JP2014207049A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
特許文献１は、経時的な劣化による燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出するシステムを開示する。具体的には、燃料電池スタックの内部を湿潤状態に制御する。そして十分に湿潤状態になったときのインピーダンスと、基準インピーダンスとの差に基づいて燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出する。十分な湿潤状態であるか否かは、湿潤状態を変化させてもインピーダンスの変化が小さいことをもって判断される。 Patent Document 1 discloses a system that detects an increase in contact resistance of a fuel cell stack due to deterioration over time. Specifically, the inside of the fuel cell stack is controlled to be in a wet state. Then, an increase in the contact resistance of the fuel cell stack is detected based on the difference between the impedance when sufficiently wetted and the reference impedance. Whether or not the wet state is sufficient is determined by the fact that the change in impedance is small even if the wet state is changed.
しかしながら、インピーダンスの変化が小さいという判断では、判定基準値の設定が難しい。判定基準値によっては湿潤不足により精度良い接触抵抗の検知ができない可能性がある。また、確実に湿潤させるには、水が多すぎてフラッディングする可能性もある。 However, in the determination that the change in impedance is small, it is difficult to set the determination reference value. Depending on the criterion value, there is a possibility that contact resistance cannot be detected accurately due to insufficient wetting. Also, there is a possibility of flooding due to too much water to ensure wetting.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、劣化検知に最適な湿潤状態となったことを判定し、これをもって上記不都合を抑制できる劣化検知技術を有する燃料電池システムを提供することである。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system having a deterioration detection technique that can determine that the wet state is optimal for deterioration detection and suppress the above-described inconvenience.
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.
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、電解質膜を介して、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに第１周波数の交流信号を印加する第１印加部と、前記第１周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号に基づいて電解質膜のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、前記検出インピーダンス及び基準インピーダンスに基づいて劣化度合を検出する劣化検出部と、を備える。そしてさらに、前記第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する第２印加部と、前記第２周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号の位相角を検出する位相角検出部と、を備える。そして、前記劣化検出部は、前記位相角検出部で検出された位相角に基づいて、劣化検出を開始する。 One aspect of the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode side and an oxidant gas supplied to the cathode side via the electrolyte membrane, A first applying unit that applies an alternating current signal of a first frequency to the fuel cell stack; an impedance detecting unit that detects an impedance of the electrolyte membrane based on the alternating current signal of the first frequency and an output signal of the fuel cell stack; A deterioration detecting unit that detects the degree of deterioration based on the detected impedance and the reference impedance. Further, a second applying unit that applies an AC signal having a second frequency lower than the first frequency, and a phase angle detecting unit that detects a phase angle of the AC signal having the second frequency and the output signal of the fuel cell stack. And comprising. And the said deterioration detection part starts deterioration detection based on the phase angle detected by the said phase angle detection part.
第２周波数における位相角は、湿潤するにつれて、大きくなる。この態様では、この位相角に基づいて湿潤状態を判定し、十分に湿潤していると判定されたときのインピーダンスと、基準インピーダンスとから、接触抵抗の増加を検出するので、湿潤不足による誤検出や、過湿潤によるフラッディングを防止でき、接触抵抗(劣化度合)を精度よく検出できる。 The phase angle at the second frequency increases as it gets wet. In this aspect, the wet state is determined based on this phase angle, and an increase in contact resistance is detected from the impedance when it is determined that the liquid is sufficiently wet and the reference impedance. In addition, flooding due to overwetting can be prevented, and contact resistance (degradation degree) can be accurately detected.
本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。 Embodiments of the present invention and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
（第１実施形態）
はじめに実施形態の理解を容易にするために、本発明による燃料電池システムを用いるアノードガス脈動供給システムについて説明する。
(First embodiment)
First, in order to facilitate understanding of the embodiment, an anode gas pulsation supply system using a fuel cell system according to the present invention will be described.
図１は、本発明の一実施形態によるアノードガス脈動供給システムの概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an anode gas pulsation supply system according to an embodiment of the present invention.
アノードガス脈動供給システム１は、燃料電池スタック１００と、カソードガス給排装置３と、アノードガス給排装置４と、スタック冷却装置６と、コントローラー７と、を備える。 The anode gas pulsation supply system 1 includes a fuel cell stack 100, a cathode gas supply / discharge device 3, an anode gas supply / discharge device 4, a stack cooling device 6, and a controller 7.
燃料電池スタック１００には、複数枚の発電セル１０が積層されている。燃料電池スタック１００は、アノードガス及びカソードガスが供給されて、車両の駆動に必要な電力(たとえばモーターを駆動するために必要な電力)を発電する。 A plurality of power generation cells 10 are stacked on the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 is supplied with the anode gas and the cathode gas, and generates electric power necessary for driving the vehicle (for example, electric power necessary for driving the motor).
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給流路３１と、フィルター３２と、カソードコンプレッサー３３と、カソードガス排出通路３５と、カソード調圧弁３６と、を備える。 The cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply channel 31, a filter 32, a cathode compressor 33, a cathode gas discharge passage 35, and a cathode pressure regulating valve 36.
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１００に供給するカソードガスが流れる通路である。 The cathode gas supply passage 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 100 flows.
フィルター３２は、カソードガスとしての空気(外気)から異物を取り除く。フィルター３２を通過したカソードガスが、カソードガス供給通路３１を流れる。 The filter 32 removes foreign matter from the air (outside air) as the cathode gas. The cathode gas that has passed through the filter 32 flows through the cathode gas supply passage 31.
カソードガス供給通路３１の途中に、カソードコンプレッサー３３が配置される。 A cathode compressor 33 is arranged in the middle of the cathode gas supply passage 31.
カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１００のカソード排出口２２ｂに接続されるとともに、下流端が大気に開放する。 The cathode gas discharge passage 35 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 100 flows. The cathode gas discharge passage 35 is connected to the cathode discharge port 22b of the fuel cell stack 100, and the downstream end is opened to the atmosphere.
カソード調圧弁３６は、カソードガス排出通路３５に配置される。カソード調圧弁３６は、カソードコンプレッサー３３から供給されるカソードガスを所望の圧力に調節する。カソード調圧弁３６の構造は公知であるので、詳細な説明は省略するが、ハウジングに内蔵されたバタフライタイプの弁体が、モーターで駆動される。カソード調圧弁３６の開度は、コントローラー７によって制御される。 The cathode pressure regulating valve 36 is disposed in the cathode gas discharge passage 35. The cathode pressure regulating valve 36 adjusts the cathode gas supplied from the cathode compressor 33 to a desired pressure. Since the structure of the cathode pressure regulating valve 36 is known, a detailed description is omitted, but a butterfly type valve element built in the housing is driven by a motor. The opening degree of the cathode pressure regulating valve 36 is controlled by the controller 7.
アノードガス給排装置４は、高圧タンク４１と、アノードガス供給通路４２と、アノード調圧弁４３と、アノードガス排出通路４５と、パージ通路４６と、パージ弁４７と、バッファータンク４００と、を備える。 The anode gas supply / discharge device 4 includes a high pressure tank 41, an anode gas supply passage 42, an anode pressure regulating valve 43, an anode gas discharge passage 45, a purge passage 46, a purge valve 47, and a buffer tank 400. .
