more difficult for oxides to be reduced.
すなわち、触媒粒子の劣化(=溶出)を抑制するためには、非酸化状態の割合が大きい時(θad(i)が小さい時)に高電位に曝されないようにするのが好ましい。そのためには、燃料電池の上限電位VHを設定するのが好ましい。
また、発電効率は高電位ほど良いため、触媒粒子を劣化させることなく発電効率を引き上げるためには、長期間に渡り触媒粒子が低電位に曝されないようにする(すなわち、θ3が過度に小さくならないようにする)のが好ましい。そのためには、燃料電池の下限電位VLを設定するのが好ましい。
That is, in order to suppress deterioration (=dissolution) of the catalyst particles, it is preferable to prevent them from being exposed to a high potential when the proportion of the non-oxidized state is large (when θ ad (i) is small). For this purpose, it is preferable to set an upper limit potential VH of the fuel cell.
In addition, since the power generation efficiency is better at higher potentials, in order to increase the power generation efficiency without degrading the catalyst particles, it is preferable to prevent the catalyst particles from being exposed to a low potential for a long period of time (i.e., to prevent θ3 from becoming excessively small). For this purpose, it is preferable to set a lower limit potential VL of the fuel cell.
なお、精度及び効果を最大化するためには、時刻iにおけるθ1(i)、θ2(i)、及びθ3(i)をそれぞれ個別に算出することが望ましい。しかし、θ1(i)~θ3(i)を用いて、時刻iにおける貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)を一般化すると、一般化されたM(i)を用いて燃料電池の電位範囲Vrを容易に制御することができる。 In order to maximize accuracy and effectiveness, it is desirable to calculate θ 1 (i), θ 2 (i), and θ 3 (i) individually at time i. However, if the total amount M(i) of precious metal oxides and precious metal hydroxides at time i is generalized using θ 1 (i) to θ 3 (i), the potential range Vr of the fuel cell can be easily controlled using the generalized M(i).
[1.3.4. M(i)の算出]
時刻iにおけるカソード側の貴金属触媒粒子に含まれる貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)は、具体的には、次の式(3)に基づいて算出するのが好ましい。
1.3.4. Calculation of M(i)
Specifically, the total amount M(i) of the precious metal oxide and precious metal hydroxide contained in the cathode-side precious metal catalyst particles at time i is preferably calculated based on the following formula (3).
但し、
θ1(i)は、時刻iにおける貴金属系触媒粒子の表面に付着している貴金属酸化物の被覆率、
θ2(i)は、時刻iにおける貴金属系触媒粒子の表面に付着している貴金属水酸化物の被覆率、
θ3(i)は、時刻iにおける貴金属系触媒粒子の内部に存在している貴金属酸化物の被覆率、
Γは、単位表面積当たりの最大表面被覆酸素量(定数)、
ΔTは、計算ステップ幅、
α11~α37は、それぞれ、適合係数、
APMは、貴金属系触媒粒子の総表面積。
however,
θ 1 (i) is the coverage of the precious metal oxide adhering to the surface of the precious metal-based catalyst particle at time i;
θ 2 (i) is the coverage of the precious metal hydroxide adhering to the surface of the precious metal-based catalyst particle at time i;
θ 3 (i) is the coverage of the precious metal oxide present inside the precious metal-based catalyst particle at time i;
Γ is the maximum surface coverage of oxygen per unit surface area (constant),
ΔT is the calculation step size,
α 11 to α 37 are the fit coefficients,
A PM is the total surface area of precious metal catalyst particles.
式(3)は、貴金属系触媒粒子の表面に形成された酸化物及び水酸化物の総量を表す。
v1~v3は、各酸化物又は水酸化物(MOad、MOHad、MOsub)の形成・消失の反応速度を表す。
G1~G3は、v1~v3の反応の自由エネルギーを表す。
θ1(i-1)、θ2(i-1)、及びθ3(i-1)は、それぞれ、時刻(i-1)における被覆率であり、既にメモリに記憶されている。θ1(i-1)、θ2(i-1)、及びθ3(i-1)は、初期値が分かれば、逐次計算により算出することができる。また、初期値は、前回停止時の値を保持し、これを初期値として使用してもよい。一般的に、燃料電池の停止時には低電位で保持することが多く、その際、酸化物はすべて還元される。そのため、停止後の初期値は、θ1=θ2=θ3=0としても良い。
α11~α37は、サイクリックボルタンメトリーから算出することができる。
APMは、サイクリックボルタンメトリーより、触媒の反応量を反応電流から積算することにより算出することができる。
そのため、Vcat(i)を取得すれば、式(3)よりM(i)を算出することができる。
Formula (3) represents the total amount of oxides and hydroxides formed on the surface of the precious metal-based catalyst particles.
v 1 to v 3 represent the reaction rates of the formation and disappearance of each oxide or hydroxide (MO ad , MOH ad , MO sub ).
G 1 to G 3 represent the free energies of the reactions of v 1 to v 3 .
θ 1 (i-1), θ 2 (i-1), and θ 3 (i-1) are the coverage rates at time (i-1), and are already stored in memory. θ 1 (i-1), θ 2 (i-1), and θ 3 (i-1) can be calculated by sequential calculations once the initial values are known. The initial values may be retained and used as the values from the previous shutdown. Generally, when a fuel cell is shut down, it is often held at a low potential, and at that time, all oxides are reduced. Therefore, the initial values after shutdown may be θ 1 = θ 2 = θ 3 = 0.
α 11 to α 37 can be calculated from cyclic voltammetry.
A PM can be calculated by integrating the amount of reaction of the catalyst from the reaction current by cyclic voltammetry.
