JP2011014284A - Fuel cell internal state detecting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の内部状態を検出する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for detecting the internal state of a fuel cell.
電気自動車やハイブリット車の電源となる燃料電池においては、電解質膜や燃料極、酸化剤極の状態(以下「内部状態」という。)によっては、発電性能が低下する可能性がある。燃料電池の発電性能が低下した場合には、燃料電池を正常な状態に戻すことや、燃料電池の状態に合わせた運転をすることが重要である。そのため、燃料電池システムにおいては燃料電池の内部状態を検出することが必要である。 In a fuel cell serving as a power source for an electric vehicle or a hybrid vehicle, the power generation performance may be lowered depending on the state of the electrolyte membrane, the fuel electrode, and the oxidant electrode (hereinafter referred to as “internal state”). When the power generation performance of the fuel cell deteriorates, it is important to return the fuel cell to a normal state or to operate according to the state of the fuel cell. Therefore, in the fuel cell system, it is necessary to detect the internal state of the fuel cell.
特許文献1には、燃料電池の発電が安定した後に燃料電池に交流電流を印加して、燃料電池の交流インピーダンスを求めることで、燃料電池の内部状態を検出する内部状態検出装置が開示されている。燃料電池の発電状態を安定させてから燃料電池の内部状態を検出するので、外乱の影響を受けることなく内部状態を検出できる。
燃料電池システムでは発電安定時以外にも内部状態を検出する必要があるが、特許文献1に記載の内部状態検出装置を発電安定時以外にも適用した場合には、駆動モータ制御用インバータのスイッチング制御によるノイズ等の外乱の影響を受けて燃料電池の内部状態を誤検出してしまうおそれがある。
In the fuel cell system, it is necessary to detect the internal state at times other than when the power generation is stable. However, when the internal state detection device described in
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、外乱に起因する内部状態の誤検出を抑制することができる燃料電池内部状態検出装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell internal state detection device capable of suppressing erroneous detection of an internal state caused by a disturbance. .
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。 The present invention solves the above problems by the following means.
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池モジュールの内部状態を検出する燃料電池内部状態検出装置である。燃料電池内部状態検出装置は、燃料電池スタックに交流電流を印加する電流印加手段と、電流印加時に各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧を検出する電圧検出手段と、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧とその周波数における基準値とを比較して内部状態検出条件が成立したか否かを判定する条件判定手段と、内部状態検出条件成立時に各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧に基づいて燃料電池モジュール毎の内部状態を検出する内部状態検出手段を備える。 The present invention is a fuel cell internal state detection device that detects internal states of a plurality of fuel cell modules constituting a fuel cell stack. The fuel cell internal state detection device includes a current application unit that applies an alternating current to the fuel cell stack, a voltage detection unit that detects a response voltage at a predetermined frequency of each fuel cell module when the current is applied, and a predetermined unit for each fuel cell module. A condition determining means for comparing the response voltage at the frequency with a reference value at the frequency to determine whether or not the internal state detection condition is satisfied; and a response at a predetermined frequency of each fuel cell module when the internal state detection condition is satisfied An internal state detecting means for detecting the internal state of each fuel cell module based on the voltage is provided.
本発明によれば、内部状態検出条件が成立した場合にのみ、各セルモジュールの所定周波数の応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するので、応答電圧に外乱が含まれた場合であってもセルモジュールの内部状態を誤検出することがない。 According to the present invention, the internal state of each cell module is detected based on the response voltage of each cell module at a predetermined frequency only when the internal state detection condition is satisfied. Even if it exists, the internal state of the cell module is not erroneously detected.
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料電池内部状態検出装置を適用可能な燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an example of a fuel cell system to which a fuel cell internal state detection device according to the present invention can be applied.