高圧タンク４１は、燃料電池スタック１００に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。 The high pressure tank 41 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 100 in a high pressure state.
アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１のアノードガスを燃料電池スタック１００に供給するための通路である。アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１と、燃料電池スタック１００のアノード供給口２１ａと、に接続される。 The anode gas supply passage 42 is a passage for supplying the anode gas of the high-pressure tank 41 to the fuel cell stack 100. The anode gas supply passage 42 is connected to the high-pressure tank 41 and the anode supply port 21 a of the fuel cell stack 100.
アノード調圧弁４３は、アノードガス供給通路４２に設けられる。アノード調圧弁４３は、高圧タンク４１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節する。アノード調圧弁４３は、連続的又は段階的に開度が調節される電磁弁である。アノード調圧弁４３の開度は、コントローラー７によって制御される。 The anode pressure regulating valve 43 is provided in the anode gas supply passage 42. The anode pressure regulating valve 43 adjusts the anode gas discharged from the high pressure tank 41 to a desired pressure. The anode pressure regulating valve 43 is an electromagnetic valve whose opening degree is adjusted continuously or stepwise. The opening degree of the anode pressure regulating valve 43 is controlled by the controller 7.
アノードガス排出通路４５は、燃料電池スタック１００のアノード排出口２１ｂと、バッファータンク４００と、に接続される。アノードガス排出通路４５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノード側へ透過してきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という）が流れる。 The anode gas discharge passage 45 is connected to the anode discharge port 21 b of the fuel cell stack 100 and the buffer tank 400. The anode gas discharge passage 45 has a mixed gas (hereinafter referred to as “anode off gas”) of excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and an inert gas such as nitrogen or water vapor that has permeated from the cathode side to the anode side. ) Flows.
バッファータンク４００は、アノードガス排出通路４５を流れたアノードオフガスを一旦蓄える。燃料電池スタック１００の内部のアノード圧が低下すれば、バッファータンク４００のアノードガスが逆流して燃料電池スタック１００に供給される。 The buffer tank 400 temporarily stores the anode off gas that has flowed through the anode gas discharge passage 45. When the anode pressure inside the fuel cell stack 100 decreases, the anode gas in the buffer tank 400 flows backward and is supplied to the fuel cell stack 100.
パージ通路４６は、アノードガス排出通路４５と、カソードガス排出通路３５と、に接続される。 The purge passage 46 is connected to the anode gas discharge passage 45 and the cathode gas discharge passage 35.
パージ弁４７は、パージ通路４６に設けられる。パージ弁４７は、全開又は全閉に調節される電磁弁である。パージ弁４７は、コントローラー７によって制御される。パージ弁４７が開かれると、バッファータンク４００のアノードオフガスが、パージ通路４６を流れて、カソードガス排出通路３５のカソードオフガスと混合して外気へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させて外気に排出することで、外気排出ガス中のアノードガス濃度が可燃濃度よりも低くしている。 The purge valve 47 is provided in the purge passage 46. The purge valve 47 is an electromagnetic valve that is adjusted to be fully open or fully closed. The purge valve 47 is controlled by the controller 7. When the purge valve 47 is opened, the anode off gas in the buffer tank 400 flows through the purge passage 46, mixes with the cathode off gas in the cathode gas discharge passage 35, and is discharged to the outside air. In this way, the anode off gas is mixed with the cathode off gas and discharged to the outside air, so that the anode gas concentration in the outside air exhaust gas is lower than the flammable concentration.
またバッファータンク４００のアノードオフガスを外気へ排出することで、バッファータンク４００内のアノードガス濃度を調節する。バッファータンク４００内のアノードガス濃度(水素濃度)が低すぎると、アノードガスを脈動供給する運転において電極反応に使用されるアノードガスが不足する。このようになっては、発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化するおそれがある。一方で、バッファータンク４００内のアノードガス濃度(水素濃度)が高すぎると、パージ通路４６を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。そこで、バッファータンク４００内のアノードガス濃度が、発電効率及び燃費を考慮して適切な値になるように、パージ弁４７が開閉される。 Moreover, the anode gas concentration in the buffer tank 400 is adjusted by discharging the anode off-gas from the buffer tank 400 to the outside air. If the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 400 is too low, the anode gas used for the electrode reaction is insufficient in the operation of supplying the anode gas in a pulsating manner. If it does in this way, while generating efficiency falls, there exists a possibility that a fuel cell may deteriorate. On the other hand, if the anode gas concentration (hydrogen concentration) in the buffer tank 400 is too high, the amount of the anode gas discharged to the outside air together with the inert gas in the anode off-gas through the purge passage 46 increases. Getting worse. Therefore, the purge valve 47 is opened and closed so that the anode gas concentration in the buffer tank 400 becomes an appropriate value in consideration of power generation efficiency and fuel consumption.
スタック冷却装置６は、燃料電池スタック１００を冷却し、燃料電池スタック１００を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置６は、冷却水循環通路６１と、ラジエーター６２と、バイパス通路６３と、三方弁６４と、冷却水ポンプ６５と、ＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient)ヒーター６６と、を備える。 The stack cooling device 6 is a device that cools the fuel cell stack 100 and maintains the fuel cell stack 100 at a temperature suitable for power generation. The stack cooling device 6 includes a cooling water circulation passage 61, a radiator 62, a bypass passage 63, a three-way valve 64, a cooling water pump 65, and a PTC (Positive Temperature Coefficient) heater 66.
冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水が循環する通路である。冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１００の冷却水供給口２３ａと冷却水排出口２３ｂとに接続される。以下では、冷却水循環通路６１のうち、冷却水排出口２３ｂ側を上流側、冷却水供給口２３ａ側を下流側として説明する。 The cooling water circulation passage 61 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 100 circulates. The cooling water circulation passage 61 is connected to the cooling water supply port 23 a and the cooling water discharge port 23 b of the fuel cell stack 100. Below, the cooling water discharge passage 23b side in the cooling water circulation passage 61 will be described as the upstream side, and the cooling water supply port 23a side will be described as the downstream side.
ラジエーター６２は、冷却水循環通路６１に設けられる。ラジエーター６２は、燃料電池スタック１００から排出された冷却水を冷却する。 The radiator 62 is provided in the cooling water circulation passage 61. The radiator 62 cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 100.
バイパス通路６３は、冷却水がラジエーター６２をバイパスできるようにする。バイパス通路６３は、冷却水循環通路６１と三方弁６４とに接続される。 The bypass passage 63 allows the cooling water to bypass the radiator 62. The bypass passage 63 is connected to the cooling water circulation passage 61 and the three-way valve 64.
三方弁６４は、ラジエーター６２よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。三方弁６４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が高ければ、三方弁６４は、冷却水がラジエーター６２を流れるように切り替える。冷却水の温度が低ければ、三方弁６４は、冷却水がバイパス通路６３を流れるように切り替える。 The three-way valve 64 is provided in the cooling water circulation passage 61 on the downstream side of the radiator 62. The three-way valve 64 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, if the temperature of the cooling water is high, the three-way valve 64 switches so that the cooling water flows through the radiator 62. If the temperature of the cooling water is low, the three-way valve 64 switches so that the cooling water flows through the bypass passage 63.
