燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備：燃料電池，具備將具有催化劑層的電極配置于高分子電解質(zhì)膜的兩面而成的膜電極組件；以及控制裝置，通過(guò)使所述燃料電池的輸出電壓降低至規(guī)定電壓而實(shí)施所述催化劑層的性能恢復(fù)處理，所述控制裝置預(yù)測(cè)對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)，并基于該預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)決定所述性能恢復(fù)處理的需要與否及內(nèi)容。
【專利說(shuō)明】燃料電池系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有催化劑活性化功能的燃料電池系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池堆是通過(guò)電化學(xué)工藝使燃料氧化，由此將伴隨于氧化反應(yīng)而放出的能量直接變換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池堆具有膜電極組件，該膜電極組件是利用由多孔材料構(gòu)成的一對(duì)電極夾持用于選擇性地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)面而成的。一對(duì)電極分別具有:以吸附保持鉬系的金屬催化劑的碳粉末為主成分并與高分子電解質(zhì)膜接觸的催化劑層；以及形成在催化劑層的表面并同時(shí)具有透氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層。
[0003]在這種燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)在單體電池電壓成為氧化電壓(約0.7V?1.0V)的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域繼續(xù)電池運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)向催化劑層的鉬催化劑表面的氧化皮膜形成，鉬催化劑的有效面積減少，輸出特性會(huì)降低。鑒于這樣的情況，在專利文獻(xiàn)I中提及了如下的處理:在對(duì)燃料電池的要求電力小于規(guī)定值時(shí)，停止向燃料電池堆的空氣(氧化氣體)供給，并且通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器強(qiáng)制性地使燃料電池堆的輸出電壓降低，使單體電池電壓下降至還原電壓(例如0.6V以下)，由此從鉬催化劑表面除去氧化皮膜而使催化劑層的性能恢復(fù)(以下，稱為恢復(fù)處理)。
[0004]而且，在該文獻(xiàn)中也提及了如下情況:對(duì)于以燃料電池系統(tǒng)為車載電源的燃料電池車輛，在燃料電池車輛的行駛速度為規(guī)定值以上的行駛中時(shí)，禁止恢復(fù)處理。
[0005]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2008-192468號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明要解決的課題
[0009]與催化劑層中的氧化皮膜的形成及除去相關(guān)的近年的研究的結(jié)果是，認(rèn)知到了能夠除去氧化皮膜的還原電壓并不僅有一階段，還存在二階段或其以上。例如，存在二階段的還原電壓的情況下，在氧化皮膜中混雜有只要使燃料電池堆的輸出電壓下降至專利文獻(xiàn)I提及的還原電壓(以下，稱為第一還原電壓)就能夠除去的皮膜(以下，稱為I型氧化皮膜)、和不下降至比第一還原電壓低的第二還原電壓則無(wú)法除去的皮膜(以下，稱為II型氧化皮膜)。
[0010]在專利文獻(xiàn)I的恢復(fù)處理中，將能夠除去氧化皮膜的還原電壓(第一還原電壓)假定為僅一階段，因此通過(guò)使燃料電池堆的輸出電壓下降一定時(shí)間至該假定的第一還原電壓，雖然能夠除去I型氧化皮膜，但無(wú)法連II型氧化皮膜也除去。由此，催化劑層的性能恢復(fù)有時(shí)未必充分。
[0011]假設(shè)在恢復(fù)處理中，以連該II型氧化皮膜也除去為目的，而使燃料電池堆的輸出電壓下降至第二還原電壓時(shí)，雖然能估計(jì)到催化劑層的充分的性能恢復(fù)，但是與下降至第一還原電壓的情況相比，單體電池電壓進(jìn)一步降低，因此存在對(duì)高負(fù)荷要求(輸出增加要求)的響應(yīng)性明顯降低的可能。例如，在燃料電池車輛中，若單體電池電壓極端下降，則有時(shí)無(wú)法得到追隨于高負(fù)荷要求時(shí)的油門響應(yīng)的輸出，存在駕駛性能(操縱性能)顯著降低的可能。
[0012]因此，本發(fā)明的課題在于提出一種能夠?qū)?duì)輸出增加要求的響應(yīng)性的影響抑制到最小限度，并實(shí)現(xiàn)催化劑層的性能恢復(fù)的最大化的燃料電池系統(tǒng)。
[0013]用于解決課題的手段
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備:
[0015]燃料電池，具備將具有催化劑層的電極配置于高分子電解質(zhì)膜的兩面而成的膜電極組件；以及
[0016]控制裝置，通過(guò)使所述燃料電池的輸出電壓降低至規(guī)定電壓而實(shí)施所述催化劑層的性能恢復(fù)處理，
