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在高分子電解質(zhì)膜的兩面而成的膜-電極組件；蓄電裝置，與燃料電池并列地連接于負載；及控制裝置，通過使燃料電池的輸出電壓下降至規(guī)定電壓而實施所述催化劑層的性能恢復處理，在滿足規(guī)定的間歇運轉(zhuǎn)實施條件的情況下，能夠?qū)嵤⑾蛉剂想姵氐陌l(fā)電指令值設(shè)定為零并通過來自蓄電裝置的電力來提供向負載的電力供給的間歇運轉(zhuǎn)，在該間歇運轉(zhuǎn)期間實施性能恢復處理，燃料電池系統(tǒng)中，在需要實施性能恢復處理的情況下，在蓄電裝置的剩余容量為規(guī)定量以下時，控制裝置使間歇運轉(zhuǎn)的實施時機延遲，且實施向蓄電裝置的充電直至剩余容量超過所述規(guī)定量。
【專利說明】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]燃料電池組是通過電化學工藝使燃料氧化、并將伴隨氧化反應(yīng)而放出的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池組具有膜-電極組件，該膜-電極組件利用由多孔材料構(gòu)成的一對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。一對電極分別具有:催化劑層，以負載鉬系金屬催化劑的碳粉末為主要成分，并與高分子電解質(zhì)膜相接；及氣體擴散層，形成在催化劑層的表面，且同時具有通氣性和電子導電性。
[0003]在這種燃料電池系統(tǒng)中，當在單電池電壓成為氧化電壓(約0.7V?1.0V)的運轉(zhuǎn)區(qū)域使電池運轉(zhuǎn)持續(xù)時，通過向催化劑層的鉬催化劑表面形成氧化皮膜，鉬催化劑的有效面積減小，輸出特性有時會降低。鑒于這樣的情況，在專利文獻I中提及了如下的處理:在對燃料電池的要求電力小于規(guī)定值時，停止向燃料電池組供給空氣(氧化氣體)，并通過DC/DC轉(zhuǎn)換器強制性地使燃料電池組的輸出電壓降低，通過使單電池電壓降低至還原電壓(例如0.6V以下)，由此從鉬催化劑表面將氧化皮膜去除而使催化劑層的性能恢復的處理(以下，稱為恢復處理)。
[0004]而且，在該文獻中也提及了如下情況:對于以燃料電池系統(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，禁止恢復處理。
[0005]專利文獻1:日本特開2008-192468號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]恢復處理時，由于單電池電壓比通常負載運轉(zhuǎn)時下降，因此對燃料電池的輸出增加要求、特別是對高負載要求的響應(yīng)性可能顯著下降。例如，在燃料電池車輛中，當由于恢復處理而使單電池電壓下降時，存在無法獲得追隨于高負載要求時的油門響應(yīng)的輸出的情況，駕駛性能(操縱性能)可能顯著降低。
[0007]為了抑制這樣的響應(yīng)性降低，考慮了在間歇運轉(zhuǎn)時進行恢復處理。間歇運轉(zhuǎn)是指，在具備燃料電池及蓄電池作為電力供給源的燃料電池系統(tǒng)中，例如在滿足來自負載的要求電力為規(guī)定值以下那樣的規(guī)定的間歇運轉(zhuǎn)實施條件的情況下，將燃料電池的發(fā)電指令值設(shè)定為零，通過來自蓄電池的電力來提供向負載的供給電力。
[0008]然而，在形成于催化劑層的氧化皮膜量多且需要充分確?；謴吞幚淼膶嵤r間(恢復時間)的情況下，當蓄電池的剩余容量少時，能夠從蓄電池向驅(qū)動馬達供給的電力量受到限制，其結(jié)果是，存在駕駛性能惡化的可能性。而且，當氧化皮膜的量及性質(zhì)的推定不準確時，有時無法充分獲得恢復處理的效果。
[0009]例如，認知到在氧化皮膜中混合存在只要將燃料電池組的輸出電壓降低至專利文獻I提及的還原電壓(以下，稱為第一還原電壓)就能夠去除的皮膜(以下，稱為I型氧化皮膜)、和不降低至比第一還原電壓低的第二還原電壓則無法去除的皮膜(以下，稱為II型氧化皮膜)。
[0010]在專利文獻I的恢復處理中，將能夠去除氧化皮膜的還原電壓(第一還原電壓)僅假定為一階段，因此通過使燃料電池組的輸出電壓下降一定時間而下降至該假定的第一還原電壓，能夠去除I型氧化皮膜，但無法連II型氧化皮膜也去除。由此，催化劑層的性能恢復有時未必充分。
[0011]因此，本發(fā)明目的在于提出一種能夠抑制燃料電池的催化劑層的性能恢復處理后或處理中的響應(yīng)性降低的燃料電池系統(tǒng)。
[0012]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備:
