JP2009064617A - Equivalent circuit model of fuel cell and characteristic evaluation method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、更に詳しくは燃料電池の等価回路モデルおよびこれを用いて燃料電池の電気的特性を評価する特性評価方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to an equivalent circuit model of a fuel cell and a characteristic evaluation method for evaluating electrical characteristics of the fuel cell using the equivalent circuit model.
近年、新エネルギー源の一つとして燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は自然環境に依存せず、安定した電力を供給することができるといった長所があるが、一方で負荷変動によって出力電圧が変動してしまうため定電圧源としてみなすことができないといった問題がある。そのため、燃料電池を用いたシステムを設計する際には負荷変動による影響を考慮しなくてはならない。システム設計の方法には燃料電池の実機を用いて試行錯誤的に行う方法もあるが、燃料電池の実機は高価であるためシミュレーションソフトを用いる方法が効率的である。そして、シミュレーションを行う際に燃料電池の等価回路モデルが必要となる。尚、本発明に関連する先行技術文献として下記特許文献1が挙げられる。
In recent years, fuel cells have attracted attention as one of new energy sources. Fuel cells do not depend on the natural environment and have the advantage of being able to supply stable power, but on the other hand, there is a problem that the output voltage fluctuates due to load fluctuations and cannot be regarded as a constant voltage source. . Therefore, when designing a system using a fuel cell, the influence of load fluctuations must be taken into account. Although there is a method of trial and error using an actual fuel cell device as a system design method, since the actual fuel cell device is expensive, a method using simulation software is efficient. And when performing simulation, an equivalent circuit model of a fuel cell is required. In addition, the following
しかしながら現在、燃料電池の等価回路モデルはいくつか提案されているものの未だ確立されたものはない。そこで、本発明が解決する課題は、シミュレーションソフトで用いやすい電気回路として燃料電池の特性を表現可能な等価回路モデルおよびこれを用いた燃料電池の特性評価方法を提供することである。 At present, however, several equivalent circuit models of fuel cells have been proposed, but none have been established yet. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an equivalent circuit model capable of expressing the characteristics of a fuel cell as an electric circuit that is easy to use with simulation software, and a method for evaluating the characteristics of a fuel cell using the equivalent circuit model.
上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池の等価回路モデルには、抵抗とキャパシタとを並列接続した回路が複数直列に接続されて組み込まれると共に、前記抵抗は該抵抗を流れる電流の関数として抵抗値が変化する非線形抵抗であることを要旨とするものである。 In order to solve the above problems, the equivalent circuit model of the fuel cell according to the present invention includes a plurality of circuits in which a resistor and a capacitor are connected in parallel connected in series, and the resistor is a function of a current flowing through the resistor. As a gist, it is a non-linear resistance whose resistance value changes.
この場合、前記抵抗の抵抗値は該抵抗を流れる電流の2次関数として変化する構成にすると良い。また、前記抵抗とキャパシタとを並列接続した回路が5つ直列に接続されている構成にすると良い。 In this case, the resistance value of the resistor may be changed as a quadratic function of the current flowing through the resistor. Further, it is preferable that five circuits in which the resistor and the capacitor are connected in parallel are connected in series.
また、本発明に係る燃料電池の特性評価方法は、等価回路モデルへのフィッティングを行うことで燃料電池の電気的特性を評価する燃料電池の特性評価方法であって、前記等価回路モデルには、抵抗とキャパシタとを並列接続した回路が複数直列に接続されて組み込まれると共に、前記抵抗は該抵抗を流れる電流の関数として抵抗値が変化する非線形抵抗であることを要旨とするものである。 Further, the fuel cell characteristic evaluation method according to the present invention is a fuel cell characteristic evaluation method for evaluating electrical characteristics of a fuel cell by performing fitting to an equivalent circuit model, and the equivalent circuit model includes: A gist is that a plurality of circuits in which a resistor and a capacitor are connected in parallel are connected in series and incorporated, and the resistor is a non-linear resistor whose resistance value changes as a function of a current flowing through the resistor.
この場合、前記抵抗の抵抗値は該抵抗を流れる電流の2次関数として変化する構成にすると良い。また、前記抵抗とキャパシタとを並列接続した回路が5つ直列に接続されている構成にすると良い。 In this case, the resistance value of the resistor may be changed as a quadratic function of the current flowing through the resistor. Further, it is preferable that five circuits in which the resistor and the capacitor are connected in parallel are connected in series.
更に、前記燃料電池に負荷を接続し、該負荷に流れる電流の波形が所定の電流値を中心に正弦波となるように変動させる第1のステップと、前記正弦波の周波数を変化させて前記負荷のインピーダンスの周波数特性を測定する第2のステップと、前記第1のステップの前記所定の電流値の大きさを変化させて前記第2のステップの測定を行う第3のステップと、測定された負荷電流と電圧に基づいて前記等価回路モデルのパラメータをフィッティングする第4のステップを備える構成にすると良い。 Further, a first step of connecting a load to the fuel cell, and changing the waveform of the current flowing through the load so as to be a sine wave around a predetermined current value, and changing the frequency of the sine wave to A second step of measuring the frequency characteristic of the impedance of the load; a third step of measuring the second step by changing the magnitude of the predetermined current value of the first step; A fourth step of fitting the parameters of the equivalent circuit model based on the load current and voltage may be provided.
上記構成を有する本発明によれば、等価回路モデルとして、抵抗とキャパシタとを並列接続した回路が複数直列に接続されたものを用いると共に、抵抗が該抵抗を流れる電流の関数として抵抗値が変化する非線形抵抗である構成なので、例えば、燃料電池に負荷を接続し、その負荷に流れる電流の波形が所定の電流値を中心に正弦波となるように変動させると共に、その際の正弦波の周波数を変化させて測定される負荷のインピーダンスの周波数特性を表現できるように等価回路モデルへのフィッティングを行うことで燃料電池の電気的特性を評価することができる。また、正弦波の中心の所定の電流値を変化させた場合に測定される負荷のインピーダンスの周波数特性をも表現できるように等価回路モデルへのフィッティングを行うことで燃料電池の電気的特性を評価することができる。これによりシミュレーションソフトで用いやすい電気回路として燃料電池の特性を表現することが可能になる。 According to the present invention having the above configuration, as an equivalent circuit model, a circuit in which a plurality of resistors and capacitors are connected in parallel is used in series, and the resistance value changes as a function of the current flowing through the resistor. For example, a load is connected to the fuel cell, and the waveform of the current flowing through the load is changed so as to be a sine wave around a predetermined current value, and the frequency of the sine wave at that time The electrical characteristics of the fuel cell can be evaluated by performing fitting to an equivalent circuit model so that the frequency characteristics of the impedance of the load measured by changing can be expressed. In addition, the electrical characteristics of the fuel cell are evaluated by fitting to an equivalent circuit model so that the frequency characteristics of the impedance of the load measured when the predetermined current value at the center of the sine wave is changed can also be expressed. can do. This makes it possible to express the characteristics of the fuel cell as an electric circuit that is easy to use with simulation software.
以下に、本発明に係る燃料電池の等価回路モデルおよびこれを用いた燃料電池の特性評価方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Embodiments of a fuel cell equivalent circuit model and a fuel cell characteristic evaluation method using the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
1.燃料電池の特性の測定
図1(a)は、燃料電池1の定常特性を測定する実験装置2を示している。燃料電池1の定常特性の測定は、図1(a)に示されるように燃料電池1の出力端に負荷3として抵抗Rを接続し、燃料電池1の出力電流I・電圧Vを測定する。
1. Measurement of Fuel Cell Characteristics FIG. 1A shows an experimental apparatus 2 that measures the steady characteristics of the
また、図1(b)は、燃料電池1の周波数特性を測定する実験装置4を示している。燃料電池1の周波数特性の測定は、図1(b)に示されるようなFETと抵抗Rを備えた負荷5を接続し、燃料電池1を電流源として働かせて抵抗Rに流れる電流iDを制御して測定する。実際の測定では図1(b)の指令値v1はオフセットを乗せた正弦波を与える。尚、燃料電池1に供給する酸素・水素や生成する水は省略されている。
FIG. 1B shows an
図1(a)の実験装置2を用いて定常状態における燃料電池1の出力電流I・電圧Vを測定する。測定は図1(a)の負荷3として抵抗Rを用い、様々な抵抗値における燃料電池1の出力電流I・電圧Vを測定する。測定結果は図2に示す。
The output current I and voltage V of the
図2に示すように、出力電流Iを上げていくと出力電圧Vが徐々に減少する特性が得られた。また、出力電流Iを上げていくと電流値が一定になり、出力電圧Vが急激に減少している。この原因は燃料電池1に供給される酸素と水素の量が不足していることにより十分に発電できないためであることが実験的にわかっている。そのため、実験では酸素・水素が不足しない領域で測定を行った。
As shown in FIG. 2, the output voltage V gradually decreased as the output current I was increased. Further, as the output current I is increased, the current value becomes constant, and the output voltage V decreases rapidly. It has been experimentally found that this is because sufficient power cannot be generated due to a shortage of oxygen and hydrogen supplied to the