燃料電池システム100は、車両用の燃料電池システムであって、燃料電池スタック10と、水素吸排機構20と、空気吸排機構30と、駆動モータ制御装置40と、電圧検出装置50と、コントローラ60とを備える。
The
燃料電池スタック10は、アノードガスである水素とカソードガスである空気とによって発電する燃料電池を少なくとも1枚以上有するセルモジュールをn個備える。燃料電池スタック10は、車両の駆動に必要な電力を発電する。
The
水素吸排機構20は、高圧水素タンク21と、水素供給通路22と、水素供給弁23と、水素オフガス排出通路24と、水素オフガス排出弁25とを備える。
The hydrogen intake /
高圧水素タンク21は、燃料電池スタック10に供給する水素を高圧状態で貯蔵する。
The high-
水素供給通路22は、一端が高圧水素タンク21に接続し、他端が燃料電池スタック10の水素供給孔に接続する。
One end of the
水素供給弁23は、水素供給通路22に設けられ、高圧水素タンク21から燃料電池スタック10に供給される水素の流量を調整する。
The
水素オフガス排出通路24は、一端が燃料電池スタック10の水素オフガス排出孔に接続し、他端が外部に開口する。
One end of the hydrogen off-
水素オフガス排出弁25は、水素オフガス排出通路24に設けられ、外部に排出される水素オフガスの流量を調整する。
The hydrogen off
空気吸排機構30は、空気供給通路31と、コンプレッサ32と、空気オフガス排出通路33と、空気オフガス排出弁34とを備える。
The air intake /
空気供給通路31は、一端が空気取り入れ口を形成し、他端が燃料電池スタック10の空気供給孔に接続する。
One end of the
コンプレッサ32は、空気供給通路31に設けられ、外部から取り入れた空気を加圧して燃料電池スタック10に供給する。
The
空気オフガス排出通路33は、一端が燃料電池スタック10の空気オフガス排出孔に接続し、他端が外部に開口する。
The air off-
空気オフガス排出弁34は、空気オフガス排出通路33に設けられ、外部に排出される空気オフガスの流量を調整する。
The air off
駆動モータ制御装置40は、DC/DCコンバータ41と、バッテリ42と、インバータ43と、駆動モータ44とを備える。
The drive
DC/DCコンバータ41は、燃料電池スタック10と充放電可能な二次電池であるバッテリ42との間で直流電圧を昇圧又は降圧させる。
The DC /
インバータ43は、燃料電池スタック10やバッテリ42からの直流電流を交流電流に変換し、駆動モータ44に供給する。駆動モータ44は、三相交流モータであって、車両の主動力源である。
The
電圧検出装置50は、内部状態検出制御時に燃料電池スタック10に交流電流を印加し、各セルモジュールでの応答電圧を検出する。電圧検出装置50によって検出された応答電圧信号は、コントローラ60に出力される。
The
コントローラ60は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ60には、電圧検出装置50からの応答電圧信号が入力するほか、種々のセンサ類からの信号が入力する。コントローラ60は、これら入力信号に基づいて、燃料電池スタック10の各セルモジュールの内部状態を検出したり、インバータ43のスイッチング素子を制御したりする。
The
図2を参照して、電圧検出装置50の構成について説明する。
With reference to FIG. 2, the structure of the
電圧検出装置50は、接続線51を介して燃料電池スタック10の各セルモジュールと電気的に接続される。電圧検出装置50は、電流印加部52と、フィルタ部53と、電圧測定部54と、アイソレータ55と、電圧処理部56とを備える。
The
電流印加部52は、内部状態検出制御時に燃料電池スタック10に交流電流を印加する。このように燃料電池スタック10に交流電流を印加すると、燃料電池スタック10の各セルモジュールには応答電圧が生じる。電流印加部52は、電圧検出装置50に設けるのではなく、DC/DCコンバータ41に設置してもよい。
The
電流印加部52によって印加される交流電流は、図3(A)及び図3(B)に示すように、異なる3つの周波数f1〜f3を含む交流電流である。低周波数f1は、0.01〜1Hz程度の周波数である。中周波数f2は、20〜40Hz程度の周波数である。高周波数f3は、5〜10kHz程度の周波数である。
The alternating current applied by the current applying
図2に戻り、フィルタ部53は、セルモジュール毎に電圧検出装置50内に設けられる。フィルタ部53は、図4に示すように、セルモジュールの応答電圧のうち所定の周波数帯の応答電圧を通過させるバンドパスフィルタである。フィルタ部53のハイパス側のカットオフ周波数fCHは、電流印加部52によって印加される交流電流の低周波数f1よりも小さく設定される。フィルタ部53のローパス側のカットオフ周波数fCLは、電流印加部52によって印加される交流電流の低周波数f3よりも大きく設定される。
Returning to FIG. 2, the
図2に示すフィルタ部53は、応答電圧の直流電圧成分を除去して入力電圧を低下させるので電圧測定部54の耐久性を向上させることができ、応答電圧の高周波成分を除去するので電圧測定部54でのエイリアシングの発生を抑制できる。
The
電圧測定部54は、フィルタ部53と同数設けられる。電圧測定部54は、フィルタ処理された応答電圧を検出し、アナログ信号からデジタル信号に変換する。電圧測定部54で測定された応答電圧は、アイソレータ55を介して、電圧処理部56に入力する。
The same number of
電圧処理部56は、各セルモジュールの応答電圧をFFT処理し、各セルモジュールにおける周波数毎の応答電圧を算出する。
The
図5は、電圧検出装置50において検出される、燃料電池スタック10のn番目のセルモジュールの応答電圧を示す。本実施形態では3つの周波数f1、f2、f3を含む交流電流を燃料電池スタック10に印加するので、それぞれの周波数に対応した応答電圧V1n、V2n、V3nが電圧検出装置50によって検出される。応答電圧V1nは、n番目のセルモジュールでの低周波数f1における応答電圧である。また、応答電圧V2nはn番目のセルモジュールでの中周波数f2における応答電圧であり、応答電圧V3nはn番目のセルモジュールでの高周波数f3における応答電圧である。
FIG. 5 shows the response voltage of the nth cell module of the
コントローラ60は、各セルモジュールの周波数毎の応答電圧V11〜n、V21〜n、V31〜nに基づいて、各セルモジュールの内部状態を検出する。コントローラ60は、低周波数f1における応答電圧V11〜nから各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの反応ガス導入部の異常を検出する。コントローラ60は、中周波数f2における応答電圧V21〜nから各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの燃料極や酸化剤極の異常を検出する。さらに、コントローラ60は、高周波数f3における応答電圧V31〜nから各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの電解質膜の異常を検出する。
The
このように異なる周波数の応答電圧に基づいてセルモジュールの異なる内部状態を検出することは、特開2005−332702において公知である。 It is known in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-332702 to detect different internal states of a cell module based on response voltages having different frequencies.