[0013]燃料電池，具備將具有催化劑層的電極配置在高分子電解質(zhì)膜的兩面而成的膜-電極組件；
[0014]蓄電裝置，與所述燃料電池并列地連接于負載；及
[0015]控制裝置，通過使所述燃料電池的輸出電壓下降至規(guī)定電壓而實施所述催化劑層的性能恢復處理，
[0016]在滿足規(guī)定的間歇運轉(zhuǎn)實施條件的情況下，能夠?qū)嵤⑾蛩鋈剂想姵氐陌l(fā)電指令值設(shè)定為零并通過來自所述蓄電裝置的電力來提供向所述負載的電力供給的間歇運轉(zhuǎn)，在該間歇運轉(zhuǎn)期間實施所述性能恢復處理，
[0017]所述燃料電池系統(tǒng)中，
[0018]在需要實施所述性能恢復處理的情況下，在所述蓄電裝置的剩余容量為規(guī)定量以下時，所述控制裝置使所述間歇運轉(zhuǎn)的實施時機延遲，且，實施向所述蓄電裝置的充電直至所述剩余容量超過所述規(guī)定量。
[0019]在該結(jié)構(gòu)中，在間歇運轉(zhuǎn)期間實施催化劑層的性能恢復處理的燃料電池系統(tǒng)中，在判斷為需要實施性能恢復處理、且在蓄電裝置的剩余容量為規(guī)定量以下的情況下，使向蓄電裝置的充電比性能恢復處理的實施優(yōu)先。由此，在間歇運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移后，確保實施了性能恢復處理后或?qū)嵤┢陂g的蓄電裝置的剩余容量，因此能夠使對響應(yīng)性的影響最小化。
[0020]在上述結(jié)構(gòu)中，所述控制裝置可以預測對所述燃料電池的輸出增加要求的時機，基于其預測結(jié)果來決定所述性能恢復處理的內(nèi)容。例如，在作為車載電源而搭載于燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)的情況下，所述控制裝置可以基于所述車輛的行駛狀態(tài)進行對所述燃料電池的輸出增加要求的時機的預測。
[0021]根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在需要催化劑層的性能恢復處理時，不是實施一律的處理，根據(jù)預測的輸出增加要求的時機，能夠調(diào)整形成于催化劑層的氧化皮膜的去除量。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)對響應(yīng)性(在車載燃料電池系統(tǒng)中為駕駛性能)的影響的最小化和催化劑層的性能恢復的最大化這兩者。
[0022]在上述結(jié)構(gòu)中，可以是，當在所述燃料電池的發(fā)電期間形成于所述催化劑層的氧化皮膜是第一氧化皮膜和第二氧化皮膜混存的氧化皮膜，該第一氧化皮膜是能夠通過使所述燃料電池的輸出電壓下降至第一皮膜去除電壓而去除的氧化皮膜，該第二氧化皮膜是不使所述燃料電池的輸出電壓下降至比所述第一皮膜去除電壓低的第二皮膜去除電壓則無法去除的氧化皮膜時，
[0023]在需要實施所述性能恢復處理的情況下，所述控制裝置根據(jù)所述預測結(jié)果來變更使所述燃料電池的輸出電壓下降至的所述規(guī)定電壓。
[0024]在該結(jié)構(gòu)中，在預測為對燃料電池的輸出增加要求的時機近時，使對輸出增加要求的響應(yīng)性的影響的最小化為最優(yōu)先，實施使燃料電池的輸出電壓僅下降至第一皮膜去除電壓這樣的性能恢復處理，在預測為對燃料電池的輸出增加要求的時機不那么近時，可以使催化劑層的性能恢復的最大化為最優(yōu)先而實施使燃料電池的輸出電壓下降至第二皮膜去除電壓這樣的性能恢復處理。
[0025]在上述結(jié)構(gòu)中，可以是，當在所述燃料電池的發(fā)電期間形成于所述催化劑層的氧化皮膜是第一氧化皮膜和第二氧化皮膜混存的氧化皮膜，該第一氧化皮膜是能夠通過使所述燃料電池的輸出電壓下降至第一皮膜去除電壓而去除的氧化皮膜，該第二氧化皮膜是不使所述燃料電池的輸出電壓下降至比所述第一皮膜去除電壓低的第二皮膜去除電壓則無法去除的氧化皮膜時，
[0026]在需要實施所述性能恢復處理的情況下，所述控制裝置根據(jù)所述預測結(jié)果來變更所述性能恢復處理的實施時間。
[0027]在該結(jié)構(gòu)中，在預測為對燃料電池的輸出增加要求的時機近時，可以實施使對輸出增加要求的響應(yīng)性的影響的最小化為最優(yōu)先的實施時間短的性能恢復處理，在預測為對燃料電池的輸出增加要求的時機不那么近時，可以實施使催化劑層的性能恢復的最大化為最優(yōu)先的實施時間長的性能恢復處理。
[0028]發(fā)明效果
[0029]根據(jù)本發(fā)明，提供一種能夠抑制燃料電池的催化劑層的性能恢復處理后或處理中的響應(yīng)性降低的燃料電池系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖2是構(gòu)成燃料電池組的單電池的分解立體圖。