そして、図2に示すように、燃料電池1の出力電流Iがおよそ0.4〜1.0Aの領域においては、出力電流Iと出力電圧Vは近似的に線形の関係があるとみなすことができる。そのため、本発明に係る燃料電池の特性評価方法の実施の形態では抵抗Rに流れる電流が0.4〜1.0Aの領域を対象とする。
As shown in FIG. 2, in the region where the output current I of the
次に、図1(b)の実験装置4を用いて燃料電池1の周波数特性を測定する。この場合、周波数特性とは負荷5側の電流と電圧を正弦波状に変化させ、正弦波の周波数を様々に変化させたときのインピーダンス特性である。図1(b)の実験装置4はFETのゲート・ソース間に指令電圧v1を入力し、Rに流れる電流を制御することにより、負荷5のインピーダンスを制御している。これにより、連続的なインピーダンスの変化を可能にしている。
Next, the frequency characteristic of the
制御する電流iDの変数には、図3に示される正弦波のpeak−to−peakにあたるIp−pと、オフセット分にあたるIofsがあり、それらを変化させて特性を調べる。そして、インピーダンスZsinは数1式のように燃料電池1の出力電圧vと電流iDの正弦波変動の基本波成分(vsin,iD sin)の比より算出する。
まず、Iofsを一定にし、Ip−pを変化させた場合の周波数特性を調べるために、Iofsを0.60A一定とし、Ip−pを0.20A、0.40A、0.60A、0.80Aとして4通りの特性を測定した。測定結果を図4に示す。図4の結果より、Ip−pを変化させても周波数特性に大きな変化がないことがわかる。 First, the constant I ofs, in order to examine the frequency characteristics when changing the I p-p, the I ofs and 0.60A constant, 0.20A and I p-p, 0.40A, 0.60A Four characteristics were measured at 0.80A. The measurement results are shown in FIG. From the results of FIG. 4, it can be seen that there is no significant change in the frequency characteristics even when I p-p is changed.
次に、Ip−pを一定にして、Iofsを変化させた場合での周波数特性を調べるため、Ip−pを0.20A一定とし、Iofsを0.40A、0.60A、0.80A、1.00Aとして4通りの特性を測定した。測定結果を図5に示す。図5の結果より、10Hz以上の帯域ではIofsを変化させてもほぼ同じ特性であることがわかる。一方、10Hz以下の低周波領域ではIofsを小さくしていくとインピーダンスZsinは大きくなることがわかる。 Next, in the constant I p-p, to examine the frequency characteristics in the case of changing the I ofs, and 0.20A constant I p-p, 0.40A and I ofs, 0.60A, 0 Four characteristics were measured as .80A and 1.00A. The measurement results are shown in FIG. From the results of FIG. 5, it can be seen that the characteristics are almost the same even if I ofs is changed in a band of 10 Hz or more. On the other hand, it can be seen that in the low frequency region of 10 Hz or less, the impedance Z sin increases as I ofs decreases.
2.燃料電池の等価回路モデルの構築
まず、図6に従来から提案されている燃料電池の等価回路モデル6を示す。そして、この等価回路モデル6のパラメータに適当な値を用いた時の周波数特性を実験結果(Ip−p=0.20A,Iofs=0.60A)と共に図7に示す。図7より、従来の等価回路モデル6では高周波領域での表現が不可能であることがわかる。そのため、新たに等価回路モデルを構築する必要がある。
2. Construction of an Equivalent Circuit Model for a Fuel Cell First, FIG. 6 shows a conventional
図4および図5の実験結果より、どの条件においても燃料電池1の周波数特性は、およそ1Hz以下の低周波領域ではインピーダンスZsinは一定となり、周波数が高くなるにつれて小さくなり、およそ100kHzにおいて0Ωとなる特性となっている。この結果より、燃料電池の等価回路モデルを電気回路で表現するとRC並列のみで構成されていることがわかる。
Frequency characteristic of FIG. 4 and FIG than 5 experimental results, the
図8に実際にRC並列1段における周波数特性を実験結果(Ip−p=0.20A,Iofs=0.60A)と共に示す。ただし、パラメータの値は適当な値を用いた。図8より、RC並列1段ではおよそ10Hz以上の帯域でのインピーダンスZsinの減少率が十分に表現できていないことがわかる。この場合、パラメータの値を変化させても遮断周波数が変化するだけでインピーダンスZsinの減少率は変わらず特性を表現することはできない。そのため、RC並列を1段から複数段にし、インピーダンスZsinの減少区間を分布定数として考え、RC並列それぞれの遮断周波数を異なる値に設定することで特性を表現することを検討する。 Indeed experiments the frequency characteristic of RC parallel first stage in FIG. 8 (I p-p = 0.20A , I ofs = 0.60A) together with. However, appropriate values were used for the parameters. FIG. 8 shows that the reduction rate of the impedance Z sin in a band of about 10 Hz or more cannot be expressed sufficiently in one RC parallel stage. In this case, even if the parameter value is changed, the cut-off frequency only changes and the reduction rate of the impedance Z sin does not change, and the characteristic cannot be expressed. For this reason, the RC parallel is changed from one stage to a plurality of stages, the reduction interval of the impedance Z sin is considered as a distribution constant, and the characteristic is expressed by setting the cutoff frequencies of the RC parallel to different values.
インピーダンスZsinの減少率は実験結果から図9に示されるように、平均的に約−0.067Ω/decadeである。この減少率を実現するためにはRC並列の遮断周波数が約5.6倍ごとの間隔になる必要があることがわかる。また、最大の遮断周波数(fc max)と最小の遮断周波数(fc min)の間は約2decadeである。よって、遮断周波数は少なくとも5つ必要となる。これらより、燃料電池の等価モデルとして、図10に示されるようなRC並列5段の等価回路モデル7を提案する。 The decrease rate of the impedance Z sin is about −0.067Ω / decade on average as shown in FIG. 9 from the experimental results. It can be seen that the RC parallel cut-off frequency needs to be about every 5.6 times in order to realize this reduction rate. Further, the interval between the maximum cutoff frequency (f c max ) and the minimum cutoff frequency (f c min ) is about 2 decades. Therefore, at least five cut-off frequencies are required. From these, as an equivalent model of the fuel cell, an RC parallel 5-stage equivalent circuit model 7 as shown in FIG. 10 is proposed.
図10に示される等価回路モデル7における適切なパラメータを算出する。パラメータは、キャパシタCa〜Ce、抵抗Ra〜Re、起電力Eの三種類である。まず、図10の等価回路モデル7の合成インピーダンスを計算し、実験結果に合うようにパラメータを試行錯誤的に求め、その結果より規則性を導く。 Appropriate parameters in the equivalent circuit model 7 shown in FIG. 10 are calculated. There are three types of parameters: capacitors C a to C e , resistors R a to R e , and electromotive force E. First, the combined impedance of the equivalent circuit model 7 of FIG. 10 is calculated, parameters are obtained by trial and error so as to match the experimental results, and regularity is derived from the results.
まず、キャパシタCa〜Ceを算出する。キャパシタCa〜Ceの値はどの条件の場合においてもほぼ値が変わらないことがわかった。そのため、キャパシタCa〜Ceの値は様々な条件においてCa〜Ceそれぞれ試行錯誤的に求めた値の平均値を用いることとした。具体的には、Ca=0.375F、Cb=0.1275F、Cc=0.03F、Cd=0.003625F、Ce=0.0005Fとした。 First, capacitors C a to C e are calculated. It was found that the values of the capacitors C a to C e did not change substantially under any condition. Therefore, the value of the capacitor C a -C e was using the average value of C a -C e values each trial and error determined in various conditions. Specifically, C a = 0.375F, C b = 0.1275F, C c = 0.03F, C d = 0.003625F, and C e = 0.0005F.
