JP4942948B2 - Fuel cell degradation determination apparatus and degradation determination method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の劣化判定装置および劣化判定方法に関し、特に、バックアップ用電源として使用される燃料電池の劣化判定装置および劣化判定方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell deterioration determination device and a deterioration determination method, and more particularly to a fuel cell deterioration determination device and a deterioration determination method used as a backup power source.
従来から、通信機器などの各種機器において、商用電源などの交流電源の停電時などにも継続して直流負荷或いは交流負荷に対して電力供給を行うバックアップ電源システムがある。 Conventionally, in various devices such as communication devices, there is a backup power supply system that continuously supplies power to a DC load or an AC load even when an AC power supply such as a commercial power supply is interrupted.
以下、従来のバックアップ電源システムについて説明する。
まず、従来のバックアップ電源システムの構成について図6を参照しつつ説明する。図6は従来のバックアップ電源システムの構成を示すブロック図である。
図6のバックアップ電源システム100は、商用電源などの交流電源2から直流負荷3にかけての通電路上に配設される。バックアップ電源システム100は、入力部が交流電源2の出力に接続され、出力部が直流負荷3に接続された整流器110を備えている。整流器110は、入力部に入力される交流電源2の出力電圧(交流電圧)を直流電圧(例えば、電圧値が50(V)の直流電圧)に変換し、直流電圧をその出力部から出力する。
A conventional backup power supply system will be described below.
First, the configuration of a conventional backup power supply system will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a conventional backup power supply system.
The backup
バックアップ電源システム100は、バックアップ用の電源として充放電を行う二次電池120と燃料電池130とを備える。二次電池120は整流器110から直流負荷3にかけての電力線上のノードN100に接続されている。燃料電池130は水素ボンベを備え、その水素ボンベに充填された水素を燃料として直流電圧を発生するものである。燃料電池130は、セルスタック131とセルスタック131の出力電圧(直流電圧)を異なる電圧値(例えば、49.5(V))の直流電圧に変換して出力するコンバータ(DC/DCコンバータ)132とバッテリ133と電圧検出器134と制御器135とを備えている。バッテリ133は、交流電源2の停電時などに燃料電池130の電源となるものであり、図示していないが、整流器110の出力に接続され、整流器110の出力電圧(直流電圧)によって回復充電される。電圧検出器134は直流負荷3に入力される入力電圧(負荷電圧)の検出に利用され、制御器135は直流負荷3に入力される入力電圧(負荷電圧)に基づき燃料電池130を起動し、或いは、停止する。
The backup
次に、図6に構成を示したバックアップ電源システム100の動作について図7を参照しつつ説明する。図7は図6のバックアップ電源システム100の動作を説明するための波形図である。図7では、横軸が時間、縦軸が直流負荷3に入力される電圧の電圧値(負荷電圧の電圧値)(V)である。なお、動作説明においては、交流電源2に停電が起り、その後に復電した場合とするが、交流電源2の故障および整流器110の故障一般についても実質的に動作は同様である。
Next, the operation of the backup
交流電源2および整流器110が正常な時間T101では、交流電源2の出力電圧が整流器110の入力部に入力され、交流電圧が整流器110によって直流電圧に変換され、直流電圧がその出力部から出力される。整流器110から出力された直流電圧が直流負荷3に供給される。このとき、整流器110の出力部から出力される直流電圧が二次電池120および燃料電池130のバッテリ133の夫々に供給され、これらがフロート充電される。このとき、燃料電池130の電圧検出器134は直流負荷3に入力される入力電圧(負荷電圧)の電圧値を検出している。
At time T101 when the
時間T102において、交流電源2に停電が起ると、整流器110から直流負荷3に対する直流電圧の供給が停止するが、瞬時に二次電池120が放電し、二次電池120の放電電圧(直流電圧)が直流負荷3に供給される。
それ以降の時間T103では、二次電池120の放電電圧(直流電圧)が直流負荷3に供給される。この時間T103では、直流負荷3に供給される負荷電圧の電圧値は、時間の経過に伴い、つまり、二次電池120の放電に伴い、低下する。このとき、燃料電池130の電圧検出器134は直流負荷3に入力される入力電圧(負荷電圧)の電圧値を検出している。
When a power failure occurs in the
After that, at time T103, the discharge voltage (DC voltage) of the
時間T104において、燃料電池130の電圧検出器134が負荷電圧の電圧値が予め定められた第1の基準電圧値(正常時に整流器110から出力される直流電圧の電圧値より低い、例えば48(V))未満になったことを検出すると、制御器135に対して燃料電池130の起動を指示する起動信号を出力する。制御器135は、電圧検出器134からの起動信号を受けて、燃料電池を起動する。
At time T104, the
燃料電池130が起動して燃料電池130の出力が確立した後の時間T105では、燃料電池130はコンバータ132から直流電圧を出力し、この直流電圧がダイオード140を介して直流負荷3に供給される。このとき、燃料電池130の電圧検出器134は直流負荷3に入力される入力電圧(負荷電圧)の電圧値を検出している。
At time T105 after the
時間T106において、交流電源2が復電すると、時間T106およびそれ以降の時間T107では、交流電源2の出力電圧(交流電圧)が整流器110の入力部に入力され、交流電圧が整流器110によって直流電圧に変換され、整流器110の出力部から直流電圧が出力される。整流器110から出力された直流電圧が直流負荷3に供給される。このとき、整流器110の出力部から出力される直流電圧が二次電池120および燃料電池130のバッテリ133の夫々に供給され、これらがフロート充電される。
交流電源2が復電した後の時間T108において、燃料電池130の電圧検出器134が負荷電圧の電圧値が予め定められた第2の基準電圧値(燃料電池130の出力確立時の出力電圧の電圧値以上の、例えば49.5(V))を超えたことを検出すると、制御器135に対して燃料電池130の停止を指示する停止信号を出力する。制御器135は、電圧検出器134からの停止信号を受けて、燃料電池を停止する。
なお、従来から、バックアップ用の電源として燃料電池を備え、交流電源の故障時などに燃料電池から直流負荷或いは交流負荷に電力供給を行うバックアップ電源システムがある(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
At time T108 after the
Conventionally, there is a backup power supply system that includes a fuel cell as a backup power source and supplies power to the DC load or the AC load from the fuel cell when the AC power supply fails (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). reference.).
