JP2020087763A - Fuel cell monitoring device - Google Patents

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Ikuyasu Kato
育康 加藤
美保 畑▲崎▼
Miho Hatasaki
美保 畑▲崎▼
山本 和男
Kazuo Yamamoto
和男 山本
茂樹 長谷川
Shigeki Hasegawa
茂樹 長谷川
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Abstract

To provide a technology capable of detecting the state of insufficient supply amount of reaction gas for a fuel battery cell with high accuracy.SOLUTION: A fuel cell monitoring device includes an impedance measurement section for calculating the absolute value of impedance of a fuel battery cell for an AC signal of relatively low frequency, and the phase angle of impedance of a fuel battery cell for an AC signal of relatively high frequency, by applying AC signals of two frequencies to a fuel cell stack, and a determination section for determining that a supply amount of the fuel gas is insufficient, for the fuel battery cell where the absolute value of the impedance is larger than a predetermined first threshold level, or determining that a supply amount of the fuel gas is insufficient for the fuel battery cell where the absolute value of the impedance is smaller than the first threshold level, and for the fuel battery cell where the phase angle of the impedance is larger than a predetermined second threshold level to the negative side.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、燃料電池監視装置に関する。 The present disclosure relates to a fuel cell monitoring device.

燃料電池の出力電流に交流信号を重畳させて、その交流信号に対するインピーダンスを計測し、その計測結果を用いて燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの現在の状態を検出する燃料電池監視装置が知られている。例えば、特許文献1の燃料電池監視装置では、燃料電池セルのインピーダンスの絶対値が、第2の閾値である基準インピーダンスの絶対値+所定値αより大きいときには、燃料電池セルが、燃料ガスである水素が不足している状態にあると判定する。また、燃料電池セルのインピーダンスの絶対値が、第1の閾値である基準インピーダンスの絶対値−所定値βより小さいときには、燃料電池セルが、酸化剤ガスである酸素が不足している状態にあると判定する。 A fuel cell monitoring device that superimposes an AC signal on the output current of a fuel cell, measures the impedance with respect to the AC signal, and uses the measurement result to detect the current state of the fuel cell cells that make up the fuel cell stack is known. Has been. For example, in the fuel cell monitoring device of Patent Document 1, when the absolute value of the impedance of the fuel cell is larger than the absolute value of the reference impedance that is the second threshold+the predetermined value α, the fuel cell is the fuel gas. It is determined that there is a shortage of hydrogen. Further, when the absolute value of the impedance of the fuel cell is smaller than the absolute value of the reference impedance that is the first threshold value-the predetermined value β, the fuel cell is in a state where oxygen, which is the oxidant gas, is insufficient. To determine.

特開2017−045648号公報JP, 2017-045648, A

しかしながら、燃料電池では、例えばガス流路の閉塞などによって、要求されている発電量に対して酸化剤ガスと燃料ガスの両方の供給量が不足する場合がある。上記の特許文献1の技術では、インピーダンスの絶対値の基準値に対する大小によって、燃料ガスと酸化剤ガスのいずれの供給量が不足しているのかが特定されているため、酸化剤ガスと燃料ガスの両方の供給量が不足する状態を検出することができない。このように、インピーダンスの計測結果を用いて燃料電池に対する反応ガスの供給量不足の状態を精度よく検出することには依然として改良の余地がある。 However, in the fuel cell, the supply amount of both the oxidant gas and the fuel gas may be insufficient with respect to the required power generation amount due to, for example, blockage of the gas flow path. In the technique of Patent Document 1 described above, it is specified which of the supply amount of the fuel gas and the oxidant gas is insufficient depending on the magnitude of the absolute value of the impedance with respect to the reference value. It is not possible to detect the situation where the supply amount of both is insufficient. Thus, there is still room for improvement in accurately detecting the state of insufficient supply of the reaction gas to the fuel cell using the impedance measurement result.

本開示の技術の一形態は、燃料電池スタックが備える複数の燃料電池セルにおける酸化剤ガスと燃料ガスの供給状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに2つの周波数の交流信号を印加して、相対的に低い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの絶対値と、相対的に高い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの位相角と、を算出するインピーダンス計測部と、前記インピーダンスの絶対値が予め決められた第1閾値よりも大きい前記燃料電池セル、あるいは、前記インピーダンスの絶対値が前記第1閾値よりも小さく、かつ、前記インピーダンスの位相角が予め決められた第2閾値よりもマイナス側に大きい前記燃料電池セルに、前記燃料ガスの供給量の不足が生じていると判定する判定部と、を備える。この形態の燃料電池監視装置によれば、インピーダンスの絶対値と位相角とを用いた判定をおこなうため、インピーダンスの絶対値の大小判定だけでは検出できない燃料ガスの供給量が不足している状態を検出することができる。例えば、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態を検出することができる。よって、燃料電池セルに対する反応ガスの供給量不足の状態をより高い精度で検出することができる。
本開示の技術は、燃料電池監視装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の発電状態を監視する方法や、燃料電池における反応ガスの供給状態を判定する方法、燃料電池監視装置の制御方法および制御装置、燃料電池監視装置を備える燃料電池システムおよびその制御方法、前述のいずれかの方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
One form of the technique of the present disclosure is provided as a fuel cell monitoring device that monitors the supply states of an oxidant gas and a fuel gas in a plurality of fuel cells included in a fuel cell stack. In the fuel cell monitoring device of this aspect, an alternating current signal having two frequencies is applied to the fuel cell stack, and an absolute value of impedance of the fuel battery cell with respect to an alternating current signal having a relatively low frequency and a relatively high frequency are applied. And an impedance measurement unit for calculating the phase angle of the impedance of the fuel cell with respect to the AC signal, and the fuel cell in which the absolute value of the impedance is larger than a predetermined first threshold value or the absolute value of the impedance. When the value of the fuel cell is smaller than the first threshold value and the phase angle of the impedance is larger than the predetermined second threshold value on the negative side, the supply amount of the fuel gas is insufficient. A determination unit for determining. According to the fuel cell monitoring device of this aspect, since the determination is performed using the absolute value of the impedance and the phase angle, it is possible to detect a state in which the supply amount of the fuel gas that cannot be detected only by the determination of the absolute value of the impedance is insufficient. Can be detected. For example, it is possible to detect a state where the supply amounts of both the fuel gas and the oxidant gas are insufficient. Therefore, it is possible to detect with high accuracy the insufficient supply amount of the reaction gas to the fuel cell unit.
The technology of the present disclosure can be implemented in various forms other than the fuel cell monitoring device. For example, a method of monitoring a power generation state of a fuel cell, a method of determining a supply state of a reaction gas in a fuel cell, a control method and a control device of a fuel cell monitoring device, a fuel cell system including the fuel cell monitoring device, and a control method thereof. It can be realized in the form of a computer program that realizes any of the above methods, a non-transitory recording medium that records the computer program, or the like.

第1実施形態の燃料電池監視装置を備える燃料電池システムを示す概略図。1 is a schematic diagram showing a fuel cell system including a fuel cell monitoring device according to a first embodiment. 燃料電池セルの構成を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows the structure of a fuel cell. 第1実施形態の監視処理のフローを示す説明図。Explanatory drawing which shows the flow of the monitoring process of 1st Embodiment. 第1実施形態における判定閾値を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the determination threshold value in 1st Embodiment. 第2実施形態の監視処理のフローを示す説明図。Explanatory drawing which shows the flow of the monitoring process of 2nd Embodiment. 第2実施形態における判定閾値を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the determination threshold value in 2nd Embodiment.

1.第1実施形態:
1−1.燃料電池システム概要:
図1は、第1実施形態における燃料電池監視装置10を備える燃料電池システム100の構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック20を備え、外部負荷200からの要求に応じた電力を燃料電池スタック20に発電させる。燃料電池監視装置10は、発電中の燃料電池スタック20における反応ガスの供給状態を監視する。以下では、燃料電池監視装置10以外の燃料電池システム100の構成を説明した後に、燃料電池監視装置10の構成および燃料電池監視装置10が実行する監視処理について説明する。
1. First embodiment:
1-1. Fuel cell system overview:
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 including a fuel cell monitoring device 10 according to the first embodiment. The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 20 that receives a supply of a reaction gas, that is, a fuel gas and an oxidant gas to generate electric power, and causes the fuel cell stack 20 to generate electric power according to a request from an external load 200. The fuel cell monitoring device 10 monitors the supply state of the reaction gas in the fuel cell stack 20 during power generation. In the following, after the configuration of the fuel cell system 100 other than the fuel cell monitoring device 10 is described, the configuration of the fuel cell monitoring device 10 and the monitoring process executed by the fuel cell monitoring device 10 will be described.