ところで、従来手法の燃料電池内部状態検出装置は、発電安定時以外に内部状態を検出する場合、駆動モータ制御用インバータのスイッチング制御によるノイズ等の外乱の影響を受けて内部状態を誤検出する可能性があった。 By the way, the fuel cell internal state detection device of the conventional method can erroneously detect the internal state due to the influence of disturbance such as noise caused by switching control of the drive motor control inverter when detecting the internal state other than when the power generation is stable. There was sex.
そこで、本実施形態では、各セルモジュールの応答電圧V11〜n、V21〜n、V31〜nに基づいて誤検出をしない内部状態検出条件が成立したか否かを判定し、条件成立時に各セルモジュールの内部状態を検出することで、外乱の影響を受けずに各セルモジュールの内部状態を診断する。 Therefore, in the present embodiment, it is determined whether or not an internal state detection condition for performing no false detection is satisfied based on the response voltages V1 1 to n , V2 1 to n , and V3 1 to n of each cell module. Sometimes, by detecting the internal state of each cell module, the internal state of each cell module is diagnosed without being affected by disturbance.
図6のフローチャートを参照して、コントローラ60が実行するセルモジュールの内部状態検出制御について説明する。
The internal state detection control of the cell module executed by the
図6は、内部状態検出制御のメインルイーチンを示すフローチャートである。この制御は、電源オン時から開始され、例えば10ミリ秒周期で繰り返し実行される。 FIG. 6 is a flowchart showing the main routine of the internal state detection control. This control is started when the power is turned on, and is repeatedly executed, for example, at a cycle of 10 milliseconds.
ステップS1では、コントローラ60は、低周波内部状態検出制御を実施する。
In step S1, the
ステップS2では、コントローラ60は、中周波内部状態検出制御を実施する。
In step S2, the
ステップS3では、コントローラ60は、高周波内部状態検出制御を実施して、処理を終了する。
In step S3, the
図7のフローチャートを参照して、低周波内部状態検出制御について説明する。 The low frequency internal state detection control will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS11では、コントローラ60は、電圧検出装置50によって検出されたセルモジュール毎の低周波数f1での応答電圧V11〜nを読み込む。
In step S < b > 11, the
ステップS12では、コントローラ60は、低周波応答電圧平均値V1AVEと係数C1とに基づいて(1)式から低周波基準電圧値V1sを算出する。
In step S12, the
ここで、係数C1は1よりも大きい値である。係数C1は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V11〜nのばらつきに基づいて決定される。 Here, the coefficient C1 is a value larger than 1. Coefficient C1 is in advance by experiment and is determined based on the variation of the response voltage V1 1 ~ n of each cell module in a normal state.
ステップS13では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V11〜nの少なくとも1つが低周波基準電圧値V1sよりも大きいか否かを判定する。
In step S13, the
応答電圧V11〜nの少なくとも1つが低周波基準電圧値V1sよりも大きい場合には、コントローラ60は、内部状態を誤検出することがない低周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS14の処理を実行する。応答電圧V11〜nの全てが低周波基準電圧値V1sよりも小さい場合には、コントローラ60は、低周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
At least one of the response voltages V1 1 ~ n is greater than the low-frequency reference voltage value V1s, the
ステップS14では、コントローラ60は、各セルモジュールの低周波数f1での応答電圧V11〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(反応ガス導入部の異常)を検出する。
In step S14, the
図8のフローチャートを参照して、中周波内部状態検出制御について説明する。 The medium frequency internal state detection control will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS21では、コントローラ60は、電圧検出装置50によって検出されたセルモジュール毎の中周波数f2での応答電圧V21〜nを読み込む。
In step S <
ステップS22では、コントローラ60は、中周波応答電圧平均値V2AVEと係数C2とに基づいて(2)式から中周波基準電圧値V2sを算出する。
In step S22, the
ここで、係数C2は1よりも大きい値である。係数C2は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V21〜nのばらつきに基づいて決定される。 Here, the coefficient C2 is a value larger than 1. The coefficient C2 is determined based on the variation of the response voltages V2 1 to n of each cell module in a normal state by a prior experiment.
