JP5724911B2 - Fuel cell diagnostic device - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell diagnostic apparatus for diagnosing the state of a polymer electrolyte fuel cell.

従来、交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、測定したインピーダンスに基づいて、燃料電池の状態を診断する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a configuration has been proposed in which the impedance of a fuel cell is measured by an AC impedance method, and the state of the fuel cell is diagnosed based on the measured impedance (see, for example, Patent Document 1).

この特許文献1では、高周波数領域および低周波数領域といった異なる周波数領域のインピーダンスを測定し、測定した高周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池の乾湿状態を診断すると共に、低周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池に供給される反応ガスの供給状態等を診断するようにしている。   In Patent Document 1, impedances in different frequency regions such as a high frequency region and a low frequency region are measured, and a dry / wet state of the fuel cell is diagnosed based on the measured impedance in the high frequency region, and based on the impedance in the low frequency region. Thus, the supply state of the reaction gas supplied to the fuel cell is diagnosed.

特開2007−12419号公報JP 2007-12419 A

ところで、燃料電池における低周波数領域のインピーダンスは、反応ガスの供給状態以外にも、燃料電池内部の乾湿状態(乾燥状態および湿潤状態)や燃料電池の負荷変動(電流密度の変化)の影響によって大きく変化する傾向がある。   By the way, the impedance of the low frequency region in the fuel cell is greatly influenced by the dry / wet state (dry state and wet state) inside the fuel cell and the load variation (change in current density) of the fuel cell in addition to the supply state of the reaction gas. There is a tendency to change.

このため、従来の技術の如く、単に低周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池に供給される反応ガスの供給状態を診断しようとしても、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断することができないという問題があった。   For this reason, even if it is attempted to diagnose the supply state of the reaction gas supplied to the fuel cell simply based on the impedance in the low frequency region as in the prior art, it is possible to accurately diagnose the supply state of the reaction gas in the fuel cell. There was a problem that I could not.

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断可能な燃料電池診断装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell diagnostic apparatus capable of accurately diagnosing the supply state of a reaction gas in a fuel cell.

本発明は、酸化剤ガスおよび燃料ガスといった反応ガスを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル(10)が積層された固体高分子型の燃料電池(1)に適用され、燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置を対象としている。   The present invention is applied to a solid polymer fuel cell (1) in which a plurality of cells (10) that output electric energy by electrochemical reaction of reaction gases such as an oxidant gas and a fuel gas are stacked. The present invention is intended for a fuel cell diagnostic apparatus for diagnosing the state of the above.

本発明は、上記目的を達成するため、燃料電池に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流信号、および基準周波数よりも高い高周波数の交流信号を印加する交流印加手段(431)と、複数のセルのうち、診断対象となる対象セル(10)のセル電圧を検出する電圧検出手段(42)と、対象セルにおける所定の局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段(41)と、交流印加手段にて低周波数の交流信号を印加した際のセル電圧、および局所電流に基づいて、対象セルの局所部位の局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段(432)と、交流印加手段にて高周波数の交流信号を印加した際のセル電圧、および局所電流に基づいて、対象セルの局所部位の膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段(433)と、局所インピーダンスを補正して局所インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する補正手段(434)と、拡散インピーダンスに基づいて燃料電池への反応ガスの供給状態を診断する診断手段(435)と、を備える。そして、補正手段は、局所インピーダンスから膜抵抗、および燃料電池の負荷変動に応じて変化する対象セルの活性化抵抗の影響を除去することで拡散インピーダンスを算出することを特徴としている。   In order to achieve the above object, the present invention provides an AC applying means (431) for applying a low frequency AC signal lower than a predetermined reference frequency and a high frequency AC signal higher than a reference frequency to the fuel cell. ), A voltage detection means (42) for detecting the cell voltage of the target cell (10) to be diagnosed among the plurality of cells, and a local current detection means for detecting a local current flowing through a predetermined local region in the target cell (41), impedance calculation means (432) for calculating the local impedance of the local part of the target cell based on the cell voltage and local current when a low-frequency AC signal is applied by the AC application means, and AC Membrane resistance calculating means (43) for calculating the membrane resistance of the local portion of the target cell based on the cell voltage and local current when the high frequency alternating current signal is applied by the applying means. ), A correction means (434) for correcting the local impedance to calculate the diffusion impedance included in the local impedance, a diagnosis means (435) for diagnosing the supply state of the reaction gas to the fuel cell based on the diffusion impedance, Is provided. Then, the correction means calculates the diffusion impedance by removing the influence of the membrane resistance and the activation resistance of the target cell that changes according to the load fluctuation of the fuel cell from the local impedance.

これによれば、低周波数の交流信号を印加した際の局所インピーダンスから、対象セルの乾湿状態(乾燥状態および湿潤状態)により変化する膜抵抗、および燃料電池の負荷変動により変化する活性化抵抗の影響を除去して算出した拡散インピーダンスに基づいて、燃料電池の反応ガスの供給状態を診断する構成としているので、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断することが可能となる。   According to this, from the local impedance when the low-frequency AC signal is applied, the membrane resistance that changes depending on the dry / wet state (dry state and wet state) of the target cell, and the activation resistance that changes due to the load fluctuation of the fuel cell Since the supply state of the reaction gas in the fuel cell is diagnosed based on the diffusion impedance calculated by removing the influence, the supply state of the reaction gas in the fuel cell can be accurately diagnosed.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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の一例を示すものである。   In addition, the code | symbol in the parenthesis of each means described in this column and the claim shows an example of a correspondence relationship with the specific means described in the embodiment described later.

第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 第1実施形態に係る燃料電池診断装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell diagnostic device according to a first embodiment. 交流信号を印加した際の出力電流を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the output current at the time of applying an alternating current signal. 第1実施形態に係るセルの等価回路図である。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a cell according to the first embodiment. セルへの空気の供給状態が酸素不足状態となる際の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram when the supply state of air to the cell becomes an oxygen-deficient state. セルへの空気の供給状態を変化させた際の理想的なコールコールプロットを示す図表である。It is a graph which shows the ideal Cole-Cole plot at the time of changing the supply state of the air to a cell. 燃料電池の負荷変動が生じた際の理想的なコールコールプロットを示す図表である。It is a graph which shows the ideal Cole-Cole plot when the load fluctuation | variation of a fuel cell arises. 燃料電池の電流−電圧特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the current-voltage characteristic of a fuel cell. 第1実施形態に係る信号処理装置が実行する燃料電池の空気の供給状態を診断する診断処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the diagnostic process which diagnoses the supply state of the air of the fuel cell which the signal processing apparatus which concerns on 1st Embodiment performs. カソード電極の拡散インピーダンスと酸素濃度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the diffusion impedance of a cathode electrode, and oxygen concentration. 第2実施形態に係る燃料電池診断装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the fuel cell diagnostic apparatus which concerns on 2nd Embodiment. セルへの水素の供給状態が水素不足状態となる際の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram when the supply state of hydrogen to the cell becomes a hydrogen shortage state. 第2実施形態に係る信号処理装置が実行する燃料電池の水素の供給状態を診断する診断処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the diagnostic process which diagnoses the supply state of the hydrogen of the fuel cell which the signal processing apparatus which concerns on 2nd Embodiment performs.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について、図1〜図10に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、図示しない車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
(First embodiment)
1st Embodiment of this invention is described based on FIGS. The fuel cell system of this embodiment is applied to a so-called fuel cell vehicle, which is a kind of electric vehicle, and supplies electric power to an electric load such as a vehicle driving electric motor (not shown).

図1の全体構成図に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する固体高分子型の燃料電池1を備えている。この燃料電池1は、車両走行用電動モータや二次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力する。燃料電池1は、基本単位となるセル10が複数積層され、各セル10を電気的に直列に接続した直列接続体として構成されている。   As shown in the overall configuration diagram of FIG. 1, the fuel cell system includes a solid polymer fuel cell 1 that outputs electrical energy by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 1 outputs electric energy supplied to various electric loads such as an electric motor for driving a vehicle and a secondary battery. The fuel cell 1 is configured as a series connection body in which a plurality of cells 10 serving as basic units are stacked and each cell 10 is electrically connected in series.