[0032]圖3是表示燃料電池系統(tǒng)的一運轉(zhuǎn)控制例的時間圖。
[0033]圖4是表示將蓄電池的剩余容量超過了規(guī)定閾值的情況作為條件之一而實施恢復處理的次序的流程圖。
[0034]圖5是表示燃料電池的輸出電流與氧化皮膜內(nèi)的II型氧化皮膜的含有比率的關(guān)系的圖。
[0035]圖6是表示在將燃料電池組的輸出電壓保持為一定值的情況下，形成于催化劑層的氧化皮膜中的I型氧化皮膜?III型氧化皮膜的各比例與經(jīng)過時間一起變化的情況的圖。
[0036]圖7是表示伴隨燃料電池組的輸出電壓上下跨過規(guī)定邊界電壓的次數(shù)的增加，使形成于催化劑層的氧化皮膜中的I型氧化皮膜及II型氧化皮膜的各比例變化的情況的圖。
[0037]圖8是表示燃料電池系統(tǒng)的另一運轉(zhuǎn)控制例的時間圖。
[0038]圖9是表示燃料電池系統(tǒng)的又一運轉(zhuǎn)控制例的時間圖。
[0039]附圖標記說明
[0040]11燃料電池系統(tǒng)
[0041]12燃料電池
[0042]24a催化劑層
[0043]25膜-電極組件
[0044]52蓄電池(蓄電裝置)
[0045]60控制器(控制裝置)

【具體實施方式】
[0046]以下，參照各圖，說明本發(fā)明的實施方式。對同一裝置標注同一附圖標記，省略重復的說明。
[0047]圖1示出本發(fā)明的一實施方式的燃料電池系統(tǒng)10的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0048]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)的供給而進行發(fā)電的燃料電池組20 ;用于將作為氧化氣體的空氣向燃料電池組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組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 ;及對系統(tǒng)整體進行總括控制的控制器60。
[0049]燃料電池組20是將多個單電池串聯(lián)層疊而成的固體高分子電解質(zhì)型單電池組。在燃料電池組20中，在陽極發(fā)生(I)式的氧化反應(yīng)，在陰極發(fā)生(2)式的還原反應(yīng)。作為燃料電池組20整體而發(fā)生(3)式的起電反應(yīng)。
[0050]H2 — 2H.+2e-…(I)
[0051 ] (1/2) 02+2H.+2e- — H20...(2)
[0052]H2+(1/2) O2 — H20...(3)
[0053]在燃料電池組20上安裝有用于檢測燃料電池組20的輸出電壓(FC電壓)的電壓傳感器71、和用于檢測輸出電流(FC電流)的電流傳感器72。
[0054]氧化氣體供給系統(tǒng)30具有:向燃料電池組20的陰極供給的氧化氣體所流動的氧化氣體通路33 ;及從燃料電池組20排出的氧化廢氣所流動的氧化廢氣通路34。在氧化氣體通路33上設(shè)有:經(jīng)由過濾器31而從大氣中取入氧化氣體的空氣壓縮器32 ;用于對由空氣壓縮器32加壓的氧化氣體進行加濕的加濕器35 ;及用于隔斷向燃料電池組20的氧化氣體供給的隔斷閥Al。
[0055]在氧化廢氣通路34上設(shè)有:用于將來自燃料電池組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 ;及用于在氧化氣體(干氣)與氧化廢氣(濕氣)之間進行水分交換的加濕器35。
[0056]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向燃料電池組20的陽極供給的燃料氣體所流動的燃料氣體通路43 ;用于使從燃料電池組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壓力輸送的循環(huán)泵45 ;及與循環(huán)通路44分支連接的排氣排水通路46。
[0057]燃料氣體供給源41例如由高壓氫罐或儲氫合金等構(gòu)成，積存高壓(例如，35MPa至70MPa)的氫氣。當打開隔斷閥Hl時，燃料氣體從燃料氣體供給源41向燃料氣體通路43流出。燃料氣體通過調(diào)節(jié)器H2或噴射器42，例如減壓至200kPa左右，并向燃料電池組20供
5口 O
[0058]在循環(huán)通路44上連接有用于將來自燃料電池組20的燃料廢氣排出隔斷的隔斷閥H4、和從循環(huán)通路44分支的排氣排水通路46。在排氣排水通路46上配置有排氣排水閥H5。排氣排水閥H5通過來自控制器60的指令而工作，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。
