JP4595367B2 - Deterioration diagnosis method and apparatus for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、組み付け作業や時間経過等による燃料電池の劣化を診断するための燃料電池の劣化診断方法及び装置の技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a fuel cell degradation diagnosis method and apparatus for diagnosing degradation of a fuel cell due to, for example, assembly work or time passage.
この様な燃料電池の劣化診断方法の一つとして、交流インピーダンス法を利用した燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As one of such fuel cell deterioration diagnosis methods, a fuel cell system using an AC impedance method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の燃料電池システム(以下、「従来の技術」と称する)によれば、燃料電池に対し、異なる2つの周波数をもった交流信号が印加され、夫々の周波数に対応する燃料電池のインピーダンスが算出される。従来の技術では、この算出されたインピーダンスに基づいて燃料電池のインピーダンスの周波数特性を演算し、周波数特性曲線を得ることによって、燃料電池の経時的な変化がリアルタイムに計測可能であるとされている。 According to the fuel cell system described in Patent Document 1 (hereinafter referred to as “conventional technology”), an AC signal having two different frequencies is applied to the fuel cell, and the fuel cell corresponds to each frequency. Is calculated. In the prior art, it is said that the time-dependent change of the fuel cell can be measured in real time by calculating the frequency characteristic of the impedance of the fuel cell based on the calculated impedance and obtaining the frequency characteristic curve. .
しかしながら、本願発明者の研究によれば、従来の技術は、以下に示す問題点を有する。 However, according to the research of the present inventors, the conventional technique has the following problems.
交流インピーダンス法によって得られる燃料電池のインピーダンスの軌跡は、完全な半円とはならない。従って、従来の技術に示される様に、2点の測定点から燃料電池のインピーダンスの周波数特性曲線を算出しようとしても、誤差が極めて大きく、精度の高い結果を得ることは困難である。また、対象とする周波数範囲で精細な測定を行えば、高精度な周波数特性曲線を得ることが可能であるが、多大な時間が必要であると共に、係る測定によって燃料電池は劣化する。即ち、従来の技術では、効率的且つ高精度に燃料電池の劣化を診断することは事実上不可能である。 The fuel cell impedance trajectory obtained by the AC impedance method is not a complete semicircle. Therefore, as shown in the prior art, even if an attempt is made to calculate the frequency characteristic curve of the impedance of the fuel cell from two measurement points, the error is extremely large and it is difficult to obtain a highly accurate result. In addition, if precise measurement is performed in the target frequency range, it is possible to obtain a highly accurate frequency characteristic curve. However, a long time is required, and the fuel cell deteriorates due to such measurement. That is, it is practically impossible to diagnose the deterioration of the fuel cell efficiently and with high accuracy by the conventional technology.
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、効率的且つ高精度に燃料電池の劣化を診断する燃料電池の劣化診断方法及び装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell deterioration diagnosis method and apparatus for diagnosing fuel cell deterioration efficiently and with high accuracy.
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法は、予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し、周波数F1、F2(F1>F2)及びF3(F2>F3)を含む少なくとも3つの測定周波数の交流信号を印加することにより、前記燃料電池における、前記測定周波数に夫々対応する少なくとも3つの複素インピーダンスを取得するインピーダンス取得工程と、
前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも3つの抵抗値を特定する抵抗値特定工程と、
前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断工程とを具備し、前記周波数F1は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第1軸、及び前記第1軸に直交すると共に容量値を表す第2軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第1軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第1の要因が支配的な第1の領域、及び一部が円弧をなすと共に第1の要因とは異なる第2の要因が支配的な第2の領域を有し、前記周波数F2は、前記第1の領域内で決定され、前記周波数F3は、前記第2の領域内で決定され、前記周波数F2及びF3は、前記第1の領域及び前記第2の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、前記劣化診断要素は、前記周波数F1、F2及びF3の夫々に対応する前記抵抗値を夫々R1、R2及びR3とした場合に、R1、R2−R1、及びR3−2R2+R1という3つの劣化診断要素を含むことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a fuel cell deterioration diagnosis method according to the present invention is applied to a fuel cell driven at a predetermined current density, with frequencies F1, F2 (F1> F2) and F3 (F2> F3). An impedance acquisition step of acquiring at least three complex impedances respectively corresponding to the measurement frequencies in the fuel cell by applying an alternating signal of at least three measurement frequencies including
A resistance value specifying step of specifying at least three resistance values of the fuel cell respectively corresponding to the measurement frequency from the acquired complex impedance;
A diagnosis step of diagnosing deterioration of the fuel cell based on a deterioration diagnosis element that is a predetermined function of the specified resistance value, and the frequency F1 represents the resistance value that defines the complex impedance A frequency characteristic curve of the complex impedance drawn in a measurement frequency range including the measurement frequency and the first axis on a coordinate plane having a first axis and a second axis perpendicular to the first axis and representing a capacitance value Is set to a frequency corresponding to a point that defines a direct current resistance in the fuel cell, and the frequency characteristic curve is partly arcuate and the first factor is dominant. A first region and a second region partly arcuate and a second factor different from the first factor is dominant, and the frequency F2 is determined within the first region, The frequency F3 is The frequencies F2 and F3 are determined in the second region, and the frequencies F2 and F3 are frequencies corresponding to vertices of the arc or points in the vicinity of the vertices in the first region and the second region, respectively. The diagnostic elements include three deterioration diagnostic elements R1, R2-R1, and R3-2R2 + R1, where the resistance values corresponding to the frequencies F1, F2, and F3 are R1, R2, and R3, respectively. It is characterized by.
本発明に係る燃料電池の劣化診断方法によれば、インピーダンス取得工程において、予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し少なくとも3つの測定周波数の交流信号が印加され、夫々の測定周波数に対応する少なくとも3つの複素インピーダンスが取得される。 According to the method for diagnosing deterioration of a fuel cell according to the present invention, in an impedance acquisition step, an AC signal of at least three measurement frequencies is applied to a fuel cell driven at a predetermined current density, and the measurement frequency is set to each measurement frequency. Corresponding at least three complex impedances are obtained.
ここで、本発明に係る「燃料電池」とは、燃料電池セルであっても、一定数量の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックであっても構わない。 Here, the “fuel cell” according to the present invention may be a fuel cell or a fuel cell stack in which a certain number of fuel cells are stacked.
複素インピーダンスは、実部である抵抗値と、虚部である容量値で表現され、抵抗値特定工程においては、この抵抗値が測定周波数毎に少なくとも3つ特定される。そして、診断工程では、劣化診断要素に基づいて燃料電池の劣化が診断される。 The complex impedance is expressed by a resistance value that is a real part and a capacitance value that is an imaginary part. In the resistance value specifying step, at least three resistance values are specified for each measurement frequency. In the diagnosis step, the deterioration of the fuel cell is diagnosed based on the deterioration diagnosis element.
ここで、「劣化診断要素」とは、係る抵抗値の所定関数として規定される値である。劣化診断要素は、例えば、抵抗値自体、抵抗値に何らかの四則演算が施されたもの、又は複数の抵抗値間で何らかの演算規則に基づいて演算がなされたもの等、抵抗値の関数である限り如何なる値であってもよい。即ち、「所定の関数」とは、この様な何らかの演算規則等の結果得られる値を指す概念である。劣化診断要素は、一つであっても、複数であってもよく、本発明に係る燃料電池の劣化を診断可能な限りにおいて、その数量は限定されない。 Here, the “deterioration diagnostic element” is a value defined as a predetermined function of the resistance value. As long as the deterioration diagnosis element is a function of the resistance value, for example, the resistance value itself, a value obtained by performing some arithmetic operation on the resistance value, or a value calculated based on some calculation rule between a plurality of resistance values Any value is acceptable. That is, the “predetermined function” is a concept indicating a value obtained as a result of such an operation rule or the like. The number of deterioration diagnosis elements may be one or plural, and the number thereof is not limited as long as the deterioration of the fuel cell according to the present invention can be diagnosed.
