JP2022138351A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022138351A JP2022138351A JP2021038189A JP2021038189A JP2022138351A JP 2022138351 A JP2022138351 A JP 2022138351A JP 2021038189 A JP2021038189 A JP 2021038189A JP 2021038189 A JP2021038189 A JP 2021038189A JP 2022138351 A JP2022138351 A JP 2022138351A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- electrolyte membrane
- ions
- control unit
- time constant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 222
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 176
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 172
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 119
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 79
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 71
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 claims abstract description 67
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 50
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 81
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 52
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims description 44
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 42
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 32
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 30
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 8
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 7
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 150000001785 cerium compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000002144 chemical decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 2
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 1
- 238000000908 micropen lithography Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04664—Failure or abnormal function
- H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04895—Current
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04895—Current
- H01M8/04902—Current of the individual fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04895—Current
- H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
- H01M8/04952—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
Abstract
Description
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層(GDL、以下単に拡散層と記載する場合がある)が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素(H2)が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素(O2)は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
例えば特許文献1では、従来のような装置を別途用意することなく、電解質膜の劣化状態を判定する燃料電池システムが開示されている。
上記特許文献1は、電圧応答性から電解質膜の劣化を診断するものであり、燃料電池の電圧が初期からどれだけ落ちたかに着目をしている。そのため、特許文献1の技術は電解質膜の劣化の進行により電解質ポリマーのスルホン酸基が分解し、電解質膜の抵抗が増加することよって発電性能が低下してからでないと電解質膜の劣化診断が出来ない。このように電解質ポリマーそのものの劣化を見る手法では、劣化が顕著に進行した際には有効だが、劣化の初期での検知が困難である。そのため、電解質膜の劣化の進行が顕著になる前に電解質膜の劣化診断が可能な技術が望まれている。
