JP2009048813A

JP2009048813A - 燃料電池シミュレータ

Info

Publication number: JP2009048813A
Application number: JP2007212104A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Atsushi Kimura; 篤史木村; Yukihiro Shintani; 幸弘新谷; Tomomi Akutsu; 智美阿久津
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】燃料電池の性能改善の設計指針を提供する。
【解決手段】燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、低負荷域の傾きから活性化過電圧を求めることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電特性をシミュレーションする燃料電池シミュレータに関し、燃料電池の過電圧を正確に表現する燃料電池シミュレータに関するものである。

燃料電池は、カソードとアノードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、カソードに酸素（酸化ガス）を接触させ、アノードに水素（燃料ガス）を接触させることによって、両電極間で電気化学反応を生じさせて起電力を生じさせるものである。

一般的に、燃料電池の過電圧は、活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に区別され燃料電池の電流密度によって、その割合が異なる。この割合を把握することで、燃料電池の性能劣化の要因を解析していた。
図４は特開２００５−１０８６６０号公報に記載された燃料電池のシミュレータの機能ブロック図、図５は同じくＩ−Ｖ特性を示すものである。
上記従来例について簡単に説明する。

図４は燃料電池シミュレータ１０の機能ブロック図である。同シミュレータ１０は、各セルの過電圧ηを活性化過電圧ηaと濃度過電圧ηcと抵抗過電圧ηrのそれぞれに分けて演算する過電圧演算部１１と、オペレータに過電圧の表示形式等の選択を案内する画面を表示する選択画面表示部１４と、選択画面の案内に従ってオペレータが入力操作するための入力部１２と、指示された表示形式等で過電圧を表示するための過電圧表示部１３を備えている。

図５は燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すもので、２５℃理論起電圧１．２３Ｖからの各損失量（抵抗過電圧、活性化過電圧（カソード）、活性化過電圧（アノード）、濃度過電圧の内訳を視覚的に表示したものである。過電圧ηの内訳を表示することで、性能低下の要因を明確にして性能向上の指針提示に役立てている。

なお、燃料電池のシミュレータの先行技術としては、例えば下記の特許文献に示されたものがある。

特開平６−１８８０２０号公報特開２００５−１０８６６０号公報特開２００５−１３５８１３号公報

ところで、上述の従来例においては、次のような問題があった。
図５に示すように、燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧と分離して表現することは知られているが、実際の燃料電池の特性から、正確に燃料電池の過電圧として分離し、表現する手法に関しては、複雑で、正確に知る手法は分かっていない。本発明は、燃料電池の過電圧を正確に、かつ、容易に過電圧を分離して表現するシミュレータを実現することにより、燃料電池の更なる性能改善の設計指針を提供することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１においては、
燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、低負荷域の傾きから活性化過電圧を求めることを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の燃料電池シミュレータにおいて、
前記低負荷域の電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ^２以下としたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載の燃料電池シミュレータにおいて、
前記抵抗過電圧の膜抵抗をＩ−Ｖ特性の中負荷域のインピーダンス計測から求めることを特徴とする。

請求項４においては、請求項１に記載の燃料電池シミュレータにおいて、
濃度過電圧を理論起電力から活性化過電圧、抵抗過電圧、Ｉ−Ｖ特性を引いた残りとして求め、限界電流密度を計算して求めることを特徴とする。

請求項５においては、、
燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、抵抗過電圧の膜抵抗を電流遮断法により求めることを特徴とする。

請求項６においては、
燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、抵抗過電圧の膜抵抗を各電流密度で求めることを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、低負荷域の傾きから活性化過電圧を求めるようにしたので、理論式から直接、活性化過電圧を求めることができるという効果がある。

請求項２によれば、低負荷域の電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ^２以下としたので、
理論式により近い特性で正確な活性化過電圧を求めることができる。
という効果がある。

請求項３によれば、抵抗過電圧の膜抵抗をＩ−Ｖ特性の中負荷域のインピーダンス計測から求めている。中負荷域のインピーダンスは、活性化過電圧、濃度過電圧の影響を受けない領域であり、抵抗過電圧を直接求めることができる。という効果がある。

請求項４によれば、濃度過電圧を理論起電力から活性化過電圧、抵抗過電圧、Ｉ−Ｖ特性を引いた残りとして求め、限界電流密度を計算して求めるので、理論式通りの濃度過電圧を正確にもとめることができる。という効果がある。

請求項５によれば、燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、抵抗過電圧の膜抵抗を電流遮断法により求めるので、複雑な回路構成がなくても膜抵抗を求めることができる。という効果がある。

請求項６によれば、燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、抵抗過電圧の膜抵抗を各電流密度で求めるので、より正確な膜抵抗を求めることができる。という効果がある。

図１は本発明の燃料電池シミュレーションの一例を示すもので、縦軸は電圧〔Ｖ〕横軸は電流密度Ｌｏｇ(i)〔Ａ／ｃｍ^２〕である。
図１において、実線で燃料電池のＩ−Ｖ特性が示されている。理論起電圧Ｅ_０からの電圧ロスが過電圧を示し、活性化過電圧（ηact）、濃度過電圧（ηcon）、抵抗過電圧（ηｒ）に分離して示されている。