診断工程においては、係る劣化診断要素に基づいて燃料電池の劣化が診断される。ここで、本発明に係る「劣化」とは、例えば、燃料電池セルをスタックに組み付ける際に生じる接触抵抗の増加、ガス拡散不足、触媒活性低下、又は触媒有効利用率低下等の劣化や、経時変化によって燃料電池内部に生じた物理的又は化学的な劣化を含み、燃料電池において何らかの機能の低下を招く、又は招く可能性を有する現象全てを含んで規定される。 In the diagnosis step, deterioration of the fuel cell is diagnosed based on the deterioration diagnosis element. Here, the term “deterioration” according to the present invention refers to deterioration such as increase in contact resistance, insufficient gas diffusion, decrease in catalyst activity, or decrease in effective catalyst utilization rate that occurs when a fuel cell is assembled in a stack, It is defined to include all phenomena that include, or have the potential to cause, some degradation in functionality in the fuel cell, including physical or chemical degradation that occurs within the fuel cell due to the change.
本発明において、「診断する」とは、劣化診断要素に基づいて、定性的若しくは定量的、又は経験的、実験的若しくはシミュレーション等によって燃料電池の劣化状態を診断する趣旨で規定される。 In the present invention, “diagnose” is defined as the purpose of diagnosing the deterioration state of the fuel cell qualitatively or quantitatively, or empirically, experimentally, or simulation based on a deterioration diagnosis element.
例えば、予め劣化診断のための基準値と劣化診断要素の値とを比較することによって燃料電池の劣化を診断してもよい。また、この様な基準値を複数設けることによって、燃料電池の劣化状態が多段階に診断されてもよい。更には、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの全てについてこの様な診断を実行し、燃料電池セル毎に得られた劣化診断要素を当該セル間で比較することによって、比較的に劣化又は異常があると推定されるセルを抽出する様な処理であってもよい。この様な態様では、実使用される前段階で異常なセルを除去、調整、又は修理することが可能となって効率的である。 For example, the deterioration of the fuel cell may be diagnosed by comparing a reference value for deterioration diagnosis with the value of the deterioration diagnosis element in advance. Further, by providing a plurality of such reference values, the deterioration state of the fuel cell may be diagnosed in multiple stages. Furthermore, by executing such a diagnosis for all of the fuel cells constituting the fuel cell stack and comparing the deterioration diagnosis elements obtained for each fuel cell between the cells, the deterioration or abnormality is relatively low. The process may be such that a cell estimated to be present is extracted. Such an aspect is efficient because it is possible to remove, adjust, or repair abnormal cells in the stage before actual use.
ここで、特に、本発明に係る診断工程においては、劣化診断要素に基づいて劣化を診断するため、従来技術の如くインピーダンスの周波数特性曲線を実測又は演算によって取得する必要が生じない。また、測定周波数が少なくとも3つあるため、どの様な周波数特性曲線を有する燃料電池にも比較的に対応可能であり、従来技術の如き誤差が生じる可能性もない。また、その様な誤差が生じないように、劣化診断要素における前述の「所定の関数」を適切に設定することも容易に可能である。従って、高効率且つ高精度に燃料電池の劣化を診断することが可能となるのである。
また、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記周波数F1は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第1軸、及び前記第1軸に直交すると共に容量値を表す第2軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第1軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されている。
この様な座標平面は、複素インピーダンス平面とも称される。この座標平面上に燃料電池の複素インピーダンスをプロットする場合、このプロットの周波数変化の軌跡が、即ち、ここで述べられる「周波数特性曲線」となる。この周波数特性曲線は、「コール・コールプロット」とも呼ばれている。この周波数特性曲線をある周波数範囲で描く際、この曲線は第1軸、即ち抵抗値を規定する軸とある周波数で交差する。本態様において、周波数F1は、この交差点であって、且つ燃料電池の直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されている。ここで「直流抵抗」とは、典型的には接触抵抗である。
この直流抵抗を与える周波数F1は、燃料電池が経時変化に晒されても変化することが無いとされているため、劣化診断の精度を高め得る周波数の一つとなっている。即ち、燃料電池に何らかの変化が生じた際に周波数F1において特定される抵抗値の差分は、そのまま劣化の程度を示す一つの指針となるので、劣化診断を高精度に行うことが可能となる。
尚、係る周波数F1は、予め経験的、又はシミュレーション等によって与えられる性質のものであってもよいし、ある燃料電池において取得された周波数特性に基づいて与えられてもよい。通常、燃料電池において、構成、構造、又は仕様が等しければ、未使用状態におけるインピーダンスの周波数特性は一定か又は大きな差異は無い程度であり、従って、リファレンスとなるべき周波数特性が知れていれば十分である。従って、従来技術の様に測定毎に周波数特性を取得する必要は全くなく、燃料電池の劣化は問題視される程度には生じない。
更に、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第1の要因が支配的な第1の領域、及び一部が円弧をなすと共に第1の要因とは異なる第2の要因が支配的な第2の領域を有し、前記周波数F2は、前記第1の領域内で決定され、前記周波数F3は、前記第2の領域内で決定される。
周波数特性曲線は、既に述べた様に複雑な形状を有しており、一般に真円とはならない。また、燃料電池を駆動する際の電流密度によってもこの周波数特性曲線の形状は変化する。この周波数特性曲線には、第1の要因が支配的な第1の領域と、第2の要因が支配的な第2の領域とがあるとされており、それら領域の重なり方の違によって、周波数特性の形状も変化する。
ここで、第1の要因とは、例えば、燃料電池内において酸素が反応する際の反応抵抗であると考えられ、第2の要因とは、例えば、燃料電池内における酸素の拡散に関する抵抗であると考えられる。電流密度条件によっては、これら二つの領域が、例えば、一部円弧状となることによって識別可能となることがある。そこで、この二つの領域から、夫々周波数F2及びF3を選択することによって、燃料電池の劣化が、如何なる要因に起因するものかの判別が容易となる。尚、周波数F2及びF3が、夫々異なる要因が支配的とされる領域から選択される限りにおいて、実際に燃料電池の劣化診断に供する電流密度は限定されない。
更に、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記周波数F2及びF3は、前記第1の領域及び前記第2の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数である。
周波数F2及びF3は、異なる要因が支配的とされる領域から選択される限り、上述の効果は担保されるものであるが、例えば、夫々の領域に現れる円弧の頂点にこれら周波数を規定することもできる。この場合、前述の直流抵抗と同様、円弧の頂点を与える周波数は、燃料電池に生じた劣化の影響を受けず保存される。従って、燃料電池の劣化診断に際してその誤差が生じにくく、高精度な劣化診断が可能となるのである。
尚、ここで述べられる「頂点近傍」とは、厳密に頂点である必要はないとの趣旨であり、周波数特性曲線において、円弧の頂点として認識しうる点を全て含んで規定される。
更に、本発明に係る燃料電池の劣化診断方法においては、前記劣化診断要素は、前記周波数F1、F2及びF3の夫々に対応する前記抵抗値を夫々R1、R2及びR3とした場合に、R1、R2−R1、及びR3−2R2+R1という3つの劣化診断要素を含む。
ここで、R1とは、即ち、前述した直流抵抗の値である。ここで、特に、F2及びF3を夫々異なる要因が支配的な領域から選択した場合には、R2−R1の値によって第1の要因に係る劣化の度合いが、R3−2R2+R1の値によって第2の要因に係る劣化の度合いが夫々容易に診断可能となる。従って、極めて高効率且つ高精度に劣化の診断が可能となるのである。
Here, in particular, in the diagnosis step according to the present invention, since deterioration is diagnosed based on the deterioration diagnosis element, it is not necessary to obtain an impedance frequency characteristic curve by actual measurement or calculation as in the prior art. In addition, since there are at least three measurement frequencies, the fuel cell having any frequency characteristic curve can be handled relatively, and there is no possibility of causing an error as in the prior art. In addition, it is possible to easily set the above-mentioned “predetermined function” in the deterioration diagnosis element so that such an error does not occur. Therefore, it is possible to diagnose the deterioration of the fuel cell with high efficiency and high accuracy.
Further, in the fuel cell deterioration diagnosis method according to the present invention, the frequency F1 defines the complex impedance, the first axis representing the resistance value, and the first axis representing the capacitance value and orthogonal to the first axis. A point defining the DC resistance in the fuel cell, which is an intersection of the frequency characteristic curve of the complex impedance drawn in the measurement frequency range including the measurement frequency and the first axis on a coordinate plane having two axes. Is set to a frequency corresponding to.