具体的には、図2に示すように、各セル10は、固体高分子からなる電解質膜100aの両側面に一対の触媒電極層100b、100cが配置された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)100と、膜電極接合体100を狭持する一対のセパレータ101、102で構成されている。   Specifically, as shown in FIG. 2, each cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode) in which a pair of catalyst electrode layers 100b and 100c are arranged on both side surfaces of an electrolyte membrane 100a made of a solid polymer. Assembly) 100 and a pair of separators 101 and 102 sandwiching the membrane electrode assembly 100.

一対のセパレータ101、102のうち、アノード電極100bに対向するセパレータ101には、燃料ガスとしての水素を導入する水素入口部101a、アノード電極100bに水素を供給する水素流路101c、水素流路101cから水素を導出する水素出口部101bが形成されている。   Of the pair of separators 101 and 102, the separator 101 facing the anode electrode 100b has a hydrogen inlet 101a for introducing hydrogen as a fuel gas, a hydrogen channel 101c for supplying hydrogen to the anode electrode 100b, and a hydrogen channel 101c. A hydrogen outlet portion 101b for deriving hydrogen from is formed.

また、一対のセパレータ101、102のうち、カソード電極100cに対向するセパレータ102には、酸化剤ガスとしての空気を導入する空気入口部102a、カソード電極100cに酸素を供給する空気流路102c、空気流路102cから空気を導出する空気出口部102bが形成されている。各セパレータ101、102は、水素流路101cを流通する水素の流れ方向と空気流路102cを流通する空気の流れ方向とが互いに対向流となるように、各入口部101a、102a、および各出口部101b、102bが形成される。   Of the pair of separators 101 and 102, the separator 102 facing the cathode electrode 100c has an air inlet portion 102a for introducing air as an oxidant gas, an air channel 102c for supplying oxygen to the cathode electrode 100c, air An air outlet portion 102b for leading air from the flow path 102c is formed. Each of the separators 101 and 102 has an inlet portion 101a and an outlet port of each of the inlet portions 101a and 102a so that the flow direction of hydrogen flowing through the hydrogen flow channel 101c and the flow direction of air flowing through the air flow channel 102c are opposed to each other. Portions 101b and 102b are formed.

各セル10は、水素および空気が供給されることで、以下に示すように、水素および酸素といった反応ガスを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
(アノード電極)H→2H+2e
(カソード電極)2H+1/2O+2e→H
図1に戻り、燃料電池1および各種電気負荷は、双方向に電力を伝達可能なDC−DCコンバータ2を介して電気的に接続されている。このDC−DCコンバータ2は、燃料電池1から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池1への電力の流れを制御するものである。
Each cell 10 is supplied with hydrogen and air, and as shown below, causes a reaction gas such as hydrogen and oxygen to undergo an electrochemical reaction to output electric energy.
(Anode electrode) H 2 → 2H + + 2e
(Cathode electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O
Returning to FIG. 1, the fuel cell 1 and various electric loads are electrically connected via a DC-DC converter 2 capable of transmitting electric power in both directions. The DC-DC converter 2 controls the flow of electric power from the fuel cell 1 to various electric loads or from the various electric loads to the fuel cell 1.

また、各セル10のうち、診断対象となるセル10(以下、対象セル10と称する。)には、燃料電池診断装置4が接続されている。この燃料電池診断装置4は、対象セル10における空気流れ下流側(酸化剤ガス流れ下流側)の局所部位である空気出口部102b(水素入口部101a)付近への空気の供給状態を診断するものである。空気流れ下流側の局所部位は、空気入口部102aよりも空気出口部102bに近い部位である。なお、燃料電池診断装置4の詳細については後述する。   In addition, the fuel cell diagnostic device 4 is connected to a cell 10 to be diagnosed (hereinafter referred to as a target cell 10) among the cells 10. This fuel cell diagnostic device 4 diagnoses the air supply state in the vicinity of the air outlet portion 102b (hydrogen inlet portion 101a), which is a local portion of the target cell 10 on the downstream side of the air flow (downstream side of the oxidant gas flow). It is. The local site on the downstream side of the air flow is a site closer to the air outlet 102b than to the air inlet 102a. The details of the fuel cell diagnostic device 4 will be described later.

燃料電池1には、空気を燃料電池1に供給する空気供給配管20、および燃料電池1にて電気化学反応を終えた余剰空気やカソード電極100c側に溜まった生成水を燃料電池1から外気へ排出する空気排出配管21が接続されている。なお、空気供給配管20は、燃料電池1の内部に形成された空気供給マニホールド(図示略)を介して各セル10の空気入口部102aに連通し、空気排出配管21は、燃料電池1の内部に形成された空気排出マニホールド(図示略)を介して、各セル10の空気出口部102bに連通している。   In the fuel cell 1, air supply pipe 20 that supplies air to the fuel cell 1, surplus air that has undergone an electrochemical reaction in the fuel cell 1, and generated water accumulated on the cathode electrode 100 c side from the fuel cell 1 to the outside air. An air discharge pipe 21 for discharging is connected. The air supply pipe 20 communicates with the air inlet portion 102a of each cell 10 via an air supply manifold (not shown) formed inside the fuel cell 1, and the air discharge pipe 21 is connected to the inside of the fuel cell 1. Are communicated with the air outlet portion 102b of each cell 10 through an air discharge manifold (not shown) formed in the above.

空気供給配管20の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池1に圧送するための空気ポンプ22が設けられ、空気排出配管21には、燃料電池1内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁23が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ22および空気調圧弁23によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池1に供給する空気供給手段が構成される。   An air pump 22 for pumping air sucked from the atmosphere to the fuel cell 1 is provided at the most upstream portion of the air supply pipe 20, and an air pressure in the fuel cell 1 is adjusted in the air discharge pipe 21. An air pressure regulating valve 23 is provided. In the present embodiment, the air pump 22 and the air pressure regulating valve 23 constitute air supply means for supplying air of a predetermined flow rate and pressure to the fuel cell 1.

また、燃料電池1には、水素を燃料電池1に供給する水素供給配管30、および燃料電池1にて電気化学反応を終えた微量な水素やアノード電極100b側に溜まった生成水を燃料電池1から外気へ排出する水素排出配管31が接続されている。なお、水素供給配管30は、燃料電池1の内部に形成された水素供給マニホールド(図示略)を介して各セル10の水素入口部101aに連通し、水素排出配管31は、燃料電池1の内部に形成された水素排出マニホールド(図示略)を介して、各セル10の水素出口部101bに連通している。   The fuel cell 1 also includes a hydrogen supply pipe 30 that supplies hydrogen to the fuel cell 1, and a small amount of hydrogen that has undergone an electrochemical reaction in the fuel cell 1 and generated water accumulated on the anode electrode 100 b side. A hydrogen discharge pipe 31 is connected to discharge from the outside to the outside air. The hydrogen supply pipe 30 communicates with the hydrogen inlet portion 101a of each cell 10 through a hydrogen supply manifold (not shown) formed inside the fuel cell 1, and the hydrogen discharge pipe 31 is connected to the inside of the fuel cell 1. The hydrogen outlet manifold 101 (not shown) is connected to the hydrogen outlet portion 101 b of each cell 10.

水素供給配管30の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク32が設けられ、水素供給配管30における高圧水素タンク32と燃料電池1との間には、燃料電池1に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁33が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁33によって、所望の圧力の水素を燃料電池1に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。   A high-pressure hydrogen tank 32 filled with high-pressure hydrogen is provided at the uppermost stream portion of the hydrogen supply pipe 30, and is supplied to the fuel cell 1 between the high-pressure hydrogen tank 32 and the fuel cell 1 in the hydrogen supply pipe 30. A hydrogen pressure regulating valve 33 for adjusting the hydrogen pressure is provided. In the present embodiment, the hydrogen pressure regulating valve 33 constitutes a fuel gas side gas supply means for supplying hydrogen at a desired pressure to the fuel cell 1.

水素排出配管31には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁34が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極100b側において生成水は発生しないものの、アノード電極100b側には、カソード電極100c側から電解質膜100aを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管31および電磁弁34を設けている。   The hydrogen discharge pipe 31 is provided with an electromagnetic valve 34 that opens and closes at predetermined time intervals in order to discharge the produced water together with a small amount of hydrogen to the outside air. In the above-described electrochemical reaction, although generated water is not generated on the anode electrode 100b side, the generated water that has permeated the electrolyte membrane 100a from the cathode electrode 100c side may accumulate on the anode electrode 100b side. For this reason, in this embodiment, the hydrogen discharge piping 31 and the solenoid valve 34 are provided.

燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置5が設けられている。この制御装置5は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。   The fuel cell system is provided with a control device 5 as power generation control means for performing various controls. This control device 5 controls the operation of various electric actuators constituting the fuel cell system based on various input signals, and is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. Has been.

本実施形態の制御装置5の入力側には、燃料電池診断装置4、制御装置5に対して燃料電池1の運転開始を指示する車両起動スイッチ(図示略)等が接続されており、燃料電池診断装置4、車両起動スイッチ等からの出力信号が入力される。   Connected to the input side of the control device 5 of the present embodiment are a fuel cell diagnostic device 4, a vehicle start switch (not shown) for instructing the control device 5 to start operation of the fuel cell 1, and the like. Output signals from the diagnosis device 4 and the vehicle start switch are input.

一方、制御装置5の出力側には、上述の空気ポンプ22、空気調圧弁23、水素調圧弁33、電磁弁34といった各種電気式アクチュエータ等が接続されており、これら制御機器が制御装置5からの制御信号により制御される。   On the other hand, various electric actuators such as the air pump 22, the air pressure regulating valve 23, the hydrogen pressure regulating valve 33, and the electromagnetic valve 34 described above are connected to the output side of the control device 5. It is controlled by the control signal.

次に、本実施形態の燃料電池診断装置4について説明する。図2の要部構成図に示すように、燃料電池診断装置4は、局所電流センサ41、電圧センサ42、信号処理装置43を備えている。   Next, the fuel cell diagnostic device 4 of the present embodiment will be described. As shown in the main part configuration diagram of FIG. 2, the fuel cell diagnostic device 4 includes a local current sensor 41, a voltage sensor 42, and a signal processing device 43.

局所電流センサ41は、対象セル10における空気の供給状態が不足状態となり易い空気流れ下流側の局所部位(本実施形態では、空気出口部102bおよび水素入口部101a付近)に隣接配置されて、空気流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流(局所電流)を検出する局所電流検出手段である。なお、局所電流センサ41は、シャント抵抗やホール素子等を利用した周知の電流センサを用いることができる。   The local current sensor 41 is disposed adjacent to a local portion (in the present embodiment, in the vicinity of the air outlet portion 102b and the hydrogen inlet portion 101a) on the downstream side of the air flow where the air supply state in the target cell 10 is likely to be insufficient. It is a local current detection means for detecting a current (local current) flowing in a local region corresponding to the downstream side of the flow. As the local current sensor 41, a known current sensor using a shunt resistor or a Hall element can be used.

また、電圧センサ42は、対象セル10のセル電圧を検出する電圧検出手段である。なお、局所電流センサ41および電圧センサ42は、信号処理装置43に接続されており、各センサ41、42からの各出力信号が信号処理装置43に入力される。   The voltage sensor 42 is voltage detection means for detecting the cell voltage of the target cell 10. The local current sensor 41 and the voltage sensor 42 are connected to the signal processing device 43, and output signals from the sensors 41 and 42 are input to the signal processing device 43.

信号処理装置43は、各種入力信号に基づいて、制御処理や演算処理を実行するもので、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。   The signal processing device 43 executes control processing and arithmetic processing based on various input signals, and includes a well-known microcomputer composed of a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits.

信号処理装置43は、燃料電池1の出力電流に対して交流信号(交流電流)を印加する信号印加部431、対象セル10の局所部位の局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出部432、対象セル10の局所部位における電解質膜100aの膜抵抗を算出する膜抵抗算出部433、インピーダンス算出部432の算出結果を補正して局所インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する補正部434、燃料電池1への空気(酸素)の供給状態を診断する診断部435が設けられている。   The signal processing device 43 includes a signal applying unit 431 that applies an AC signal (AC current) to the output current of the fuel cell 1, an impedance calculating unit 432 that calculates a local impedance of a local portion of the target cell 10, A membrane resistance calculation unit 433 that calculates the membrane resistance of the electrolyte membrane 100a at the local site, a correction unit 434 that calculates the diffusion impedance included in the local impedance by correcting the calculation result of the impedance calculation unit 432, and air to the fuel cell 1 ( A diagnostic unit 435 for diagnosing the supply state of (oxygen) is provided.

信号印加部431は、燃料電池1の出力電流に対して所定周波数の交流信号を印加する交流印加手段を構成している。これにより、燃料電池1の出力電流は、図3の説明図に示すように、直流成分(電流値I)に対して周波数fの交流成分(振幅ΔI)が重畳されることとなる。   The signal applying unit 431 constitutes an AC applying unit that applies an AC signal having a predetermined frequency to the output current of the fuel cell 1. As a result, as shown in the explanatory diagram of FIG. 3, the output current of the fuel cell 1 is superimposed on the direct current component (current value I) with the alternating current component (amplitude ΔI) of the frequency f.

本実施形態の信号印加部431は、燃料電池1の出力電流に対して、予め定めた基準周波数(例えば100Hz)よりも小さい低周波数の交流信号、および基準周波数よりも大きい高周波数の交流信号を合成した交流信号を印加可能に構成されている。   The signal application unit 431 according to the present embodiment generates a low-frequency AC signal that is lower than a predetermined reference frequency (for example, 100 Hz) and a high-frequency AC signal that is higher than the reference frequency for the output current of the fuel cell 1. The synthesized AC signal can be applied.

具体的には、本実施形態では、0.5kHz〜数百kHzとなる高周波数の信号と、0.1Hz〜100Hzとなる低周波数の信号とを合成した交流信号を信号印加部431にて印加するようにしている。なお、低周波数の信号としては、周波数を可変させて交流信号を印加した際の局所インピーダンスの変化を複素平面上に示したコールコールプロットにおいて、2つの半円状の軌跡が交差する変極点よりも高いインピーダンスを示す周波数領域に設定することが望ましい。なお、信号印加部431にて印加する交流信号は、燃料電池1の発電状態に影響しないように燃料電池1の出力電流の10%以内とすることが望ましい。   Specifically, in this embodiment, the signal application unit 431 applies an AC signal obtained by synthesizing a high-frequency signal of 0.5 kHz to several hundred kHz and a low-frequency signal of 0.1 Hz to 100 Hz. Like to do. In addition, as a low-frequency signal, from the inflection point where two semicircular trajectories intersect in a Cole-Cole plot showing a change in local impedance on a complex plane when an AC signal is applied with a variable frequency. It is desirable to set a frequency region that exhibits a high impedance. The AC signal applied by the signal applying unit 431 is preferably within 10% of the output current of the fuel cell 1 so as not to affect the power generation state of the fuel cell 1.

インピーダンス算出部432は、信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に前述の交流信号を印加した際に、局所電流センサ41、および電圧センサ42の検出値に基づいて、対象セル10の局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段を構成している。   The impedance calculation unit 432 applies the local signal of the target cell 10 based on the detection values of the local current sensor 41 and the voltage sensor 42 when the signal application unit 431 applies the AC signal to the output current of the fuel cell 1. Impedance calculating means for calculating local impedance at the site is configured.

本実施形態のインピーダンス算出部432は、高速フーリエ変換処理等によって、高周波数の信号に対応する交流成分と低周波数の信号に対応する交流成分とを個別に抽出し、高周波数の信号に対応する高周波インピーダンスZ、および低周波数の信号に対応する低周波インピーダンスZそれぞれを算出可能に構成されている。 The impedance calculation unit 432 according to the present embodiment individually extracts an alternating current component corresponding to a high frequency signal and an alternating current component corresponding to a low frequency signal by a fast Fourier transform process or the like, and corresponds to the high frequency signal. Each of the high frequency impedance Z H and the low frequency impedance Z L corresponding to the low frequency signal can be calculated.

膜抵抗算出部433は、高周波インピーダンスZを用いて、対象セル10の局所部位における電解質膜100aの膜抵抗Rpemを算出する膜抵抗算出手段を構成している。なお、高周波インピーダンスZは、電解質膜100aの膜抵抗に相関性を有することから、高周波インピーダンスZから膜抵抗を算出することが可能となる。 Film resistance calculation section 433, using a high frequency impedance Z H, constitutes a film resistance calculation means for calculating the film resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a in the local site of the target cell 10. It should be noted that the high frequency impedance Z H, since it has a correlation to the membrane resistance of the electrolyte membrane 100a, it is possible to calculate the membrane resistance from the high frequency impedance Z H.