[0017]所述控制裝置預(yù)測(cè)對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)，并基于該預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)決定所述性能恢復(fù)處理的需要與否及內(nèi)容。
[0018]在該結(jié)構(gòu)中，能夠根據(jù)預(yù)測(cè)的輸出增加要求的定時(shí)來(lái)決定性能恢復(fù)處理的需要與否及應(yīng)實(shí)施的性能恢復(fù)處理的內(nèi)容(程度)，因此能夠兼顧實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出增加要求的響應(yīng)性的影響的最小化和催化劑層的性能恢復(fù)的最大化。
[0019]在上述結(jié)構(gòu)中，在所述燃料電池的發(fā)電中形成于所述催化劑層的氧化皮膜是混雜有第一氧化皮膜和第二氧化皮膜的氧化皮膜，該第一氧化皮膜是能夠通過(guò)使所述燃料電池的輸出電壓降低至第一皮膜除去電壓而除去的氧化皮膜，該第二氧化皮膜是不使所述燃料電池的輸出電壓降低至比所述第一皮膜除去電壓低的第二皮膜除去電壓則無(wú)法除去的氧化皮膜的情況下，
[0020]所述控制裝置可以在判斷為需要所述性能恢復(fù)處理的情況下，根據(jù)所述預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)變更所述降低的規(guī)定電壓。
[0021]根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在需要性能恢復(fù)處理時(shí)，不是實(shí)施一律的處理，而能夠根據(jù)預(yù)測(cè)的輸出增加要求的定時(shí)，選擇僅將第一氧化皮膜除去，或不僅將第一氧化皮膜除去而且連第二氧化皮膜也除去。因此，能夠高維地兼顧實(shí)現(xiàn)對(duì)響應(yīng)性的影響的最小化和催化劑層的性能恢復(fù)的最大化。
[0022]例如，所述控制裝置可以在預(yù)測(cè)為對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)處于第一規(guī)定時(shí)間的經(jīng)過(guò)之前的情況下，使所述燃料電池的輸出電壓僅下降至所述第一皮膜除去電壓，但在預(yù)測(cè)為對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)處于所述第一規(guī)定時(shí)間的經(jīng)過(guò)之后、或處于比所述第一規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)的第二規(guī)定時(shí)間的經(jīng)過(guò)之后的情況下，使所述燃料電池的輸出電壓下降至所述第二皮膜除去電壓。
[0023]在該結(jié)構(gòu)中，在預(yù)測(cè)到對(duì)燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)近的情況下，使對(duì)輸出增加要求的響應(yīng)性的影響的最小化為最優(yōu)先，而使燃料電池的輸出電壓僅下降至第一皮膜除去電壓，但是在預(yù)測(cè)到對(duì)燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)不太近的情況下，使催化劑層的性能恢復(fù)的最大化為最優(yōu)先而使燃料電池的輸出電壓下降至第二皮膜除去電壓。
[0024]在該結(jié)構(gòu)中，所述控制裝置可以在對(duì)所述燃料電池的輸出要求為規(guī)定值以下(例如，燃料電池系統(tǒng)搭載于車輛的情況的空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)于此情況)時(shí)，使所述燃料電池的輸出電壓下降至所述第二皮膜除去電壓。
[0025]在上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)作為車載電源搭載于燃料電池車輛的情況下，
[0026]所述控制裝置可以基于制動(dòng)器開(kāi)度來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)。
[0027]發(fā)明效果
[0028]根據(jù)本發(fā)明，提供一種能夠?qū)?duì)輸出增加要求的響應(yīng)性的影響抑制為最小限度并實(shí)現(xiàn)催化劑層的性能恢復(fù)的最大化的燃料電池系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖2是構(gòu)成燃料電池堆的單體電池的分解立體圖。
[0031]圖3是表示燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制的一例的時(shí)間圖。
[0032]圖4是表示以制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)規(guī)定的閾值為條件而實(shí)施恢復(fù)處理的步驟的流程圖。
[0033]圖5是表示在制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)了規(guī)定的閾值時(shí)實(shí)施與制動(dòng)器開(kāi)度對(duì)應(yīng)的恢復(fù)處理的步驟的流程圖。
[0034]圖6是圖5的與制動(dòng)器開(kāi)度對(duì)應(yīng)的恢復(fù)處理的一例，是表不制動(dòng)器開(kāi)度與恢復(fù)電壓的關(guān)系的表。