第1実施形態では、燃料電池システム100は、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の走行に用いられる電力や、燃料電池車両の補機類や電装品において消費される電力を出力する。燃料電池システム100が出力する電力は、外部給電に用いられてもよい。なお、他の実施形態では、燃料電池システム100は、燃料電池車両に搭載されていなくてもよい。燃料電池システム100は、例えば、船舶などの移動体に搭載されてもよく、建物など施設内に固定的に設置されてもよい。 In the first embodiment, the fuel cell system 100 is mounted on a fuel cell vehicle and outputs electric power used for traveling of the fuel cell vehicle and electric power consumed by accessories and electric components of the fuel cell vehicle. The power output by the fuel cell system 100 may be used for external power feeding. It should be noted that in other embodiments, the fuel cell system 100 may not be mounted in a fuel cell vehicle. The fuel cell system 100 may be installed in a moving body such as a ship, or may be fixedly installed in a facility such as a building.

1−2.燃料電池スタックの構成:
燃料電池スタック20は、固体高分子形燃料電池であり、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック20は、複数の燃料電池セル21が積層されたスタック構造を有する。燃料電池セル21は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池スタック20には、各燃料電池セル21に接続する反応ガスおよび冷媒のための分岐流路である図示しないマニホールドが設けられている。
1-2. Fuel cell stack configuration:
The fuel cell stack 20 is a polymer electrolyte fuel cell, and generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen, which is a fuel gas, and oxygen, which is an oxidant gas. The fuel cell stack 20 has a stack structure in which a plurality of fuel cell units 21 are stacked. Each of the fuel cells 21 is a power generation element that can generate power even by itself. The fuel cell stack 20 is provided with a manifold (not shown) that is a branch flow path for the reaction gas and the refrigerant connected to each fuel cell 21.

図2は、燃料電池セル21の構成を示す概略断面図である。燃料電池セル21は、発電体である膜電極接合体50を備える。膜電極接合体50は、電解質膜51と、2つの電極52,53と、を備える。電解質膜51は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質樹脂の薄膜である。電解質膜51は、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。第1電極52と第2電極53とはそれぞれ、電解質膜51の両面に配置されている。第1電極52は、燃料ガスが供給されるアノードであり、第2電極53は、酸化剤ガスが供給されるカソードである。各電極52,53は、電解質膜51の表面に配置された触媒層54と、触媒層54の上に積層されたガス拡散層55と、を備える。触媒層54は、発電反応を促進するための触媒と、触媒を担持する導電性粒子と、を含む。触媒としては、例えば、白金(Pt)を採用できる。また、導電性粒子としては、例えば、カーボン粒子を採用できる。ガス拡散層55は、ガス拡散性および導電性を有する多孔質基材によって構成される。ガス拡散層55は、例えば、カーボンペーパによって構成することができる。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the fuel cell unit 21. The fuel cell unit 21 includes a membrane electrode assembly 50 that is a power generator. The membrane electrode assembly 50 includes an electrolyte membrane 51 and two electrodes 52 and 53. The electrolyte membrane 51 is a thin film of electrolyte resin that exhibits good proton conductivity in a wet state. The electrolyte membrane 51 is made of, for example, a fluorine-based ion exchange resin. The first electrode 52 and the second electrode 53 are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane 51, respectively. The first electrode 52 is an anode to which the fuel gas is supplied, and the second electrode 53 is a cathode to which the oxidant gas is supplied. Each of the electrodes 52 and 53 includes a catalyst layer 54 arranged on the surface of the electrolyte membrane 51, and a gas diffusion layer 55 laminated on the catalyst layer 54. The catalyst layer 54 includes a catalyst for promoting a power generation reaction, and conductive particles carrying the catalyst. As the catalyst, for example, platinum (Pt) can be adopted. Further, as the conductive particles, for example, carbon particles can be adopted. The gas diffusion layer 55 is composed of a porous base material having gas diffusivity and conductivity. The gas diffusion layer 55 can be made of, for example, carbon paper.

燃料電池セル21は、さらに、膜電極接合体50を挟む2枚のセパレータ61,62を備える。第1セパレータ61は、第1電極52に面し、第2セパレータ62は、第2電極53に面する。各セパレータ61,62は、例えば、金属板など、導電性およびガス不透過性を有する板状部材によって構成される。各セパレータ61,62の膜電極接合体50側の面には、反応ガスを誘導するガス流路63を構成する溝が形成されている。各燃料電池セル21のガス流路63は、図示しないマニホールドに接続されている。第1セパレータ61のガス流路63には燃料ガスが流れ、第2セパレータ62のガス流路63には酸化剤ガスが流れる。各セパレータ61,62のガス流路63が設けられた面とは反対側の面には、冷媒が流れる冷媒流路64が設けられている。 The fuel cell unit 21 further includes two separators 61 and 62 sandwiching the membrane electrode assembly 50. The first separator 61 faces the first electrode 52, and the second separator 62 faces the second electrode 53. Each of the separators 61 and 62 is made of, for example, a plate-shaped member having conductivity and gas impermeability such as a metal plate. On the surface of each of the separators 61 and 62 on the side of the membrane electrode assembly 50, a groove forming a gas flow path 63 for guiding a reaction gas is formed. The gas flow path 63 of each fuel cell 21 is connected to a manifold (not shown). Fuel gas flows through the gas flow passage 63 of the first separator 61, and oxidant gas flows through the gas flow passage 63 of the second separator 62. A coolant passage 64 through which a coolant flows is provided on the surface of each of the separators 61 and 62 opposite to the surface on which the gas passage 63 is provided.

図1を参照する。燃料電池スタック20は、燃料電池セル21の積層方向における両端にそれぞれ、エンドプレート22を備える。各エンドプレート22は、例えば、金属板によって構成される。燃料電池セル21の積層体は、エンドプレート22を介して、図示しない締結部材によって締結される。また、エンドプレート22には、後述する反応ガスの流通のための配管32,36,41,44が接続される接続部が設けられている。 Please refer to FIG. The fuel cell stack 20 includes end plates 22 at both ends of the fuel cell stack 21 in the stacking direction. Each end plate 22 is made of, for example, a metal plate. The stacked body of the fuel cells 21 is fastened via the end plate 22 by a fastening member (not shown). Further, the end plate 22 is provided with a connecting portion to which pipes 32, 36, 41, 44 for circulating a reaction gas described later are connected.

各エンドプレート22と、燃料電池セル21の積層体との間には、集電板23と絶縁板24とが配置されている。集電板23は、導電性を有する板状部材によって構成される。集電板23は、燃料電池セル21の積層体に接触しており、各燃料電池セル21と電気的に導通する。集電板23は、ターミナルとして機能する。燃料電池スタック20は、集電板23を介して、モーターや補機類、電装品を含む外部負荷200に電気的に接続されている。絶縁板24は、集電板23とエンドプレート22との間に配置されて両者を電気的に絶縁する。 A collector plate 23 and an insulating plate 24 are arranged between each end plate 22 and the stacked body of the fuel cells 21. The collector plate 23 is composed of a plate-shaped member having conductivity. The current collector plate 23 is in contact with the stacked body of the fuel battery cells 21, and is electrically connected to each fuel battery cell 21. The current collector 23 functions as a terminal. The fuel cell stack 20 is electrically connected to an external load 200 including a motor, auxiliaries, and electrical components via a collector plate 23. The insulating plate 24 is arranged between the current collector plate 23 and the end plate 22 to electrically insulate the both.

1−3.燃料電池スタックの発電のための構成部:
燃料電池システム100は、さらに、燃料電池スタック20の運転を制御するシステム制御部25と、燃料電池スタック20に対する反応ガスの供給および排出をおこなう燃料ガス給排部30および酸化剤ガス給排部40と、を備える。燃料電池システム100は、その他に、燃料電池スタック20の冷媒流路64に冷媒を供給する冷媒供給部や、出力電流を制御するためのコンバータ、二次電池などを備えている。ただし、本明細書では、便宜上、その図示および詳細な説明は省略する。
1-3. Components for fuel cell stack power generation:
The fuel cell system 100 further includes a system control unit 25 that controls the operation of the fuel cell stack 20, a fuel gas supply/discharge unit 30 and an oxidant gas supply/discharge unit 40 that supply and discharge a reaction gas to and from the fuel cell stack 20. And The fuel cell system 100 is additionally provided with a coolant supply unit that supplies a coolant to the coolant channel 64 of the fuel cell stack 20, a converter for controlling the output current, a secondary battery, and the like. However, in the present specification, for convenience, illustration and detailed description thereof are omitted.