以下に、燃料電池130のセルスタック131の出力電流とセルスタック131の出力電圧との関係であるI−V特性について図8を参照しつつ説明する。図8は燃料電池のI−V特性の概略を示す図である。図8では、横軸がセルスタックの出力電流(セルスタック出力電流)(A)、縦軸がセルスタックの出力電圧(セルスタック出力電圧)(V)である。なお、初期のI−V特性とは、例えば、燃料電池の出荷する前の検査時におけるI−V特性を指す。
Hereinafter, an IV characteristic which is a relationship between the output current of the
燃料電池130のI−V特性は、図8に示すように、時間の経過につれて劣化する。燃料電池130のI−V特性が劣化すると、同じセルスタック出力電流Iaであっても、セルスタック出力電圧が低下する。言い換えると、燃料電池130の出力電力は、初期の出力電力より低下する。このため、交流電源2の停電或いは整流器110の故障などが起った場合に、燃料電池130のI−V特性の劣化が進んでしまうと、燃料電池130から直流負荷3に必要な直流電力を供給することができない場合が生じてしまう。つまり、燃料電池130が交流電源2のバックアップを行うという目的を果たさなくなる。
As shown in FIG. 8, the IV characteristic of the
燃料電池130が交流電源2のバックアップを行うという目的を確実に達成するためには、燃料電池130のI−V特性が劣化して直流負荷3に必要な直流電力が供給できなくなる前に、燃料電池130を交換する必要がある。
このため、燃料電池のI−V特性の劣化判定を行うことが望まれる。しかしながら、これまで、バックアップ電源システムのバックアップ用の電源として燃料電池が使用されたことがほとんどなく、燃料電池を対象とした劣化判定装置および劣化判定方法は開発されていなかった。
In order to reliably achieve the purpose of the
For this reason, it is desirable to determine the deterioration of the IV characteristics of the fuel cell. However, until now, a fuel cell has rarely been used as a backup power source for a backup power supply system, and a deterioration determination device and a deterioration determination method for a fuel cell have not been developed.
そこで、本発明は、燃料電池の劣化判定を行うことが可能な燃料電池の劣化判定装置および劣化判定方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell deterioration determination device and a deterioration determination method capable of determining the deterioration of a fuel cell.
本発明の燃料電池の劣化判定装置は、燃料電池を構成するセルスタックの出力電力の出力先を前記燃料電池の劣化判定時に負荷から外部負荷に切り替える切替手段と、前記セルスタックの出力電力を前記外部負荷に出力する第1の外部出力手段と、前記セルスタックの出力電流及び出力電圧を出力する第2の外部出力手段とを有しており、電源から電力が供給されていない場合のバックアップ電源として前記負荷に電力を供給する燃料電池の種類ごとに、前記セルスタックの出力電流に対する基準とするセルスタックの基準出力電力と、前記種類とを対応付けて記憶するデータ記憶手段と、前記第2の外部出力手段に接続され、前記第2の外部出力手段から出力される前記セルスタックの出力電流および出力電圧を、前記燃料電池の劣化判定時に検出する検出手段と、前記第1の外部出力手段に接続され、前記燃料電池の劣化判定時に当該燃料電池の出力電力のすべてを消費する前記外部負荷としての放電手段と、前記検出手段により検出された前記セルスタックの出力電流に対する基準出力電力を前記データ記憶手段から抽出する基準出力電力抽出手段と、前記検出手段により検出された前記セルスタックの出力電流と前記セルスタックの出力電圧とを利用して劣化判定時における前記セルスタックの判定時出力電力を求める判定時出力電力演算手段と、前記基準出力電力抽出手段により抽出された前記基準出力電力に対する前記判定時出力電力演算手段により求められた前記判定時出力電力の割合を算出する割合算出手段と、前記割合算出手段により算出された前記割合を出力する割合出力手段と、を備えたことを特徴とする The fuel cell degradation determination device of the present invention comprises a switching means for switching the output destination of the output power of the cell stack constituting the fuel cell from a load to an external load when determining the degradation of the fuel cell, and the output power of the cell stack A backup power source having first external output means for outputting to an external load, and second external output means for outputting the output current and output voltage of the cell stack, when no power is supplied from the power source Data storage means for associating and storing the reference output power of the cell stack as a reference for the output current of the cell stack and the type for each type of fuel cell that supplies power to the load as The output current and output voltage of the cell stack connected to the external output means and output from the second external output means are used to determine the deterioration of the fuel cell. Detection means for detecting the, is connected to the first external output means, and discharge means as the external load that consumes all of the output power of the fuel cell when the deterioration determination of the fuel cell, detected by said detecting means A reference output power extraction unit that extracts a reference output power for the output current of the cell stack that has been generated from the data storage unit, and an output current of the cell stack and an output voltage of the cell stack detected by the detection unit The determination output power calculation means for determining the determination output power of the cell stack at the time of deterioration determination, and the determination output power calculation means for the reference output power extracted by the reference output power extraction means A ratio calculating means for calculating the ratio of the output power at the time of determination, and outputting the ratio calculated by the ratio calculating means Characterized by comprising a ratio output means that the
上記燃料電池の劣化判定装置において、前記電源から電力が供給されている場合には、前記電源から供給される電力によって二次電池に充電され、前記電源から電力が供給されていない場合には、前記二次電池と前記燃料電池を構成する前記セルスタックとから前記負荷に電力が供給されることを特徴とする。
上記燃料電池の劣化判定装置において、前記割合出力手段による前記割合の出力は表示
であることを特徴とする。
In the fuel cell deterioration determination device, when power is supplied from the power source , the secondary battery is charged with power supplied from the power source, and when power is not supplied from the power source, Electric power is supplied to the load from the secondary battery and the cell stack constituting the fuel cell.