[0035]圖7是圖5的與制動(dòng)器開(kāi)度對(duì)應(yīng)的恢復(fù)處理的一例，是表不制動(dòng)器開(kāi)度與恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系的表。
[0036]圖8是表示在將燃料電池堆的輸出電壓保持為恒定值的情況下，在催化劑層形成的氧化皮膜中的I型氧化皮膜?III型氧化皮膜的各比例隨著經(jīng)過(guò)時(shí)間發(fā)生變化的圖。
[0037]圖9是表示伴隨于燃料電池堆的輸出電壓上下跨規(guī)定的邊界電壓的次數(shù)的增加，在催化劑層形成的氧化皮膜中的I型氧化皮膜及II型氧化皮膜的各比例發(fā)生變化的圖。
[0038]標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0039]11燃料電池系統(tǒng)
[0040]12燃料電池
[0041]24a催化劑層
[0042]25膜電極組件
[0043]60控制器(控制裝置)

【具體實(shí)施方式】
[0044]以下，參照各圖，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。對(duì)于同一裝置，顯示同一標(biāo)號(hào)，省略重復(fù)的說(shuō)明。
[0045](實(shí)施方式I)
[0046]圖1示出實(shí)施方式I的燃料電池系統(tǒng)10的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0047]燃料電池系統(tǒng)10作為搭載于燃料電池車輛的車載電源系統(tǒng)發(fā)揮功能，具備:接受反應(yīng)氣體(燃料氣體、氧化氣體)的供給而發(fā)電的燃料電池堆20 ;用于將作為氧化氣體的空氣向燃料電池堆20供給的氧化氣體供給系統(tǒng)30 ;用于將作為燃料氣體的氫氣向燃料電池堆20供給的燃料氣體供給系統(tǒng)40 ;用于控制電力的充放電的電力系統(tǒng)50 ;以及對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行統(tǒng)一控制的控制器60。
[0048]燃料電池堆20是將多個(gè)單體電池串聯(lián)層疊而成的固體高分子電解質(zhì)型單體電池堆。在燃料電池堆20中，在陽(yáng)極發(fā)生(I)式的氧化反應(yīng)，在陰極發(fā)生(2)式的還原反應(yīng)。作為燃料電池堆20整體而發(fā)生(3)式的起電反應(yīng)。
[0049]H2 — 2H.+2e-…(I)
[0050](1/2) 02+2H.+2e- — H20...(2)
[0051]H2+(1/2) O2 — H20...(3)
[0052]在燃料電池堆20安裝有用于檢測(cè)燃料電池堆20的輸出電壓(FC電壓)的電壓傳感器71、用于檢測(cè)輸出電流(FC電流)的電流傳感器72。
[0053]氧化氣體供給系統(tǒng)30具有:向燃料電池堆20的陰極供給的氧化氣體所流動(dòng)的氧化氣體通路33 ;從燃料電池堆20排出的氧化廢氣所流動(dòng)的氧化廢氣通路34。在氧化氣體通路33設(shè)有:經(jīng)由過(guò)濾器31而從大氣中取入氧化氣體的空氣壓縮器32 ;用于對(duì)由空氣壓縮器32加壓的氧化氣體進(jìn)行加濕的加濕器35 ;以及用于隔斷向燃料電池堆20的氧化氣體供給的隔斷閥Al。
[0054]在氧化廢氣通路34設(shè)有:用于將來(lái)自燃料電池堆20的氧化廢氣排出隔斷的隔斷閥A2 ;用于調(diào)整氧化氣體供給壓的背壓調(diào)整閥A3 ;以及用于在氧化氣體(干氣)與氧化廢氣(濕氣)之間進(jìn)行水分交換的加濕器35。
[0055]燃料氣體供給系統(tǒng)40具有:燃料氣體供給源41 ;從燃料氣體供給源41向燃料電池堆20的陽(yáng)極供給的燃料氣體所流動(dòng)的燃料氣體通路43 ;用于使從燃料電池堆20排出的燃料廢氣返回燃料氣體通路43的循環(huán)通路44 ;將循環(huán)通路44內(nèi)的燃料廢氣向燃料氣體通路43壓送的循環(huán)泵45 ；以及與循環(huán)通路44分支連接的排氣排水通路46。
[0056]燃料氣體供給源41例如由高壓氫罐或儲(chǔ)氫合金等構(gòu)成，積存高壓(例如，35MPa至70MPa)的氫氣。當(dāng)打開(kāi)隔斷閥Hl時(shí)，燃料氣體從燃料氣體供給源41向燃料氣體通路43流出。燃料氣體通過(guò)調(diào)節(jié)器H2、噴射器42而減壓至例如200kPa左右，然后向燃料電池堆20供給。
[0057]在循環(huán)通路44連接有用于將來(lái)自燃料電池堆20的燃料廢氣排出隔斷的隔斷閥H4、從循環(huán)通路44分支的排氣排水通路46。在排氣排水通路46配置有排氣排水閥H5。排氣排水閥H5根據(jù)來(lái)自控制器60的指令而進(jìn)行動(dòng)作，由此將循環(huán)通路44內(nèi)的含有雜質(zhì)的燃料廢氣和水分向外部排出。
[0058]經(jīng)由排氣排水閥H5排出的燃料廢氣與在氧化廢氣通路34中流動(dòng)的氧化廢氣混合，由稀釋器(未圖示)稀釋。循環(huán)泵45借助電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的燃料廢氣向燃料電池堆20循環(huán)供給。
[0059]電力系統(tǒng)50具備DC/DC轉(zhuǎn)換器51、蓄電池52、牽引逆變器53、牽引電動(dòng)機(jī)54、及輔機(jī)類55。DC/DC轉(zhuǎn)換器51具有將從蓄電池52供給的直流電壓升壓并向牽引逆變器53輸出的功能和將燃料電池堆20發(fā)電的直流電力或通過(guò)再生制動(dòng)而牽引電動(dòng)機(jī)54回收的再生電力降壓并向蓄電池52充電的功能。