Such a coordinate plane is also referred to as a complex impedance plane. When plotting the complex impedance of the fuel cell on this coordinate plane, the locus of the frequency change in this plot is the “frequency characteristic curve” described here. This frequency characteristic curve is also called “Cole-Cole plot”. When this frequency characteristic curve is drawn in a certain frequency range, this curve intersects the first axis, that is, the axis defining the resistance value at a certain frequency. In this embodiment, the frequency F1 is set to a frequency corresponding to this intersection and a point that defines the direct current resistance of the fuel cell. Here, the “DC resistance” is typically a contact resistance.
The frequency F1 giving the direct current resistance is one of the frequencies that can improve the accuracy of the deterioration diagnosis because it does not change even when the fuel cell is exposed to a change with time. That is, when a change occurs in the fuel cell, the difference in resistance value specified at the frequency F1 serves as a guideline indicating the degree of deterioration as it is, so that deterioration diagnosis can be performed with high accuracy.
Note that the frequency F1 may have a property given in advance by experience or simulation, or may be given based on a frequency characteristic acquired in a certain fuel cell. In general, in a fuel cell, if the configuration, structure, or specifications are the same, the frequency characteristics of the impedance in the unused state are constant or do not differ greatly. Therefore, it is sufficient if the frequency characteristics to be used as a reference are known. It is. Therefore, there is no need to acquire frequency characteristics for each measurement as in the prior art, and deterioration of the fuel cell does not occur to the extent that it is regarded as a problem.
Further, in the fuel cell deterioration diagnosis method according to the present invention, the frequency characteristic curve includes a first region in which part of the frequency characteristic curve is circular and the first factor is dominant, and part of the frequency characteristic curve is circular in shape. A second region that is dominated by a second factor different from the one factor, the frequency F2 is determined in the first region, and the frequency F3 is determined in the second region. Is done.
The frequency characteristic curve has a complicated shape as described above, and is generally not a perfect circle. The shape of the frequency characteristic curve also changes depending on the current density when driving the fuel cell. The frequency characteristic curve includes a first region where the first factor is dominant and a second region where the second factor is dominant. Depending on how these regions overlap, The shape of the frequency characteristic also changes.
Here, the first factor is considered to be a reaction resistance when oxygen reacts in the fuel cell, for example, and the second factor is a resistance related to diffusion of oxygen in the fuel cell, for example. it is conceivable that. Depending on the current density condition, these two regions may be identifiable by, for example, a partial arc shape. Therefore, by selecting the frequencies F2 and F3 from these two regions, it becomes easy to determine what causes the deterioration of the fuel cell. As long as the frequencies F2 and F3 are selected from regions in which different factors are dominant, the current density actually used for the deterioration diagnosis of the fuel cell is not limited.
Furthermore, in the fuel cell deterioration diagnosis method according to the present invention, the frequencies F2 and F3 are frequencies corresponding to vertices of the arc or points in the vicinity of the vertices in the first region and the second region, respectively. It is.
As long as the frequencies F2 and F3 are selected from regions in which different factors are dominant, the above-mentioned effects are ensured. For example, these frequencies should be defined at the vertices of an arc appearing in each region. You can also. In this case, like the above-described DC resistance, the frequency that gives the top of the arc is preserved without being affected by the deterioration that has occurred in the fuel cell. Therefore, the error is not easily generated in the deterioration diagnosis of the fuel cell, and the highly accurate deterioration diagnosis is possible.
Note that the “vicinity vicinity” described here is not necessarily strictly a vertex, and is defined to include all points that can be recognized as the vertex of an arc in the frequency characteristic curve.
Furthermore, in the fuel cell deterioration diagnosis method according to the present invention, when the deterioration diagnosis element sets the resistance values corresponding to the frequencies F1, F2, and F3 to R1, R2, and R3, respectively, R1, It includes three degradation diagnostic elements R2-R1 and R3-2R2 + R1.
Here, R1 is the value of the DC resistance described above. Here, in particular, when F2 and F3 are selected from a region in which different factors are dominant, the degree of deterioration according to the first factor depends on the value of R2−R1, and the second degree depends on the value of R3−2R2 + R1. The degree of deterioration related to the factor can be easily diagnosed. Accordingly, it is possible to diagnose deterioration with extremely high efficiency and high accuracy.
本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の一の態様において、前記診断工程は、前記診断工程は、前記劣化診断要素の値の前回値との比較に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する。
In one aspect of the method for diagnosing deterioration of a fuel cell according to the present invention, the diagnosing step diagnoses deterioration of the fuel cell based on a comparison with a previous value of a value of the deterioration diagnosing element. .
燃料電池は、時間経過と共に、その程度を問わず何らかの劣化を生じることが多いから、異なる時刻において取得される燃料電池のインピーダンスには、何らかの経時変化が生じる。従って、この様な経時変化を何らかの形で取得することができれば、燃料電池に経時的に生じた劣化を診断することが可能となる。ここで、燃料電池においてインピーダンスに変化が生じるならば、このインピーダンスに対応する抵抗値、更には係る抵抗値の所定関数である劣化診断要素の値にも変化が生じる。詰まり、劣化診断要素の値の経時変化を規定する前回値との比較に基づいて、燃料電池の劣化を診断することができる。尚、この様な経時変化において、時間経過の大小は何ら限定されるものではなく、例えば、自動車等においては、定期点検のタイミング間隔であってもよいし、単に異なる二つの時刻間として規定されてもよい。この態様によれば、燃料電池に生じた経時劣化を簡便に診断することが可能である。
A fuel cell often deteriorates with time regardless of the degree of time. Therefore, the impedance of the fuel cell acquired at different times changes with time. Therefore, if such a change with time can be acquired in some form, it is possible to diagnose deterioration that has occurred over time in the fuel cell. Here, if a change occurs in the impedance in the fuel cell, a change also occurs in the resistance value corresponding to this impedance, and also in the value of the deterioration diagnosis element which is a predetermined function of the resistance value. The deterioration of the fuel cell can be diagnosed based on the comparison with the previous value that defines the change over time in the value of the clogging and deterioration diagnosis element. In such a change over time, the magnitude of the time lapse is not limited in any way. For example, in an automobile or the like, it may be a timing interval for periodic inspection, or simply defined as two different times. May be. According to this aspect, it is possible to easily diagnose deterioration with time occurring in the fuel cell.
本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記診断工程は、前記劣化診断要素の値と基準値との相対比較に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する。 In another aspect of the fuel cell deterioration diagnosis method according to the present invention, the diagnosis step diagnoses deterioration of the fuel cell based on a relative comparison between a value of the deterioration diagnosis element and a reference value.
ここで述べられる「基準値」とは、劣化診断要素の値と比較可能である限りにおいて何らの限定を受けるものではない。予め、係る基準値となり得る数値が、経験的に、又はシミュレーション等によって判明している場合にはその様な数値であってもよいし、任意の時刻に行われた劣化の診断における劣化診断要素の値であってもよい。 The “reference value” described here is not limited in any way as long as it can be compared with the value of the deterioration diagnosis element. If the numerical value that can be the reference value is known empirically or by simulation or the like, it may be such a numerical value, or a deterioration diagnosis element in the deterioration diagnosis performed at an arbitrary time May be the value.
この態様によれば、劣化診断要素の値を基準値と比較することによって劣化の診断が可能となるから、明確且つ速やかに燃料電池の劣化を診断することが可能である。 According to this aspect, it is possible to diagnose the deterioration by comparing the value of the deterioration diagnosis element with the reference value. Therefore, it is possible to diagnose the deterioration of the fuel cell clearly and promptly.
また、この態様では、前記基準値は、初期又は基準時期に実行された前記診断工程における前記劣化診断要素の値であってもよい。 Further, in this aspect, the reference value may be a value of the deterioration diagnosis element in the diagnosis process executed at an initial stage or a reference time.
ここで、「初期」とは、燃料電池の本格的な発電の前段階を指す。この様な段階において燃料電池の劣化診断を行った際に得られる劣化診断要素の値を、例えば、基準値又はリファレンス値とすることによって、燃料電池の劣化を速やかに診断することが可能である。 Here, “initial stage” refers to a stage before full-scale power generation of the fuel cell. It is possible to promptly diagnose the deterioration of the fuel cell by setting the value of the deterioration diagnosis element obtained when performing the deterioration diagnosis of the fuel cell at such a stage, for example, as a reference value or a reference value. .
本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記燃料電池に対し、予め前記周波数特性曲線を取得する特性取得工程を更に具備し、前記周波数F1、F2及びF3は、前記取得された周波数特性曲線に基づいて決定される。
In another aspect of the method for diagnosing deterioration of a fuel cell according to the present invention, the fuel cell further includes a characteristic acquisition step of acquiring the frequency characteristic curve in advance for the fuel cell, wherein the frequencies F1, F2, and F3 are acquired. Determined based on the frequency characteristic curve.