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス系と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の初期の運転時における所定の出力電流値増加条件で前記燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる前記燃料電池の電圧の第1過渡応答波形から導き出される初期時定数τ0を予め記憶し、
前記制御部は、所定の前記出力電流値増加条件で前記燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる前記燃料電池の電圧の第2過渡応答波形と、前記燃料電池の電解質膜に含まれる金属イオンの量との関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、所定の時期に前記燃料電池の電解質膜劣化診断を行い、
前記制御部は、前記電解質膜劣化診断において、前記第2過渡応答波形から導き出される時定数τを取得し、
前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいと判定した場合に、前記第2過渡応答波形を前記データ群と照らし合わせて前記金属イオンの量を推定し、
前記制御部は、推定した前記金属イオンの量が所定の閾値の範囲内であるか否か判定し、
前記制御部は、推定した前記金属イオンの量が所定の閾値の範囲外であると判定した場合に前記電解質膜が劣化していると診断する。
前記制御部は、推定した前記Feイオンの量が所定の閾値を超えるか否か判定し、
前記制御部は、推定した前記Feイオンの量が所定の閾値を超えると判定した場合に前記電解質膜が劣化していると診断してもよい。
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス系と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の初期の運転時における所定の出力電流値増加条件で前記燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる前記燃料電池の電圧の第1過渡応答波形から導き出される初期時定数τ0を予め記憶し、
前記制御部は、所定の前記出力電流値増加条件で前記燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる前記燃料電池の電圧の第2過渡応答波形と、前記燃料電池の電解質膜に含まれる金属イオンの量との関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、所定の時期に前記燃料電池の電解質膜劣化診断を行い、
前記制御部は、前記電解質膜劣化診断において、前記第2過渡応答波形から導き出される時定数τを取得し、
前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいと判定した場合に、前記第2過渡応答波形を前記データ群と照らし合わせて前記金属イオンの量を推定し、
前記制御部は、推定した前記金属イオンの量が所定の閾値の範囲内であるか否か判定し、
前記制御部は、推定した前記金属イオンの量が所定の閾値の範囲外であると判定した場合に前記電解質膜が劣化していると診断する。
電解質膜の劣化は、電解質膜内に添加されている劣化を加速する金属イオンと劣化を抑制する金属イオンの多寡によって大きな影響を受ける。金属イオンのうち、電解質膜の劣化を抑制するものは主にCeイオンであり、劣化を加速するものはFeイオンであることが広く知られている。
図1は、燃料電池を90℃、40%RHで100時間、所定の電流密度で発電したときの電解質膜中のFeイオン量と電解質ポリマーの分子量維持率とフッ素溶出量との関係の一例を示す図である。図1に示すように電解質膜中の初期のFeイオン量が例えば0.2μg/cm2程度であり、SUSセパレータからのFeの溶出や固体Feの溶解によって電解質膜中のFeイオン量が例えば2μg/cm2になるとフッ素溶出量(FER)は約100倍増加することから電解質膜の劣化は100倍に加速される。例えば、電解質膜の密度を1.5mg/cm2とすると1ppmは0.0015μg/cm2であり、1500ppmで2μg/cm2相当となる。
図2は、燃料電池を90℃、40%RHで300時間、所定の電流密度で発電したときの電解質膜中のCeイオン量と電解質ポリマーの分子量維持率とフッ素溶出量との関係の一例を示す図である。図2に示すように、電解質膜中にCeイオンが含まれるとフッ素溶出量は低下し、電解質膜の劣化を抑制することができることがわかる。
以上のことから、電解質膜の劣化を検知する上では、電解質膜そのものの劣化を評価するよりも、電解質膜の劣化に関与する金属イオンの定量化が重要である。
電解質膜中の金属イオンは外部からの電圧変化によって電解質膜内を移動する(電気泳動)。
本開示において、WOT(Wide Open Throttle)とは、燃料電池を無負荷あるいは低電流負荷での運転状態から急激に高電流負荷での運転状態に切り替えることを意味する。WOTは、例えば、燃料電池車両において、とアクセルを全開に踏み込んだ際の挙動を模している。WOTによって燃料電池の電圧は低下する。
WOTを行った際に電解質膜の中に金属イオンが含まれていると、要求電圧に到達するまでの電圧の応答時間に時定数が生じる。これは金属イオンが、高電流負荷に伴って変化した電圧に追随するために電流変化に遅れて移動するためである。
図3は、一定量のCeイオン(4.3%)を含む電解質膜を用いた燃料電池の低RH(30%RH)と高RH(80%RH)での時間に対する電圧の応答波形を示す図である。
30%RHでは燃料電池の両電極とも水が少ないため、電流を掃引すると発電に伴って水が移動するため、水が大きな抵抗として現れる。一方で両電極が十分に湿潤し、両電極間で水の量に差が無い場合は、水移動による抵抗は最小化され、電位勾配による金属イオンの移動が抵抗として現れる。
本開示ではこの金属イオン種による電解質膜の拡散性の違いを利用して、WOTを行った際の電圧応答の波形から電解質膜内の金属イオンの量と必要に応じて金属イオンの種類とを検出し、電解質膜の劣化を検知する。