次に抵抗Ra〜Reを算出する。抵抗Ra〜Reの値は計算の簡略化のため、5つ全て同じ値とする。抵抗Ra〜Reはその抵抗Ra〜Reに流れる電流iDによって値が変化することがわかった。そして、抵抗Ra〜Reと電流iDは近似的に二次関数の関係があることもわかった。このため、抵抗Ra〜Reは電流iDの関数として抵抗値を変化させるものとし、数2式のように決定する。従って、シミュレーションの際には抵抗Ra〜Reを非線形抵抗として用い、数2式のように抵抗Ra〜Reを流れる電流iDにより微分する式として決定することとした。尚、抵抗Ra〜Reはそれぞれ数3式のようにR(iD)として表される。R(iD)は電流iDの2次関数となっている。
最後に起電力Eを算出する。まず、数2式を電流iDで積分した式を数4式に示す。なお、積分定数の値は起電力Eの算出法の考慮により任意の値とすることができると考えるため、今回は計算の簡略化のため0とした。数4式により、抵抗Ra〜Reのそれぞれにおける電圧降下の値が抵抗Ra〜Reに流れる電流iDの値により一意に決定することがわかる。
起電力Eを算出する上で、図2に示した燃料電池の定常特性も表現する必要がある。そのため、定常状態での燃料電池1の等価回路モデル8を図11に示す。図11からもわかる通り、流れる電流Iが決定すると抵抗Rにおける電圧降下が数4式より、また、燃料電池1の出力電圧が図2より一意に決定する。よって、起電力Eも流れる電流によりE=V−5vRとして一意に決定することになる。これより、電流iDと起電力Eの関係を調べた結果、近似的に数5式のように求まることがわかった。
以上のようにして求めたパラメータを用いた等価回路モデル7の定常特性と周波数特性をそれぞれシミュレーションした結果を図12及び図13に示す。図12に示されるように、定常特性においては、図3の測定結果に合うようにシミュレーション結果は表現できている。また、図13に示されるように、図5の測定結果にようにシミュレーション結果は表現できている。特に、図10に示される等価回路モデル7の抵抗Ra〜Reを非線形抵抗として用い、数2式のように抵抗Ra〜Reを流れる電流iDにより微分する式として決定したことにより、図5のIp−pを0.20A一定とし、Iofsを0.40A、0.60A、0.80A、1.00Aとした4通りの測定結果を、図13のシミュレーション結果は表現できている。 FIGS. 12 and 13 show the simulation results of the steady state characteristic and the frequency characteristic of the equivalent circuit model 7 using the parameters obtained as described above. As shown in FIG. 12, in the steady characteristics, the simulation result can be expressed so as to match the measurement result of FIG. Further, as shown in FIG. 13, the simulation result can be expressed like the measurement result of FIG. In particular, using a resistance R a to R e in the equivalent circuit model 7 shown in FIG. 10 as a nonlinear resistance, by determining the expression of differentiation by the current i D flowing through the resistor R a to R e as equation 2 the I p-p in Fig. 5 and 0.20A constant, 0.40A and I ofs, 0.60A, 0.80A, the measurement results of the four types that the 1.00A, the simulation results of FIG. 13 can be expressed ing.
3.等価回路モデルの有用性
提案する等価回路モデル7と算出したパラメータが有用であることをシミュレーションする。シミュレーションは定常特性や様々な周波数成分を含んでいるステップ変化について行う。実験は負荷抵抗の値を0.6Ωから1.5Ωへステップ変化させた場合の電圧応答を測定した。そして、シミュレーションも実験と同様の条件で行った。実験結果を図14、シミュレーション結果を図15に示す。
3. Usefulness of Equivalent Circuit Model Simulate that the proposed equivalent circuit model 7 and the calculated parameters are useful. The simulation is performed for a step change including steady characteristics and various frequency components. The experiment measured the voltage response when the load resistance value was stepped from 0.6Ω to 1.5Ω. The simulation was performed under the same conditions as in the experiment. The experimental results are shown in FIG. 14 and the simulation results are shown in FIG.
図14及び図15より、定常状態は測定結果の誤差内に収まっているため燃料電池の特性を表現できている。また、過渡状態においては時定数がほぼ同じであるため燃料電池の特性を表現できている。 14 and 15, the steady state is within the error of the measurement result, so that the characteristics of the fuel cell can be expressed. Further, since the time constant is substantially the same in the transient state, the characteristics of the fuel cell can be expressed.
以上、本発明に係る燃料電池の等価回路モデルおよびこれを用いた燃料電池の特性評価方法の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。 The embodiments of the equivalent circuit model of the fuel cell and the method of evaluating the characteristics of the fuel cell using the fuel cell according to the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to these embodiments, and Needless to say, various embodiments can be implemented without departing from the scope of the invention.
1 燃料電池
2 定常特性測定用実験装置
3 定常特性測定用負荷
4 周波数特性測定用実験装置
5 周波数特性測定用負荷
6 従来の燃料電池の等価回路モデル
7 本発明に係る燃料電池の等価回路モデル
8 燃料電池の定常状態での等価回路モデル
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CN106784935A (en) * | 2017-03-10 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | A kind of optimization method of fuel cell output performance |
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