この態様によれば、特性取得工程において、燃料電池のインピーダンスの周波数特性曲線が取得される。但し、この周波数特性曲線は、周波数F1、F2及びF3を決定するためのものであって、周波数特性曲線を取得すること自体が目的のものではないから、燃料電池の劣化を促進しない程度に実施することが可能である。また、測定周波数が決定された後は、係る周波数特性を取得する必要は生じないので、燃料電池の劣化が生じる可能性は少ない。一方で、この様に予め周波数特性を取得した上で、測定周波数を決定することによって、適切な測定周波数を選択することが可能となるので非常に効果的である。 According to this aspect, in the characteristic acquisition step, the frequency characteristic curve of the impedance of the fuel cell is acquired. However, this frequency characteristic curve is for determining the frequencies F 1 , F 2, and F 3 , and does not promote the deterioration of the fuel cell because the acquisition of the frequency characteristic curve itself is not intended. To the extent possible. Further, after the measurement frequency is determined, it is not necessary to acquire such frequency characteristics, so there is little possibility that the fuel cell will deteriorate. On the other hand, it is very effective because an appropriate measurement frequency can be selected by determining the measurement frequency after acquiring the frequency characteristics in advance.
周波数F1が直流抵抗を規定する点に相当する周波数である燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記測定周波数は、周波数F4(F3>F4)を含み、前記周波数F4は、前記周波数特性曲線と前記第1軸との交点に相当する周波数である。 In another aspect of the method for diagnosing deterioration of a fuel cell in which the frequency F 1 is a frequency corresponding to a point defining a DC resistance, the measurement frequency includes the frequency F 4 (F 3 > F 4 ), and the frequency F 4 Is a frequency corresponding to the intersection of the frequency characteristic curve and the first axis.
この態様では、周波数F4を測定周波数として備える。周波数F4は、周波数特性曲線と第1軸との交点であって、直流抵抗R1とは異なる交点である。この様に測定周波数を増やすことによって、周波数特性曲線の近似精度が向上するので、一層燃料電池の劣化診断に係る精度が向上する。この様に測定周波数に周波数F4を含む場合には、この周波数F4に相当する抵抗値をR4とすると、例えば、R4をダイレクトに比較することによって、燃料電池の劣化診断に供することが可能である。 In this embodiment, it comprises a frequency F 4 as the measurement frequency. Frequency F 4 is an intersection between the frequency characteristic curve a first shaft, which is different from the intersection to the DC resistance R 1. By increasing the measurement frequency in this way, the approximation accuracy of the frequency characteristic curve is improved, so that the accuracy relating to the deterioration diagnosis of the fuel cell is further improved. When the frequency F 4 is included in the measurement frequency in this way, assuming that the resistance value corresponding to the frequency F 4 is R 4 , for example, direct comparison of R 4 is used for diagnosis of deterioration of the fuel cell. Is possible.
本発明に係る燃料電池の劣化診断方法の他の態様では、前記燃料電池の劣化を診断した結果、前記燃料電池が劣化している場合に、前記劣化している燃料電池の存在を通知する通知工程を更に具備する。 In another aspect of the method for diagnosing deterioration of a fuel cell according to the present invention, when the fuel cell is deteriorated as a result of diagnosing the deterioration of the fuel cell, notification for notifying the presence of the deteriorated fuel cell The method further includes a step.
燃料電池が、例えば、自動車等に搭載されている場合には、定期的な点検整備や、走行距離に基づく点検整備だけでは、実使用上問題のあるレベルまで劣化が進行してしまう場合が考えられる。その様な場合、当該搭載状態において、例えば、自動的に、又は一定の期間毎に本発明に係る燃料電池の劣化診断を実施してもよい。 For example, when a fuel cell is mounted in an automobile or the like, deterioration may proceed to a level where there is a problem in actual use only by periodic inspection and maintenance or inspection and maintenance based on the travel distance. It is done. In such a case, the deterioration diagnosis of the fuel cell according to the present invention may be performed in the mounted state, for example, automatically or at regular intervals.
この態様は係る際に特に好適であって、劣化診断工程の結果、燃料電池が何らかの劣化状態にある場合には、通知工程によって、その旨が通知されるので、リアルタイムに燃料電池の劣化の有無を知ることが可能となる。 This aspect is particularly suitable for such cases, and when the fuel cell is in some deterioration state as a result of the deterioration diagnosis step, this is notified by the notification step, so whether or not the fuel cell has deteriorated in real time. It becomes possible to know.
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池の劣化診断装置は、予め定められた電流密度で駆動される燃料電池に対し、周波数F1、F2(F1>F2)及びF3(F2>F3)を含む少なくとも3つの測定周波数の交流信号を印加することにより、前記燃料電池における、前記測定周波数に夫々対応する少なくとも3つの複素インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも3つの抵抗値を特定する抵抗値特定手段と、前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断手段とを具備し、前記周波数F1は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第1軸、及び前記第1軸に直交すると共に容量値を表す第2軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第1軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第1の要因が支配的な第1の領域、及び一部が円弧をなすと共に第1の要因とは異なる第2の要因が支配的な第2の領域を有し、前記周波数F2は、前記第1の領域内で決定され、前記周波数F3は、前記第2の領域内で決定され、前記周波数F2及びF3は、前記第1の領域及び前記第2の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、前記劣化診断要素は、前記周波数F1、F2及びF3の夫々に対応する前記抵抗値を夫々R1、R2及びR3とした場合に、R1、R2−R1、及びR3−2R2+R1という3つの劣化診断要素を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a fuel cell deterioration diagnosis apparatus according to the present invention has frequencies F1, F2 (F1> F2) and F3 (F2> F3) for a fuel cell driven at a predetermined current density. From the acquired complex impedance, impedance acquisition means for acquiring at least three complex impedances respectively corresponding to the measurement frequency in the fuel cell by applying an alternating signal of at least three measurement frequencies including Diagnosing deterioration of the fuel cell based on a resistance value specifying means for specifying at least three resistance values of the fuel cell respectively corresponding to the measurement frequency and a deterioration diagnosis element which is a predetermined function of the specified resistance value ; and a diagnostic means for the frequency F1 defines the complex impedance, the first axis representing the resistance value, And an intersection of the frequency characteristic curve of the complex impedance drawn in the measurement frequency range including the measurement frequency and the first axis on a coordinate plane orthogonal to the first axis and having a second axis representing the capacitance value. The frequency characteristic curve is set to a frequency corresponding to a point that defines a direct current resistance in the fuel cell, and the frequency characteristic curve is a first region in which a part of the frequency characteristic curve is circular and the first factor is dominant, And a second region in which a second factor different from the first factor dominates while partly forming an arc, the frequency F2 is determined within the first region, and the frequency F3 is , Determined in the second region, and the frequencies F2 and F3 are frequencies corresponding to vertices of the arc in the first region and the second region, respectively, or points near the vertex, The deterioration diagnosis element is When the resistance value corresponding to each of the numbers F1, F2 and F3 was respectively R1, R2 and R3, characterized in that it comprises a three deterioration diagnosis element as R1, R2-R1, and R3-2R2 + R1.
係る劣化診断装置によれば、上述した様な劣化診断を実行することが可能となるので、燃料電池の劣化を効率的且つ高精度に診断することが可能である。 According to such a deterioration diagnosis apparatus, it is possible to execute the deterioration diagnosis as described above, and therefore it is possible to efficiently and accurately diagnose the deterioration of the fuel cell.
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態により明らかにされる。 Such an operation and other advantages of the present invention will be clarified by embodiments described below.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池の劣化診断方法について説明する。
<実施形態>
<測定システム100の構成>
始めに、本実施形態に係る燃料電池の劣化診断方法を実現するための測定システムについて、図1を参照して説明する。ここに、図1は、測定システム100の回路構成図である。
Hereinafter, a fuel cell deterioration diagnosis method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Embodiment>
<Configuration of measurement system 100>
First, a measurement system for realizing the method for diagnosing deterioration of a fuel cell according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the measurement system 100.