システム制御部25は、少なくとも1つのプロセッサと主記憶装置とを備えるECU(Electronic Control Unit)によって構成される。システム制御部25は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって燃料電池スタック20の発電を制御するための種々の機能を発揮する。システム制御部25の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。システム制御部25は、燃料電池監視装置10の上位の制御部としても機能する。システム制御部25は、燃料電池スタック20の出力電流や、スタック電圧Vs、セル電圧Vc、インピーダンスなど、燃料電池監視装置10において計測される後述のパラメータを燃料電池スタック20の運転制御のために用いてもよい。 The system control unit 25 is configured by an ECU (Electronic Control Unit) including at least one processor and a main storage device. The system control unit 25 exerts various functions for controlling the power generation of the fuel cell stack 20 by executing the programs and instructions read by the processor into the main storage device. At least a part of the function of the system control unit 25 may be configured by a hardware circuit. The system control unit 25 also functions as a higher-level control unit of the fuel cell monitoring device 10. The system control unit 25 uses parameters, which will be described later, measured in the fuel cell monitoring device 10, such as the output current of the fuel cell stack 20, the stack voltage Vs, the cell voltage Vc, and the impedance, for operation control of the fuel cell stack 20. May be.

燃料ガス給排部30は、燃料ガスの供給系として、高圧タンク31と、供給配管32と、開閉弁33と、レギュレータ34と、インジェクタ35と、を備える。高圧タンク31は、高圧の燃料ガスを貯蔵する。供給配管32は、高圧タンク31と、エンドプレート22に設けられた燃料電池スタック20のアノード側のマニホールド入口と、を接続し、高圧タンク31内の燃料ガスを燃料電池スタック20に導く。開閉弁33とレギュレータ34とインジェクタ35とは、供給配管32に設けられている。システム制御部25は、開閉弁33の開閉を制御して、高圧タンク31から供給配管32への燃料ガスの流入を制御する。レギュレータ34は、インジェクタ35の上流側の圧力を調整する。インジェクタ35は、システム制御部25の制御下において、燃料ガスを燃料電池スタック20のアノード側に向けて噴射する。 The fuel gas supply/discharge unit 30 includes a high pressure tank 31, a supply pipe 32, an opening/closing valve 33, a regulator 34, and an injector 35 as a fuel gas supply system. The high-pressure tank 31 stores high-pressure fuel gas. The supply pipe 32 connects the high-pressure tank 31 and the anode-side manifold inlet of the fuel cell stack 20 provided on the end plate 22, and guides the fuel gas in the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 20. The on-off valve 33, the regulator 34, and the injector 35 are provided in the supply pipe 32. The system control unit 25 controls opening/closing of the opening/closing valve 33 to control the flow of fuel gas from the high-pressure tank 31 to the supply pipe 32. The regulator 34 adjusts the pressure on the upstream side of the injector 35. The injector 35 injects fuel gas toward the anode side of the fuel cell stack 20 under the control of the system controller 25.

燃料ガス給排部30は、さらに、燃料ガスの循環・排出系として、循環配管36と、循環ポンプ37と、排水配管38と、排水弁39と、を備える。循環配管36は、エンドプレート22に設けられた燃料電池スタック20のアノード側のマニホールド出口に接続されている。循環配管36には、循環ポンプ37が設けられている。燃料電池スタック20から排出されるアノード排ガスは、循環ポンプ37によって、循環配管36を通じて供給配管32へと送り出される。排水配管38は、図示しない気液分離器を介して、循環配管36に接続されている。排水配管38は、気液分離器においてアノード排ガスから分離され、貯留されている液体成分である排水を燃料電池車両の外部に排出する。排水弁39は排水配管38に設けられている。システム制御部25は、排水弁39の開閉を制御して、排水配管38からの排水の排出を制御する。 The fuel gas supply/discharge unit 30 further includes a circulation pipe 36, a circulation pump 37, a drain pipe 38, and a drain valve 39 as a fuel gas circulation/discharge system. The circulation pipe 36 is connected to a manifold outlet on the anode side of the fuel cell stack 20 provided on the end plate 22. The circulation pipe 36 is provided with a circulation pump 37. The anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack 20 is sent to the supply pipe 32 through the circulation pipe 36 by the circulation pump 37. The drainage pipe 38 is connected to the circulation pipe 36 via a gas-liquid separator (not shown). The drainage pipe 38 separates drainage, which is a liquid component stored in the gas-liquid separator from the anode exhaust gas, into the outside of the fuel cell vehicle. The drain valve 39 is provided in the drain pipe 38. The system control unit 25 controls opening/closing of the drain valve 39 to control drainage of drainage from the drainage pipe 38.

酸化剤ガス給排部40は、酸化剤ガスの供給系として、供給配管41と、コンプレッサ43と、を備える。供給配管41の一端は、エンドプレート22に設けられた燃料電池スタック20のカソード側のマニホールド入口に接続されており、他端は、図示しない燃料電池車両のエアインテークに接続されている。コンプレッサ43は、供給配管41に設けられており、システム制御部25の制御下において、酸化剤ガスである酸素を含有する空気を取り込んで圧縮し、燃料電池スタック20に供給する。 The oxidant gas supply/discharge unit 40 includes a supply pipe 41 and a compressor 43 as a supply system of the oxidant gas. One end of the supply pipe 41 is connected to a cathode-side manifold inlet of the fuel cell stack 20 provided on the end plate 22, and the other end is connected to an air intake (not shown) of a fuel cell vehicle. The compressor 43 is provided in the supply pipe 41, and under the control of the system control unit 25, takes in and compresses air containing oxygen, which is an oxidant gas, and supplies the compressed air to the fuel cell stack 20.

酸化剤ガス給排部40は、さらに、酸化剤ガスの排出系として、排出配管44と、背圧弁45と、を備える。排出配管44は、エンドプレート22に設けられた燃料電池スタック20のカソード側のマニホールド出口に接続されており、燃料電池スタック20から排出されるカソード排ガスを燃料電池車両の外部に導く。背圧弁45は、排出配管44に設けられている。システム制御部25は、背圧弁45の開度を制御して、燃料電池スタック20の背圧を調節する。 The oxidant gas supply/discharge unit 40 further includes a discharge pipe 44 and a back pressure valve 45 as an oxidant gas discharge system. The exhaust pipe 44 is connected to the manifold outlet on the cathode side of the fuel cell stack 20 provided on the end plate 22, and guides the cathode exhaust gas exhausted from the fuel cell stack 20 to the outside of the fuel cell vehicle. The back pressure valve 45 is provided in the discharge pipe 44. The system control unit 25 controls the opening degree of the back pressure valve 45 to adjust the back pressure of the fuel cell stack 20.

1−4.燃料電池監視装置の構成:
燃料電池監視装置10は、燃料電池監視装置10全体を制御する監視装置制御部11を備える。監視装置制御部11は、燃料電池スタック20を構成する燃料電池セル21における反応ガスの供給状態を監視する監視処理を実行する。監視装置制御部11は、少なくとも1つのプロセッサと、主記憶装置と、を備えるコンピュータによって構成される。監視装置制御部11は、システム制御部25を構成するECUの一部として構成されてもよい。監視装置制御部11は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって監視処理を実行するための種々の機能を発揮する。
1-4. Configuration of fuel cell monitoring device:
The fuel cell monitoring device 10 includes a monitoring device control unit 11 that controls the entire fuel cell monitoring device 10. The monitoring device control unit 11 executes a monitoring process of monitoring the supply state of the reaction gas in the fuel cells 21 forming the fuel cell stack 20. The monitoring device control unit 11 is configured by a computer including at least one processor and a main storage device. The monitoring device control unit 11 may be configured as a part of the ECU that configures the system control unit 25. The monitoring device control unit 11 exerts various functions for executing the monitoring process by executing the programs and instructions read by the processor on the main storage device.

監視装置制御部11は、監視処理を実行するための機能部として、インピーダンス計測部11iと、判定部11jと、を有する。インピーダンス計測部11iは、交流インピーダンス法により、監視対象である燃料電池セル21のそれぞれについて、インピーダンスの絶対値と位相角とを算出する。 The monitoring device control unit 11 has an impedance measurement unit 11i and a determination unit 11j as functional units for executing the monitoring process. The impedance measuring unit 11i calculates the absolute value of impedance and the phase angle for each of the fuel cells 21 to be monitored by the AC impedance method.