冷却水ポンプ６５は、三方弁６４よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。冷却水ポンプ６５は、冷却水を循環させる。 The cooling water pump 65 is provided in the cooling water circulation passage 61 on the downstream side of the three-way valve 64. The cooling water pump 65 circulates cooling water.
ＰＴＣヒーター６６は、バイパス通路６３に設けられる。ＰＴＣヒーター６６は、燃料電池スタック１００の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。 The PTC heater 66 is provided in the bypass passage 63. The PTC heater 66 is energized when the fuel cell stack 100 is warmed up to raise the temperature of the cooling water.
コントローラー７は、アノード調圧弁４３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる。アノード調圧弁４３が開かれてアノードガスが供給されると、アノード圧が上昇する。アノード調圧弁４３が閉じられると、発電反応によってアノードガスが消費されて、アノード圧が下降する。このように圧力を変動させる運転が脈動供給運転といわれる。またコントローラー７は、バッファータンク４００内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つように、パージ弁３８の開度を調節してバッファータンク４００から排出するアノードオフガスの流量を調節する。 The controller 7 periodically opens and closes the anode pressure regulating valve 43 to periodically increase and decrease the anode pressure. When the anode pressure regulating valve 43 is opened and anode gas is supplied, the anode pressure increases. When the anode pressure regulating valve 43 is closed, the anode gas is consumed by the power generation reaction, and the anode pressure decreases. Such an operation that varies the pressure is called a pulsation supply operation. Further, the controller 7 adjusts the flow rate of the anode off gas discharged from the buffer tank 400 by adjusting the opening of the purge valve 38 so as to keep the anode gas concentration in the buffer tank 400 at a desired concentration.
脈動供給運転することで、電解質膜１１１を介してカソード側からアノード側に透過してきた窒素等の不純ガスを、バッファータンク４００に押し込むことができる。この結果、不純ガスがアノード流路内に蓄積されて電極反応が阻害されることを抑制でき、安定した発電を実施できる。 By performing the pulsation supply operation, an impurity gas such as nitrogen that has permeated from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane 111 can be pushed into the buffer tank 400. As a result, it is possible to suppress the impure gas from accumulating in the anode flow path and hindering the electrode reaction, and stable power generation can be performed.
図２は、燃料電池スタックを説明する図であり、図２(Ａ)は外観斜視図、図２(Ｂ)は発電セルの構造を示す分解図である。 2A and 2B are diagrams illustrating a fuel cell stack, FIG. 2A is an external perspective view, and FIG. 2B is an exploded view showing the structure of a power generation cell.
図２(Ａ)に示されるように、燃料電池スタックは、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、を備える。燃料電池スタックは、直方体である。 As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack includes a plurality of stacked power generation cells 10 and a current collecting plate 20. The fuel cell stack is a rectangular parallelepiped.
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。 The power generation cell 10 is a unit cell of a fuel cell. Each power generation cell 10 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V). Details of the configuration of each power generation cell 10 will be described later.
集電プレート２０は、一対であり、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンや金属材料などで形成される。 The current collecting plates 20 are a pair and are respectively arranged outside the plurality of stacked power generation cells 10. The current collecting plate 20 is formed of a gas impermeable conductive member such as dense carbon or a metal material.
一方の集電プレート２０(図２(Ａ)では、左手前の集電プレート２０)には、短辺に沿って、アノード供給口２１ａと、アノード排出口２１ｂと、カソード供給口２２ａと、カソード排出口２２ｂと、冷却水供給口２３ａと、冷却水排出口２３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口２１ａ、冷却水供給口２３ａ及びカソード排出口２２ｂは図中右側に設けられる。またカソード供給口２２ａ、冷却水排出口２３ｂ及びアノード排出口２１ｂは図中左側に設けられる。 One current collecting plate 20 (the current collecting plate 20 on the left front side in FIG. 2A) has an anode supply port 21a, an anode discharge port 21b, a cathode supply port 22a, a cathode along the short side. A discharge port 22b, a cooling water supply port 23a, and a cooling water discharge port 23b are provided. In the present embodiment, the anode supply port 21a, the cooling water supply port 23a, and the cathode discharge port 22b are provided on the right side in the drawing. The cathode supply port 22a, the cooling water discharge port 23b, and the anode discharge port 21b are provided on the left side in the drawing.
アノード供給口２１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口２２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。 As a method of supplying hydrogen as anode gas to the anode supply port 21a, for example, a method of supplying hydrogen gas directly from a hydrogen storage device or a hydrogen-containing gas reformed by reforming a fuel containing hydrogen is supplied. There are methods. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. Examples of the fuel containing hydrogen include natural gas, methanol, and gasoline. Air is generally used as the cathode gas supplied to the cathode supply port 22a.
図２(Ｂ)に示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。 As shown in FIG. 2B, the power generation cell 10 includes an anode separator (anode bipolar plate) 12a and a cathode separator (cathode bipolar plate) on both surfaces of a membrane electrode assembly (MEA) 11. 12b is arranged.
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。 In the MEA 11, electrode catalyst layers 112 are formed on both surfaces of an electrolyte membrane 111 made of an ion exchange membrane. A gas diffusion layer (GDL) 113 is formed on the electrode catalyst layer 112.
電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。 The electrode catalyst layer 112 is formed of carbon black particles on which platinum is supported, for example.
ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。 The GDL 113 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, such as carbon fiber.
アノード供給口２１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口２１ｂから排出される。 The anode gas supplied from the anode supply port 21a flows through this GDL 113a, reacts with the anode electrode catalyst layer 112 (112a), and is discharged from the anode discharge port 21b.
カソード供給口２２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口２２ｂから排出される。 The cathode gas supplied from the cathode supply port 22a flows through this GDL 113b, reacts with the cathode electrode catalyst layer 112 (112b), and is discharged from the cathode discharge port 22b.
アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図２(Ｂ)に示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。 The anode separator 12a is overlaid on one side of the MEA 11 (back side in FIG. 2B) via the GDL 113a and the seal 14a. The cathode separator 12b is stacked on one side of the MEA 11 (the surface in FIG. 2B) via the GDL 113b and the seal 14b. The seal 14 (14a, 14b) is a rubber-like elastic material such as silicone rubber, ethylene propylene diene monomer (EPDM), or fluorine rubber. The anode separator 12a and the cathode separator 12b are formed by press-molding a separator base made of metal such as stainless steel so that a reaction gas channel is formed on one surface and alternately arranged with a reaction gas channel on the opposite surface. A cooling water flow path is formed. As shown in FIG. 2B, the anode separator 12a and the cathode separator 12b are overlapped to form a cooling water flow path.
ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)２１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)２１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)２２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)２２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)２３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)２３ｂが形成される。 The MEA 11, the anode separator 12a, and the cathode separator 12b are respectively formed with holes 21a, 21b, 22a, 22b, 23a, and 23b, which are overlapped to form an anode supply port (anode supply manifold) 21a and an anode discharge port. (Anode discharge manifold) 21b, cathode supply port (cathode supply manifold) 22a, cathode discharge port (cathode discharge manifold) 22b, cooling water supply port (cooling water supply manifold) 23a and cooling water discharge port (cooling water discharge manifold) 23b Is formed.