補正部434は、低周波インピーダンスZから、対象セル10の膜抵抗、および燃料電池1の負荷変動(要求出力の変化)に応じて変化する対象セル10の活性化抵抗の影響を除去することで、対象セル10への空気の供給状態に応じて変化するカソード電極100cの拡散インピーダンスを算出する補正手段である。なお、補正部434におけるカソード電極100cの拡散インピーダンスの算出方法については後述する。 Correcting unit 434, the low frequency impedance Z L, the film resistance of the target cell 10, and to eliminate the effect of activation resistance of the target cell 10 that changes according to the load variation of the fuel cell 1 (the change of the required output) Thus, the correction means calculates the diffusion impedance of the cathode electrode 100c, which changes in accordance with the supply state of air to the target cell 10. A method for calculating the diffusion impedance of the cathode electrode 100c in the correction unit 434 will be described later.

診断部435は、補正部434にて算出されたカソード電極100cの拡散インピーダンスに基づいて、燃料電池1の空気の供給状態が不足状態、および適正状態のいずれの状態であるかを診断する診断手段を構成している。   Based on the diffusion impedance of the cathode electrode 100c calculated by the correction unit 434, the diagnosis unit 435 diagnoses whether the air supply state of the fuel cell 1 is in an insufficient state or an appropriate state. Is configured.

次に、補正部434におけるカソード電極100cの拡散インピーダンスの算出方法について説明する。まず、本実施形態に係るセル10の等価回路について図4の等価回路図を用いて説明する。   Next, a method for calculating the diffusion impedance of the cathode electrode 100c in the correction unit 434 will be described. First, an equivalent circuit of the cell 10 according to the present embodiment will be described with reference to the equivalent circuit diagram of FIG.

図4に示すように、本実施形態に係るセル10の等価回路は、各電極100b、100cを構成する合成回路に電解質膜100aの膜抵抗Rpemを直列接続した構成としている。本実施形態では、アノード電極100bを、直列接続された活性化抵抗Rct_anおよび拡散インピーダンスZanに電気二重層容量(コンデンサ成分)Canを並列接続した合成回路で構成し、カソード電極100cを、直列接続された活性化抵抗Rct_caおよび拡散インピーダンスZcaに電気二重層容量(コンデンサ成分)Ccaを並列接続した合成回路で構成している。なお、セル内部には、各セパレータ101、102の抵抗が存在するが、当該抵抗は、セル内部の乾湿状態、燃料電池1の負荷変動、反応ガスの供給状態に影響を受けないため、本実施形態では省略している。   As shown in FIG. 4, the equivalent circuit of the cell 10 according to the present embodiment has a configuration in which the membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a is connected in series to the composite circuit that constitutes the electrodes 100b and 100c. In the present embodiment, the anode electrode 100b is configured by a composite circuit in which an electric double layer capacitance (capacitor component) Can is connected in parallel to a series-connected activation resistor Rct_an and diffusion impedance Zan, and the cathode electrode 100c is connected in series. Further, it is composed of a composite circuit in which an electric double layer capacitance (capacitor component) Cca is connected in parallel to the activation resistance Rct_ca and the diffusion impedance Zca. In addition, although resistance of each separator 101,102 exists inside a cell, since the said resistance is not influenced by the dry / wet state inside a cell, the load fluctuation of the fuel cell 1, and the supply state of a reactive gas, this implementation It is omitted in the form.

ここで、セル10への空気の供給状態が不足状態であって、セル10の水素の供給状態が適正状態である場合には、アノード電極100bの活性化抵抗Rct_an、拡散インピーダンスZan、および電気二重層容量Canが、カソード電極100cの活性化抵抗Rct_ca、拡散インピーダンスZca、および電気二重層容量Ccaに比べて小さくなるため、セル10を図5に示す等価回路図で表現することができる。   Here, when the air supply state to the cell 10 is insufficient and the hydrogen supply state of the cell 10 is appropriate, the activation resistance Rct_an of the anode electrode 100b, the diffusion impedance Zan, and the electric two Since the multilayer capacitance Can is smaller than the activation resistance Rct_ca, the diffusion impedance Zca, and the electric double layer capacitance Cca of the cathode electrode 100c, the cell 10 can be expressed by an equivalent circuit diagram shown in FIG.

図6は、燃料電池1の負荷を一定、セル10における乾湿状態が適正状態とし、さらに、水素の供給状態を適正状態とした際に、セル10への空気の供給状態を変化させた場合の理想的なコールコールプロットを示す図表である。なお、図6は、図5に示すセル10の等価回路を用いて、高周波数から低周波数までの交流信号を印加した際の局所インピーダンスの変化を複素平面上に示した特性図である。   FIG. 6 shows a case where the load of the fuel cell 1 is constant, the dry / wet state in the cell 10 is in an appropriate state, and the supply state of air to the cell 10 is changed when the hydrogen supply state is in an appropriate state. It is a chart which shows an ideal Cole-Cole plot. FIG. 6 is a characteristic diagram showing a change in local impedance on a complex plane when an AC signal from a high frequency to a low frequency is applied using the equivalent circuit of the cell 10 shown in FIG.

図6に示すように、セル10への空気の供給状態が適正状態から不足状態へ変化すると、カソード電極100c側の酸素濃度の変化に応じて、セル10の局所インピーダンスが増減する傾向がある。例えば、セル10への空気の供給状態が不足状態となる際の低周波インピーダンスZは、セル10への空気の供給状態が適正状態となる際よりも大きくなる。従って、低周波インピーダンスZの変化に基づいて、セル10への空気の供給状態を診断することが考えられる。 As shown in FIG. 6, when the supply state of air to the cell 10 changes from the proper state to the insufficient state, the local impedance of the cell 10 tends to increase or decrease according to the change in the oxygen concentration on the cathode electrode 100 c side. For example, the low frequency impedance Z L when the supply state is starved of air to the cell 10, the supply state of the air to the cell 10 is larger than when the proper state. Therefore, based on the change in the low frequency impedance Z L, it is conceivable to diagnose the state of supply of air to the cell 10.

しかし、実際のセル10では、空気の供給状態が適正状態に維持されていたとしても、セル10における乾湿状態が変化すると、膜抵抗Rpemの変化によってセル10の局所インピーダンスが増減してしまう。   However, in the actual cell 10, even if the air supply state is maintained in an appropriate state, when the wet and dry state in the cell 10 changes, the local impedance of the cell 10 increases or decreases due to the change in the membrane resistance Rpem.

また、実際のセル10では、空気の供給状態が適正状態に維持されていたとしても、燃料電池1の負荷変動が生じると、セル10の局所インピーダンスが増減する傾向がある。これは、燃料電池1の負荷変動による燃料電池1の発電電流の変化によって、カソード電極100cの電位が変化して、カソード電極100cにおける触媒活性の度合い(酸素とプロトンとの反応のし易さ)を示す活性化抵抗Rct_caが変化してしまうことが要因である。   In the actual cell 10, even if the air supply state is maintained in an appropriate state, when the load fluctuation of the fuel cell 1 occurs, the local impedance of the cell 10 tends to increase or decrease. This is because the potential of the cathode electrode 100c changes due to the change in the generated current of the fuel cell 1 due to the load variation of the fuel cell 1, and the degree of catalytic activity at the cathode electrode 100c (ease of reaction between oxygen and proton). The reason is that the activation resistance Rct_ca indicating the change is changed.

ここで、図7は、セル10における乾湿状態が適正状態とし、空気および水素の供給状態を適正状態とした際に、燃料電池1の負荷変動が生じた場合の理想的なコールコールプロットを示す図表である。この図表は、図4に示すセル10の等価回路を用いて、高周波数から低周波数までの交流信号を印加した際の局所インピーダンスの変化を複素平面上に示した特性図である。   Here, FIG. 7 shows an ideal Cole-Cole plot when the load variation of the fuel cell 1 occurs when the dry and wet state in the cell 10 is in an appropriate state and the supply state of air and hydrogen is in an appropriate state. It is a chart. This chart is a characteristic diagram showing a change in local impedance on a complex plane when an AC signal from a high frequency to a low frequency is applied using the equivalent circuit of the cell 10 shown in FIG.