[0059]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中流動的氧化廢氣混合，由稀釋器(未圖示)稀釋。循環(huán)泵45將循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的燃料廢氣借助電動機驅(qū)動向燃料電池組20循環(huán)供給。
[0060]電力系統(tǒng)50具備DC/DC轉(zhuǎn)換器51、蓄電池(蓄電裝置)52、牽引逆變器53、牽引電動機54、及輔機類55。DC/DC轉(zhuǎn)換器51具有使從蓄電池52供給的直流電壓升壓而向牽引逆變器53輸出的功能、和通過燃料電池組20發(fā)電產(chǎn)生的直流電力或再生制動而對牽引電動機54回收的再生電力進行降壓并向蓄電池52充電的功能。
[0061]蓄電池52作為剩余電力的貯藏源、再生制動時的再生能量貯藏源、伴隨燃料電池車輛的加速或減速而產(chǎn)生的負載變動時的能量緩沖器發(fā)揮功能。作為蓄電池52，例如優(yōu)選鎳.鎘蓄電池、鎳.氫蓄電池、鋰二次電池等二次電池。在蓄電池52上安裝有用于檢測其剩余容量即SOC (State of charge)的SOC傳感器。
[0062]牽引逆變器53例如是以脈寬調(diào)制方式驅(qū)動的PWM逆變器，按照來自控制器60的控制指令，將從燃料電池組20或蓄電池52輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交流電壓，對牽引電動機54的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩進行控制。牽引電動機54例如是三相交流電動機，構(gòu)成燃料電池車輛的動力源。
[0063]輔機類55是在燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)的各部配置的各電動機(例如，泵類等動力源)、用于驅(qū)動這些電動機的逆變器類、以及各種車載輔機類(例如，空氣壓縮器、噴射器、冷卻水循環(huán)泵、散熱器等)的總稱。
[0064]控制器60是具備CPU、ROM、RAM及輸入輸出接口的計算機系統(tǒng)，對燃料電池系統(tǒng)10的各部進行控制。例如，控制器60在接收到從點火開關(guān)輸出的起動信號IG時開始燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn),基于從油門傳感器輸出的油門開度信號ACC、從車速傳感器輸出的車速信號VC等，來求出系統(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電力的總值。
[0065]輔機電力包含由車載輔機類(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、照明器具及音響部分等)消耗的電力坐寸ο
[0066]控制器60決定燃料電池組20與蓄電池52的各自的輸出電力的分配，以使燃料電池組20的發(fā)電量與目標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來調(diào)整燃料電池組20的輸出電壓，由此控制燃料電池組20的運轉(zhuǎn)點(輸出電壓、輸出電流)。
[0067]圖2是構(gòu)成燃料電池組20的單電池21的分解立體圖。
[0068]單電池21由高分子電解質(zhì)膜22、陽極23、陰極24、隔板26、27構(gòu)成。陽極23及陰極24是從兩側(cè)夾持高分子電解質(zhì)膜22而成為夾層結(jié)構(gòu)的擴散電極。
[0069]由氣體不透過的導電性部件構(gòu)成的隔板26、27再從兩側(cè)夾持該夾層結(jié)構(gòu)，并在與陽極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上形成截面凹狀的肋26a。
[0070]通過使陽極23與肋26a抵接，肋26a的開口部被封閉，形成燃料氣體流路。在隔板27上形成有截面凹狀的肋27a。通過使陰極24與肋27a抵接，肋27a的開口部被封閉，形成氧化氣體流路。
[0071]陽極23具有:催化劑層23a，以負載鉬系金屬催化劑(Pt、Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni,Pt-Ru等)的碳粉末為主要成分，與高分子電解質(zhì)膜22相接；及氣體擴散層23b，形成在催化劑層23a的表面，一并具有通氣性和電子導電性。同樣，陰極24具有催化劑層24a和氣體擴散層24b。
