JP5145266B2 - 固体高分子形燃料電池システム及びその余寿命推定方法 - Google Patents
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Description
このようにして生成したヒドロキシラジカルは、高分子膜と反応して、高分子膜を分解し劣化させ(以下「破壊」という)、高分子膜が減肉してしまうという問題がある。
図17に示すように、運転時間の経過に伴い、前記劣化によって高分子膜の膜厚が減少しているのが確認される。
図1は、実施例1に係る固体高分子形燃料電池システムの概略図を示す。図2は、ドレン導電率とフッ素溶出濃度との関係図である。図3は、平均的運転条件における運転時間とフッ素溶出濃度との関係図である。図4は、実施例1の余寿命推定の工程図である。
また、予め設定した許容フッ素溶出濃度(fmax)と、図3に示す関係からは、平均的運転条件における高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)が得られる。
演算処理装置20で高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)と換算運転時間(T1)の差分を取る。当該差分は、計測時点(t1)における余寿命(T)に相当する。
本実施例に係る余寿命推定方法は、以下の工程により行う。
(工程1) 第1の工程では、燃料電池本体11から排出する燃料ガス12側及び酸化剤ガス13側のドレン16の導電率を計測し、この導電率の値が演算処理装置20に入力される(S1)。
(工程2) 第2の工程では、演算処理装置20は、予め求めたドレン導電率とフッ素溶出濃度との関係を示す検量線(図2参照)を用いて、計測時点(t1)でのドレン導電率(σ1)からフッ素溶出濃度(f1)を求める(S2)。
(工程3) 第3の工程では、演算処理装置20は、平均的運転条件にて予め求めたドレン導電率とフッ素溶出濃度との関係を示す検量線(図3参照)及び前記フッ素溶出濃度(f1)を基に、計測時点(t1)での平均的運転条件における換算運転時間(T1)を求める(S3)。
(工程4) 第4の工程では、演算処理装置20は、予め設定した許容フッ素溶出濃度(fmax)と前記図3の関係から求まる高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)と、前記換算運転時間(T1)の差分を求めて、計測時点(t1)における余寿命(T)を推定する(S4)。
(工程5) 第5の工程では、演算処理装置20は、求めた余寿命が閾値未満か否かを判定する(S5)。当該閾値は、例えば計測誤差に基づき予測される変動値を勘案の上で設定する。
(工程6) 第6の工程では、演算処理装置20は、判定の結果閾値以上と判定(No)した場合、警報を出力する(S6)。
これに対し、演算処理装置20は、判定の結果閾値未満と判定(Yes)した場合には、所定時間経過後に再度計測する(S7)。
ここで、警報とは、例えば運転条件の変更や劣化したセルの取替え等の対策の指示情報を表示等するものであるが、これらに限定されるものではない。
基本構成は実施例1と同一であり、計測を行ったドレン導電率(σ)を基にフッ素溶出濃度(f)を求めること及び図3に相当する曲線を事前に準備する点までは実施例1と同一である。
但し、本実施例においては、前記フッ素溶出濃度の時間変化率も併せて評価を行う。
また、実施例1と同様に予め設定した許容フッ素溶出濃度を基に、図5から当該濃度における許容フッ素溶出濃度変化率(df/dtmax)を求める。本結果と、図5に示す関係からは、平均的運転条件における高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)が得られる。
演算処理装置20で高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)と換算運転時間(T1)の差分を取る。当該差分は、計測時点(t1)における余寿命(T)に相当する。
本実施例は、図3のプラトー部分におけるフッ素溶出濃度と、許容フッ素溶出濃度の絶対値の差が小さい場合に特に有効である。
本実施例に係る余寿命推定方法は、以下の工程により行う。
(工程1) 第1の工程では、燃料電池本体11から排出する燃料ガス12側及び酸化剤ガス13側のドレン16の導電率を計測し、この導電率の値が演算処理装置20に入力される(S11)。