図7に示すように、燃料電池1の負荷が低負荷から高負荷へと変化すると、カソード電極100cの活性化抵抗Rct_ca等の減少によって、セル10の局所インピーダンスが減少する傾向がある。   As shown in FIG. 7, when the load of the fuel cell 1 changes from a low load to a high load, the local impedance of the cell 10 tends to decrease due to a decrease in the activation resistance Rct_ca of the cathode electrode 100c.

そこで、本実施形態では、セル10の乾湿状態の影響を受ける電解質膜100aの膜抵抗Rpem、および燃料電池1の負荷変動の影響により変化するカソード電極100cの活性化抵抗Rct_caを算出し、各算出値を用いて、低周波インピーダンスZからセル10の乾湿状態の影響、および燃料電池1の負荷変動の影響を除去するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, the membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a that is affected by the dry and wet state of the cell 10 and the activation resistance Rct_ca of the cathode electrode 100c that changes due to the influence of the load fluctuation of the fuel cell 1 are calculated. using the value, followed by removal of the influence of the effects of wet and dry state of the cell 10 from the low frequency impedance Z L, and load fluctuation of the fuel cell 1.

ここで、電解質膜100aの膜抵抗Rpemは、相関性を有する高周波インピーダンスZから膜抵抗Rpemを算出する。具体的には、高周波インピーダンスZの実数部Re(Z)を膜抵抗Rpemとして算出する。 Here, membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a calculates the membrane resistance Rpem from the high frequency impedance Z H having correlation. Specifically, the real part Re (Z H ) of the high-frequency impedance Z H is calculated as the membrane resistance Rpem.

また、カソード電極100cの活性化抵抗Rct_caは、低周波数の交流信号を印加した際のセル電圧の変化量に含まれる活性化過電圧の変化分を、局所電流の変化量で除算して算出する。具体的には、カソード電極100cの活性化抵抗Rct_caは、以下の数式F1、F2を用いて算出することができる。   The activation resistance Rct_ca of the cathode electrode 100c is calculated by dividing the change amount of the activation overvoltage included in the change amount of the cell voltage when the low-frequency AC signal is applied by the change amount of the local current. Specifically, the activation resistance Rct_ca of the cathode electrode 100c can be calculated using the following formulas F1 and F2.

Rct_ca=ΔVa/Δi…F1
ΔVa=B×log{(I+ΔI)/ΔI}…F2
但し、ΔVaが燃料電池1の出力電流に印加された交流信号に応じて変化する触媒電極層(カソード電極100c)の活性化過電圧の変化分を示し、Δiが燃料電池1の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の交流成分の振幅(変化量)を示し、Iが燃料電池1の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の直流成分の電流値を示し、Bが燃料電池1のターフェル勾配を示している。
Rct_ca = ΔVa / Δi... F1
ΔVa = B × log {(I + ΔI) / ΔI}... F2
However, ΔVa indicates a change in the activation overvoltage of the catalyst electrode layer (cathode electrode 100c) that changes according to the AC signal applied to the output current of the fuel cell 1, and Δi indicates a low frequency in the output current of the fuel cell 1. Represents the amplitude (change amount) of the alternating current component when the alternating current signal is applied, I represents the current value of the direct current component when the low frequency alternating current signal is applied to the output current of the fuel cell 1, and B represents the fuel cell. A Tafel slope of 1 is shown.

なお、ターフェル勾配Bは、図8に示すように、セル10の電解質膜100aの膜抵抗Rpemによる電圧降下を補正した燃料電池1の電流−電圧特性をターフェルプロットで表した際に、所定電流値α(例えば、0.1A/cm)以下の領域における電圧変化率を示している。 As shown in FIG. 8, the Tafel slope B is a predetermined current value when the current-voltage characteristic of the fuel cell 1 corrected for the voltage drop due to the membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100 a of the cell 10 is represented by a Tafel plot. The voltage change rate in the region of α (for example, 0.1 A / cm 2 ) or less is shown.

また、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaについては、図4に示す等価回路を用いて算出する。具体的には、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaは、以下の数式F3を用いて算出することができる。   Further, the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c is calculated using the equivalent circuit shown in FIG. Specifically, the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c can be calculated using the following formula F3.

Zca=1/[{1/(Z−Rpem)}−j×ω×Cca]−Rca_ca…F3
但し、jが虚数単位を示し、ω(=2πf)が印加する交流信号の角周波数を示し、Ccaがカソード電極100cの電気二重層容量(コンデンサ成分)を示している。
Zca = 1 / [{1 / (Z L −Rpem)} − j × ω × Cca] −Rca_ca... F3
However, j represents an imaginary unit, ω (= 2πf) represents the angular frequency of the AC signal applied, and Cca represents the electric double layer capacitance (capacitor component) of the cathode electrode 100c.

ここで、カソード電極100cの電気二重層容量Ccaは、セル10の局所部位における触媒電極層(カソード電極100c)の容量成分を用いることができる。なお、カソード電極100cの容量成分は、予めサイクリックボルタメントリ(CV)測定を用いて定量化した値(触媒電極層における電気二重層容量の値)を用いればよい。   Here, as the electric double layer capacity Cca of the cathode electrode 100 c, the capacity component of the catalyst electrode layer (cathode electrode 100 c) at the local site of the cell 10 can be used. In addition, what is necessary is just to use the value (value of the electric double layer capacity | capacitance in a catalyst electrode layer) previously quantified using the cyclic voltamentary (CV) measurement for the capacity | capacitance component of the cathode electrode 100c.

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置4で実行する対象セル10への空気の供給状態を診断する処理について図9のフローチャートを用いて説明する。なお、図9に示す制御ルーチンは、車両起動スイッチが投入されて、燃料電池1が発電状態となるとスタートする。   Next, in the fuel cell system according to the above configuration, a process for diagnosing the supply state of air to the target cell 10 executed by the fuel cell diagnostic device 4 will be described with reference to the flowchart of FIG. The control routine shown in FIG. 9 starts when the vehicle start switch is turned on and the fuel cell 1 is in a power generation state.

燃料電池1が発電状態となると、信号処理装置43の信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを合成した交流信号を印加する(S10)。   When the fuel cell 1 is in a power generation state, the signal applying unit 431 of the signal processing device 43 applies an AC signal obtained by combining the high frequency signal and the low frequency signal to the output current of the fuel cell 1 (S10). ).

続いて、局所電流センサ41および電圧センサ42からの出力信号を読み込む(S20)。そして、局所電流センサ41、および電圧センサ42の検出値に基づいて、信号処理装置43のインピーダンス算出部432にて対象セル10の局所部位における局所インピーダンスを算出する(S30)。このステップS30の処理では、高周波インピーダンスZ、および低周波インピーダンスZそれぞれを算出する。 Subsequently, output signals from the local current sensor 41 and the voltage sensor 42 are read (S20). Based on the detection values of the local current sensor 41 and the voltage sensor 42, the impedance calculation unit 432 of the signal processing device 43 calculates the local impedance at the local site of the target cell 10 (S30). In the process of step S30, the high frequency impedance Z H and the low frequency impedance Z L are calculated.

信号処理装置43の膜抵抗算出部433にて、高周波インピーダンスZを用いて、電解質膜100aの膜抵抗Rpemを算出する(S40)。本実施形態では、高周波インピーダンスZの実数部Re(Z)を膜抵抗Rpemとして算出する。 At film resistance calculation unit 433 of the signal processor 43, using a high frequency impedance Z H, calculating the membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a (S40). In the present embodiment, the real part Re (Z H ) of the high frequency impedance Z H is calculated as the film resistance Rpem.

続いて、信号処理装置43の補正部434にて、前述の数式F1、F2を用いて、カソード電極100cの活性化抵抗Rct_caを算出する(S50)。   Subsequently, the correction unit 434 of the signal processing device 43 calculates the activation resistance Rct_ca of the cathode electrode 100c using the above-described mathematical formulas F1 and F2 (S50).