Therefore, if Vcat(i) is obtained, M(i) can be calculated from equation (3).
なお、α12、α13、α22、α23、α32、及びα33は、定数と見なしても良いが、厳密には温度Te(i)に依存する。そのため、第2手段において、燃料電池の時刻iにおける温度Te(i)を取得している場合、Te(i)に応じて、これらの適合係数を補正しても良い。次の(3.1)式に、補正式の一例を示す。
αij=αij
0/Te(i) …(3.1)
但し、
αij
0は、適合係数αijの基準値、
i=1、2、又は3、j=2、又は3。
Although α 12 , α 13 , α 22 , α 23 , α 32 , and α 33 may be regarded as constants, strictly speaking, they depend on the temperature T e (i). Therefore, when the second means acquires the temperature T e (i) of the fuel cell at time i, these compatibility coefficients may be corrected according to T e (i). The following formula (3.1) shows an example of the correction formula.
α ij =α ij 0 /T e (i) …(3.1)
however,
α ij 0 is the reference value of the fitting coefficient α ij ,
i = 1, 2, or 3, j = 2 or 3.
同様に、α11、α21、及びα31は、定数と見なしても良いが、厳密には温度Te(i)に依存する。そのため、第2手段において、燃料電池の時刻iにおける温度Te(i)を取得している場合、Te(i)に応じて、これらの適合係数を補正しても良い。次の(3.2)式に、補正式の一例を示す。
αij=kiTe(i)exp(αij
0/Te(i)) …(3.2)
但し、
αij
0は、適合係数αijの基準値、
kiは、速度定数、
i=1、2、又は3、j=1。
αij
0及びkiは、いずれも、温度を変えたサイクリックボルタンメトリーより算出することができる。
Similarly, α 11 , α 21 , and α 31 may be regarded as constants, but strictly speaking they depend on the temperature T e (i). Therefore, when the second means acquires the temperature T e (i) of the fuel cell at time i, these adaptation coefficients may be corrected according to T e (i). An example of the correction formula is shown in the following formula (3.2).
α ij =k i T e (i)exp(α ij 0 /T e (i)) …(3.2)
however,
α ij 0 is the reference value of the fitting coefficient α ij ,
k is the rate constant,
i=1, 2, or 3, j=1.
Both α ij 0 and k i can be calculated by cyclic voltammetry at different temperatures.
[1.4. 第4手段]
第4手段は、
M(i)が第1閾値ε1未満(又はM(i)がε1以下)である時には、固体高分子形燃料電池の電位範囲Vrの上限電位VHを減少させ、及び/又は、Vrの下限電位VLを増加させ、
M(i)が第2閾値ε2(≧ε1)以上(又はM(i)がε2超)である時には、VHを増加させ、及び/又は、VLを減少させ、
増加又は減少後のVH及び/又はVLを前記メモリに記憶させる手段である。
[1.4. Fourth means]
The fourth means is
When M(i) is less than the first threshold ε 1 (or M(i) is equal to or less than ε 1 ), the upper limit potential V H of the potential range V r of the polymer electrolyte fuel cell is decreased and/or the lower limit potential V L of V r is increased;
When M(i) is equal to or greater than a second threshold ε 2 (≧ε 1 ) (or M(i) is greater than ε 2 ), increasing V H and/or decreasing V L ;
The increased or decreased V H and/or V L are stored in the memory.
[1.4.1. 第1閾値]
「第1閾値ε1」とは、燃料電池の電位範囲Vrを縮小するためのM(i)の閾値をいう。ε1の値は、特に限定されるものではなく、触媒粒子の組成、要求される耐久性などに応じて最適な値を選択するのが好ましい。
M(i)が相対的に小さいことは、触媒粒子の表面を保護する酸化物が少ないことを意味する。このような場合において、触媒粒子に急激な電位変動が作用すると、触媒粒子が劣化しやすい。そのため、M(i)がε1未満(又はε1以下)である場合には、Vrを縮小するのが好ましい。Vrの縮小は、上限電位VHの減少、又は、下限電位VLの増加のいずれか一方で行っても良く、あるいは、双方で行っても良い。
なお、本発明において、「M(i)がε1未満(又はε1以下)」というときは、境界上の数値(この場合は、M(i)=ε1)が命題に対して「真」の側、又は「偽」の側のいずれか一方に属していれば良いことを意味する。その他の変数の真偽を判断する場合も同様である。
[1.4.1. First Threshold]
The "first threshold value ε 1 " refers to the threshold value of M(i) for reducing the potential range Vr of the fuel cell. The value of ε 1 is not particularly limited, and it is preferable to select an optimal value depending on the composition of the catalyst particles, the required durability, etc.
A relatively small M(i) means that there is less oxide protecting the surface of the catalyst particle. In such a case, if a sudden potential change acts on the catalyst particle, the catalyst particle is likely to deteriorate. Therefore, when M(i) is less than ε 1 (or ε 1 or less), it is preferable to reduce Vr . The reduction of Vr may be performed by either decreasing the upper limit potential VH or increasing the lower limit potential VL , or both.
In the present invention, when "M(i) is less than ε1 (or equal to or less than ε1 )," it means that the boundary value (in this case, M(i)= ε1 ) belongs to either the "true" side or the "false" side of the proposition. The same applies when judging the truth or falsity of other variables.