なお図２では、表側の集電プレート２０に、アノード供給口２１ａ、アノード排出口２１ｂ、カソード供給口２２ａ、カソード排出口２２ｂ、冷却水供給口２３ａ、冷却水排出口２３ｂが設けられている場合を例示したが、これには限られない。たとえば、アノード排出口２１ｂ、カソード排出口２２ｂ、冷却水排出口２３ｂが、裏側の集電プレート２０に設けられてもよい。図１のアノードガス脈動供給システムでは、そのようなタイプが用いられる。 In FIG. 2, the current collector plate 20 on the front side is provided with an anode supply port 21 a, an anode discharge port 21 b, a cathode supply port 22 a, a cathode discharge port 22 b, a cooling water supply port 23 a, and a cooling water discharge port 23 b. However, the present invention is not limited to this. For example, the anode outlet 21b, the cathode outlet 22b, and the cooling water outlet 23b may be provided on the current collecting plate 20 on the back side. Such a type is used in the anode gas pulsation supply system of FIG.
図３は燃料電池スタックの一例を示す斜視図であり、図３(Ａ)は分解状態を示し、図３(Ｂ)はアッセンブリー状態を示す。 FIG. 3 is a perspective view showing an example of a fuel cell stack, FIG. 3 (A) shows an exploded state, and FIG. 3 (B) shows an assembled state.
燃料電池スタック１００は、所定枚数の発電セル１０の周囲を締結プレート１２２及び補強プレート１２３で挟んだ構造である。 The fuel cell stack 100 has a structure in which the periphery of a predetermined number of power generation cells 10 is sandwiched between a fastening plate 122 and a reinforcing plate 123.
発電セル１０は、ＭＥＡモジュール１１の裏表両面にセパレーター１２(アノードセパレーター１２ａ，カソードセパレーター１２ｂ)が配置された構造である。 The power generation cell 10 has a structure in which separators 12 (an anode separator 12 a and a cathode separator 12 b) are disposed on both front and back surfaces of the MEA module 11.
発電セル１０の積層方向(押圧方向)の両端には、一対の集電プレート２１が配置される。そして一方の集電プレート２１(図２(Ａ)では奥の集電プレート２１)にスペーサー２１が配置される。さらにこの両外側にはエンドプレート１２１が配置される。エンドプレート１２１は金属製又は樹脂製である。そして発電セル１０の周囲に、薄板製の締結プレート１２２及び補強プレート１２３が配置される。 A pair of current collecting plates 21 are disposed at both ends of the power generation cell 10 in the stacking direction (pressing direction). A spacer 21 is arranged on one current collecting plate 21 (the current collecting plate 21 in FIG. 2A). Further, end plates 121 are arranged on both outer sides. The end plate 121 is made of metal or resin. A thin fastening plate 122 and a reinforcing plate 123 are disposed around the power generation cell 10.
そして、エンドプレート１２１、締結プレート１２２及び補強プレート１２３がボルト１２４で締結される。 Then, the end plate 121, the fastening plate 122, and the reinforcing plate 123 are fastened with bolts 124.
このようにして、図２(Ｂ)に示すような燃料電池スタック１００が構成される。なお、ボルト１２４の本数及びボルト穴の位置は一例である。 In this way, the fuel cell stack 100 as shown in FIG. The number of bolts 124 and the positions of the bolt holes are examples.
図４は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.
燃料電池スタック１００は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１００は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図４(Ａ)に示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。 The fuel cell stack 100 is supplied with reaction gas (cathode gas O 2 , anode gas H 2 ) to generate power. The fuel cell stack 100 is configured by stacking hundreds of membrane electrode assemblies (MEA) in which a cathode electrode catalyst layer and an anode electrode catalyst layer are formed on both surfaces of an electrolyte membrane. One of the MEAs is shown in FIG. Here, the cathode gas is supplied to the MEA (cathode in) and discharged from the diagonal side (cathode out), while the anode gas is supplied (anode in) and discharged from the diagonal side (anode out). An example is shown.
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。 In each membrane electrode assembly (MEA), the following reaction proceeds in the anode electrode catalyst layer and the cathode electrode catalyst layer according to the load to generate power.
図４(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-2)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。 As shown in FIG. 4B, as the reaction gas (cathode gas O 2 ) flows through the cathode flow path, the reaction of the above formula (1-2) proceeds and water vapor is generated. Then, the relative humidity increases on the downstream side of the cathode channel. As a result, the relative humidity difference between the cathode side and the anode side increases. With this relative humidity difference as the driving force, water is back-diffused and the anode upstream side is humidified. This moisture further evaporates from the MEA to the anode channel, and humidifies the reaction gas (anode gas H 2 ) flowing through the anode channel. Then, it is transported downstream of the anode and humidifies the MEA downstream of the anode.
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。電解質膜中の水分が少なく電解質膜の湿潤度が小さすぎれば上記反応が促進されない。反対に、電解質膜中の水分が多すぎれば、余剰の水分が反応ガス流路に溢れてしまって、ガスの流れが阻害される。このような場合も上記反応が促進されない。したがって電解質膜が適度な湿潤状態であることで、効率よく発電される。 In order to generate electric power efficiently by the above reaction, the electrolyte membrane needs to be in an appropriate wet state. If there is little water in the electrolyte membrane and the wetness of the electrolyte membrane is too small, the above reaction will not be promoted. On the other hand, if there is too much water in the electrolyte membrane, excess water overflows into the reaction gas flow path and the gas flow is hindered. In such a case, the reaction is not promoted. Therefore, power is efficiently generated when the electrolyte membrane is in a moderately wet state.
電解質膜の湿潤状態は、たとえば公知の交流インピーダンス法を用いて求められたＨＦＲ(High Frequency Resistance)に基づいて検出される。燃料電池スタック１００の出力電流に高周波の交流電流を重畳したときの燃料電池スタック１００の電圧値を電圧センサーによって検出し、その電圧値に基づいて重畳した交流電流の電圧振幅を演算し、その電圧振幅を重畳した交流電流の電流振幅で割ることでインピーダンス(ＨＦＲ)が算出される。インピーダンス(ＨＦＲ)が大きいほど、電解質膜が乾燥している。なお、インピーダンス(ＨＦＲ)の算出方法は上記方法に限られず、例えば本出願人が出願した特開２０１２−０５４１５３号公報に記載された方法を用いてもよい。 The wet state of the electrolyte membrane is detected based on, for example, HFR (High Frequency Resistance) obtained using a known AC impedance method. The voltage value of the fuel cell stack 100 when a high-frequency alternating current is superimposed on the output current of the fuel cell stack 100 is detected by a voltage sensor, the voltage amplitude of the superimposed alternating current is calculated based on the voltage value, and the voltage The impedance (HFR) is calculated by dividing the amplitude by the current amplitude of the alternating current superimposed. The larger the impedance (HFR), the dry the electrolyte membrane. The method for calculating impedance (HFR) is not limited to the above method, and for example, a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-054153 filed by the present applicant may be used.