In the fuel cell deterioration determination apparatus, the ratio output by the ratio output means is a display.
本発明の燃料電池の劣化判定方法は、燃料電池を構成するセルスタックの出力電力の出力先を前記燃料電池の劣化判定時に負荷から外部負荷に切り替える切替手段と、前記セルスタックの出力電力を前記外部負荷に出力する第1の外部出力手段と、前記セルスタックの出力電流及び出力電圧を出力する第2の外部出力手段とを有しており、電力が供給されていない場合のバックアップ電源として前記負荷に電力を供給する燃料電池の劣化判定時に、前記第2の外部出力手段に接続されている検出手段によって、前記第2の外部出力手段から出力される前記セルスタックの出力電流および出力電圧を検出する検出手順と、前記第1の外部出力手段に接続されている放電手段によって、前記燃料電池の劣化判定時に当該燃料電池の出力電力のすべてを消費する放電手順と、前記燃料電池の種類ごとに、前記セルスタックの出力電流に対する基準とするセルスタックの基準出力電力と、前記種類とを対応付けて記憶するデータ記憶手段から前記検出手順において検出された前記セルスタックの出力電流に対する基準出力電力を抽出する基準出力電力抽出手順と、前記検出手順により検出された前記セルスタックの出力電流と前記セルスタックの出力電圧とを利用して劣化判定時における前記セルスタックの判定時出力電力を求める判定時出力電力演算手順と、前記基準出力電力抽出手順において抽出された前記基準出力電力に対する前記判定時出力電力演算手順において求められた前記判定時出力電力の割合を算出する割合算出手順と、前記割合算出手順において算出された前記割合を出力する割合出力手順と、を有することを特徴とする。
The method for determining deterioration of a fuel cell according to the present invention comprises a switching means for switching an output destination of output power of a cell stack constituting a fuel cell from a load to an external load when determining deterioration of the fuel cell, and the output power of the cell stack is The first external output means for outputting to an external load and the second external output means for outputting the output current and output voltage of the cell stack, and the backup power supply when power is not supplied When determining the deterioration of the fuel cell that supplies power to the load, the detection means connected to the second external output means outputs the output current and output voltage of the cell stack output from the second external output means. The detection procedure to be detected and the discharge means connected to the first external output means all output power of the fuel cell at the time of judging the deterioration of the fuel cell. In the detection procedure from the data storage means for storing the discharge procedure for consuming the battery cell, the reference output power of the cell stack as a reference for the output current of the cell stack, and the type for each type of the fuel cell Degradation determination using a reference output power extraction procedure for extracting a reference output power with respect to the detected output current of the cell stack, and an output current of the cell stack and an output voltage of the cell stack detected by the detection procedure Output power calculation procedure at the time of determination to determine the output power at the time of determination of the cell stack at the time, and output at the time of determination obtained in the output power calculation procedure at the time of determination with respect to the reference output power extracted in the reference output power extraction procedure The ratio calculation procedure for calculating the ratio of power and the ratio calculated in the ratio calculation procedure are output. And having a ratio output procedure for, the.
本発明によれば、データ記憶手段に燃料電池を構成するセルスタックの出力電流に対する基準とするセルスタックの基準出力電力を記憶する。燃料電池の劣化判定時に当該燃料電池を構成するセルスタックの出力電流および出力電圧を検出し、劣化判定時のセルスタックの出力電力(判定時出力電力)を算出する。データ記憶手段に記憶された基準出力電力と算出した判定時出力電力とを利用して燃料電池の基準出力電力に対する判定時出力電力の割合を算出して、算出した割合を出力する。このようにすることにより、燃料電池の劣化判定を行う燃料電池の劣化判定装置および劣化判定方法を実現することができる。 According to the present invention, the reference output power of the cell stack as a reference for the output current of the cell stack constituting the fuel cell is stored in the data storage means. When determining the deterioration of the fuel cell, the output current and the output voltage of the cell stack constituting the fuel cell are detected, and the output power of the cell stack at the time of determining the deterioration (determination output power) is calculated. Using the reference output power stored in the data storage means and the calculated determination output power, the ratio of the determination output power to the reference output power of the fuel cell is calculated, and the calculated ratio is output. By doing so, it is possible to realize a fuel cell deterioration determination device and a deterioration determination method for determining deterioration of a fuel cell.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における燃料電池の劣化判定装置の構成および動作を説明する前に、まず、燃料電池の劣化判定に利用するデータであって予め用意するデータについて図1および図2を参照しつつ説明する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
Before describing the configuration and operation of the fuel cell deterioration determination apparatus in the embodiment of the present invention, first, referring to FIGS. 1 and 2 for data used for determination of deterioration of a fuel cell and data prepared in advance. I will explain.
図1は燃料電池のI−V特性、およびセルスタックの出力電流とセルスタックの出力電力との関係(以下、I−P特性という。)を示す図である。図1では、横軸がセルスタックの出力電流(セルスタック出力電流)(A)、縦軸がセルスタックの出力電圧(セルスタック出力電圧)(V)およびセルスタックの出力電力(セルスタック出力電力)(W)である。 FIG. 1 is a graph showing the IV characteristics of a fuel cell and the relationship between the output current of the cell stack and the output power of the cell stack (hereinafter referred to as the IP characteristic). In FIG. 1, the horizontal axis represents the cell stack output current (cell stack output current) (A), the vertical axis represents the cell stack output voltage (cell stack output voltage) (V), and the cell stack output power (cell stack output power). ) (W).
図1中において、I−V特性IV100は、燃料電池の初期のI−V特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧をV100nと記す。また、I−P特性IP100は、燃料電池の初期のI−P特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電力をP100nと記す。
I−V特性IV95nは、セルスタック出力電流Inにおいてセルスタック出力電圧が初期のセルスタック出力電圧V100nに対して5(%)低下したときの燃料電池のI−V特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧をV95nと記す。また、I−P特性IP95nは、セルスタック出力電流Inにおいてセルスタック出力電圧が初期のセルスタック出力電圧V100nに対して5(%)低下したときの燃料電池のI−P特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電力をP95nと記す。
In FIG. 1, IV characteristics IV 100 indicates the initial IV characteristic of the fuel cell, it referred to the cell stack output voltage of the cell stack output current I n and V 100n. Also, IP characteristics IP 100 indicates the initial IP properties of the fuel cell, the cell stack output power in the cell stack output current I n referred to as P 100n.
IV characteristics IV 95n is 5 (%) cell stack output voltage relative to the initial cell stack output voltage V 100n in the cell stack output current I n indicates the fuel cell of IV characteristics when lowered, the cell the cell stack output voltage in the stack output current I n referred to as V 95n. Also, IP characteristics IP 95n is 5 (%) cell stack output voltage relative to the initial cell stack output voltage V 100n in the cell stack output current I n indicates the fuel IP properties of the battery when the reduction , the cell stack output power in the cell stack output current I n referred to as P 95n.
I−V特性IV90nは、セルスタック出力電流Inにおいてセルスタック出力電圧が初期のセルスタック出力電圧V100nに対して10(%)低下したときの燃料電池のI−V特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧をV90nと記す。また、I−P特性IP90nは、セルスタック出力電流Inにおいてセルスタック出力電圧が初期のセルスタック出力電圧V100nに対して10(%)低下したときの燃料電池のI−P特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電力をP90nと記す。
I−V特性IV85nは、セルスタック出力電流Inにおいてセルスタック出力電圧が初期のセルスタック出力電圧V100nに対して15(%)低下したときの燃料電池のI−V特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧をV85nと記す。また、I−P特性IP85nは、セルスタック出力電流Inにおいてセルスタック出力電圧が初期のセルスタック出力電圧V100nに対して15(%)低下したときの燃料電池のI−P特性を示し、セルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電力をP85nと記す。
IV characteristics IV 90n is 10 (%) cell stack output voltage relative to the initial cell stack output voltage V 100n in the cell stack output current I n indicates the fuel cell of IV characteristics when lowered, the cell the cell stack output voltage in the stack output current I n referred to as V 90n. Also, IP characteristics IP 90n is 10 (%) cell stack output voltage relative to the initial cell stack output voltage V 100n in the cell stack output current I n indicates the fuel IP properties of the battery when the reduction , the cell stack output power in the cell stack output current I n referred to as P 90n.
IV characteristics IV 85n is 15 (%) cell stack output voltage relative to the initial cell stack output voltage V 100n in the cell stack output current I n indicates the fuel cell of IV characteristics when lowered, the cell the cell stack output voltage in the stack output current I n referred to as V 85n. Also, IP characteristics IP 85n is 15 (%) cell stack output voltage relative to the initial cell stack output voltage V 100n in the cell stack output current I n indicates the fuel IP properties of the battery when the reduction , the cell stack output power in the cell stack output current I n referred to as P 85n.