[0072]更詳細而言，催化劑層23a、24a使負載有鉬或由鉬和其他金屬構(gòu)成的合金的碳粉向適當?shù)挠袡C溶劑分散，對電解質(zhì)溶液進行適量添加而進行糊劑化，并在高分子電解質(zhì)膜22上進行絲網(wǎng)印刷。氣體擴散層23b、24b通過利用由碳纖維構(gòu)成的線所織成的碳布、碳紙、或碳租形成。
[0073]高分子電解質(zhì)膜22是固體高分子材料、例如由氟系樹脂形成的質(zhì)子傳導性的離子交換膜，在濕潤狀態(tài)下發(fā)揮良好的導電性。通過高分子電解質(zhì)膜22、陽極23及陰極24形成膜-電極組件25。
[0074]圖3是表示燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)控制的時間圖。
[0075]燃料電池系統(tǒng)10根據(jù)運轉(zhuǎn)負載來切換燃料電池組20的運轉(zhuǎn)模式，由此實現(xiàn)發(fā)電效率的提聞。
[0076]例如，在發(fā)電效率高的高負載區(qū)域(發(fā)電要求成為規(guī)定值以上的運轉(zhuǎn)區(qū)域)中，燃料電池系統(tǒng)10實施基于油門開度或車速等來算出燃料電池組20的發(fā)電指令值而進行運轉(zhuǎn)控制、并僅通過燃料電池組20產(chǎn)生的發(fā)電電力或通過燃料電池組20產(chǎn)生的發(fā)電電力和來自蓄電池52的電力來提供車輛行駛所需的電力或系統(tǒng)運用上所需的電力的通常負載運轉(zhuǎn)。
[0077]另一方面，在發(fā)電效率低的低負載區(qū)域(滿足發(fā)電要求小于規(guī)定值的間歇運轉(zhuǎn)實施條件的運轉(zhuǎn)區(qū)域)中，燃料電池系統(tǒng)10實施將燃料電池組20的發(fā)電指令值設(shè)定為零而進行運轉(zhuǎn)控制、并通過來自蓄電池52的電力來提供車輛行駛所需的電力或系統(tǒng)運用上所需的電力的間歇運轉(zhuǎn)。此外，在間歇運轉(zhuǎn)期間存在高負載要求(輸出增加要求)時且當單電池電壓低時，駕駛性能惡化，因此間歇運轉(zhuǎn)期間的單電池電壓被保持得較高。
[0078]另外，燃料電池系統(tǒng)10在剛起動之后或等待信號時那樣的駐停車時，換言之，在換檔桿進入P檔或N檔時、或雖然進入D檔但踏下制動器而使車速為零時，實施以確保駕駛性能所需的發(fā)電電壓使燃料電池組20進行發(fā)電并將其發(fā)電電力向蓄電池52充電的怠速運轉(zhuǎn)。
[0079]該怠速運轉(zhuǎn)時的陰極24的電壓保持得較高的情況下，在燃料電池組20中，催化劑層24a的鉬催化劑存在溶出的可能性，因此實施將燃料電池組20的輸出電壓控制為使用上限電壓Vl以下并維持燃料電池組20的耐久性的高電位回避控制(0C回避運轉(zhuǎn))。使用上限電壓Vl例如對于每一個單電池設(shè)定成使電壓成為0.9V左右。
[0080]圖4是表示將蓄電池52的剩余容量超過規(guī)定閾值的情況作為條件之一而實施恢復處理的次序的流程圖。以下，根據(jù)需要也參照圖3來說明該流程圖。
[0081]控制器60在通常負載運轉(zhuǎn)期間(步驟SI)檢測出指示怠速運轉(zhuǎn)的信號時，使燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從通常負載運轉(zhuǎn)向怠速運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移(步驟S3)。在該怠速運轉(zhuǎn)期間，實施所述OC回避運轉(zhuǎn)。
[0082]此外，作為指示怠速運轉(zhuǎn)的信號的例子，對應(yīng)于在從油門傳感器輸出的油門開度信號ACC表示油門開度為零(油門斷開)的情況、或從制動器傳感器輸出的制動器開度信號表示制動器開度為全開的情況等。
[0083]接下來，判定形成于催化劑層24a的白金催化劑表面的氧化皮膜的總量是否超過規(guī)定量α (步驟S5、在圖3中為時間t2的時機)。該氧化皮膜的總量通過參照例如圖5所示的映射來推定。圖5的映射表示從上次實施的恢復處理起的經(jīng)過時間(橫軸)、燃料電池組20的發(fā)電電流(縱軸)、氧化皮膜的總量及明細(圖5中的實線和虛線)的關(guān)系，基于實驗或模擬結(jié)果而作成，并存儲在控制器60內(nèi)的存儲器中。
[0084]從該圖5可知，隨著從上次實施的恢復處理起的經(jīng)過時間的增大而使燃料電池組20的發(fā)電電流降低、及隨著氧化皮膜中的II型氧化皮膜(在圖5中標記為皮膜2)的增大而相對于從上次實施的恢復處理起的經(jīng)過時間的燃料電池組20的發(fā)電電流的降低率、換言之對催化劑層24a的性能降低的影響增大。
