JP2014029801A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、に関する。 The present invention relates to.
燃料電池を構成する電池セルは、その有する電解質膜のプロトン伝導性を利用した電気化学反応を起こして発電する。そして、電池セルの発電性能は、所定以下の負荷で燃料電池を運転制御する際の出力電圧、例えば、電流を外部の負荷に流さない無負荷状態での出力電圧である開回路電圧として把握できる。その一方、この開回路電圧は、電解質膜の湿潤状態に依存する。このため、電解質膜の異常の有無を、開回路電圧に基づいて判定する手法が提案されている(特許文献1等)。 The battery cells constituting the fuel cell generate electricity by causing an electrochemical reaction utilizing the proton conductivity of the electrolyte membrane. The power generation performance of the battery cell can be grasped as an output voltage when operating the fuel cell with a load below a predetermined value, for example, an open circuit voltage that is an output voltage in a no-load state in which no current flows to an external load. . On the other hand, this open circuit voltage depends on the wet state of the electrolyte membrane. For this reason, a method for determining the presence or absence of abnormality of the electrolyte membrane based on the open circuit voltage has been proposed (Patent Document 1 and the like).
上記の手法では、開回路電圧の低下をもたらした要因が電解質膜の水分過多であることを推認できるとはいえ、開回路電圧の低下をもたらし得る他の要因の解明が十分とは言えないのが実情である。例えば、アノードに供給された水素が電解質膜をカソード側にリークするクロスリークは、当該リークした水素が電気化学反応に関与しないことから、開回路電圧の低下をもたらし得る。また、電解質膜は、燃料電池の運転に伴い膨潤と収縮を繰り返して局所的な薄膜化を起こし得ることから、両膜面の電極触媒層に介在する電解質膜の短絡抵抗は低下する。そして、この短絡抵抗低下が起きた電解質膜を有する電池セルでは、開回路電圧の漏洩が起き得ることから、短絡抵抗低下は開回路電圧の低下をもたらし得る。ところが、上記の手法では、クロスリークの発現状況や電解質膜の短絡抵抗低下についての配慮に欠けるため、既述したように、開回路電圧の低下をもたらし得る要因の解明が要請されるに到った。また、上記の要因解明が不十分なため、開回路電圧の低下状況により電解質膜に異常があるとした場合において、異常報知を行うようにしているが、要因解明が進めば、その対処の多様化が可能であるにも拘わらず、こうした要因解明後の対処の多様化も進んでいないのが実情である。 Although it can be inferred that the cause of the decrease in the open circuit voltage is excessive moisture in the electrolyte membrane, it is not sufficient to elucidate other factors that can cause the decrease in the open circuit voltage. Is the actual situation. For example, a cross leak in which hydrogen supplied to the anode leaks the electrolyte membrane to the cathode side can cause a decrease in open circuit voltage because the leaked hydrogen does not participate in the electrochemical reaction. In addition, since the electrolyte membrane can repeatedly swell and contract as the fuel cell is operated to cause local thinning, the short-circuit resistance of the electrolyte membrane interposed between the electrode catalyst layers on both membrane surfaces decreases. And in a battery cell having an electrolyte membrane in which this short circuit resistance drop has occurred, leakage of the open circuit voltage can occur, and thus the short circuit resistance drop can cause a drop in the open circuit voltage. However, the above method lacks consideration of the occurrence of cross leaks and the short-circuit resistance of the electrolyte membrane, and as described above, it is required to clarify the factors that can cause the open circuit voltage to decrease. It was. In addition, because the above factors are not sufficiently elucidated, an abnormality is reported when there is an abnormality in the electrolyte membrane due to a decrease in the open circuit voltage. Despite the fact that it is possible to diversify, the reality is that diversification of countermeasures after elucidating these factors has not progressed.
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。 In order to achieve at least a part of the above object, the present invention can be implemented as the following application examples.
(1)本発明の一形態によれば、電解質膜の両膜面に電極触媒層が接合した膜電極接合体を有する電池セルを複数備える燃料電池を含む燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、所定以下の負荷で前記燃料電池を運転制御する際の該燃料電池の出力電圧に基づく低負荷時出力特性を検知する特性検知部と、前記出力電圧が予め定めた閾値電圧より低下した場合に、前記燃料電池の運転状態を前記電解質膜の乾燥が進む側に変更した後の前記検知した前記低負荷時出力特性の挙動により、前記出力電圧の低下をもたらす要因を、前記電解質膜の水分過多と該水分過多以外の複数の要因とのうちの一つに特定する電圧低下要因特定部とを備える。上記形態の燃料電池システムによれば、開回路電圧の低下をもたらし得る要因を、電解質膜の水分過多、或いは水分過多以外の複数の要因とのうちの一つに特定できる。そして、こうして特定した要因への対処をも可能とする。 (1) According to one aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell including a plurality of battery cells each having a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer is bonded to both membrane surfaces of an electrolyte membrane. The fuel cell system includes a characteristic detection unit that detects a low load output characteristic based on an output voltage of the fuel cell when the fuel cell is operated and controlled at a predetermined load or less, and a threshold voltage that is determined in advance by the output voltage. When the operating state of the fuel cell is changed to the side where the drying of the electrolyte membrane proceeds, the factor that causes the output voltage to decrease due to the detected behavior of the output characteristic at the time of low load after being changed, A voltage drop factor specifying unit that specifies one of the excess moisture of the electrolyte membrane and a plurality of factors other than the excess moisture is provided. According to the fuel cell system of the above aspect, a factor that can cause a decrease in open circuit voltage can be specified as one of excessive moisture in the electrolyte membrane or a plurality of factors other than excessive moisture. It is also possible to cope with the factors identified in this way.
(2)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部を、前記低負荷時出力特性として、前記出力電圧と前記電解質膜の膜抵抗値との関係を示す電圧/抵抗関係を用いるようにすることで、この電圧/抵抗関係の挙動により、前記要因を特定するようにできる。つまり、燃料電池が電解質膜の乾燥が進む側に運転制御されている状況下では、電解質膜は、出力電圧の低下をもたらした要因の種別に拘わらず乾燥することから、電解質膜の膜抵抗値は上昇する。そして、出力電圧の低下をもたらす要因が電解質膜の水分過多であれば、その水分過多が解消されることから、その影響により、出力電圧の上昇が見込まれ、この出力電圧の上昇は膜抵抗値の上昇と共に現れる。その一方、出力電圧の低下をもたらす要因として電解質膜の水分過多以外の複数の要因のそれぞれで起きる事象についても、燃料電池が電解質膜の乾燥が進む側に運転制御されることで推移し、電解質膜の水分過多以外の各要因ごとに、出力電圧の推移を、電解質膜の膜抵抗値の上昇と共に来す。この形態の燃料電池システムでは、出力電圧の低下をもたらす要因としての電解質膜の水分過多とそれ以外の各要因について、既述したように出力電圧と電解質膜の膜抵抗値との関係を示す電圧/抵抗関係の挙動により、出力電圧の低下をもたらし得る要因、即ち一要因としての電解質膜の水分過多とそれ以外の要因を解明できる。 (2) In the fuel cell system of the above aspect, the voltage reduction factor specifying unit uses a voltage / resistance relationship indicating a relationship between the output voltage and a membrane resistance value of the electrolyte membrane as the low load output characteristic. Thus, the factor can be specified by the behavior of the voltage / resistance relationship. In other words, in a situation where the fuel cell is controlled so that the drying of the electrolyte membrane proceeds, the electrolyte membrane dries regardless of the type of the factor that caused the output voltage to decrease, so the membrane resistance value of the electrolyte membrane Will rise. And, if the cause of the decrease in the output voltage is excessive moisture in the electrolyte membrane, the excess moisture is eliminated, so the increase in output voltage is expected due to the influence, and this increase in output voltage is due to the membrane resistance value. Appears with the rise. On the other hand, the events that occur due to each of a plurality of factors other than excessive water content of the electrolyte membrane as factors that cause a decrease in output voltage also change as the operation of the fuel cell is controlled so that the drying of the electrolyte membrane proceeds. For each factor other than the excessive water content of the membrane, the transition of the output voltage comes with an increase in the membrane resistance value of the electrolyte membrane. In the fuel cell system of this embodiment, as described above, the voltage indicating the relationship between the output voltage and the membrane resistance value of the electrolyte membrane with respect to the excessive water content of the electrolyte membrane as a factor causing the decrease in the output voltage and other factors. By the behavior of the / resistance relationship, it is possible to elucidate the factors that can cause the output voltage to decrease, that is, the excessive water content of the electrolyte membrane as one factor and other factors.