また、信号処理装置43の補正部434にて、低周波インピーダンスZからカソード電極100cの拡散インピーダンスZcaを算出する補正を行う(S60)。具体的には、ステップS40にて算出した膜抵抗Rpem、ステップS50で算出した活性化抵抗Rct_caを前述の数式F3に代入して、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaを算出する。 Furthermore, by the correction unit 434 of the signal processing unit 43 performs correction to calculate the diffusion impedance Zca the cathode electrode 100c from the low frequency impedance Z L (S60). Specifically, the diffusion resistance Zca of the cathode electrode 100c is calculated by substituting the membrane resistance Rpem calculated in step S40 and the activation resistance Rct_ca calculated in step S50 into the above-described equation F3.

続いて、信号処理装置43の診断部435にて、ステップS60の処理で算出したカソード電極100cの拡散インピーダンスZcaの絶対値Abs(Zca)が予め定めた判定閾値Abs(Zca_ref)より大きいか否かを判定する(S70)。この判定閾値Abs(Zca_ref)は、空気の供給状態が不足状態となった際のカソード電極100cの拡散インピーダンスの絶対値Abs(Zca)を基準に定められている。   Subsequently, in the diagnosis unit 435 of the signal processing device 43, whether or not the absolute value Abs (Zca) of the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c calculated in the process of step S60 is larger than a predetermined determination threshold Abs (Zca_ref). Is determined (S70). This determination threshold value Abs (Zca_ref) is determined based on the absolute value Abs (Zca) of the diffusion impedance of the cathode electrode 100c when the supply state of air becomes insufficient.

ステップS70の判定処理にて、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaの絶対値Abs(Zca)が判定閾値Abs(Zca_ref)以下と判定された場合(S70:NO)には、空気の供給状態が適正状態であると診断し(S70)、診断処理を終了する。   When it is determined in step S70 that the absolute value Abs (Zca) of the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c is equal to or less than the determination threshold Abs (Zca_ref) (S70: NO), the air supply state is in an appropriate state. (S70), and the diagnosis process is terminated.

一方、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaの絶対値Abs(Zca)が判定閾値Abs(Zca_ref)よりも大きいと判定された場合(S70:YES)には、空気の供給状態が不足状態であると診断し(S90)、診断処理を終了する。この場合、例えば、空気ポンプ22の回転数を増大させ、空気の供給量を増大させることで、空気の不足状態を解消することができる。なお、空気の不足状態とは、単に空気の供給量が不足している状態だけでなく、例えば、フラッディング等によって対象セル10内における発電に寄与する空気量が不足している状態を含む意味である。   On the other hand, when it is determined that the absolute value Abs (Zca) of the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c is larger than the determination threshold value Abs (Zca_ref) (S70: YES), it is diagnosed that the air supply state is insufficient. (S90), and the diagnosis process is terminated. In this case, for example, by increasing the rotation speed of the air pump 22 and increasing the supply amount of air, the air shortage state can be solved. Note that the air shortage state includes not only a state where the air supply amount is insufficient, but also a state where the air amount contributing to power generation in the target cell 10 is insufficient due to, for example, flooding or the like. is there.

以上説明した本実施形態によれば、局所インピーダンスである低周波インピーダンスZから対象セル10における乾湿状態の影響、および燃料電池1の負荷変動の影響を除去して、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaを算出し、当該拡散インピーダンスZcaに基づいて、燃料電池1の空気の供給状態を診断する構成としているので、燃料電池1の空気の不足状態および適正状態を的確に診断することができる。 According to the embodiment described above, the effect of wet and dry condition in a subject cell 10 from the low frequency impedance Z L, which is the local impedance, and to remove the influence of load fluctuation of the fuel cell 1, the diffusion impedance of the cathode electrode 100c Zca Therefore, the air supply state of the fuel cell 1 is diagnosed based on the diffusion impedance Zca. Therefore, the air shortage state and the appropriate state of the fuel cell 1 can be accurately diagnosed.

本実施形態では、燃料電池1への空気の供給状態を診断する際に、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaに基づいて、燃料電池1の空気の不足状態および適正状態を的確に診断するようにしているが、これに限定されない。   In the present embodiment, when diagnosing the supply state of air to the fuel cell 1, the air shortage state and the appropriate state of the fuel cell 1 are accurately diagnosed based on the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c. However, it is not limited to this.

例えば、燃料電池1への空気の供給状態を診断する際に、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaに基づいて、対象セル10の局所部位に供給される空気の酸素濃度を推定するようにしてもよい。   For example, when diagnosing the supply state of air to the fuel cell 1, the oxygen concentration of air supplied to the local portion of the target cell 10 may be estimated based on the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c. .

具体的には、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaと酸素濃度との対応関係を規定した制御マップを信号処理装置43のROM等の記憶部に記憶しておき、ステップS60で算出したカソード電極100cの拡散インピーダンスZcaに基づいて、制御マップを参照して酸素濃度を推定することができる。なお、酸素濃度は、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaの絶対値の増加に伴って低下する傾向があるため、記憶部に記憶する制御マップは、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaの増大に伴って、酸素濃度が低下するように規定されている。   Specifically, a control map that defines the correspondence between the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c and the oxygen concentration is stored in a storage unit such as a ROM of the signal processing device 43, and the cathode electrode 100c calculated in step S60 is stored. Based on the diffusion impedance Zca, the oxygen concentration can be estimated with reference to the control map. Since the oxygen concentration tends to decrease as the absolute value of the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c increases, the control map stored in the storage unit increases as the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c increases. It is specified that the oxygen concentration is lowered.

ここで、燃料電池1に負荷変動が生じている際に、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaに基づいて酸素濃度を推定した推定結果と、低周波インピーダンスZに基づいて酸素濃度を推定した推定結果とを比較する実験を行ったところ以下の結果が得られた。 Here, when occurring load change in the fuel cell 1, the estimation result and estimating the oxygen concentration based on the diffusion impedance Zca the cathode electrode 100c, estimation result to estimate the oxygen concentration based on the low frequency impedance Z L The following results were obtained when an experiment was compared.

図10(a)は、燃料電池1に負荷変動が生じている際の対象セル10の低周波インピーダンスZの絶対値と推定酸素濃度との関係を示し、図10(b)は、燃料電池1に負荷変動が生じている際のカソード電極100cの拡散インピーダンスZcaの絶対値と推定酸素濃度との関係を示している。 10 (a) shows the relationship between the absolute value and the estimated oxygen concentration of the low frequency impedance Z L of the object cell 10 when the load change in the fuel cell 1 is generated, FIG. 10 (b), the fuel cell 1 shows the relationship between the absolute value of the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c and the estimated oxygen concentration when a load change occurs.

図10に示すように、対象セル10の低周波インピーダンスZに対応する推定酸素濃度は、燃料電池1の負荷変動の影響を受ける傾向があるのに対して、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaに対応する推定酸素濃度は、燃料電池1の負荷変動の影響を殆ど受けない結果となった。 As shown in FIG. 10, the estimated oxygen concentration corresponding to the low frequency impedance Z L of the target cell 10, whereas there is a tendency to undergo the influence of load fluctuation of the fuel cell 1, the diffusion impedance Zca the cathode electrode 100c The corresponding estimated oxygen concentration was almost unaffected by the load fluctuation of the fuel cell 1.

このように、カソード電極100cの拡散インピーダンスZcaから対象セル10における酸素濃度を推定する構成とすれば、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、酸素濃度を精度よく推定することができる。   As described above, if the oxygen concentration in the target cell 10 is estimated from the diffusion impedance Zca of the cathode electrode 100c, the oxygen concentration can be accurately estimated without separately preparing a dedicated gas concentration sensor.

(第2実施形態)
本実施形態では、燃料電池診断装置4の信号処理装置43において、セル10への水素の供給状態を診断する例について説明する。本実施形態の燃料電池診断装置4は、図11の要部構成図に示すように、局所電流検出手段を構成する局所電流センサ41を、対象セル10における水素の供給状態が不足状態となり易い水素流れ下流側の局所部位(本実施形態では、水素出口部101bおよび空気入口部102a付近)に隣接配置し、水素流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流(局所電流)を検出するようにしている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, an example in which the signal processing device 43 of the fuel cell diagnostic device 4 diagnoses the supply state of hydrogen to the cell 10 will be described. In the fuel cell diagnostic device 4 of the present embodiment, as shown in the main part configuration diagram of FIG. It is arranged adjacent to a local site on the downstream side of the flow (in the present embodiment, in the vicinity of the hydrogen outlet portion 101b and the air inlet portion 102a) and detects a current (local current) flowing in the local site corresponding to the downstream side of the hydrogen flow. Yes.