本開示の燃料電池システムは、電解質膜の化学的劣化に対して支配的な影響を持つ金属陽イオンの量を、電流変動時の過渡電圧応答波形から推定し、推定した金属イオンの量から電解質膜の劣化度合いを評価する。具体的には、電解質膜内の金属イオンの移動をコンデンサ(C)の容量成分と見立てたCR回路(一次遅れ系)における過渡応答の時定数τを計測し、この時定数τから金属イオンの量と必要に応じて金属イオンの種類を検出する。
本開示の燃料電池システムによれば、急速に劣化が進行する前段階での電解質膜の化学的劣化の検知が可能となり、電解質膜の穴あきなどによるガスバリア性の低下を抑止できる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよく、2~300個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Pt(白金)、Ru(ルテニウム)などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。ガス拡散層は、電解質膜の劣化を抑制する観点から、セリウム化合物を含んでいてもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、チタン、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの供給のON/OFFが制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池の燃料ガス入口と燃料ガス供給部とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口と接続してもよい。燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノードから排出された燃料ガスである燃料オフガスを外部に排出する。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路には、燃料オフガス排出弁(排気排水弁)が備えられていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガス及び水分等を外部(系外)へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、燃料オフガス排出弁の開度を調整することにより、アノードに供給される燃料ガス圧力(アノード圧力)を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよく、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力(カソード圧力)を調整してもよい。
電圧検出部は、制御部と電気的に接続され、制御部は、電圧検出部によって検出された燃料電池の電圧を検知してもよい。
電圧検出部は、従来公知の電圧計等を用いることができる。電圧検出部は、燃料電池の電圧の過渡応答測定に際しては、発電回路中にスイッチと負荷の構成からなり所定の出力電流に負荷を調整できる制御部であってもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
二次電池(バッテリ)は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
時定数とは、一般的には、電流を負荷してから任意の電圧に到達するまでの応答時間である。
本開示において初期時定数τ0とは、燃料電池の初期の運転時における所定の出力電流値増加条件で燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる燃料電池の電圧の第1過渡応答波形から導き出される任意の電圧に到達するまでの応答時間である。
本開示において時定数τとは、所定の出力電流値増加条件で燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる燃料電池の電圧の第2過渡応答波形から導き出される任意の電圧に到達するまでの応答時間である。
燃料電池の初期の運転時とは、製造されて最初に運転するときであってもよく、燃料電池の運転を開始する毎の運転開始時であってもよい。
第1電流密度は、例えば、0.05A/cm2~0.2A/cm2であってもよい。
第2電流密度は、例えば、1A/cm2~3A/cm2であってもよい。
相対湿度(RH)は、水の影響を抑制する観点から、60%~95%であってもよい。
運転温度は、金属イオンの電気泳動を促進させる観点から、例えば65℃~90℃であってもよい。
過渡応答波形の任意の電圧は、目標電圧に対して100%の電圧であってもよく、63%の電圧であってもよい。
制御部は、予め所定の量の金属イオン種毎の過渡応答波形、及び、所定の量の複数種の金属イオンを組み合わせた場合の過渡応答波形に関するデータ群を記憶しておいてもよい。所定の量は、経験則から適宜決定してもよい。
図4は、電流密度を1.0mA/cm2、2.0mA/cm2、3.0mA/cm2に設定して燃料電池を発電させたときの電解質膜に添加したCe量とWOTを行った直後の燃料電池の最低電圧との関係の一例を示す図である。
図5は、電流密度を1.0mA/cm2、2.0mA/cm2、3.0mA/cm2に設定して燃料電池を発電させたときの電解質膜に添加したCe量とWOTを行った5秒後の燃料電池の電圧との関係の一例を示す図である。
図6は、電流密度を1.0mA/cm2、2.0mA/cm2、3.0mA/cm2に設定して燃料電池を発電させたときの電解質膜に添加したCe量と通常運転を行った直後の燃料電池の電圧との関係の一例を示す図である。
図7は、Ceを4μg/cm2含む電解質膜を備える燃料電池、及び、Ceを10μg/cm2含む電解質膜を備える燃料電池に対してWOTを行ったときの各燃料電池の電圧の過渡応答波形の一例を示す図である。図7は、温度68℃、80%RHで電流密度を0.05A/cm2から3.0A/cm2に増大させたときの過渡応答波形である。
