JP4415537B2

JP4415537B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP4415537B2
Application number: JP2002326867A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 哲斉尾▲崎▼
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP2004164909A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、所定の出力が得られるように、水素や酸素を供給する補機の制御条件等を設定しているが、電解質膜の導電率、電極触媒の活性等が経時的に低下するため、当初設定された条件では所定の出力が得られなくなる。
【０００３】
このような燃料電池の劣化による出力低下を補償するためには、水素や酸素の供給量を増加させる方法が考えられる。しかしながら、この方法では、燃料電池の出力は維持できるが、補機の消費動力が増加するため、補機の消費動力を差し引いた燃料電池システムとしての出力は低下する。また、燃料電池の出力を維持する条件が、必ずしも燃料電池システムの効率を最大にする動作条件と等しくなるものではない。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、劣化した際の燃料電池システム効率の低下を最小限に抑えることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）から供給される電力によって作動して、酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方を燃料電池（１０）に供給する補機（２１、２３、３２、３４）とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の出力電流を計測する電流計測手段（１２）と、燃料電池（１０）の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性を演算する演算手段（４０）とを備え、電流・電圧特性に基づいて燃料電池（１０）の劣化状態を診断し、劣化状態に応じて、劣化後のシステム効率が最大となるように補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正し、さらに、補機（３２、３４）にて供給される燃料ガスの圧力または量の少なくとも一方を変更して、燃料電池（１０）のアノード電極の劣化状態を診断することを特徴とする。
【０００６】
これによると、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
また、補機（３２、３４）にて供給される燃料ガスの圧力または量の少なくとも一方を変更して、燃料電池（１０）のアノード電極の劣化状態を診断することにより、アノード電極の劣化の有無を推定することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）から供給される電力によって作動して、酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方を燃料電池（１０）に供給する補機（２１、２３、３２、３４）とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の出力電流を計測する電流計測手段（１２）と、燃料電池（１０）の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性を演算する演算手段（４０）とを備え、電流・電圧特性に基づいて燃料電池（１０）の劣化状態を診断し、劣化状態に応じて、劣化後のシステム効率が最大となるように補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正し、さらに、補機（２１、２３）にて供給される酸化ガスの圧力または量の少なくとも一方を変更して、燃料電池（１０）のカソード電極の劣化状態を診断することを特徴とする。
【０００８】
これによると、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。また、補機（２１、２３）にて供給される酸化ガスの圧力または量の少なくとも一方を変更して、燃料電池（１０）のカソード電極の劣化状態を診断することにより、カソード電極の劣化の有無を推定することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）から供給される電力によって作動して、酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方を燃料電池（１０）に供給する補機（２１、２３、３２、３４）とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の出力電流を計測する電流計測手段（１２）と、燃料電池（１０）の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性を演算する演算手段（４０）とを備え、電流・電圧特性に基づいて燃料電池（１０）の劣化状態を診断し、劣化状態に応じて、劣化後のシステム効率が最大となるように補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正し、さらに、燃料電池（１０）は、積層された多数のセルを所定の押し付け圧にて押し付けて構成され、押し付け圧を変更して、セル間の接触抵抗の増加を診断することを特徴とする。
【００１０】
これによると、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。また、積層された多数のセルの押し付け圧を変更して、セル間の接触抵抗の増加を診断することにより、セル間の接触抵抗の増加の有無を推定することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）から供給される電力によって作動して、酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方を燃料電池（１０）に供給する補機（２１、２３、３２、３４）とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の出力電流を計測する電流計測手段（１２）と、燃料電池（１０）の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性を演算する演算手段（４０）とを備え、電流・電圧特性に基づいて燃料電池（１０）の劣化状態を診断し、劣化状態に応じて、劣化後のシステム効率が最大となるように補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正し、さらに、燃料電池（１０）は、積層された多数のセルを所定の押し付け圧にて押し付けて構成され、押し付け圧を変更して、セルの電解質膜の劣化を診断することを特徴とする。
【００１２】
これによると、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。また、積層された多数のセルの押し付け圧を変更して、セルの電解質膜の劣化を診断することにより、セルの電解質膜の劣化の有無を推定することができる。
【００１３】
なお、請求項５に記載の発明のように、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正する前の電流・電圧特性と、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件の補正を行う際の電流・電圧特性とに基づいて、燃料電池（１０）の劣化状態を診断することができる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００１９】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２０】
（アノード電極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（カソード電極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出すると共に燃料電池１０の出力電流を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号および電流信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。なお、セルモニタ１２は本発明の電圧計測手段および電流計測手段に相当する。
【００２１】
また、燃料電池１０は、積層された多数のセルが押し付け装置１３により所定の押し付け圧にて押し付けられている。押し付け装置１３は、本例では圧電素子を用いており、圧電素子に印加する電圧を調整することにより押し付け圧を制御するようになっている。
【００２２】
燃料電池システムには、燃料電池１０のカソード電極（空気極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０のアノード電極（燃料極）側に水素を供給するための燃料流路３０が設けられている。空気流路２０は燃料電池１０内部において空気が通過する部位を含み、燃料流路３０は燃料電池１０内部において水素が通過する部位を含む。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２３】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気ポンプ２１は、電動モータ（図示せず）にて駆動され、燃料電池１０から電動モータに電力が供給され、その回転数を変動させることで空気供給量（酸素供給量）を調整することができる。空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力、換言すると空気流路２０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお空気ポンプ２１および空気調圧弁２３は、本発明の補機に相当する。
【００２４】
燃料流路３０の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ３１が設けられ、燃料流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００２５】