[0085]這種情況還表示與氧化皮膜僅由I型氧化皮膜(在圖5中標記為皮膜I)構(gòu)成的情況相比，氧化皮膜中包含II型氧化皮膜的情況對催化劑層24a的性能降低的影響大，并且，在氧化皮膜中包含II型氧化皮膜的情況下，II型氧化皮膜的含有比率越高，對催化劑層24a的性能降低的影響越大。
[0086]在此，對I型氧化皮膜、II型氧化皮膜及III型氧化皮膜進行補充。這些氧化皮膜可以混合存在于一個氧化皮膜中，例如圖6所示可知，將燃料電池組20的輸出電壓保持為一定的氧化皮膜形成電壓(氧化電壓)時，伴隨其保持時間的增大而氧化皮膜中的比例逐漸變化，且各個還原電壓的大小關(guān)系滿足以下的關(guān)系。
[0087]I型氧化皮膜(例如，0.65V?0.9V)>II型氧化皮膜(例如，0.4V?0.6V) >111型氧化皮膜(例如，0.05V?0.4V)
[0088]另外，I型氧化皮膜、II型氧化皮膜及III型氧化皮膜例如圖7所示(但是，關(guān)于III型氧化皮膜省略圖示)，可知，伴隨燃料電池組20的輸出電壓上下跨過規(guī)定邊界電壓(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。
[0089]在怠速運轉(zhuǎn)期間，如圖3所示，使燃料電池組20進行定電壓發(fā)電，由于該發(fā)電電壓為氧化電壓，因此在催化劑層24a上形成氧化皮膜。因此，控制器60根據(jù)以怠速運轉(zhuǎn)期間的某時刻為起點而從此時起經(jīng)過了規(guī)定時間時的燃料電池組20的發(fā)電電流的降低量，來求出發(fā)電電流的降低率(在圖5中對應(yīng)于直線的斜度)，在步驟S5中，將該發(fā)電電流的降低率適用于圖5的映射，由此求出氧化皮膜的總量和氧化皮膜的明細(例如，II型氧化皮膜的含有比率)(在圖3中為時間tl的時機)。
[0090]在如此求出的氧化皮膜的總量超過規(guī)定量α時(步驟S5為“是”)，原封不動地使怠速運轉(zhuǎn)繼續(xù)(在圖3中，為時間t3的時機)，將燃料電池組20的發(fā)電電力向蓄電池52充電(步驟S7)。并且，在蓄電池的剩余容量為規(guī)定量β (例如，50%)以下時(步驟S9為“否”)，返回步驟S7，繼續(xù)怠速運轉(zhuǎn)而將燃料電池組20的發(fā)電電力向蓄電池52繼續(xù)充電。
[0091]另一方面，在蓄電池的剩余容量(在圖4中標記為S0C)超過規(guī)定量β時(步驟S9為“是”)，使燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從怠速運轉(zhuǎn)向間歇運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移(步驟Sll)。并且，當控制器60檢測出指示間歇運轉(zhuǎn)結(jié)束的信號時，判定氧化皮膜的總量是否超過規(guī)定量α ’ (步驟 S13)。
[0092]該步驟S13中的判定除了作為閾值的規(guī)定量α ’與規(guī)定量α不同以外，與步驟S5中的判定相同，因此省略此處的說明。
[0093]此外，作為指示間歇運轉(zhuǎn)的結(jié)束的信號的例子，對應(yīng)于從油門傳感器輸出的油門開度信號ACC表示規(guī)定開度以上的油門開度(油門接通)的情況等。
[0094]并且，在氧化皮膜的總量超過規(guī)定量α ’時(步驟S13為“是”)，實施恢復處理(步驟S15，在圖3中為時間t4的時機)，然后，使燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從間歇運轉(zhuǎn)向通常負載運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移(步驟S17)。另一方面，在氧化皮膜的總量為規(guī)定量α ’以下時(步驟S13為“否”)，不實施恢復處理，使燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從間歇運轉(zhuǎn)向通常負載運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移(步驟S17)。
[0095]在此，對恢復處理進行補充。
[0096]在燃料電池組20中，如上述的⑴式所示，在陽極23生成的氫離子透過電解質(zhì)膜22而向陰極24移動，移動到陰極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的鉬催化劑表面而使有效面積減少,發(fā)電效率(輸出特性)降低。
[0097]恢復處理是如下處理:將單電池電壓下降規(guī)定時間(以下，有時稱為恢復時間)而下降至還原電壓(以下，有時稱為恢復電壓)，由此將氧化皮膜還原，而從催化劑表面去除氧化皮膜。更詳細而言，使各單電池的電壓即燃料電池組20的輸出電壓下降規(guī)定時間，由此使輸出電流增加，使催化劑層24a的電化學反應(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。