図1において、測定システム100は、燃料電池セル10に対し、本発明に係る「燃料電池の劣化診断装置」の一例たる測定装置110が接続されてなる。
In FIG. 1, a measurement system 100 is configured by connecting a
燃料電池セル10は、本発明に係る「燃料電池」の一例であり、固体高分子型燃料電池の一セルである。本実施形態において、燃料電池セル10は、N個の燃料電池セル10が積層されてなる不図示の燃料電池スタックの一構成要素である。ここで、燃料電池セル10について、図2を参照して説明する。ここに、図2は、燃料電池セル10の断面構造図である。例えばサービスステーションなどの点検設備や自宅ガレージ等における、燃料電池セル10の定期点検時、設置時、故障時等に、測定装置110は、燃料電池セル10に図1の如くに接続される。
The
図2において、燃料電池セル10は、紙面に垂直な方向に面的に広がるイオン交換膜からなる電解質膜11を有する。電解質膜11の一方面には、触媒層12及び拡散層13からなるアノード電極14が形成されており、他方面には、触媒層15及び拡散層16からなるカソード電極17が形成されている。このアノード電極14、カソード電極17及びこれら両極に挟持される電解質膜11とは、膜−電極アセンブリ(Membrane-Electrode Assembly)18を形成する。
In FIG. 2, the
燃料ガス流路19は、アノード電極14に対し、燃料ガス(通常は水素ガス)を供給する流路である。酸化剤ガス流路20は、カソード電極17に対し、酸化剤ガス(通常は空気)を供給する流路である。尚、燃料ガス流路19は、図2中で紙面に垂直な方向に延在すると共に並列に配列された複数の部分流路を含んでなるか、又は直列に蛇行して延びる1本の流路からなる。酸化剤ガス流路20も同様に複数の部分流路を含んでなるか、又は蛇行して延びる流路からなる。更に、燃料ガス流路19及び酸化剤ガス流路20は相互に、交差する方向に延在していてもよい。膜−電極アセンブリ18、燃料ガス流路19及び酸化剤ガス流路20は、燃料電池セル10をそれに隣接する不図示の燃料電池セルから分離するためのセパレータ21によって両側から覆われている。セパレータ21の両端には、冷媒流路22が形成されている。冷媒流路22についても、複数の部分流路を含んでなるか、又は蛇行して延びる流路からなる。
The
上記構成において、拡散層13に供給される水素ガスが触媒層12によって電子と水素イオンに分離される。係る電子は、アノード電極14から図示略の外部回路と通ってカソード電極17に到達すると共に、水素イオンは、電解質膜11を通ってカソード電極17に移動する。一方、カソード電極17では、拡散層16に供給される空気内の酸素分子が、外部回路を通ってきた電子を受け取って酸素イオンとなると共に、更に水素イオンと結合して水となって排出される。燃料電池セル10では、この様にして発電が行われる。
In the above configuration, the hydrogen gas supplied to the diffusion layer 13 is separated into electrons and hydrogen ions by the catalyst layer 12. Such electrons reach the
尚、前述の燃料電池スタックが構成される際には、セパレータ21に設けられた冷媒流路22同士が対面する様に、即ち、冷媒流路22が隣接する2個の燃料電池セル10間で共有される様に積層される。
When the above-described fuel cell stack is configured, the
図1に戻り、測定装置110は、燃料電池セル10のアノード電極14とカソード電極17との間に直列に接続された交流信号源111及び負荷112、負荷112と並列に挿入されたインピーダンスアナライザ113、並びにインピーダンスアナライザ113に接続された劣化診断部114を備える。
Returning to FIG. 1, the measuring apparatus 110 includes an AC signal source 111 and a load 112 connected in series between the anode electrode 14 and the
インピーダンスアナライザ113は、インピーダンス測定部113aと抵抗値特定部113bを備える。インピーダンス測定部113aは、交流信号源111の周波数に対応した燃料電池セル10の複素インピーダンスを順次測定することが可能であり、本発明に係る「インピーダンス取得手段」の一例として機能する、或いは、本発明に係る「インピーダンス取得工程」の一例を実行する。
The
抵抗値特定部113bは、インピーダンス測定部113aによって測定された複素インピーダンスの夫々に対応する抵抗値を順次特定することが可能であり、本発明に係る「抵抗値特定手段」の一例として機能する、或いは、本発明に係る「抵抗値特定工程」の一例を実行する。
The resistance
劣化診断部114は、交流信号源111、インピーダンスアナライザ113及び劣化診断部114の後述する各部を夫々上位制御するCPU(Central Processing Unit)115、及びメモリ116を備える。メモリ116は、抵抗値特定部113bによって特定された燃料電池セル10の前述の抵抗値を、CPU115の制御に従って格納(記憶)することが可能な、例えば、HDD(Hard Disk Drive)等の不揮発性の記憶媒体である。劣化診断部114は、本発明に係る「診断手段」の一例として機能する。
The degradation diagnosis unit 114 includes an AC signal source 111, an
尚、アノード電極14及びカソード電極17と、測定装置110とは、例えば、これら両極の夫々に設けられた集電板を介して接続されていてもよい。
The anode electrode 14 and the
係る構成の下、一定の電流密度で駆動される燃料電池セル10に対して、交流信号源111から交流信号が印加されると共に、インピーダンスアナライザ113によって、その交流信号の周波数における燃料電池セル10の複素インピーダンスが順次測定され、その複素インピーダンスの夫々に対応した抵抗値が特定される。劣化診断部114では、この抵抗値に基づいて後述する劣化診断処理が実行される。
Under such a configuration, an alternating current signal is applied from the alternating current signal source 111 to the
尚、測定システム100は、CPU115が、測定対象となる燃料電池セル10をN個のセルについて順次切り替えて測定できる様に構成されているが、図1においては、単一の燃料電池セル10のみが示されている。
<劣化診断処理の詳細>
<A:初期劣化診断処理の詳細>
次に、本実施形態に係る劣化診断処理の一態様である、初期劣化診断処理の詳細について、図3を参照して説明する。ここに、図3は、初期劣化診断処理のフローチャートである。尚、係る初期劣化診断処理は、例えば、燃料電池スタックを出荷する前段階において、燃料電池スタックを構成するN個の燃料電池セル10の初期劣化(不良)を診断する処理である。
Note that the measurement system 100 is configured so that the
<Details of degradation diagnosis processing>
<A: Details of initial deterioration diagnosis processing>
Next, details of the initial deterioration diagnosis process, which is an aspect of the deterioration diagnosis process according to the present embodiment, will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart of the initial deterioration diagnosis process. The initial deterioration diagnosis process is, for example, a process of diagnosing initial deterioration (defect) of the
図3において、最初に、インピーダンス測定を行うための交流信号源111の周波数が決定される(ステップS201)。具体的には、CPU115が、任意の一燃料電池セル10に対し、交流インピーダンス法に基づくインピーダンス測定を実行する。即ち、ステップS201は、本発明に係る「特性取得工程」の一例である。
In FIG. 3, first, the frequency of the AC signal source 111 for performing impedance measurement is determined (step S201). Specifically, the
ここで、ステップS201の詳細について、図4を参照して説明する。ここに、図4は、燃料電池セル10におけるインピーダンスの周波数特性曲線200の模式図である。
Details of step S201 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of an impedance frequency characteristic curve 200 in the
図4において、X軸は抵抗値を表しており、Y軸は容量値を表している。周波数特性曲線200は、周波数F1及びF4においてX軸と交差しており、夫々の交点の読み値、即ち抵抗値はR1及びR4となっている。この内、高周波側の交点である抵抗値R1は、燃料電池セル10の直流抵抗を表している。
In FIG. 4, the X-axis represents the resistance value, and the Y-axis represents the capacitance value. The frequency characteristic curve 200 intersects the X axis at the frequencies F 1 and F 4 , and the readings, that is, the resistance values at the respective intersections are R 1 and R 4 . Among these, the resistance value R 1 that is the intersection on the high frequency side represents the direct current resistance of the
また、周波数特性曲線200は、二つの領域に区別することができる。高周波側の第1の領域は、燃料電池セル10において、酸素が反応する際の反応の抵抗が主要因となってインピーダンスが決定されると考えられる領域であり、本発明に係る「第1の要因が支配的な第1の領域」の一例である。また、低周波側の第2の領域は、酸素が拡散する際の抵抗が主要因となってインピーダンスが決定されると考えられる領域であり、本発明に係る「第2の要因が支配的な第2の領域」の一例である。この二つの領域は、夫々一部が円弧形状をなしている。
The frequency characteristic curve 200 can be distinguished into two regions. The first region on the high frequency side is a region in which the impedance is determined mainly by the resistance of the reaction when oxygen reacts in the
図4において、周波数F2は、第1の領域における、この円弧の頂点付近に相当する周波数であり、同様に周波数F3は、第2の領域における円弧の頂点付近に相当する周波数である。周波数F2及びF3に夫々対応する抵抗値は、夫々R2及びR3となっている。 In FIG. 4, the frequency F 2 is a frequency corresponding to the vicinity of the top of the arc in the first region, and similarly, the frequency F 3 is a frequency corresponding to the vicinity of the top of the arc in the second region. The resistance values corresponding to the frequencies F 2 and F 3 are R 2 and R 3 , respectively.