ステップS23では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V21〜nの少なくとも1つが中周波基準電圧値V2sよりも大きいか否かを判定する。
In step S23, the
応答電圧V21〜nの少なくとも1つが中周波基準電圧値V2sよりも大きい場合には、コントローラ60は、内部状態を誤検出することがない中周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS24の処理を実行する。応答電圧V21〜nの全てが中周波基準電圧値V2sよりも小さい場合には、コントローラ60は、中周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
When at least one of the response voltages V2 1 to n is larger than the medium frequency reference voltage value V2s, the
ステップS24では、コントローラ60は、各セルモジュールの中周波数f2での応答電圧V21〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(燃料極や酸化剤極の異常)を検出する。
In step S24, the
図9のフローチャートを参照して、高周波内部状態検出制御について説明する。 The high-frequency internal state detection control will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS31では、コントローラ60は、電圧検出装置50によって検出されたセルモジュール毎の高周波数f3での応答電圧V31〜nを読み込む。
In step S31, the
ステップS32では、コントローラ60は、高周波応答電圧平均値V3AVEと係数C3とに基づいて(3)式から中周波基準電圧値V3sを算出する。
In step S32, the
ここで、係数C3は1よりも大きい値である。係数C3は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V31〜nのばらつきに基づいて決定される。 Here, the coefficient C3 is a value larger than 1. The coefficient C3 is determined based on the variation of the response voltages V3 1 to n of each cell module in a normal state by a prior experiment.
ステップS33では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V31〜nの少なくとも1つが高周波基準電圧値V3sよりも大きいか否かを判定する。
In step S33, the
応答電圧V31〜nの少なくとも1つが高周波基準電圧値V3sよりも大きい場合には、コントローラ60は、内部状態を誤検出することがない高周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS34の処理を実行する。応答電圧V31〜nの全てが高周波基準電圧値V3sよりも小さい場合には、コントローラ60は、高周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
If at least one of the response voltages V3 1 to n is greater than the high-frequency reference voltage value V3s, the
ステップS34では、コントローラ60は、各セルモジュールの高周波数f3での応答電圧V31〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(電解質膜の異常)を検出する。
In step S34, the
図10を参照して、インバータ43のスイッチング制御によるノイズ等の外乱がない場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する。図10は、燃料電池スタック10に交流電流を印加した時に検出されたセルモジュール毎の周波数と応答電圧との関係を示した図である。
With reference to FIG. 10, an example of the internal state detection control of the cell module when there is no disturbance such as noise due to the switching control of the
各セルモジュールの低周波数f1での応答電圧V11〜nはモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、応答電圧V11〜nの全てが低周波基準電圧値V1sよりも小さくなり、低周波内部状態検出条件が不成立となるので(ステップS13でNO)、低周波内部状態検出制御は実施されない。 Since the response voltages V1 1 to n at the low frequency f1 of each cell module are substantially the same between the modules, all of the response voltages V1 1 to n are smaller than the low frequency reference voltage value V1s, and are low. Since the frequency internal state detection condition is not satisfied (NO in step S13), the low frequency internal state detection control is not performed.
また、各セルモジュールの中周波数f2での応答電圧V21〜nもモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、応答電圧V21〜nの全てが中周波基準電圧値V2sよりも小さくなり、中周波内部状態検出条件が不成立となるので(ステップS23でNO)、中周波内部状態検出制御は実施されない。 In addition, since the response voltages V2 1 to n at the medium frequency f2 of each cell module are substantially the same between the modules, all of the response voltages V2 1 to n are smaller than the medium frequency reference voltage value V2s. Since the medium frequency internal state detection condition is not satisfied (NO in step S23), the medium frequency internal state detection control is not performed.
これに対して、各セルモジュールの高周波数f3での応答電圧V31〜nでは、第2セルモジュールの応答電圧V32のみが極端に大きくなっている。このような場合には、応答電圧V32が高周波基準電圧値V3sよりも大きくなり、高周波内部状態検出条件が成立する(ステップS33でYES)。セルモジュールの内部状態異常の可能性がある時には、応答電圧V31〜nに基づいて各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(電解質膜の異常)を検出する。 On the other hand, only the response voltage V3 2 of the second cell module is extremely large at the response voltage V3 1 to n at the high frequency f3 of each cell module. In such a case, the response voltage V3 2 becomes larger than the high frequency reference voltage value V3s, and the high frequency internal state detection condition is satisfied (YES in step S33). When there is a possibility of abnormality in the internal state of the cell module, the AC impedance of each cell module is calculated based on the response voltages V3 1 to n, and the internal state of each cell module (abnormality of the electrolyte membrane) based on these AC impedances Is detected.