燃料電池は時間が経過するにつれて、燃料電池のI−V特性は、I−V特性IV100、I−V特性IV95n、I−V特性IV90n、I−V特性IV85nと劣化する。また、図1から分かるように、同じセルスタック電流であってもセルスタック出力電圧が低下する。
As the fuel cell over time, IV characteristics of the fuel cell is degraded
図2は燃料電池の初期のセルスタック出力電圧を基準としてセルスタック出力電圧の低下した値(以下、セルスタック出力電圧差)ΔVとそのセルスタック出力電圧におけるセルスタック出力電力との関係(以下、ΔV−P関係という。)を示す図である。図2では、横軸がセルスタック出力電圧差(V)、縦軸がセルスタック出力電力(W)である。なお、図2のΔV−P関係ΔVPnは、図1のセルスタック出力電流InにおけるΔV−P関係である。 FIG. 2 shows the relationship between the cell stack output voltage drop value (hereinafter referred to as cell stack output voltage difference) ΔV and the cell stack output power at the cell stack output voltage (hereinafter referred to as “cell stack output voltage”). It is a figure showing ΔV-P relation. In FIG. 2, the horizontal axis represents the cell stack output voltage difference (V), and the vertical axis represents the cell stack output power (W). Incidentally, .DELTA.VP relationship .DELTA.VP n in FIG. 2 is a .DELTA.VP relationship in the cell stack output current I n of FIG.
図2のセルスタック出力電流InにおけるΔV−P関係ΔVPnにおいて、セルスタック出力電圧差ΔVが0(V)に対応したセルスタック出力電力は初期のセルスタック出力電力P100nである。セルスタック出力電圧差ΔV100n−95n(=V100n−V95n)に対応したセルスタック出力電力はセルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧が5(%)低下したときのセルスタック出力電力P95nである。セルスタック出力電圧差ΔV100n−90n(=V100n−V90n)に対応したセルスタック出力電力はセルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧が10(%)低下したときのセルスタック出力電力P90nである。セルスタック出力電圧差ΔV100n−85n(=V100n−V85n)に対応したセルスタック出力電力はセルスタック出力電流Inにおけるセルスタック出力電圧が15(%)低下したときのセルスタック出力電力P85nである。
なお、図2に示すΔV−P関係を、燃料電池の製品毎に、例えば、セルスタック出力電流の0.1(A)間隔で予め用意する。そして、燃料電池の製品を示す情報(例えば、A社製B型1kW)とセルスタック出力電流の電流値とに対応付けて上記のΔV−P関係を、図3の劣化判定装置1の後述するデータ記憶部12に記憶する。
In .DELTA.VP relationship .DELTA.VP n in the cell stack output current I n of FIG. 2, the cell stack output power corresponding cell stack output voltage difference ΔV is the 0 (V) is the initial cell stack output power P 100n. Cell stack output power P when the cell stack output voltage difference ΔV 100n-95n (= V 100n -
The ΔV-P relationship shown in FIG. 2 is prepared in advance for each fuel cell product, for example, at intervals of 0.1 (A) of the cell stack output current. Then, the above-described ΔV-P relationship will be described later of the deterioration determination apparatus 1 in FIG. 3 in association with information indicating the product of the fuel cell (for example, B type 1 kW manufactured by Company A) and the current value of the cell stack output current. Store in the
以下、本発明の実施の形態における燃料電池の劣化判定装置の構成について図3を参照しつつ説明する。図3は本実施の形態における劣化判定装置の構成を示すブロック図である。ただし、図3は、図6と図7を用いて構成および動作を説明したバックアップ電源システム100に劣化判定装置を適用した場合の構成を示す図である。なお、図3の燃料電池の劣化判定装置1を適用するバックアップ電源システム100の構成および動作は図6および図7を用いて上述したので、バックアップ電源システム100の構成および動作の説明は省略する。
なお、図3の劣化判定装置は各種バックアップ電源システムにバックアップ用の電源として備えられた燃料電池の劣化判定に利用可能であるとともに、バックアップ用の電源以外に利用される燃料電池の劣化判定などにも利用可能である。
Hereinafter, the configuration of the fuel cell deterioration determination apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the deterioration determination apparatus in the present embodiment. However, FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration when the deterioration determination apparatus is applied to the backup
3 can be used for determining the deterioration of a fuel cell provided as a backup power source in various backup power supply systems, and for determining the deterioration of a fuel cell used for other than the backup power source. Is also available.