図8は、Ceを含む電解質膜を備える燃料電池、Feを含む電解質膜を備える燃料電池、及びCe及びFeを含む電解質膜を備える燃料電池に対して、所定の電流増加条件でWOTを行ったときの各燃料電池の電圧の過渡応答波形の一例を示す図である。
図4~6の示すCeを含む電解質膜を備える燃料電池の応答性評価から、電流密度に対するCeイオンの量によって燃料電池の電圧が変化することがわかる。
図7に示すCeを含む電解質膜を備える燃料電池の電圧の過渡応答波形から、Ceイオンの量によって時定数が変化することがわかる。
図8に示すCeを含む電解質膜を備える燃料電池、Feを含む電解質膜を備える燃料電池、及びCe及びFeを含む電解質膜を備える燃料電池の電圧の各過渡応答波形から、電解質膜に含まれる金属イオンの種類によって時定数が変化することがわかる。
時定数は金属イオンの大きさ、金属イオンの拡散性に由来する固有のものである。そのため、時定数、電流密度条件、金属イオン濃度を組み合わせることで、電解質膜にどの種類の金属イオンがどれくらいの量含まれているかを特定することができる。例えば、初期に多量に電解質膜に添加したCeが系外に排出されてしまった場合は時定数が小さくなり電圧の応答性が良くなる。電解質膜に含まれるCeイオンが減少したかどうか、及び、電解質膜にFeイオン、異物等が混入したかどうか等を燃料電池の電圧の過渡応答波形から検知することができる。
複数種の金属イオンが電解質膜に含まれる場合であっても、例えばCe、Feなどの複数種の時定数のことなる金属イオンの過渡応答波形に関するデータを予め記憶しておくことで、金属イオンの種類と金属イオンの量を見積もることができる。これにより、Ceイオンの量が減少し、Feイオンの量が増加したこと等を判別することができ、これらの量から電解質膜の劣化状態を診断することができる。
金属イオンのうち、電解質膜の劣化を抑制するものは主にCeイオンであり、電解質膜の劣化を加速するものはFeイオン、Alイオン、Tiイオン等である。
Feイオンは、燃料電池の製造工程で混入する可能性がある。電解質膜が分解することにより生じる酸により系内のpHが低下し、燃料電池に混入したFeが溶出し電解質膜にFeイオンが入る可能性がある。
また、Feイオンは、セパレータ等の構成部材に含まれる可能性がある。電解質膜が分解することにより生じる酸により系内のpHが低下し、構成部材に含まれるFeの一部が溶出し電解質膜にFeイオンが入る可能性がある。
Ceイオンは、電解質膜、ガス拡散層(GDL)、MPL内に含まれる場合がある。電解質膜に含まれるCeイオンは、電解質ポリマーのスルホン酸基に結合する。電解質膜の分解に伴ってCeイオンが電解質膜から溶出し、電解質膜内のCeイオンの量が減少する場合がある。ガス拡散層(GDL)、MPL内にCeが含まれる場合は、電解質膜が分解することにより生じる酸により系内のpHが低下し、ガス拡散層(GDL)、MPL内に含まれるCeが溶出し、電解質膜にCeイオンが混入し、電解質膜内のCeイオンの量が増加する場合がある。
したがって、燃料電池の部材や構成に応じて金属イオンの増減を指標に電解質膜の劣化を検知してもよい。
例えば、電解質膜とガス拡散層(GDL)内にCeイオンを含み、且つ、SUSセパレータから構成される燃料電池の場合、電解質膜内のFeイオンの増加と、Ceイオンの増減を劣化検知の指標にしてもよい。
例えば、電解質膜とガス拡散層(GDL)内にCeイオンを含み、且つ、Tiセパレータから構成される燃料電池の場合、電解質膜内のFeイオンの増加と、Ceイオンの増減と、Tiイオンの増加の3つを劣化検知の指標にしてもよい。なお、この場合のFeイオンは、燃料電池の製造工程でFeが異物として混入して異物が溶解して電解質膜内にFeイオンが混入することを想定している。
燃料電池の電解質膜劣化診断を行う所定の時期は、例えば車両に搭載された燃料電池システムにおいて、車両のアクセルペダルを踏んだとき等が挙げられる。すなわち、本開示の燃料電池システムによれば、車両の走行中に簡易的に電解質膜の劣化診断を行うことができる。
制御部は、電解質膜劣化診断の精度向上の観点から、電解質膜劣化診断における、時定数τが初期時定数τ0よりも小さいか否かの判定において、初期時定数τ0を100%としたとき、時定数τが初期時定数τ0に対して90%以下であるか否か判定してもよい。
制御部は、推定した金属イオンの量が所定の閾値の範囲内であるか否か判定する。
制御部は、推定した金属イオンの量が所定の閾値の範囲外であると判定した場合に電解質膜が劣化していると診断する。
金属イオンが、Feイオン、Alイオン、及び、Tiイオンからなる群より選ばれる少なくとも一種である場合は、制御部は、推定したAlイオン、及び、Tiイオンからなる群より選ばれる少なくとも一種のイオンの量が所定の閾値を超えるか否か判定し、制御部は、推定したAlイオン、及び、Tiイオンからなる群より選ばれる少なくとも一種のイオンの量が所定の閾値を超えると判定した場合に電解質膜が劣化していると診断してもよい。
金属イオンが、Ceイオン、である場合は、制御部は、推定したCeイオンの量が所定の閾値未満であるか否か判定し、制御部は、推定したCeイオンの量が所定の閾値未満であると判定した場合に電解質膜が劣化していると診断してもよい。
制御部は、所定の出力電流値増加条件で燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる燃料電池の電圧の第2過渡応答波形と、燃料電池の電解質膜に含まれる金属イオンの量との関係を示すデータ群を予め記憶する。
制御部は、燃料電池の電解質膜劣化診断を開始する。
制御部は、所定の出力電流値増加条件で燃料電池の出力電流値を増加させ、これにより得られる燃料電池の電圧の第2過渡応答波形から時定数τを取得する。
制御部は、時定数τが予め記憶した初期時定数τ0よりも小さいか否か判定する。
制御部は、時定数τが初期時定数τ0と同じか又は同等であると判定した場合は、制御を終了するか、又は、電解質膜は劣化していないと診断する。制御部は、時定数τが初期時定数τ0よりも小さいと判定した場合に、第2過渡応答波形を予め記憶したデータ群と照らし合わせて金属イオンの量を推定する。必要に応じて金属イオンの種類を推定してもよい。
制御部は、推定した金属イオンの量が所定の閾値の範囲内であるか否か判定する。