[0098]通過以上的說明可知，步驟S13的判定所使用的規(guī)定量α ’是用于判定恢復處理的需要與否的閾值，相對于此，步驟S5的判定所使用的規(guī)定量α是比規(guī)定量α ’大的值，是在蓄電池52的剩余容量為規(guī)定量β以下時，即使在實施了催化劑層24a的性能恢復所需的充分的恢復處理時，也能夠確保抑制駕駛性能的降低所需的充分的蓄電池52的剩余容量的閾值。
[0099]因此，在氧化皮膜的總量為規(guī)定量α以下時(步驟S5為“否”)，無需繼續(xù)怠速運轉(zhuǎn)而將燃料電池組20的發(fā)電電力向蓄電池52充電，因此在本實施方式中，跳過步驟S7及步驟S9的處理，使燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從怠速運轉(zhuǎn)向間歇運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移(步驟Sll)。
[0100]如以上說明那樣，在本實施方式中，圖4的步驟S5、S7、S9存在主要的特征，因此以下，對步驟S5、S7、S9的說明進行補充。
[0101]在氧化皮膜的總量超過規(guī)定量α時(步驟S5為“是”)，當不執(zhí)行步驟S7及步驟S9的處理而使燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從怠速運轉(zhuǎn)向間歇運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移(步驟Sll)時，恢復處理實施后的蓄電池52的剩余容量不足，可能會帶來駕駛性能的惡化。即，在氧化皮膜的總量多時，恢復處理所需的時間(恢復時間)變長而蓄電池52的放電量增大，因此在突然的高負載要求時，可能會導致蓄電池52的剩余容量不足的事態(tài)。
[0102]然而，在本實施方式中，為了避免這樣的事態(tài)，在氧化皮膜的總量多(即，超過規(guī)定量α )時(步驟S5為“是”)，必然檢測蓄電池52的剩余容量(步驟S9)，在蓄電池52的剩余容量不足(即，為規(guī)定量β以下)時(步驟S9為“否”)，即使在氧化皮膜的總量達到應(yīng)實施恢復處理的量時(步驟S5為“是”)，也不直接向間歇運轉(zhuǎn)(步驟Sll)轉(zhuǎn)移而特意使轉(zhuǎn)移時機延遲，由此使怠速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的向蓄電池52的充電繼續(xù)(步驟S7)。
[0103]S卩，在本實施方式中，在氧化皮膜的總量多(即，超過規(guī)定量α)時(步驟S5為“是”)，與恢復處理的實施相比，使蓄電池52的剩余容量確保優(yōu)先。因此，在間歇運轉(zhuǎn)期間實施恢復時間長的恢復處理，然后即使存在高負載要求的情況下，也能充分確保蓄電池52的剩余容量，因此能確保駕駛性能。
[0104]此外，在圖3所示的實施方式中，說明了在燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從間歇運轉(zhuǎn)向通常負載運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移之后實施恢復處理的例子，但是例如圖8所示，恢復處理的時機可以是燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從怠速運轉(zhuǎn)向間歇運轉(zhuǎn)剛轉(zhuǎn)移之后的時機(時間t5)或間歇運轉(zhuǎn)期間的規(guī)定時機(時間t6)。
[0105]此外，圖8中的虛線表示實施了恢復處理時的單電池電壓的變化。而且，在圖8中，為了便于說明，將在燃料電池系統(tǒng)10的運轉(zhuǎn)狀態(tài)從怠速運轉(zhuǎn)向間歇運轉(zhuǎn)剛轉(zhuǎn)移之后的時機(時間t5)實施恢復處理的情況和在間歇運轉(zhuǎn)期間的規(guī)定時機(時間t6)實施恢復處理的情況這雙方記載在一個圖中。
[0106]在間歇運轉(zhuǎn)期間實施恢復處理時，例如圖9所示，也可以根據(jù)車速來變更恢復電壓。
[0107]此外，圖9中的虛線示出實施了恢復處理時的單電池電壓的變化。而且，在圖9中，為了便于說明，將恢復電壓設(shè)定為V2的第一恢復處理(在圖9中，示出在時間t7的時機實施的情況)和將恢復電壓設(shè)定為比V2低的V3的第二恢復處理(在圖9中，示出在時間t8的時機實施的情況)這雙方記載在一個圖中。
[0108](第一恢復處理)