[0060]蓄電池52作為剩余電力的儲(chǔ)藏源、再生制動(dòng)時(shí)的再生能量?jī)?chǔ)藏源、與燃料電池車輛的加速或減速相伴的負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的能量緩沖器發(fā)揮功能。作為蓄電池52，優(yōu)選例如鎳.鎘蓄電池、鎳.氫蓄電池、鋰二次電池等二次電池。在蓄電池52安裝有用于檢測(cè)其剩余容量即SOC (State of charge)的SOC傳感器。
[0061]牽引逆變器53例如是以脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)的PWM逆變器，按照來(lái)自控制器60的控制指令，將從燃料電池堆20或蓄電池52輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交流電壓，對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)54的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。牽引電動(dòng)機(jī)54例如是三相交流電動(dòng)機(jī)，構(gòu)成燃料電池車輛的動(dòng)力源。
[0062]輔機(jī)類55是在燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)的各部配置的各電動(dòng)機(jī)(例如，泵類等動(dòng)力源)、用于驅(qū)動(dòng)這些電動(dòng)機(jī)的逆變器類、以及各種車載輔機(jī)類(例如，空氣壓縮器、噴射器、冷卻水循環(huán)泵、散熱器等)的總稱。
[0063]控制器60是具備CPU、ROM、RAM及輸入輸出接口的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)燃料電池系統(tǒng)10的各部進(jìn)行控制。例如，控制器60在接收到從點(diǎn)火開(kāi)關(guān)輸出的起動(dòng)信號(hào)IG時(shí)，開(kāi)始燃料電池系統(tǒng)10的運(yùn)轉(zhuǎn),基于從油門傳感器輸出的油門開(kāi)度信號(hào)ACC、從車速傳感器輸出的車速信號(hào)VC等，求出系統(tǒng)整體的要求電力。系統(tǒng)整體的要求電力是車輛行駛電力與輔機(jī)電力的總值。
[0064]輔機(jī)電力包含由車載輔機(jī)類(加濕器、空氣壓縮器、氫泵及冷卻水循環(huán)泵等)消耗的電力、由車輛行駛所需的裝置(變速器、車輪控制裝置、轉(zhuǎn)向裝置、及懸架裝置等)消耗的電力、由配置在乘坐人員空間內(nèi)的裝置(空調(diào)裝置、照明器具及音響等)消耗的電力等。
[0065]控制器60決定燃料電池堆20和蓄電池52的各自的輸出電力的分配，以使燃料電池堆20的發(fā)電量與目標(biāo)電力一致的方式控制氧化氣體供給系統(tǒng)30及燃料氣體供給系統(tǒng)40，并且控制DC/DC轉(zhuǎn)換器51來(lái)調(diào)整燃料電池堆20的輸出電壓，由此控制燃料電池堆20的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(輸出電壓、輸出電流)。
[0066]圖2是構(gòu)成燃料電池堆20的單體電池21的分解立體圖。
[0067]單體電池21由高分子電解質(zhì)膜22、陽(yáng)極23、陰極24、隔板26、27構(gòu)成。陽(yáng)極23及陰極24是從兩側(cè)夾持高分子電解質(zhì)膜22而成為夾心結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散電極。
[0068]由氣體不透過(guò)的導(dǎo)電性構(gòu)件構(gòu)成的隔板26、27再?gòu)膬蓚?cè)夾持該夾心結(jié)構(gòu)，并在與陽(yáng)極23及陰極24之間分別形成燃料氣體及氧化氣體的流路。在隔板26形成截面凹狀的肋 26a。
[0069]通過(guò)使陽(yáng)極23與肋26a抵接，而肋26a的開(kāi)口部被閉塞，形成燃料氣體流路。在隔板27形成有截面凹狀的肋27a。通過(guò)使陰極24與肋27a抵接，而肋27a的開(kāi)口部被閉塞，形成氧化氣體流路。
[0070]陽(yáng)極23以吸附保持鉬系的金屬催化劑(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-N1、Pt-Ru等)的碳粉末為主成分，具有:與高分子電解質(zhì)膜22接觸的催化劑層23a ;形成在催化劑層23a的表面，同時(shí)具有透氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層23b。同樣，陰極24具有催化劑層24a和氣體擴(kuò)散層24b。
[0071]更詳細(xì)而言，催化劑層23a、24a是使吸附保持有鉬或由鉬和其他的金屬構(gòu)成的合金的碳粉向適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑分散，適量添加電解質(zhì)溶液而進(jìn)行糊劑化，并向高分子電解質(zhì)膜22上進(jìn)行網(wǎng)版印刷而得到的催化劑層。氣體擴(kuò)散層23b、24b通過(guò)利用由碳纖維構(gòu)成的線織成的碳布、碳紙、或碳?xì)中纬伞?br> [0072]高分子電解質(zhì)膜22是固體高分子材料、例如由氟系樹(shù)脂形成的質(zhì)子傳導(dǎo)性的離子交換膜，在濕潤(rùn)狀態(tài)下發(fā)揮良好的導(dǎo)電性。通過(guò)高分子電解質(zhì)膜22、陽(yáng)極23及陰極24形成膜電極組件25。