制御部は、推定した金属イオンの量が所定の閾値の範囲外であると判定した場合に電解質膜が劣化していると診断する。一方、制御部は、推定した金属イオンの量が所定の閾値の範囲内であると判定した場合には、制御を終了するか、又は、電解質膜は劣化していないと診断する。
Claims (6)
- 燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス系と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の初期の運転時における所定の出力電流値増加条件で前記燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる前記燃料電池の電圧の第1過渡応答波形から導き出される初期時定数τ0を予め記憶し、
前記制御部は、所定の前記出力電流値増加条件で前記燃料電池の出力電流値を増加させることにより得られる前記燃料電池の電圧の第2過渡応答波形と、前記燃料電池の電解質膜に含まれる金属イオンの量との関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、所定の時期に前記燃料電池の電解質膜劣化診断を行い、
前記制御部は、前記電解質膜劣化診断において、前記第2過渡応答波形から導き出される時定数τを取得し、
前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいか否か判定し、
前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいと判定した場合に、前記第2過渡応答波形を前記データ群と照らし合わせて前記金属イオンの量を推定し、
前記制御部は、推定した前記金属イオンの量が所定の閾値の範囲内であるか否か判定し、
前記制御部は、推定した前記金属イオンの量が所定の閾値の範囲外であると判定した場合に前記電解質膜が劣化していると診断することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記金属イオンは、Ceイオン、Feイオン、Alイオン、及び、Tiイオンからなる群より選ばれる少なくとも一種である、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記金属イオンは、Feイオンであり、
前記制御部は、推定した前記Feイオンの量が所定の閾値を超えるか否か判定し、
前記制御部は、推定した前記Feイオンの量が所定の閾値を超えると判定した場合に前記電解質膜が劣化していると診断する請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 所定の前記出力電流値増加条件は、前記燃料電池を第1電流密度で運転していた時に、当該第1電流密度よりも大きい第2電流密度に切り替えて前記燃料電池を運転する条件である、請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記第2電流密度は、前記第1電流密度の10~60倍である、請求項4に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記時定数τが前記初期時定数τ0よりも小さいか否かの判定において、前記初期時定数τ0を100%としたとき、前記時定数τが前記初期時定数τ0に対して90%以下であるか否か判定する、請求項1~5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021038189A JP7435507B2 (ja) | 2021-03-10 | 2021-03-10 | 燃料電池システム |
CN202210223603.2A CN115084591A (zh) | 2021-03-10 | 2022-03-07 | 燃料电池系统 |
DE102022105512.4A DE102022105512A1 (de) | 2021-03-10 | 2022-03-09 | Brennstoffzellensystem |
US17/654,124 US11688867B2 (en) | 2021-03-10 | 2022-03-09 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021038189A JP7435507B2 (ja) | 2021-03-10 | 2021-03-10 | 燃料電池システム |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022138351A true JP2022138351A (ja) | 2022-09-26 |
JP7435507B2 JP7435507B2 (ja) | 2024-02-21 |
Family
ID=83005608
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021038189A Active JP7435507B2 (ja) | 2021-03-10 | 2021-03-10 | 燃料電池システム |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11688867B2 (ja) |
JP (1) | JP7435507B2 (ja) |
CN (1) | CN115084591A (ja) |
DE (1) | DE102022105512A1 (ja) |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4459518B2 (ja) | 2002-09-30 | 2010-04-28 | 株式会社豊田中央研究所 | 固体高分子型燃料電池の運転方法および運転システム |
JP2006107773A (ja) | 2004-09-30 | 2006-04-20 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 燃料電池システム |