(3)上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部を、前記低負荷時出力特性として検知した前記電圧/抵抗関係の変化を、前記出力電圧の低下をもたらす要因ごとに把握された前記電圧/抵抗関係の挙動と照合して、前記要因を特定するようにできる。こうすれば、より的確に、出力電圧の低下をもたらし得る要因を、電解質膜の水分過多とそれ以外の要因に特定できる。 (3) In the fuel cell system according to the above aspect, the change in the voltage / resistance relationship detected by the voltage drop factor specifying unit as the low load output characteristic is grasped for each factor that causes the output voltage to drop. Further, the factor can be specified by comparing with the behavior of the voltage / resistance relationship. In this way, it is possible to more accurately identify factors that can cause a decrease in output voltage as excess moisture in the electrolyte membrane and other factors.
(4)上記のいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記低負荷時出力特性を、前記燃料電池を電流を外部の負荷に流さない無負荷状態で運転する際の出力電圧の特性とできる。こうすれば、出力電圧の特性を無負荷状態での出力に特定できることから、出力電圧の特性検知の上で簡便となる。 (4) In the fuel cell system according to any one of the above aspects, the low load output characteristic can be an output voltage characteristic when the fuel cell is operated in a no-load state in which no current flows to an external load. By doing so, the output voltage characteristic can be specified as an output in a no-load state, which makes it easy to detect the output voltage characteristic.
(5)上記した形態の燃料電池システムにおいて、前記出力特性を、前記電池セルごとに検知した燃料電池の開回路電圧とできる。こうすれば、出力特性を開回路電圧の特性に特定できるので、出力電圧の特性検知の上でより簡便となる。 (5) In the fuel cell system of the above-described form, the output characteristic can be an open circuit voltage of the fuel cell detected for each battery cell. By doing so, the output characteristics can be specified as the characteristics of the open circuit voltage, which makes it easier to detect the characteristics of the output voltage.
(6)上記した形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部を、前記電解質膜のガスのクロスリーク発現と前記電解質膜の膜短絡抵抗低下とを前記水分過多以外の要因として捉えた上で、前記電圧/抵抗関係の挙動を、前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のそれぞれに対応付けて把握するものとし、該把握した前記電圧/抵抗関係の挙動と、前記検知した前記開回路電圧との照合を経て、前記要因を前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のいずれかに特定するようにできる。開回路電圧の低下をもたらす要因としての電解質膜の水分過多とクロスリーク発現および電解質膜の膜短絡抵抗低下のいずれで起きる開回路電圧の推移は、電解質膜の膜低抵抗推移に関連付けることが可能である。よって、この形態の燃料電池システムにすれば、開回路電圧の低下をもたらす要因を、その一要因としての電解質膜の水分過多と、それ以外の要因としてのクロスリーク発現と膜短絡抵抗低下のいずれかに解明できる。 (6) In the fuel cell system of the above-described form, the voltage reduction factor specifying unit captures the occurrence of gas cross-leakage in the electrolyte membrane and the reduction in membrane short-circuit resistance of the electrolyte membrane as factors other than the excessive water content. Thus, the behavior of the voltage / resistance relationship is grasped in association with each of the excess moisture, the cross leak expression, and the decrease in the membrane short-circuit resistance, and the grasped behavior of the voltage / resistance and the detection Through the verification with the open circuit voltage, the factor can be specified as one of the excessive moisture, the cross leak, and the short circuit resistance. Changes in the open circuit voltage caused by excessive electrolyte membrane moisture and cross-leakage as well as a decrease in the membrane short-circuit resistance of the electrolyte membrane can be related to the membrane low resistance transition of the electrolyte membrane. It is. Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, the cause of the decrease in the open circuit voltage is one of the excess moisture of the electrolyte membrane as one factor, the occurrence of cross leak and the decrease in membrane short-circuit resistance as other factors. Can be solved.
(7)上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記水分過多と特定されると、前記開回路電圧が前記閾値電圧に復帰するまで、前記燃料電池を前記電解質膜の乾燥が進む側に継続して運転制御するようにできる。こうすれば、電解質膜の水分過多を要因として低下した開回路電圧を回復の実効性を高めることができる。 (7) In the fuel cell system of the above aspect, when the factor is specified as the excess moisture by the voltage reduction factor specifying unit, the fuel cell is connected to the electrolyte until the open circuit voltage returns to the threshold voltage. Operation control can be continued on the side where the drying of the membrane proceeds. In this way, it is possible to increase the effectiveness of recovering the open circuit voltage that has decreased due to excessive moisture in the electrolyte membrane.
(8)上記したいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記クロスリーク発現と特定されると、前記電池セルの前記膜電極接合体における電解質膜両面の前記電極触媒層にそれぞれ供給して排出されるガスの差圧に基づいて、前記電池セルごとに前記クロスリークの発現に伴うクロスリーク量を求め、前記電池セルごとに求めた前記クロスリークの発現状況が予め定めた閾値クロスリーク程度より高い高クロスリーク電池セルについて、セル交換の旨の報知を行うようにできる。こうすれば、開回路電圧の低下要因がクロスリーク発現である場合に、開回路電圧の低下をもたらした高クロスリーク電池セルについての報知、例えばセルの修理や交換の報知ができ、セルの修理や交換による開回路電圧の回復が期待できる。 (8) In the fuel cell system according to any one of the above-described forms, when the factor is identified as the occurrence of the cross leak by the voltage reduction factor identifying unit, the both surfaces of the electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the battery cell Based on the differential pressure of the gas supplied to and discharged from the electrode catalyst layer, the amount of cross leak accompanying the occurrence of the cross leak is determined for each battery cell, and the occurrence status of the cross leak determined for each battery cell For high cross-leakage battery cells that are higher than a predetermined threshold cross-leakage, notification of cell replacement can be performed. In this way, when the cause of the decrease in the open circuit voltage is the occurrence of cross leak, it is possible to report about the high cross leak battery cell that has caused the decrease in the open circuit voltage, for example, the repair or replacement of the cell. Recovery of open circuit voltage by replacement or replacement can be expected.
(9)上記したいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記電解質膜の短絡抵抗値の推移を前記電圧/抵抗関係に関連付けた短絡抵抗値推移マップを記憶するマップ第1記憶部と、前記電圧検知部の検知した前記開回路電圧に対応する前記電解質膜の短絡抵抗値を、前記電圧検知部の検知した前記開回路電圧についての前記電圧/抵抗関係と前記短絡抵抗値推移マップとの照合を経て求める短絡抵抗値演算部と、前記電解質膜の短絡抵抗値と前記電池セルの出力電圧とに起因して発生する熱による電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を、前記電解質膜の短絡抵抗値に関連付けた膜損傷抑制マップを記憶するマップ第2記憶部と、前記短絡抵抗値演算部の求めた前記電解質膜の短絡抵抗値を前記膜損傷抑制マップと照合して、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求める電圧上限演算部とを備えた上で、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部を、前記電解質膜の短絡抵抗値を求めるものとし、前記電圧上限演算部を、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求めた上で、外部の負荷要求に基づいた前記燃料電池の出力電圧を前記上限に制限するようにできる。こうすれば、開回路電圧の低下要因が膜短絡抵抗低下である場合に、外部の負荷要求に基づいた燃料電池の出力電圧を、電解質膜の損傷を抑制可能な上限に制限することで、電解質膜の損傷を抑制した上での燃料電池運転が可能となる。 (9) In the fuel cell system according to any one of the forms described above, a map first storage unit that stores a short-circuit resistance value transition map in which a transition of the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane is associated with the voltage / resistance relationship; The short-circuit resistance value of the electrolyte membrane corresponding to the open-circuit voltage detected by the detection unit is compared with the voltage / resistance relationship and the short-circuit resistance value transition map for the open-circuit voltage detected by the voltage detection unit. The upper limit of the output voltage capable of suppressing damage to the electrolyte membrane due to heat generated due to the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane and the output voltage of the battery cell. A second storage unit that stores a membrane damage suppression map associated with the short-circuit resistance value, and the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane obtained by the short-circuit resistance value calculation unit is compared with the membrane damage suppression map. A voltage upper limit calculation unit for obtaining an upper limit of the output voltage capable of suppressing damage to the electrolyte membrane, and when the factor is specified as the membrane short-circuit resistance reduction by the voltage reduction factor specifying unit, the short circuit The resistance value calculation unit obtains the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane, and the voltage upper limit calculation unit obtains the upper limit of the output voltage capable of suppressing damage to the electrolyte membrane, and then meets the external load request. The output voltage of the fuel cell based can be limited to the upper limit. In this way, when the open circuit voltage reduction factor is a reduction in membrane short-circuit resistance, the output voltage of the fuel cell based on the external load requirement is limited to an upper limit capable of suppressing damage to the electrolyte membrane, thereby It is possible to operate the fuel cell while suppressing damage to the membrane.