[1.4.2. 第2閾値]
「第2閾値ε2」とは、燃料電池の電位範囲Vrを拡大するためのM(i)の閾値をいう。ε2の値は、特に限定されるものではなく、触媒粒子の組成、要求される耐久性などに応じて最適な値を選択するのが好ましい。ε2は、ε1と同一の値であっても良く、あるいは、ε1より大きい値であっても良い。
M(i)が相対的に大きいことは、触媒粒子が相対的に多量の酸化物で保護されていることを意味する。このような場合において、触媒粒子に急激な電位変動が作用しても、触媒粒子は劣化しにくい。そのため、M(i)がε2以上(又はε2超)である場合には、Vrを拡大するのが好ましい。Vrの拡大は、上限電位VHの増加、又は、下限電位VLの減少のいずれか一方で行っても良く、あるいは、双方で行っても良い。
[1.4.2. Second Threshold]
The "second threshold value ε2 " refers to the threshold value of M(i) for expanding the potential range Vr of the fuel cell. The value of ε2 is not particularly limited, and it is preferable to select an optimal value depending on the composition of the catalyst particles, the required durability, etc. ε2 may be the same value as ε1 , or may be a value larger than ε1 .
A relatively large M(i) means that the catalyst particles are protected by a relatively large amount of oxide. In such a case, even if a sudden potential change acts on the catalyst particles, the catalyst particles are unlikely to deteriorate. Therefore, when M(i) is equal to or greater than ε2 (or exceeds ε2 ), it is preferable to increase Vr . The increase in Vr may be performed by either increasing the upper limit potential VH or decreasing the lower limit potential VL , or both.
[1.4.3. 上限電位VH及び下限電位VLの設定]
上述したように、M(i)が大きいときには、発電効率を向上させ、あるいは、出力密度を向上させるために、Vrを拡大するのが好ましい。一方、M(i)が小さい時には、触媒粒子の劣化を抑制するために、Vrを縮小するのが好ましい。さらに、Vrの拡大及び縮小は、VH又はVLのいずれか一方の増減により行っても良く、あるいは、双方の増減により行っても良い。この場合、VHの補正量及びVLの補正量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な補正量を選択することができる。
[1.4.3. Setting of upper limit potential VH and lower limit potential VL ]
As described above, when M(i) is large, it is preferable to increase Vr in order to improve the power generation efficiency or improve the output density. On the other hand, when M(i) is small, it is preferable to reduce Vr in order to suppress the deterioration of the catalyst particles. Furthermore, the increase and decrease of Vr may be performed by increasing or decreasing either VH or VL , or may be performed by increasing or decreasing both. In this case, the correction amount of VH and the correction amount of VL are not particularly limited, and the optimal correction amount can be selected according to the purpose.
一般に、Vcat(i)が大きくなるほど、及び/又は、θad(i)が小さくなるほど、触媒成分の溶出量が多くなる。そのため、VHの補正量は、VHを増加させても触媒成分の溶出量が基準値に比べて増加しない値に設定するのが好ましい。
図4に、被覆率θadと上限電位VHの補正量との関係の一例を示す。図4は、被覆率θadがゼロの時の溶出速度と同一の溶出速度が得られる上限電位VHの補正量を示している。すなわち、各被覆率θadにおいて、補正後の上限電位における溶出速度は同一である。
下限電位VLの補正量も同様であり、VLの補正量は、VLを減少させても、酸化物の還元量が基準値(例えば、θ3がゼロである時の還元量)に比べて増加しない値に設定するのが好ましい。
In general, the larger Vcat(i) and/or the smaller θad (i) is, the greater the amount of eluted catalytic components becomes, and therefore, it is preferable to set the correction amount of VH to a value that does not increase the amount of eluted catalytic components compared to the reference value even if VH is increased.
Fig. 4 shows an example of the relationship between the coverage θ ad and the correction amount of the upper limit potential V H. Fig. 4 shows the correction amount of the upper limit potential V H that can obtain the same dissolution rate as the dissolution rate when the coverage θ ad is zero. In other words, for each coverage θ ad , the dissolution rate at the corrected upper limit potential is the same.
The correction amount of the lower limit potential VL is similar, and it is preferable to set the correction amount of VL to a value that does not increase the amount of reduction of oxides compared to a reference value (for example, the amount of reduction when θ3 is zero) even if VL is reduced.
第4手段は、特に、
次の式(4)に基づいて前記VHを決定する手段、及び/又は、
次の式(5)に基づいて前記VLを決定する手段
を含むものが好ましい。
The fourth means, in particular,
A means for determining the VH based on the following formula (4); and/or
It is preferable that the device includes a means for determining V L based on the following formula (5):
VH0は、上限電位の基準値、
VL0は、下限電位の基準値、
β1~β4は、それぞれ、適合係数。
V H0 is the reference value of the upper limit potential,
V L0 is the reference value of the lower limit potential,
β 1 to β 4 are the fit coefficients, respectively.
VH0が高くなるほど、システムの効率は高くなるが、耐久性は悪くなる。逆に、VHOが低くなるほど、システムの効率は低くなるが、耐久性は高くなる。そのため、システムが要求する効率と耐久性に基づいて、VHOを決定するのが好ましい。
VL0が高くなるほど、最大出力が低下する(すなわち、同じ出力を得るには、体格が大きくなる)が、耐久性は向上する。逆に、VLOが低くなるほど、最大出力は増加するが、耐久性は低下する。そのため、システムが要求する体格と耐久性に基づいて、VLOを決定するのが好ましい。
β1~β4は、システムが要求する耐久性に基づいて決定するのが好ましい。
The higher VHO , the higher the efficiency of the system but the lower the durability. Conversely, the lower VHO , the lower the efficiency of the system but the higher the durability. Therefore, it is preferable to determine VHO based on the efficiency and durability required by the system.
The higher VLO is, the lower the maximum output (i.e., the larger the body size is to obtain the same output), but the durability is improved. Conversely, the lower VLO is, the higher the maximum output is, but the durability is reduced. Therefore, it is preferable to determine VLO based on the body size and durability required by the system.