本実施形態においては、CPU115により、燃料電池セル10の測定周波数として、これら3つの周波数F1、F2及びF3が選択される。
In the present embodiment, the
尚、測定周波数は、周波数特性曲線200上の如何なる点であっても構わない。例えば、周波数特性曲線200における抵抗値R4に対応する周波数F4(即ち、本発明に係る「周波数F4」の一例)であっても構わない。但し、直流抵抗を規定する点(即ち、抵抗値R1)に相当する周波数、第1の領域の円弧上の頂点及び第2の領域の円弧上の頂点に夫々相当する周波数は、劣化の進行の有無に因らず概ね保存されるため、高精度に劣化の診断を行うに好適である。 The measurement frequency may be any point on the frequency characteristic curve 200. For example, the frequency F 4 corresponding to the resistance value R 4 in the frequency characteristic curve 200 (that is, an example of “frequency F 4 ” according to the present invention) may be used. However, the frequency corresponding to the point defining the direct current resistance (that is, the resistance value R 1 ), the frequency corresponding to the apex on the arc of the first region, and the apex on the arc of the second region are the progress of deterioration. It is suitable for diagnosing deterioration with high accuracy since it is generally preserved regardless of the presence or absence of this.
また、ステップS201において、周波数特性曲線200は、測定周波数を決定するために取得される性質のものであり、当該決定が可能な限りにおいて、測定周波数範囲、及び測定周波数間隔の大小は問われない。更に、この様な周波数特性曲線200の取得は、任意の一燃料電池セル10についてのみ行われれば良く、従って、ステップS201に係るインピーダンス測定によって、燃料電池セル10の劣化は進行しない。換言すれば、係る劣化を進行させない範囲で、ステップS201は実行される。
Further, in step S201, the frequency characteristic curve 200 has a property acquired for determining the measurement frequency, and the measurement frequency range and the measurement frequency interval are not limited as long as the determination is possible. . Further, such acquisition of the frequency characteristic curve 200 may be performed for only one
尚、測定周波数は、この様な実測を伴わず、例えば、シミュレーション等によって予め決定されていてもよい。また、既に述べた様に、仕様が同じであれば燃料電池セル間でインピーダンス特性に差異は生じにくいから、本実施形態に係る燃料電池セル10のインピーダンスの周波数特性曲線に代替され得るデータ等が予め得られているならば、その様なデータに基づいて測定周波数が決定されてもよい。
Note that the measurement frequency may be determined in advance by, for example, simulation or the like without accompanying such actual measurement. Further, as already described, since the impedance characteristics are unlikely to differ between the fuel cells if the specifications are the same, there is data that can be substituted for the frequency characteristic curve of the impedance of the
図3に戻り、測定周波数F1、F2及びF3が決定されると、CPU115は、処理対象となる燃料電池セル10を示すカウンタiを「1」にセットし(ステップS202)、更に、測定周波数を示すカウンタgを「1」にセットする(ステップS203)。
Returning to FIG. 3, when the measurement frequencies F 1 , F 2, and F 3 are determined, the
次に、CPU115は、i番目の燃料電池セル10における、g番目の周波数(即ち、周波数Fg)に対応するインピーダンスZgを測定する(ステップS204)。例えば、ここでは、1番目の燃料電池セル10における周波数F1のインピーダンスZ1が測定される。ステップS204は、本発明に係る「インピーダンス取得工程」の一例である。
Next, the
インピーダンスZgが測定されると、CPU115は、Zgに対応する抵抗値Rgを特定する(ステップS205)と共に、その値を、メモリ116に格納する(ステップS206)。メモリ116では、係る抵抗値Rgが、i番目の燃料電池セル10におけるg番目の周波数に対応する抵抗値として格納される。尚、ステップS205は、本発明に係る「抵抗値特定工程」の一例である。
When the impedance Z g is measured,
次に、CPU115は、カウンタgを「1」インクリメントする(ステップS207)と共に、カウンタgの値が「4」であるか、即ち、ステップS201において決定された3つの測定周波数について、インピーダンスの測定が終了したか否かを判別する(ステップS208)。
Next, the
測定が終了していない周波数がある場合(ステップS208:NO)、CPU115は、処理をステップS204まで戻し、ステップS204からステップS208に至る処理が繰り返される。こうして、i番目の燃料電池セル10において、全ての測定周波数(F1、F2及びF3)に対応する抵抗値Rgがメモリ116に格納されると(ステップS208:YES)、CPU115は、メモリ116に格納された抵抗値Rgから、劣化診断要素を演算する(ステップS209)。尚、この時点でメモリ116に格納されたRgとは、即ち、前述の直流抵抗R1、第1の領域における円弧の頂点に相当する抵抗値R2及び第2の領域における円弧の頂点に相当する抵抗値R3のことである。
If there is a frequency that has not been measured (step S208: NO), the
本実施形態において、劣化診断要素は、これらR1、R2及びR3を用いて、「R1」、「R2−R1」及び「R3−2R2+R1」と規定される。CPU115は、これら3つの劣化診断要素の演算が終了すると、これらの値をメモリ116に格納する。(ステップS210)。メモリ116は、格納された劣化診断要素の値を、i番目の燃料電池セル10に対する劣化診断要素の値として格納する。尚、劣化診断要素は、ここで例示する態様に限定されず、抵抗値Rgの何らかの関数として表される値であればよい。但し、本実施形態に係る劣化診断要素は、劣化の要因をある程度特定可能に設定されているので効果的である。尚、測定周波数として、前述の周波数F4が更に選択されている場合には、周波数F4に対応する抵抗値R4をダイレクトに比較することによって、劣化の有無を判定してもよい。
In the present embodiment, the deterioration diagnosis element is defined as “R 1 ”, “R 2 −R 1 ”, and “R 3 −2R 2 + R 1 ” using these R 1 , R 2, and R 3 . When the calculation of these three deterioration diagnosis elements is completed, the
次にCPU115は、カウンタiを「1」インクリメントすると共に、カウンタiの値が「N+1」であるか、即ち、全N個の燃料電池セル10に対して、劣化診断要素の演算が終了したか否かを判別する(ステップS212)。
Next, the
劣化診断要素の演算が実行されていない燃料電池セル10がある場合、(ステップS212:NO)、CPU115は、処理をステップS203まで戻すと共に、ステップS203からステップS212までの処理を、全N個の燃料電池セル10について繰り返す。N個の燃料電池セル10について、劣化診断要素の演算が終了し、それらが、夫々燃料電池セル10と個別に対応付けられる形でメモリ116に格納されると(ステップS212:YES)、CPU115は、全ての燃料電池セル10間で、劣化診断要素の値を比較する(ステップ213)。
When there is a
CPU115は、劣化診断要素の値の比較結果に基づいて、劣化したセルがあるか否かを診断する(ステップS214)。劣化を診断するに際し、CPU115は、全N個のセル間で、個々の劣化診断要素の値の平均値を計算する。係る平均値からの偏差が大きい劣化診断要素を有する燃料電池セル10が、即ち、劣化していると診断される。尚、ステップS214における劣化診断の基準は、劣化診断要素の比較に基づいてなされる限り如何なるものであってもよい。事前に、経験的又はシミュレーション等によって、劣化診断の基準値が与えられており、当該基準値と個々のセルの劣化診断要素の値を比較することによって劣化の診断がなされてもよい。また、劣化診断に供する偏差の大小は自由に決定されてよい。
The
この様に診断された結果判明する燃料電池セル10の劣化は、例えば、実使用による経時劣化とは異なり、燃料電池セル10をスタックに組み付ける際に個々の燃料電池セル10に生じる初期劣化が主である。この様な初期劣化としては、例えば、接触抵抗の増加、ガス拡散不足、触媒活性低下、又は触媒有効利用率低下等の劣化などが挙げられる。尚、ステップS214は、本発明に係る「診断工程」の一例である。
The deterioration of the
CPU115は、劣化している燃料電池セル10が無いと診断した場合には(ステップS214:NO)、現時点でメモリ116に格納されている個々の燃料電池セル10の劣化診断要素の値を、リファレンスの劣化診断要素の値として改めて格納する(ステップS218)。
When the
また、CPU115は、劣化している燃料電池セル10があると判断した場合(ステップS214:YES)、劣化していると判断された燃料電池セル10の存在を外部に通知する(ステップS215)。この際、劣化と判定された燃料電池セル10を特定する情報(例えば、セル番号等)が一緒に通知される。即ち、ステップS215は、本発明に係る「通知工程」の一例である。
Further, when the
劣化が通知された燃料電池セル10は、例えば、修復又は交換等がなされた(ステップS216)後、再診断される(ステップS217)。具体的には、当該セルに対してのみステップS203からステップS210に亘る処理が再実行され、新たに得られた劣化診断要素の値に基づいて新たにセル間の劣化診断要素の値の平均値が算出されて劣化が診断される。係る処理は、劣化しているセルが無いと診断されるまで繰り返される。尚、図面の煩雑化を防ぐ目的から、図3において、係る再診断処理の繰り返しに係る部分は省略されている。