[0073]圖3是表示燃料電池系統(tǒng)10的運(yùn)轉(zhuǎn)控制的時(shí)間圖。
[0074]燃料電池系統(tǒng)10根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷來(lái)切換燃料電池堆20的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，由此實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的提聞。
[0075]例如，燃料電池系統(tǒng)10在發(fā)電效率低的低負(fù)荷區(qū)域(發(fā)電要求小于規(guī)定值的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域)中，將燃料電池堆20的發(fā)電指令值設(shè)定為零而進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)控制，實(shí)施通過(guò)來(lái)自蓄電池52的電力來(lái)供給車輛行駛所需的電力或系統(tǒng)運(yùn)用上所需的電力的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)。需要說(shuō)明的是，在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)中存在高負(fù)荷要求(輸出增加要求)時(shí)若單體電池電壓低，則駕駛性能惡化，因此間歇運(yùn)轉(zhuǎn)中的單體電池電壓保持得較高。
[0076]另一方面，在發(fā)電效率高的高負(fù)荷區(qū)域(發(fā)電要求成為規(guī)定值以上的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域)中，基于油門開(kāi)度或車速等而算出燃料電池堆20的發(fā)電指令值并進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)控制，實(shí)施僅通過(guò)燃料電池堆20產(chǎn)生的發(fā)電電力或通過(guò)燃料電池堆20產(chǎn)生的發(fā)電電力和來(lái)自蓄電池52的電力來(lái)供給車輛行駛所需的電力或系統(tǒng)運(yùn)用上所需的電力的通常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0077]另外，在剛起動(dòng)之后或等待信號(hào)時(shí)那樣的駐停車時(shí)，換言之，在換檔桿進(jìn)入P檔或N檔時(shí)、或雖然進(jìn)入D檔但踏入制動(dòng)器而車速為零時(shí)，燃料電池系統(tǒng)10使燃料電池堆20以駕駛性能確保所需的發(fā)電電壓進(jìn)行發(fā)電，實(shí)施將該發(fā)電電力向蓄電池52充電的空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0078]該空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)那樣的陰極24的電壓保持得較高的情況下，在燃料電池堆20中，催化劑層24a的鉬催化劑存在熔出的可能性，因此將燃料電池堆20的輸出電壓控制為使用上限電壓Vl以下，實(shí)施維持燃料電池堆20的耐久性的高電位回避控制(0C回避運(yùn)轉(zhuǎn))。使用上限電壓Vl例如以每一個(gè)單體電池的電壓成為0.9V左右的方式進(jìn)行設(shè)定。
[0079]圖4是表示以制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)了規(guī)定的閾值為條件而實(shí)施恢復(fù)處理的步驟的流程圖。
[0080]需要說(shuō)明的是，在先前的圖3中，記載了在通常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后的空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(例如，等待信號(hào)時(shí))判斷恢復(fù)處理的需要與否的例子，但是在圖4中，說(shuō)明在通常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中判斷恢復(fù)處理的需要與否的例子。
[0081]控制器60在通常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中(步驟SI)以規(guī)定的周期判斷恢復(fù)處理的需要與否(步驟S3)?；謴?fù)處理的需要與否例如基于從實(shí)施上次恢復(fù)處理的時(shí)刻起的經(jīng)過(guò)時(shí)間對(duì)氧化皮膜形成量(形成后的氧化皮膜的表面積)進(jìn)行時(shí)間積分來(lái)推定、或者參照基于實(shí)驗(yàn)或模擬結(jié)果而作成的映射來(lái)推定氧化皮膜形成量、或者通過(guò)理論計(jì)算來(lái)推定、或者根據(jù)高電位回避控制時(shí)的輸出傾向來(lái)推定，根據(jù)推定到的氧化皮膜形成量是否超過(guò)規(guī)定的閾值進(jìn)行判斷。