It is preferable to determine β 1 to β 4 based on the durability required for the system.
式(4)は、触媒成分の溶出速度が基準値VH0におけるそれと同一となる上限電位を表す。式(4)より、θad(i)が大きくなるほど、VHが増加することが分かる。
また、式(5)は、酸化物の還元量が基準値VL0におけるそれと同一となる下限電位を表す。式(5)より、θad(i)が大きくなるほど、及び/又は、θ3が大きくなるほど、VHが低下することが分かる。
そのため、β1~β4を適切な値に設定すると、θ1~θ3の値に応じてVH及び/又はVLを適切に増減することができる。
Equation (4) represents the upper limit potential at which the dissolution rate of the catalyst component becomes the same as that at the reference value V H0 . It can be seen from equation (4) that the larger θ ad (i) becomes, the larger V H increases.
Moreover, formula (5) represents the lower limit potential at which the amount of oxide reduction is the same as that at the reference value V L0 . From formula (5), it can be seen that the larger θ ad (i) and/or the larger θ 3 , the more V H decreases.
Therefore, by setting β 1 to β 4 to appropriate values, it is possible to appropriately increase or decrease V H and/or V L according to the values of θ 1 to θ 3 .
さらに、式(4)及び式(5)において、VL0及びVH0は、定数と見なしても良いが、厳密には温度Te(i)に依存する。そのため、第2手段において、燃料電池の時刻iにおける温度Te(i)を取得している場合、Te(i)に応じてVH0及び/又はVL0を補正しても良い。次の式(6)及び式(7)に、それぞれ、VH0及びVL0の補正式の一例を示す。
VH0=VH0'+β5Te(i)/TH0 …(6)
VL0=VL0'+β6Te(i)/TL0 …(7)
但し、
VH0'は、温度TH0のときの上限電位の基準値(定数)、
VL0'は、温度TL0のときの下限電位の基準値(定数)、
TH0は、上限電位のリファレンス温度(定数)、
TL0は、下限電位のリファレンス温度(定数)、
β5及びβ6は、それぞれ、適合係数。
Furthermore, in formulas (4) and (5), VLO and VHO may be regarded as constants, but strictly speaking they depend on the temperature Te (i). Therefore, in the second means, if the temperature Te (i) of the fuel cell at time i is acquired, VHO and/or VLO may be corrected according to Te (i). The following formulas (6) and (7) show examples of correction formulas for VHO and VLO , respectively.
V H0 =V H0 '+β 5 T e (i)/T H0 ...(6)
V L0 =V L0 '+β 6 T e (i)/T L0 ...(7)
however,
V H0 ' is a reference value (constant) of the upper limit potential at temperature T H0 ,
V L0 ' is a reference value (constant) of the lower limit potential at temperature T L0 ,
T is the reference temperature (constant) of the upper limit potential.
T L0 is the reference temperature (constant) of the lower limit potential.
β 5 and β 6 are the fit coefficients, respectively.
[1.5. 第5手段]
第5手段は、Pに基づいて、出力電流IP及び出力電位VPにより定まる制御点を設定し、制御点をメモリに記憶させる手段である。
「制御点」とは、負荷要求Pに相当する電力が得られ、かつ、発電効率が最も高くなる出力電流IP及び出力電圧VPの組み合わせをいう。
[1.5. Fifth means]
The fifth means is a means for setting a control point determined by the output current I P and the output potential V P on the basis of P, and storing the control point in a memory.
The "control point" refers to a combination of output current I P and output voltage V P that provides power equivalent to the load request P and maximizes power generation efficiency.
図5に、出力電流Iと出力電位Vとの関係、及び、出力電流Iと出力電力Pとの関係を示す。図5に示すように、出力電力(負荷要求P)が決まると、要求された電力を発生させるために必要な出力電流IP及び出力電位VPの組み合わせは、一義的に定まる。 5 shows the relationship between the output current I and the output potential V, and the relationship between the output current I and the output power P. As shown in Fig. 5, when the output power (load requirement P) is determined, the combination of the output current I P and the output potential V P required to generate the required power is uniquely determined.
[1.6. 第6手段]
第6手段は、
VH>VPでない時(又は、VH≧VPでない時)は、時刻(i+1)における電圧V(i+1)として前記VHを出力し、
VL<VPでない時(又は、VL≦VPでない時)は、前記V(i+1)として前記VLを出力し、
VL<VP<VHである時(又は、VL≦VP≦VHである時)は、前記V(i+1)として前記VPを出力する
手段である。
[1.6. Sixth means]
The sixth means is
When V H >V P is not satisfied (or when V H ≧V P is not satisfied), V H is output as a voltage V(i+1) at time (i+1);
When V L <V P is not satisfied (or when V L ≦V P is not satisfied), output V L as V(i+1);
When V L <V P <V H (or when V L ≦V P ≦V H ), this is a means for outputting the V P as the V(i+1).
「VH>VPでない時(又は、VH≧VPでない時)」とは、VPがVH以上(又は、VPがVH超)であることを表す。この場合、燃料電池をVPで作動させると、触媒粒子の劣化が進行する可能性が高い。このような場合には、効率は若干低下する可能性はあるが、燃料電池をVHで作動させるのが好ましい。
「VL<VPでない時(又は、VL≦VPでない時)」とは、VPがVL以下(又は、VPがVL未満)であることを表す。この場合、燃料電池をVPで作動させると、触媒粒子表面に存在する酸化物の還元が過度に進行する可能性が高い。このような場合には、出力密度は若干低下する可能性はあるが、燃料電池をVLで作動させるのが好ましい。
「VL<VP<VHである時(又は、VL≦VP≦VHである時)」とは、VPが許容される電位範囲Vr内にあることを表す。このような場合には、燃料電池をVPで作動させるのが好ましい。なお、境界上の数値(VL及びVH)は、命題に対して「真」の側、又は、「偽」の側のいずれか一方に属していれば良く、例えば、「VL≦VP<VHである時」や「VL<VP≦VHである時」であっても、燃料電池をVPで作動させる場合があることを意味する。
"When VH > VP is not satisfied (or when VH ≥ VP is not satisfied)" means that VP is equal to or greater than VH (or VP exceeds VH ). In this case, if the fuel cell is operated at VP , there is a high possibility that deterioration of the catalyst particles will progress. In such a case, it is preferable to operate the fuel cell at VH , although the efficiency may decrease slightly.
