JP2014175205A - 燃料電池監視装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池監視装置5は、燃料電池1内部における反応ガスの拡散の困難性を示すガス拡散抵抗Rtotalを測定する拡散抵抗測定部533として、インピーダンス算出部532にて算出された異なる周波数毎のインピーダンスに基づいてガス反応抵抗Rctを算出する抵抗算出部533aと、限界電流密度Ilimを算出する限界電流密度算出部533bと、ガス反応抵抗Rctおよび限界電流密度Ilimに基づいて、ガス拡散抵抗Rtotalを算出するガス拡散抵抗算出部533cと、を備える。
【選択図】図6
Description
(アノード側)H2→2H++2e−
(カソード側)2H++1/2O2+2e−→H2O
図1に戻り、燃料電池1は、双方向に電力供給可能なDC−DCコンバータ2を介して、各種電気負荷に電気的に接続されている。DC−DCコンバータ2は、燃料電池1から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池1への電力の流れを制御するものである。
Rmem=R1cosθ1…(F1)
また、異なる周波数fL、fHにおけるインピーダンスの絶対値R1、R2、および位相角θ2を、以下の数式F2、F3に適用して、低周波数fLにおけるインピーダンス中のガス反応抵抗Rctの特性を示す成分を算出する。
φ=tan−1[(R2sinθ2)/{(R2cosθ2)−Rmem}]…(F2)
A=(R2sinθ2)/(R2sinφ)…(F3)
そして、前述の数式F2、F3により得られたφ、およびAを、以下の数式F4に適用して、ガス反応抵抗Rctを算出する。
Rct=A/cosφ…(F4)
図6に戻り、限界電流密度算出部533bは、燃料電池1の発電時における限界電流密度Ilimを算出する演算部である。本実施形態の限界電流密度算出部533bは、燃料電池1の出力電流(電流密度)、ガス反応抵抗Rct、および単セル10に生ずる濃度過電圧ηc等から限界電流密度Ilimを算出する。なお、限界電流密度算出部533bは、理論起電圧Eoから、単セル10の出力電圧(制御電圧)E、活性化電圧、および抵抗過電圧を引いた残りを濃度過電圧ηcとして算出する。
Ilim={eβ/(eβ−1)}I…(F5)
β=(ηcnF)/(2RT)…(F6)
ηc=Eo−E−ηa−ηR…(F7)
ηa={(RT)/(2αF)}ln(I/Io)…(F8)
ηR=IRmem…(F9)
但し、数式F5〜F9における「F」はファラデー定数、「R」は気体定数、「T」は温度、「n」は定数を示している。また、「I」は電流密度、「Io」は交換電流密度、「E」は制御電圧、「Eo」は理論起電圧を示している。また、「ηc」は濃度過電圧、「ηa」は活性化過電圧、「ηR」は抵抗過電圧を示し、「α」は電荷移動係数(定数)を示している。
Rtotal=ρ(Ilim α/Rct β)ξ…(F10)
ここで、数式F10は、予めガス拡散抵抗Rtotal、限界電流密度Ilim、およびガス反応抵抗Rctの相関特性をモデル化した数式の一例である。なお、数式F10は、ガス反応抵抗Rct、および限界電流密度Ilimそれぞれをガス拡散抵抗Rtotalおよび反応ガスのガス濃度を変数とする関数として定義し、各関数から反応ガスのガス濃度に関する項を除去することで導出することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
Rtotal=ρ(Iα/Rct β)ξ…(F10´)
ここで、数式F10´は、予めガス拡散抵抗Rtotal、電流密度I、およびガス反応抵抗Rctの相関特性をモデル化した数式の一例である。なお、数式F10中の電流密度Iは、電流測定部51の検出値に相当する。
Rct=A/cosφ−ηa/I
但し、数式中の「ηa」が活性化過電圧、「I」が電流密度を示している。なお、「I」は、電流測定部51の測定値を用いることができ、活性化電圧ηaに関しては、数式F8により求めることができる。
51 電流測定部(電流検出手段)
52 電圧測定部(電圧検出手段)
531 信号重畳部(信号重畳手段)
532 インピーダンス算出部(インピーダンス算出手段)
533 拡散抵抗測定部
533a 抵抗算出部
533b 限界電流密度算出部
533c ガス拡散抵抗算出部
Claims (7)
- 燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスが供給されることで電気エネルギを出力する少なくとも1つの単セル(10)で構成される燃料電池(1)を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段(51)と、
前記単セルの出力電圧を検出する電圧検出手段(52)と、
前記燃料電池の出力信号に異なる周波数の信号を重畳する信号重畳手段(531)と、
前記信号重畳手段により前記異なる周波数の信号が重畳された際の前記電流検出手段の検出電流、および前記電圧検出手段の検出電圧から前記異なる周波数毎のインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段(532)と、
前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散の困難性を示すガス拡散抵抗(Rtotal)を測定する拡散抵抗測定手段(533)と、を備え、
前記拡散抵抗測定手段は、
前記インピーダンス算出手段にて算出された異なる周波数毎のインピーダンスに基づいてガス反応抵抗(Rct)を算出する抵抗算出部(533a)と、
前記ガス反応抵抗および前記電流検出手段の検出電流に基づいて、前記ガス拡散抵抗(Rtotal)を算出するガス拡散抵抗算出部(533c)と、
を有することを特徴とする燃料電池監視装置。 - 前記ガス拡散抵抗算出部は、予め前記ガス拡散抵抗、前記ガス反応抵抗、および前記電流検出手段の検出電流の相関特性をモデル化した関数に基づいて、前記ガス拡散抵抗を算出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池監視装置。
- 前記拡散抵抗測定手段は、前記電流検出手段の検出電流を用いて限界電流密度を算出する限界電流密度算出部(533b)を有し、
前記ガス拡散抵抗算出部は、予め前記ガス拡散抵抗、前記ガス反応抵抗、および前記限界電流密度の相関特性をモデル化した関数に基づいて、前記ガス拡散抵抗を算出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池監視装置。 - 前記限界電流密度算出部は、
前記電流検出手段の検出電流、前記ガス反応抵抗、および前記単セルに生ずる濃度過電圧から前記限界電流密度を算出することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池監視装置。 - 前記限界電流密度算出部は、
前記単セルの理論起電圧から前記単セルの出力電圧、活性化電圧、および抵抗過電圧を引いた残り、または、前記単セルの理論起電圧から前記単セルの出力電圧、および抵抗過電圧を引いた残りを前記濃度過電圧に相関性を有する値として算出することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池監視装置。 - 前記抵抗算出部は、
前記異なる周波数のうち、高い方の周波数に対応する高周波インピーダンスからプロトン移動抵抗(Rmem)を算出し、
前記異なる周波数のうち、少なくとも低い方の周波数に対応する低周波インピーダンスから前記ガス反応抵抗を算出することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池監視装置。 - 前記ガス拡散抵抗が予め定めた適正範囲から外れた際に、前記燃料電池内部における前記反応ガスの拡散状態を調整する回復処理を実行する回復制御手段(54c)を備えることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池監視装置。
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