[0082]在燃料電池堆20中，如上述的(I)式所示，在陽(yáng)極23生成的氫離子透過(guò)電解質(zhì)膜22而向陰極24移動(dòng)，移動(dòng)到陰極24的氫離子如上述的(2)式所示，與向陰極24供給的氧化氣體中的氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生氧的還原反應(yīng)。其結(jié)果是，氧化皮膜覆蓋催化劑層24a的鉬催化劑表面而有效面積減少，發(fā)電效率(輸出特性)降低。
[0083]恢復(fù)處理是將單體電池電壓以規(guī)定時(shí)間(以下，有時(shí)稱為恢復(fù)時(shí)間)降低至還原電壓(以下，有時(shí)稱為恢復(fù)電壓)，由此將氧化皮膜還原，而從催化劑表面去除氧化皮膜的處理。更詳細(xì)而言，使各單體電池的電壓即燃料電池堆20的輸出電壓下降規(guī)定時(shí)間，由此使輸出電流增加，使催化劑層24a的電化學(xué)反應(yīng)從氧化反應(yīng)區(qū)域向還原反應(yīng)區(qū)域轉(zhuǎn)移而使催化劑活性恢復(fù)。
[0084]在推定的氧化皮膜形成量未超過(guò)規(guī)定的閾值時(shí)(步驟S3為“否”)，返回通常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)(步驟SI)，在超過(guò)了規(guī)定的閾值時(shí)(步驟S3為“是”)，基于從制動(dòng)器傳感器輸出的制動(dòng)器開(kāi)度信號(hào)，判斷制動(dòng)器開(kāi)度是否超過(guò)閾值α (步驟S5)。閾值α設(shè)定為例如5%?10%。
[0085]在制動(dòng)器開(kāi)度未超過(guò)閾值α?xí)r(步驟S5為“否”)，即，在未將制動(dòng)器踏入一定以上時(shí)，處理返回步驟SI。
[0086]在制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)了閾值α?xí)r(步驟S5為“是”)，例如在因等待信號(hào)等而燃料電池堆20的運(yùn)轉(zhuǎn)模式為空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)中且制動(dòng)器開(kāi)度為全開(kāi)時(shí)，進(jìn)行恢復(fù)處理(步驟S7)。
[0087]需要說(shuō)明的是，本實(shí)施方式的恢復(fù)處理與制動(dòng)器開(kāi)度無(wú)關(guān)，都以恒定的恢復(fù)電壓(還原電壓)及恢復(fù)時(shí)間(還原電壓保持時(shí)間)進(jìn)行。
[0088]從催化劑層24a的性能恢復(fù)的最大化的觀點(diǎn)出發(fā)，此時(shí)的恢復(fù)電壓優(yōu)選能夠?qū)⒑笫龅腎I型氧化皮膜或III型氧化皮膜除去的高低程度的電壓。
[0089]如以上說(shuō)明那樣，在本實(shí)施方式中為了允許恢復(fù)處理的實(shí)施，至少需要滿足(I)氧化皮膜形成量超過(guò)了規(guī)定的閾值、及(2)制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)了規(guī)定的閾值α這2個(gè)條件。換言之，即使氧化皮膜形成量超過(guò)了規(guī)定的閾值，只要制動(dòng)器開(kāi)度未超過(guò)規(guī)定的閾值α，也禁止恢復(fù)處理的實(shí)施。
[0090]制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)閾值α的情況是制動(dòng)踏板的踏入量大的情況，因此從此狀態(tài)起被指令高負(fù)荷要求的可能性低，在本實(shí)施方式中，在這樣的高負(fù)荷要求的可能性低時(shí)實(shí)施恢復(fù)處理，由此能實(shí)現(xiàn)催化劑層24a的性能恢復(fù)的最大化，并使對(duì)駕駛性能的影響達(dá)到最小限度。
[0091](實(shí)施方式2)
[0092]圖5是表示制動(dòng)器開(kāi)度超過(guò)了規(guī)定的閾值時(shí)實(shí)施與制動(dòng)器開(kāi)度對(duì)應(yīng)的恢復(fù)處理的步驟的流程圖。
[0093]另外，圖6、7是圖5的與制動(dòng)器開(kāi)度對(duì)應(yīng)的恢復(fù)處理的一例，圖6是表不制動(dòng)器開(kāi)度與恢復(fù)電壓的關(guān)系的表，圖7是表不制動(dòng)器開(kāi)度與恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系的表。
[0094]以下，說(shuō)明圖5的流程圖，但由于該圖的步驟SI?S5與圖4的步驟SI?S5為相同的處理內(nèi)容，因此標(biāo)注同一步驟編號(hào)，并省略此處的說(shuō)明，以下，詳細(xì)說(shuō)明接著步驟S5的步驟S17的處理內(nèi)容。
[0095]在圖4的步驟S7實(shí)施的恢復(fù)處理中，與制動(dòng)器開(kāi)度無(wú)關(guān)地將恢復(fù)電壓及恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為恒定的值，但是在圖5的步驟S17實(shí)施的恢復(fù)處理中，恢復(fù)電壓或/及恢復(fù)時(shí)間根據(jù)制動(dòng)器開(kāi)度進(jìn)行切換。
[0096](恢復(fù)電壓的切換)