判定部11jは、インピーダンス計測部11iが算出したインピーダンスの絶対値と位相角とを用いて燃料電池セル21における反応ガスの供給量不足の発生の有無を判定する。ここでの「反応ガスの供給量不足」とは、燃料電池スタック20の目標発電量に対して理論的に必要とされる反応ガスの量に対して、酸化剤ガスと燃料ガスの少なくとも一方の実際の供給量が不足する状態を意味する。反応ガスの供給量不足は、多くの場合、一部の燃料電池セル21において、ガス流路63やガス流路63とマニホールドとを連結する流路が、燃料電池セル21内の液水によって閉塞されることによって生じる。インピーダンス計測部11iによるインピーダンスの計測処理や、判定部11jにおける判定処理の詳細については後述する。 The determination unit 11j determines whether or not the supply amount of the reaction gas in the fuel cell 21 is insufficient by using the absolute value of the impedance calculated by the impedance measurement unit 11i and the phase angle. The “insufficient supply amount of reaction gas” here means at least one of the oxidant gas and the fuel gas with respect to the amount of reaction gas theoretically required for the target power generation amount of the fuel cell stack 20. It means that the actual supply is insufficient. Insufficient supply of the reaction gas is often caused by blocking the gas passage 63 or the passage connecting the gas passage 63 and the manifold in some of the fuel cells 21 with the liquid water in the fuel cells 21. It is caused by being done. Details of the impedance measurement process by the impedance measurement unit 11i and the determination process by the determination unit 11j will be described later.

燃料電池監視装置10は、さらに、燃料電池スタック20のインピーダンスを計測するためのハードウェアとして、信号重畳部12と、電流計測部13と、スタック電圧計測部14と、セル電圧計測部15と、を備える。信号重畳部12は、交流電源を備え、監視装置制御部11のインピーダンス計測部11iの制御下において、燃料電池スタック20の出力電流に交流信号を重畳する。電流計測部13は、燃料電池スタック20の出力電流Isを計測し、監視装置制御部11に出力する。スタック電圧計測部14は、燃料電池スタック20全体の電圧であるスタック電圧Vsを計測して、監視装置制御部11に出力する。スタック電圧計測部14は省略されてもよい。セル電圧計測部15は、各燃料電池セル21の電圧であるセル電圧Vcを計測して、監視装置制御部11に出力する。 The fuel cell monitoring device 10 further includes a signal superimposing unit 12, a current measuring unit 13, a stack voltage measuring unit 14, a cell voltage measuring unit 15 as hardware for measuring the impedance of the fuel cell stack 20. Equipped with. The signal superimposing unit 12 includes an AC power supply and superimposes an AC signal on the output current of the fuel cell stack 20 under the control of the impedance measuring unit 11i of the monitoring device control unit 11. The current measuring unit 13 measures the output current Is of the fuel cell stack 20 and outputs it to the monitoring device control unit 11. The stack voltage measuring unit 14 measures the stack voltage Vs, which is the voltage of the entire fuel cell stack 20, and outputs it to the monitoring device control unit 11. The stack voltage measuring unit 14 may be omitted. The cell voltage measuring unit 15 measures the cell voltage Vc, which is the voltage of each fuel cell 21, and outputs it to the monitoring device control unit 11.

1−5.監視処理:
図3は、第1実施形態における監視処理のフローを示す説明図である。燃料電池監視装置10は、燃料電池スタック20の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。第1実施形態の監視処理では、予め定められた判定対象の燃料電池セル21について、反応ガスの供給量不足の発生の有無が判定される。
1-5. Monitoring process:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a flow of the monitoring process in the first embodiment. The fuel cell monitoring device 10 executes this monitoring process at a predetermined cycle while the fuel cell stack 20 is generating power. In the monitoring process of the first embodiment, it is determined whether or not the supply amount of the reaction gas is insufficient for the predetermined determination target fuel cells 21.

第1実施形態の監視処理において判定対象となるのは、燃料電池スタック20を構成する全ての燃料電池セル21である。他の実施形態では、燃料電池スタック20を構成するN個の燃料電池セル21のうち、任意のn個が判定対象として予め選択されていてもよい。N,nは、N>nを満たす任意の自然数である。なお、一部の燃料電池セル21のみを判定対象とする場合には、少なくとも、燃料電池スタック20の積層方向における端部に配置されている燃料電池セル21が判定対象に含まれていることが望ましい。端部に配置された燃料電池セル21は、ガス流路63に液水が溜まりやすく、反応ガスの供給量不足が発生しやすい傾向にあるためである。 In the monitoring process of the first embodiment, all of the fuel cells 21 that make up the fuel cell stack 20 are to be determined. In another embodiment, any n of the N fuel cells 21 forming the fuel cell stack 20 may be selected in advance as a determination target. N and n are arbitrary natural numbers that satisfy N>n. When only some of the fuel cells 21 are to be determined, at least the fuel cells 21 arranged at the ends of the fuel cell stack 20 in the stacking direction may be included in the determination. desirable. This is because the fuel cell 21 arranged at the end portion tends to accumulate liquid water in the gas flow path 63, and tends to cause insufficient supply of the reaction gas.

ステップS10では、インピーダンス計測部11iは、監視対象である燃料電池セル21のそれぞれについて、低周波の交流に対するインピーダンスの絶対値と、高周波の交流に対するインピーダンスの位相角と、を算出する。ここでの高周波および低周波は、相対的な周波数の高低を区別するための名称であり、一般的な意味での「低周波」や「高周波」とは異なる概念である。以下では、低周波の交流に対するインピーダンスの絶対値を「低周波絶対値」とも呼び、高周波の交流に対するインピーダンスの位相角を「高周波位相角」とも呼ぶ。 In step S10, the impedance measuring unit 11i calculates the absolute value of the impedance for low-frequency alternating current and the phase angle of the impedance for high-frequency alternating current for each of the fuel cells 21 to be monitored. The high frequency and the low frequency here are names for distinguishing relative high and low of the frequency, and are concepts different from “low frequency” and “high frequency” in a general sense. Below, the absolute value of the impedance for low-frequency alternating current is also referred to as “low-frequency absolute value”, and the phase angle of the impedance for high-frequency alternating current is also referred to as “high-frequency phase angle”.

インピーダンス計測部11iは、まず、燃料電池スタック20に、2つの交流信号を印加する。より具体的には、インピーダンス計測部11iは、信号重畳部12によって、燃料電池スタック20の出力電流に、低周波数fと高周波数fの交流信号を重畳させる。低周波数fは、例えば、18〜22Hzであり、高周波数fは、例えば、180〜220Hzである。インピーダンス計測部11iは、低周波数fと高周波数fの交流信号を同時に重畳させてもよいし、交互に重畳させてもよい。インピーダンス計測部11iは、信号重畳部12に、燃料電池スタック20が出力している電流の大きさに応じた正弦波交流の信号を重畳させる。重畳される交流の実効値は、例えば、燃料電池スタック20の出力電流の5〜10%程度としてよい。 The impedance measuring unit 11i first applies two AC signals to the fuel cell stack 20. More specifically, the impedance measuring unit 11i causes the signal superimposing unit 12 to superimpose an AC signal having a low frequency f L and a high frequency f H on the output current of the fuel cell stack 20. The low frequency f L is, for example, 18 to 22 Hz, and the high frequency f H is, for example, 180 to 220 Hz. The impedance measuring unit 11i may simultaneously superimpose the AC signals of the low frequency f L and the high frequency f H , or may alternately superimpose them. The impedance measuring unit 11i causes the signal superimposing unit 12 to superimpose a sine wave AC signal corresponding to the magnitude of the current output by the fuel cell stack 20. The effective value of the superimposed alternating current may be, for example, about 5 to 10% of the output current of the fuel cell stack 20.

インピーダンス計測部11iは、信号重畳部12が交流信号を重畳させている間に、セル電圧計測部15によって燃料電池セル21ごとの出力電圧波形を計測する。また、インピーダンス計測部11iは、電流計測部13によって燃料電池スタック20の出力電流波形を計測する。これによって取得されるセル電圧Vc、出力電流Isは、交流電流が重畳されたことによって発生する応答電流の電圧値・電流値である。インピーダンス計測部11iは、信号重畳部12によって重畳される交流電流の電流値と、セル電圧Vcと、を用いて、例えば高速フーリエ変換(FFT)法によって、低周波絶対値Zと、高周波位相角θと、を算出する。 The impedance measuring unit 11i measures the output voltage waveform of each fuel cell 21 by the cell voltage measuring unit 15 while the signal superimposing unit 12 superimposes the AC signal. Further, the impedance measuring unit 11i measures the output current waveform of the fuel cell stack 20 by the current measuring unit 13. The cell voltage Vc and the output current Is thus obtained are the voltage value/current value of the response current generated by superimposing the AC current. The impedance measuring unit 11i uses the current value of the alternating current superimposed by the signal superimposing unit 12 and the cell voltage Vc, for example, by a fast Fourier transform (FFT) method, to obtain a low frequency absolute value Z L and a high frequency phase. The angle θ H is calculated.