(工程2) 第2の工程では、演算処理装置20は、予め求めたドレン導電率とフッ素溶出濃度との関係を示す検量線(図2参照)を用いて、計測時点(t1)でのドレン導電率(σ1)からフッ素溶出濃度(f1)を求める。更に当該計測時点におけるフッ素溶出濃度変化率(df1/dt)を求める(S12)。
(工程3) 第3の工程では、演算処理装置20は、平均的運転条件にて予め求めたドレン導電率変化率とフッ素溶出濃度変化率との関係を示す検量線(図5参照)を基に、計測時点(t1)での平均的運転条件における換算運転時間(T1)を求める(S13)。
(工程4) 第4の工程では、演算処理装置20は、予め設定した許容フッ素溶出濃度変化率(df/dtmax)と前記図5の関係から求まる高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)と、前記換算運転時間(T1)の差分を求めて、計測時点(t1)における余寿命(T)を推定する(S14)。
(工程5) 第5の工程では、演算処理装置20は、求めた余寿命が閾値未満か否かを判定する(S15)。当該閾値は、例えば許容フッ素溶出濃度変化率に対して計測誤差に基づき予測される変動値を勘案の上で安全側に設定する。
(工程6) 第6の工程では、演算処理装置20は、判定の結果閾値以上と判定(No)した場合、警報を出力する(S16)。
これに対し、演算処理装置20は、判定の結果閾値未満と判定(Yes)した場合には、所定時間経過後に再度計測する(S17)。
ここで、警報とは、例えば運転条件の変更や劣化したセルの取替え等の対策の指示情報を表示等するものであるが、これらに限定されるものではない。
図7は、実施例3に係る固体高分子形燃料電池システムの概略図を示す。図8は、運転時間と累積フッ素溶出量との関係図である。図9は、実施例3の余寿命推定の工程図である。
次いで、求めたフッ素溶出濃度(f1)とドレン排出量(v1)とから、下記式(1)により累積フッ素溶出量(F1)を求める。
F=Σ(フッ素溶出濃度(f)×ドレン排出量(v))…(1)
これにより、運転の経過による高分子膜の劣化に伴って排出された累積フッ素溶出量が求められる。なお、溶出したフッ素の一部はドレン導電率計測位置に至るまでの構成要素部に付着する場合もあるため、上記式に基づき算出した累積フッ素溶出量は高分子膜から放出された全フッ素量とは必ずしも一致はしないが、高分子膜の破壊に相関がある数値であることは変わりない。
この累積フッ素溶出量(F1)から、計測時点(t1)における、平均的運転条件での換算運転時間(T1)を求める。
演算処理装置20で高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)と換算運転時間(T1)の差分を取る。当該差分は、計測時点(t1)における余寿命(T)に相当する。
上述した累積フッ素溶出量からの余寿命推定方法(図8に対応する方法)は、以下の工程により行う。
(工程1) 第1の工程では、燃料電池本体11から排出する燃料ガス側及び酸化剤ガス側のドレン16の導電率及びドレン排出量を計測し、この導電率の値が演算処理装置20に入力される(S21)。
(工程2) 第2の工程は、演算処理装置20は、予め求めたドレン導電率とフッ素溶出濃度との関係を示す検量線を用いて、計測時点(t1)でのドレン導電率(σ1)からフッ素溶出濃度(f1)を求める(S22)。
(工程3)
第3の工程は、演算処理装置20は、前回の工程において評価した累積フッ素溶出量に対して、工程1で入力したドレン排出量に工程2で算出したフッ素溶出濃度を乗じたものを加えて、本工程までの累積フッ素溶出量(F1)を求める(S23)。
(工程4) 第4の工程では、演算処理装置20は、予め求めた溶出量限界値(Fmax)と寿命(Tmax)との関係を示す累積フッ素溶出量検量線を用いて、計測時点での余寿命(T)を推定する(S24)。
(工程5) 第5の工程では、演算処理装置20は、求めた余寿命が閾値未満か否かを判定する(S25)。
(工程6) 第6の工程では、演算処理装置20は、判定の結果閾値以上と判定(No)した場合、警報を出力する(S26)。
これに対し、演算処理装置20は、判定の結果閾値未満と判定(Yes)した場合には、所定時間経過後に再度計測する(S27)。
図10は、運転時間と推定膜厚との関係図である。図11は、実施例4の余寿命推定の工程図である。
推定膜厚(D)は、下記式(2)により求めることができる。
なお、推定膜厚(D)は、セルの発電有効面積(実際に発電に寄与する部分)と、高分子膜厚及びフッ素含有量から求めた全フッ素量をもとに、求めている。