The
最終的に、全N個の燃料電池セルについて、劣化が無いと診断されると、処理はステップS218に移行する。CPU115は、その時点における個々の燃料電池セル10における劣化診断要素の値を、最終的な劣化診断要素の値、即ち、リファレンスの劣化診断要素の値としてメモリ116に格納し、初期劣化診断処理が終了する。
<B:経時劣化診断処理の詳細>
燃料電池セル10は、前述した如き初期劣化に加え、時間経過と共にある程度劣化する。次に、この様な経時的な劣化を診断するための、本実施形態に係る劣化診断処理の他の態様である経時劣化診断処理について、図5を参照して説明する。ここに、図5は、経時劣化診断処理のフローチャートである。尚、同図において、図3と重複する箇所には、同一の符号を付してその説明を省略する。また、この経時劣化診断処理が実行されるタイミングは、燃料電池セル10又は燃料電池スタックの仕様用途や使用状況に応じて異なる。
Finally, if it is diagnosed that there is no deterioration for all N fuel cells, the process proceeds to step S218. The
<B: Details of the deterioration diagnosis process over time>
In addition to the initial deterioration as described above, the
図5において、ステップS202からステップS210に至る処理は、図3と同じである。尚、経時劣化診断処理において、測定周波数は前述の初期劣化診断処理と等しいため、測定周波数を改めて決定する必要はない。 In FIG. 5, the process from step S202 to step S210 is the same as that in FIG. In the time-dependent deterioration diagnosis process, the measurement frequency is equal to the above-described initial deterioration diagnosis process, and therefore it is not necessary to determine the measurement frequency again.
図5において、i番目の燃料電池セル10における劣化診断要素がメモリ116に格納されると(ステップS210)、CPU115は、メモリ116に格納されている、この燃料電池セル10のリファレンスの劣化診断要素の値と、この劣化診断要素の値とを比較し(ステップS301)、i番目の燃料電池セル10が劣化しているか否かを診断する(ステップS302)。この際、その時点で得られた劣化診断要素の値とリファレンスの劣化診断要素の値との偏差に基づいて劣化の診断が行われる。尚、燃料電池セル10が劣化していると判断される偏差の基準値は、予め参照値として与えられていてもよい。
In FIG. 5, when the deterioration diagnosis element for the i-
i番目の燃料電池セル10が劣化していると診断された場合(ステップS302:YES)、CPU115は、そのセル番号をメモリ116に一時的に格納する(ステップS303)と共に処理をステップS211に移行させる。一方、i番目の燃料電池セル10が劣化していないと判断した場合(ステップS302:NO)には、処理をそのままステップS211に移行させる。
When it is diagnosed that the i-
ステップS211によってカウンタiがインクリメントされると、全N個の燃料電池セル10に対して経時劣化の有無が診断されたか否かが判別される(ステップS212)。経時劣化の診断が実行されていない燃料電池セル10が存在する場合には(ステップS212:NO)、全N個の燃料電池セル10に対して経時劣化の有無が診断処理されるまでステップS203からステップS212に至る処理が繰り返されると共に、全N個の燃料電池セル10に対して経時劣化の有無が診断されると(ステップS212:YES)、CPU115は、メモリ116に格納された、経時劣化があると診断された燃料電池セル10の番号を外部に通知して(ステップS215)、経時劣化診断処理は終了する。即ち、経時劣化診断処理は、主として、一燃料電池セル10内で劣化診断に係る比較を行う点で初期劣化診断処理と異なっている。
When the counter i is incremented in step S211, it is determined whether or not there has been a diagnosis of deterioration over time for all N fuel cells 10 (step S212). If there is a
尚、ここでは、劣化診断要素の値を、前述したリファレンスの劣化診断要素の値と比較しているが、比較対象はこれに限定されない。経時劣化診断処理が、例えば、定期点検の様に繰り返し行われる場合には、前回の経時劣化診断処理において得られた劣化診断要素の値が比較対照となってもよい。 Here, the value of the deterioration diagnosis element is compared with the value of the reference deterioration diagnosis element described above, but the comparison target is not limited to this. For example, when the time deterioration diagnosis process is repeatedly performed as in a periodic inspection, the value of the deterioration diagnosis element obtained in the previous time deterioration diagnosis process may be used as a comparison control.
ここで、図6を参照し、経時劣化診断処理について補足的に説明する。ここに、図6は、経時劣化診断処理が実行された結果を複素平面上に表した図である。尚、図6は、図4と同様の複素インピーダンス平面であるとする。 Here, with reference to FIG. 6, a time-dependent deterioration diagnosis process will be supplementarily described. FIG. 6 is a diagram showing the result of executing the deterioration diagnosis process with time on the complex plane. 6 is a complex impedance plane similar to FIG.
図6には、燃料電池スタックを構成する任意の燃料電池セル10に対して、時刻TA、TB及びTcにおいて、経時劣化診断処理が実施された結果が示されている。同図において、時刻TAにおいて得られたR1、R2及びR3は、夫々R1A、R2A及びR3Aであり、同様に、時刻TBにおいてR1B、R2B、及びR3B、並びに時刻TCにおいてR1C、R2C、及びR3Cが夫々得られている。
FIG. 6 shows the result of the time-dependent deterioration diagnosis process performed at any time T A , T B and Tc for any
図6に示す様に、本実施形態に係る経時劣化診断処理が実行された結果は、複素インピーダンス平面上では散在する点として示される。従って、図4に示す様な周波数特性曲線を劣化診断処理の度に、又は燃料電池セル10毎に繰り返す場合と比較すると、燃料電池セル10の劣化診断に必要な処理時間は、1/5〜1/10程度となっており、効率的な劣化の診断が可能となっている。
As shown in FIG. 6, the result of executing the temporal deterioration diagnosis process according to the present embodiment is shown as scattered points on the complex impedance plane. Therefore, compared with the case where the frequency characteristic curve as shown in FIG. 4 is repeated for each deterioration diagnosis process or for each
また、図4に示した通り、F1は燃料電池セル10の直流抵抗を表し、F2は第1の領域から選択された測定周波数であり、F3は第2の領域から選択された測定周波数であるため、これらの抵抗値から生成される劣化診断要素の値によって、燃料電池セル10の劣化を高精度に診断することが可能である。
Also, as shown in FIG. 4, F 1 represents the direct current resistance of the
例えば、R1AとR1Cの差分が大きければ、即ち、燃料電池セル10における接触抵抗の劣化が考えられ、R2A−R1AとR2C−R1Cとの差分が大きければ、第1の要因、即ち、酸素の反応に関する何らかの劣化が進行していると診断することができる。更に、R3A−2R2A+R1AとR3C−2R2C+R1Cとの差分が大きければ、第2の要因、即ち、酸素の拡散に関する何らかの劣化が進行していると診断することができる。
For example, if the difference between R 1A and R 1C is large, that is, the contact resistance in the
この様に主たる支配要因が異なった領域から測定周波数を選択することによって、単に燃料電池セル10の劣化の有無を診断するのみならず、劣化の要因をある程度特定することが可能となって、夫々の劣化要因に応じた適切な処置が可能となるのである。
In this way, by selecting the measurement frequency from a region where the main dominating factors are different, it is possible not only to diagnose the presence / absence of deterioration of the
尚、例えば、燃料電池スタックを車載する場合等には、任意のタイミングで劣化診断を実施することが難しい。この様な場合には、測定装置110を車に搭載してもよい。この車載された測定装置110によって、絶えず燃料電池セルの劣化を監視することが可能となる。 For example, when the fuel cell stack is mounted on the vehicle, it is difficult to perform the deterioration diagnosis at an arbitrary timing. In such a case, the measuring device 110 may be mounted on the car. This on-board measuring device 110 can continuously monitor the deterioration of the fuel cell.