図3に示す劣化判定装置1は、商用電源などの交流電源2の出力が入力され、劣化判定装置1の各部に動作に必要な電力を供給する電源部11を有している。
劣化判定装置1は、データ記憶部12を有しており、データ記憶部12は、燃料電池の製品を示す情報とセルスタック出力電流の電流値とに対応付けてΔV−P関係(図2参照)を記憶する。ただし、データ記憶部12には、ΔV−P関係が、各燃料電池の製品について、本実施の形態では、セルスタック出力電流の0.1(A)毎に、記憶されている。
The degradation determination apparatus 1 shown in FIG. 3 has a
The degradation determination device 1 includes a
劣化判定装置1は、設定部13を有している。設定部13は、不図示の入力部から入力される作業者によって不図示の入力部を利用して入力された劣化判定対象の燃料電池の製品を示す情報を演算部16へ出力する。
劣化判定装置1は、抵抗素子で作られた放電部14を有しており、放電部14は燃料電池130のコンバータ132の出力に出力線line1により接続されている。放電部14は、燃料電池130の劣化判定時に負荷となって、燃料電池130の出力電力を消費するものである。このように、劣化判定装置1内に放電部14を設けることによって、燃料電池130の劣化判定時の燃料電池130の出力を放電部14を負荷として劣化判定装置1内で消費することが可能になるため、燃料電池130の劣化判定時の燃料電池130の出力が現用の直流負荷3に影響を与えることを防ぐことができる。
The deterioration determination device 1 has a
The degradation determination device 1 includes a
劣化判定装置1は、検出部15を有しており、検出部15は燃料電池130のセルスタック131に検出線line2により接続されている。検出部15は、燃料電池130のセルスタック131から出力されるセルスタック出力電圧とセルスタック出力電流とを検出する。検出部15は検出したセルスタック出力電圧とセルスタック出力電流とを演算部16へ出力する。
The degradation determination device 1 includes a
劣化判定装置1は、CPU(Central Processing Unit)により構成される演算部(基準出力電力抽出手段、判定時出力電力演算手段、割合算出手段)16を有している。演算部16は、設定部13から入力される劣化判定対象の燃料電池の製品を示す情報と、検出部15から入力されるセルスタック出力電流とを利用して、これらに対応付けてデータ記憶部12に記憶されているΔV−P関係(図2参照)を抽出する。ただし、データ記憶部12からΔV−P関係を抽出する際には、ΔV−P関係が0.1(A)毎に記憶されていることから、セルスタック出力電流を0.1(A)単位に四捨五入してΔV−P関係の抽出が行われる。
演算部16は、取り出したΔV−P関係において、セルスタック出力電圧差ΔVが0(V)であるセルスタック出力電力(検出部15により検出されたセルスタック出力電流における燃料電池の初期のセルスタック出力電力)を抽出する。なお、本実施の形態においては、セルスタック出力電圧差ΔVが0(V)であるセルスタック出力電力を基準とするセルスタックの基準出力電力とする。
The degradation determination device 1 includes a calculation unit (reference output power extraction means, determination output power calculation means, ratio calculation means) 16 constituted by a CPU (Central Processing Unit). The
In the extracted ΔV-P relationship, the
演算部16は、検出部15から入力されるセルスタック出力電流とセルスタック出力電圧とを利用して、セルスタック出力電力(=セルスタック出力電流×セルスタック出力電圧)を算出する。この算出されたセルスタック出力電力は、検出部15により検出されたセルスタック出力電流における燃料電池の劣化判定時のセルスタック出力電力である。
演算部16は、抽出した初期のセルスタック出力電力に対する算出した劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(=劣化判定時のセルスタック出力電力/初期のセルスタック出力電力×100)を算出し、算出結果を表示部17に出力する。
The
The
表示部17は、液晶ディスプレイなどにより構成され、その表示例を図4に示す。図4は表示部17の表示例を示す図である。図4に示す表示例において、横軸は初期のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(%)である。
表示部17は、演算部16より入力される初期のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合に対応した位置に矢印17aを表示する。これにより、作業者は燃料電池の劣化の度合いを把握でき、燃料電池を交換する必要があるか否かの判断を容易に行えるようになる。
The
The
また、表示例において、燃料電池の状態を3段階に区分して、区分ごとに表示画面の表示色を変えている。
具体的には、表示画面の緑色の表示領域17Gは、初期のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(%)が87.5(%)以上である。本実施の形態において、この領域は燃料電池がバックアップ電源として十分な電力を出力することができる燃料電池の状態にあるものとする。
表示画面の黄色の表示領域17Yは、初期のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(%)が72.5(%)以上87.5(%)未満である。本実施の形態において、この領域は燃料電池がバックアップ電源として必要な電力を出力することができるが、燃料電池の劣化が進行しており、燃料電池の交換が望ましい、燃料電池の状態にあるものとする。
表示画面の赤色の表示領域17Rは、初期のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(%)が72.5(%)未満である。本実施の形態において、この領域は燃料電池がバックアップ電源として必要な電力を出力することができず、直ちに燃料電池を交換することが望ましいい、燃料電池の状態にあるものとする。
In the display example, the state of the fuel cell is divided into three stages, and the display color of the display screen is changed for each division.
Specifically, in the
In the
In the
このように、上述した燃料電池の状態に応じて表示領域を区分して表示色を変えることによって、作業者は燃料電池の劣化の度合いをさらに容易に把握でき、燃料電池の交換の必要性をさらに容易に把握することが可能になる。 Thus, by dividing the display area and changing the display color according to the state of the fuel cell described above, the operator can more easily grasp the degree of deterioration of the fuel cell, and the necessity of replacing the fuel cell can be confirmed. Furthermore, it becomes possible to grasp easily.