ところで燃料電池スタックは、劣化するにつれて、内部の抵抗が増えることが発明者らによって知見された。この内部抵抗の変化を考慮しなければ、正確なＨＦＲを検出できない。内部抵抗が変化する原因について、発明者らは、以下のように考察した。すなわち、燃料電池スタックには、高圧のアノードガスが脈動供給され、スタック内部の圧力が変動する。すると経時的にＭＥＡ(電解質膜１１１，電極触媒層１１２，ＧＤＬ１１３)に、へたりが生じて、内部の接触抵抗が大きくなるのである。 By the way, the inventors have found that the internal resistance of the fuel cell stack increases as it deteriorates. If this change in internal resistance is not taken into account, accurate HFR cannot be detected. The inventors considered the cause of the change in internal resistance as follows. That is, a high-pressure anode gas is pulsated and supplied to the fuel cell stack, and the pressure inside the stack fluctuates. Then, over time, the MEA (electrolyte membrane 111, electrode catalyst layer 112, GDL 113) sags and the internal contact resistance increases.
特開２００８−２８２６８２号公報では、インピーダンスがほとんど変化しない状態になるまで、燃料電池スタックの内部を湿潤させる。すなわちインピーダンスは、図５に示されるように、湿潤状態に応じて変化するが、湿潤度が高くなると飽和する。この状態のインピーダンスと基準インピーダンスとの差に基づいて燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出する。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-282682, the inside of the fuel cell stack is wetted until the impedance hardly changes. That is, as shown in FIG. 5, the impedance changes according to the wet state, but saturates when the wetness increases. An increase in the contact resistance of the fuel cell stack is detected based on the difference between the impedance in this state and the reference impedance.
しかしながら、このような手法では、インピーダンスがほとんど変化しない状態であるか否かを判定するための判定基準値の設定が難しい。判定基準値によっては十分な湿潤状態でない可能性がある。その一方で、確実に湿潤させるために水が過剰になってしまってフラッディングする可能性もある。 However, with such a method, it is difficult to set a determination reference value for determining whether or not the impedance hardly changes. Depending on the criterion value, there is a possibility that the wet state is not sufficient. On the other hand, there is a possibility of flooding due to excessive water in order to ensure wetting.
そこで、本実施形態では、燃料電池スタックの接触抵抗の増加の検出を適切なタイミングで実行できる手法を提供する。最初に、本実施形態の理解を容易にすべく、基本的なコンセプトについて説明する。 Therefore, the present embodiment provides a technique that can detect the increase in the contact resistance of the fuel cell stack at an appropriate timing. First, in order to facilitate understanding of the present embodiment, a basic concept will be described.
ますはじめに発明者は、図６のように燃料電池スタックの等価回路を設定した。 First, the inventor set up an equivalent circuit of the fuel cell stack as shown in FIG.
すなわち、電圧に対して直列に電解質膜抵抗が接続され、さらに並列に反応抵抗及び電気二重層容量が接続され、さらに接触抵抗が接続される。 That is, the electrolyte membrane resistance is connected in series with the voltage, the reaction resistance and the electric double layer capacitance are further connected in parallel, and the contact resistance is further connected.
このような回路では、高周波(たとえば１０００Ｈｚ)の交流信号(交流電流)を与えることで、電気二重層容量が導通状態になる。すると、反応抵抗にはほとんど導通がなくなり、膜抵抗と接触抵抗とが直列接続された部分のインピーダンスが検出される。交流信号(交流電流)の周波数を下げるにつれて、電気二重層容量側に交流電流が流れにくくなり、反応抵抗も導通するようになる。このため入力信号に対する出力信号の位相遅れが大きくなる。このような関係をボード線図に示すと図７になる。通常の湿潤状態であれば、反応抵抗が小さく(たとえば０．１Ω程度)、このときの特性は、破線のようになる。これに対して、過湿潤状態であれば、反応抵抗が大きく(たとえば０．５Ω程度)、このときの特性は、実線のようになる。なお過湿潤状態では、水分が多く、酸素が電解質膜に届きにくくなって反応しにくくなるため、反応抵抗が大きくなる。 In such a circuit, the electric double layer capacitance becomes conductive by applying a high-frequency (for example, 1000 Hz) AC signal (AC current). Then, there is almost no conduction in the reaction resistance, and the impedance of the portion where the membrane resistance and the contact resistance are connected in series is detected. As the frequency of the alternating signal (alternating current) is lowered, the alternating current hardly flows to the electric double layer capacity side, and the reaction resistance also becomes conductive. For this reason, the phase delay of the output signal with respect to the input signal increases. FIG. 7 shows such a relationship in the Bode diagram. In a normal wet state, the reaction resistance is small (for example, about 0.1Ω), and the characteristic at this time is as shown by a broken line. On the other hand, in an excessively wet state, the reaction resistance is large (for example, about 0.5Ω), and the characteristic at this time is as shown by a solid line. In an excessively wet state, the reaction resistance increases because there is a lot of water and oxygen hardly reaches the electrolyte membrane and becomes difficult to react.
このボード線図から明らかなように、インピーダンス(ＨＦＲ)を検出するときの第１周波数(たとえば１０００Ｈｚ)よりも低い第２周波数で、位相遅れが顕著に変化する。 As is clear from this Bode diagram, the phase lag changes significantly at a second frequency lower than the first frequency (for example, 1000 Hz) when the impedance (HFR) is detected.
そこで本実施形態では、第２周波数の交流信号を印加したときの位相遅れに基づいて、湿潤状態を判定し、そのときのインピーダンスと基準インピーダンスとの差に基づいて燃料電池スタックの接触抵抗の増加を検出するようにしたのである。 Therefore, in this embodiment, the wet state is determined based on the phase delay when the AC signal of the second frequency is applied, and the contact resistance of the fuel cell stack is increased based on the difference between the impedance at that time and the reference impedance. It was made to detect.
図８は、接触抵抗変化(劣化)検出ルーチンを示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing a contact resistance change (deterioration) detection routine.
ステップＳ１０１においてコントローラーは、水温が所定水温よりも高いか否かを判定する。水温が低ければ、温度変化によって反応抵抗が大きく変わるので、測定の信頼性が劣る。そこで温度が安定する領域であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１０２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。 In step S101, the controller determines whether or not the water temperature is higher than a predetermined water temperature. If the water temperature is low, the reaction resistance is greatly changed by the temperature change, so the measurement reliability is poor. Therefore, it is determined whether or not the temperature is in a stable region. If the determination result is affirmative, the controller proceeds to step S102, and if the determination result is negative, the controller exits the process.
ステップＳ１０２においてコントローラーは、接触抵抗を検出するタイミングであるか否かを判定する。接触抵抗の変化は、徐々に生じるものであるから、頻繁に検出されなくてもよい。たとえば、月に１，２度程度の検出でよい。そこで、ある程度の期間をおいて判定すればよい。また燃料電池スタックの発電積算時間に基づいて判定してもよい。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１０３へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。 In step S102, the controller determines whether or not it is time to detect contact resistance. Since the change in contact resistance occurs gradually, it may not be frequently detected. For example, the detection may be about 1 or 2 times per month. Therefore, the determination may be made after a certain period of time. The determination may be made based on the accumulated power generation time of the fuel cell stack. If the determination result is positive, the controller proceeds to step S103, and if the determination result is negative, the controller exits the process.