燃料流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて燃料流路３０が閉ループに構成されており、これにより燃料流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。
【００２６】
そして、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、燃料流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。水素ポンプ３４は、電動モータ（図示せず）にて駆動され、燃料電池１０から電動モータに電力が供給され、その回転数を変動させることで水素供給量を調整することができる。なお、水素調圧弁３２および水素ポンプ３４は、本発明の補機に相当する。
【００２７】
制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、セルモニタ１２からの電圧信号および電流信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、加湿器３３、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。
【００２８】
なお、制御部４０は、本発明の演算手段に相当し、また、電流・電圧特性に基づいて燃料電池１０の劣化状態を診断して補機の制御条件を補正する制御手段に相当する。
【００２９】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を、図１〜図８に基づいて説明する。なお、図３〜図８は制御部４０にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の劣化状態を診断して補機等の制御条件を補正する、劣化補正制御の部分の流れ図である。
【００３０】
図２は燃料電池１０の出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）であり、実線は初期の電流・電圧特性、一点鎖線は劣化時の電流・電圧特性である。なお、初期の電流・電圧特性は、制御部４０に記憶されている。
【００３１】
図２に示すように、電流・電圧特性において電圧が最低になるときの電流値を、本明細書では限界電流値という。図２中の破線は、各特性線を直線近似したものであり、直線近似した線において電流Ｉ＝０のときの電圧差ΔＶｓを、本明細書ではシフト成分という。また、直線近似した線において電流変化量ΔＩに対する電圧変化量ΔＶの比（ΔＶ／ΔＩ）を、本明細書では傾き成分という。
【００３２】
図３は劣化補正制御の全体の流れを示すもので、燃料電池１０の劣化状態を診断するための情報として劣化特性データを収集し（ステップＳ１００）、劣化特性データに基づいて燃料電池１０の劣化内容を推定し（ステップＳ２００）、劣化状態に応じて補機等の制御条件を補正するようになっている（ステップＳ３００）。
【００３３】
劣化特性データの収集（図３のステップＳ１００）の詳細について、図４にて説明する。
【００３４】
まず、燃料電池１０に供給される水素の流量および圧力を所定条件に設定し（ステップＳ１０１）、燃料電池１０に供給される空気の流量、圧力および湿度を所定条件に設定して（ステップＳ１０２）、電流・電圧特性変化データを収集する（ステップＳ１０３、詳細後述）。
【００３５】
この所定条件下での電流・電圧特性変化データの収集により、劣化発生の有無が判定可能である。劣化発生の有無については、初期の電流・電圧特性と現在の電流・電圧特性とを比較することにより判定できる。
【００３６】
続いて、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２で設定した条件から、水素流量のみを増加させた条件を設定して（ステップＳ１０４）、電流・電圧特性変化データを収集する（ステップＳ１０５、詳細後述）。
【００３７】
次に、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２で設定した条件から、空気流量のみを増加させた条件を設定して（ステップＳ１０６）、電流・電圧特性変化データを収集する（ステップＳ１０７、詳細後述）。この各条件による電流・電圧特性の測定データに基づき、図６に示す手続で劣化要因の判定を行う。
【００３８】
電流・電圧特性変化データの収集（図４のステップＳ１０３、１０５、１０７）の詳細について、図５にて説明する。まず、燃料電池１０の電流を所定の増加速度で変化させつつ（ステップＳ１０３１）、燃料電池１０の電流と電圧をセルモニタ１２にて計測する（ステップＳ１０３２）。
【００３９】
次に、ステップＳ１０３２で得たデータに基づいて現在の電流・電圧特性の傾き成分を算出し（ステップＳ１０３３）、制御部４０に記憶された初期の電流・電圧データとステップＳ１０３２で得たデータとに基づいて、現在の電流・電圧特性のシフト成分を算出し（ステップＳ１０３４）、ステップＳ１０３２で得たデータに基づいて現在の電流・電圧特性の限界電流値を算出し（ステップＳ１０３５）、ステップＳ１０３３〜１０３５で算出した値を格納する（ステップＳ１０３６）。
【００４０】
劣化内容の推定（図３のステップＳ２００）の詳細について、図６にて説明する。
【００４１】
まず、燃料電池１０に供給される水素の流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出する（ステップＳ２０１）。ここで、アノード電極の触媒が劣化している場合には、水素流量を増加させることにより、水素流量を増加させる前の電流・電圧特性に対して、電流・電圧特性のシフト成分が減少する。よって、このシフト成分の増加量が所定値以下の場合には（ステップＳ２０２がＹＥＳ）、アノード電極の触媒の劣化無しと判定され（ステップＳ２０３）、一方、シフト成分の増加量が所定値を超えている場合には（ステップＳ２０２がＮＯ）、アノード電極の触媒の劣化有りと判定される（ステップＳ２０４）。
【００４２】
次に、燃料電池１０に供給される空気の流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出する（ステップＳ２０５）。ここで、カソード電極の触媒が劣化している場合には、空気流量を増加させることにより、空気流量を増加させる前の電流・電圧特性に対して、電流・電圧特性のシフト成分が減少する。よって、このシフト成分の増加量が所定値以下の場合には（ステップＳ２０６がＹＥＳ）、カソード電極の触媒の劣化無しと判定され（ステップＳ２０７）、一方、シフト成分の増加量が所定値を超えている場合には（ステップＳ２０６がＮＯ）、カソード電極の触媒の劣化有りと判定される（ステップＳ２０８）。
【００４３】
続いて、電流・電圧特性の傾き成分増加発生時の要因判定法を説明する。傾き成分の増加は、内部抵抗の増加が要因である。その内部抵抗の増加要因は、スタックの押し付け圧の低下によるセル間の接触抵抗の増加と、電解質膜自体の抵抗増加の２つがある。なお、現在の電流・電圧特性の傾き成分が、初期の傾き成分に対して増加していない場合は（ステップＳ２０９がＹＥＳ）、このような劣化が発生していないと考えられる。
【００４４】
傾き成分の増加量が所定値を超えている場合は（ステップＳ２０９がＮＯ）、まず、押し付け装置１３による押し付け圧を上げて（ステップＳ２１０）、電流・電圧特性を収集する（ステップＳ２１１、詳細は図５参照）。押し付け圧を上げて傾き成分が所定値以上低下した際には（ステップＳ２１２がＹＥＳ）、セル間の接触抵抗が増加していると判定される（ステップＳ２１３）。
【００４５】
次に、通常時の傾き成分の増加量から、押し付け圧の低下に起因する傾き成分の増加量を差し引いて、電解質膜の抵抗増加に起因する傾き成分の増加量を算出し（ステップＳ２１４）、ステップＳ２１４で算出した値が所定値以上であれば（ステップＳ２１５がＹＥＳ）、電解質膜の劣化があると判定する（ステップＳ２１６）。そして、ステップＳ２０１〜２１６での劣化内容の診断結果を保存する（ステップＳ２１７）。
【００４６】
制御条件の補正（図３のステップＳ３００）の詳細について、図７にて説明する。
【００４７】
アノード触媒が劣化した場合には（ステップＳ３０１がＹＥＳ）、燃料電池１０に供給される水素の流量の増加量を複数設定して、水素流量増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に（ステップＳ３０２）、水素流量増加時の補機の消費電力を算出する（ステップＳ３０３）。
【００４８】
そして、ステップＳ３０２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３０３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる水素流量の条件を求める（ステップＳ３０４）。ここで求めた電流値と水素流量との関係が、アノード触媒劣化が生じた際における最適な運転条件であり、ここで求めた電流値と水素流量との関係となるように、電流と水素流量の制御マップを更新し（ステップＳ３０５）、以後、この更新した制御マップに基づいて水素流量を制御する。
【００４９】
次に、カソード触媒が劣化した場合には（ステップＳ３１１がＹＥＳ）、燃料電池１０に供給される空気の流量の増加量を複数設定して、空気流量増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に（ステップＳ３１２）、空気流量増加時の補機の消費電力を算出する（ステップＳ３１３）。
【００５０】
そして、ステップＳ３１２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３１３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる空気流量の条件を求める（ステップＳ３１４）。ここで求めた電流値と空気流量との関係が、カソード触媒劣化が生じた際における最適な運転条件であり、ここで求めた電流値と空気流量との関係となるように、電流と空気流量の制御マップを更新し（ステップＳ３０５）、以後、この更新した制御マップに基づいて空気流量を制御する。
【００５１】
次に、押し付け圧の低下によるセル間の接触抵抗の増加が有り（ステップＳ３２１がＹＥＳ）、かつ、その接触抵抗の増加量が所定値以上の場合には（ステップＳ３２２がＹＥＳ）、押し付け装置１３による押し付け圧を上げると共に、押し付け圧が低下したことを知らせる警報を出力する（ステップＳ３２３）。
【００５２】