次に、図3に構成を示した劣化判定装置1によって行われる燃料電池の劣化判定の動作について図5を参照しつつ説明する。図5は図3の劣化判定装置1が行う燃料電池の劣化判定の動作手順を示すフローチャートである。
まず、作業者は不図示の入力部を利用して劣化判定の対象の燃料電池の製品を示す情報を入力する。そして、入力部は設定部13に入力された燃料電池の製品を示す情報を出力し、設定部13は入力部から入力された劣化判定の対象の燃料電池の製品を示す情報を演算部16に出力する(ステップS101)。作業者は劣化判定装置1において劣化判定対象の燃料電池の製品を示す情報を設定するのに併せて、燃料電池130が備える不図示の出力容量設定キーを利用して燃料電池130の出力容量を設定する。また、交流電源2および整流器110が正常に動作しているときには直流負荷3への電力供給は整流器110により行われており、燃料電池130は交流電源2の停電や整流器110の故障に備えて待機している状態にある。このため、作業者は、さらに、燃料電池130が備える不図示の起動ボタンを押す。燃料電池130は、起動ボタンが押されると起動し、設定した出力容量で電力供給を開始する。
Next, the fuel cell deterioration determination operation performed by the deterioration determination apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing an operation procedure of the fuel cell deterioration determination performed by the deterioration determination apparatus 1 of FIG.
First, the operator inputs information indicating the product of the fuel cell subject to deterioration determination using an input unit (not shown). The input unit outputs information indicating the product of the fuel cell input to the
燃料電池130のコンバータ132の出力電力が出力線line1を介して放電部14に供給され、燃料電池130のコンバータ132の出力電力が放電部14により消費される。このように、燃料電池130の出力電力が放電部14により消費されるので、燃料電池130の出力電力が現用の直流負荷3に影響を及ぼすことはない。
このとき、検出部15は燃料電池130のセルスタック131のセルスタック出力電流とセルスタック出力電圧とを検出して、検出したセルスタック出力電流とセルスタック出力電圧とを演算部16に出力する(ステップS102)。
The output power of the
At this time, the
演算部16は、設定部13から入力される劣化判定対象の燃料電池の製品を示す情報と、検出部15から入力されるセルスタック出力電流とを利用して、これらに対応付けてデータ記憶部12に記憶されているΔV−P関係(図2参照)を抽出する。そして、演算部16は、取り出したΔV−P関係において、セルスタック出力電圧差ΔVが0(V)であるセルスタック出力電力(検出部15により検出されたセルスタック出力電流における燃料電池の初期のセルスタック出力電力)を抽出する(ステップS103)。
The
演算部16は、検出部15から入力されるセルスタック出力電流とセルスタック出力電圧とを利用して、劣化判定時のセルスタック出力電力(=セルスタック出力電流×セルスタック出力電圧)を算出する(ステップS104)。
The
演算部16は、ステップS103において抽出された基準のセルスタック出力電力に対するステップS104において算出された劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(=劣化判定時のセルスタック出力電力/初期のセルスタック出力電力×100)を算出し、算出結果を表示部17に出力する(ステップS105)。
The
表示部(割合出力手段)17は、演算部16から入力される基準のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合(%)に対応した位置に矢印17aを表示する(ステップS106)。作業者は表示部17を見て、劣化判定対象の燃料電池130の劣化の進行の度合いを把握する。把握後、作業者は、燃料電池130に備えられた不図示の停止ボタンを押す。燃料電池130は、停止ボタンが押されると停止する。
The display unit (ratio output means) 17 displays an
以上説明した本実施の形態の劣化判定装置によれば、データ記憶部12にセルスタック出力電流に対する燃料電池の基準のセルスタック出力電力を記憶し、劣化判定時の燃料電池130のセルスタック131のセルスタック出力電流とセルスタック出力電圧とを検出する。劣化判定時に検出されたセルスタック出力電流に対する基準のセルスタック出力電力をデータ記憶部12から取り出し、検出されたセルスタック出力電流とセルスタック出力電圧から劣化判定時の燃料電池のセルスタック出力電力を算出する。そして、取り出した基準のセルスタック出力電力に対する劣化判定時のセルスタック出力電力の割合を算出し、算出した割合を表示する。このようにすることにより、燃料電池の劣化判定を行う燃料電池の劣化判定装置および劣化判定方法を実現することができる。また、劣化判定の作業者は、表示された割合から燃料電池の劣化の進み具合を容易に把握することができる。
また、劣化判定装置1内に劣化判定時の燃料電池130の出力電力を消費する放電部14を設けているために、劣化判定時の燃料電池130の出力電力が現用の直流負荷3に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
According to the deterioration determination device of the present embodiment described above, the reference cell stack output power of the fuel cell with respect to the cell stack output current is stored in the
Moreover, since the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
例えば、上記の実施の形態においては、初期のセルスタックの出力電力をセルスタックの基準出力電力とし、これに対する劣化判定時のセルスタックの出力電力の割合を算出するようにしている場合であるが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池の劣化が進んで燃料電池の交換が必要となるセルスタック出力電力をセルスタックの基準出力電力とし、これに対する劣化判定時のセルスタックの出力電力の割合を算出するようにしてもよい。この場合、割合が100(%)以上であれば燃料電池が負荷に必要な電力供給を行うことができ、割合が100(%)未満であれば燃料電池が負荷に必要な電力供給を行うことができない。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various design changes can be made as long as they are described in the claims.
For example, in the above-described embodiment, the initial output power of the cell stack is set as the reference output power of the cell stack, and the ratio of the output power of the cell stack at the time of deterioration determination is calculated. However, it is not limited to this. For example, the cell stack output power that needs to be replaced due to the progress of deterioration of the fuel cell is used as the reference output power of the cell stack, and the ratio of the output power of the cell stack at the time of deterioration determination relative to this is calculated. Good. In this case, if the ratio is 100% or more, the fuel cell can supply power necessary for the load, and if the ratio is less than 100%, the fuel cell supplies power necessary for the load. I can't.