"When VL < VP is not satisfied (or when VL ≦ VP is not satisfied )" means that VP is equal to or less than VL (or VP is less than VL ). In this case, if the fuel cell is operated at VP , there is a high possibility that the reduction of oxides present on the catalyst particle surface will proceed excessively. In such a case, it is preferable to operate the fuel cell at VL , although the power density may decrease slightly.
"When VL < VP < VH (or when VL ≦ VP ≦ VH )" means that VP is within the allowable potential range Vr. In such a case, it is preferable to operate the fuel cell at VP . Note that the boundary values ( VL and VH ) only need to belong to either the "true" side or the "false" side of the proposition, and this means that, for example, even when "when VL ≦ VP < VH " or "when VL < VP ≦ VH" , the fuel cell may be operated at VP .
[2. 電位制御方法]
図6に、本発明に係る電位制御方法のフローチャートを示す。まず、ステップ1(以下、単に「S1」ともいう)において、固体高分子形燃料電池に対する負荷要求Pを取得し、Pをメモリに記憶させる(第1手順)。
[2. Potential Control Method]
6 is a flowchart of the potential control method according to the present invention. First, in step 1 (hereinafter simply referred to as "S1"), a load requirement P for the polymer electrolyte fuel cell is obtained and stored in memory (first procedure).
次に、S2において、少なくとも固体高分子形燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)を取得し、V(i)をメモリに記憶させる(第2手順)。上述したように、S2においては、V(i)に加えて、被覆率θ1(i)~θ3(i)、酸化物及び水酸化物の総量M(i)、上限電位VH、及び/又は、下限電位VLを算出するために必要な各種センサの検出値(例えば、I(i)、R(i)、Te(i)など)をさらに取得しても良い。 Next, in S2, at least the total voltage V(i) of the polymer electrolyte fuel cell at time i is obtained, and V(i) is stored in memory (second procedure). As described above, in S2, in addition to V(i), detection values of various sensors (e.g., I(i), R(i), T(i), etc. ) required for calculating the coverages θ1 (i) -θ3 (i), the total amount M(i) of oxides and hydroxides, the upper potential VH , and/or the lower potential VL may be further obtained.
次に、S3において、少なくともV(i)に基づいて、時刻iにおけるカソード側の貴金属系触媒粒子に含まれる貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)を算出し、M(i)をメモリに記憶させる(第3手順)。
M(i)は、上述した式(3)に基づいて算出するのが好ましい。式(3)に基づいてM(i)を算出した場合、同時に、θ1(i)~θ3(i)も算出される。θ3、及び、θad(i)(=θ1(i)+θ2(i))は、VH及び/又はVLを決定する際に使用される。式(3)の詳細については上述した通りであるので、説明を省略する。
Next, in S3, the total amount M(i) of precious metal oxides and precious metal hydroxides contained in the cathode-side precious metal-based catalyst particles at time i is calculated based on at least V(i), and M(i) is stored in memory (third step).
It is preferable that M(i) is calculated based on the above-mentioned formula (3). When M(i) is calculated based on the formula (3), θ 1 (i) to θ 3 (i) are also calculated at the same time. θ 3 and θ ad (i) (= θ 1 (i) + θ 2 (i)) are used when determining V H and/or V L. Details of the formula (3) are as described above, so a description thereof will be omitted.
次に、S4において、
M(i)が第1閾値ε1未満(又はM(i)がε1以下)である時には、固体高分子形燃料電池の電位範囲Vrの上限電位VHを減少させ、及び/又は、Vrの下限電位VLを増加させ、
M(i)が第2閾値ε2(≧ε1)以上(又はM(i)がε2超)である時には、VHを増加させ、及び/又は、VLを減少させ、
増加又は減少後のVH及び/又はVLをメモリに記憶させる(第4手順)。
VH及びVLは、それぞれ、上述した式(4)及び式(5)を用いて算出するのが好ましい。S3において算出されたθad(i)及びθ3(i)を式(4)及び式(5)に代入すると、VH及びVLを算出することができる。式(4)及び式(5)の詳細については上述した通りであるので、説明を省略する。
Next, in S4,
When M(i) is less than the first threshold ε 1 (or M(i) is equal to or less than ε 1 ), the upper limit potential V H of the potential range V r of the polymer electrolyte fuel cell is decreased and/or the lower limit potential V L of V r is increased;
When M(i) is equal to or greater than a second threshold ε 2 (≧ε 1 ) (or M(i) is greater than ε 2 ), increasing V H and/or decreasing V L ;
The increased or decreased VH and/or VL are stored in memory (fourth step).
It is preferable to calculate VH and VL using the above-mentioned formula (4) and formula (5), respectively. VH and VL can be calculated by substituting θad (i) and θ3 (i) calculated in S3 into formula (4) and formula (5). Details of formula (4) and formula (5) are as described above, so their explanation will be omitted.
次に、S5において、Pに基づいて、出力電流IP及び出力電位VPにより定まる制御点を設定し、制御点をメモリに記憶させる(第5手順)。制御点の設定方法については、上述した通りであるので、説明を省略する。 Next, in S5, a control point determined by the output current I P and the output potential V P is set based on P, and the control point is stored in memory (fifth procedure). The method of setting the control point is as described above, and therefore will not be described here.
次に、S6に進む。S6では、VH>VPか否かが判断される。VH>VPでない場合(S6:NO)は、S7に進む。S7では、時刻(i+1)における電圧V(i+1)としてVHを出力する(第6手順)。その後、S8に進む。S8では、制御を継続するか否かが判断される。制御を継続する場合(S8:YES)には、S1に戻り、上述したS1~S8の各ステップを繰り返す。 Next, the process proceeds to S6. In S6, it is determined whether or not V H > V P. If V H > V P is not the case (S6: NO), the process proceeds to S7. In S7, V H is output as the voltage V(i+1) at time (i+1) (sixth procedure). After that, the process proceeds to S8. In S8, it is determined whether or not to continue the control. If the control is to be continued (S8: YES), the process returns to S1, and the above-mentioned steps S1 to S8 are repeated.
一方、S6において、VH>VPである場合(S6:YES)には、S9に進む。S9では、VL<VPであるか否かが判断される。VL<VPでない場合(S9:NO)には、S10に進む。S10では、V(i+1)としてVLを出力する(第6手順)。その後、S8に進む。そして、制御を継続する場合(S8:YES)には、S1に戻り、上述したS1~S10の各ステップを繰り返す。 On the other hand, if V H > V P in S6 (S6: YES), the process proceeds to S9. In S9, it is determined whether or not V L < V P. If V L < V P is not true (S9: NO), the process proceeds to S10. In S10, V L is output as V(i+1) (sixth procedure). After that, the process proceeds to S8. Then, if control is to be continued (S8: YES), the process returns to S1, and the above-mentioned steps S1 to S10 are repeated.
さらに、S9において、VL<VPである場合(S9:YES)には、S11に進む。S11では、V(i+1)としてVPを出力する(第6手順)。そして、制御を修了させる(S8:NO)まで、上述したS1~S11の各ステップを繰り返す。 Furthermore, if V L <V P is satisfied in S9 (S9: YES), the process proceeds to S11. In S11, V P is output as V(i+1) (sixth procedure). Then, the above-mentioned steps S1 to S11 are repeated until the control is completed (S8: NO).
[3. 作用]
カソード側の貴金属系触媒粒子が高電位に曝されると、貴金属系触媒粒子中の貴金属成分が酸化し、貴金属系触媒粒子の表面に貴金属酸化物及び貴金属水酸化物を含む被膜が形成される。時刻iにおける貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)は、燃料電池の作動履歴(主として、燃料電池の時刻iにおける電圧V(i))に依存する。
そのため、燃料電池の作動履歴を逐次取得すると、現時点におけるM(i)、すなわち、貴金属系触媒粒子の表面を被覆する酸化物及び水酸化物の総量を知ることができる。
[3. Action]
When the cathode-side precious metal-based catalyst particles are exposed to a high potential, the precious metal components in the precious metal-based catalyst particles are oxidized, and a coating containing precious metal oxides and precious metal hydroxides is formed on the surfaces of the precious metal-based catalyst particles. The total amount M(i) of precious metal oxides and precious metal hydroxides at time i depends on the operating history of the fuel cell (mainly the voltage V(i) of the fuel cell at time i).
Therefore, by successively acquiring the operation history of the fuel cell, it is possible to know M(i) at the current time, that is, the total amount of oxides and hydroxides covering the surfaces of the precious metal-based catalyst particles.
M(i)が小さいことは、貴金属系触媒粒子の表面を被覆する酸化物及び水酸化物の総量が少ないことを意味する。このような場合において、貴金属系触媒粒子に急激な電位変動が作用すると、貴金属成分の溶解・析出が進行し、これによって触媒が劣化する。
そのため、M(i)が小さい場合において、燃料電池の電位範囲Vrを狭くする(すなわち、上限電位VHを減少させ、及び/又は、下限電位VLを増加させる)と、過度の電位変動が抑制される。その結果、貴金属系触媒粒子の劣化を抑制することができる。
A small M(i) means that the total amount of oxides and hydroxides covering the surface of the precious metal catalyst particles is small. In such a case, when a sudden potential change acts on the precious metal catalyst particles, dissolution and precipitation of the precious metal components progresses, which causes the catalyst to deteriorate.
Therefore, when M(i) is small, narrowing the potential range Vr of the fuel cell (i.e., decreasing the upper limit potential VH and/or increasing the lower limit potential VL ) suppresses excessive potential fluctuations, and as a result, deterioration of the precious metal-based catalyst particles can be suppressed.
一方、M(i)が大きいことは、貴金属系触媒粒子の表面を被覆する酸化物及び水酸化物の総量が多いことを意味する。このような場合において、貴金属系触媒粒子に急激な電位変動が作用しても、貴金属成分の溶解・析出が進行しにくい。
そのため、M(i)が大きい場合において、燃料電池の電位範囲Vrを広くする(すなわち、上限電位VHを増加させ、及び/又は、下限電位VLを減少させる)と、貴金属成分の溶解・析出を抑制しながら、要求通りの電力を出力し、あるいは、発電効率の高い運転条件を選択することができる。
On the other hand, a large M(i) means that the total amount of oxides and hydroxides covering the surface of the precious metal catalyst particles is large. In such a case, even if a sudden potential change acts on the precious metal catalyst particles, dissolution and precipitation of the precious metal components are unlikely to proceed.