本実施形態のようにセル10への水素の供給状態を診断する場合、セル10への空気の供給状態を診断する場合と同様に、低周波インピーダンスZからセル10における乾湿状態の影響や、燃料電池1の負荷変動の影響を除去する必要がある。 When diagnosing state of supply of hydrogen into the cell 10 as in this embodiment, as in the case of diagnosing the state of supply of air to the cell 10, the influence of wet and dry conditions in the cell 10 from the low frequency impedance Z L, It is necessary to remove the influence of the load fluctuation of the fuel cell 1.

そこで、本実施形態では、セル10における乾湿状態の影響により変化する膜抵抗Rpem、および燃料電池1の負荷変動の影響により変化するアノード電極100bの活性化抵抗Rct_anを算出し、各算出値を用いて、低周波インピーダンスZからセル10における乾湿状態の影響および燃料電池1の負荷変動の影響を除去するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, the membrane resistance Rpem that changes due to the influence of the wet and dry state in the cell 10 and the activation resistance Rct_an of the anode electrode 100b that changes due to the influence of the load fluctuation of the fuel cell 1 are calculated, and each calculated value is used. Te, followed by removal of the influence of impact and load fluctuation of the fuel cell 1 of the wet and dry state in the cell 10 from the low frequency impedance Z L.

ここで、アノード電極100bの活性化抵抗Rct_anは、以下の数式F4、F5を用いて算出することができる。   Here, the activation resistance Rct_an of the anode electrode 100b can be calculated using the following formulas F4 and F5.

Rct_an=ΔVa/Δi…F4
ΔVa=B×log{(I+ΔI)/ΔI}…F5
但し、ΔVaが燃料電池1の出力電流に印加された交流信号に応じて変化する触媒電極層(アノード電極100b)の活性化過電圧の変化分を示し、Δiが燃料電池1の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の交流成分の振幅(変化量)を示し、Iが燃料電池1の出力電流に低周波数の交流信号を印加した際の直流成分の電流値を示し、Bが燃料電池1のターフェル勾配を示している。
Rct_an = ΔVa / Δi... F4
ΔVa = B × log {(I + ΔI) / ΔI}... F5
However, ΔVa indicates a change in the activation overvoltage of the catalyst electrode layer (anode electrode 100b) that changes in accordance with an AC signal applied to the output current of the fuel cell 1, and Δi indicates a low frequency in the output current of the fuel cell 1. Represents the amplitude (change amount) of the alternating current component when the alternating current signal is applied, I represents the current value of the direct current component when the low frequency alternating current signal is applied to the output current of the fuel cell 1, and B represents the fuel cell. A Tafel slope of 1 is shown.

ここで、セル10への水素の供給状態が不足状態であって、セル10への空気の供給状態が適正状態である場合には、カソード電極100cの活性化抵抗Rct_ca、拡散インピーダンスZca、および電気二重層容量Ccaが、アノード電極100bの活性化抵抗Rct_an、拡散インピーダンスZan、および電気二重層容量Canに比べて小さくなるため、セル10を図12に示す等価回路図で表現することができる。   Here, when the supply state of hydrogen to the cell 10 is insufficient and the supply state of air to the cell 10 is appropriate, the activation resistance Rct_ca of the cathode electrode 100c, the diffusion impedance Zca, and the electricity Since the double layer capacitance Cca is smaller than the activation resistance Rct_an, the diffusion impedance Zan, and the electric double layer capacitance Can of the anode electrode 100b, the cell 10 can be expressed by an equivalent circuit diagram shown in FIG.

本実施形態では、アノード電極100bの拡散インピーダンスZanについて、図12に示す等価回路を用いて算出する。具体的には、アノード電極100bの拡散インピーダンスZanは、以下の数式F6を用いて算出することができる。   In the present embodiment, the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b is calculated using the equivalent circuit shown in FIG. Specifically, the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b can be calculated using the following formula F6.

Zan=1/[{1/(Z−Rpem)}−j×ω×Can]−Rct_an…F6
但し、jが虚数単位を示し、ω(=2πf)が印加する交流信号の角周波数を示し、Canがアノード電極100bの電気二重層容量(コンデンサ成分)を示している。なお、アノード電極100bの電気二重層容量Canは、セル10の局所部位における触媒電極層(アノード電極100b)の容量成分を用いることができる。
Zan = 1 / [{1 / (Z L −Rpem)} − j × ω × Can] −Rct_an... F6
However, j represents an imaginary unit, ω (= 2πf) represents the angular frequency of the AC signal applied, and Can represents the electric double layer capacitance (capacitor component) of the anode electrode 100b. As the electric double layer capacity Can of the anode electrode 100b, a capacity component of the catalyst electrode layer (anode electrode 100b) at a local portion of the cell 10 can be used.

次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置4で実行する対象セル10への水素の供給状態を診断する処理について図13のフローチャートを用いて説明する。   Next, in the fuel cell system according to the above configuration, the process of diagnosing the supply state of hydrogen to the target cell 10 executed by the fuel cell diagnostic device 4 will be described with reference to the flowchart of FIG.

燃料電池1が発電状態となり、信号処理装置43の信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に対して、高周波数および低周波数の信号を合成した交流信号を印加し(S10)、局所電流センサ41および電圧センサ42からの出力信号を読み込む(S20)。そして、各センサ41、42の検出値に基づいて、信号処理装置43のインピーダンス算出部432にて対象セル10の局所部位における局所インピーダンスを算出する(S30)。信号処理装置43の膜抵抗算出部433にて、高周波インピーダンスZを用いて、電解質膜100aの膜抵抗Rpemを算出する(S40)。 When the fuel cell 1 is in a power generation state, the signal applying unit 431 of the signal processing device 43 applies an AC signal obtained by synthesizing the high-frequency and low-frequency signals to the output current of the fuel cell 1 (S10). Output signals from the sensor 41 and the voltage sensor 42 are read (S20). And based on the detected value of each sensor 41 and 42, the local impedance in the local site | part of the object cell 10 is calculated in the impedance calculation part 432 of the signal processing apparatus 43 (S30). At film resistance calculation unit 433 of the signal processor 43, using a high frequency impedance Z H, calculating the membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a (S40).

続いて、信号処理装置43の補正部434にて、前述の数式F4、F5を用いて、アノード電極100bの活性化抵抗Rct_anを算出する(S100)。   Subsequently, the correction resistance 434 of the signal processing device 43 calculates the activation resistance Rct_an of the anode electrode 100b using the above-described mathematical formulas F4 and F5 (S100).

また、信号処理装置43の補正部434にて、低周波インピーダンスZからアノード電極100bの拡散インピーダンスZanを算出する補正を行う(S110)。具体的には、ステップS40にて算出した膜抵抗Rpem、ステップS100で算出した活性化抵抗Rct_anを前述の数式F6に代入して、アノード電極100bの拡散インピーダンスZanを算出する。 Furthermore, by the correction unit 434 of the signal processing unit 43 performs correction to calculate the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b from the low frequency impedance Z L (S110). Specifically, the diffusion resistance Zan of the anode electrode 100b is calculated by substituting the membrane resistance Rpem calculated in step S40 and the activation resistance Rct_an calculated in step S100 into the above-described equation F6.

続いて、信号処理装置43の診断部435にて、ステップS110の処理で算出したアノード電極100bの拡散インピーダンスZanの絶対値Abs(Zan)が予め定めた判定閾値Abs(Zan_ref)より大きいか否かを判定する(S120)。この判定閾値Abs(Zan_ref)は、水素の供給状態が不足状態となった際のアノード電極100bの拡散インピーダンスの絶対値Abs(Zan)を基準に定められている。   Subsequently, whether or not the absolute value Abs (Zan) of the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b calculated in the process of step S110 is larger than a predetermined determination threshold Abs (Zan_ref) in the diagnosis unit 435 of the signal processing device 43. Is determined (S120). This determination threshold value Abs (Zan_ref) is determined based on the absolute value Abs (Zan) of the diffusion impedance of the anode electrode 100b when the hydrogen supply state becomes insufficient.