1 劣化判定装置
11 電源部
12 データ記憶部
13 設定部
14 放電部
15 検出部
16 演算部
17表示部
130 燃料電池
131 セルスタック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記第2の外部出力手段に接続され、前記第2の外部出力手段から出力される前記セルスタックの出力電流および出力電圧を、前記燃料電池の劣化判定時に検出する検出手段と、
前記第1の外部出力手段に接続され、前記燃料電池の劣化判定時に当該燃料電池の出力電力のすべてを消費する前記外部負荷としての放電手段と、
前記検出手段により検出された前記セルスタックの出力電流に対する基準出力電力を前記データ記憶手段から抽出する基準出力電力抽出手段と、
前記検出手段により検出された前記セルスタックの出力電流と前記セルスタックの出力電圧とを利用して劣化判定時における前記セルスタックの判定時出力電力を求める判定時出力電力演算手段と、
前記基準出力電力抽出手段により抽出された前記基準出力電力に対する前記判定時出力電力演算手段により求められた前記判定時出力電力の割合を算出する割合算出手段と、
前記割合算出手段により算出された前記割合を出力する割合出力手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の劣化判定装置。 Switching means for switching the output destination of the output power of the cell stack constituting the fuel cell from a load to an external load when determining deterioration of the fuel cell, and a first external output means for outputting the output power of the cell stack to the external load If has a second external output means for outputting an output current and an output voltage of the cell stack, the fuel cell supplies power to the load as a backup power source when the power from the power source is not supplied For each type, data storage means for storing the cell stack reference output power as a reference for the cell stack output current and the type in association with each other ,
Detecting means connected to the second external output means for detecting an output current and an output voltage of the cell stack output from the second external output means at the time of determining the deterioration of the fuel cell ;
Discharging means as the external load that is connected to the first external output means and consumes all of the output power of the fuel cell at the time of determining the deterioration of the fuel cell;
Reference output power extraction means for extracting, from the data storage means, reference output power for the output current of the cell stack detected by the detection means;
A determination time output power calculation means for obtaining a determination time output power of the cell stack at the time of deterioration determination using the output current of the cell stack and the output voltage of the cell stack detected by the detection means;
A ratio calculating means for calculating a ratio of the determination output power calculated by the determination output power calculation means with respect to the reference output power extracted by the reference output power extraction means;
A ratio output means for outputting the ratio calculated by the ratio calculation means;
A fuel cell deterioration determination device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の劣化判定装置。 When power is supplied from the power source, the secondary battery is charged with the power supplied from the power source. When power is not supplied from the power source, the secondary battery and the fuel cell are connected. The fuel cell deterioration determination device according to claim 1, wherein electric power is supplied to the load from the cell stack constituting the fuel cell stack.
前記第1の外部出力手段に接続されている放電手段によって、前記燃料電池の劣化判定時に当該燃料電池の出力電力のすべてを消費する放電手順と、
前記燃料電池の種類ごとに、前記セルスタックの出力電流に対する基準とするセルスタックの基準出力電力と、前記種類とを対応付けて記憶するデータ記憶手段から前記検出手順において検出された前記セルスタックの出力電流に対する基準出力電力を抽出する基準出力電力抽出手順と、
前記検出手順により検出された前記セルスタックの出力電流と前記セルスタックの出力電圧とを利用して劣化判定時における前記セルスタックの判定時出力電力を求める判定時出力電力演算手順と、
前記基準出力電力抽出手順において抽出された前記基準出力電力に対する前記判定時出力電力演算手順において求められた前記判定時出力電力の割合を算出する割合算出手順と、
前記割合算出手順において算出された前記割合を出力する割合出力手順と、
を有することを特徴とする燃料電池の劣化判定方法。 Switching means for switching the output destination of the output power of the cell stack constituting the fuel cell from a load to an external load when determining deterioration of the fuel cell, and a first external output means for outputting the output power of the cell stack to the external load If has a second external output means for outputting an output current and an output voltage of the cell stack, the deterioration determination of the fuel cell for supplying power to the load as a backup power source when the power is not supplied A detection procedure for detecting an output current and an output voltage of the cell stack output from the second external output means by a detection means connected to the second external output means ,
A discharge procedure for consuming all of the output power of the fuel cell by the discharge means connected to the first external output means when determining the deterioration of the fuel cell;
For each type of the fuel cell, the reference output power of the cell stack as a reference with respect to the output current of the cell stack and the type of the cell stack detected in the detection procedure from the data storage means that stores the type in association with each other. A reference output power extraction procedure for extracting a reference output power for an output current;
A determination-time output power calculation procedure for obtaining a determination-time output power of the cell stack at the time of deterioration determination using the output current of the cell stack and the output voltage of the cell stack detected by the detection procedure;
A ratio calculation procedure for calculating a ratio of the determination output power obtained in the determination output power calculation procedure with respect to the reference output power extracted in the reference output power extraction procedure;
A ratio output procedure for outputting the ratio calculated in the ratio calculation procedure;
A method for determining deterioration of a fuel cell, comprising:
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