CN101138118B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

在具有固体高分子型燃料电池的燃料电池系统中，根据燃料电池堆的交流阻抗的差异来判断燃料电池堆的电解质膜的湿润状态。例如，当电解质膜的水分量适当时，交流阻抗的值大致固定，差异小。而当电解质膜的水分量过多时，交流阻抗的值的差异较大。通过对从燃料电池系统所具有的变换器产生的高频噪声进行频率分析来测量燃料电池堆的交流阻抗。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
在使用固体高分子膜作为电解质膜的固体高分子型燃料电池中，公知电解质膜的湿润状态会对燃料电池的输出电压造成影响。另外，公知有通过测量燃料电池的交流阻抗来判断燃料电池的各种状态的技术。例如，在日本专利文献特开2003-86220号公报中记载有以下技术：通过测量燃料电池的交流阻抗(复数阻抗)来推定燃料电池内部的水分状态、即电解质膜的湿润状态。在该技术中，以规定的定时来测量交流阻抗，推定该定时下的电解质膜的湿润状态。
但是，关于燃料电池的交流阻抗与电解质膜的湿润状态的关系，还存在未被关注的参数。本申请的发明人发现：可以根据该未被关注的参数来判断燃料电池的电解质膜的湿润状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种判断燃料电池的电解质膜的湿润状态的新的技术。
为了解决上述问题中的至少一部分，本发明采用以下结构。
本发明的燃料电池系统包括：
燃料电池，使用固体高分子膜作为电解质膜；
测量部，按时序地测量该燃料电池的交流阻抗；
计算部，根据该被测量出的测量值的时序数据来计算与所述测量值的差异(irregularity)相关的规定的参数值；以及
判断部，根据该计算出的参数值来判断所述电解质膜的湿润状态。
作为“与差异相关的规定的参数”，例如可以列举出方差、标准偏差、变化率等。当电解质膜的湿润状态适当时，交流阻抗的测量值变为大致固定的值，因此差异小。另一方面，当电解质膜的湿润状态不适当时，差异大。因此，通过本发明，可以判断燃料电池的电解质膜的湿润状态。
也可以是：在上述燃料电池系统中，当所述参数值为规定值以上时，所述判断部作出所述电解质膜的水分量过多的判断。
当电解质膜的水分量过多时，在燃料电池内部会产生泛滥(flooding)现象，从而会阻碍反应气体的扩散或导致反应气体不扩散，因此交流阻抗的测量值的时序数据的差异较大。因此，通过本发明，可以判断电解质膜的水分量过多。
另外，也可以是：在本发明的燃料电池系统中，
所述判断部进一步根据所述时序数据来判断所述湿润状态，
当所述参数值不足规定值并且所述测量值逐渐增加时，该判断部作出所述电解质膜的水分量不足的判断。
当电解质膜的水分量不足时，交流阻抗的测量值的差异会比水分量适当时大，比水分量过多时小。另外，随着电解质膜的水分量降低到适当值以下，电解质膜的质子传导性下降，从而导致交流阻抗的测量值逐渐增加。因此，通过本发明，可以判断电解质膜的水分量不足。
也可以是：在本发明的燃料电池系统中，还包括根据所述判断结果来调整所述电解质膜的水分量的水分量调整部。
由此，可以使电解质膜保持适当的湿润状态。
也可以是：在上述燃料电池系统中，所述水分量调整部除去所述电解质膜的水分，使得当停止所述燃料电池系统时，所述参数值不足规定值，所述测量值位于比正常运转时高的规定范围内。
如果在燃料电池内残留有水分的状态下停止燃料电池，有时燃料电池会冻结，从而导致启动变得困难。在本发明中，除去电解质膜的水分，使得当停止燃料电池系统时，上述参数值不足规定值，交流阻抗的测量值位于比正常运转时高的规定范围内，即电解质膜的水分量变为低于适当值的状态。由此，可以防止燃料电池在冰点以下发生冻结。