ステップS20は、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定する判定処理である。ステップS20では、判定部11jは、判定対象の燃料電池セル21ごとに、低周波絶対値Zが、予め決められた判定閾値Zs+αよりも大きいか否かを判定する。以下、判定閾値のうちのZsを「インピーダンス基準値Zs」とも呼ぶ。Zsは、反応ガスのストイキ比ごとに決められた値であり、そのストイキ比で反応ガスが燃料電池セル21に正常に供給されているときに計測されることが期待される低周波絶対値を示す基準値である。「反応ガスのストイキ比」とは、燃料電池スタック20の発電量に対して理論的に必要とされる反応ガスの供給量に対する実際の反応ガス供給量の比である。燃料電池セル21における反応ガスのストイキ比が1.0より小さいときが、当該燃料電池セル21において反応ガスの供給量不足が発生しているときである。第1実施形態では、判定閾値Zs+αは、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定するための第1閾値である。 Step S20 is a determination process of determining whether or not the supply amount of the fuel gas is insufficient. In step S20, the determination unit 11j determines whether or not the low-frequency absolute value Z L is greater than a predetermined determination threshold Zs+α for each determination target fuel cell 21. Hereinafter, Zs of the determination thresholds is also referred to as “impedance reference value Zs”. Zs is a value determined for each stoichiometric ratio of the reaction gas, and is a low frequency absolute value expected to be measured when the reaction gas is normally supplied to the fuel cell 21 at the stoichiometric ratio. It is the reference value shown. The “reaction gas stoichiometric ratio” is the ratio of the actual reaction gas supply amount to the reaction gas supply amount that is theoretically required for the power generation amount of the fuel cell stack 20. The time when the stoichiometric ratio of the reaction gas in the fuel cell 21 is smaller than 1.0 is when the supply amount of the reaction gas is insufficient in the fuel cell 21. In the first embodiment, the determination threshold Zs+α is the first threshold for determining whether or not the supply amount of the fuel gas is insufficient.

酸化剤ガスの供給量が不足していない状態において、燃料ガスの供給量不足が生じると、不足するプロトンを補うために、カソード側においてカーボンの酸化反応が生じ、反応抵抗が増大する。そのため、この場合には、燃料ガスと酸化剤ガスの両方ともが不足していない正常状態のときよりZが増大する。そこで、ステップS20では、判定部11jは、Z>Zs+αの関係が満たされる燃料電池セル21に、燃料ガスのみの供給量不足が生じていると判定する。判定閾値Zs+αのうちのαは、予め実験により定められた正の実数値であり、燃料ガスの供給量不足が生じていないことが想定されるインピーダンス基準値Zsに対するプラス側の許容範囲を規定する。 When the supply amount of the fuel gas is insufficient while the supply amount of the oxidant gas is not insufficient, an oxidation reaction of carbon occurs on the cathode side to compensate for the insufficient proton, and the reaction resistance increases. Therefore, in this case, Z L increases compared to the normal state where neither the fuel gas nor the oxidant gas is insufficient. Therefore, in step S20, the determination unit 11j determines that the fuel cell 21 that satisfies the relationship of Z L >Zs+α has an insufficient supply amount of only the fuel gas. Α of the determination threshold value Zs+α is a positive real value determined in advance by an experiment, and defines an allowable range on the plus side with respect to the impedance reference value Zs which is assumed not to cause a shortage of the supply amount of the fuel gas. ..

ステップS20で燃料ガスのみの供給量不足が生じていると判定された燃料電池セル21がある場合には、ステップS25において、燃料ガスの不足を解消するための処理が実行される。具体的には、監視装置制御部11は、システム制御部25に、燃料ガスの供給量を現在よりも増加させる処理の実行を依頼する。ステップS20で燃料ガスのみの供給量不足が生じていると判定された燃料電池セル21がなかった場合、または、ステップS25の処理が実行された後には、判定部11jは、ステップS30の判定をおこなう。 If there is a fuel cell 21 that has been determined to have an insufficient supply amount of only fuel gas in step S20, a process for eliminating the shortage of fuel gas is executed in step S25. Specifically, the monitoring device control unit 11 requests the system control unit 25 to execute the process of increasing the supply amount of the fuel gas from the present amount. If there is no fuel battery cell 21 for which it is determined that the supply amount of only the fuel gas is insufficient in step S20, or after the process of step S25 is executed, the determination unit 11j determines the determination of step S30. Do it.

ステップS30は、酸化剤ガスの供給量不足の発生の有無を判定する判定処理である。ステップS30では、判定部11jは、判定対象の燃料電池セル21ごとに、インピーダンスの絶対値Zが、判定閾値Zs−βより小さいか否かを判定する。燃料ガスの供給量が不足していない状態において、酸化剤ガスが不足していると、カソード側に移動したプロトンの酸化還元反応が生じることによって、反応抵抗が低下する。そのため、燃料ガスと酸化剤ガスの両方ともが不足していない正常状態のときよりもZは低下する。そこで、ステップS30では、判定部11jは、Z<Zs−βの関係が満たされる燃料電池セル21に、酸化剤ガスのみの供給量不足が生じていると判定する。判定閾値Zs−βのうちのβは、予め実験的に定められた正の実数値であり、酸化剤ガスの供給量不足が生じていないことが想定されるインピーダンス基準値Zsに対するマイナス側の許容範囲を規定する。 Step S30 is a determination process for determining whether or not the supply amount of the oxidizing gas is insufficient. In step S30, the determination unit 11j determines whether or not the absolute value Z L of the impedance is smaller than the determination threshold value Zs−β for each fuel cell 21 to be determined. When the oxidant gas is insufficient in the state where the supply amount of the fuel gas is not insufficient, the oxidation-reduction reaction of the protons moved to the cathode side occurs, so that the reaction resistance decreases. Therefore, Z L is lower than in the normal state where neither the fuel gas nor the oxidant gas is insufficient. Therefore, in step S30, the determination unit 11j determines that the supply amount of only the oxidant gas is insufficient in the fuel cells 21 satisfying the relationship of Z L <Zs−β. Β of the determination threshold value Zs−β is a positive real value that has been experimentally determined in advance, and is on the negative side with respect to the impedance reference value Zs that is assumed not to cause insufficient supply of the oxidizing gas. Specify the range.

ステップS30で酸化剤ガスのみの供給量不足が生じていると判定された燃料電池セル21がある場合には、ステップS35において、酸化剤ガスの不足を解消するための処理が実行される。具体的に、監視装置制御部11は、システム制御部25に、酸化剤ガスの供給量を現在よりも増加させる処理の実行を依頼する。ステップS35の処理の実行後には、判定部11jは、監視処理を終了する。ステップS30において、Z<Zs−βの関係が満たされる燃料電池セル21がなかった場合には、判定部11jは、ステップS40の判定をおこなう。 If there is a fuel cell 21 in which it is determined in step S30 that the supply amount of only the oxidant gas is insufficient, a process for eliminating the deficiency of the oxidant gas is executed in step S35. Specifically, the monitoring device control unit 11 requests the system control unit 25 to execute the process of increasing the supply amount of the oxidant gas from the present amount. After executing the process of step S35, the determination unit 11j ends the monitoring process. In step S30, when there is no fuel battery cell 21 satisfying the relationship of Z L <Zs−β, the determination unit 11j performs the determination in step S40.

ステップS40は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足の発生の有無を判定する判定処理である。ステップS40では、判定部11jは、判定対象の燃料電池セル21ごとに、高周波位相角θが、判定閾値θs−γより小さいか否かを判定する。高周波位相角θは負の値であるため、ステップS40の判定は、高周波位相角θが、判定閾値θs−γよりマイナス側に大きいか否かを判定していると言い換えてもよい。位相角基準値θsは、反応ガスのストイキ比ごとに決められた値であり、そのストイキ比で反応ガスが燃料電池セル21に正常に供給されているときに計測されることが期待される高周波位相角を示す基準値である。ステップS40の判定閾値θs−γは、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定するための第2閾値である。γは、予め実験的に定められた正の実数値であり、位相角基準値θsに対するマイナス側の許容範囲を規定する。 Step S40 is a determination process for determining whether or not the supply amounts of the fuel gas and the oxidant gas are insufficient. In step S40, the determination unit 11j determines whether or not the high frequency phase angle θ H is smaller than the determination threshold θs−γ for each fuel cell 21 to be determined. Since the high frequency phase angle θ H is a negative value, the determination in step S40 may be restated as determining whether the high frequency phase angle θ H is larger than the determination threshold θs−γ on the negative side. The phase angle reference value θs is a value determined for each stoichiometric ratio of the reaction gas, and the high frequency expected to be measured when the reaction gas is normally supplied to the fuel cell 21 at the stoichiometric ratio. It is a reference value indicating a phase angle. The determination threshold value θs−γ in step S40 is a second threshold value for determining whether or not the supply amount of the fuel gas is insufficient. γ is a positive real value that is experimentally determined in advance, and defines a negative side allowable range with respect to the phase angle reference value θs.

ステップS40では、θ<θs−γの関係を満たす燃料電池セル21がある場合に、判定部11jは、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が燃料電池スタック20の目標発電量に対して不足していると判定する。この理由については後述する。θ<θs−γの関係を満たす燃料電池セル21がある場合には、監視装置制御部11は、ステップS45において、システム制御部25に、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量を現在よりも増加させる処理の実行を依頼する。ステップS45の実行後、監視装置制御部11は、監視処理を終了する。 In step S40, when there is the fuel battery cell 21 that satisfies the relationship of θ H <θs−γ, the determination unit 11j determines that the supply amount of both the fuel gas and the oxidant gas is the target power generation amount of the fuel cell stack 20. It is determined to be insufficient. The reason for this will be described later. If there is a fuel battery cell 21 that satisfies the relationship of θ H <θs−γ, the monitoring device control unit 11 notifies the system control unit 25 of the current supply amounts of both the fuel gas and the oxidant gas in step S45. Request execution of a process to increase the number. After performing step S45, the monitoring device control unit 11 ends the monitoring process.

図4は、燃料電池スタック20に対する燃料ガスと酸化剤ガスのストイキ比を変化させたときの低周波絶対値Zと高周波位相角θの変化を検証した実験結果を示す説明図である。図4の上段には、酸化剤ガスおよび燃料ガスのストイキ比の時間変化を示すグラフが図示されている。このストイキ比のグラフでは、燃料ガスの時間変化が実線で示され、酸化剤ガスの時間変化が破線で示されている。図4の中段には、低周波絶対値Zの時間変化を示すグラフが図示されている。この低周波絶対値Zのグラフには、ステップS20およびステップS30の判定閾値に含まれるインピーダンス基準値Zsとα,βで規定される許容範囲が例示されている。図4の下段には、高周波位相角θの時間変化を示すグラフが図示されている。このグラフでは、高周波位相角θの値を示す縦軸は、マイナス方向を示している。この高周波位相角θのグラフには、ステップS40の判定閾値に含まれる位相角基準値θsと、γで規定される許容範囲が例示されている。図4におけるストイキ比、低周波絶対値Z、および、高周波位相角θの各グラフの時間軸は対応している。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing experimental results for verifying changes in the low frequency absolute value Z L and the high frequency phase angle θ H when the stoichiometric ratio of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell stack 20 is changed. In the upper part of FIG. 4, a graph showing the time variation of the stoichiometric ratio of the oxidant gas and the fuel gas is shown. In this stoichiometric ratio graph, the time change of the fuel gas is shown by the solid line, and the time change of the oxidant gas is shown by the broken line. In the middle part of FIG. 4, a graph showing the change over time of the low frequency absolute value Z L is shown. The graph of the low frequency absolute value Z L exemplifies the allowable range defined by the impedance reference value Zs and α, β included in the determination thresholds in step S20 and step S30. In the lower part of FIG. 4, a graph showing the time variation of the high frequency phase angle θ H is shown. In this graph, the vertical axis indicating the value of the high frequency phase angle θ H indicates the negative direction. The graph of the high frequency phase angle θ H illustrates the phase angle reference value θs included in the determination threshold value in step S40 and the allowable range defined by γ. The time axes of the respective graphs of the stoichiometric ratio, the low frequency absolute value Z L , and the high frequency phase angle θ H in FIG. 4 correspond to each other.

図4のグラフは、次のような実験において得られた。この実験では、まず、1または複数の燃料電池セル21に、燃料ガスと酸化剤ガスの両方のストイキ比が1.0より大きく、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足していない正常状態で発電を開始させた。その後、セル電圧Vcが0Vまで低下するまで、酸化剤ガスのストイキ比を段階的に徐々に低下させた。次に、セル電圧Vcが0Vまで低下した後に、酸化剤ガスのストイキ比を1.0より小さい値で一定に保ちつつ、燃料ガスのストイキ比を段階的に徐々に低下させていき、セル電圧Vcが−0.2V付近になった時点で実験を終了した。 The graph of FIG. 4 was obtained in the following experiment. In this experiment, first, the stoichiometric ratio of both the fuel gas and the oxidant gas is greater than 1.0 and the supply amount of both the fuel gas and the oxidant gas is not insufficient for one or more fuel cells 21. Power generation was started in a normal state. After that, the stoichiometric ratio of the oxidant gas was gradually decreased in stages until the cell voltage Vc decreased to 0V. Next, after the cell voltage Vc is reduced to 0V, the stoichiometric ratio of the fuel gas is gradually reduced while maintaining the stoichiometric ratio of the oxidant gas at a value smaller than 1.0. The experiment was terminated when Vc became around -0.2V.

正常状態では、低周波絶対値Zおよび高周波位相角θはそれぞれ、基準値Zs,θs付近でほぼ一定である。燃料ガスのストイキ比が1.0より大きい状態で、酸化剤ガスのストイキ比が1.0より低下すると、低周波絶対値Zは階段状に急激に低下し、逆に、高周波位相角θは階段状に急激に上昇する。これは、酸化剤ガスの供給量のみが不足することによって、カソードにおいて上述したプロトンの酸化還元反応が起こるためである。よって、低周波絶対値Zが、インピーダンス基準値Zsに対して許容範囲を超えて小さくなっているとき、つまり、ステップS30の判定閾値Zs−βより小さくなっているときには、酸化剤ガスの供給量のみが不足していると判定することができる。なお、図4のグラフに示されているように、βは、判定閾値Zs−βが、燃料ガスのストイキ比が1.0より大きく、酸化剤ガスのストイキ比が1.0〜1.2の間であるときの低周波絶対値に相当する値になるように設定されることが望ましい。 In the normal state, the low frequency absolute value Z L and the high frequency phase angle θ H are substantially constant near the reference values Zs and θs, respectively. When the stoichiometric ratio of the fuel gas is higher than 1.0 and the stoichiometric ratio of the oxidant gas is lower than 1.0, the low frequency absolute value Z L sharply decreases stepwise, and conversely, the high frequency phase angle θ H rises sharply in steps. This is because the above-described redox reaction of the protons occurs at the cathode due to insufficient supply of only the oxidizing gas. Therefore, when the low frequency absolute value Z L is smaller than the allowable range with respect to the impedance reference value Zs, that is, when it is smaller than the determination threshold value Zs-β in step S30, the supply of the oxidant gas is performed. It can be determined that only the quantity is insufficient. As shown in the graph of FIG. 4, β has a determination threshold value Zs-β of which the stoichiometric ratio of the fuel gas is larger than 1.0 and the stoichiometric ratio of the oxidant gas is 1.0 to 1.2. It is desirable that the value be set to a value corresponding to the absolute value of the low frequency when it is between.

酸化剤ガスのストイキ比が1.0より小さく、その供給量が不足している状態で、燃料ガスのストイキ比が1.0より低下すると、低周波絶対値Zは、縦軸に対して鋭角な角度で急激に上昇する。これは、上述したように、カソード側においてカーボンの酸化反応が生じ、反応抵抗が正常状態のときよりも増大するためである。このことは、低周波絶対値Zが、ステップS20での判定閾値Zs+αよりも低い状態であっても、酸化剤ガスの供給量が不足している状態では、燃料ガスの供給量が不足する状態になっている場合があることを示している。 When the stoichiometric ratio of the oxidant gas is smaller than 1.0 and the supply amount thereof is insufficient and the stoichiometric ratio of the fuel gas is lower than 1.0, the low frequency absolute value Z L is plotted against the vertical axis. It sharply rises at an acute angle. This is because, as described above, the oxidation reaction of carbon occurs on the cathode side, and the reaction resistance increases more than in the normal state. This means that even if the low frequency absolute value Z L is lower than the determination threshold value Zs+α in step S20, the supply amount of the fuel gas is insufficient when the supply amount of the oxidant gas is insufficient. It indicates that it may be in a state.

一方、高周波位相角θは、酸化剤ガスの供給量が不足している状態で、燃料ガスのストイキ比が1.0に到達すると、位相角基準値θsを越えて急激に低下する。よって、高周波位相角θが、位相角基準値θsに対して許容範囲を超えて小さくなっているとき、つまり、ステップS40の判定閾値θs−γより小さくなっているときには、酸化剤ガスの供給量と燃料ガスの供給量とがともに不足していると判定することができる。なお、図4のグラフに示されているように、γは、判定閾値θs−γの値が、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれのストイキ比が0.9〜1.0の間であるときの高周波位相角に相当する値になるように設定されることが望ましい。 On the other hand, when the stoichiometric ratio of the fuel gas reaches 1.0 while the supply amount of the oxidant gas is insufficient, the high frequency phase angle θ H exceeds the phase angle reference value θs and sharply decreases. Therefore, when the high frequency phase angle θ H is smaller than the allowable range of the phase angle reference value θs, that is, when it is smaller than the determination threshold value θs−γ in step S40, the supply of the oxidant gas is performed. It can be determined that both the amount and the supply amount of the fuel gas are insufficient. As shown in the graph of FIG. 4, γ is when the determination threshold value θs−γ is such that the stoichiometric ratios of the fuel gas and the oxidant gas are between 0.9 and 1.0. It is desirable to set the value to correspond to the high frequency phase angle of.

ここで、燃料ガスの供給量不足は、触媒層54に含まれるカーボンの酸化に起因する触媒の離脱や、触媒の凝集による反応面積の減少など、触媒層54において不可逆に進行する劣化の原因となる。第1実施形態の監視処理によれば、低周波絶対値Zのみの判定で燃料ガスの供給量不足が検出されない場合であっても、高周波位相角θを用いた判定によって、燃料ガスの供給量不足を検出し、その対策を早期に図ることができる。よって、燃料ガスの供給量不足が検出されないまま、触媒層54において触媒の不可逆な劣化が進行してしまうことを抑制できる。 Here, the insufficient supply amount of the fuel gas is a cause of irreversible deterioration in the catalyst layer 54, such as separation of the catalyst due to oxidation of carbon contained in the catalyst layer 54 and reduction of the reaction area due to aggregation of the catalyst. Become. According to the monitoring process of the first embodiment, even if the shortage of the supply amount of the fuel gas is not detected by the determination of the low frequency absolute value Z L only, the determination of the fuel gas of the fuel gas is performed by the determination using the high frequency phase angle θ H. The supply shortage can be detected and countermeasures can be taken early. Therefore, it is possible to suppress the irreversible deterioration of the catalyst in the catalyst layer 54 without the insufficient supply of the fuel gas being detected.

1−6.第1実施形態のまとめ:
以上のように、第1実施形態の燃料電池監視装置10によれば、低周波絶対値Zと高周波位相角θとを用いて、燃料ガスの供給量が酸化剤ガスの供給量とともに不足している状態を検出することができる。よって、燃料電池セル21に対する反応ガスの供給量不足の状態を高い精度で検出することができる。また、例えば、燃料電池スタック20の発電効率の低下や、上述した触媒の劣化など、燃料電池セル21における燃料ガスの供給量不足の発生に起因する不具合の発生を抑制することができる。
1-6. Summary of the first embodiment:
As described above, according to the fuel cell monitoring device 10 of the first embodiment, the supply amount of the fuel gas is insufficient together with the supply amount of the oxidant gas by using the low frequency absolute value Z L and the high frequency phase angle θ H. It is possible to detect the running state. Therefore, it is possible to detect with high accuracy the insufficient supply amount of the reaction gas to the fuel cell 21. Further, for example, it is possible to suppress the occurrence of defects caused by the insufficient supply amount of the fuel gas in the fuel cell 21, such as the decrease in the power generation efficiency of the fuel cell stack 20 and the deterioration of the catalyst described above.

2.第2実施形態:
図5は、第2実施形態での監視処理のフローを示す説明図である。第2実施形態の監視処理は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置10において実行される。燃料電池監視装置10は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム100に搭載されている。第2実施形態の監視処理のフローは、ステップS30の判定処理の後にステップS32の判定処理が追加されている点以外は、第1実施形態の監視処理とほぼ同じである。
2. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a flow of monitoring processing in the second embodiment. The monitoring process of the second embodiment is executed by the fuel cell monitoring device 10 having the same configuration as described in the first embodiment. The fuel cell monitoring device 10 is mounted on the fuel cell system 100 having the same configuration as described in the first embodiment. The flow of the monitoring process of the second embodiment is almost the same as the monitoring process of the first embodiment, except that the determination process of step S32 is added after the determination process of step S30.

以下に説明するように、第2実施形態の監視処理では、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態が検出される条件が追加されている。第2実施形態の監視処理では、ステップS30においてZ<Zs−βの関係が満たされていると判定されたとき、ステップS32の判定処理がおこなわれる。ステップS32は、高周波位相角θを用いて、酸化剤ガスの供給量のみの不足であるのか、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量の不足であるのかを判定する判定処理である。具体的には、ステップS32では、判定部11jは、高周波位相角θが、判定閾値θs+δより小さいか否か、つまり、高周波位相角θが、判定閾値θs+δよりマイナス側に大きいか否かを判定する。δは、高周波位相角θが位相角基準値θsに到達するよりも前の段階で、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態を検出できるように、予め実験的に定められた正の実数値である。第2実施形態では、ステップS40の判定閾値θs−γは、ステップS32の判定閾値θs+δとともに、燃料ガスの供給量不足の発生の有無を判定するための第2閾値としての機能を有する。 As described below, in the monitoring process of the second embodiment, a condition for detecting a state in which the supply amounts of both the fuel gas and the oxidant gas are insufficient is added. In the monitoring process of the second embodiment, when it is determined in step S30 that the relationship of Z L <Zs−β is satisfied, the determination process of step S32 is performed. Step S32 is a determination process using the high frequency phase angle θ H to determine whether the supply amount of the oxidizing gas is insufficient or the supply amounts of the fuel gas and the oxidizing gas are insufficient. Specifically, in step S32, the determination unit 11j are high frequency phase angle theta H is, the determination threshold [theta] s + [delta] whether the difference is less than, i.e., high frequency phase angle theta H is greater or not to the negative side than the decision threshold [theta] s + [delta] To judge. δ is an experimental value that can be detected in advance so that the state where the supply amount of both the fuel gas and the oxidant gas is insufficient is detected before the high-frequency phase angle θ H reaches the phase angle reference value θs. It is a positive real value defined in. In the second embodiment, the determination threshold θs−γ in step S40 has a function as a second threshold for determining whether or not the supply amount of the fuel gas is insufficient in addition to the determination threshold θs+δ in step S32.

ステップS32では、θ<θs+δの関係が満たされる場合に、判定部11jは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が不足していると判定する。この場合には、監視装置制御部11は、第1実施形態で説明したステップS45の燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足を解消するための処理を実行する。ステップS32において、θ<θs+δの関係が満たされない場合には、判定部11jは、酸化剤ガスの供給量のみが不足していると判定する。この場合には、監視装置制御部11は、第1実施形態で説明したステップS35の酸化剤ガスの供給量不足を解消するための処理を実行する。 In step S32, when the relationship of θ H <θs+δ is satisfied, the determination unit 11j determines that the supply amounts of the fuel gas and the oxidant gas are insufficient. In this case, the monitoring device control unit 11 executes the process for eliminating the insufficient supply amount of the fuel gas and the oxidizing gas in step S45 described in the first embodiment. When the relationship of θ H <θs+δ is not satisfied in step S32, the determination unit 11j determines that only the supply amount of the oxidizing gas is insufficient. In this case, the monitoring device control unit 11 executes the process for eliminating the insufficient supply amount of the oxidant gas in step S35 described in the first embodiment.

図6は、ステップS32での判定閾値θs+δを説明するための説明図である。図6は、δが例示され、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足が検出される範囲が追加されている点以外は、第1実施形態で参照した図4とほぼ同じである。 FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the determination threshold value θs+δ in step S32. FIG. 6 is substantially the same as FIG. 4 referred to in the first embodiment, except that δ is illustrated and a range in which the shortage of the supply amounts of the fuel gas and the oxidant gas is detected is added.