次に、図11を参照して、インバータ43のスイッチング制御によるノイズ等が高周波数f3の外乱である場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する。図11は、燃料電池スタック10に交流電流を印加した時に検出されたセルモジュール毎の周波数と応答電圧との関係を示した図である。
Next, an example of the internal state detection control of the cell module when the noise or the like due to the switching control of the
各セルモジュールの低周波数f1での応答電圧V11〜n及び中周波数f2での応答電圧V21〜nはモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、図10の場合と同様に、低・中周波内部状態検出制御は実施されない。 Since the response voltages V1 1 to n at the low frequency f1 and the response voltages V2 1 to n at the medium frequency f2 of each cell module are approximately the same between the modules, the response voltage V1 1 to n is low as in the case of FIG.・ Medium frequency internal state detection control is not implemented.
一方、インバータ43からのノイズ等が高周波数f3の外乱であるため、この外乱に起因して、各セルモジュールの高周波数f3での応答電圧V31〜nは全体的に大きな値となる。
On the other hand, since the noise from the
このように応答電圧V31〜nが大きくなると、従来手法の燃料電池内部状態検出装置では、内部状態に異常がないにもかかわらず全てのセルモジュールにおいて内部状態が悪化したと検出してしまい、内部状態を誤検出する可能性がある。 When the response voltages V3 1 to n increase in this way, the conventional fuel cell internal state detection device detects that the internal state has deteriorated in all the cell modules even though there is no abnormality in the internal state, There is a possibility of misdetecting the internal state.
本実施形態では、外乱を含んで応答電圧V31〜nが大きくなっても、応答電圧V31〜nがモジュール間において同程度の大きさである場合には、応答電圧V31〜nの全てが高周波基準電圧値V3sよりも小さくなり、高周波内部状態検出条件が不成立となるので(ステップS33でNO)、高周波内部状態検出制御は実施されない。したがって、応答電圧V31〜nに外乱が含まれた場合であっても、セルモジュールの内部状態を誤検出することがない。 In the present embodiment, even if the response voltages V3 1 to n are increased including disturbances, if the response voltages V3 1 to n are of the same level between modules, all of the response voltages V3 1 to n are used. Becomes smaller than the high-frequency reference voltage value V3s, and the high-frequency internal state detection condition is not satisfied (NO in step S33), so the high-frequency internal state detection control is not performed. Therefore, even if a disturbance is included in the response voltages V3 1 to n , the internal state of the cell module is not erroneously detected.
以上により、第1実施形態の燃料電池内部状態検出装置では、下記の効果を得ることができる。 As described above, in the fuel cell internal state detection device of the first embodiment, the following effects can be obtained.
燃料電池内部状態検出装置は、燃料電池スタック10に交流電流を印加し、交流電流の周波数に対応したセルモジュール毎の応答電圧を検出して、これら応答電圧の少なくとも1つが基準電圧値よりも大きくなった場合に、各セルモジュールの応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。これにより、応答電圧に外乱が含まれた場合であってもセルモジュールの内部状態を誤検出することがなく、内部状態検出精度を高めることができる。
The fuel cell internal state detection device applies an alternating current to the
また、燃料電池スタック10に印加される交流電流は異なる3つの周波数f1、f2、f3を含んでいるので、セルモジュール毎に各周波数に対応した応答電圧を検出できる。燃料電池内部状態検出装置は、異なる周波数の応答電圧に基づいて内部状態検出制御実施するので、異なる種類の燃料電池内部状態を検出することが可能となる。
Further, since the alternating current applied to the
なお、第1実施形態では、低・中・高周波基準電圧値V1s、V2s、V3sを算出する際に一定値である係数C1、C2、C3を用いたが、図12に示すように燃料電池スタック10の出力電力に応じて変化する係数C1、C2、C3を用いてよい。この場合には、係数C1、C2、C3は、1よりも大きな値であって、燃料電池スタック10の出力電力が大きくなるほど小さくなるように設定される。燃料電池スタック10の出力電力に応じて低・中・高周波基準電圧値V1s、V2s、V3sを変化させるので、燃料電池スタック10の運転状態に最適な内部状態検出を実施することができる。
In the first embodiment, the constants C1, C2, and C3 are used when calculating the low, medium, and high frequency reference voltage values V1s, V2s, and V3s. However, as shown in FIG. Coefficients C1, C2, and C3 that change according to the output power of 10 may be used. In this case, the coefficients C1, C2, and C3 are values larger than 1, and are set so as to decrease as the output power of the
(第2実施形態)
第2実施形態における燃料電池システム100は、第1実施形態とほぼ同様の構成であるが、低・中・高周波内部状態検出制御での内部状態検出条件の判定において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
The
図13のフローチャートを参照して、第2実施形態における低周波内部状態検出制御について説明する。図13のステップS11及びS14の内容は、第1実施形態における図7のステップS11及びS14と同様である。 With reference to the flowchart of FIG. 13, the low frequency internal state detection control in 2nd Embodiment is demonstrated. The contents of steps S11 and S14 of FIG. 13 are the same as steps S11 and S14 of FIG. 7 in the first embodiment.