也可以是：在本发明的燃料电池系统中，
包括对所述燃料电池的输出进行控制的输出控制装置，
所述测量部通过对从所述输出控制装置产生的高频噪声进行频率分析来测量所述交流阻抗。
以往，在燃料电池系统中，当测量燃料电池的交流阻抗时，设置向燃料电池施加规定频率的正弦波交流的装置等、仅用于测量交流阻抗的装置。这会导致燃料电池系统大型化，复杂化、高成本化。
燃料电池系统通常具有变换器(inverter)等输出控制装置。从该输出控制装置会产生包含各种频率成分的高频噪声。在本发明中，通过对从输出装置产生的高频噪声进行频率分析来测量交流阻抗。因此，在燃料电池系统中，通过使用现有的装置就可以测量燃料电池的交流阻抗，而不需要设置仅用于测量燃料电池的交流阻抗的装置。从而可以避免燃料电池系统大型化、复杂化、高成本化。
本发明不需要具有上述所有特征，可以省略其中的一部分或适当地进行组合。除了上述燃料电池系统以外，本发明还包括燃料电池的电解质膜的湿润状态的判断方法、燃料电池系统的控制方法。另外，实现上述发明的计算机程序和记录该程序的记录介质可以通过包含该程序并承载在信号载波中的数据信号等各种方式而实现。另外，可以在各种方式中应用前述的各种附加因素。
当本发明为计算机程序或记录该程序的记录介质等时，既可以是控制燃料电池系统的动作的程序整体，也可以仅是发挥本发明的功能的部分。另外，作为记录介质，可以使用软盘、CD-ROM、DVD-ROM、光磁盘、IC卡、ROM盒、穿孔卡片、印刷有条形码等代码的印刷物、计算机的内部存储装置(RAM或ROM等存储器)和外部存储装置等计算机可以读取的各种介质。
附图说明
图1是示出作为本发明一个实施例的燃料电池系统100的简要结构的说明图；
图2是示出燃料电池系统100的简要的等价电路的说明图；
图3是示出电解质膜的湿润状态的判断的说明图；
图4是示出水分量调整处理的流程的流程图；
图5是示出停止处理的流程的流程图。
具体实施方式
以下，根据实施例并按照以下顺序来说明本发明的实施方式。
A.燃料电池系统
B.电解质膜的湿润状态的判断
C.水分量调整处理
D.停止处理
E.变形例
A.燃料电池系统
图1是示出作为本发明一个实施例的燃料电池系统100的简要结构的说明图。燃料电池系统100包括燃料电池堆10和对燃料电池堆10的输出进行控制的输出控制装置40。
燃料电池堆10是层积多个电池而成的层积体，所述电池通过氢和氧的电化学反应来发电。各个电池具有夹持电解质膜而配置氢极(以下，称为阳极)和氧极(以下，称为阴极)的结构(省略图示)，所述电解质膜可使氢离子透过。另外，燃料电池堆10是使用固体高分子膜来作为电解质膜的固体高分子型燃料电池。
通过配管20向燃料电池堆10的阴极供应作为含氧气的空气。来自阴极的排气(以下，称为阴极排气)通过配管22而被排出到外部。在配管20、22上分别设有阀21、23。
通过配管30向燃料电池堆10的阳极供应氢气。来自阳极的排气(以下，称为阳极排气)通过配管32而被排出到外部。在配管30、32上分别设有阀31、33。
输出控制装置40如后所述具有变换器，根据来自控制单元50的控制信号进行驱动，控制燃料电池堆10的输出。
燃料电池系统100的运转由控制单元50控制。控制单元50由内部具有CPU、RAM、ROM等的微机构成，根据存储在ROM中的程序来控制系统的运转。在图中，以虚线示出了为实现该控制而向控制单元50输入输出的信号的一个示例。作为输入信号，例如可以列举出：来自外部的输出请求(图中未示出)、输出控制装置40所具有的电流计或电压计的输出等。作为输出信号，可以列举出：输出控制装置40的控制信号、阀21、23、31、33的控制信号等。
另外，在本实施例中，在控制单元50中，CPU通过执行上述程序而起到测量部、计算部、判断部、水分量调整部等的功能。由此，控制单元50使用输出控制装置40所具有的电流计或电压计的输出来测量燃料电池堆10的交流阻抗。控制单元50根据交流阻抗的测量结果来判断燃料电池堆10的电解质膜的湿润状态，并根据该判断结果来控制燃料电池系统100的各个部分以调整电解质膜的水分量。如前所述，在本实施例中，燃料电池堆10的电解质膜为固体高分子膜，电解质膜的水分量会影响燃料电池堆10的发电性能。后面将说明交流阻抗的测量和电解质膜的湿润状态的判断。
图2是示出燃料电池系统100的简要的等价电路的说明图。如图所示，燃料电池10包括电阻Rs、电阻Rc、以及双电层电容(electric doublelayer capacitance)Cd。电阻Rs包括燃料电池堆10的隔板的体电阻(bulkresistor)、接触电阻等。电阻Rc包括膜电阻、界面电阻等。输出控制装置40包括变换器41、电流计42、电压计43。
当驱动输出控制装置40来控制燃料电池堆10的输出时，从变换器41产生包含各种频率成分的高频噪声。该高频噪声可以从电流计42、电压计43的输出中提取。控制单元50从电流计42、电压计43的输出中提取高频噪声并通过对其进行频率分析来测量燃料电池堆10的交流阻抗。在本实施例中，为了测量由膜电阻引起的交流阻抗，对数百Hz以上的频率进行分析。关于通过频率分析来计算交流阻抗的说明在此省略。
B.电解质膜的湿润状态的判断：
图3是示出根据燃料电池堆10的交流阻抗来判断电解质膜的湿润状态的说明图。在该判断中，使用燃料电池堆10的交流阻抗中的实部的值。因此，在以下的说明中，交流阻抗的值是指交流阻抗的实部的值。
图3的(a)示出了电解质膜的水分量适当时的燃料电池堆10的交流阻抗的时序数据。如图所示，当电解质膜的水分量适当时，燃料电池堆10稳定地进行发电，交流阻抗的值大致固定。即，当燃料电池堆10的交流阻抗的值在时序上大致固定、差异小时，可以判断电解质膜的水分量适当。
图3的(b)示出了电解质膜的水分量过多时的燃料电池堆10的交流阻抗的时序数据。如图所示，当电解质膜的水分量过多时，在燃料电池堆10内会产生所谓的泛滥现象，阻碍反应气体的扩散或导致反应气体不扩散，从而造成发电变得不稳定，导致交流阻抗的值的差异较大。即，当燃料电池堆10的交流阻抗的值在时序上差异较大时，可以判断电解质膜的水分量过多。
图3的(c)示出了电解质膜的水分量不足时的燃料电池堆10的交流阻抗的时序数据。如图所示，当电解质膜的水分量不足时，交流阻抗的值的差异比水分量适当时大，比水分量过多时小。另外，随着电解质膜的水分量减少，质子传导性会下降，从而导致交流阻抗的测量值逐渐增加。即，当燃料电池堆10的交流阻抗的值的时序差异比电解质膜的水分量适当时大且比水分量过多时小、交流阻抗的值逐渐增加时，可以判断电解质膜的水分量不足。
如上所述，在本实施例中，根据燃料电池堆10的交流阻抗的时序性差异来判断电解质膜的湿润状态。另外，在本实施例中，使用了方差作为表示差异的参数。因此，在本实施方式中，当方差V的值为第一阈值V1以下时，判断电解质膜的水分量适当。另外，当方差V的值比第一阈值V1大而比第二阈值V2小时，判断电解质膜的水分量不足。另外，当方差V的值为第二阈值V2以上时，判断电解质膜的水分量过多。另外，作为表示差异的参数，也可以使用标准偏差、变化率等其他参数来代替方差。
C.水分量调整处理：
图4是示出水分量调整处理的流程的流程图。该处理是在燃料电池系统100的运转当中，由控制单元50的CPU执行的处理。
CPU以固定的采样间隔取得从输出控制装置40的电流计42和电压计43输出的电流值和电压值，并顺次存储在RAM中(步骤S100)。采样间隔可以任意设定。如前所述，在这些值中包含高频噪声。然后，CPU通过高速傅立叶转换从存储的电流值和电压值中提取频率成分(步骤S110)，并计算燃料电池堆10的交流阻抗(步骤S120)。将计算出的交流阻抗的值也存储在RAM中。然后，CPU计算交流阻抗的值的方差(步骤S130)。作为方差的计算对象的交流参数的值的数量、即作为方差的计算对象的时间上的范围可以任意设定。
然后，CPU根据计算出的方差来判断燃料电池堆10的电解质膜的水分量是否适当(步骤S140)。如前所述，当方差V的值为第一阈值V1以下时，判断电解质膜的水分量适当。另外，当方差V的值大于第一阈值V1而小于第二阈值V2时，判断电解质膜的水分量不足。另外，当方差V的值为第二阈值V2以上时，判断电解质膜的水分量过多。当方差V的值大于第一阈值V1而小于第二阈值V2时，如果交流阻抗的值逐渐增加，则可以更加准确地判断为电解质膜的水分量不足。其原因在于：如前所述，交流阻抗的值随着电解质膜的水分量的减少而逐渐增加。
在步骤S140中，当判断电解质膜的水分量适当时，CPU执行通常运转(步骤S150)。当判断电解质膜的水分量不足时，CPU执行加湿运转(步骤S160)。在该加湿运转中，CPU进行以下控制：对燃料电池堆10的温度、供应给燃料电池堆10的气体的压力和流量、图中未示出的加湿器的加湿量进行调整，以使电解质膜的水分量增大。另外，当判断电解质膜的水分量过多时，CPU执行多余水分去除运转(步骤S170)。在该多余水分去除运转中，CPU进行以下控制：对燃料电池堆10的温度、供应给燃料电池堆10的气体的压力和流量、图中未示出的加湿器的加湿量进行调整，以使电解质膜的水分量减少。
然后，CPU判断是否停止燃料电池系统100、即是否输入了停止请求(步骤S180)。当不停止燃料电池系统100时(步骤S180：否)，返回到步骤S100。当停止燃料电池系统100时(步骤S180：是)，进行后述的停止处理(步骤S200)，结束水分量调整处理。
D.停止处理：
图5是示出图4的步骤S200的停止处理的流程的流程图。该处理是用于抑制在停止了燃料电池系统100之后燃料电池堆10在冰点以下发生冻结的处理。
步骤S210～S240的处理与前述的水分调整处理中的步骤S100～130的处理相同，是继续执行的处理。即，CPU以固定的采样间隔取得从输出控制装置40的电流计42和电压计43输出的电流值和电压值，并顺次存储在RAM中(步骤S210)。然后，CPU通过高速傅立叶转换从存储的电流值和电压值中提取频率成分(步骤S220)，并计算燃料电池堆10的交流阻抗(步骤S230)。然后，CPU计算交流阻抗的值的方差(步骤S240)。
然后，CPU判断方差的值和交流阻抗是否满足规定的条件、即方差的值是否不足规定值V2并且最终计算出的交流阻抗的值Z是否为规定范围Z1～Z2(步骤S250)。规定值V2是作为电解质膜的水分量过多的判断基准的阈值。另外，将上述规定范围的下限值Z1和上限值Z2设定在电解质膜的水分量不足时的范围内。并且，将下限值Z1和上限值Z2设定在能够抑制燃料电池堆10在冰点下发生冻结并可以迅速启动的范围内。如果各个值不满足上述条件(步骤S250：否)，则CPU执行多余水分去除运转，直到各个值满足上述条件(步骤S260)。该多余水分去除运转与前述图4的步骤S170相同。如果各个值满足上述条件(步骤S250：是)，则CPU结束停止处理。
根据上述本实施例的燃料电池系统100，可以根据燃料电池堆10的交流阻抗的差异来判断电解质膜的湿润状态。从而可以控制燃料电池系统100的运转，使电解质膜的湿润状态适当。
另外，在本实施例的燃料电池系统100中，可以通过对从输出控制装置40产生的高频噪声进行频率分析来测量燃料电池堆10的交流阻抗，因此不需要在燃料电池系统100中设置仅用于测量燃料电池堆10的交流阻抗的装置，通过使用现有的装置就可以测量燃料电池堆10的交流阻抗。从而可以避免燃料电池系统100的大型化、复杂化、高成本化。