次に、電解質膜の劣化が有り（ステップＳ３３１がＹＥＳ）、かつ、その劣化度合が所定値以上の場合には（ステップＳ３３２がＹＥＳ）、加湿器２２、３３による加湿の条件を補正すると共に、電解質膜の劣化が有ったことを知らせる警報を出力する（ステップＳ３３３）。
【００５３】
ステップＳ３３３の詳細について、図８にて説明する。まず、電流と加湿量目標値のマップにおける、加湿量目標値を新値に増加補正し（ステップＳ３３３１）、この更新したマップに基づいて加湿量を制御して、電流・電圧特性を収集する（ステップＳ３３３２、詳細は図５参照）。
【００５４】
そして、加湿量目標値を補正後の電流・電圧特性の傾き成分が、補正前の傾き成分に対して減少した場合は（ステップＳ３３３３がＹＥＳ）、電流と加湿量目標値のマップを更新し（ステップＳ３３３４）、以後、この更新したマップに基づいて加湿量を制御する。
【００５５】
一方、加湿量目標値を補正しても傾き成分が減少しなかった場合は（ステップＳ３３３３がＮＯ）、加湿量を増加するだけでは電解質膜の劣化による出力低下を補償することが不可能と判断し、その旨を知らせる警報を出力する（ステップＳ３３３５）。
【００５６】
上記した本実施形態によると、補機の制御条件を補正する前の電流・電圧特性と、補機の制御条件の補正を行う際の電流・電圧特性とに基づいて、燃料電池１０の劣化状態を診断することができる。
【００５７】
すなわち、燃料ガスの量を変更してアノード電極の劣化状態を診断することができ、酸化ガスの量を変更してカソード電極の劣化状態を診断することができ、セルの押し付け圧を変更することによりセル間の接触抵抗の増加や電解質膜の劣化を診断することができる。
【００５８】
そして、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００５９】
また、補機の制御条件を変化させた際の燃料電池１０の出力電力と補機の制御条件を変化させた際の補機の消費動力との差が最大となるように、補機の制御条件を決定することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００６０】
なお、制御条件の補正の手順（図３参照）において、ステップＳ３０２では水素流量を増加させたが、水素圧力を増加させるようにしてもよい。
【００６１】
この場合、ステップＳ３０２では燃料電池１０に供給される水素の圧力の増加量を複数設定して、水素圧力増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に、ステップＳ３０３では水素圧力増加時の補機の消費電力を算出する。さらに、ステップＳ３０４では、ステップＳ３０２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３０３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる水素圧力の条件を求め、ステップＳ３０５ではここで求めた電流値と水素圧力との関係となるように、電流と水素圧力の制御マップを更新し、以後、この更新した制御マップに基づいて水素圧力を制御する。
【００６２】
また、制御条件の補正の手順（図３参照）において、ステップＳ３１２では空気流量を増加させたが、空気圧力を増加させるようにしてもよい。
【００６３】
この場合、ステップＳ３１２では燃料電池１０に供給される空気の圧力の増加量を複数設定して、空気圧力増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に、ステップＳ３１３では空気圧力増加時の補機の消費電力を算出する。さらに、ステップＳ３１４では、ステップＳ３１２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３１３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる空気圧力の条件を求め、ステップＳ３１５ではここで求めた電流値と空気圧力との関係となるように、電流と空気圧力の制御マップを更新し、以後、この更新した制御マップに基づいて空気圧力を制御する。
【００６４】
また、制御条件の補正の手順において、ステップＳ３０２で水素圧力を増加させるようにすることと、ステップＳ３１２で空気圧力を増加させるようにすることを、共に実施してもよいし、いずれか一方を実施してもよい。また、流量と圧力の増加を組み合わせて同時に行ってもよい。
【００６５】
（第２実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の電流・電圧特性変化データの収集の手順（図５参照）を図９のように変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。
【００６６】
図９において、燃料電池１０を運転させながら、運転中の電流と電圧を計測し（ステップＳ１０３１ａ）、その計測したデータを統計処理して平均電流・電圧特性を算出し（ステップＳ１０３２ａ）、以下、第１実施形態と同様に、ステップＳ１０３３以降の処理を行う。
【００６７】
第１実施形態の方法では、データ収集は、燃料電池システム停止中（車両停止時もしくは２次電池での走行時）に行う必要があるが、本実施形態では、燃料電池システムは従来通り運転したまま、すなわち通常運転時に電流・電圧特性が測定できるため、システムを停止せずとも良い。
【００６８】
（第３実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の劣化特性データの収集の手順（図４参照）を図１０のように変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。
【００６９】
第１実施形態のステップＳ１０４では水素流量を増加させた条件を設定したのに対し、本実施形態では水素圧力のみを増加させた条件を設定するようにしている（ステップＳ１０４ａ）。また、第１実施形態のステップＳ１０６では空気流量を増加させた条件を設定したのに対し、本実施形態では空気圧力のみを増加させた条件を設定するようにしている（ステップＳ１０６ａ）。
【００７０】
（第４実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の劣化内容の推定の手順（図６参照）を図１１のように変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。
【００７１】
第１実施形態のステップＳ２０１では水素流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出したのに対し、本実施形態では水素圧力を増加させたときのシフト成分の変化量を算出するようにしている（ステップＳ２０１ａ）。また、第１実施形態のステップＳ２０５では空気流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出したのに対し、本実施形態では空気圧力を増加させたときのシフト成分の変化量を算出するようにしている（ステップＳ２０５ａ）。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】図１の燃料電池１０の出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性図である。
【図３】図１の制御部４０にて実行される劣化補正制御の部分の流れ図である。
【図４】図３の劣化特性データの収集の詳細を示す流れ図である。
【図５】図４の電流・電圧特性変化データの収集の詳細を示す流れ図である。
【図６】図３の劣化内容の推定の詳細を示す流れ図である。
【図７】図３の制御条件の補正の詳細を示す流れ図である。
【図８】図７の加湿条件の補正・劣化警報の出力の詳細を示す流れ図である。
【図９】第２実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【図１０】第３実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【図１１】第４実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１２…セルモニタ（電流計測手段兼電圧計測手段）、
２１…空気ポンプ（補機）、２３…空気調圧弁（補機）、
３２…水素調圧弁（補機）、３４…水素ポンプ（補機）、
４０…制御部（演算手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The present invention relates to a generator for a mobile body such as a vehicle, a ship, and a portable generator, or a household generator. It is effective to apply.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
In a fuel cell system that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, control conditions and the like of auxiliary equipment that supplies hydrogen and oxygen are set so that a predetermined output is obtained. Therefore, the predetermined output cannot be obtained under the initially set conditions.
[0003]
In order to compensate for such a decrease in output due to deterioration of the fuel cell, a method of increasing the supply amount of hydrogen or oxygen can be considered. However, in this method, the output of the fuel cell can be maintained, but the power consumption of the auxiliary machine increases, so that the output of the fuel cell system minus the power consumption of the auxiliary machine decreases. Further, the conditions for maintaining the output of the fuel cell are not necessarily equal to the operating conditions for maximizing the efficiency of the fuel cell system.
[0004]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to minimize a decrease in the efficiency of the fuel cell system when it deteriorates.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component. And an auxiliary device (21, 23, 32, 34) that is operated by electric power supplied from the fuel cell (10) and supplies at least one of oxidizing gas and fuel gas to the fuel cell (10). In the system, the current measuring means (12) for measuring the output current of the fuel cell (10), the voltage measuring means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10), and the relationship between the output current and the output voltage. And calculating means (40) for calculating the current / voltage characteristics shown, and diagnosing the deterioration state of the fuel cell (10) based on the current / voltage characteristics, and the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state. Na Correcting the control condition of the auxiliary equipment (21,23,32,34) asFurther, the deterioration state of the anode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of the pressure or amount of the fuel gas supplied by the auxiliary machine (32, 34).It is characterized by that.
[0006]
  According to this, by correcting the control conditions of the auxiliary machine so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state, it is possible to minimize the decrease in system efficiency when it deteriorates.
  Further, the deterioration of the anode electrode is diagnosed by diagnosing the deterioration state of the anode electrode of the fuel cell (10) by changing at least one of the pressure or amount of the fuel gas supplied by the auxiliary machine (32, 34). Presence / absence can be estimated.
[0007]
  In the invention according to claim 2, a fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component, and a fuel cell (10) In a fuel cell system comprising an auxiliary device (21, 23, 32, 34) that is operated by electric power supplied from and supplies at least one of oxidizing gas and fuel gas to the fuel cell (10), the fuel cell (10 ) Current measurement means (12) for measuring the output current, voltage measurement means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10), and current / voltage characteristics indicating the relationship between the output current and the output voltage. Computing means (40) for diagnosing the deterioration state of the fuel cell (10) based on the current / voltage characteristics, and depending on the deterioration state, the auxiliary machine (21 , 23 32, 34) and the deterioration condition of the cathode electrode of the fuel cell (10) by correcting at least one of the pressure or amount of the oxidizing gas supplied by the auxiliary machine (21, 23). It is characterized by diagnosing.
[0008]
  According to this, by correcting the control conditions of the auxiliary machine so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state, it is possible to minimize the decrease in system efficiency when it deteriorates. Further, the deterioration of the cathode electrode is diagnosed by diagnosing the deterioration state of the cathode electrode of the fuel cell (10) by changing at least one of the pressure or amount of the oxidizing gas supplied by the auxiliary machine (21, 23). Presence / absence can be estimated.
[0009]
  According to a third aspect of the present invention, a fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component, and a fuel cell (10) In a fuel cell system comprising an auxiliary device (21, 23, 32, 34) that is operated by electric power supplied from and supplies at least one of oxidizing gas and fuel gas to the fuel cell (10), the fuel cell (10 ) Current measurement means (12) for measuring the output current, voltage measurement means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10), and current / voltage characteristics indicating the relationship between the output current and the output voltage. Computing means (40) for diagnosing the deterioration state of the fuel cell (10) based on the current / voltage characteristics, and depending on the deterioration state, the auxiliary machine (21 , 23 32, 34) is corrected, and the fuel cell (10) is configured by pressing a large number of stacked cells with a predetermined pressing pressure, and the pressing pressure is changed to change the contact resistance between the cells. It is characterized by diagnosing an increase in.
[0010]
  According to this, by correcting the control conditions of the auxiliary machine so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state, it is possible to minimize the decrease in system efficiency when it deteriorates. Moreover, the presence or absence of the increase in the contact resistance between cells can be estimated by changing the pressing pressure of many laminated | stacked cells and diagnosing the increase in the contact resistance between cells.
[0011]
  In the invention according to claim 4, a fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly containing oxygen and a fuel gas mainly containing hydrogen, and a fuel cell (10) In a fuel cell system comprising an auxiliary device (21, 23, 32, 34) that is operated by electric power supplied from and supplies at least one of oxidizing gas and fuel gas to the fuel cell (10), the fuel cell (10 ) Current measurement means (12) for measuring the output current, voltage measurement means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10), and current / voltage characteristics indicating the relationship between the output current and the output voltage. Computing means (40) for diagnosing the deterioration state of the fuel cell (10) based on the current / voltage characteristics, and depending on the deterioration state, the auxiliary machine (21 , 23 32, 34) is corrected, and the fuel cell (10) is configured by pressing a large number of stacked cells with a predetermined pressing pressure, and the pressing pressure is changed to change the electrolyte membrane of the cell. It is characterized by diagnosing deterioration.
[0012]
  According to this, by correcting the control conditions of the auxiliary machine so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state, it is possible to minimize the decrease in system efficiency when it deteriorates. Moreover, the presence or absence of deterioration of the electrolyte membrane of a cell can be estimated by changing the pressing pressure of many stacked cells and diagnosing the deterioration of the electrolyte membrane of the cell.
[0013]
  As in the fifth aspect of the invention, the current / voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) and the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) The deterioration state of the fuel cell (10) can be diagnosed based on the current / voltage characteristics when the control conditions are corrected.
[0016]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment, and this fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.
[0018]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell 10 that generates electrical energy by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 supplies electric power to electric devices such as an electric load 11 and a secondary battery (not shown). Incidentally, in the case of an electric vehicle, an electric motor for running the vehicle corresponds to the electric load 11.
[0019]
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked and electrically connected in series. In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.
[0020]
(Anode electrode side) H₂→ 2H⁺+ 2e^-
(Cathode side) 2H⁺+ 1 / 2O₂+ 2e^-→ H₂O
A cell monitor 12 that detects the output voltage of each cell and detects the output current of the fuel cell 10 is provided so that the cell voltage signal and current signal detected by the cell monitor 12 are input to the control unit 40 described later. It has become. The cell monitor 12 corresponds to the voltage measuring unit and the current measuring unit of the present invention.
[0021]
In the fuel cell 10, a large number of stacked cells are pressed by the pressing device 13 with a predetermined pressing pressure. In this example, the pressing device 13 uses a piezoelectric element, and controls the pressing pressure by adjusting the voltage applied to the piezoelectric element.
[0022]
In the fuel cell system, an air channel 20 for supplying air (oxygen) to the cathode electrode (air electrode) side of the fuel cell 10 and hydrogen to supply the anode electrode (fuel electrode) side of the fuel cell 10 The fuel flow path 30 is provided. The air flow path 20 includes a portion where air passes inside the fuel cell 10, and the fuel flow path 30 includes a portion where hydrogen passes inside the fuel cell 10. Air corresponds to the oxidizing gas of the present invention, and hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention.
[0023]
An air pump 21 is provided at the most upstream portion of the air flow path 20 to pump air sucked from the atmosphere to the fuel cell 10. Between the air pump 21 and the fuel cell 10 in the air flow path 20. A humidifier 22 that humidifies the air is provided. The air pump 21 is driven by an electric motor (not shown), electric power is supplied from the fuel cell 10 to the electric motor, and the air supply amount (oxygen supply amount) can be adjusted by changing the rotation speed. it can. An air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of air supplied to the fuel cell 10, in other words, the pressure of air in the air channel 20, is provided on the downstream side of the fuel cell 10 in the air channel 20. . The air pump 21 and the air pressure regulating valve 23 correspond to the auxiliary machine of the present invention.
[0024]
A hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen is provided at the most upstream portion of the fuel flow path 30, and between the hydrogen cylinder 31 and the fuel cell 10 in the fuel flow path 30, hydrogen supplied to the fuel cell 10 is stored. A hydrogen pressure regulating valve 32 for adjusting the pressure and a humidifier 33 for humidifying the hydrogen are provided.
[0025]
The downstream side of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30 is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 32 so that the fuel flow path 30 is configured in a closed loop, thereby circulating hydrogen in the fuel flow path 30, Unused hydrogen in the fuel cell 10 is resupplied to the fuel cell 10.
[0026]
A hydrogen pump 34 for circulating hydrogen in the fuel flow path 30 is provided downstream of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30. The hydrogen pump 34 is driven by an electric motor (not shown), electric power is supplied from the fuel cell 10 to the electric motor, and the hydrogen supply amount can be adjusted by changing the rotation speed. The hydrogen pressure regulating valve 32 and the hydrogen pump 34 correspond to the auxiliary machine of the present invention.
[0027]
The control unit (ECU) 40 is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The voltage signal and current signal from the cell monitor 12 are input to the control unit 40. Further, the control unit 40 outputs control signals to the air pump 21, the humidifier 22, the air pressure adjustment valve 23, the hydrogen pressure adjustment valve 32, the humidifier 33, and the hydrogen pump 34 based on the calculation result.
[0028]
The control unit 40 corresponds to the calculation means of the present invention, and also corresponds to control means for diagnosing the deterioration state of the fuel cell 10 based on the current / voltage characteristics and correcting the control conditions of the auxiliary machine.
[0029]
Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to FIGS. 3 to 8 are flowcharts of a portion of the deterioration correction control that diagnoses the deterioration state of the fuel cell 10 and corrects the control conditions of the auxiliary machine and the like in the control processing executed by the control unit 40. .
[0030]
FIG. 2 is a current / voltage characteristic (IV characteristic) showing the relationship between the output current and the output voltage of the fuel cell 10. The solid line is the initial current / voltage characteristic, and the alternate long and short dash line is the current / voltage characteristic at the time of deterioration. is there. The initial current / voltage characteristics are stored in the control unit 40.