コントローラ60は、ステップS11において低周波数f1での応答電圧V11〜nを読み込んだ後、ステップS15の処理を実行する。
The
ステップS15では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V11〜nと低周波応答電圧平均値V1AVEとに基づいて(4)式から、ばらつきの指標となる標準偏差S1を算出する。
In step S15, the
ステップS16では、コントローラ60は、低周波数f1でのばらつき基準値S1sを算出する。ばらつき基準値S1sは、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V11〜nのばらつきから決定される。
In step S16, the
ステップS17では、コントローラ60は、応答電圧V11〜nのばらつきを示す標準偏差S1がばらつき基準値S1sよりも大きいか否かを判定する。
In step S17, the
標準偏差S1がばらつき基準値S1sよりも大きい場合には、コントローラ60は、低周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS14の処理を実行する。標準偏差S1がばらつき基準値S1sよりも小さい場合には、コントローラ60は、低周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
When the standard deviation S1 is larger than the variation reference value S1s, the
ステップS14では、コントローラ60は、各セルモジュールの低周波数f1での応答電圧V11〜nに基づいて各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(反応ガス導入部の異常)を検出する。
In step S14, the
図14のフローチャートを参照して、第2実施形態における中周波内部状態検出制御について説明する。図14のステップS21及びS24の内容は、第1実施形態における図8のステップS21及びS24と同様である。 The medium frequency internal state detection control in the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The contents of steps S21 and S24 in FIG. 14 are the same as steps S21 and S24 in FIG. 8 in the first embodiment.
コントローラ60は、ステップS21において中周波数f2での応答電圧V21〜nを読み込んだ後、ステップS25の処理を実行する。
The
ステップS25では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V21〜nと中周波応答電圧平均値V2AVEとに基づいて(5)式から、ばらつきの指標となる標準偏差S2を算出する。
In step S25, the
ステップS26では、コントローラ60は、中周波数f2でのばらつき基準値S2sを算出する。ばらつき基準値S2sは、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V21〜nのばらつきから決定される。
In step S26, the
ステップS27では、コントローラ60は、応答電圧V21〜nのばらつきを示す標準偏差S2がばらつき基準値S2sよりも大きいか否かを判定する。
In step S27, the
標準偏差S2がばらつき基準値S2sよりも大きい場合には、コントローラ60は、中周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS24の処理を実行する。標準偏差S2がばらつき基準値S2sよりも小さい場合には、コントローラ60は、中周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
When the standard deviation S2 is larger than the variation reference value S2s, the
ステップS24では、コントローラ60は、各セルモジュールの中周波数f2での応答電圧V21〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(燃料極や酸化剤極の異常)を検出する。
In step S24, the
次に、図15のフローチャートを参照して、第2実施形態における高周波内部状態検出制御について説明する。図15のステップS31及びS34の内容は、第1実施形態における図9のステップS31及びS34と同様である。 Next, high-frequency internal state detection control in the second embodiment will be described with reference to the flowchart in FIG. The contents of steps S31 and S34 in FIG. 15 are the same as steps S31 and S34 in FIG. 9 in the first embodiment.
コントローラ60は、ステップS31において高周波数f3での応答電圧V31〜nを読み込んだ後、ステップS35の処理を実行する。
The
ステップS35では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V31〜nと高周波応答電圧平均値V3AVEとに基づいて(6)式から、ばらつきの指標となる標準偏差S3を算出する。
In step S35, the
ステップS36では、コントローラ60は、高周波数f3でのばらつき基準値S3sを算出する。ばらつき基準値S3sは、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V31〜nのばらつきから決定される。
In step S36, the
ステップS37では、コントローラ60は、応答電圧V31〜nのばらつきを示す標準偏差S3がばらつき基準値S3sよりも大きいか否かを判定する。
In step S37, the
標準偏差S3がばらつき基準値S3sよりも大きい場合には、コントローラ60は、高周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS34の処理を実行する。標準偏差S3がばらつき基準値S3sよりも小さい場合には、コントローラ60は、高周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
When the standard deviation S3 is larger than the variation reference value S3s, the
ステップS34では、コントローラ60は、各セルモジュールの高周波数f3での応答電圧V31〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態(電解質膜の異常)を検出する。
In step S34, the
以上により、第2実施形態の燃料電池内部状態検出装置では、下記の効果を得ることができる。 As described above, the following effects can be obtained in the fuel cell internal state detection device of the second embodiment.
燃料電池内部状態検出装置は、燃料電池スタック10に交流電流を印加し、交流電流の周波数に対応したセルモジュール毎の応答電圧を検出して、これら応答電圧から算出される標準偏差がばらつき基準値よりも大きくなった場合に、各セルモジュールの応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。これにより、応答電圧に外乱が含まれた場合であってもセルモジュールの内部状態を誤検出することがなく、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
The fuel cell internal state detection device applies an alternating current to the
なお、第2実施形態では、ばらつき基準値S1s、S2s、S3sを一定値としたが、図16に示すように燃料電池スタック10の出力電力に応じてばらつき基準値S1s、S2s、S3sを変化させるようにしてもよい。この場合には、ばらつき基準値S1s、S2s、S3sは、燃料電池スタック10の出力電力が大きくなるほど小さくなるように設定される。燃料電池スタック10の出力電力に応じてばらつき基準値S1s、S2s、S3sを変化させるので、燃料電池スタック10の運転状態に最適な内部状態検出を実施することができる。
In the second embodiment, the variation reference values S1s, S2s, and S3s are constant values. However, as shown in FIG. 16, the variation reference values S1s, S2s, and S3s are changed according to the output power of the
(第3実施形態)
第3実施形態における燃料電池システム100は、第1実施形態とほぼ同様の構成であるが、セルモジュールの内部状態の検出において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
The
インバータ43のスイッチング制御によるノイズ等が燃料電池スタック10に印加される交流電流の周波数と異なる周波数(以下「外乱周波数」という)を有する外乱である場合には、内部状態検出制御時に外乱周波数における応答電圧が検出されることがある。そこで、第3実施形態では、第1実施形態と同様に低周波数f1〜高周波数f3での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するだけでなく、外乱周波数における応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。
When the noise or the like due to the switching control of the
図17(A)は、第3実施形態の内部状態検出制御のメインルイーチンを示すフローチャートである。図17のステップS1〜S3の処理は、第1実施形態の図6のステップS1〜S3の処理と同様である。 FIG. 17A is a flowchart showing the main routine of the internal state detection control of the third embodiment. The processes in steps S1 to S3 in FIG. 17 are the same as the processes in steps S1 to S3 in FIG. 6 of the first embodiment.
コントローラ60は、ステップS3処理後のステップS4において、外乱周波内部状態検出制御を実施し、処理を終了する。
In step S4 after step S3, the
次に図17(B)のフローチャートを参照して、外乱周波内部状態検出制御について説明する。 Next, disturbance frequency internal state detection control will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS41では、コントローラ60は、電圧検出装置50によって検出されたセルモジュール毎の外乱周波数f4での応答電圧V41〜nを読み込む。
In step S41, the
ステップS42では、コントローラ60は、外乱周波応答電圧平均値V4AVEと係数C4とに基づいて(7)式から外乱周波基準電圧値V4sを算出する。
In step S42, the
ここで、係数C4は1よりも大きい値である。係数C4は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧V41〜nのばらつきに基づいて決定される。なお、係数C4は、燃料電池スタック10の出力電力が大きくなるほど小さくなるように設定してもよい。
Here, the coefficient C4 is a value larger than 1. Coefficient C4 is in advance by experiment and is determined based on the variation of the response voltage V4 1 ~ n of each cell module in a normal state. The coefficient C4 may be set so as to decrease as the output power of the
ステップS43では、コントローラ60は、各セルモジュールの応答電圧V41〜nの少なくとも1つが外乱周波基準電圧値V4sよりも大きいか否かを判定する。
In step S43, the
応答電圧V41〜nの少なくとも1つが外乱周波基準電圧値V4sよりも大きい場合には、コントローラ60は、外乱周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップS44の処理を実行する。応答電圧V41〜nの全てが外乱周波基準電圧値V4sよりも小さい場合には、コントローラ60は、外乱周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
When at least one of the response voltages V4 1 to n is larger than the disturbance frequency reference voltage value V4s, the
ステップS44では、コントローラ60は、各セルモジュールの外乱周波数f4での応答電圧V41〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。
In step S44, the
図18は、外乱周波数f4での応答電圧V41〜nが検出された場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する。 FIG. 18 illustrates an example of the internal state detection control of the cell module when the response voltages V4 1 to n at the disturbance frequency f4 are detected.
各セルモジュールの低〜高周波数f1〜f3での応答電圧V11〜n〜V31〜nはモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、各セルモジュールの内部状態は検出されない。 Since the response voltages V1 1 to n to V3 1 to n at the low to high frequencies f1 to f3 of each cell module are substantially the same between the modules, the internal state of each cell module is not detected.
これに対して、各セルモジュールの外乱周波数f4での応答電圧V41〜nでは、第2セルモジュールの応答電圧V42のみが極端に大きくなっている。このような場合には、第2セルモジュールの応答電圧V42が外乱周波基準電圧値V4sよりも大きくなり、外乱周波内部状態検出条件が成立する(ステップS43でYES)。外乱周波内部状態検出条件が成立して、セルモジュールの内部状態異常の可能性があると判定された時には、応答電圧V41〜nに基づいて各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。 On the other hand, only the response voltage V4 2 of the second cell module is extremely large at the response voltages V4 1 to n at the disturbance frequency f4 of each cell module. In such a case, response voltage V4 2 of the second cell module becomes larger than the disturbance frequency reference voltage value V4s, disturbance frequency internal state detecting condition is satisfied (YES at step S43). And disturbance frequency internal state detecting condition is satisfied, when it is determined that there is a possibility of internal state abnormality of the cell module calculates the AC impedance of each cell module based on response voltage V4 1 ~ n, these AC impedance Based on this, the internal state of each cell module is detected.
以上により、第3実施形態の燃料電池内部状態検出装置では、下記の効果を得ることができる。 As described above, in the fuel cell internal state detection device of the third embodiment, the following effects can be obtained.
燃料電池内部状態検出装置は、低周波数f1〜高周波数f3での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するだけでなく、外乱周波数での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するので、第1実施形態よりもセルモジュールの状態変化を検知しやすくなる。 The fuel cell internal state detection device detects not only the internal state of each cell module based on the response voltage at the low frequency f1 to the high frequency f3, but also the internal state of each cell module based on the response voltage at the disturbance frequency. Therefore, it becomes easier to detect a change in the state of the cell module than in the first embodiment.
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
第1〜第3実施形態では、燃料電池スタック10に印加した交流電流の周波数に対応する周波数の応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック10に印加した交流電流の周波数に対する高調周波数での応答電圧をセルモジュール毎に検出し、それら高調周波数での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するようにしてもよい。
In the first to third embodiments, the internal state of each cell module is detected based on the response voltage having a frequency corresponding to the frequency of the alternating current applied to the
100 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
43 インバータ
44 駆動モータ
50 電圧検出装置
52 電流印加部(電流印加手段)
53 フィルタ部
54 電圧測定部
56 電圧処理部
60 コントローラ
S11、S21、S31、S41 電圧検出手段
S13、S23、S33、S43、S17、S27、S37 条件判定手段
S14、S24、S34、S44 内部状態検出手段
DESCRIPTION OF
53
Claims (8)
前記燃料電池スタックに交流電流を印加する電流印加手段と、
電流印加時に、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧を検出する電圧検出手段と、
各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧と、その周波数における基準値とを比較して、内部状態検出条件が成立したか否かを判定する条件判定手段と、
内部状態検出条件成立時に、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧に基づいて燃料電池モジュール毎の内部状態を検出する内部状態検出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池内部状態検出装置。 In a fuel cell internal state detection device for detecting internal states of a plurality of fuel cell modules constituting a fuel cell stack,
Current application means for applying an alternating current to the fuel cell stack;
Voltage detecting means for detecting a response voltage at a predetermined frequency of each fuel cell module when applying current;
Condition determination means for comparing the response voltage at a predetermined frequency of each fuel cell module with a reference value at that frequency to determine whether an internal state detection condition is satisfied,
An internal state detecting means for detecting an internal state of each fuel cell module based on a response voltage at a predetermined frequency of each fuel cell module when the internal state detection condition is established;
A fuel cell internal state detection device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池内部状態検出装置。 The condition determining means is configured to determine whether at least one of the response voltages at a predetermined frequency of each fuel cell module is greater than the reference value calculated based on an average value of the response voltages at a predetermined frequency of each fuel cell module. Determining that the internal state detection condition is satisfied,
The fuel cell internal state detection device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池内部状態検出装置。 The condition determination means determines that an internal state detection condition is satisfied when a standard deviation calculated from a response voltage at a predetermined frequency of each fuel cell module is larger than the reference value.
The fuel cell internal state detection device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池内部状態検出装置。 The condition determining means sets the reference value from the variation in response voltage of each cell module in a normal state by a prior experiment.
The fuel cell internal state detection device according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の燃料電池内部状態検出装置。 The condition determining means sets the reference value smaller as the output power of the fuel cell stack increases.
The fuel cell internal state detection device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1つに記載の燃料電池内部状態検出装置。 The voltage detecting means detects a response voltage at a frequency corresponding to the frequency of the alternating current;
The fuel cell internal state detection device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
前記電圧検出手段は、各燃料電池モジュールにおいて周波数毎の応答電圧を検出し、
前記条件判定手段は、各燃料電池モジュールの周波数毎の応答電圧とそれら周波数における基準値とを比較して、周波数毎の内部状態検出条件が成立したか否かを判定し、
前記内部状態検出手段は、内部状態検出条件が成立した周波数の前記応答電圧に基づいて燃料電池モジュール毎の内部状態を検出する、
ことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池内部状態検出装置。 The current application means applies an alternating current having a plurality of frequencies,
The voltage detection means detects a response voltage for each frequency in each fuel cell module,
The condition determination means compares the response voltage for each frequency of each fuel cell module and a reference value at those frequencies to determine whether an internal state detection condition for each frequency is satisfied,
The internal state detection means detects an internal state of each fuel cell module based on the response voltage at a frequency at which an internal state detection condition is established.
The fuel cell internal state detection device according to claim 6.
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1つに記載の燃料電池内部状態検出装置。 The voltage detection means includes a band-pass filter that passes the response voltage of the predetermined frequency.
The fuel cell internal state detection device according to any one of claims 1 to 7, wherein
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