E.变形例
以上说明了本发明的几种实施方式，但本发明不受上述实施方式的任何限制，可以在不脱离其主旨的范围内以各种方式来实施。例如，可以采用以下变形例。
E1.变形例1
在上述实施例中通过对从变换器41产生的高频噪声进行频率分析来测量燃料电池堆10的交流阻抗，但是当高频噪声的振幅小而导致交流阻抗的测量精度差时，也可以向变换器41的指令电压施加具有任意频率成分的电压，使高频噪声的振幅增大，从而提高交流阻抗的测量精度。
E2.变形例2
在上述实施方式中测量是对燃料电池堆10整体的交流阻抗进行测量，但是不限于此。例如，也可以在各个隔板中设置用于进行测量的端子来测量各个隔板的交流阻抗。如此一来，可以确定燃料电池堆10中发生故障的部位。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，使用固体高分子膜来作为电解质膜；
测量部，按时序地测量该燃料电池的交流阻抗；
计算部，根据该测量出的测量值的时序数据来计算与所述测量值的差异相关的规定的参数值；以及
判断部，根据该计算出的参数值来判断所述电解质膜的湿润状态。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，当所述参数值为规定值以上时，所述判断部作出所述电解质膜的水分量过多的判断。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述判断部进一步根据所述时序数据来判断所述湿润状态，
当所述参数值不足规定值并且所述测量值逐渐增加时，该判断部作出所述电解质膜的水分量不足的判断。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括根据所述判断结果来调整所述电解质膜的水分量的水分量调整部。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述水分量调整部除去所述电解质膜的水分，使得当所述燃料电池系统停止时，所述参数值不足规定值，所述测量值位于比正常运转时高的规定范围内。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
包括对所述燃料电池的输出进行控制的输出控制装置，
所述测量部通过对从所述输出控制装置产生的高频噪声进行频率分析来测量所述交流阻抗。
7.一种对燃料电池的电解质膜的湿润状态进行判断的判断方法，所述燃料电池使用固体高分子膜来作为电解质膜，所述判断方法包括以下步骤：
(a)按时序地测量所述燃料电池的交流阻抗；
(b)根据该测量出的测量值的时序数据来计算与所述测量值的差异相关的规定的参数值；
(c)根据该计算出的参数值来判断所述电解质膜的湿润状态。
8.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具有使用固体高分子膜来作为电解质膜的燃料电池，所述控制方法包括以下步骤：
(a)按时序地测量所述燃料电池的交流阻抗；
(b)根据该测量出的测量值的时序数据来计算与所述测量值的差异相关的规定的参数值；
(c)根据该计算出的参数值来判断所述电解质膜的湿润状态；
(d)根据该判断结果来调整所述电解质膜的水分量。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其中，
所述燃料电池系统包括对该燃料电池的输出进行控制的输出控制装置，
所述步骤(a)包括以下步骤：通过对从所述输出控制装置产生的高频噪声进行频率分析来测量所述交流阻抗。
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