以下、この過電圧の分離方法について説明する。
各過電圧は以下の３つの基本式（公知）により計算する。
活性過電圧 ηact＝ａ−ｂｌｏｇ（ｉ）・・・・・（１）
濃度過電圧 ηcon＝ｂｌｏｇ｛（ｉ_Ｌ−ｉ）／ｉ_Ｌ｝・・（２）
抵抗過電圧 ηｒ＝Ｒｍ・ｉ・・・・・・・・・・・（３）
ａ，ｂ：定数、ｉ_Ｌ：限界電流密度、Ｒｍ：膜抵抗、ｉ：電流密度
上記の基本式で、ａ、ｂの定数、ｉ_Ｌの限界電流密度、Ｒｍの膜抵抗が求められると
各過電圧を計算することが可能になる。

図２は上記の４つ値（ａ，ｂ：定数、ｉ_Ｌ：限界電流密度、Ｒｍ：膜抵抗）を求めるためのフローチャートである。フローチャートに従って説明する。
Ｓ００１：燃料電池のＩ−Ｖ試験データより、電流密度ｉが低負荷域のデータセットの２点（図１の中で１、２で示す箇所は、活性化過電圧が支配的となる領域で、電流電圧特性の直線部分の任意の２点である）と高負荷域のデータセット１点を求めておく（図１中の記号１（i1,V1）、記号２（i2,V2）、記号３（i3,V3）に相当する点）。

なお、実験によれば低負荷域の直線部分の任意の２点を求めて活性化電圧の傾きＡ（図１参照）を求めたところ、電流密度が０．０１Ａ／ｃｍ^２以下の任意の２点の場合に良い精度を得ることができた。

次に、燃料電池のインピーダンス計測を行って膜抵抗Ｒｍを求める（ここで、膜抵抗とはアノードとカソードに挟まれた高分子膜（図示省略）の抵抗である。
膜抵抗は、図１の中の記号４の中負荷域の値で、図３に示す複素インピーダンス図の
高周波領域のゼロクロス値に相当する（この図は実験により求めたインピーダンス計測データである。高周波領域のゼロクロス値とは複素インピーダンス図中の円弧の左端のＲｍの値で、原点から円弧の左端までの距離が高周波領域のゼロクロス値である）。

なお、この場合のインピーダンスは直流の電流負荷に交流の微小電流を重畳し、そこから求められる交流電圧と交流電圧の比としてインピーダンスを求めたものであり、各電流密度でのインピーダンスを求めることにより膜抵抗を求めることができる。

Ｓ００２：Ｓ００１で求めたデータセット１、２を用いて、次式により定数ｂを計算する。
ｂ＝（Ｖ１−Ｖ２）／｛ｌｏｇ（ｉ２）−ｌｏｇ（ｉ１）｝
これより基本式（１）の定数ｂが決定する。

Ｓ００３：Ｓ００２で求めた定数ｂと基本式（１）とデータセット１から次式により定数ａを計算する。
Ｅ_０−Ｖ１＝ａ−ｂｌｏｇ（ｉ１）
これにより基本式（１）の定数ａが決定する。

Ｓ００４：データセット３の値から次式（公知）により濃度過電圧ηconを計算して、基本式（２）から限界電流密度iLを計算する。
ηcon＝Ｅ_０−Ｖ３−ηcon−ηｒ
ηcon＝ｂｌｏｇ（ｉ_Ｌ−ｉ３／ｉ）
これにより基本式（２）の限界電流密度ｉ_Ｌが決定する。

上述のように図２に示すのフローチャートからａ、ｂの定数、ｉ_Ｌの限界電流密度、Ｒｍの膜抵抗が求められ、各過電圧を計算することが出来、図１に示すような燃料電池のＩ−Ｖ特性の過電圧を分離表示することが可能となる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の一実施例を示す燃料電池シミュレーション図である。図１に示すシミュレーションを作成するためのフローチャートである。燃料電池の複素インピーダンス図である。従来の燃料電池のシミュレータの機能ブロック図である。従来の燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。

符号の説明

１１過電圧演算部
１２入力部
１３過電圧表示部
１４選択画面表示部

Claims

燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、低負荷域の傾きから活性化過電圧を求めることを特徴とした燃料電池シミュレータ。
前記低負荷域の電流密度を０．０１Ａ／ｃｍ^２以下としたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池シミュレータ。
前記抵抗過電圧の膜抵抗をＩ−Ｖ特性の中負荷域のインピーダンス計測から求めることを特徴とした請求項１に記載の燃料電池シミュレータ。
濃度過電圧を理論起電力から活性化過電圧、抵抗過電圧、Ｉ−Ｖ特性を引いた残りとして求め、限界電流密度を計算して求めることを特徴とした請求項１に記載の燃料電池シミュレータ。
燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、抵抗過電圧の膜抵抗を電流遮断法により求めることを特徴とした燃料電池シミュレータ。
燃料電池の過電圧を活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧に分離して表現する燃料電池シミュレータにおいて、抵抗過電圧の膜抵抗を各電流密度で求めることを特徴とした燃料電池シミュレータ。