JP2009099389A - Fuel cell simulator and simulation method for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の特性をシミュレーションする燃料電池シミュレータおよびシミュレーション方法等に関する。 The present invention relates to a fuel cell simulator and a simulation method for simulating the characteristics of a fuel cell.
燃料電池を評価する燃料電池シミュレータとして、燃料電池のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を計測するものが知られている。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することができる。
特開２００５−１０８６６０号公報に開示された燃料電池シミュレータでは、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ことができる。また、各過電圧を分離して表現することは、個別の要因解析に有用である。 In the fuel cell simulator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-108660, the overvoltage of the fuel cell can be expressed separately as an activation overvoltage, a concentration overvoltage, and a resistance overvoltage. Moreover, separating and expressing each overvoltage is useful for individual factor analysis.
しかし、上記の燃料電池シミュレータでは、燃料電池の運転条件や経時変化に伴って燃料電池の特性がどのように変化するかを知ることはできない。例えば、各過電圧に変化があった場合に、どのような電流電圧特性に変化するのかを知ることは燃料電池の耐久性、劣化特性の解明に有効な手段となる。しかし、これまでに、分かり易く表現する手法は開発されておらず、また、その時の複素インピーダンスも、同時にどのような変化をするのかを分かり易く表現する手段も無かった。 However, in the fuel cell simulator described above, it is impossible to know how the characteristics of the fuel cell change with the operating conditions of the fuel cell and changes with time. For example, knowing what current-voltage characteristic changes when each overvoltage is changed is an effective means for elucidating the durability and deterioration characteristics of the fuel cell. However, until now, no method has been developed for easy-to-understand expression, and there has been no means for easily expressing how the complex impedance changes at the same time.
一般に燃料電池の特性評価として用いられる電流電圧特性や複素インピーダンス特性が、燃料電池の運転条件や経時変化に伴ってどのように変化するかを事前にシミュレーションすることができれば、燃料電池の耐久性、劣化特性の解明に有効な手段となる。 If it is possible to simulate in advance how the current-voltage characteristics and complex impedance characteristics, which are generally used for evaluating the characteristics of fuel cells, change with the operating conditions of the fuel cells and changes over time, the durability of the fuel cells, This is an effective means for elucidating the degradation characteristics.
本発明の目的は、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる燃料電池シミュレータおよびシミュレーション方法等を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell simulator, a simulation method, and the like capable of simulating changes in fuel cell characteristics associated with changes in operating conditions and aging of the fuel cell.
本発明の燃料電池シミュレータは、燃料電池の特性をシミュレーションする燃料電池シミュレータにおいて、所定の演算式に基づいて燃料電池の特性を計算する特性算出手段と、前記演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるパラメータ受付手段と、を備えることを特徴とする。
この燃料電池シミュレータによれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。
The fuel cell simulator of the present invention is a fuel cell simulator for simulating the characteristics of a fuel cell. The fuel cell simulator includes characteristic calculation means for calculating the characteristics of a fuel cell based on a predetermined arithmetic expression, and is included in the arithmetic expression. Parameter receiving means for receiving input of parameter values corresponding to operating conditions or changes over time.
According to this fuel cell simulator, since the input of the parameter value corresponding to the operating condition of the fuel cell or the change with time is included in the arithmetic expression, the fuel cell operating condition and the change of the characteristics of the fuel cell with the change with time are accepted. Can be simulated.
前記特性算出手段により計算された前記特性を表示する表示手段を備えてもよい。 You may provide the display means which displays the said characteristic calculated by the said characteristic calculation means.
前記特性算出手段は、前記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算出してもよい。 The characteristic calculation unit may calculate the fuel cell overvoltage by separating it into an activation overvoltage, a concentration overvoltage, and a resistance overvoltage.
前記特性算出手段は、算出された活性化過電圧、濃度過電圧および抵抗過電圧に基づき前記燃料電池の複素インピーダンスを算出してもよい。 The characteristic calculation means may calculate a complex impedance of the fuel cell based on the calculated activation overvoltage, concentration overvoltage, and resistance overvoltage.
本発明の燃料電池のシミュレーション方法は、燃料電池の特性をシミュレーションする燃料電池のシミュレーション方法において、所定の演算式に基づいて燃料電池の特性を計算するステップと、前記演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値のユーザによる入力を受け付けるステップと、を備えることを特徴とする。
この燃料電池のシミュレーション方法によれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。
The fuel cell simulation method of the present invention includes a step of calculating the characteristics of the fuel cell based on a predetermined arithmetic expression in the fuel cell simulation method for simulating the characteristics of the fuel cell, and the fuel expression is included in the arithmetic expression. Receiving a user input of parameter values corresponding to battery operating conditions or changes over time.