(10)上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部が前記電池セルごとに求めた前記電解質膜の短絡抵抗値が予め定めた閾値短絡抵抗値より小さい小短絡抵抗値電池セルについて、セル交換の旨の報知を行うようにできる。こうすれば、開回路電圧の低下要因が膜短絡抵抗低下である場合に、開回路電圧の低下をもたらした小短絡抵抗値電池セルについての報知、例えばセルの修理や交換の報知ができ、セルの修理や交換による開回路電圧の回復が期待できる。 (10) In the fuel cell system of the above aspect, when the factor is specified as the membrane short-circuit resistance reduction by the voltage reduction factor specifying unit, the electrolyte membrane obtained by the short-circuit resistance value calculating unit for each battery cell For the small short-circuit resistance value battery cell whose short-circuit resistance value is smaller than a predetermined threshold short-circuit resistance value, notification of cell replacement can be performed. In this way, when the cause of the decrease in the open circuit voltage is a decrease in the short circuit resistance of the membrane, it is possible to notify the small short circuit resistance battery cell that has caused the decrease in the open circuit voltage, for example, to notify the repair or replacement of the cell. Recovery of the open circuit voltage can be expected by repairing or replacing the device.
本発明は、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池の運転方法や燃料電池の運転異常の判定装置や判定方法等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized, for example, in the form of a fuel cell operation method, a fuel cell operation abnormality determination device, a determination method, and the like in addition to the fuel cell system.
図1は本発明の第1実施形態としての燃料電池システム20の構成例を示すブロック図を燃料電池セル120の概略拡大図と共に示す説明図である。この燃料電池システム20は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a block diagram showing a configuration example of a
燃料電池システム20は、燃料電池100と、アノードガス(燃料ガス)供給部200およびカソードガス(酸化ガス)供給部300と、冷却装置400と、セル特性計測部500と、電力制御部600と、制御部700と、を備えている。
The
燃料電池100は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス(水素)と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス(空気、厳密には空気に含まれる酸素)との電気化学反応により電力を発生する。
The
燃料電池100は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池セル120を積層したスタック構造とされている。燃料電池セル120は、その概略拡大図に示すように、電解質膜121の両側に触媒電極であるアノード122とカソード123の両電極触媒層を備える。このアノード122とカソード123は、電解質膜121の両膜面に形成され電解質膜121と共に膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を形成する。この他、燃料電池セル120は、電極形成済みの電解質膜121を両側から挟持するアノード側ガス拡散層124とカソード側ガス拡散層125とガスセパレーター126,127を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。
The
電解質膜121は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード122およびカソード123は、触媒(例えば白金、或いは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層124とカソード側ガス拡散層125は、ガス拡散性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを用いて製造され、それぞれの電極へのガス拡散流路を形成する。
The
ガスセパレーター126は、アノード側ガス拡散層124の側に、水素を含有する燃料ガスを流す図示しないセル内燃料ガス流路を備える。ガスセパレーター127は、カソード側ガス拡散層125の側に、酸素を含有する酸化ガス(本実施例では、空気)を流す図示しないセル内酸化ガス流路を備える。なお、図には記載していないが、隣り合う燃料電池セル120間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらガスセパレーター126,127は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、或いはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
The
ガスセパレーター126,127の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、燃料電池セル120が他の部材と共に積層されて燃料電池100が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池100内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路やセル内酸化ガス流路、或いはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
A plurality of holes are formed at predetermined positions near the outer peripheries of the
本実施例の燃料電池100は、ガスセパレーター126のセル内燃料ガス流路からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層124で拡散ししつつアノード122に供給する。空気については、ガスセパレーター127のセル内酸化ガス流路からの空気を、カソード側ガス拡散層125で拡散ししつつカソード123に供給する。
The
アノードガス供給部200は、アノードガス(燃料ガス)としての高圧の水素ガスを貯蔵した水素ガスタンク210と、水素ガスタンク210の水素ガスを燃料電池100に供給するためのアノードガス供給流路220と、燃料電池100から排出されたアノードオフガス(燃料オフガス)としての水素オフガスをアノードガス供給流路220に戻すためのアノードガス循環流路230と、を備える。アノードガス供給流路220は、水素ガスタンク210からの水素ガスの供給を遮断または許容する開閉バルブ222と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ224と、水素ガスの流量を調整する水素供給部226とを備え、燃料電池セル120のセル内燃料ガス流路に水素ガスを導く。このアノードガス供給部200は、アノードガス供給流路220に供給ガス圧を検出する圧力センサー227を、アノードガス循環流路230に排出ガス圧を検出する圧力センサー239をそれぞれ備え、各センサーの検出圧力(供給ガス圧および排出ガス圧)を、後述の制御部700に出力する。
The anode
アノードガス循環流路230には、アノードガス循環流路230内のアノードオフガスとしての水素オフガスをアノードガス供給流路220側へ送り出す水素ガスポンプ232が設けられている。また、アノードガス循環流路230には、気液分離部234および排気排水バルブ236を介して、排気口350につながる排出流路238が接続されている。気液分離部234は、水素オフガスに含まれる水分を回収する。排気排水バルブ236は、気液分離部234で回収された水分およびアノードガス循環流路230内の不純物を含む水素オフガスを排出する。排気排水バルブ236から排出された水素オフガスは、排気口350から排ガスとして大気中に排気される。なお、開閉バルブ222、レギュレータ224、水素供給部226、水素ガスポンプ232、気液分離部234、および、排気排水バルブ236は、制御部700からの指示に従って動作する。
The anode
カソードガス供給部300は、吸気口310を介してカソードガス(酸化ガス)としての空気を取り込んで圧縮送出するためのコンプレッサ320と、空気(エア)を燃料電池100に供給するためのカソードガス供給流路330と、燃料電池100から排出されたカソードオフガス(酸化オフガス)を排気口350から排出するためのカソードオフガス排出流路340と、を備える。カソードオフガス排出流路340には、燃料電池100内のカソードガス(酸化ガス)の圧力を調整するための背圧調整バルブ342が設けられている。カソードガス供給流路330およびカソードオフガス排出流路340には、燃料電池100から排出されたカソードオフガス(酸化オフガス)を用いてコンプレッサ320から圧送されたカソードガス(酸化ガス)を加湿する加湿部360が設けられている。そして、カソードガス供給流路330は、加湿部360を経て燃料電池セル120のセル内酸化ガス流路に空気を導く。加湿部360を通過したカソードオフガスは、排ガスとして排気口350から大気中に排気される。コンプレッサ320、背圧調整バルブ342、および、加湿部360は、制御部700からの指示に従って動作する。このカソードガス供給部300は、カソードガス供給流路300に供給ガス圧を検出する圧力センサー332を、カソードオフガス排出流路340に排出ガス圧を検出する圧力センサー344をそれぞれ備え、各センサーの検出圧力(供給ガス圧および排出ガス圧)を、後述の制御部700に出力する。
The cathode
冷却装置400は、冷却循環器410と、冷媒を燃料電池100に供給する冷媒供給流路420と、燃料電池から排出される冷媒を燃料電池100に戻す冷媒排出流路430と、を備える。冷却循環器410は、冷媒供給流路420を介して燃料電池100に冷媒を供給し、燃料電池100の冷却に供された後の冷媒を冷媒排出流路430を介して受け取ることにより、冷媒を循環させて、燃料電池100の冷却を実行する。冷媒としては、水、不凍液等を用いることができる。冷却装置400は、制御部700からの指示に従って冷却循環器410を動作させて冷媒循環を図ることで、燃料電池100を冷却する。
The
セル特性計測部500は、燃料電池セル120の後述のセル特性を測定するセル特性計測器510と、燃料電池100の出力電圧を測定する電圧センサー520および出力電流を測定する電流センサー530と、を備えている。