ステップＳ１０３においてコントローラーは、燃料電池の電解質膜の状態がウェット状態になるようにウェット運転を開始する。具体的には、燃料電池スタックからの排水量が少なくなるように制御する。そのためには、たとえば冷却水ポンプ６５の回転を上げて冷却水の流量を増やして燃料電池スタックの温度を下げればよい。またカソードコンプレッサー３３の回転を下げてカソードガスの流量を減らしてもよい。またカソード調圧弁３６の開度を小さくしてカソードガスの圧力を上げてもよい。これらを適宜組み合わせてもよい。このようにして、ウェット運転が実行される。 In step S103, the controller starts the wet operation so that the state of the electrolyte membrane of the fuel cell becomes a wet state. Specifically, control is performed so that the amount of drainage from the fuel cell stack is reduced. For this purpose, for example, the cooling water pump 65 may be rotated to increase the flow rate of the cooling water to lower the temperature of the fuel cell stack. The cathode gas flow rate may be reduced by lowering the rotation of the cathode compressor 33. Further, the cathode gas pressure may be increased by reducing the opening of the cathode pressure regulating valve 36. You may combine these suitably. In this way, the wet operation is performed.
ステップＳ１０４においてコントローラーは、燃料電池スタックに供給するアノードガスの濃度を上昇させる。このようにすることで水素スタベーションが防止される。なおアノードガスの濃度を上昇させるには、水素分圧が上がるように運転すればよい。またアノードガスを脈動供給するシステムではなく、アノードガスを循環させるシステムであれば、循環量を増やせばよい。 In step S104, the controller increases the concentration of the anode gas supplied to the fuel cell stack. By doing so, hydrogen starvation is prevented. In order to increase the concentration of the anode gas, the operation may be performed so that the hydrogen partial pressure increases. In addition, if the system is not a system that pulsates the anode gas but a system that circulates the anode gas, the circulation amount may be increased.
ステップＳ１０５においてコントローラーは、第１周波数及び第２周波数の交流信号(交流電流又は交流電圧)を燃料電池に印加する。ここで第１周波数は、インピーダンス(ＨＦＲ)を検出できる周波数であり、たとえば１０００Ｈｚである。第２周波数は、第１周波数よりも低い周波数であって、湿潤変化に応じて位相角が変化する周波数である。たとえば、１００〜３００Ｈｚ程度の周波数である。これらの周波数は、重畳して燃料電池に印加できる。 In step S105, the controller applies an AC signal (AC current or AC voltage) having the first frequency and the second frequency to the fuel cell. Here, the first frequency is a frequency at which impedance (HFR) can be detected, and is, for example, 1000 Hz. The second frequency is a frequency lower than the first frequency, and the phase angle changes in accordance with the change in wetness. For example, the frequency is about 100 to 300 Hz. These frequencies can be superimposed and applied to the fuel cell.
ステップＳ１０６においてコントローラーは、第１周波数に基づいてインピーダンスを検出するとともに、第２周波数の位相角を検出する。 In step S106, the controller detects the impedance based on the first frequency and detects the phase angle of the second frequency.
ステップＳ１０７においてコントローラーは、基準位相角を設定する。具体的な内容は、後述される。 In step S107, the controller sets a reference phase angle. Specific contents will be described later.
ステップＳ１０８においてコントローラーは、位相角検出値と基準位相角との差が、所定値よりも大きいか否かを判定する。これによって、燃料電池スタックの接触抵抗変化(劣化)検出できる状態であるか否かを判定するのである。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１０９へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。 In step S108, the controller determines whether or not the difference between the detected phase angle value and the reference phase angle is greater than a predetermined value. Thus, it is determined whether or not the contact resistance change (deterioration) of the fuel cell stack can be detected. If the determination result is positive, the controller proceeds to step S109. If the determination result is negative, the controller exits the process.
ステップＳ１０９においてコントローラーは、インピーダンス検出値とインピーダンス初期値(基準インピーダンス)との差を、接触抵抗変化量とする。 In step S109, the controller sets the difference between the detected impedance value and the initial impedance value (reference impedance) as the contact resistance change amount.
ステップＳ１１０においてコントローラーは、接触抵抗変化量をＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)に記憶する。 In step S110, the controller stores the contact resistance change amount in an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).
ステップＳ１１１においてコントローラーは、ウェット運転を終了する。 In step S111, the controller ends the wet operation.
図９は、基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing a reference phase angle setting routine.
ステップＳ１０７１においてコントローラーは、最初の位相角を基準位相角として設定する。この最初の位相角とは、はじめてステップＳ１０６が処理されて検出された位相角でも、また予め設定されている初期値であってもよい。また通常運転での位相角であってもよい。 In step S1071, the controller sets the first phase angle as the reference phase angle. This first phase angle may be a phase angle detected by processing step S106 for the first time, or may be a preset initial value. Further, it may be a phase angle in normal operation.
図１０は、接触抵抗が変化した後、すなわち劣化があった後の湿潤制御ルーチンを示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart showing a wetting control routine after the contact resistance changes, that is, after deterioration.
ステップＳ２０１においてコントローラーは、第１周波数での初期目標インピーダンスを求める。具体的には、予め設定されている固定値を用いればよい。また、予め設定されたテーブルに電流値を入力して値をピックアップしてもよい。 In step S201, the controller obtains an initial target impedance at the first frequency. Specifically, a fixed value set in advance may be used. Alternatively, the current value may be input to a preset table to pick up the value.
ステップＳ２０２においてコントローラーは、初期目標インピーダンスに接触抵抗変化量を加算して、目標インピーダンスを設定する。 In step S202, the controller sets the target impedance by adding the contact resistance change amount to the initial target impedance.
ステップＳ２０３においてコントローラーは、第１周波数に基づいてインピーダンスを検出する。 In step S203, the controller detects the impedance based on the first frequency.
ステップＳ２０４においてコントローラーは、インピーダンス検出値が目標インピーダンスと等しいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２０５へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ２０８へ処理を移行する。 In step S204, the controller determines whether or not the detected impedance value is equal to the target impedance. If the determination result is negative, the controller proceeds to step S205, and if the determination result is positive, the controller proceeds to step S208.
ステップＳ２０５においてコントローラーは、インピーダンス検出値が目標インピーダンスよりも小さいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２０６へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ２０７へ処理を移行する。 In step S205, the controller determines whether or not the detected impedance value is smaller than the target impedance. If the determination result is negative, the controller proceeds to step S206, and if the determination result is positive, the controller proceeds to step S207.
ステップＳ２０６においてコントローラーは、ウェット運転を実行する。具体的には、ノーマル運転よりも燃料電池スタックからの排水量が少なくなるように制御する。そのためには、たとえば冷却水ポンプ６５の回転を上げて冷却水の流量を増やして燃料電池スタックの温度を下げればよい。またカソードコンプレッサー３３の回転を下げてカソードガスの流量を減らしてもよい。またカソード調圧弁３６の開度を小さくしてカソードガスの圧力を上げてもよい。これらを適宜組み合わせてもよい。このようにして、ウェット運転が実行される。 In step S206, the controller performs a wet operation. Specifically, control is performed so that the amount of drainage from the fuel cell stack is smaller than in normal operation. For this purpose, for example, the cooling water pump 65 may be rotated to increase the flow rate of the cooling water to lower the temperature of the fuel cell stack. The cathode gas flow rate may be reduced by lowering the rotation of the cathode compressor 33. Further, the cathode gas pressure may be increased by reducing the opening of the cathode pressure regulating valve 36. You may combine these suitably. In this way, the wet operation is performed.