[0031]
As shown in FIG. 2, the current value at which the voltage becomes the lowest in the current / voltage characteristics is referred to as a limit current value in this specification. The broken line in FIG. 2 is obtained by linearly approximating each characteristic line, and the voltage difference ΔVs when the current I = 0 in the linearly approximated line is referred to as a shift component in this specification. Further, in this specification, the ratio (ΔV / ΔI) of the voltage change amount ΔV to the current change amount ΔI in the line approximated line is referred to as a slope component in this specification.
[0032]
FIG. 3 shows the overall flow of the deterioration correction control. The deterioration characteristic data is collected as information for diagnosing the deterioration state of the fuel cell 10 (step S100), and the deterioration of the fuel cell 10 is performed based on the deterioration characteristic data. The contents are estimated (step S200), and the control conditions of the auxiliary machine and the like are corrected according to the deterioration state (step S300).
[0033]
Details of the collection of the deterioration characteristic data (step S100 in FIG. 3) will be described with reference to FIG.
[0034]
First, the flow rate and pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 are set to predetermined conditions (step S101), and the flow rate, pressure and humidity of air supplied to the fuel cell 10 are set to predetermined conditions (step S102). Current / voltage characteristic change data is collected (step S103, details will be described later).
[0035]
Whether or not deterioration has occurred can be determined by collecting current / voltage characteristic change data under the predetermined conditions. The presence or absence of deterioration can be determined by comparing the initial current / voltage characteristics with the current current / voltage characteristics.
[0036]
Subsequently, conditions for increasing only the hydrogen flow rate are set from the conditions set in steps S101 and S102 (step S104), and current / voltage characteristic change data is collected (step S105, details will be described later).
[0037]
Next, a condition in which only the air flow rate is increased is set from the conditions set in step S101 and step S102 (step S106), and current / voltage characteristic change data is collected (step S107, details will be described later). Based on the measurement data of the current / voltage characteristics under each condition, the deterioration factor is determined by the procedure shown in FIG.
[0038]
Details of collection of current / voltage characteristic change data (steps S103, 105, and 107 in FIG. 4) will be described with reference to FIG. First, the current and voltage of the fuel cell 10 are measured by the cell monitor 12 (step S1032) while changing the current of the fuel cell 10 at a predetermined increase rate (step S1031).
[0039]
Next, the current current / voltage characteristic slope component is calculated based on the data obtained in step S 1032 (step S 1033), and the initial current / voltage data stored in the control unit 40 and the data obtained in step S 1032 are calculated. Based on the current current / voltage characteristic shift component (step S1034), the current current / voltage characteristic limit current value is calculated based on the data obtained in step S1032 (step S1035), and step S1033. -1035 is stored (step S1036).
[0040]
Details of the deterioration content estimation (step S200 in FIG. 3) will be described with reference to FIG.
[0041]
First, the change amount of the shift component when the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is increased is calculated (step S201). Here, when the catalyst of the anode electrode is deteriorated, the shift component of the current / voltage characteristic is reduced by increasing the hydrogen flow rate with respect to the current / voltage characteristic before the hydrogen flow rate is increased. Therefore, when the increase amount of the shift component is equal to or smaller than the predetermined value (YES in step S202), it is determined that the anode electrode catalyst has not deteriorated (step S203), while the increase amount of the shift component exceeds the predetermined value. If so (NO in step S202), it is determined that the anode electrode catalyst has deteriorated (step S204).
[0042]
Next, a change amount of the shift component when the flow rate of air supplied to the fuel cell 10 is increased is calculated (step S205). Here, when the catalyst of the cathode electrode is deteriorated, by increasing the air flow rate, the shift component of the current / voltage characteristic is reduced with respect to the current / voltage characteristic before the air flow rate is increased. Therefore, when the increase amount of the shift component is equal to or less than the predetermined value (YES in step S206), it is determined that the catalyst of the cathode electrode is not deteriorated (step S207), while the increase amount of the shift component exceeds the predetermined value. If NO (step S206: NO), it is determined that the cathode electrode catalyst has deteriorated (step S208).
[0043]
Next, a method for determining the factor when an increase in the slope component of the current / voltage characteristic occurs will be described. The increase in the slope component is due to the increase in internal resistance. There are two factors that increase the internal resistance: an increase in contact resistance between cells due to a decrease in the pressing pressure of the stack, and an increase in resistance of the electrolyte membrane itself. If the current current / voltage characteristic slope component does not increase with respect to the initial slope component (YES in step S209), it is considered that such deterioration does not occur.
[0044]
When the increase amount of the slope component exceeds the predetermined value (NO in step S209), first, the pressing pressure by the pressing device 13 is increased (step S210), and current / voltage characteristics are collected (step S211; details) (See FIG. 5). When the pressing pressure is increased and the tilt component is decreased by a predetermined value or more (step S212 is YES), it is determined that the contact resistance between the cells is increased (step S213).
[0045]
Next, the increase amount of the inclination component due to the increase in the resistance of the electrolyte membrane is calculated by subtracting the increase amount of the inclination component due to the decrease in the pressing pressure from the increase amount of the inclination component at the normal time (step S214), If the value calculated in step S214 is equal to or greater than the predetermined value (YES in step S215), it is determined that the electrolyte membrane has deteriorated (step S216). And the diagnostic result of the degradation content in step S201-216 is preserve | saved (step S217).
[0046]
Details of the correction of the control condition (step S300 in FIG. 3) will be described with reference to FIG.
[0047]
When the anode catalyst has deteriorated (YES in step S301), a plurality of increasing amounts of the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell 10 are set, and current / voltage characteristic data when the hydrogen flow rate is increased are collected (step). S302), the power consumption of the auxiliary machine when the hydrogen flow rate is increased is calculated (step S303).
[0048]
Then, based on the current / voltage characteristics obtained in step S302 and the auxiliary machine power consumption calculated in step S303, for each current value of the fuel cell 10, the condition of the hydrogen flow rate that maximizes the output of the fuel cell system Is obtained (step S304). The relationship between the current value obtained here and the hydrogen flow rate is the optimum operating condition when anode catalyst deterioration occurs, and the current and hydrogen flow rate are set so as to be the relationship between the current value obtained here and the hydrogen flow rate. The control map is updated (step S305), and thereafter, the hydrogen flow rate is controlled based on the updated control map.