According to this fuel cell simulation method, since the input of parameter values corresponding to changes in operating conditions of the fuel cell or changes with time is received in the calculation formula, The change in characteristics can be simulated.
前記特性算出手段により計算された前記特性を表示するステップを備えてもよい。 You may provide the step which displays the said characteristic calculated by the said characteristic calculation means.
本発明のプログラムは、燃料電池の特性をシミュレーションする燃料電池のシミュレーション方法を実行するためのプログラムにおいて、コンピュータに、所定の演算式に基づいて燃料電池の特性を計算するステップと、前記演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値のユーザによる入力を受け付けるステップと、を実行させることを特徴とする。
このプログラムによれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。
The program of the present invention is a program for executing a fuel cell simulation method for simulating the characteristics of a fuel cell. The computer calculates a fuel cell characteristic based on a predetermined arithmetic expression; And a step of receiving a user input of a parameter value corresponding to an operating condition or a change with time of the fuel cell.
According to this program, since the input of the parameter value corresponding to the operating condition of the fuel cell or the change with time is accepted, it is simulated in the operating condition of the fuel cell and the change in characteristics of the fuel cell with the change with time. it can.
本発明の燃料電池シミュレータによれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。 According to the fuel cell simulator of the present invention, since the input of the parameter value corresponding to the operating condition of the fuel cell or the change with time is included in the calculation formula, The change in characteristics can be simulated.
本発明の燃料電池のシミュレーション方法によれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。 According to the fuel cell simulation method of the present invention, since the input of the parameter value corresponding to the operating condition of the fuel cell or the change with time is received, the fuel accompanying the operating condition of the fuel cell and the change with time is received. Battery characteristic changes can be simulated.
本発明のプログラムによれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。 According to the program of the present invention, since the input of the parameter value corresponding to the operating condition of the fuel cell or the change with time is included in the arithmetic expression, the operating condition of the fuel cell and the characteristic change of the fuel cell with the change with time are accepted. Can be simulated.
以下、図１〜図４を参照して、本発明による燃料電池シミュレータの一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell simulator according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は、本実施形態の燃料電池シミュレータの構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell simulator of the present embodiment.
図１に示すように、燃料電池シミュレータ３には、燃料電池１の電流、電圧等を計測する計測装置２が接続される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell simulator 3 is connected to a measuring device 2 that measures the current, voltage, and the like of the fuel cell 1.
燃料電池シミュレータ３は、所定の演算式に基づいて燃料電池１の特性を計算する特性算出手段３１と、上記演算式に含まれ、燃料電池１の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるパラメータ受付手段３２と、特性算出手段３１により計算された燃料電池１の特性を表示する表示手段３３と、を構成する。 The fuel cell simulator 3 includes characteristic calculation means 31 for calculating the characteristics of the fuel cell 1 based on a predetermined arithmetic expression, and parameter values corresponding to operating conditions or changes with time of the fuel cell 1 included in the arithmetic expression. Parameter receiving means 32 for receiving input and display means 33 for displaying the characteristics of the fuel cell 1 calculated by the characteristic calculating means 31 are configured.
特性算出手段３１、パラメータ受付手段３２および表示手段３３は、例えば、コンピュータとしての燃料電池シミュレータ３に所定のプログラムを実装することで実現できる。 The characteristic calculation unit 31, the parameter reception unit 32, and the display unit 33 can be realized, for example, by mounting a predetermined program on the fuel cell simulator 3 as a computer.
また、燃料電池シミュレータ３には、計測装置２の計測結果や特性算出手段３１による算出結果等を記録する記憶装置３４が設けられ、適時、特性算出手段３１による計算等を実行できる。 In addition, the fuel cell simulator 3 is provided with a storage device 34 for recording the measurement result of the measurement device 2, the calculation result by the characteristic calculation means 31, and the like, and the calculation by the characteristic calculation means 31 can be executed at the appropriate time.
式（１）〜式（３）は、特性算出手段３１での演算に使用する基本式を示している。 Expressions (1) to (3) indicate basic expressions used for the calculation in the characteristic calculation unit 31.
このように、各過電圧は上記３つの基本式により分離計算される。 In this way, each overvoltage is calculated separately by the above three basic equations.
図２は、計測装置２による計測結果に基づき、特性算出手段３１で上記基本式を用いて算出された燃料電池１の電流電圧特性および燃料電池１の各内部抵抗値を表示手段３３により表示した例を示している。 FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of the fuel cell 1 and the internal resistance values of the fuel cell 1 calculated by the characteristic calculation means 31 using the above basic formula, based on the measurement result of the measuring device 2. An example is shown.