[0097]例如圖6所示，制動(dòng)器開(kāi)度彡25%時(shí)的恢復(fù)電壓為0.6V(以下，稱為模式VI)，根據(jù)該恢復(fù)處理，能夠除去后述的I型氧化皮膜。
[0098]另外，25%〈制動(dòng)器開(kāi)度彡50%時(shí)的恢復(fù)電壓為0.4V(以下，稱為模式V2)，根據(jù)該恢復(fù)處理，能夠除去后述的II型氧化皮膜。而且，50%〈制動(dòng)器開(kāi)度時(shí)的恢復(fù)電壓為
0.05V(以下，稱為模式V3)，根據(jù)該恢復(fù)處理，能夠除去后述的III型氧化皮膜。
[0099]I型氧化皮膜、II型氧化皮膜及III型氧化皮膜已知能混雜于I的氧化皮膜中，例如圖8所示，在將燃料電池堆20的輸出電壓保持為恒定的氧化皮膜形成電壓(氧化電壓)時(shí)，伴隨于該保持時(shí)間的增大而氧化皮膜中的比例逐漸變化，且各自的還原電壓的大小關(guān)系滿足以下的關(guān)系。
[0100]<還原電壓的大小關(guān)系>
[0101]I型氧化皮膜(例如，0.65V?0.9V) >11型氧化皮膜(例如，0.4V?0.6V) >111型氧化皮膜(例如，0.05V?0.4V)
[0102]另外，I型氧化皮膜、II型氧化皮膜及III型氧化皮膜已知例如圖9所示那樣(但是，對(duì)于III型氧化皮膜省略了圖示)，伴隨于燃料電池堆20的輸出電壓上下跨規(guī)定的邊界電壓(例如，0.8V)的次數(shù)(以下，稱為循環(huán)數(shù))的增大而氧化皮膜中的比例逐漸變化。
[0103]在該實(shí)施方式中，根據(jù)制動(dòng)器開(kāi)度，換言之，根據(jù)最近油門踏板被踏入而對(duì)燃料電池堆20的要求發(fā)電量增大的可能性的大小，來(lái)切換恢復(fù)電壓。例如，在制動(dòng)器開(kāi)度相對(duì)小的模式Vl時(shí)，與模式V2、V3時(shí)相比，可以說(shuō)是踏入油門踏板的可能性高的狀態(tài)，因此最為考慮對(duì)駕駛性能的影響的最小化而將恢復(fù)電壓設(shè)定為最高電壓，達(dá)到僅將I型氧化膜皮膜除去。
[0104]相對(duì)于此，在制動(dòng)器開(kāi)度相對(duì)大的模式V3時(shí)，與模式Vl、V2時(shí)相比，可以說(shuō)是油門踏板被踏入的可能性極低的狀態(tài)，因此幾乎不用考慮對(duì)駕駛性能的影響，最為考慮催化劑層24a的性能恢復(fù)的最大化而將恢復(fù)電壓設(shè)定為最低電壓，將I型氧化膜皮膜、II型氧化皮膜及III型氧化皮膜全部除去。
[0105]并且，在中間的模式V2的情況下，油門踏板被踏入的可能性比模式Vl的情況低，但是不像模式V3的情況那么低，因此為了盡量以高維兼顧對(duì)駕駛性能的影響和催化劑層24a的性能恢復(fù)，而將恢復(fù)電壓設(shè)定為模式Vl與模式V2之間的電壓，將I型氧化膜皮膜及II型氧化皮膜除去。
[0106](恢復(fù)時(shí)間的切換)
[0107]例如圖7所示，制動(dòng)器開(kāi)度彡10%時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為0.5秒(以下，稱為模式Tl)，10% <制動(dòng)器開(kāi)度彡30%時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為I秒(以下，稱為模式T2) ,30% <制動(dòng)器開(kāi)度時(shí)的恢復(fù)時(shí)間為3秒。
[0108]在該實(shí)施方式中，根據(jù)制動(dòng)器開(kāi)度，換言之，根據(jù)近來(lái)油門踏板被踏入而對(duì)燃料電池堆20的要求發(fā)電量增大的可能性的大小，來(lái)切換恢復(fù)時(shí)間。例如，在制動(dòng)器開(kāi)度相對(duì)小的模式Tl的情況下，與模式T2、3的情況相比，可以說(shuō)是油門踏板被踏入的可能性高的狀態(tài)，因此最為考慮對(duì)駕駛性能的影響的最小化而將恢復(fù)時(shí)間設(shè)定得最短。
[0109]相對(duì)于此，在制動(dòng)器開(kāi)度相對(duì)大的模式Τ3的情況下，與模式Tl、2的情況相比，可以說(shuō)是油門踏板被踏入的可能性極低的狀態(tài)，因此幾乎不用考慮對(duì)駕駛性能的影響，最為考慮催化劑層24a的性能恢復(fù)的最大化而將恢復(fù)時(shí)間設(shè)定得最長(zhǎng)。
[0110]并且，在中間的模式T2的情況下，油門踏板被踏入的可能性比模式Tl的情況低，但是不像模式T3的情況那么低，因此為了盡量以高維兼顧對(duì)駕駛性能的影響和催化劑層24a的性能恢復(fù)，而將恢復(fù)時(shí)間設(shè)定為模式Tl與模式T2之間的時(shí)間。
[0111]在本實(shí)施方式中，氧化皮膜的除去量按照模式Tl、模式T2及模式T3的順序增加。即，在擔(dān)心駕駛性能的惡化的狀況(模式Tl)下，極力縮短單體電池電壓降低的時(shí)間而使駕駛性能優(yōu)先，在幾乎不擔(dān)心駕駛性能的惡化的狀況(模式T2)下，單體電池電壓降低的時(shí)間可以延長(zhǎng)，因此使氧化皮膜除去量的最大化優(yōu)先。
[0112]也可以實(shí)施將圖6及圖7這2個(gè)組合后的恢復(fù)處理。