[0109]在基于從車速傳感器輸出的車速信號VC而檢測出的車速超過規(guī)定值ε時，換言之，在判斷為油門被進一步踏下而存在加速的可能性時(在預測為輸出增加要求時)，將恢復電壓設(shè)定為例如I型氧化皮膜的去除所需的電壓V2，由此盡可能地抑制單電池電壓的降低，能確保駕駛性能。
[0110](第二恢復處理)
[0111]另一方面，在基于從車速傳感器輸出的車速信號VC而檢測出的車速為規(guī)定值ε以下時，換言之，在判斷為油門被進一步踏下而加速的可能性低時(在未預測為輸出增加要求時)，幾乎無需考慮駕駛性能的確保，因此通過使恢復電壓下降至例如II型氧化皮膜或III型氧化皮膜的去除所需的電壓V3，能實現(xiàn)催化劑層24a的充分的性能恢復。
[0112](第二恢復處理的變形例)
[0113]作為實施使恢復電壓下降至電壓V3的恢復處理的情況，不僅對應(yīng)于上述的車速為規(guī)定值ε以下的情況，例如，可以設(shè)為換檔桿進入P檔(停車)、Ν檔(空檔)、Β檔(發(fā)動機制動)中的任一檔位的情況。這是因為，在換檔桿進入這樣的檔位時，對應(yīng)于判斷為加速的可能性低的情況(未預測為輸出增加要求的情況)。
[0114]此外，在上述的實施方式中，說明了根據(jù)車速或換檔桿的狀態(tài)來變更恢復電壓的方式，但也可以變更恢復時間。
[0115]例如，在車速為規(guī)定值ε以下時或換檔桿進入P檔、N檔、B檔時，與車速超過規(guī)定值ε時或換檔桿進入P檔、N檔、B檔以外的例如D檔時相比，可以延長恢復時間。
[0116]另外，在上述的各實施方式中，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，也可以搭載燃料電池系統(tǒng)10作為燃料電池車輛以外的移動體(機器人、船舶、飛機等)的電力源。而且，也可以使用本實施方式的燃料電池系統(tǒng)10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在高分子電解質(zhì)膜的兩面而成的膜-電極組件； 蓄電裝置，與所述燃料電池并列地連接于負載 '及 控制裝置，通過使所述燃料電池的輸出電壓下降至規(guī)定電壓而實施所述催化劑層的性能恢復處理， 在滿足規(guī)定的間歇運轉(zhuǎn)實施條件的情況下，能夠?qū)嵤⑾蛩鋈剂想姵氐陌l(fā)電指令值設(shè)定為零并通過來自所述蓄電裝置的電力來提供向所述負載的電力供給的間歇運轉(zhuǎn)，在該間歇運轉(zhuǎn)期間實施所述性能恢復處理， 所述燃料電池系統(tǒng)中， 在需要實施所述性能恢復處理的情況下，在所述蓄電裝置的剩余容量為規(guī)定量以下時，所述控制裝置使所述間歇運轉(zhuǎn)的實施時機延遲，且，實施向所述蓄電裝置的充電直至所述剩余容量超過所述規(guī)定量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述控制裝置預測對所述燃料電池的輸出增加要求的時機，基于其預測結(jié)果來決定所述性能恢復處理的內(nèi)容。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng),作為車載電源而搭載于燃料電池車輛,其中， 所述控制裝置基于所述車輛的行駛狀態(tài)進行對所述燃料電池的輸出增加要求的時機的預測。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述燃料電池的發(fā)電期間形成于所述催化劑層的氧化皮膜是第一氧化皮膜和第二氧化皮膜混存的氧化皮膜，該第一氧化皮膜是能夠通過使所述燃料電池的輸出電壓下降至第一皮膜去除電壓而去除的氧化皮膜，該第二氧化皮膜是不使所述燃料電池的輸出電壓下降至比所述第一皮膜去除電壓低的第二皮膜去除電壓則無法去除的氧化皮膜， 在需要實施所述性能恢復處理的情況下，所述控制裝置根據(jù)所述預測結(jié)果來變更使所述燃料電池的輸出電壓下降至的所述規(guī)定電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述燃料電池的發(fā)電期間形成于所述催化劑層的氧化皮膜是第一氧化皮膜和第二氧化皮膜混存的氧化皮膜，該第一氧化皮膜是能夠通過使所述燃料電池的輸出電壓下降至第一皮膜去除電壓而去除的氧化皮膜，該第二氧化皮膜是不使所述燃料電池的輸出電壓下降至比所述第一皮膜去除電壓低的第二皮膜去除電壓則無法去除的氧化皮膜， 在需要實施所述性能恢復處理的情況下，所述控制裝置根據(jù)所述預測結(jié)果來變更所述性能恢復處理的實施時間。
【文檔編號】H01M8/04GK104137314SQ201280070973
【公開日】2014年11月5日 申請日期: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, 井上侑美 申請人:豐田自動車株式會社