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池の劣化診断方法及び装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the scope or spirit of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and deterioration of the fuel cell accompanying such changes. Diagnostic methods and devices are also within the scope of the present invention.
10…燃料電池セル、100…測定システム、110…測定装置、111…交流信号源、112…負荷、113…インピーダンスアナライザ、113a…インピーダンス測定部、113b…抵抗値特定部、114…劣化診断部、115…CPU、116…メモリ。200…周波数特性曲線。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも3つの抵抗値を特定する抵抗値特定工程と、
前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断工程と
を具備し、
前記周波数F1は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第1軸、及び前記第1軸に直交すると共に容量値を表す第2軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第1軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、
前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第1の要因が支配的な第1の領域、及び一部が円弧をなすと共に第1の要因とは異なる第2の要因が支配的な第2の領域を有し、
前記周波数F2は、前記第1の領域内で決定され、
前記周波数F3は、前記第2の領域内で決定され、
前記周波数F2及びF3は、前記第1の領域及び前記第2の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、
前記劣化診断要素は、前記周波数F1、F2及びF3の夫々に対応する前記抵抗値を夫々R1、R2及びR3とした場合に、R1、R2−R1、及びR3−2R2+R1という3つの劣化診断要素を含む
ことを特徴とする燃料電池の劣化診断方法。 By applying an AC signal of at least three measurement frequencies including frequencies F1, F2 (F1> F2) and F3 (F2> F3) to a fuel cell driven at a predetermined current density, the fuel cell An impedance acquisition step of acquiring at least three complex impedances respectively corresponding to the measurement frequencies;
A resistance value specifying step of specifying at least three resistance values of the fuel cell respectively corresponding to the measurement frequency from the acquired complex impedance;
Diagnosing deterioration of the fuel cell based on a deterioration diagnosis element that is a predetermined function of the identified resistance value , and
The frequency F1 is a measurement including the measurement frequency on a coordinate plane having a first axis representing the complex impedance and representing a resistance value, and a second axis perpendicular to the first axis and representing a capacitance value. A frequency characteristic curve drawn in a frequency range and an intersection of the frequency characteristic curve of the complex impedance and the first axis, and set to a frequency corresponding to a point defining a direct current resistance in the fuel cell;
The frequency characteristic curve includes a first region in which a part is circular and the first factor is dominant, and a second factor that is partly circular and is different from the first factor is dominant. Has two regions,
The frequency F2 is determined in the first region,
The frequency F3 is determined in the second region,
The frequencies F2 and F3 are frequencies corresponding to vertices of the arc or points in the vicinity of the vertices in the first region and the second region, respectively.
The deterioration diagnosis element includes three deterioration diagnosis elements R1, R2-R1, and R3-2R2 + R1 when the resistance values corresponding to the frequencies F1, F2, and F3 are R1, R2, and R3, respectively. Include
A method for diagnosing deterioration of a fuel cell.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の劣化診断方法。 2. The fuel cell deterioration diagnosis method according to claim 1, wherein the diagnosis step diagnoses deterioration of the fuel cell based on a comparison of a value of the deterioration diagnosis element with a previous value .
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の劣化診断方法。 2. The fuel cell deterioration diagnosis method according to claim 1, wherein the diagnosis step diagnoses deterioration of the fuel cell based on a relative comparison between a value of the deterioration diagnosis element and a reference value. 3.
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の劣化診断方法。 The fuel cell deterioration diagnosis method according to claim 3, wherein the reference value is a value of the deterioration diagnosis element in the diagnosis step executed at an initial stage or a reference time.
前記周波数F1、F2及びF3は、前記取得された周波数特性曲線に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池の劣化診断方法。 The fuel cell further includes a characteristic acquisition step of acquiring the frequency characteristic curve in advance,
The method for diagnosing deterioration of a fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the frequencies F1, F2, and F3 are determined based on the acquired frequency characteristic curve.
前記周波数F4は、前記周波数特性曲線と前記第1軸との交点に相当する周波数である
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池の劣化診断方法。 The measurement frequency includes a frequency F4 (F3> F4),
Said frequency F4 is the fuel cell process of degradation diagnosis according to claim 1, any one of 5, which is a frequency corresponding to the intersection between the said frequency characteristic curve first axis.
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池の劣化診断方法。 The fuel result of diagnosing the deterioration of the battery, when the fuel cell is deteriorated, the deteriorated the presence of the fuel cell are from claim 1, characterized by further comprising a notification step of notifying 6 The fuel cell deterioration diagnosis method according to any one of the preceding claims.
前記取得された複素インピーダンスから、前記測定周波数に夫々対応する前記燃料電池の少なくとも3つの抵抗値を特定する抵抗値特定手段と、
前記特定された抵抗値の所定関数である劣化診断要素に基づいて、前記燃料電池の劣化を診断する診断手段と
を具備し、
前記周波数F1は、前記複素インピーダンスを規定する、前記抵抗値を表す第1軸、及び前記第1軸に直交すると共に容量値を表す第2軸を有する座標平面上で、前記測定周波数を含む測定周波数範囲で描かれる前記複素インピーダンスの周波数特性曲線と前記第1軸との交点であって、且つ前記燃料電池における直流抵抗を規定する点に相当する周波数に設定されており、
前記周波数特性曲線は、一部が円弧をなすと共に第1の要因が支配的な第1の領域、及び一部が円弧をなすと共に第1の要因とは異なる第2の要因が支配的な第2の領域を有し、
前記周波数F2は、前記第1の領域内で決定され、
前記周波数F3は、前記第2の領域内で決定され、
前記周波数F2及びF3は、前記第1の領域及び前記第2の領域の夫々における前記円弧の頂点又は該頂点近傍の点に相当する周波数であり、
前記劣化診断要素は、前記周波数F1、F2及びF3の夫々に対応する前記抵抗値を夫々R1、R2及びR3とした場合に、R1、R2−R1、及びR3−2R2+R1という3つの劣化診断要素を含む
ことを特徴とする燃料電池の劣化診断装置。 By applying an AC signal of at least three measurement frequencies including frequencies F1, F2 (F1> F2) and F3 (F2> F3) to a fuel cell driven at a predetermined current density, the fuel cell Impedance acquisition means for acquiring at least three complex impedances respectively corresponding to the measurement frequencies;
Resistance value specifying means for specifying at least three resistance values of the fuel cell respectively corresponding to the measurement frequency from the acquired complex impedance;
Diagnostic means for diagnosing degradation of the fuel cell based on a degradation diagnostic element that is a predetermined function of the identified resistance value , and
The frequency F1 is a measurement including the measurement frequency on a coordinate plane having a first axis representing the complex impedance and representing a resistance value, and a second axis perpendicular to the first axis and representing a capacitance value. A frequency characteristic curve drawn in a frequency range and an intersection of the frequency characteristic curve of the complex impedance and the first axis, and set to a frequency corresponding to a point defining a direct current resistance in the fuel cell;
The frequency characteristic curve includes a first region in which a part is circular and the first factor is dominant, and a second factor that is partly circular and is different from the first factor is dominant. Has two regions,
The frequency F2 is determined in the first region,
The frequency F3 is determined in the second region,
The frequencies F2 and F3 are frequencies corresponding to vertices of the arc or points in the vicinity of the vertices in the first region and the second region, respectively.
The deterioration diagnosis element includes three deterioration diagnosis elements R1, R2-R1, and R3-2R2 + R1 when the resistance values corresponding to the frequencies F1, F2, and F3 are R1, R2, and R3, respectively. Include
A fuel cell deterioration diagnosis device characterized by the above.
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