[0049]
Next, when the cathode catalyst is deteriorated (YES in step S311), a plurality of increases in the flow rate of air supplied to the fuel cell 10 are set, and current / voltage characteristic data at the time of increasing the air flow rate is collected. At the same time (step S312), the power consumption of the auxiliary machine when the air flow rate is increased is calculated (step S313).
[0050]
Then, based on the current / voltage characteristics obtained in step S312, and the auxiliary machine power consumption calculated in step S313, the condition of the air flow rate at which the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10. Is obtained (step S314). The relationship between the current value obtained here and the air flow rate is the optimum operating condition when the cathode catalyst is deteriorated, and the current and air flow rate are set so as to be the relationship between the current value obtained here and the air flow rate. The control map is updated (step S305), and thereafter, the air flow rate is controlled based on the updated control map.
[0051]
Next, when there is an increase in contact resistance between cells due to a decrease in pressing pressure (YES in step S321) and the increase amount of the contact resistance is equal to or greater than a predetermined value (YES in step S322), the pressing device 13 While raising the pressing pressure by, an alarm for notifying that the pressing pressure has decreased is output (step S323).
[0052]
Next, when there is deterioration of the electrolyte membrane (step S331 is YES) and the deterioration degree is a predetermined value or more (step S332 is YES), the humidification conditions by the humidifiers 22 and 33 are corrected, and An alarm for notifying that the electrolyte membrane has deteriorated is output (step S333).
[0053]
Details of step S333 will be described with reference to FIG. First, the humidification amount target value in the current / humidification amount target value map is corrected to increase to a new value (step S3331), and the humidification amount is controlled based on this updated map to collect current / voltage characteristics ( Step S3332, see FIG. 5 for details).
[0054]
If the slope component of the current / voltage characteristic after correcting the humidification amount target value decreases with respect to the slope component before correction (step S3333 is YES), the map of the current and the humidification amount target value is updated ( Step S3334) and thereafter, the humidification amount is controlled based on the updated map.
[0055]
On the other hand, if the inclination component does not decrease even when the humidification amount target value is corrected (NO in step S3333), it is determined that it is impossible to compensate for the output decrease due to the deterioration of the electrolyte membrane only by increasing the humidification amount. Then, an alarm to that effect is output (step S3335).
[0056]
According to the above-described embodiment, the deterioration state of the fuel cell 10 is based on the current / voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary machine and the current / voltage characteristics when correcting the control conditions of the auxiliary machine. Can be diagnosed.
[0057]
That is, the deterioration state of the anode electrode can be diagnosed by changing the amount of fuel gas, the deterioration state of the cathode electrode can be diagnosed by changing the amount of oxidizing gas, and the pressing pressure of the cell can be changed. This makes it possible to diagnose an increase in contact resistance between cells and a deterioration of the electrolyte membrane.
[0058]
And the correction | amendment of the control conditions of an auxiliary machine so that the system efficiency after degradation may become the maximum according to a degradation state can suppress the fall of the system efficiency at the time of degradation to the minimum.
[0059]
Further, the auxiliary machine control is performed so that the difference between the output power of the fuel cell 10 when the auxiliary machine control condition is changed and the consumed power of the auxiliary machine when the auxiliary machine control condition is changed is maximized. By determining the conditions, it is possible to minimize a decrease in system efficiency when it deteriorates.
[0060]
In the control condition correction procedure (see FIG. 3), the hydrogen flow rate is increased in step S302, but the hydrogen pressure may be increased.
[0061]
In this case, in step S302, a plurality of increase amounts of the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 are set to collect current / voltage characteristic data when the hydrogen pressure increases, and in step S303, the auxiliary device when the hydrogen pressure increases. Power consumption is calculated. Further, in step S304, the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10 based on the current / voltage characteristics obtained in step S302 and the auxiliary machine power consumption calculated in step S303. The hydrogen pressure condition is obtained, and in step S305, the current and hydrogen pressure control map is updated so that the relationship between the obtained current value and the hydrogen pressure is obtained. Thereafter, the hydrogen pressure is determined based on the updated control map. To control.
[0062]
In the control condition correction procedure (see FIG. 3), the air flow rate is increased in step S312, but the air pressure may be increased.
[0063]
In this case, in step S312, a plurality of increments of the pressure of the air supplied to the fuel cell 10 are set to collect current / voltage characteristic data when the air pressure increases, and in step S313, the auxiliary device when the air pressure increases. Power consumption is calculated. Further, in step S314, the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10 based on the current / voltage characteristics obtained in step S312 and the auxiliary machine power consumption calculated in step S313. The air pressure condition is obtained, and in step S315, the current and air pressure control map is updated so that the relationship between the obtained current value and the air pressure is established. Thereafter, the air pressure is determined based on the updated control map. To control.
[0064]
In the procedure for correcting the control condition, the hydrogen pressure may be increased in step S302 and the air pressure may be increased in step S312. Either one of them may be performed. You may implement. Moreover, you may carry out simultaneously, combining the increase in a flow volume and a pressure.
[0065]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the procedure of collecting current / voltage characteristic change data (see FIG. 5) of the first embodiment is changed as shown in FIG. .
[0066]
In FIG. 9, while operating the fuel cell 10, current and voltage during operation are measured (step S1031a), and the measured data is statistically processed to calculate an average current / voltage characteristic (step S1032a). Similar to the first embodiment, the processing after step S1033 is performed.
[0067]
In the method of the first embodiment, the data collection needs to be performed while the fuel cell system is stopped (when the vehicle is stopped or when the secondary battery is running). In this embodiment, the fuel cell system is operated as usual. In other words, since the current / voltage characteristics can be measured during normal operation, the system does not have to be stopped.
[0068]
(Third embodiment)
In the present embodiment, the deterioration characteristic data collection procedure (see FIG. 4) of the first embodiment is changed as shown in FIG. 10, and the other points are the same as those of the first embodiment.
