JP5119565B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からな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器等の移動体に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の内部抵抗は、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【0003】
このため、燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要があるが、現状では燃料電池の内部水分量を直接計測する手法はない。
【0004】
燃料電池の内部水分量は、燃料電池の複素インピーダンスと相関関係があるため、燃料電池のインピーダンスを測定することで、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することは可能である。現在、インピーダンスを計測する方法として交流インピーダンス法がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現状の交流インピーダンス法では、印加する正弦波の周波数を変化させながら多数の点でインピーダンスを計測するため、一回の計測に数分を要する。このため、経時的に変化する燃料電池のインピーダンスを計測することは困難であり、燃料電池内部の水分状態をリアルタイムに把握することが難しかった。
【0006】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池のインピーダンスを経時的に計測可能であり、燃料電池内部の水分状態をリアルタイムに把握することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0007】
【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、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池(10)を備え、燃料電池の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスにより得られる、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分(R1)と、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分(R2)とから燃料電池内部の水分状態を推定する燃料電池システムであって、
燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波信号を印加する正弦波印加手段(40)と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段(41)と、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段(42)と、2つの所定周波数の正弦波信号を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピーダンス演算手段(43〜47)とを備え、
インピーダンス演算手段は、2つの所定周波数における燃料電池の複素インピーダンスの一方を、正弦波印加手段(40)により所定周波数の正弦波信号を印加した場合の、電圧検出手段(41)で検出した出力電圧および電流検出手段(42)で検出した出力電流に基づいて算出し、2つの所定周波数における燃料電池の複素インピーダンスの他方を、正弦波印加手段により正弦波信号を印加しない場合において、出力電圧を出力電流で除した値を、周波数が0における燃料電池の複素インピーダンスとして算出し、
インピーダンス演算手段は、燃料電池の複素インピーダンスを表示する複素平面を設定し、所定周波数の正弦波信号を印加した場合の一方の複素インピーダンスの座標(a3、b3)、および正弦波信号を印加しない場合の他方の複素インピーダンスの座標(R2、0)を、複素平面の実軸上に中心をもつ半円上に位置させ、
インピーダンス演算手段は、前記2点の座標(a3、b3)、(R2、0)から、前記半円の中心の座標(a c 、0)と前記半円の半径(R)を算出し、
燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分(R1)を、前記半円の中心の実軸上の座標(a c )から前記半円の半径(R)を減算することにより算出し、
燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分(R2)を、前記半円の半径(R)の2倍の値から算出することを特徴としている。
【0008】
これによれば、燃料電池の複素インピーダンスを表示する複素平面の実軸上に中心をもつ半円上に、所定周波数の正弦波信号を印加した場合の一方の複素インピーダンスの座標(a3、b3)、および正弦波信号を印加しない場合の他方の複素インピーダンスの座標(R2、0)を位置させ、これら2点の座標(a3、b3)、(R2、0)から、前記半円の中心の座標(a c 、0)と前記半円の半径(R)を算出し、この半円の中心の座標(a c 、0)と半径(R)とに基づいて、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分(R1)と、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分(R2)とを求めることができる。このため、交流インピーダンス法により燃料電池の内部水分量を推定する際に、周波数を変化させながら多数の点で複素インピーダンスを計測する必要がなく、インピーダンスの計測を短時間で行うことができる。これにより、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池内部の水分状態(水分の不足/過剰)をリアルタイムに把握することが可能となる。
【0010】
特に、請求項1に記載の発明によれば、正弦波信号を印加しない場合において、燃料電池の出力電圧を出力電流で除した値を、周波数が0における燃料電池の複素インピーダンスとして算出するから、1つの周波数における複素インピーダンスを計測するだけでよく、さらに短時間でインピーダンスの計測を行うことができる。
【0018】