本実施形態の燃料電池シミュレータ３では、上記基本式に用いられるパラメータの値を、パラメータ受付手段３３を介してユーザが操作することができる。 In the fuel cell simulator 3 of the present embodiment, the user can operate the parameter values used in the basic formula via the parameter receiving means 33.
図３は、図２に示した電流電圧特性について、式（１）の活性化過電圧の定数ｂを変化させた場合を特性曲線Ａとして、式（２）の濃度過電圧の限界電流密度ｉＬを変化させた場合を特性曲線Ｂとして、式（３）の抵抗過電圧Ｒｍを変化させた場合を特性曲線Ｃとして計算したものを示している。 FIG. 3 shows the current-voltage characteristics shown in FIG. 2 with the characteristic curve A when the activation overvoltage constant b in the expression (1) is changed, and the limit current density iL of the concentration overvoltage in the expression (2) is changed. The characteristic curve B is calculated as the characteristic curve B, and the characteristic curve C is calculated when the resistance overvoltage Rm in Equation (3) is changed.
ここで、定数ｂは触媒の活性物性に関わるパラメータであり、この値の変化は燃料電池１の運転条件の変更ないし燃料電池１の経時変化に相当する。また、限界電流密度ｉＬおよび抵抗過電圧Ｒｍも同様に、燃料電池１の運転条件の変更ないし燃料電池１の経時変化に対応して変化するパラメータである。本実施形態の燃料電池シミュレータ３によれば、パラメータの値をユーザが自由に変化させることができるので、各過電圧の影響変化を介して、燃料電池１の運転条件の変更ないし燃料電池１の経時変化の影響を電流電圧特性としてシミュレーションできる。 Here, the constant b is a parameter related to the active physical properties of the catalyst, and a change in this value corresponds to a change in operating conditions of the fuel cell 1 or a change with time of the fuel cell 1. Similarly, the limit current density iL and the resistance overvoltage Rm are parameters that change corresponding to changes in the operating conditions of the fuel cell 1 or changes over time of the fuel cell 1. According to the fuel cell simulator 3 of the present embodiment, the user can freely change the value of the parameter. Therefore, the change of the operating condition of the fuel cell 1 or the aging of the fuel cell 1 can be performed through the change in the influence of each overvoltage. The effect of change can be simulated as current-voltage characteristics.
次に、本実施形態の燃料電池シミュレータ３における複素インピーダンスの予測手法について説明する。複素インピーダンスの予測の際にも、上記パラメータの変化が反映される。 Next, a method for predicting complex impedance in the fuel cell simulator 3 of the present embodiment will be described. The change of the parameter is also reflected in the prediction of the complex impedance.
まず、各過電圧の直流抵抗を計算する。 First, the DC resistance of each overvoltage is calculated.
式（１）〜式（３）に基づき、各過電圧の直流抵抗は、式（４）〜式（６）として算出される。 Based on Expressions (1) to (3), the DC resistance of each overvoltage is calculated as Expressions (4) to (6).
図２に示す各過電圧の直流抵抗成分は、上記の演算結果を示したものである。 The DC resistance component of each overvoltage shown in FIG. 2 shows the above calculation result.
次に、３つの電流密度（図２のａ、ｂ、ｃの値）における、複素インピーダンスの予測を行う。ここで、複素インピーダンスを計算するための、燃料電池１の等価回路モデルを図４（ａ）に示すような２次の抵抗Ｒ１，Ｒ２とコンデンサＣ２からなる等価回路モデルとし、式（４）〜式（６）により算出された抵抗過電圧の抵抗値ＲｍｅｍをＲ１に、活性化過電圧の抵抗値Ｒａｃｔと濃度過電圧の抵抗値Ｒｃｏｎの和の抵抗値ＲａｃをＲ２とする。コンデンサＣ２の値は、Ｒ２とＣ２の共振周波数を１Ｈｚとして計算する。もしくは、対象とする燃料電池の実インピーダンスに従って決定される値とする。 Next, the complex impedance is predicted at three current densities (values a, b, and c in FIG. 2). Here, an equivalent circuit model of the fuel cell 1 for calculating the complex impedance is an equivalent circuit model including secondary resistors R1 and R2 and a capacitor C2 as shown in FIG. The resistance value Rmem of the resistance overvoltage calculated by the equation (6) is R1, and the resistance value Rac of the sum of the activation overvoltage resistance value Ract and the concentration overvoltage resistance value Rcon is R2. The value of the capacitor C2 is calculated assuming that the resonance frequency of R2 and C2 is 1 Hz. Alternatively, the value is determined according to the actual impedance of the target fuel cell.