推定膜厚=初期膜厚×{(全フッ素量−累積フッ素溶出量)/(全フッ素量)}…(2)
式(2)により、ある計測時点(t1)での推定膜厚(D1)を求める。
この推定膜厚(D1)から、計測時点(t1)における、平均的運転条件での換算運転時間(T1)を求める。
次に、予め求めた膜厚下限限界値(Dmin)と、図10に示す関係から、平均的運転条件における高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)が得られる。
演算処理装置20で高分子形燃料電子システムの寿命(Tmax)と換算運転時間(T1)の差分を取る。当該差分は、計測時点(t1)における余寿命(T)に相当する。
上述した本実施例に係る推定膜厚からの余寿命推定方法(図10に対応する方法)は、以下の工程により行う。
(工程1) 第1の工程では、燃料電池本体11から排出する燃料ガス側及び酸化剤ガス側のドレン16の導電率及びドレン排出量を計測し、この導電率の値が演算処理装置20に入力される(S31)。
(工程2) 第2の工程では、演算処理装置20は、予め求めたドレン導電率とフッ素溶出濃度との関係を示す検量線を用いて、計測時点(t1)でのドレン導電率(σ1)からフッ素溶出濃度(f1)を求めると共に、フッ素溶出濃度とドレン排出量とから累積フッ素溶出量(F1)を求める(S32)。
(工程3) 第3の工程では、演算処理装置20は、計測時点(t1)での累積フッ素溶出量から固体高分子電解質膜の膜厚を推定する(S33)。
(工程4) 第4の工程では、演算処理装置20は、予め求めた推定膜厚(D)と寿命(Tmax)との関係を示す推定膜厚検量線を用いて、計測時点での余寿命(T)を推定する(S34)。
(工程5) 第5の工程では、演算処理装置20は、求めた余寿命が閾値未満か否かを判定する(S35)。
(工程6) 第6の工程では、演算処理装置20は、判定の結果閾値以上と判定(No)した場合、警報を出力する(S36)。
これに対し、演算処理装置20は、判定の結果閾値未満と判定(Yes)した場合には、所定時間経過後に再度計測する(S37)。
図12は、実施例5に係る固体高分子形燃料電池システムの概略図を示す。図13は、COガス濃度の相違による運転時間とフッ素溶出濃度との関係図である。図14は、単セルの燃料ガス中のCO濃度の変化を示す図である。
これは、COが燃料電池本体11内セルの触媒活性を低下させることにより、ヒドロキシラジカルが生成され、高分子膜の破壊を促進することより、燃料電池本体11に供給される燃料ガス中のCOガス濃度を計測することで、劣化の度合いを考慮することができる。
図13に示すように、CO濃度が高い場合、溶出する累積フッ素量はCO濃度が低い場合よりも多くなる傾向がある。
図15中、供給燃料ガス12A中のCO濃度が高い(3ppm)の場合には、寿命が短い検量線を用いて余寿命を推定することとなる。
図16中、供給燃料ガス12A中のCO濃度が高い(3ppm)の場合には、寿命が短い検量線を用いて余寿命を推定することとなる。
12 燃料ガス
13 燃料ガス供給手段
14 酸化剤ガス
15 酸化剤ガス供給手段
16 ドレン
17 ドレン導電率計測器
18 ドレン排出量計測器
19 COガス濃度計
20 演算処理装置
Claims (12)
- 固体高分子膜を燃料極と酸化極とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、
前記燃料極膜側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化極膜側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池本体から排出される燃料ガス側のドレン及び酸化剤ガス側のドレンの少なくとも一方を含むドレンの導電率を計測するドレン導電率計測器と、
前記ドレン導電率計測器が計測したドレン導電率を基に余寿命を推定する演算処理装置と、を有し、
前記演算処理装置は、計測したドレン導電率を基にした値の時間変化率を基に余寿命を推定すると共に、
ドレン排出量を計測するドレン排出量計測器を更に具備し、
前記演算処理装置は、ドレン導電率及びドレン排出量から算出した累積フッ素溶出量を基に余寿命を推定する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 - 請求項1において、
ドレン排出量を計測するドレン排出量計測器を具備し、