Therefore, when M(i) is large, by widening the potential range Vr of the fuel cell (i.e., by increasing the upper limit potential VH and/or decreasing the lower limit potential VL ), it is possible to output the required electric power while suppressing the dissolution and deposition of the precious metal components, or to select operating conditions that provide high power generation efficiency.
(実施例1、比較例1)
[1. 試験方法]
カソード触媒がPt粒子である燃料電池システムを所定の条件下で運転した時の、カソード触媒の劣化量、発電効率、及び出力密度をシミュレーションにより算出した。
シミュレーションは、
(a)図6のフローチャートに従って、燃料電池の上限電位VHを0.8V~1.0Vの範囲で可変制御し、かつ、下限電位VLを0.4V~0.7Vの範囲で可変制御した場合(実施例1)、及び、
(b)VHを1.0Vに固定し、VLを0.4Vに固定した場合(比較例1)
について行った。
(Example 1, Comparative Example 1)
1. Test Method
The deterioration amount of the cathode catalyst, the power generation efficiency, and the output density when a fuel cell system in which the cathode catalyst is Pt particles is operated under specified conditions were calculated by simulation.
The simulation is
(a) In accordance with the flowchart of FIG. 6, the upper limit potential VH of the fuel cell is variably controlled within a range of 0.8 V to 1.0 V, and the lower limit potential VL is variably controlled within a range of 0.4 V to 0.7 V (Example 1); and
(b) When VH is fixed at 1.0 V and VL is fixed at 0.4 V (Comparative Example 1)
I followed him.
また、燃料電池の運転条件は、排出ガス測定用のパターンとして一般的に使用されるLA#4モードを使用した。
カソード触媒の劣化量は、図2に示す電位、θad、及び溶出速度の関係から、逐次溶出量を算出し、これを積算することで求めた。
発電効率は、電流量より導き出せる水素の使用量の積算値から見積もられる水素の理想エネルギーと、実際の走行に使用した仕事量の比により求めた。
さらに、出力密度は、下限電位VLの時の出力(最大出力)から求めた。
The fuel cell was operated under the LA#4 mode, which is a commonly used pattern for measuring exhaust gas emissions.
The deterioration amount of the cathode catalyst was obtained by successively calculating the amount of elution from the relationship between the potential, θ ad , and the elution rate shown in FIG. 2, and integrating these amounts.
The power generation efficiency was calculated as the ratio of the ideal energy of hydrogen, estimated from the integrated amount of hydrogen used, which can be derived from the amount of current, to the amount of work actually used during driving.
Furthermore, the output density was determined from the output (maximum output) at the lower limit potential V L .
[2. 結果]
図7に、実施例1及び比較例1の燃料電池システムの劣化量、発電効率、及び出力密度の比較を示す。図7より、本発明に係る方法を用いると、カソード触媒の劣化量は僅かに増加するが、発電効率及び出力密度が向上することが分かる。
2. Results
Fig. 7 shows a comparison of the deterioration amount, power generation efficiency, and power density of the fuel cell systems of Example 1 and Comparative Example 1. It can be seen from Fig. 7 that when the method according to the present invention is used, the deterioration amount of the cathode catalyst increases slightly, but the power generation efficiency and power density are improved.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 The above describes in detail the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係る燃料電池電位制御装置は、燃料電池自動車の発電制御に用いることができる。 The fuel cell potential control device of the present invention can be used to control power generation in fuel cell vehicles.
Claims (6)
(B)少なくとも前記固体高分子形燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)を取得し、前記V(i)を前記メモリに記憶させる第2手段と、
(C)少なくとも前記V(i)に基づいて、前記時刻iにおけるカソード側の貴金属系触媒粒子に含まれる貴金属酸化物及び貴金属水酸化物の総量M(i)を算出し、前記M(i)を前記メモリに記憶させる第3手段と、
(D)前記M(i)が第1閾値ε1未満(又は前記M(i)が前記ε1以下)である時には、前記固体高分子形燃料電池の電位範囲Vrの上限電位VHを減少させ、及び/又は、前記Vrの下限電位VLを増加させ、
前記M(i)が第2閾値ε2(≧ε1)以上(又は前記M(i)が前記ε2超)である時には、前記VHを増加させ、及び/又は、前記VLを減少させ、
増加又は減少後の前記VH及び/又は前記VLを前記メモリに記憶させる第4手段と、
(E)前記Pに基づいて、出力電流IP及び出力電位VPにより定まる制御点を設定し、前記制御点を前記メモリに記憶させる第5手段と、
(F)VH>VPでない時(又は、VH≧VPでない時)は、時刻(i+1)における電圧V(i+1)として前記VHを出力し、
VL<VPでない時(又は、VL≦VPでない時)は、前記V(i+1)として前記VLを出力し、
VL<VP<VHである時(又は、VL≦VP≦VHである時)は、前記V(i+1)として前記VPを出力する第6手段と
を備えた燃料電池電位制御装置。 (A) a first means for acquiring a load requirement P for a polymer electrolyte fuel cell and storing said P in a memory;
(B) a second means for acquiring a total voltage V(i) of at least the solid polymer electrolyte fuel cell at time i and storing the V(i) in the memory;
(C) a third means for calculating a total amount M(i) of precious metal oxide and precious metal hydroxide contained in the cathode-side precious metal-based catalyst particles at the time i based on at least the V(i) and storing the M(i) in the memory;
(D) when the M(i) is less than the first threshold ε 1 (or the M(i) is equal to or less than the ε 1 ), decreasing the upper limit potential VH of the potential range Vr of the polymer electrolyte fuel cell and/or increasing the lower limit potential VL of the potential range Vr ;
When M(i) is equal to or greater than a second threshold ε 2 (≧ε 1 ) (or when M(i) is greater than ε 2 ), increasing V H and/or decreasing V L ;
A fourth means for storing the increased or decreased VH and/or VL in the memory;
(E) a fifth means for setting a control point determined by an output current I P and an output potential V P based on the P, and storing the control point in the memory;
(F) when V H >V P is not satisfied (or when V H ≧V P is not satisfied), output the V H as the voltage V(i+1) at time (i+1);
When V L <V P is not satisfied (or when V L ≦V P is not satisfied), output V L as V(i+1);
and sixth means for outputting V P as V(i+1) when V L <V P <V H (or when V L ≦V P ≦V H ).