JP4946026B2 (ja) | 2005-12-09 | 2012-06-06 | 旭硝子株式会社 | 固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法及び固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法 |
JP5640625B2 (ja) | 2010-10-07 | 2014-12-17 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの判定方法 |
JP2014049266A (ja) | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の電解質膜の抵抗測定方法および測定装置 |
JP2015018701A (ja) | 2013-07-11 | 2015-01-29 | スズキ株式会社 | 車両用燃料電池の劣化検出装置 |
JP6897626B2 (ja) | 2018-04-12 | 2021-06-30 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム及び金属イオン含有量の推定方法 |
US10809308B2 (en) | 2018-12-27 | 2020-10-20 | Bloom Energy Corporation | System and method for impedance testing DC power sources |
-
2021
- 2021-03-10 JP JP2021038189A patent/JP7435507B2/ja active Active
-
2022
- 2022-03-07 CN CN202210223603.2A patent/CN115084591A/zh active Pending
- 2022-03-09 DE DE102022105512.4A patent/DE102022105512A1/de active Pending
- 2022-03-09 US US17/654,124 patent/US11688867B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US11688867B2 (en) | 2023-06-27 |
JP7435507B2 (ja) | 2024-02-21 |
DE102022105512A1 (de) | 2022-09-15 |
US20220293979A1 (en) | 2022-09-15 |
CN115084591A (zh) | 2022-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102759714B (zh) | 用于确定燃料电池堆中燃料电池的健康的方法 | |
JPH0927336A (ja) | 燃料電池スタックの診断方法 | |
JP5125135B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP7402077B2 (ja) | 燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法 | |
CN115084572B (zh) | 燃料电池系统 | |
US11881604B2 (en) | Fuel cell system | |
JP7435507B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2006228608A (ja) | 燃料電池システムおよびその制御方法 | |
JP7484778B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP7439794B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP7367611B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022162240A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022069754A (ja) | 燃料電池システム | |
US11799108B2 (en) | Fuel cell system | |
US11888193B2 (en) | Fuel cell system | |
JP7331825B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2006114440A (ja) | 燃料電池 | |
JP2021182512A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022134847A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021182511A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022170069A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022138350A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2009252496A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230323 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231115 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240109 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240122 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7435507 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |