CN107452974A - 缺氢判断方法及缺氢判断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供缺氢判断方法及缺氢判断装置。缺氢判断方法是具有多个单电池组的燃料电池的缺氢判断方法，包括：基准值存储工序，将从燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态下的阻抗的值存储为基准值；测定值计算工序，基于单电池组的电压和燃料电池的电流来计算阻抗的测定值；修正值计算工序，通过基于基准值对测定值进行修正来计算阻抗的修正值；及判定工序，在修正值超过了规定的阈值的情况下判定为发生了缺氢。

Description

缺氢判断方法及缺氢判断装置
技术领域
本发明涉及缺氢判断方法及缺氢判断装置。
背景技术
当前，接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池正被实际应用。燃料电池是通过电化学工艺使燃料氧化，由此将伴随着氧化反应而放出的能量直接转换成电能的发电系统。燃料电池具有膜·电极组件，该膜·电极组件通过利用由多孔质材料构成的一对电极(阳极电极及阴极电极)夹持用于选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两侧面而形成，各电极具有促进电化学反应的催化剂层。
在这样的燃料电池中，若在发电中在阳极电极处缺氢，则催化剂会劣化，因此需要用于判断燃料电池内部有无缺氢的手段(方法)。近年来，提出了通过利用燃料电池的阻抗圆弧与燃料电池内部的氢浓度之间的相关关系，而在测定出的阻抗圆弧相对较大时相对较低地推定氢浓度的氢浓度推定方法(例如，参照国际公开第2010/128555号小册子)。
发明内容
已知，在以燃料电池内部的缺氢为起因而产生了负电位的情况下，低频阻抗的变化量比单电池电压(构成燃料电池的多个单电池组的电压)的变化量大，正在研究使用该关系来监视燃料电池内部有无缺氢的方法。若采用这样的方法，则能够增加同时监视的单电池的个数，但以计测范围变大为起因的计测误差(依存于个体的偏移误差)所带来的影响也会变大，存在计测精度下降这一问题。
本发明提供一种不使计测精度下降就能增加同时监视的单电池的个数的缺氢判断方法。
本发明的第一方案涉及具有多个单电池组的燃料电池的缺氢判断方法。该方法包括：将从燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态下的阻抗的值存储为基准值的步骤；基于单电池组的电压和燃料电池的电流来计算阻抗的测定值的步骤；通过基于基准值对测定值进行修正来计算阻抗的修正值的步骤；及在修正值超过了规定的阈值的情况下判定为发生了缺氢的步骤。
另外，本发明的第二方案涉及具有多个单电池组的燃料电池的缺氢判断装置。该缺氢判断装置具备：基准值存储部，构成为将从燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态下的阻抗的值存储为基准值；测定值计算部，构成为基于单电池组的电压和燃料电池的电流来计算阻抗的测定值；修正值计算部，构成为通过基于基准值对测定值进行修正来计算阻抗的修正值；及判定部，构成为在修正值超过了规定的阈值的情况下判定为发生了缺氢。
根据上述第一、第二方案，能够抑制以计测变为变大为起因的计测误差(依存于个体的偏移误差)所引起的计测精度的下降。因此，能够使用阻抗来判断缺氢的有无，能够增加同时监视的单电池的个数。即，能够将不发生缺氢的状态(从燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态)下的阻抗的值存储为基准值，将使用该基准值对阻抗的测定值进行修正后的修正值与规定的阈值进行比较来判定是否发生了缺氢。因此，能够降低以计测范围变大为起因的计测误差(依存于个体的偏移误差)。因此，不使计测精度下降就能增加同时监视的单电池的个数。
在本发明的第一方案中，可以通过将从阻抗的名义值减去基准值所得到的值与测定值相加来计算修正值。
在本发明的第二方案中，修正值计算部可以通过将从阻抗的名义值减去基准值所得到的值与测定值相加来计算修正值。
根据本发明，能够提供不使计测精度下降就能增加同时监视的单电池的个数的缺氢判断方法。
附图说明
以下，参照附图来描述本发明的典型实施例的特征、优点及技术上和工业上的重要性，在这些附图中，相同的标号表示相同的要素。
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的概略的说明图。
图2是用于说明本发明的实施方式的燃料电池系统的控制器的功能结构的框图。
图3是用于说明本发明的实施方式的燃料电池系统的缺氢判断方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照各图说明本发明的实施方式。需要说明的是，只要没有特别说明，附图的上下左右等的位置关系就基于附图所示的位置关系。而且，附图的尺寸比率不限定于图示的比率。此外，以下的实施方式是用于说明本发明的例示，并非旨在将本发明仅限定为该实施方式。此外，只要不脱离主旨，本发明就能进行各种变形。
首先，使用图1说明本实施方式的燃料电池系统10的结构。燃料电池系统10例如作为搭载于作为移动体的燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能，具备：接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给而发电的燃料电池20；用于将作为氧化气体的空气向燃料电池20供给的氧化气体供给系统30；用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池20供给的燃料气体供给系统40；用于控制电力的充放电的电力系统50；及对系统整体进行总括控制的控制器60。
燃料电池20是将多个单电池串联层叠而成的固体高分子电解质型单电池堆。在燃料电池20中，在阳极电极产生(1)式的氧化反应，在阴极电极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池20整体而产生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
构成燃料电池20的单电池由高分子电解质膜、阳极电极、阴极电极及隔板构成。阳极电极及阴极电极从两侧夹持高分子电解质膜而形成三明治构造。隔板由气体不透过的导电性构件构成，从两侧夹持阳极电极及阴极电极，并与阳极电极及阴极电极之间分别形成燃料气体及氧化气体的流路。
阳极电极及阴极电极分别具有催化剂层和气体扩散层。催化剂层具有担载有作为催化剂发挥功能的例如铂系的贵金属粒子的催化剂担载碳和高分子电解质。作为贵金属粒子的铂系的材料，例如可以使用金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ru等)。作为催化剂担载碳，例如可以使用碳黑。作为高分子电解质，可以使用质子传导性的离子交换树脂等。气体扩散层形成于催化剂层的表面，同时具有通气性和电子导电性，由用由碳纤维构成的线织成的碳布、碳纸或碳毡形成。
高分子电解质膜是由固体高分子材料、例如氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的导电性。由高分子电解质膜、阳极电极及阴极电极形成膜-电极组件。
如图1所示，在燃料电池20安装有用于检测构成燃料电池20的多个单电池组的电压的电压传感器71和用于检测燃料电池20的电流的电流传感器72。由电压传感器71及电流传感器72检测到的电压及电流被使用于后述的阻抗的计算。
氧化气体供给系统30具有向燃料电池20的阴极电极供给的氧化气体流动的氧化气体通路33和从燃料电池20排出的氧化废气流动的氧化废气通路34。在氧化气体通路33设有经由过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压缩机32和用于隔断向燃料电池20的氧化气体供给的隔断阀A1。在氧化废气通路34设有用于隔断来自燃料电池20的氧化废气的排出的隔断阀A2和用于调整氧化气体供给压的背压调整阀A3。
燃料气体供给系统40具有燃料气体供给源41、从燃料气体供给源41向燃料电池20的阳极电极供给的燃料气体流动的燃料气体通路43、用于使从燃料电池20排出的燃料废气向燃料气体通路43回流的循环通路44、将循环通路44内的燃料废气向燃料气体通路43压送的循环泵45和以分支方式与循环通路44连接的排气排水通路46。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐或贮氢合金等构成，积存高压(例如，35MPa至70MPa)的氢气。当打开隔断阀H1时，从燃料气体供给源41向燃料气体通路43流出燃料气体。燃料气体由调节器H2、喷射器42减压至例如200kPa左右，并向燃料电池20供给。
在循环通路44以分支方式连接有排气排水通路46，在排气排水通路46上配设有排气排水阀H3。排气排水阀H3通过根据来自控制器60的指令进行工作，而将循环通路44内的包含杂质的燃料废气和水分向外部排出。
经由排气排水阀H3排出的燃料废气与在氧化废气通路34中流动的氧化废气混合，并由未图示的稀释器稀释。循环泵45通过电动机驱动而将循环系统内的燃料废气向燃料电池20循环供给。
电力系统50具有DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引电动机54和辅机类55。DC/DC转换器51具有将从蓄电池52供给的直流电压升压并向牵引变换器53输出的功能和将燃料电池20发电产生的直流电力或牵引电动机54通过再生制动而回收的再生电力降压并充入蓄电池52的功能。
蓄电池52作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负荷变动时的能量缓冲器等发挥功能。作为蓄电池52，例如，镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池是合适的。
牵引变换器53是例如以脉冲宽度调制方式来驱动的PWM变换器，按照来自控制器60的控制指令而将从燃料电池20或蓄电池52输出的直流电压转换成三相交流电压，来对牵引电动机54的旋转转矩进行控制。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是在燃料电池系统10内的各部分配置的各电动机、用于驱动这些电动机的变换器类、以及各种车载辅机类(例如，空气压缩机32、喷射器42、循环泵45、散热器、冷却水循环泵等)的总称。
控制器60是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，对燃料电池系统10的各部分进行控制。例如，控制器60在接收到从点火开关输出的起动信号IG时，使燃料电池系统10的运转开始，基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等求出系统整体的要求电力。系统整体的要求电力是车辆行驶电力与辅机电力的合计值。
辅机电力包含由车载辅机类(空气压缩机32、循环泵45、冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)消耗的电力、由配设在乘员空间内的装置(空调装置、照明器具、音频装置等)消耗的电力等。
控制器60决定燃料电池20和蓄电池52各自的输出电力的分配，以使燃料电池20的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40，并且控制DC/DC转换器51来调整燃料电池20的输出电压，从而控制燃料电池20的运转动作点(输出电压、输出电流)。
在燃料电池系统10运转时，在燃料电池20中，如上述的(1)式所示，在阳极电极生成的氢离子透过电解质膜而向阴极电极移动，移动到阴极电极的氢离子如上述的(2)式所示，与向阴极电极供给的氧化气体中的氧发生电化学反应，产生氧的还原反应而生成水。
另外，控制器60以判断燃料电池20的缺氢的方式发挥功能。即，控制器60可以看作本发明中的缺氢判断装置。图2是用于说明作为缺氢判断装置发挥功能的控制器60的结构的框图。
控制器60具有基准值存储部61，该基准值存储部61将从燃料电池20排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态(不发生缺氢的基准状态：氢废气的净化完成而正在供给要求电力所需的量的氢和氧的状态)下的阻抗的值存储为基准值α。控制器60通过控制设于燃料气体供给系统40的各种阀来制造出不发生缺氢的基准状态。即，控制器60通过控制排气排水阀H3而经由排气排水通路46及循环通路44从燃料电池20排出氢废气、水分，并且通过控制隔断阀H1、调节器H2及喷射器42而经由燃料气体通路43向燃料电池20供给氢气，且通过控制空气压缩机32而经由氧化气体通路33向燃料电池20供给氧化气体。并且，控制器60在该基准状态下基于由电压传感器71及电流传感器72检测到的电压及电流来计算燃料电池20的阻抗，并将该计算出的值存储为基准值α。作为基准值存储部61，可以采用EEPROM等。
另外，控制器60具有测定值计算部62，该测定值计算部62在燃料电池系统10的通常运转(上述基准状态以外的燃料电池系统10正在工作的状态)时，基于构成燃料电池20的多个单电池组的电压和燃料电池20的电流来计算阻抗的测定值β。在燃料电池系统10的通常运转时，通过从燃料气体供给源41将燃料气体经由燃料气体通路43向燃料电池20的阳极电极供给，并且将氧化气体经由氧化气体通路33向燃料电池20的阴极电极供给，来进行发电。此时，由控制器60运算应该从燃料电池20取出的电力(要求电力)，将与该发电量对应的量的燃料气体及氧化气体向燃料电池20内供给。控制器60在该通常运转时基于由电压传感器71及电流传感器72检测到的电压及电流，来计算燃料电池20的阻抗(测定值β)。
另外，控制器60具有修正值计算部63，该修正值计算部63通过基于在基准状态下计算出的阻抗的基准值α对在通常运转下计算出的阻抗的测定值β进行修正，来计算阻抗的修正值γ。本实施方式中的修正值计算部63通过将从阻抗的名义值α0减去基准值α所得到的值与测定值β相加来计算修正值γ。即，修正值γ通过式子“γ＝β+(α0-α)”来计算。需要说明的是，名义值α0是设计上设想的未缺乏氢的状态下的阻抗的值。例如，此时电流为1A/cm2，电压为0.8V。相对于此，基准值α是实际制造出了基准状态时的燃料电池20的阻抗的值，此时的输出电压未必恒定(例如0.8～1.2V)。
另外，控制器60具有判定部64，该判定部64在阻抗的修正值γ超过了规定的阈值的情况下判定为发生了缺氢。在此使用的阈值可以根据燃料电池20的保护要件而适当设定。
接下来，使用图3的流程图说明本实施方式的燃料电池系统10的缺氢判断方法。
首先，燃料电池系统10的控制器60将从燃料电池20排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态(基准状态)下的阻抗的值存储为基准值α(基准值存储工序：S1)。接下来，控制器60在燃料电池系统10的通常运转时，基于构成燃料电池20的多个单电池组的电压和燃料电池20的电流来计算阻抗的测定值β(测定值计算工序：S2)。
接下来，控制器60基于在基准值存储工序S1中存储的基准值α对在测定值计算工序S2中计算出的测定值β进行修正，由此计算阻抗的修正值γ(修正值计算工序：S3)。此时，控制器60使用已述的计算式“γ＝β+(α0-α)”来计算阻抗的修正值γ。接下来，控制器60将在修正值计算工序S3中计算出的修正值γ与规定的阈值进行比较(比较工序：S4)，在修正值γ超过了阈值的情况下判定为发生了缺氢(判定工序：S5)。控制器60可以在判定为发生了缺氢的情况下，使用规定的显示部以声音或图像等向使用者报知该情况。
在以上说明的实施方式的控制器60中，能够使用阻抗来判断缺氢的有无，因此能够增加同时监视的单电池的个数。而且，能够将不发生缺氢的状态(从燃料电池20排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态)下的阻抗的值存储为基准值α，将使用该基准值α对阻抗的测定值进行修正后的修正值γ与规定的阈值进行比较来判定是否发生了缺氢。因此，能够降低以计测范围变大为起因的计测误差(依存于个体的偏移误差)。因此，不使计测精度下降就能增加同时监视的单电池的个数。
需要说明的是，在本实施方式中，虽然示出了采用使用阻抗的名义值α0计算出的修正值γ的例子，但修正值不限于此。例如，也可以采用通过从阻抗的测定值β单纯减去基准值α而计算出的修正值γ′(＝β-α)，通过将该修正值γ′与新的阈值(例如考虑名义值α0而设定的阈值)进行比较来判定缺氢的有无。
另外，在本实施方式中，虽然示出了使用不发生缺氢的基准状态下的阻抗的值(基准值α)来修正测定值β的例子，但也可以进一步参照其他参数来修正测定值β。例如，也可以测定出厂时的计测系统的不均，将基于该测定结果而制作出的修正映射存储于存储部(例如EEPROM)，参照该修正映射来修正测定值β。
另外，在本实施方式中，虽然例示了“燃料电池车辆”作为移动体，但也可以在燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、航空器等)上搭载本发明的燃料电池系统。
本发明不限定于以上的实施方式，只要具备本发明的特征，则本领域技术人员对该实施方式适当施加设计变更后的方案也包含于本发明的范围。即，所述实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等不限定于例示的内容，可以适当进行变更。而且，所述实施方式具备的各要素只要在技术上可行就能进行组合，只要包含包含本发明的特征，则将它们组合后的方案也包含于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种缺氢判断方法，是具有多个单电池组的燃料电池的缺氢判断方法，其特征在于，包括：
将从所述燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态下的阻抗的值存储为基准值的步骤；
基于所述单电池组的电压和所述燃料电池的电流来计算阻抗的测定值的步骤；
通过基于所述基准值对所述测定值进行修正来计算阻抗的修正值的步骤；及
在所述修正值超过了规定的阈值的情况下判定为发生了缺氢的步骤。
2.根据权利要求1所述的缺氢判断方法，其特征在于，
通过将从阻抗的名义值减去所述基准值所得到的值与所述测定值相加来计算所述修正值。
3.一种缺氢判断装置，是具有多个单电池组的燃料电池的缺氢判断装置，其特征在于，具备：
基准值存储部，构成为将从所述燃料电池排出氢废气且供给了氢气及氧化气体的状态下的阻抗的值存储为基准值；
测定值计算部，构成为基于所述单电池组的电压和所述燃料电池的电流来计算阻抗的测定值；
修正值计算部，构成为通过基于所述基准值对所述测定值进行修正来计算阻抗的修正值；及
判定部，构成为在所述修正值超过了规定的阈值的情况下判定为发生了缺氢。
4.根据权利要求3所述的缺氢判断装置，其特征在于，
所述修正值计算部构成为通过将从阻抗的名义值减去所述基准值所得到的值与所述测定值相加来计算所述修正值。
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