上記の手順に従い、図２の「ａ」、「ｂ」、「ｃ」として示す各電流密度で計算された複素インピーダンスのシミュレーション結果の表示手段３３による表示例を図４（ｂ）に示す。 FIG. 4B shows a display example by the display means 33 of the simulation result of the complex impedance calculated at each current density shown as “a”, “b”, and “c” in FIG. 2 according to the above procedure.
このように、本実施形態の燃料電池シミュレータ３では、パラメータを変化させたときの燃料電池１の複素インピーダンスのシミュレーション結果についても自由に参照することができるため、燃料電池１の運転条件の変更ないし燃料電池１の経時変化の影響を詳しく解析できる。 As described above, in the fuel cell simulator 3 of the present embodiment, the simulation result of the complex impedance of the fuel cell 1 when the parameter is changed can be freely referred to. The influence of changes over time of the fuel cell 1 can be analyzed in detail.
以上のように、本実施形態の燃料電池シミュレータでは、現在の燃料電池１の特性から、各過電圧を正確に求めたのち、その各過電圧の変化が基本式のパラメータの数値を変えることでシミュレーンでき、電流電圧特性にどのように影響して変化するのかを知ることができる。また、複素インピーダンス特性がどのように変化するのかを、各過電圧の抵抗値からシミュレーションすることができる。このことにより、一般に燃料電池の特性評価として用いられる電流電圧特性や複素インピーダンス特性の変化を、事前に簡単に表現でき、燃料電池の耐久性、劣化特性の解明に有効な手段となる。 As described above, in the fuel cell simulator of the present embodiment, each overvoltage is accurately obtained from the current characteristics of the fuel cell 1, and then the change of each overvoltage is simulated by changing the numerical value of the parameter of the basic formula. It is possible to know how the current-voltage characteristic is affected and changed. In addition, how the complex impedance characteristic changes can be simulated from the resistance value of each overvoltage. As a result, changes in current-voltage characteristics and complex impedance characteristics that are generally used for evaluating the characteristics of fuel cells can be easily expressed in advance, which is an effective means for elucidating the durability and deterioration characteristics of fuel cells.
以上説明したように、本発明の燃料電池シミュレータによれば、演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるので、燃料電池の運転条件や経時変化に伴う燃料電池の特性変化をシミュレーションできる。 As described above, according to the fuel cell simulator of the present invention, since the input of the parameter value corresponding to the operating condition or the change with time of the fuel cell is received, the operating condition of the fuel cell and the time It is possible to simulate changes in fuel cell characteristics accompanying changes.
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、燃料電池の特性をシミュレーションする燃料電池シミュレータおよびシミュレーション方法等に対し、広く適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be widely applied to a fuel cell simulator and a simulation method for simulating the characteristics of a fuel cell.
１ 燃料電池
３ 燃料電池シミュレータ
３１ 特性算出手段
３２ パラメータ受付手段
３３ 表示手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 3 Fuel cell simulator 31 Characteristic calculation means 32 Parameter reception means 33 Display means
Claims (7)
所定の演算式に基づいて燃料電池の特性を計算する特性算出手段と、
前記演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるパラメータ受付手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池シミュレータ。 In a fuel cell simulator that simulates the characteristics of a fuel cell,
A characteristic calculating means for calculating the characteristics of the fuel cell based on a predetermined arithmetic expression;
Parameter accepting means for accepting an input of a parameter value included in the arithmetic expression and corresponding to an operating condition or a change with time of the fuel cell;
A fuel cell simulator comprising:
所定の演算式に基づいて燃料電池の特性を計算するステップと、
前記演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池のシミュレーション方法。 In a fuel cell simulation method for simulating the characteristics of a fuel cell,
Calculating the characteristics of the fuel cell based on a predetermined arithmetic expression;
A step of receiving an input of a parameter value included in the arithmetic expression and corresponding to an operating condition or a change with time of the fuel cell;
A fuel cell simulation method comprising the steps of:
コンピュータに、
所定の演算式に基づいて燃料電池の特性を計算するステップと、
前記演算式に含まれ、前記燃料電池の運転条件ないし経時変化に対応するパラメータの値の入力を受け付けるステップと、
を実行させることを特徴とするプログラム。 In a program for executing a fuel cell simulation method for simulating the characteristics of a fuel cell,
On the computer,
Calculating the characteristics of the fuel cell based on a predetermined arithmetic expression;
A step of receiving an input of a parameter value included in the arithmetic expression and corresponding to an operating condition or a change with time of the fuel cell;
A program characterized by having executed.
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