また、請求項2に記載の発明のように、出力信号は燃料電池の出力電流および出力電圧であり、正弦波信号は正弦波電流もしくは正弦波電圧であるとすることができる。
【0019】
また、請求項3に記載の発明では、燃料電池の内部水分量を調整する内部水分量調整手段(20〜23、30〜33)を備え、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分(R1)に基づいて燃料電池の内部水分量が不足していると判定された場合には、内部水分量調整手段により燃料電池の内部水分量を増加させ、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分(R2)に基づいて燃料電池の内部水分量が過剰であると判定された場合には、内部水分量調整手段により燃料電池の内部水分量を減少させることを特徴としている。
【0020】
これにより、燃料電池の内部水分量を最適に保つことができる。
【0021】
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。
【0022】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、本発明を適用した第1実施形態を図1〜図6に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用したものである。
【0023】
図1は、本第1実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図1に示すように、本第1実施形態の燃料電池システムには、燃料電池(FCスタック)10、空気供給装置21、水素供給装置31、インピーダンス検出部40〜47、制御部50等が設けられている。
【0024】
燃料電池(FCスタック)10は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本第1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、基本単位となる単セルが複数積層されて構成されている。燃料電池10では、水素および空気(酸素)が供給されることにより、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。
(水素極側)H2→2H++2e-
(酸素極側)2H++1/2O2 +2e-→H2O
燃料電池10は、インバータ(負荷)11や図示しない2次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。インバータ11は、燃料電池10から供給された直流電流を交流電流に変換して図示しない走行用モータに供給してモータを駆動する。
【0025】
燃料電池システムには、燃料電池10の酸素極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気経路(酸素経路)20と、燃料電池10の水素極(負極)側に水素を供給するための水素経路30が設けられている。空気経路20の最上流部には空気供給装置(コンプレッサ)21が設けられている。また、水素経路30の最上流部には水素供給装置31が設けられている。水素供給装置31としては、例えば改質反応により水素を生成する改質装置、あるいは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。空気供給装置21、水素供給装置31は、空気および水素の供給量を調整し流量を調整することができる。
【0026】
上記電気化学反応のためには、燃料電池10内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、空気経路20には、燃料電池10に供給される空気を加湿するための加湿器22が設けられている。加湿器22は、空気の加湿量を調整可能に構成されている。同様に、水素経路30にも、燃料電池10に供給される水素を加湿するための加湿器32が設けられている。加湿器22、32による加湿量を増大することにより内部水分量を増大させることができ、加湿器22、32による加湿量を減少することにより内部水分量を減少させることができる。
【0027】
空気経路20における燃料電池10下流側には、空気経路20を流れる空気の圧力を調整するための背圧調整バルブ23が設けられている。バルブ23の開度を小さくすることで空気経路20内の空気圧を高くすることができ、開度を大きくすることで空気圧を低くすることができる。同様に、水素経路30における燃料電池10下流側にも、水素経路30を流れる水素の圧力を調整するための背圧調整バルブ33が設けられている。
【0028】
背圧調整バルブ23、33の開度を大きくすることで、燃料電池10内部において空気経路20、水素経路30内の圧力が低下し、これらの経路20、30内の水分蒸発を促進することができ、内部水分量を減少させることができる。また、背圧調整バルブ23、33の開度を小さくすることで、燃料電池10内部において空気経路20、水素経路30内の圧力が増大し、これらの経路20、30内の水分蒸発を抑制することができ、内部水分量を増大させることができる。
【0029】
さらに、空気供給装置21から供給される空気の流速を速くしたり、水素供給装置31から供給される水素の流速を速くすることでも、燃料電池10内部の水分を吹き飛ばして、内部水分量を減少させることができる。
【0030】
上記の加湿器22、32、背圧調整バルブ23、33、空気供給装置21、水素供給装置31は、燃料電池10の内部水分量を増加あるいは減少させて調整する内部水分量調整手段を構成している。これらは、それぞれ単独で用いてもよく、あるいは組み合わせて用いてもよい。
【0031】
次に、図2に基づいて、燃料電池10の出力電圧低下と内部水分量との関係について説明する。図2は、燃料電池10の出力電圧と出力電流との関係を示している。燃料電池10では、電池内部での損失がなければ、図2中破線で示すように一定の起電力が発生する。
【0032】
しかし、実際には、図2中の実線で示すように電圧降下が生ずる。その内訳は、1)電気化学反応の活性化エネルギに起因する活性化過電圧、2)燃料電池10の内部抵抗に起因する抵抗過電圧、3)水素、酸素の拡散が阻害されることに起因する拡散過電圧が発生することによるものである。
【0033】
燃料電池10内の水分量が不足すると、高分子電解質膜の含水量が減少し、電解質膜の導電率が低下する。この結果、電解質膜の電気抵抗が増大するため、2)抵抗過電圧が増加する。一方、1)活性過電圧、3)拡散過電圧は水分量不足による影響は受けない。
【0034】
燃料電池10内の水分量が過剰になると、燃料電池10の電極が水によって覆われてしまうため、反応物質である水素、酸素の拡散が阻害され、3)拡散過電圧が増大する。一方、1)活性化過電圧、2)抵抗過電圧は水分量過剰による影響は受けない。
【0035】
上記点から、2)抵抗過電圧の増加と、3)拡散過電圧の増加を分離して計測することができれば、抵抗過電圧の増加から内部水分量の不足を判断でき、拡散過電圧の増加から内部水分量の過剰を判断することができる。これらの抵抗過電圧と拡散過電圧は、交流インピーダンス法を用いることにより分離することが可能となる。
【0036】
次に、図3、図4に基づいて、交流インピーダンス法による抵抗過電圧と拡散過電圧の分離方法について説明する。
【0037】
図3は燃料電池10の等価回路を示している。図3の等価回路におけるR1は電解質膜の抵抗に相当し、R2は活性化過電圧と拡散過電圧を抵抗換算したものに相当している。図3の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
【0038】
図4は、図3の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合の燃料電池10のインピーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合(ω=∞)のインピーダンスは、図4におけるR1となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合(ω=0)のインピーダンスは、R1+R2となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図4に示すような半円を描く。
【0039】
これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池10の等価回路におけるR1とR2を分離して計測することが可能となる。R1が予め定められた第1所定値より大きくなり出力が低下している場合には、高分子電解質膜が乾燥して抵抗過電圧が大きくなり、導電率が低下していることが出力低下の原因と判断できる。また、R2が予め定められた第2所定値より大きくなり出力が低下している場合には、電極表面に水が過剰に存在し、拡散過電圧が大きくなっていることが原因であると判断できる。
【0040】
本第1実施形態の燃料電池システムには、交流インピーダンス法により燃料電池10のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部40〜47が設けられている。
【0041】
インピーダンス検出部は、任意の周波数で正弦波電流を発生する正弦波発振器(正弦波印加手段)40と、燃料電池10の出力電圧を検出する電圧センサ(電圧検出手段)41、出力電流を検出する電流センサ(電流検出手段)42と、電圧信号、電流信号からノイズを除去するフィルタ部43、44と、高速フーリエ変換処理を行うFFT処理部45、46と、FFT処理された電圧成分、電流成分からインピーダンスを算出するインピーダンス分析部47とからなる。フィルタ部43、44、FFT処理部45、46、インピーダンス分析部47は、インピーダンス演算手段を構成している。
【0042】
また、本第1実施形態の燃料電池システムでは、各種制御を行う制御部50が設けられている。制御部50は、インピーダンス分析部47にて算出された燃料電池10のインピーダンスに基づいて、燃料電池10内部の水分状態を判断し、これに基づいて燃料電池10の内部水分量の制御を行うように構成されている。
【0043】
次に、本第1実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。
【0044】
まず、運転者によるアクセル開度等から車両走行に必要な車両要求電力を検出する。燃料電池10では、車両要求電力を供給するように発電を行う。次に、インピーダンス検出部40〜47により、燃料電池10のインピーダンス計測を行う。
【0045】
図5は、インピーダンス計測手順を示している。まず、正弦波発振器40により、燃料電池10から出力される直流電流に所定の周波数を有する正弦波電流を印加する。このときの燃料電池10の出力電圧を電圧センサ41で検出し、出力電流を電流センサ42で検出する。電圧信号、電流信号は、フィルタ部43、44にて高周波ノイズ成分と低周波の車両要求電力を満たすための電流変動成分が除去される。
【0046】
FFT処理部45、46では、高速フーリエ変換を行い、フィルタ部43、44を通過した電圧信号、電流信号をそれぞれ実成分と虚成分(aV+jbV、aI+jbI)に分離する。インピーダンス分析器47では、FFT処理した電圧信号をFFT処理した電流信号で除してインピーダンスの実成分と虚成分を算出し、複素平面上での原点からの距離(絶対値)rと位相角θを出力する。
【0047】
以上の手順により、所定周波数における燃料電池10のインピーダンスを検出することができる。
【0048】
次に、燃料電池10の抵抗過電圧と拡散過電圧を分離して検出する。上述のように、交流インピーダンス法により図3の等価回路におけるR1とR2を求めれば、燃料電池10の抵抗過電圧と拡散過電圧を分離して検出することができる。図6は、R1とR2を算出する手順を示している。本第1実施形態では、異なる周波数における2点のインピーダンスを計測することで、R1およびR2を算出する。
【0049】
まず、異なる2つの周波数f1、f2における燃料電池10のインピーダンスを計測する。図6に示すように、これら2点の複素平面上における座標を、それぞれ(a1,b1)、(a2,b2)とする。これら2点の座標は、図4に示す実軸上に中心を持つ半円の円周上に位置する。
【0050】
従って、2点の座標(a1,b1)、(a2,b2)から、円の中心の座標(aC,0)と半径Rを算出することができる。このように、2点のインピーダンスを用いて、高周波(ω=∞)から低周波(ω=0)まで周波数を変化させた場合のインピーダンスを算出することができる。このとき、R1=(中心のX座標−円の半径)=(aC−R)、R2=円の直径=2Rとなる。以上のように、2点のインピーダンスからR1とR2を算出することができる。
【0051】
次に、燃料電池10の内部水分量の状態を判定する。上述のようにR1は電解質膜の抵抗に相当し、R2は活性化過電圧と拡散過電圧を抵抗換算したものに相当している。このため、R1が予め設定された第1所定値より大きく、R2が第2所定値より小さい場合には、抵抗過電圧が増加しており、燃料電池10の内部水分量が不足していると推定できる。また、R1が第1所定値より小さく、R2が第2所定値より大きい場合には、拡散過電圧が増加しており、燃料電池10の内部水分量が過剰であると推定できる。
【0052】
燃料電池10の内部水分量が不足していると判定された場合には、加湿器22、32等の内部水分量調整手段により、燃料電池10の内部水分量を増加させるように制御を行う。一方、燃料電池10の内部水分量が過剰であると判定された場合には、加湿器22、32等により燃料電池10の内部水分量を減少させる。これにより、燃料電池10の内部水分量を適正に保つことができる。
【0053】
以上、本第1実施形態によれば、交流インピーダンス法により燃料電池10の内部水分量を推定する際に、異なる2つの周波数における燃料電池10のインピーダンスを計測するだけでよい。このため、インピーダンスの計測を短時間で行うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池10内部の水分状態(水分の不足/過剰)をリアルタイムに把握することが可能となる。
【0054】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図7に基づいて説明する。本第2実施形態は、上記第1実施形態に比較して、図3の等価回路におけるR1とR2を求める方法が異なるものである。上記第1実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0055】
図7は、本第2実施形態におけるR1とR2を算出する手順を示している。本第2実施形態では、所定周波数における1点のインピーダンスを計測し、R1およびR2を算出する。
【0056】
まず、所定周波数f3における燃料電池10のインピーダンスを計測する。図7に示すように、この点の複素平面上における座標を(a3,b3)とする。次に、正弦波発振器40にて正弦波電流を印加していない場合において、燃料電池10の出力電圧を出力電流で除した値を、周波数=0における燃料電池10のインピーダンスとしてR2=(出力電圧)/(出力電流)とする。この点を(R2,0)の座標にあると考える。
【0057】
(a3,b3)と(R2,0)は、ともに図7、図4に示す実軸上に中心を持つ半円の円周上に位置する。従って、上記第1実施形態と同様に、2点の座標(a3,b3)、(R2,0)から、円の中心の座標(ac,0)と半径Rを算出することができる。このとき、R1=(中心のX座標−円の半径)=(ac−R)、R2=円の直径=2Rとなる。
【0058】
以上のように、所定の周波数における一点のインピーダンスを測定するとともに、定常状態の出力電圧、出力電流を測定することで、上記第1実施形態と同様にR1とR2を算出することができる。
【0059】
このようにR1とR2を求めた後、上記第1実施形態と同様、燃料電池10内部の水分状態を推定し、内部水分量調整手段により燃料電池10の内部水分量の制御を行う。
【0060】
以上、本第2実施形態によれば、交流インピーダンス法により燃料電池10の内部水分量を推定する際に、1つの所定周波数における燃料電池10のインピーダンスを計測するだけでよい。このため、上記第1実施形態と同様に、短時間でインピーダンスの計測を行うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池10内部の水分状態(水分の不足/過剰)をリアルタイムに把握することができる。
【0061】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図8に基づいて説明する。本第3実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池10のインピーダンスから内部水分量を推定する方法が異なるものである。
【0062】
本第3実施形態における燃料電池10のインピーダンスに基づく燃料電池10内部の水分状態の推定方法について図4、図8に基づいて説明する。図8は、所定周波数の正弦波が印加された場合における燃料電池10のインピーダンスと、燃料電池10内部の水分状態との関係を示している。
【0063】
図4において、燃料電池10の内部水分量が不足し抵抗過電圧が増大した場合には、複素平面上でR1が増大する。R1の増大に伴い、所定の周波数におけるインピーダンスZは、主に実成分aが大きくなり、複素平面上で原点から遠ざかる。この結果、インピーダンスZの絶対値rが大きくなるとともに、インピーダンスZの位相角θは小さくなる。これは、燃料電池10の電流信号に対する電圧信号の位相遅れ(応答遅れ)が小さくなることを意味している。
【0064】
一方、燃料電池10の内部水分量が過剰であり、拡散過電圧が増大した場合には、図4の複素平面上でR2が増大する。R2の増大に伴い、所定の周波数におけるインピーダンスZは、主に虚成分bが大きくなり、複素平面上で原点から遠ざかる。この結果、インピーダンスZの絶対値rが大きくなるとともに、インピーダンスZの位相角θは大きくなる。これは燃料電池10の出力電流に対する出力電圧の位相の遅れが大きくなることを意味している。
【0065】
以上のように、燃料電池10内部の水分状態は、燃料電池10のインピーダンスの位相角(電流信号に対する電圧信号の位相の遅れ)および絶対値と相関関係がある。図8はこれらの関係を示しており、複素平面上に内部水分量が、1)最適な領域、2)過剰な領域、3)不足している領域の3つの領域を設定している。これらの領域は、燃料電池10の負荷に応じて定められる。
【0066】
図8に示すように、燃料電池10の内部水分量の状態は、燃料電池10のインピーダンスの位相角に基づいて推定することができる。すなわち、所定周波数における燃料電池10のインピーダンスの位相角が、所定位相角θo近傍にある場合には燃料電池の内部水分量は適正であり、所定位相角θoより小さい場合には内部水分量が不足しており、所定位相角θoより大きい場合には内部水分量が過剰であると判定できる。内部水分量の判断基準となる所定位相角θoは、印加する正弦波の周波数等によって予め設定される。
【0067】
また、図8に示すように、内部水分量の最適領域は、燃料電池10のインピーダンスの実成分および虚成分がそれぞれ所定値より小さい領域である。従って、インピーダンスの絶対値が所定値より小さい場合には、内部水分量が適正領域にあると判断できる。
【0068】
以上のことにより、本第3実施形態では、ある所定の周波数1点における燃料電池10のインピーダンスを計測することによって、次のように燃料電池10内部の水分状態を推定できる。
【0069】
1)燃料電池10のインピーダンスの位相角に基づいて、燃料電池の内部水分量の状態を判断することができる。
【0070】
2)また、インピーダンスの絶対値が所定値より小さい場合には、内部水分量が最適領域にあると判断することができる。
【0071】
3)また、電圧センサ41により燃料電池10の出力低下を判定した上で、インピーダンスの位相角により、水分不足あるいは過剰を判定することもできる。
【0072】
4)また、複素平面上で内部水分量の最適領域、過剰領域、不足領域を予め設定し、インピーダンスの複素平面上における座標が3つの領域のいずれに位置するかによって、燃料電池10内部の水分状態を推定することができる。
【0073】
以上、本第3実施形態によれば、交流インピーダンス法により燃料電池10の内部水分量を推定する際に、1つの所定周波数における燃料電池10のインピーダンスを計測するだけでよい。このため、上記第1実施形態と同様に、インピーダンスの計測を短時間で行うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池10内部の水分状態(水分の不足/過剰)をリアルタイムに把握することが可能となる。
【0074】
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態では、正弦波発振器40では、正弦波電流を発生するように構成したが、正弦波電圧を発生するように構成してもよく、燃料電池10が出力する直流電圧に正弦波電圧を印加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の燃料電池システムの全体構成示す概念図である。
【図2】燃料電池の電圧降下の内容を示す特性図である。
【図3】燃料電池の等価回路を示す回路図である。
【図4】燃料電池のインピーダンスを示す特性図である。
【図5】インピーダンス検出部の作動を示す概念図である。
【図6】2点のインピーダンスから周波数を変化させた場合のインピーダンス算出手順を示す特性図である。
【図7】1点のインピーダンスから周波数を変化させた場合のインピーダンス算出手順を示す特性図である。
【図8】燃料電池のインピーダンスと内部水分量の状態との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
10…燃料電池、11…インバータ、20…空気供給経路、21…空気供給装置、22…加湿器、23…背圧調整バルブ、30…水素供給経路、31…水素供給装置、32…加湿器、33…背圧調整バルブ、40…正弦波発振器、41…電圧センサ、42…電流センサ、43、44…フィルタ部、45、46…FFT処理部、47…インピーダンス分析部、50…制御部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.
[0002]
[Prior art]
It is known that the internal resistance of a fuel cell affects the wetness of the electrolyte membrane inside the fuel cell. When the amount of moisture inside the fuel cell is low and the electrolyte membrane is dry, the internal resistance increases. The output voltage of the fuel cell decreases. On the other hand, when the internal water content of the fuel cell is excessive, the electrode of the fuel cell is covered with water, so that the diffusion of oxygen and hydrogen as reactants is hindered, and the output voltage decreases.
[0003]
For this reason, in order to operate the fuel cell with high efficiency, it is necessary to optimally manage the internal moisture content of the fuel cell, but at present there is no method for directly measuring the internal moisture content of the fuel cell.
[0004]
Since the internal moisture content of the fuel cell has a correlation with the complex impedance of the fuel cell, it is possible to indirectly grasp the moisture state inside the fuel cell by measuring the impedance of the fuel cell. Currently, there is an AC impedance method as a method for measuring impedance.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the current AC impedance method, impedance is measured at a number of points while changing the frequency of the applied sine wave, and thus it takes several minutes for one measurement. For this reason, it is difficult to measure the impedance of the fuel cell that changes over time, and it is difficult to grasp the moisture state inside the fuel cell in real time.
[0006]
An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can measure the impedance of a fuel cell over time and can grasp the moisture state inside the fuel cell in real time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a fuel cell (10) that obtains electric power by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and a sine wave while changing the frequency of the output signal of the fuel cell. Fuel is obtained from the resistance component (R1) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is insufficient and the resistance component (R2) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is excessive, which is obtained by the complex impedance of the fuel cell when a signal is applied. A fuel cell system for estimating a moisture state inside a battery,
A sine wave applying means (40) for applying a sine wave signal having an arbitrary frequency to the output signal of the fuel cell, a voltage detecting means (41) for detecting the output voltage of the fuel cell, and detecting the output current of the fuel cell Current detection means (42), and impedance calculation means (43 to 47) for calculating the complex impedance of the fuel cell when two sine wave signals of a predetermined frequency are applied,
The impedance calculating means outputs the output voltage detected by the voltage detecting means (41) when one of the complex impedances of the fuel cell at two predetermined frequencies is applied by the sine wave applying means (40). And the output voltage is output when the sine wave signal is not applied to the other of the complex impedances of the fuel cell at two predetermined frequencies by the sine wave applying means. The value divided by the current is calculated as the complex impedance of the fuel cell at frequency 0And
The impedance calculation means sets a complex plane for displaying the complex impedance of the fuel cell, and when one of the complex impedance coordinates (a3, b3) when a sine wave signal of a predetermined frequency is applied and when no sine wave signal is applied The coordinate (R2, 0) of the other complex impedance of is placed on a semicircle centered on the real axis of the complex plane;
The impedance calculation means calculates the coordinates (a of the center of the semicircle from the coordinates (a3, b3), (R2, 0) of the two points. c , 0) and the radius (R) of the semicircle,
The resistance component (R1) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is insufficient is expressed as coordinates (a c ) By subtracting the radius (R) of the semicircle from
The resistance component (R2) that increases when the internal water content of the fuel cell is excessive is calculated from a value twice the radius (R) of the semicircle.It is characterized by that.
[0008]
According to this, the coordinates (a3, b3) of one complex impedance when a sine wave signal of a predetermined frequency is applied to a semicircle centered on the real axis of the complex plane displaying the complex impedance of the fuel cell. , And the coordinates (R2, 0) of the other complex impedance when no sine wave signal is applied, and the coordinates of the center of the semicircle from the coordinates (a3, b3), (R2, 0) of these two points (A c , 0) and the radius (R) of the semicircle, and the coordinates (a c , 0) and radius (R),A resistance component (R1) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is insufficient and a resistance component (R2) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is excessive can be obtained. For this reason, when estimating the internal moisture content of the fuel cell by the alternating current impedance method, it is not necessary to measure the complex impedance at many points while changing the frequency, and the impedance can be measured in a short time. Thereby, impedance measurement can be performed over time, and the moisture state (insufficient / excessive moisture) inside the fuel cell can be grasped in real time.
[0010]
In particular, according to the first aspect of the present invention, when the sine wave signal is not applied, the value obtained by dividing the output voltage of the fuel cell by the output current is calculated as the complex impedance of the fuel cell at a frequency of 0.It is only necessary to measure the complex impedance at one frequency, and the impedance can be measured in a shorter time.
[0018]
Claims2As described above, the output signal can be an output current and an output voltage of the fuel cell, and the sine wave signal can be a sine wave current or a sine wave voltage.
[0019]
Moreover, in invention of Claim 3, the internal moisture content adjustment means (20-23, 30-33) which adjusts the internal moisture content of a fuel cell is provided,Based on the resistance component (R1) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is insufficientWhen it is determined that the internal moisture content of the fuel cell is insufficient, the internal moisture content of the fuel cell is increased by the internal moisture content adjusting means,Based on the resistance component (R2) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is excessiveWhen it is determined that the internal moisture content of the fuel cell is excessive, the internal moisture content of the fuel cell is reduced by the internal moisture content adjusting means.
[0020]
Thereby, the internal moisture content of the fuel cell can be kept optimal.
[0021]
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.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment to which the present invention is applied will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system of the present invention is applied to an electric vehicle.
[0023]
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10, an
[0024]
The fuel cell (FC stack) 10 generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
(Hydrogen electrode side) H2→ 2H++ 2e-
(Oxygen electrode side) 2H++ 1 / 2O2 + 2e-→ H2O
The
[0025]
In the fuel cell system, hydrogen is supplied to the air path (oxygen path) 20 for supplying air (oxygen) to the oxygen electrode (positive electrode) side of the
[0026]
For the electrochemical reaction, the electrolyte membrane in the
[0027]
A back
[0028]
By increasing the opening degree of the back
[0029]
Furthermore, by increasing the flow rate of air supplied from the
[0030]
The
[0031]
Next, based on FIG. 2, the relationship between the output voltage drop of the
[0032]
In practice, however, a voltage drop occurs as shown by the solid line in FIG. The breakdown is as follows: 1) activation overvoltage due to activation energy of electrochemical reaction, 2) resistance overvoltage due to internal resistance of
[0033]
If the amount of water in the
[0034]
If the amount of water in the
[0035]
From the above points, if 2) increase in resistance overvoltage and 3) increase in diffusion overvoltage can be measured separately, it can be determined from the increase in resistance overvoltage that the internal moisture content is insufficient. Can be judged. These resistance overvoltage and diffusion overvoltage can be separated by using the AC impedance method.
[0036]
Next, a method for separating resistance overvoltage and diffusion overvoltage by the AC impedance method will be described with reference to FIGS.
[0037]
FIG. 3 shows an equivalent circuit of the
[0038]
FIG. 4 shows the impedance of the
[0039]
From these things, it becomes possible to isolate | separate and measure R1 and R2 in the equivalent circuit of the
[0040]
The fuel cell system of the first embodiment is provided with
[0041]
The impedance detection unit detects a sine wave oscillator (sine wave applying means) 40 that generates a sine wave current at an arbitrary frequency, a voltage sensor (voltage detection means) 41 that detects an output voltage of the
[0042]
In the fuel cell system of the first embodiment, a
[0043]
Next, the operation of the fuel cell system according to the first embodiment will be described.
[0044]
First, the required vehicle power required for vehicle travel is detected from the accelerator opening by the driver. The
[0045]
FIG. 5 shows an impedance measurement procedure. First, a sine wave current having a predetermined frequency is applied to the direct current output from the
[0046]
In the
[0047]
With the above procedure, the impedance of the
[0048]
Next, the resistance overvoltage and the diffusion overvoltage of the
[0049]
First, the impedance of the
[0050]
Therefore, from the coordinates (a1, b1) and (a2, b2) of the two points, the coordinates (aC, 0) and the radius R can be calculated. In this way, the impedance when the frequency is changed from a high frequency (ω = ∞) to a low frequency (ω = 0) can be calculated using the impedances at two points. At this time, R1 = (center X coordinate−circle radius) = (aC-R), R2 = circle diameter = 2R. As described above, R1 and R2 can be calculated from the impedances at two points.
[0051]
Next, the state of the internal moisture content of the
[0052]
When it is determined that the internal moisture content of the
[0053]
As described above, according to the first embodiment, when the internal moisture content of the
[0054]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in the method for obtaining R1 and R2 in the equivalent circuit of FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0055]
FIG. 7 shows a procedure for calculating R1 and R2 in the second embodiment. Book number2In the embodiment, the impedance at one point at a predetermined frequency is measured, and R1 and R2 are calculated.
[0056]
First, the impedance of the
[0057]
(A3, b3) and (R2, 0) are bothFIG.It is located on the circumference of a semicircle centered on the real axis shown in FIG. Therefore, as in the first embodiment, the coordinates (a3, b3) and (R2, 0) of the two points are used as the coordinates (ac, 0) and the radius R can be calculated. At this time, R1 = (center X coordinate−circle radius) = (ac-R), R2 = circle diameter = 2R.
[0058]
As described above, R1 and R2 can be calculated in the same manner as in the first embodiment by measuring the impedance at one point at a predetermined frequency and measuring the output voltage and output current in the steady state.
[0059]
After thus seeking R1 and R2, similar to the first embodiment estimates the
[0060]
As described above, according to the second embodiment, when estimating the internal moisture content of the
[0061]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is different from the above embodiments in the method of estimating the internal water content from the impedance of the
[0062]
A method for estimating the moisture state inside the
[0063]
In FIG. 4, when the internal moisture content of the
[0064]
On the other hand, when the internal moisture content of the
[0065]
As described above, the moisture state in the
[0066]
As shown in FIG. 8, the state of the internal moisture content of the
[0067]
Further, as shown in FIG. 8, the optimum region of the internal moisture amount is a region in which the real component and the imaginary component of the impedance of the
[0068]
As described above, in the third embodiment, the moisture state in the
[0069]
1) Based on the phase angle of the impedance of the
[0070]
2) If the absolute value of the impedance is smaller than a predetermined value, it can be determined that the internal moisture content is in the optimum region.