酸化剤ガスのストイキ比が1.0より小さく、酸化剤ガスの供給量が不足している状態において、燃料ガスのストイキ比を1.0より大きい値から低下させていくと、燃料ガスのストイキ比が1.0になる手前の段階で高周波位相角θは低下し始める。燃料ガスのストイキ比が1.0で維持されている間、高周波位相角θは、燃料ガスのストイキ比が1.0より小さいときよりも緩やかに低下していく。これは、高周波位相角θの低下を生じさせるカソード側でのカーボンの酸化反応が起こる場が徐々に広がっていくためであると考えられる。このことは、高周波位相角θが第2閾値のひとつであるθs−γより小さくなっている状態では、燃料電池セル21のカソード側において、燃料ガスの供給量不足によるカーボンの酸化反応が著しく進行している可能性があることを示している。 When the stoichiometric ratio of the oxidant gas is less than 1.0 and the supply amount of the oxidant gas is insufficient, when the stoichiometric ratio of the fuel gas is decreased from a value greater than 1.0, the stoichiometric ratio of the fuel gas is reduced. The high-frequency phase angle θ H begins to decrease before the ratio reaches 1.0. While the stoichiometric ratio of the fuel gas is maintained at 1.0, the high frequency phase angle θ H decreases more gently than when the stoichiometric ratio of the fuel gas is less than 1.0. It is considered that this is because the field where the oxidation reaction of carbon on the cathode side, which causes the decrease of the high frequency phase angle θ H , occurs gradually expands. This means that in the state where the high frequency phase angle θ H is smaller than θs−γ which is one of the second threshold values, the carbon oxidation reaction due to the insufficient supply of the fuel gas is remarkable on the cathode side of the fuel cell unit 21. It indicates that it may be in progress.

第2実施形態の監視処理によれば、高周波位相角が、ステップS40での判定閾値θs−γより小さくなくても、ステップS32で、θH<θs+δの関係が満たされたときに、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が不足している状態が検出される。よって、第1実施形態のときよりも、より早期の段階で、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量不足を検出することができるため、より早期に、燃料ガスの供給量不足を解消するための対応措置をとることができる。なお、図6に示すように、δは、判定閾値θs+δが、酸化剤ガスのストイキ比が1.0より小さく、燃料ガスのストイキ比が1.0であるときの高周波位相角に相当する値になるように設定されることが望ましい。 According to the monitoring process of the second embodiment, even if the high frequency phase angle is not smaller than the determination threshold value θs−γ in step S40, when the relationship of θH<θs+δ is satisfied in step S32, it is determined that the fuel gas A state where the supply amount of the oxidizing gas is insufficient is detected. Therefore, the supply amount shortage of the fuel gas and the oxidant gas can be detected at an earlier stage than that in the first embodiment, so that the supply amount shortage of the fuel gas can be eliminated earlier. Response measures can be taken. As shown in FIG. 6, δ is a value corresponding to the high frequency phase angle when the determination threshold θs+δ is such that the stoichiometric ratio of the oxidant gas is smaller than 1.0 and the stoichiometric ratio of the fuel gas is 1.0. It is desirable to be set so that

以上のように、第2実施形態の監視処理を実行する燃料電池監視装置10によれば、燃料ガスと酸化剤ガスの両方の供給量が不足している状態が検出される高周波位相角θの範囲が拡大されている。そのため、より早い段階で、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量が不足している状態を検出することができる。その他に、第2実施形態の燃料電池監視装置10によれば、上記の第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。 As described above, according to the fuel cell monitoring apparatus 10 that executes the monitoring process of the second embodiment, the high frequency phase angle θ H at which the state where the supply amounts of both the fuel gas and the oxidant gas are insufficient is detected. The range has been expanded. Therefore, it is possible to detect an insufficient supply amount of the fuel gas and the oxidant gas at an earlier stage. In addition, according to the fuel cell monitoring device 10 of the second embodiment, it is possible to achieve various operational effects similar to those described in the first embodiment.

3.その他:
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
3. Other:
In the above embodiment, some or all of the functions and processes realized by software may be realized by hardware. Further, some or all of the functions and processing realized by hardware may be realized by software. As the hardware, for example, various circuits such as an integrated circuit, a discrete circuit, or a circuit module in which those circuits are combined can be used.

本開示の技術は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、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ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると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 technology of the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, examples, and modified examples, and can be implemented with various configurations without departing from the spirit of the invention. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each mode described in the section of the outline of the invention are to solve some or all of the above problems, or In order to achieve some or all of the above-mentioned effects, it is possible to appropriately replace or combine them. Further, the technical features are not limited to those described as not essential in the present specification, and may be appropriately deleted if the technical features are not described as essential in the present specification. Is possible.

10…燃料電池監視装置、11…監視装置制御部、11i…インピーダンス計測部、11j…判定部、12…信号重畳部、13…電流計測部、14…スタック電圧計測部、15…セル電圧計測部、20…燃料電池スタック、21…燃料電池セル、22…エンドプレート、23…集電板、24…絶縁板、25…システム制御部、30…燃料ガス給排部、31…高圧タンク、32…供給配管、33…開閉弁、34…レギュレータ、35…インジェクタ、36…循環配管、37…循環ポンプ、38…排水配管、39…排水弁、40…酸化剤ガス給排部、41…供給配管、43…コンプレッサ、44…排出配管、45…背圧弁、50…膜電極接合体、51…電解質膜、52…第1電極、53…第2電極、54…触媒層、55…ガス拡散層、61…第1セパレータ、62…第2セパレータ、63…ガス流路、64…冷媒流路、100…燃料電池システム、200…外部負荷、Zs…インピーダンス基準値、θs…位相角基準値θ 10... Fuel cell monitoring device, 11... Monitoring device control unit, 11i... Impedance measuring unit, 11j... Judgment unit, 12... Signal superimposing unit, 13... Current measuring unit, 14... Stack voltage measuring unit, 15... Cell voltage measuring unit , 20... Fuel cell stack, 21... Fuel cell, 22... End plate, 23... Current collecting plate, 24... Insulating plate, 25... System control unit, 30... Fuel gas supply/discharge unit, 31... High pressure tank, 32... Supply pipe, 33... Open/close valve, 34... Regulator, 35... Injector, 36... Circulation pipe, 37... Circulation pump, 38... Drain pipe, 39... Drain valve, 40... Oxidizing gas supply/discharge section, 41... Supply pipe, 43... Compressor, 44... Exhaust pipe, 45... Back pressure valve, 50... Membrane electrode assembly, 51... Electrolyte membrane, 52... First electrode, 53... Second electrode, 54... Catalyst layer, 55... Gas diffusion layer, 61 ... 1st separator, 62... 2nd separator, 63... Gas channel, 64... Refrigerant channel, 100... Fuel cell system, 200... External load, Zs... Impedance reference value, θs... Phase angle reference value θ

Claims (1)

燃料電池スタックが備える複数の燃料電池セルにおける酸化剤ガスと燃料ガスの供給状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに2つの周波数の交流信号を印加して、相対的に低い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの絶対値と、相対的に高い周波数の交流信号に対する前記燃料電池セルのインピーダンスの位相角と、を算出するインピーダンス計測部と、
前記インピーダンスの絶対値が予め決められた第1閾値よりも大きい前記燃料電池セル、あるいは、前記インピーダンスの絶対値が前記第1閾値よりも小さく、かつ、前記インピーダンスの位相角が予め決められた第2閾値よりもマイナス側に大きい前記燃料電池セルに、前記燃料ガスの供給量の不足が生じていると判定する判定部と、
を備える、燃料電池監視装置。
A fuel cell monitoring device for monitoring a supply state of an oxidant gas and a fuel gas in a plurality of fuel cell units included in a fuel cell stack,
By applying an AC signal of two frequencies to the fuel cell stack, the absolute value of the impedance of the fuel cell with respect to the AC signal of the relatively low frequency and the absolute value of the impedance of the fuel cell with respect to the AC signal of the relatively high frequency. An impedance phase angle, and an impedance measurement unit that calculates,
The fuel cell in which the absolute value of the impedance is larger than a predetermined first threshold value, or the absolute value of the impedance is smaller than the first threshold value and the phase angle of the impedance is predetermined. A determination unit that determines that the supply amount of the fuel gas is insufficient in the fuel cells that are larger than the threshold value to the negative side;
And a fuel cell monitoring device.
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