前記演算処理装置は、計測したドレン導電率及びドレン排出量を基に求めた高分子膜の推定膜厚さを基に余寿命を推定する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 - 請求項1又は2において、
燃料電池本体の燃料ガス入口側のCOガス濃度を計測するCOガス濃度計を更に具備し、
前記演算処理装置は当該COガス濃度も考慮して余寿命を推定する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
警報を出力してシステムを停止する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 - 請求項1において、
前記演算処理装置は、計測したドレン導電率を基にした値の時間変化率を基に余寿命を推定すると共に、
ドレン排出量を計測するドレン排出量計測器を更に具備し、
前記演算処理装置は、計測したドレン導電率及びドレン排出量を基に求めた高分子膜の推定膜厚さを基に余寿命を推定し、
更に、前記演算処理装置は、前記ドレン導電率を基にした値の時間変化率を基に推定した余寿命と、前記高分子膜の推定膜厚さを基に推定した余寿命とを比較考量することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 - 請求項1において、
ドレン排出量を計測するドレン排出量計測器を更に具備し、
前記演算処理装置は、ドレン導電率及びドレン排出量から算出した累積フッ素溶出量を基に余寿命を推定すると共に、
前記演算処理装置は、計測したドレン導電率及びドレン排出量を基に求めた高分子膜の推定膜厚さを基に余寿命を推定し、
更に、前記演算処理装置は、前記ドレン導電率及びドレン排出量から算出した累積フッ素溶出量を基に推定した余寿命と、前記高分子膜の推定膜厚さを基に推定した余寿命とを比較考量する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。 - 固体高分子形燃料電池の余寿命を推定する余寿命推定方法であって、
前記燃料電池本体から排出される燃料ガス側のドレン及び酸化剤ガス側のドレンの少なくとも一方を含むドレンの導電率を計測し、
前記計測したドレン導電率を基に余寿命を推定すると共に、
前記計測したドレン導電率を基にした値の時間変化率を基に余寿命を推定し、
更に、燃料電池本体から排出されるドレン排出量を計測し、
前記ドレン導電率及びドレン排出量から算出した累積フッ素溶出量を基に余寿命を推定する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の余寿命推定方法。 - 請求項7において、
更に、燃料電池本体から排出されるドレン排出量を計測し、
前記計測したドレン導電率及びドレン排出量を基に求めた高分子膜の推定膜厚さを基に余寿命を推定する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の余寿命推定方法。 - 請求項7又は8において、
燃料電池本体の燃料ガス入口側のCOガス濃度を計測するCOガス濃度計を更に具備し、
前記演算処理装置は当該COガス濃度も考慮して余寿命を推定する、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池の余寿命推定方法。 - 請求項7乃至9のいずれか一つにおいて、
警報を出力してシステムを停止することを特徴とする固体高分子形燃料電池の余寿命推定方法。 - 請求項7において、
前記計測したドレン導電率を基にした値の時間変化率を基に余寿命を推定すると共に、
燃料電池本体から排出するドレン排出量を計測し、
前記計測したドレン導電率及びドレン排出量を基に求めた高分子膜の推定膜厚さを基に余寿命を推定し、
更に、前記ドレン導電率を基にした値の時間変化率を基に推定した余寿命と、前記高分子膜の推定膜厚さを基に推定した余寿命とを比較考量することを特徴とする固体高分子形燃料電池の余寿命推定方法。 - 請求項7において、
燃料電池本体から排出するドレン排出量を計測し、
前記ドレン導電率及びドレン排出量から算出した累積フッ素溶出量を基に余寿命を推定すると共に、
前記計測したドレン導電率及びドレン排出量を基に求めた高分子膜の推定膜厚さを基に余寿命を推定し、
更に、前記ドレン導電率及びドレン排出量から算出した累積フッ素溶出量を基に推定した余寿命と、前記高分子膜の推定膜厚さを基に推定した余寿命とを比較考量することを特徴とする固体高分子形燃料電池の余寿命推定方法。
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