[0071]
3) Moreover, after determining the output decrease of the
[0072]
4) In addition, the optimum area, excess area, and insufficient area of the internal moisture amount on the complex plane are set in advance, and the moisture in the
[0073]
As described above, according to the third embodiment, when estimating the internal moisture content of the
[0074]
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the content of a voltage drop in a fuel cell.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a fuel cell.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the impedance of the fuel cell.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the operation of an impedance detection unit.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an impedance calculation procedure when the frequency is changed from two impedance points.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing an impedance calculation procedure when the frequency is changed from one point of impedance.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the impedance of the fuel cell and the state of the internal moisture content.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波信号を印加する正弦波印加手段(40)と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段(41)と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段(42)と、
2つの所定周波数の正弦波信号を印加した場合の前記燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピーダンス演算手段(43〜47)とを備え、
前記インピーダンス演算手段は、前記2つの所定周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスの一方を、前記正弦波印加手段(40)により前記所定周波数の正弦波信号を印加した場合の、前記電圧検出手段(41)で検出した前記出力電圧および前記電流検出手段(42)で検出した前記出力電流に基づいて算出し、
前記2つの所定周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスの他方を、前記正弦波印加手段により前記正弦波信号を印加しない場合において、前記出力電圧を前記出力電流で除した値を、周波数が0における前記燃料電池の複素インピーダンスとして算出し、
前記インピーダンス演算手段は、前記燃料電池の複素インピーダンスを表示する複素平面を設定し、前記所定周波数の正弦波信号を印加した場合の前記一方の複素インピーダンスの座標(a3、b3)、および前記正弦波信号を印加しない場合の前記他方の複素インピーダンスの座標(R2、0)を、前記複素平面の実軸上に中心をもつ半円上に位置させ、
前記インピーダンス演算手段は、前記2点の座標(a3、b3)、(R2、0)から、前記半円の中心の座標(a c 、0)と前記半円の半径(R)を算出し、
前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分(R1)を、前記半円の中心の前記実軸上の座標(a c )から前記半円の半径(R)を減算することにより算出し、
前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分(R2)を、前記半円の半径(R)の2倍の値から算出することを特徴とする燃料電池システム。Obtained by the complex impedance of the fuel cell when a fuel cell (10) is provided that obtains electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and a sine wave signal is applied to the output signal of the fuel cell while changing the frequency. A fuel cell system for estimating a moisture state inside the fuel cell from a resistance component (R1) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is insufficient and a resistance component (R2) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is excessive Because
Sine wave applying means (40) for applying a sine wave signal having an arbitrary frequency to the output signal of the fuel cell;
Voltage detection means (41) for detecting the output voltage of the fuel cell;
Current detection means (42) for detecting the output current of the fuel cell;
Impedance calculating means (43 to 47) for calculating the complex impedance of the fuel cell when two sine wave signals having a predetermined frequency are applied;
The impedance calculation means is the voltage detection means (41) when one of the complex impedances of the fuel cell at the two predetermined frequencies is applied with the sine wave signal of the predetermined frequency by the sine wave application means (40). ) And the output current detected by the current detection means (42),
When the other of the complex impedances of the fuel cell at the two predetermined frequencies is not applied by the sine wave applying means, the value obtained by dividing the output voltage by the output current is the frequency at 0. Calculated as the complex impedance of the fuel cell ,
The impedance computing means, said fuel and set the complex plane for displaying the complex impedance of the battery, the predetermined frequency of the one of the complex impedance when applying a sinusoidal signal coordinates (a3, b3), and the sine wave The coordinates (R2, 0) of the other complex impedance when no signal is applied are located on a semicircle centered on the real axis of the complex plane;
The impedance calculation means calculates the coordinates (a c , 0) of the center of the semicircle and the radius (R) of the semicircle from the coordinates (a3, b3), (R2 , 0) of the two points ,
The resistance component (R1) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is insufficient is calculated by subtracting the radius (R) of the semicircle from the coordinates ( ac ) on the real axis at the center of the semicircle. ,
The fuel cell system, wherein the resistance component (R2) that increases when the internal moisture content of the fuel cell is excessive is calculated from a value that is twice the radius (R) of the semicircle .
前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分(R1)に基づいて前記燃料電池の内部水分量が不足していると判定された場合には、前記内部水分量調整手段により前記燃料電池の内部水分量を増加させ、
前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加する抵抗成分(R2)に基づいて前記燃料電池の内部水分量が過剰であると判定された場合には、前記内部水分量調整手段により前記燃料電池の内部水分量を減少させることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。An internal water content adjusting means (20-23, 30-33) for adjusting the internal water content of the fuel cell;
If the internal water content of the fuel cell based on the resistance component increases in the internal water content on low (R1) of the fuel cell is determined to be insufficient, the fuel cell by the internal water amount adjusting means Increase the internal moisture content,
When the internal water content of the fuel cell based on the fuel resistance component increases when the internal water volume overload of the battery (R2) is determined to be excessive, the interior of the fuel cell by the internal water amount adjusting means The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the amount of water is reduced.
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