前記第3手段は、
次の式(1)に基づいて、前記時刻iにおける前記固体高分子形燃料電池の触媒電位Vcat(i)を算出し、
次の式(3)に基づいて、前記M(i)を算出する手段を含む
請求項1に記載の燃料電池電位制御装置。
Ncellは、前記固体高分子形燃料電池のセルの積層数、
Acellは、前記セルの面積。
θ1(i)は、前記時刻iにおける前記貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属酸化物の被覆率、
θ2(i)は、前記時刻iにおける前記貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属水酸化物の被覆率、
θ3(i)は、前記時刻iにおける前記貴金属系触媒粒子の内部に存在している貴金属酸化物の被覆率、
Γは、単位表面積当たりの最大表面被覆酸素量(定数)、
ΔTは、計算ステップ幅、
α11~α37は、それぞれ、適合係数、
APMは、貴金属系触媒粒子の総表面積。 the second means includes means for acquiring, in addition to V(i), a current I(i) and a DC resistance R(i) of the polymer electrolyte fuel cell at the time i, and storing the I(i) and the R(i) in the memory;
The third means is
A catalyst potential Vcat(i) of the polymer electrolyte fuel cell at the time i is calculated based on the following formula (1):
2. The fuel cell potential control device according to claim 1, further comprising a means for calculating M(i) based on the following equation (3):
N cell is the number of stacked cells of the polymer electrolyte fuel cell,
A cell is the area of the cell.
θ 1 (i) is the coverage of the precious metal oxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particle at the time i;
θ 2 (i) is the coverage of the precious metal hydroxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particle at the time i;
θ 3 (i) is the coverage of the precious metal oxide present inside the precious metal-based catalyst particle at the time i;
Γ is the maximum surface coverage of oxygen per unit surface area (constant),
ΔT is the calculation step size,
α 11 to α 37 are the fit coefficients,
A PM is the total surface area of precious metal catalyst particles.
次の式(2)に基づいて、前記時刻iにおける前記固体高分子形燃料電池の触媒電位Vcat(i)を算出し、
次の式(3)に基づいて、前記M(i)を算出する手段を含む
請求項1に記載の燃料電池電位制御装置。
θ1(i)は、前記時刻iにおける前記貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属酸化物の被覆率、
θ2(i)は、前記時刻iにおける前記貴金属系触媒粒子の表面に吸着している貴金属水酸化物の被覆率、
θ3(i)は、前記時刻iにおける前記貴金属系触媒粒子の内部に存在している貴金属酸化物の被覆率、
Γは、単位表面積当たりの最大表面被覆酸素量(定数)、
ΔTは、計算ステップ幅、
α11~α37は、それぞれ、適合係数、
APMは、貴金属系触媒粒子の総表面積。 The third means is
Calculating a catalytic potential Vcat(i) of the polymer electrolyte fuel cell at the time i based on the following formula (2):
2. The fuel cell potential control device according to claim 1, further comprising a means for calculating M(i) based on the following equation (3):
θ 1 (i) is the coverage of the precious metal oxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particle at the time i;
θ 2 (i) is the coverage of the precious metal hydroxide adsorbed on the surface of the precious metal-based catalyst particle at the time i;
θ 3 (i) is the coverage of the precious metal oxide present inside the precious metal-based catalyst particle at the time i;
Γ is the maximum surface coverage of oxygen per unit surface area (constant),
ΔT is the calculation step size,
α 11 to α 37 are the fit coefficients,
A PM is the total surface area of precious metal catalyst particles.
前記第3手段は、前記Te(i)を用いて前記M(i)を補正する手段を含む
請求項2又は3に記載の燃料電池電位制御装置。 the second means further includes means for acquiring a temperature T e (i) of the polymer electrolyte fuel cell at the time i and storing the temperature T e (i) in the memory;
4. The fuel cell potential control device according to claim 2, wherein the third means includes means for correcting the M(i) using the T e (i).
次の式(4)に基づいて前記VHを決定する手段、及び/又は、
次の式(5)に基づいて前記VLを決定する手段
を含む請求項2から4までのいずれか1項に記載の燃料電池電位制御装置。
VH0は、上限電位の基準値、
VL0は、下限電位の基準値、
β1~β4は、それぞれ、適合係数。 The fourth means is
A means for determining the VH based on the following formula (4); and/or
5. The fuel cell potential control device according to claim 2 , further comprising a means for determining V L based on the following equation (5):
V H0 is the reference value of the upper limit potential,
V L0 is the reference value of the lower limit potential,
β 1 to β 4 are the fit coefficients, respectively.
前記第4手段は、前記Te(i)を用いて前記VH0及び/又は前記VL0を補正する手段を含む
請求項5に記載の燃料電池電位制御装置。 the second means further includes means for acquiring a temperature T e (i) of the polymer electrolyte fuel cell at the time i and storing the temperature T e (i) in the memory;
6. The fuel cell potential control device according to claim 5, wherein the fourth means includes means for correcting the V H0 and/or the V L0 using the T e (i).
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