The cell
セル特性計測器510は、燃料電池セルごとのセル特性を測定するものであり、電圧計測ユニット512と抵抗計測ユニット514とを備える。電圧計測ユニット512は、それぞれの燃料電池セル120について、電流を外部の負荷に流さない無負荷状態での出力電圧である開回路電圧(Vocv)を計測する。抵抗計測ユニット514は、交流インピーダンス法を利用して、それぞれの燃料電池セル120のカソード側の触媒電極における水素イオン(プロトン)移動抵抗や直流抵抗を、膜抵抗(R膜)として測定する。これら測定値は、各燃料電池セルが有する電解質膜121の性状が反映したセル特性であり、セル特性計測器510は、その測定結果を後述の制御部700に出力する。なお、セル特性計測器510による上記の開回路電圧や膜抵抗測定は、燃料電池セル120のそれぞれについて行うことができるほか、スタック中央に位置する複数の電池セル群に含まれるいくつかの燃料電池セル120と、スタック両端に位置する複数の電池セル群に含まれるいくつかの燃料電池セル120についての測定を行い、その測定結果を各電池セル群に含まれる燃料電池セル120に当てはめることもできる。
The cell
電力制御部600は、二次電池制御部620、モーター制御部640、図示しない各種の補機制御部等を備える。二次電池制御部620は、二次電池610の充放電を制御する。モーター制御部640は、燃料電池100或いは二次電池610からの電力のモーター630への供給を制御する。このモーター制御部640は、例えば、モーター630が三相交流モーターの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、例えば、水素ガスポンプ232や、コンプレッサ320等の各装置を駆動するための電力の供給を制御する。なお、モーター630は、燃料電池システム20が搭載される車両の主動力源を構成する。
The
制御部700は、CPU710と、メモリー720と、入出力部730と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部730は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線(不図示)を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した開閉バルブ222やレギュレータ224、水素供給部226、水素ガスポンプ232、コンプレッサ320、背圧調整バルブ342、冷却循環器410に含まれる図示しない冷却ポンプや冷却ファン、モーター630の回転量を制御するアクセル750等がある。また、各種センサーとしては、上述した電圧センサー520や、電流センサー530、圧力センサー227等の圧力センサー、図示しない温度センサー、圧力センサー、湿度センサー、流量センサー等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム20が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ740等がある。
The
メモリー720には、主として燃料電池システム20を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、CPU710は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、燃料電池100の発電運転制御ルーチン、および、セル性状判定ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、CPU710は、電池出力制御部710aおよびセル性状判定部710bとして機能する。電池出力制御部710aは、燃料電池100および二次電池610の動作を制御する。セル性状判定部710bは、セル特性計測器510にて測定した現状のセル特性をメモリー720の記憶内容と照合しつつ、そのセル性状の特定と特定した性状に基づいた後述の機器制御を司る。メモリー720の記憶内容として、後述の各種マップや特性線図がある。
The
次に、本実施例の燃料電池システム20の制御部700が行う各種制御について説明する。図2は燃料電池システム20の搭載車両の走行時において繰り返される燃料電池100の発電運転制御を示すフローチャート、図3は燃料電池システム20の搭載車両の始動時或いは運転停止時に行われるセル性状判定制御を示すフローチャートである。
Next, various controls performed by the
図2の発電運転制御では、まず、制御部700は、アクセル750の踏込量に基づいて、要求負荷を読み込み(ステップS100)、その読み込んだ要求負荷に対応するそれぞれの燃料電池セル120の出力(セル電圧Sv)を算出する(ステップS110)。本実施形態の燃料電池システム20は、モーター630の駆動回転を電池出力と二次電池610の出力とで賄うことから、制御部700は、二次電池610の蓄電電力量と放出電力量とを勘案して、ステップS110にて、それぞれの燃料電池セル120のセル電圧Svを算出する。なお、この際には、燃料電池セル120の出力特性を定めるいわゆる電流・電圧特性線図(I−V線図)が用いられるが、本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。
In the power generation operation control of FIG. 2, first, the
制御部700は、セル電圧Svの算出に続き、後述のセル性状判定制御(図3)にて燃料電池セル120の出力制限がなされているかを判定する(ステップS120)。ここで、出力制限なしと否定判定すれば、制御部700は、ステップS110で算出したセル電圧Svが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池100のそれぞれの燃料電池セル120を発電運転制御する(ステップS130)。
Following the calculation of the cell voltage Sv, the
一方、ステップS120にて、出力制限があると肯定判定すれば、制御部700は、ステップS110で算出したセル電圧Svを、出力制限電圧Vmaxに制限して、燃料電池100のそれぞれの燃料電池セル120を発電運転制御する(ステップS140)。具体的には、セル電圧Svが出力制限電圧Vmaxの制限範囲内であれば、そのセル電圧Svが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池100のそれぞれの燃料電池セル120を発電運転制御する。ところが、セル電圧Svが出力制限電圧Vmaxを超えていれば、そのセル電圧Svを出力制限電圧Vmaxに制限し、この出力制限電圧Vmaxが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池100のそれぞれの燃料電池セル120を発電運転制御する。
On the other hand, if an affirmative determination is made in step S120 that there is an output restriction,
こうした出力制限を課す図3のセル性状判定制御は、始動スイッチ740(図1参照)がオンされた始動時において、或いは、始動スイッチ740がオフされた運転停止時、もしくは燃料電池システム20の搭載車両がPレンジにて停車していたり、アイドリングの状態にある際に、実行される。そして、図3のセル性状判定制御では、まず、制御部700は、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して(ステップS200)、燃料電池100のそれぞれの燃料電池セル120を発電運転する。この際のガス供給量は、無負荷状態にて燃料電池セル120を発電運転した際に得られる定格出力(電圧)とほぼ同程度、或いはその80〜90%程度の出力が得られる供給量とされる。
The cell property determination control of FIG. 3 that imposes such output restriction is performed at the time of start when the start switch 740 (see FIG. 1) is turned on, when the operation is stopped when the
次いで、制御部700は、セル特性計測器510の電圧計測ユニット512および抵抗計測ユニット514の出力を読み込んで、それぞれの燃料電池セル120についての開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rを演算し(ステップS210)、演算して得た開回路電圧Vocvを閾値電圧Vthと比較する(ステップS220)。この閾値電圧Vthは、ステップS200でのガス供給を行って燃料電池セル120を発電運転した際に通常は得られる出力範囲の下限側電圧、例えば、出力電圧を統計的処理に処して得られたヒストグラムの下限側の裾付近の電圧として規定されている。換言すれば、ステップS200でのガス供給を行って燃料電池セル120を発電運転した際に得られた出力が明らかに低出力であることから、こうした出力低下をもたらした何らかの異常が起きていると想定できる電圧として、閾値電圧Vthが定められている。
Next, the
制御部700は、ステップS220において、開回路電圧Vocvは閾値電圧Vthを超えていると肯定判定すると、燃料電池セル120の発電運転に異常はない、即ち開回路電圧Vocvの低下をもたらす要因は発生していないとして、本ルーチンを終了する。その一方、ステップS220において否定判定すると、何らかの要因により開回路電圧Vocvが低下しているとして、その要因の特定の前処理として、ガスの乾燥パージを行う(ステップS230)。この乾燥パージにより、燃料電池セル120は、電解質膜121の乾燥が進む側に運転制御されることになり、電解質膜121からは水分が除去されて乾燥が進む。この場合、乾燥パージは、加湿部360での加湿を控えてガス自体を乾燥させて供給するようにできるほか、ガス流量を増加させることでガスによる生成水の排出を進めて電解質膜121の乾燥を図ったり、冷却循環器410による冷却を控えて電解質膜121の乾燥を図るようにしても良い。
If the
制御部700は、ステップS230にて乾燥パージがなされている間において、ステップS210と同様に開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rとを繰り返し演算する。そして、制御部700は、開回路電圧Vocvの変化量(dVocv)を膜抵抗値Rの変化量(dR膜)で除算した値(dVocv/dR膜)、即ち、膜抵抗値Rの変化量(dR膜)に対する開回路電圧Vocvの変化量(dVocv)を演算し、その演算値を要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)とした上で、この要因解析パラメータにより、以下のようにして要因特定を進める。この場合、開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rは、それぞれの燃料電池セル120について演算されることから(ステップS210)、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、燃料電池セル120のそれぞれについて演算される。
The
ステップS230の乾燥パージは、ステップS220により何らかの要因により開回路電圧Vocvが閾値電圧Vth以下の電圧まで低下していることで実行され、この乾燥パージを経た電解質膜121の乾燥により、電解質膜121の膜抵抗値Rは、上記の要因の如何を問わず上昇する。こうした膜抵抗値Rの上昇を起こしつつ、開回路電圧Vocvについては、開回路電圧Vocvの低下をもたらした要因、具体的には、電解質膜121の水分過多、電解質膜121のクロスリーク発現、或いは電解質膜121の短絡抵抗低下の各要因ごとに、乾燥パージの間の開回路電圧Vocvの推移状況は相違する。つまり、開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121の水分過多を要因として起きたのであれば、乾燥パージによる電解質膜121の乾燥により水分過多が解消に向かうと共に、アノード122やカソード123およびアノード側ガス拡散層124やカソード側ガス拡散層125の細孔の水分による閉塞も解消に向かう。これにより、電解質膜121までのガスの拡散が進んでガスの供給不足も解消に向かうことから、開回路電圧Vocvは、その低下していた電圧から回復するよう推移する。
The drying purge in step S230 is executed when the open circuit voltage Vocv is lowered to a voltage equal to or lower than the threshold voltage Vth due to some factor in step S220, and the
開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121のクロスリーク発現を要因として起きたのであれば、乾燥パージによる電解質膜121の乾燥が起きたことにより水素ガスのクロスリーク量は増して、電気化学反応に関与しないガス量が増すことになることから、開回路電圧Vocvの回復は見込めず、更なる開回路電圧Vocvの低下推移が予想される。電解質膜121の短絡抵抗低下が要因であれば、その低下した短絡抵抗に対応した開回路電圧の漏洩が起き得ることから、開回路電圧Vocvの回復は見込めず、更なる開回路電圧Vocvの低下推移が予想される。その一方、クロスリーク発現よる開回路電圧Vocvの低下推移状況と、短絡抵抗低下による開回路電圧Vocvの低下推移状況とは、その要因が異なることから一致するものではなく、明確に相違する。
If the decrease in the open circuit voltage Vocv occurs due to the occurrence of the cross leak of the
本実施形態では、電解質膜121の乾燥に伴う膜抵抗値Rの上昇が起きている状況下での上記の要因ごとの開回路電圧Vocvの推移に着目し、膜抵抗値Rの変化量(dR膜)に対する開回路電圧Vocvの変化量(dVocv)の演算値である要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)を導入した。そして、この要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)にて要因解析を図るべく、実験的な手法にて、開回路電圧Vocvの低下をもたらす電解質膜121の水分過多、電解質膜121のクロスリーク発現、或いは電解質膜121の短絡抵抗低下の各要因ごとに、開回路電圧Vocvの推移を電解質膜121の乾燥に伴う膜抵抗値Rと対応付けて調べ、制御部700は、この対応関係たる要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)を把握して、後述するように当該パラメータにより要因の特定を図る。なお、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)を、開回路電圧Vocvの低下をもたらす要因ごとに対応付けてメモリー720に記憶するようにすることもできる。この場合、開回路電圧Vocvの低下は、上記した要因ごとに常に起きる訳ではなく、複数の要因の同時発生によっても起きるが、この場合には、要因ごとの電圧推移を複合的に勘案することで、複数の要因についても解析が可能となる。図4は開回路電圧Vocvの低下をもたらす要因ごとの開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rとの関係を示す説明図である。
In the present embodiment, paying attention to the transition of the open circuit voltage Vocv for each of the factors under the situation where the increase in the membrane resistance value R accompanying the drying of the
図4における軌跡faは、開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121の水分過多を要因として起きた場合の開回路電圧Vocvの推移を、膜抵抗値Rを横軸として示している。そして、この軌跡faによれば、膜抵抗値Rの変化量(dR膜)に対する開回路電圧Vocvの変化量(dVocv)を演算した上記の要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、その符号が正でほぼ一定値となる。電解質膜121の水分過多を要因として開回路電圧Vocvが閾値電圧Vth以下の電圧まで低下して後になされるステップS230の乾燥パージでは、電解質膜121の乾燥により水分過多が解消に向かうことで、既述したように、開回路電圧Vocvは、ステップS230の乾燥パージにより、軌跡faに示すように回復推移する。
The locus fa in FIG. 4 shows the transition of the open circuit voltage Vocv when the decrease in the open circuit voltage Vocv occurs due to excessive moisture in the
この軌跡faの軌跡は、次のようにして得ることができる。まず、クロスリークや膜の短絡抵抗値の低下が起きていない電解質膜121を有する燃料電池セル120を測定セルとして、準備する。そして、図1に示す燃料電池100を上記の測定セルである燃料電池セル120に置き換え、この燃料電池セル120に、加湿過剰なガスを、クロスリークが起きないようガス給排圧力を調整した上で、供給して発電させる。この状態で開回路電圧Vocvの低下が観察されれば、この開回路電圧Vocvの低下は、電解質膜121の水分過多によるものとなる。そして、その後に、乾燥パージを行い、この乾燥パージの間の膜抵抗値Rと開回路電圧Vocvを電圧計測ユニット512と抵抗計測ユニット514にて実測してプロットする。こうして図4の軌跡faが得られる。この場合、電解質膜121の水分過多の状況は必ずしも一律ではないことから、乾燥パージによる開回路電圧Vocvの回復の様子は、図4の軌跡faで規定された軌跡と相違することも有り得るが、上記の要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、その符号が正でほぼ一定値となることに変わりはない。換言すれば、図4の軌跡faは、その傾きが正で、傾きの値は相違するものの、正の傾きの一次曲線となる。
The trajectory of the trajectory fa can be obtained as follows. First, a
図4における軌跡fbは、開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121の短絡抵抗低下を要因として起きた場合の開回路電圧Vocvの推移を、膜抵抗値Rを横軸として示している。そして、この軌跡fbによれば、上記の要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、その符号が負でほぼ一定値となる。電解質膜121の短絡抵抗低下を要因として開回路電圧Vocvが閾値電圧Vth以下の電圧まで低下して後になされるステップS230の乾燥パージでは、燃料電池セル120では、電解質膜121の低下した短絡抵抗に対応した開回路電圧の漏洩が起き得ることから、開回路電圧Vocvの回復は見込めず、更なる開回路電圧Vocvの低下推移が予想される。こうしたことから、開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121の短絡抵抗低下を要因として起きた場合の開回路電圧Vocvは、ステップS230の乾燥パージにより、軌跡fbに示すように低下推移する。
The locus fb in FIG. 4 shows the transition of the open circuit voltage Vocv when the decrease in the open circuit voltage Vocv occurs due to the decrease in the short circuit resistance of the
この軌跡fbの軌跡は、次のようにして得ることができる。まず、無負荷状態にて発電運転した際に得られる定格出力(電圧)が可能でクロスリークの起きていない電解質膜121を有する燃料電池セル120を用意する。そして、この燃料電池セル120の電解質膜121を繰り返し膨潤および収縮させ、電解質膜121の短絡抵抗値を意図的に低下させる。こうして短絡抵抗の低下した電解質膜121を有する燃料電池セル120を測定セルとして、準備する。そして、図1に示す燃料電池100を上記の測定セルである燃料電池セル120に置き換え、この燃料電池セル120に、適正な湿潤とされたガスを、クロスリークが起きないようガス給排圧力を調整した上で、供給して発電させる。この状態で開回路電圧Vocvの低下が観察されれば、この開回路電圧Vocvの低下は、電解質膜121の短絡抵抗低下によるものとなる。そして、その後に、乾燥パージを行い、この乾燥パージの間の膜抵抗値Rと開回路電圧Vocvを電圧計測ユニット512と抵抗計測ユニット514にて実測してプロットする。こうして図4の軌跡fbが得られる。図4に示す軌跡fbは、ある抵抗値まで短絡抵抗が低下した電解質膜121を有する燃料電池セル120についての開回路電圧Vocvの低下推移を示しており、短絡抵抗が上記のある抵抗値と異なる抵抗値に低下した場合には、上記の要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、その符号が負でほぼ一定値ではあるものの、異なるものとなる。図5は電解質膜121の短絡抵抗の低下程度が相違する際の開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rとの関係を示す説明図である。
The trajectory fb can be obtained as follows. First, a
図5では、図示する種々の短絡抵抗値に調整した電解質膜121を有する燃料電池セル120について、既述したように乾燥パージの間の膜抵抗値Rと開回路電圧Vocvとが、短絡抵抗値ごとにプロットされている。この図5に示すように、大きな短絡抵抗値であれば、電圧漏洩がない、もしくは極めて少ないことから、開回路電圧Vocvの低下は見られない。ところが、短絡抵抗値が小さくなる程、開回路電圧Vocvは、膜抵抗値Rの増大に伴い大きく低下し、各軌跡の傾き、即ち既述した要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、大きくなる。そして、開回路電圧Vocvの低下が見られるそれぞれの短絡抵抗値では、その軌跡の傾きである要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、相違するものの、いずれも、その符号が負でほぼ一定となる。換言すれば、図4の軌跡fbは、その傾きが負で、傾きの値が相違するものの、負の傾きの一次曲線となる。
In FIG. 5, for the
図4における軌跡fcは、開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121のクロスリーク発現を要因として起きた場合の開回路電圧Vocvの推移を、膜抵抗値Rを横軸として示している。そして、この軌跡fcによれば、上記の要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、その符号が負であると共に、その値は膜抵抗値Rの僅かな増加により急激に低下してから徐々に低下し、一定値とはならない。電解質膜121のクロスリーク発現を要因として開回路電圧Vocvが閾値電圧Vth以下の電圧まで低下して後になされるステップS230の乾燥パージでは、燃料電池セル120では、乾燥パージによる電解質膜121の乾燥により水素ガスのクロスリーク量は増加し、当該リーク量は、膜が乾燥状態に転じる乾燥当初において大きく増加し、その後も増加することが予想される。電気化学反応に関与しないガス量は、こうしたクロスリーク量の増加に対応して増すことになることから、開回路電圧Vocvの回復は見込めず、更なる開回路電圧Vocvの低下推移が予想される。こうしたことから、開回路電圧Vocvの低下が電解質膜121のクロスリーク発現を要因として起きた場合の開回路電圧Vocvは、ステップS230の乾燥パージにより、軌跡fcに示すように低下推移する。
The locus fc in FIG. 4 shows the transition of the open circuit voltage Vocv when the decrease in the open circuit voltage Vocv occurs due to the occurrence of cross leak in the
この軌跡fcの軌跡は、次のようにして得ることができる。まず、無負荷状態にて発電運転した際に得られる定格出力(電圧)が可能で短絡抵抗が低下していない電解質膜121を有する燃料電池セル120を測定セルとして、準備する。そして、図1に示す燃料電池100を上記の測定セルである燃料電池セル120に置き換え、この燃料電池セル120に、適正な湿潤とされたガスを、クロスリークが起きるようにガス給排圧力を意図的に高めに調整した上で、供給して発電させる。この状態で開回路電圧Vocvの低下が観察されれば、この開回路電圧Vocvの低下は、電解質膜121のクロスリーク発現によるものとなる。そして、その後に、乾燥パージを行い、この乾燥パージの間の膜抵抗値Rと開回路電圧Vocvを電圧計測ユニット512と抵抗計測ユニット514にて実測してプロットする。こうして図4の軌跡fcが得られる。この場合、電解質膜121のクロスリーク発現の様子およびクロスリーク量は必ずしも一律ではないことから、乾燥パージによる開回路電圧Vocvの低下の様子は、図4の軌跡fcで規定された軌跡と相違することも有り得るが、上記の要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、その符号が負であると共に一定値とはならないことに変わりはない。
The locus of the locus fc can be obtained as follows. First, a
本実施形態では、既述した要因ごとの要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)を、図3のステップS230に続くステップS240での対比、その後のステップS280の対比に処すことで、開回路電圧Vocvの低下をもたらした要因を、電解質膜121の水分過多、電解質膜121のクロスリーク発現、或いは電解質膜121の短絡抵抗低下のいずれかに特定する。まず、ステップS230に続くステップS240では、制御部700は、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)が正の値であるか否かを判定する。ここで肯定判定すれば、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、図4における軌跡faに合致することから、制御部700は、開回路電圧Vocvの低下をもたらした要因は、電解質膜121の水分過多であると特定し(ステップS250)、この水分過多を解消すべく、ステップS260以降の処理行う。つまり、制御部700は、ステップS230と同様の乾燥パージを継続し、この乾燥パージを、続くステップS270にて開回路電圧Vocvが閾値電圧Vthを超えるよう回復するまで継続する。そして、開回路電圧Vocvが閾値電圧Vthを超えるまで回復すれば、本ルーチンを終了する。
In the present embodiment, the above-described factor analysis parameter (dVocv / dR film) for each factor is subjected to the comparison in step S240 subsequent to step S230 in FIG. 3 and the comparison in step S280 thereafter, so that the open circuit voltage Vocv. The factor that caused the decrease is specified as one of excessive moisture in the
その一方、ステップS230に続くステップS240で、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は正の値ではないと否定判定すれば、制御部700は、続くステップS280にて、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は一定値であるか否かを判定する。ここで否定判定すれば、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、図4における軌跡fcに合致することから、制御部700は、開回路電圧Vocvの低下をもたらした要因は、電解質膜121のクロスリーク発現であると特定し(ステップS290)、以降の処理にて、クロスリーク発現に対処する。この対処に当たり、制御部700は、クロスリーク量を算出する(ステップS300)。つまり、制御部700は、図1におけるアノードガス供給部200でのガス給排系の圧力センサー227や圧力センサー239、およびカソードガス供給部300でのガス給排系の圧力センサー332や圧力センサー344の検出値を読み込み、燃料ガスおよび酸化ガスの給排の差圧に基づいて、クロスリーク量を算出する。この場合、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、既述したように燃料電池セル120のそれぞれについて演算されることから、ステップS300で算出したクロスリーク量は、開回路電圧Vocvの低下をクロスリーク発現によりもたらした燃料電池セル120についてものとなる。
On the other hand, if it is determined in step S240 that follows step S230 that the factor analysis parameter (dVocv / dR film) is not a positive value, the
こうしてクロスリーク量を算出すると、制御部700は、開回路電圧Vocvが低下した燃料電池セル120のセル交換を行うよう報知して(ステップS320)、本ルーチンを終了する。このステップS320のセル交換報知は、種々の手法とでき、燃料電池システム20の搭載車両の車室内にランプにて点灯報知したり、セル交換の旨の音声を車両付属のオーディオ機器から発するようにできる。これらに加え、車両のメンテナンス先に、車台番号等の車両特定情報と共に、セル交換の旨の信号と交換対象となるセル特定情報等を送信したりすることもできる。この際、どの位置の燃料電池セル120、或いは燃料電池100のエンドプレートから何番目の燃料電池セル120であるかについても、報知する。セル交換報知を受けた車両操作者は、セル交換を行うべく車両をメンテナンス先まで持ち込み走行することになるが、その走行距離は比較的短いと予想される。よって、制御部700は、この持ち込み走行に当たって、燃料電池100の出力制限を特にしないようにできる。なお、ステップS320のセル交換報知の後の走行可能距離をクロスリーク量と対象付けたマップをメモリー720に予め記憶しておき、制御部700は、算出済みクロスリーク量に応じた走行可能距離や走行距離に制限がある旨等の報知を、セル交換報知と共に行うようにすることもできる。こうすれば、車両操作者に、セル交換のためのメンテナンスを促すことができる。
When the cross leak amount is calculated in this way, the
そして、ステップS240での否定判定に続くステップS280で、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は一定値であると肯定判定すれば、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、図4における軌跡fbに合致することから、制御部700は、開回路電圧Vocvの低下をもたらした要因は、電解質膜121の短絡抵抗低下であると特定し(ステップS330)、以降の処理にて、短絡抵抗低下に対処する。この対処に当たり、制御部700は、第1マップを参照して短絡抵抗低下値を算出する(ステップS340)。図6は図5の短絡抵抗ごとの軌跡の傾きである要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)と短絡抵抗値との関係を示す第1マップの説明図である。この図6は、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)を横軸にして、当該パラメータに対応する短絡抵抗値を定める。制御部700は、この図6に対応した第1マップ、即ち要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)と短絡抵抗値とを対応付けたマップをメモリー720に予め記憶しているので、ステップS210で求めた開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rとから演算した要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)を、図6の第1マップと照合することで、短絡抵抗値を算出する。この場合、要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)は、既述したように燃料電池セル120のそれぞれについて演算されることから、ステップS340で算出した短絡抵抗値は、開回路電圧Vocvの低下を短絡抵抗低下によりもたらした燃料電池セル120についてものとなる。
Then, in step S280 following the negative determination in step S240, if an affirmative determination is made that the factor analysis parameter (dVocv / dR film) is a constant value, the factor analysis parameter (dVovv / dR film) is represented by the locus fb in FIG. Therefore, the
こうして短絡抵抗値を算出すると、制御部700は、その算出短絡抵抗値(R短絡)を閾値短絡抵抗Rthと比較する(ステップS350)。この閾値短絡抵抗thは、発電効率や能力維持の上からセルの交換の目安となる短絡抵抗値として規定されている。制御部700は、このステップS350で、算出短絡抵抗値(R短絡)は閾値短絡抵抗Rthより小さいと肯定判定すると、セル交換を促すべく既述したステップS320に移行して本ルーチンを終了する。
When the short circuit resistance value is calculated in this way, the
その一方、ステップS350で、算出短絡抵抗値(R短絡)は閾値短絡抵抗Rthまでは低下していないと否定判定すると、制御部700は、燃料電池セル120についての出力電圧の制限値を第2マップを参照して定める(ステップS360)。図7はセル電圧の絶対値と短絡抵抗値との関係を示す第2マップの説明図である。この図7は、横軸を電解質膜121の短絡抵抗値とし、縦軸を燃料電池セル120の出力電圧値(絶対値)としたマップであり、短絡抵抗値に対する燃料電池セル120の出力電圧(絶対値)の上限を図中の境界軌跡fvmにて定める。電解質膜121の短絡抵抗低下は、電解質膜121の全域で起きるわけではなく、膨潤と収縮が繰り返された局所的な部位にて、短絡抵抗は低下する。こうして短絡抵抗低下を来している局所部位にセル出力電圧に対応した電流が流れると、当該局所部位では、その抵抗(短絡抵抗)と電流に基づいたジュール熱が発生して、その熱が電解質膜121の分解温度を超えることが有り得る。こうなると、局所部位ではピンホールが発生し、電解質膜121の修復不能な損傷が起きる。局所部位に発生するジュール熱は、ジュールの法則から、抵抗(短絡抵抗)が小さいと低電圧でも熱量が増す。こうしたことから、短絡抵抗の低下した電解質膜121を有する燃料電池セル120には、ピンホール回避の上から出力電圧に制限を掛けることが望ましい。図7の境界軌跡fvmは、電解質膜121の短絡抵抗に対する燃料電池セル120の出力電圧(絶対値)の上限をピンホール回避の上から定めた線図であり、予めメモリー720に記憶されている。そして、制御部700は、ステップS340で算出した短絡抵抗低下値を図7の第2マップにおける境界軌跡fvmに照合することで、燃料電池セル120についての出力電圧の上限値Vmax(絶対値)を定め、本ルーチンを終了する。制御部700は、こうして定められた上限値Vmaxを、図2におけるステップS140にて、燃料電池セル120のセル電圧Svの制限電圧として利用し、燃料電池セル120のセル電圧Svを制限する。これにより、短絡抵抗低下を来した燃料電池セル120のみならず、全ての燃料電池セル120のセル電圧Svが上限値Vmaxにて制限されることになる。
On the other hand, if it is determined in step S350 that the calculated short circuit resistance value (R short circuit) has not decreased to the threshold short circuit resistance Rth, the
以上説明したように、第1実施形態の燃料電池システム20は、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因を、電解質膜121の水分過多、電解質膜121のクロスリーク発現、或いは電解質膜121の短絡抵抗低下のいずれかと想定した上で、それぞれの要因ごとに、開回路電圧Vocvの推移を電解質膜121の膜抵抗値Rと関連付けて把握しておく(図4)。そして、燃料電池100を構成するそれぞれの燃料電池セル120の開回路電圧Vocvが予め定めた閾値電圧Vthより低下すると(ステップS220)、乾燥パージを行い(ステップS230)、この乾燥パージの間における要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)により、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因を、電解質膜121の水分過多、電解質膜121のクロスリーク発現、或いは電解質膜121の短絡抵抗低下のいずれかに特定する(ステップS240、ステップS280)。このため、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因として特定した電解質膜121の水分過多、電解質膜121のクロスリーク発現、或いは電解質膜121の短絡抵抗低下のそれぞれについて、水分過多解消、セル交換報知、出力制限等の対処を可能とする。
As described above, in the
また、本実施形態の燃料電池システム20は、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因が電解質膜121の水分過多であると特定すると(ステップS250)、開回路電圧Vocvが閾値電圧Vthに復帰するまで、電解質膜121の乾燥が進む側に継続して運転制御する(ステップS260〜270)。このため、電解質膜121の水分過多により低下した開回路電圧Vocvを回復させた上で、燃料電池セル120、延いてはその複数で構成される燃料電池100を運転制御できるので、発電性能の維持や回復を図ることができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池システム20は、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因が電解質膜121のクロスリーク発現であると特定すると(ステップS290)、燃料ガスや酸化ガスの給排圧力に基づいてクロスリーク量を燃料電池セル120の各セルごとに演算する(ステップS300)。その上で、演算したクロスリーク量がセル交換が望ましい程度にまで大きくなっていると、セル交換を促すよう報知する(ステップS320)。このため、セル交換による開回路電圧Vocvの回復と、燃料電池セル120の積層体としての燃料電池100の発電能力の維持もしくは回復を図ることができる。
Further, when the
また、本実施形態の燃料電池システム20は、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因が電解質膜121の短絡抵抗低下であると特定すると(ステップS330)、膜抵抗値Rの変化量(dR膜)に対する開回路電圧Vocvの変化量(dVocv)の演算値である要因解析パラメータ(dVocv/dR膜)と短絡抵抗値との関係を示す第1マップ(図6)を参照して、電解質膜121の短絡抵抗値を求める(ステップS340)。その上で、この求めた電解質膜121の短絡抵抗値とセル出力電圧とに起因して発生するジュール熱によるピンホールの発生を回避すべく、燃料電池セル120のセル電圧Svの上限を、電解質膜121の短絡抵抗に対する燃料電池セル120の出力電圧(絶対値)の上限をピンホール回避の上から定めた第2マップ(図7)を参照して求め、燃料電池100のそれぞれの燃料電池セル120のセル電圧Svを制限する(図2:ステップS140)。このため、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因が電解質膜121の短絡抵抗低下である場合に、外部の負荷要求に基づいた燃料電池100の出力電圧を、電解質膜121の損傷を抑制可能な上限に制限することで、電解質膜121の損傷を抑制した上で燃料電池100を運転制御できる。
Further, when the
また、本実施形態の燃料電池システム20は、開回路電圧Vocvの低下を招いた要因が電解質膜121の短絡抵抗低下であると特定した場合において、第1マップ(図6)を参照して求めた電解質膜121の短絡抵抗値がセル交換が望ましい程度にまで低下していると、セル交換を促すよう報知する(ステップS320)。このため、セル交換による開回路電圧Vocvの回復と、燃料電池セル120の積層体としての燃料電池100の発電能力の維持もしくは回復を図ることができる。
Further, the
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are intended to solve part or all of the above-described problems, or part of the above-described effects. Or, in order to achieve the whole, it is possible to replace or combine as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
また、上記の実施形態では、燃料電池システム20を搭載した車両として説明したが、燃料電池100を据え置き型として発電を図る発電システムとして適用することもできる。この他、上記の実施形態では、開回路電圧Vocvと膜抵抗値Rとを対応付けた図4における各軌跡に基づいて電圧低下要因を特定したが、膜抵抗値R以外の電解質膜121の物性値と開回路電圧Vocvとの関係を電圧低下要因ごとに把握して、各要因を特定するようにすることもできる。
In the above embodiment, the
20…燃料電池システム
100…燃料電池
120…燃料電池セル
121…電解質膜
122…アノード
123…カソード
124…アノード側ガス拡散層
125…カソード側ガス拡散層
126…ガスセパレーター
127…ガスセパレーター
200…アノードガス供給部
210…水素ガスタンク
220…アノードガス供給流路
222…開閉バルブ
224…レギュレータ
226…水素供給部
227…圧力センサー
230…アノードガス循環流路
232…水素ガスポンプ
234…気液分離部
236…排気排水バルブ
238…排出流路
239…圧力センサー
300…カソードガス供給部
310…吸気口
320…コンプレッサ
330…カソードガス供給流路
332…圧力センサー
340…カソードオフガス排出流路
342…背圧調整バルブ
344…圧力センサー
350…排気口
360…加湿部
400…冷却装置
410…冷却循環器
420…冷媒供給流路
430…冷媒排出流路
500…セル特性計測部
510…セル特性計測器
512…電圧計測ユニット
514…抵抗計測ユニット
520…電圧センサー
530…電流センサー
600…電力制御部
610…二次電池
620…二次電池制御部
630…モーター
640…モーター制御部
700…制御部
710…CPU
710a…電池出力制御部
710b…セル性状判定部
720…メモリー
730…入出力部
740…始動スイッチ
750…アクセル
DESCRIPTION OF
710a: Battery
Claims (10)
電解質膜の両膜面に電極触媒層が接合した膜電極接合体を有する電池セルを複数備える燃料電池と、
所定以下の負荷で前記燃料電池を運転制御する際の該燃料電池の出力電圧に基づく低負荷時出力特性を検知する特性検知部と、
前記出力電圧が予め定めた閾値電圧より低下した場合に、前記燃料電池の運転状態を前記電解質膜の乾燥が進む側に変更した後の前記検知した前記低負荷時出力特性の挙動により、前記出力電圧の低下をもたらす要因を、前記電解質膜の水分過多と該水分過多以外の複数の要因とのうちの一つに特定する電圧低下要因特定部とを備える
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell comprising a plurality of battery cells each having a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer is bonded to both membrane surfaces of the electrolyte membrane;
A characteristic detection unit for detecting an output characteristic at low load based on an output voltage of the fuel cell when the fuel cell is operated and controlled at a load below a predetermined value;
When the output voltage falls below a predetermined threshold voltage, the output of the fuel cell is changed according to the behavior of the detected output characteristic at low load after changing the operation state of the fuel cell to the side where the drying of the electrolyte membrane proceeds. A fuel cell system, comprising: a voltage reduction factor specifying unit that specifies a factor that causes a decrease in voltage as one of excessive moisture in the electrolyte membrane and a plurality of factors other than the excessive moisture.
前記電圧低下要因特定部は、前記低負荷時出力特性として検知した前記電圧/抵抗関係の変化を、前記出力電圧の低下をもたらす要因ごとに把握された前記電圧/抵抗関係の挙動と照合して、前記要因を特定する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The voltage drop factor specifying unit collates the change in the voltage / resistance relationship detected as the output characteristic at the time of low load with the behavior of the voltage / resistance relationship grasped for each factor that causes the output voltage to drop. The fuel cell system that identifies the factor.
前記電圧低下要因特定部は、前記電解質膜のガスのクロスリーク発現と前記電解質膜の膜短絡抵抗低下とを前記水分過多以外の要因として捉えた上で、前記電圧/抵抗関係の挙動を、前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のそれぞれに対応付けて把握し、該把握した前記電圧/抵抗関係の挙動と、前記検知した前記開回路電圧との照合を経て、前記要因を前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のいずれかに特定する
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
The voltage lowering factor specifying unit captures the behavior of the voltage / resistance relationship as a factor other than the excessive moisture, considering the occurrence of gas cross-leakage in the electrolyte membrane and the membrane short-circuit resistance reduction of the electrolyte membrane. Grasp the excess moisture, the cross-leakage expression, and the membrane short-circuit resistance drop in association with each other, and by comparing the grasped behavior of the voltage / resistance relationship with the detected open circuit voltage, the factor is determined. The fuel cell system is specified as one of the excessive water, the cross leak, and the short circuit resistance.
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記クロスリーク発現と特定されると、前記電池セルの前記膜電極接合体における電解質膜両面の前記電極触媒層にそれぞれ供給して排出されるガスの差圧に基づいて、前記電池セルごとに前記クロスリークの発現に伴うクロスリーク量を求め、前記電池セルごとに求めた前記クロスリークの発現状況が予め定めた閾値クロスリーク程度より高い高クロスリーク電池セルについての報知を行う
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6 or 7, wherein
When the voltage lowering factor specifying unit specifies the occurrence of the cross leak, the differential pressure of the gas supplied to and discharged from the electrode catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the battery cell Based on the above, the amount of cross leak accompanying the occurrence of the cross leak is determined for each battery cell, and the high cross leak battery cell in which the occurrence status of the cross leak determined for each battery cell is higher than a predetermined threshold cross leak level A fuel cell system that provides information about the fuel cell system.
前記電解質膜の短絡抵抗値の推移を前記電圧/抵抗関係に関連付けた短絡抵抗値推移マップを記憶するマップ第1記憶部と、
前記検知した前記開回路電圧に対応する前記電解質膜の短絡抵抗値を、前記検知した前記開回路電圧についての前記電圧/抵抗関係と前記短絡抵抗値推移マップとの照合を経て前記電池セルごとに求める短絡抵抗値演算部と、
前記電解質膜の短絡抵抗値と前記電池セルの出力電圧とに起因して発生する熱による電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を、前記電解質膜の短絡抵抗値に関連付けた膜損傷抑制マップを記憶するマップ第2記憶部と、
前記短絡抵抗値演算部の求めた前記電解質膜の短絡抵抗値を前記膜損傷抑制マップと照合して、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求める電圧上限演算部とを備え、
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部は、前記電解質膜の短絡抵抗値を求め、前記電圧上限演算部は、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求めた上で、外部の負荷要求に基づいた前記燃料電池の出力電圧を前記上限に制限する
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 6 to 8, wherein
A map first storage unit for storing a short-circuit resistance value transition map in which a transition of a short-circuit resistance value of the electrolyte membrane is associated with the voltage / resistance relationship;
For each battery cell, the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane corresponding to the detected open-circuit voltage is compared with the voltage / resistance relationship for the detected open-circuit voltage and the short-circuit resistance value transition map. A short-circuit resistance value calculation unit to be obtained;
Film damage associated with the upper limit of the output voltage capable of suppressing damage to the electrolyte film due to heat generated due to the short circuit resistance value of the electrolyte film and the output voltage of the battery cell, and the short circuit resistance value of the electrolyte film A map second storage unit for storing the suppression map;
A voltage upper limit calculation unit that obtains an upper limit of the output voltage capable of suppressing damage to the electrolyte membrane by comparing the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane obtained by the short-circuit resistance value calculation unit with the membrane damage suppression map. ,
When the factor is specified as the membrane short-circuit resistance reduction by the voltage reduction factor specifying unit, the short-circuit resistance value calculating unit obtains a short-circuit resistance value of the electrolyte membrane, and the voltage upper limit calculating unit is A fuel cell system that obtains an upper limit of the output voltage capable of suppressing damage and then limits the output voltage of the fuel cell based on an external load request to the upper limit.
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部が前記電池セルごとに求めた前記電解質膜の短絡抵抗値が予め定めた閾値短絡抵抗値より小さい小短絡抵抗値電池セルについての報知を行う
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9, wherein
When the factor is specified as the membrane short-circuit resistance drop by the voltage reduction factor specifying unit, the short-circuit resistance value of the electrolyte membrane obtained by the short-circuit resistance value calculation unit for each battery cell is a predetermined threshold short-circuit resistance value A fuel cell system that provides information about smaller small short-circuit resistance battery cells.
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