[0113]例如，制動(dòng)器開(kāi)度< 10%時(shí)的恢復(fù)電壓及恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為0.6V及0.5秒，10% <制動(dòng)器開(kāi)度彡25%時(shí)的恢復(fù)電壓及恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為0.6V及I秒，25% <制動(dòng)器開(kāi)度彡30%時(shí)的恢復(fù)電壓及恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為0.4V及I秒，30% <制動(dòng)器開(kāi)度彡50%時(shí)的恢復(fù)電壓及恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為0.4V及3秒，50% <制動(dòng)器開(kāi)度時(shí)的恢復(fù)電壓及恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為0.05V及3秒，由此實(shí)施恢復(fù)處理。
[0114]需要說(shuō)明的是，在上述的各實(shí)施方式中，作為預(yù)測(cè)對(duì)燃料電池20的輸出增加要求的定時(shí)的方法，例示了根據(jù)搭載有燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池車輛的制動(dòng)器開(kāi)度進(jìn)行預(yù)測(cè)的方式，但是預(yù)測(cè)對(duì)燃料電池20的輸出增加要求的定時(shí)的方式并不局限于該例。例如，可以將換檔桿為P檔、N檔、B檔時(shí)作為制動(dòng)器開(kāi)度為100%的情況，來(lái)預(yù)測(cè)輸出增加要求的定時(shí)。
[0115]另外，在上述的各實(shí)施方式中，例示了使用燃料電池系統(tǒng)10作為車載電源系統(tǒng)的利用方式，但是燃料電池系統(tǒng)10的利用方式并不局限于該例。例如，也可以將燃料電池系統(tǒng)10搭載作為燃料電池車輛以外的移動(dòng)體(機(jī)器人、船舶、飛機(jī)等)的電力源。而且，也可以將本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)10使用作為住宅或大樓等的發(fā)電設(shè)備(固定用發(fā)電系統(tǒng))。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備: 燃料電池，具備將具有催化劑層的電極配置于高分子電解質(zhì)膜的兩面而成的膜電極組件；以及 控制裝置，通過(guò)使所述燃料電池的輸出電壓降低至規(guī)定電壓而實(shí)施所述催化劑層的性能恢復(fù)處理， 所述控制裝置預(yù)測(cè)對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)，并基于該預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)決定所述性能恢復(fù)處理的需要與否及內(nèi)容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述燃料電池的發(fā)電中形成于所述催化劑層的氧化皮膜是混雜有第一氧化皮膜和第二氧化皮膜的氧化皮膜，該第一氧化皮膜是能夠通過(guò)使所述燃料電池的輸出電壓降低至第一皮膜除去電壓而除去的氧化皮膜，該第二氧化皮膜是不使所述燃料電池的輸出電壓降低至比所述第一皮膜除去電壓低的第二皮膜除去電壓則無(wú)法除去的氧化皮膜， 所述控制裝置在判斷為需要所述性能恢復(fù)處理的情況下，根據(jù)所述預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)變更所述降低的規(guī)定電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述控制裝置在預(yù)測(cè)為對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)處于第一規(guī)定時(shí)間的經(jīng)過(guò)之前的情況下，使所述燃料電池的輸出電壓僅下降至所述第一皮膜除去電壓，但在預(yù)測(cè)為對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)處于所述第一規(guī)定時(shí)間的經(jīng)過(guò)之后、或處于比所述第一規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)的第二規(guī)定時(shí)間的經(jīng)過(guò)之后的情況下，使所述燃料電池的輸出電壓下降至所述第二皮膜除去電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在對(duì)所述燃料電池的輸出要求為規(guī)定值以下時(shí)，所述控制裝置使所述燃料電池的輸出電壓下降至所述第二皮膜除去電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng),其中， 所述燃料電池系統(tǒng)作為車載電源搭載于燃料電池車輛， 所述控制裝置基于制動(dòng)器開(kāi)度來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)所述燃料電池的輸出增加要求的定時(shí)。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104137315SQ201280071044
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月1日
【發(fā)明者】松末真明, 池田耕太郎 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社