ステップＳ２０７においてコントローラーは、ドライ運転を実行する。具体的には、ノーマル運転よりも燃料電池スタックからの排水量が多くなるように制御する。そのためには、たとえば冷却水ポンプ６５の回転を下げて冷却水の流量を減らして燃料電池スタックの温度を上げればよい。またカソードコンプレッサー３３の回転を上げてカソードガスの流量を増やしてもよい。またカソード調圧弁３６の開度を大きくしてカソードガスの圧力を下げてもよい。これらを適宜組み合わせてもよい。このようにして、ドライ運転が実行される。 In step S207, the controller performs a dry operation. Specifically, control is performed so that the amount of drainage from the fuel cell stack is greater than in normal operation. For this purpose, for example, the temperature of the fuel cell stack may be raised by lowering the rotation of the cooling water pump 65 to reduce the flow rate of the cooling water. Further, the cathode compressor 33 may be rotated to increase the cathode gas flow rate. The cathode gas pressure may be lowered by increasing the opening of the cathode pressure regulating valve 36. You may combine these suitably. In this way, the dry operation is executed.
ステップＳ２０８においてコントローラーは、ノーマル運転を実行する。 In step S208, the controller executes normal operation.
以上のようにして、接触抵抗変化した後、すなわち劣化があった後には、目標インピーダンスを補正して湿潤制御を実行する。 As described above, after the contact resistance is changed, that is, after deterioration, the target impedance is corrected and the wetting control is executed.
以上、説明したように、本実施形態では、インピーダンスを検出する第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する。そして第２周波数における位相角を検出する。この位相角は、湿潤するにつれて、大きくなる。そしてこの位相角に基づいて湿潤状態を判定し、十分に湿潤していると判定されたときのインピーダンス(すなわち湿潤度が飽和状態であるときのインピーダンス)と、基準インピーダンスとから、接触抵抗の増加を検出する。このようにしたので、湿潤不足による誤検出や、過湿潤によるフラッディングを防止でき、接触抵抗(劣化度合)を精度よく検出できるのである。 As described above, in this embodiment, an AC signal having a second frequency lower than the first frequency for detecting impedance is applied. Then, the phase angle at the second frequency is detected. This phase angle increases as it gets wet. Then, the wet state is determined based on this phase angle, and the contact resistance is increased from the impedance when the wet state is determined to be sufficiently wet (that is, the impedance when the wetness is saturated) and the reference impedance. Is detected. As a result, erroneous detection due to insufficient wetting and flooding due to overwetting can be prevented, and contact resistance (degradation degree) can be detected with high accuracy.
また本実施形態では、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始するようにした。位相角単独で湿潤の飽和状態を判断しようとすると、劣化によって反応抵抗や電気二重層容量が変化している場合に、飽和状態を正確に判断できない可能性がある。ドライ側とウェット側での位相角差を使うことで、劣化による反応抵抗や電気二重層容量の変化をキャンセルできるので、より正確に劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。 In the present embodiment, the detection of deterioration is started based on the deviation between the phase angle after the wet change and the reference phase angle. If an attempt is made to determine the wet saturation state by the phase angle alone, there is a possibility that the saturation state cannot be accurately determined when the reaction resistance or the electric double layer capacity changes due to deterioration. By using the phase angle difference between the dry side and the wet side, changes in reaction resistance and electric double layer capacitance due to deterioration can be canceled, so that deterioration (increase in contact resistance) can be detected more accurately.
また、接触抵抗が増加すると、同じ湿潤状態において、接触抵抗の増加分、第１周波数のインピーダンス検出値が増加する。そのため、接触抵抗の増加に基づいて第１周波数の目標インピーダンスを増加側に補正することで、一定の湿潤状態で制御することができるのである。 Further, when the contact resistance is increased, the impedance detection value of the first frequency is increased by the increase of the contact resistance in the same wet state. Therefore, it is possible to control in a constant wet state by correcting the target impedance of the first frequency to the increasing side based on the increase in contact resistance.
なお位相角の検出は、所定電流よりも高い電流で実行することがさらに好ましい。これについて、図１１を参照して説明する。すなわち燃料電池スタックの発電特性(ＩＶ特性)は、図１１のようになり、おおよそは、電流が高くなるにつれて電圧が低くなる傾向にある。しかしながら、電流がとても小さい領域で、電圧が非常に高くなる。このような領域は、活性化過電圧領域と言われる。電流変化に対する過電圧変化の要因が、活性化過電圧が支配的となる極低電流域では反応抵抗が非常に高いため、ウェット状態でなくとも位相角が増加してしまうため、ウェット状態の判断が困難となり誤判断のリスクが増加してしまう。そこでこのような電流域では実施せず、活性化過電圧領域よりも大きい電流域で実施することで、より正確に劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。 It is more preferable to detect the phase angle at a current higher than a predetermined current. This will be described with reference to FIG. That is, the power generation characteristics (IV characteristics) of the fuel cell stack are as shown in FIG. 11, and the voltage tends to decrease as the current increases. However, in a region where the current is very small, the voltage becomes very high. Such a region is called an activated overvoltage region. Since the reaction resistance is very high in the extremely low current region where the activation overvoltage is dominant as the cause of the overvoltage change with respect to the current change, the phase angle increases even in a non-wet state, making it difficult to judge the wet state This increases the risk of misjudgment. Therefore, the deterioration (increase in contact resistance) can be detected more accurately by carrying out in a current region larger than the activation overvoltage region, not in such a current region.
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態の基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a flowchart illustrating a reference phase angle setting routine according to the second embodiment.
ステップＳ１０７２１においてコントローラーは、インピーダンス検出値が基準値よりも小さいか否かを判定する。ここで基準値は、過乾燥状態でないことを判定できる値である。過乾燥状態であっても、インピーダンスが下がることがあるので、そのようなイレギュラーな状態を排除するべく、ステップＳ１０７２１で判定するのである。判定結果が肯であればステップＳ１０７２２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。 In step S10721, the controller determines whether or not the detected impedance value is smaller than the reference value. Here, the reference value is a value with which it can be determined that the overdried state is not achieved. Even in the overdried state, the impedance may decrease, and therefore, determination is made in step S10721 in order to eliminate such an irregular state. If the determination result is positive, the process proceeds to step S10722, and if the determination result is negative, the process is exited.
ステップＳ１０７２２においてコントローラーは、位相角検出値を基準位相角として設定する。 In step S10722, the controller sets the phase angle detection value as the reference phase angle.