[0069]
In step S104 of the first embodiment, the condition for increasing the hydrogen flow rate is set, whereas in this embodiment, the condition for increasing only the hydrogen pressure is set (step S104a). Further, in step S106 of the first embodiment, the condition for increasing the air flow rate is set, whereas in this embodiment, the condition for increasing only the air pressure is set (step S106a).
[0070]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, the deterioration content estimation procedure (see FIG. 6) of the first embodiment is changed as shown in FIG. 11, and the other points are the same as those of the first embodiment.
[0071]
In step S201 of the first embodiment, the change amount of the shift component when the hydrogen flow rate is increased is calculated, whereas in this embodiment, the change amount of the shift component when the hydrogen pressure is increased is calculated. (Step S201a). In step S205 of the first embodiment, the shift component change amount when the air flow rate is increased is calculated, whereas in this embodiment, the shift component change amount when the air pressure is increased is calculated. (Step S205a).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment.
2 is a current / voltage characteristic diagram showing a relationship between an output current and an output voltage of the fuel cell 10 of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a flowchart of a portion of deterioration correction control executed by a control unit 40 of FIG.
4 is a flowchart showing details of collection of deterioration characteristic data in FIG. 3; FIG.
5 is a flowchart showing details of collection of current / voltage characteristic change data in FIG. 4; FIG.
6 is a flowchart showing details of deterioration content estimation in FIG. 3;
7 is a flowchart showing details of correction of the control condition of FIG. 3;
FIG. 8 is a flowchart showing details of the humidification condition correction / deterioration alarm output in FIG. 7;
FIG. 9 is a flowchart showing a main part of control processing executed in the second embodiment.
FIG. 10 is a flowchart showing a main part of control processing executed in the third embodiment.
FIG. 11 is a flowchart showing a main part of a control process executed in the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... Fuel cell, 12 ... Cell monitor (current measuring means and voltage measuring means),
21 ... Air pump (auxiliary), 23 ... Air pressure regulating valve (auxiliary),
32 ... Hydrogen pressure regulating valve (auxiliary machine), 34 ... Hydrogen pump (auxiliary machine),
40: Control unit (calculation means).

Claims

The fuel cell (10) generates an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly composed of oxygen and a fuel gas mainly composed of hydrogen, and is operated by electric power supplied from the fuel cell (10). And an auxiliary machine (21, 23, 32, 34) for supplying at least one of the oxidizing gas or the fuel gas to the fuel cell (10),
Current measuring means (12) for measuring the output current of the fuel cell (10);
Voltage measuring means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10);
A calculation means (40) for calculating a current / voltage characteristic indicating a relationship between the output current and the output voltage;
Based on the current / voltage characteristics, the deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed, and the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) is set so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state. Correct the control conditions of
Furthermore, the deterioration state of the anode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of the pressure or amount of the fuel gas supplied by the auxiliary machine (32, 34). Fuel cell system.

The fuel cell (10) generates an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly composed of oxygen and a fuel gas mainly composed of hydrogen, and is operated by electric power supplied from the fuel cell (10). And an auxiliary machine (21, 23, 32, 34) for supplying at least one of the oxidizing gas or the fuel gas to the fuel cell (10),
Current measuring means (12) for measuring the output current of the fuel cell (10);
Voltage measuring means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10);
A calculation means (40) for calculating a current / voltage characteristic indicating a relationship between the output current and the output voltage;
Based on the current / voltage characteristics, the deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed, and the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) is set so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state. Correct the control conditions of
Furthermore, the deterioration state of the cathode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of the pressure or amount of the oxidizing gas supplied by the auxiliary machine (21, 23). Fuel cell system.

The fuel cell (10) generates an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly composed of oxygen and a fuel gas mainly composed of hydrogen, and is operated by electric power supplied from the fuel cell (10). And an auxiliary machine (21, 23, 32, 34) for supplying at least one of the oxidizing gas or the fuel gas to the fuel cell (10),
Current measuring means (12) for measuring the output current of the fuel cell (10);
Voltage measuring means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10);
A calculation means (40) for calculating a current / voltage characteristic indicating a relationship between the output current and the output voltage;
Based on the current / voltage characteristics, the deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed, and the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) is set so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state. Correct the control conditions of
Further, the fuel cell (10) is configured by pressing a number of stacked cells with a predetermined pressing pressure,
A fuel cell system characterized by changing the pressing pressure to diagnose an increase in contact resistance between the cells.

The fuel cell (10) generates an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly composed of oxygen and a fuel gas mainly composed of hydrogen, and is operated by electric power supplied from the fuel cell (10). And an auxiliary machine (21, 23, 32, 34) for supplying at least one of the oxidizing gas or the fuel gas to the fuel cell (10),
Current measuring means (12) for measuring the output current of the fuel cell (10);
Voltage measuring means (12) for measuring the output voltage of the fuel cell (10);
A calculation means (40) for calculating a current / voltage characteristic indicating a relationship between the output current and the output voltage;
Based on the current / voltage characteristics, the deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed, and the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) is set so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the deterioration state. Correct the control conditions of
Further, the fuel cell (10) is configured by pressing a number of stacked cells with a predetermined pressing pressure,
A fuel cell system for diagnosing deterioration of the electrolyte membrane of the cell by changing the pressing pressure.

Current / voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) and current / voltage when correcting the control conditions of the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein a deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed on the basis of characteristics .

Current / voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) and current / voltage when correcting the control conditions of the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) Based on the characteristics, the deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed,
Furthermore, the deterioration state of the cathode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of the pressure or amount of the oxidizing gas supplied by the auxiliary machine (21, 23). The fuel cell system according to any one of claims 1, 3, and 4 .

The fuel cell (10) is configured by pressing a number of stacked cells with a predetermined pressing pressure,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressing pressure is changed to diagnose an increase in contact resistance between the cells.

The deterioration state of the anode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of the pressure or the amount of the fuel gas supplied by the auxiliary machine (32, 34). 5. The fuel cell system according to any one of 2 to 4 .

The fuel cell (10) is configured by pressing a number of stacked cells with a predetermined pressing pressure,
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein deterioration of the electrolyte membrane of the cell is diagnosed by changing the pressing pressure . 5.