本実施形態によれば、過乾燥状態であってインピーダンスが下がるようなイレギュラーな状態を排除できるのである。すなわち、燃料電池スタックが想定以上に乾燥状態となった場合にも、第２周波数における位相角は大きくなる。そのため、位相角偏差でウェット状態を判定する際に必要以上にウェット操作をしてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、第１周波数において検出したインピーダンスを見て想定外の乾燥状態でないことを判定できる状態での位相角との偏差で判定することで、短時間で劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。 According to this embodiment, it is possible to eliminate an irregular state in which the impedance is lowered in an overdried state. That is, even when the fuel cell stack becomes dry more than expected, the phase angle at the second frequency increases. Therefore, there is a possibility that the wet operation is performed more than necessary when the wet state is determined by the phase angle deviation. On the other hand, in the present embodiment, deterioration (contact) is achieved in a short time by determining the deviation from the phase angle in a state where it can be determined that the dry state is not unexpected by looking at the impedance detected at the first frequency. It is possible to detect an increase in resistance).
（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態の基準位相角設定ルーチンを示すフローチャートである。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a flowchart illustrating a reference phase angle setting routine according to the third embodiment.
ステップＳ１０７３１においてコントローラーは、位相角検出値が基準位相角よりも小さいか否かを判定する。判定結果が肯であればステップＳ１０７３２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。 In step S10731, the controller determines whether or not the phase angle detection value is smaller than the reference phase angle. If the determination result is affirmative, the process proceeds to step S10732. If the determination result is negative, the process ends.
ステップＳ１０７３２においてコントローラーは、位相角検出値を基準位相角として設定する。 In step S10732, the controller sets the phase angle detection value as the reference phase angle.
電解質膜の湿潤状態が変わることで、位相角が変わるが、上記の処理を微小間隔で繰り返すことで、最小の位相角を基準位相角として設定できる。 The phase angle is changed by changing the wet state of the electrolyte membrane, but the minimum phase angle can be set as the reference phase angle by repeating the above process at a minute interval.
本実施形態によれば、燃料電池スタックが想定以上に乾燥状態となった場合にも、第２周波数における位相角は大きくなる。そのため、位相角偏差でウェット状態を判定する際に必要以上にウェット操作をしてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、基準位相角を最小値に更新させることにより、短時間で劣化(接触抵抗の増加)を検出できるのである。 According to this embodiment, even when the fuel cell stack is in a dry state more than expected, the phase angle at the second frequency is increased. Therefore, there is a possibility that the wet operation is performed more than necessary when the wet state is determined by the phase angle deviation. On the other hand, in the present embodiment, the deterioration (increase in contact resistance) can be detected in a short time by updating the reference phase angle to the minimum value.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
たとえば、図１では、アノードガスを脈動供給するシステムが例示されているが、アノードガスが循環するシステムにも適用可能である。 For example, FIG. 1 illustrates a system for supplying pulsating anode gas, but the present invention can also be applied to a system in which anode gas circulates.
また、ステップＳ１０８において、位相角検出値と基準位相角との差に応じて、劣化検出を開始するようにしたが、簡易的には、位相角検出値が基準値を超えたか否かによって劣化検出を開始するようにしてもよい。 In step S108, the deterioration detection is started in accordance with the difference between the phase angle detection value and the reference phase angle. For simplicity, the deterioration is determined depending on whether or not the phase angle detection value exceeds the reference value. The detection may be started.
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。 In addition, the said embodiment can be combined suitably.
１００ 燃料電池スタック
Ｓ１０５ 第１印加部，第２印加部
Ｓ１０６ インピーダンス検出部
Ｓ１０８ 位相角検出部
Ｓ１０９ 劣化検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell stack S105 1st application part, 2nd application part S106 Impedance detection part S108 Phase angle detection part S109 Deterioration detection part
Claims (7)
前記燃料電池スタックに第１周波数の交流信号を印加する第１印加部と、
前記第１周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号に基づいて電解質膜のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
前記検出インピーダンス及び基準インピーダンスに基づいて劣化度合を検出する劣化検出部と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記第１周波数よりも低い第２周波数の交流信号を印加する第２印加部と、
前記第２周波数の交流信号及び前記燃料電池スタックの出力信号の位相角を検出する位相角検出部と、
を備え、
前記劣化検出部は、前記位相角検出部で検出された位相角に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode side and an oxidant gas supplied to the cathode side via the electrolyte membrane;
A first application unit for applying an alternating current signal having a first frequency to the fuel cell stack;
An impedance detector for detecting an impedance of the electrolyte membrane based on the alternating current signal of the first frequency and the output signal of the fuel cell stack;
A deterioration detector that detects the degree of deterioration based on the detected impedance and the reference impedance;
In a fuel cell system comprising:
A second application unit that applies an AC signal having a second frequency lower than the first frequency;
A phase angle detection unit for detecting a phase angle of the AC signal of the second frequency and the output signal of the fuel cell stack;
With
The deterioration detector starts deterioration detection based on the phase angle detected by the phase angle detector.
Fuel cell system.
前記第２周波数は、湿潤変化に応じて位相角が変化する周波数である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The second frequency is a frequency at which the phase angle changes in response to a change in wetness.
Fuel cell system.
燃料電池スタックの湿潤状態をウェットに変更するウェット運転部と、
最初の位相角を基準位相角として設定する基準位相角設定部と、
を備え、
前記劣化検出部は、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A wet operation unit for changing the wet state of the fuel cell stack to wet;
A reference phase angle setting unit for setting the first phase angle as a reference phase angle;
With
The deterioration detection unit starts detection of deterioration based on the deviation between the phase angle after the wet change and the reference phase angle.
Fuel cell system.
燃料電池スタックの湿潤状態をウェットに変更するウェット運転部と、
ウェット運転した場合であって、前記第１周波数のインピーダンス検出値が所定値よりも小さくなったときの位相角を基準位相角として設定する基準位相角設定部と、
を備え、
前記劣化検出部は、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A wet operation unit for changing the wet state of the fuel cell stack to wet;
A reference phase angle setting unit that sets the phase angle when the impedance detection value of the first frequency is smaller than a predetermined value as a reference phase angle when the wet operation is performed;
With
The deterioration detection unit starts detection of deterioration based on the deviation between the phase angle after the wet change and the reference phase angle.
Fuel cell system.
燃料電池スタックの湿潤状態をウェットに変更するウェット運転部と、
ウェット運転中の前記第１周波数のインピーダンス検出値の最小値を基準位相角として設定する基準位相角設定部と、
を備え、
前記劣化検出部は、ウェット変更後の位相角と基準位相角との偏差に基づいて、劣化検出を開始する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A wet operation unit for changing the wet state of the fuel cell stack to wet;
A reference phase angle setting unit that sets a minimum value of the impedance detection value of the first frequency during wet operation as a reference phase angle;
With
The deterioration detection unit starts detection of deterioration based on the deviation between the phase angle after the wet change and the reference phase angle.
Fuel cell system.
前記位相角検出部は、燃料電池の出力電流が所定値よりも大きいときに位相角を検出する、
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The phase angle detector detects the phase angle when the output current of the fuel cell is larger than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記インピーダンス検出部で検出したインピーダンスが目標値になるように燃料電池スタックを運転する運転部を備え、
前記目標値は、前記劣化検出部で検出した劣化度合が大きくなるほど、大きく設定される、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein
An operation unit for operating the fuel cell stack so that the impedance detected by the impedance detection unit becomes a target value;
The target value is set to be larger as the degree of deterioration detected by the deterioration detection unit increases.
Fuel cell system.
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