ステップS120の判定処理にて、アノード電極100bの拡散インピーダンスZanの絶対値Abs(Zan)が判定閾値Abs(Zan_ref)以下と判定された場合(S120:NO)には、水素の供給状態が適正状態であると診断し(S130)、診断処理を終了する。   When it is determined in step S120 that the absolute value Abs (Zan) of the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b is equal to or less than the determination threshold Abs (Zan_ref) (S120: NO), the hydrogen supply state is in an appropriate state. (S130), and the diagnosis process is terminated.

一方、アノード電極100bの拡散インピーダンスZanの絶対値Abs(Zan)が判定閾値Abs(Zan_ref)よりも大きいと判定された場合(S120:YES)には、水素の供給状態が不足状態であると診断し(S140)、診断処理を終了する。この場合、例えば、水素調圧弁33の開度を減少させ、高圧水素タンク32からの水素の供給量を減少させることで、水素の過剰状態を解消することができる。   On the other hand, when it is determined that the absolute value Abs (Zan) of the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b is larger than the determination threshold value Abs (Zan_ref) (S120: YES), it is diagnosed that the hydrogen supply state is insufficient. (S140), and the diagnosis process is terminated. In this case, for example, by reducing the opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 33 and reducing the supply amount of hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 32, the excessive hydrogen state can be eliminated.

以上説明した本実施形態によれば、局所インピーダンスである低周波インピーダンスZから対象セル10における乾湿状態の影響、および燃料電池1の負荷変動の影響を除去してアノード電極100bの拡散インピーダンスZanを算出し、当該拡散インピーダンスZanに基づいて、燃料電池1の水素の供給状態を診断する構成としているので、燃料電池1の水素の不足状態および適正状態を的確に診断することができる。 According to the embodiment described above, the effect of wet and dry condition in a subject cell 10 from the low frequency impedance Z L, which is the local impedance, and the influence of load fluctuation of the fuel cell 1 by removing the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b Since the hydrogen supply state of the fuel cell 1 is diagnosed based on the calculation and the diffusion impedance Zan, the hydrogen shortage state and the appropriate state of the fuel cell 1 can be diagnosed accurately.

なお、アノード電極100bの拡散インピーダンスZanと水素濃度との対応関係を規定した制御マップを信号処理装置43のROM等の記憶部に記憶しておき、ステップS110で算出したアノード電極100bの拡散インピーダンスZanに基づいて、制御マップを参照して水素濃度を推定するようにしてもよい。この場合、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、水素濃度を精度よく推定することができる。   A control map that defines the correspondence between the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b and the hydrogen concentration is stored in a storage unit such as a ROM of the signal processing device 43, and the diffusion impedance Zan of the anode electrode 100b calculated in step S110 is stored. Based on the above, the hydrogen concentration may be estimated with reference to the control map. In this case, the hydrogen concentration can be accurately estimated without separately preparing a dedicated gas concentration sensor.

(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can deform | transform variously as follows.

(1)上述の各実施形態では、図5、図12に示す等価回路を用いて各電極100b、100cの拡散インピーダンスを算出する例を説明したが、これに限らず、他の等価回路を用いて各電極100b、100cの拡散インピーダンスを算出してもよい。   (1) In each of the above-described embodiments, the example in which the diffusion impedance of each of the electrodes 100b and 100c is calculated using the equivalent circuits shown in FIGS. 5 and 12 is described. However, the present invention is not limited to this, and other equivalent circuits are used. The diffusion impedance of each electrode 100b, 100c may be calculated.

また、各電極100b、100cの活性化抵抗を数式F1、F2、F4、F5に限らず他の数式を用いて算出したり、予め活性化抵抗と燃料電池1の出力電流に含まれる直流成分および交流成分との関係を規定した制御マップを用いて活性化抵抗を算出したりしてもよい。   Also, the activation resistance of each electrode 100b, 100c is calculated not only using the formulas F1, F2, F4, F5 but also using other formulas, or the DC component included in the activation resistance and the output current of the fuel cell 1 in advance The activation resistance may be calculated using a control map that defines the relationship with the AC component.

(2)上述の各実施形態では、各電極100b、100cの拡散インピーダンスの絶対値を用いて、セル10への反応ガス(水素、空気)の供給状態の診断を行う例について説明したが、これに限定されない。   (2) In each of the above-described embodiments, the example in which the supply state of the reaction gas (hydrogen, air) to the cell 10 is diagnosed using the absolute value of the diffusion impedance of each electrode 100b, 100c has been described. It is not limited to.

例えば、拡散インピーダンスの位相差や周波数特性を用いて、セル10への反応ガスの供給状態の診断を行うようにしてもよい。この場合、各判定閾値を、反応ガスの供給状態が不足状態となった際の拡散インピーダンスの位相差や周波数特性を基準に定めればよい。   For example, the supply state of the reaction gas to the cell 10 may be diagnosed using the phase difference or frequency characteristic of the diffusion impedance. In this case, each determination threshold value may be determined based on the phase difference of the diffusion impedance and the frequency characteristics when the supply state of the reaction gas becomes insufficient.

また、拡散インピーダンスからガス濃度(酸素濃度、水素濃度)を算出し、算出したガス濃度を用いてセル10への反応ガス(水素、空気)の供給状態の診断を行うようにしてもよい。この場合、各判定閾値を、反応ガスの供給状態が不足状態となった際のガス濃度を基準に定めればよい。   Further, the gas concentration (oxygen concentration, hydrogen concentration) may be calculated from the diffusion impedance, and the supply state of the reaction gas (hydrogen, air) to the cell 10 may be diagnosed using the calculated gas concentration. In this case, each determination threshold value may be determined based on the gas concentration when the supply state of the reaction gas becomes insufficient.

(3)上述の各実施形態では、信号処理装置43の信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを合成した交流信号を印加する例について説明したが、これに限定されない。例えば、信号処理装置43の信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に対して、高周波数の信号と低周波数の信号とを異なるタイミングで印加するようにしてもよい。   (3) In each of the above-described embodiments, an example in which the signal applying unit 431 of the signal processing device 43 applies an AC signal obtained by combining a high-frequency signal and a low-frequency signal to the output current of the fuel cell 1. However, the present invention is not limited to this. For example, the signal applying unit 431 of the signal processing device 43 may apply a high frequency signal and a low frequency signal to the output current of the fuel cell 1 at different timings.

(4)上述の第1実施形態では、単一の局所電流センサ41を対象セル10の空気出口部102b付近に隣接配置し、インピーダンス算出部432にて空気出口部102b付近の局所インピーダンスを算出する例について説明したが、これに限定されない。   (4) In the first embodiment described above, the single local current sensor 41 is disposed adjacent to the vicinity of the air outlet portion 102b of the target cell 10, and the impedance calculation unit 432 calculates the local impedance near the air outlet portion 102b. Although an example has been described, the present invention is not limited to this.

例えば、複数の局所電流センサ41を用い、これらを対象セル10の複数の局所部位に隣接配置し、インピーダンス算出部432にて複数の局所部位の局所インピーダンスを算出するようにしてもよい。この場合、対象セル10の複数の局所部位における空気の供給状態を診断することが可能となる。   For example, a plurality of local current sensors 41 may be used, these may be arranged adjacent to a plurality of local parts of the target cell 10, and the local impedance of the plurality of local parts may be calculated by the impedance calculation unit 432. In this case, it is possible to diagnose the air supply state at a plurality of local sites of the target cell 10.

同様に、上述の第2実施形態において、複数の局所電流センサ41を用い、これらを対象セル10の複数の局所部位に隣接配置し、インピーダンス算出部432にて複数の局所部位の局所インピーダンスを算出するようにしてもよい。この場合、対象セル10の複数の局所部位における水素の供給状態を診断することが可能となる。   Similarly, in the second embodiment described above, a plurality of local current sensors 41 are used, these are arranged adjacent to the plurality of local parts of the target cell 10, and the impedance calculation unit 432 calculates the local impedance of the plurality of local parts. You may make it do. In this case, it becomes possible to diagnose the supply state of hydrogen in a plurality of local parts of the target cell 10.

さらに、局所電流センサ41を対象セル10の空気出口部102b付近および水素出口部101b付近それぞれに隣接配置し、インピーダンス算出部432にて空気出口部102b付近および水素出口部101b付近それぞれの局所インピーダンスを算出するようにしてもよい。これによれば、対象セル10における水素および空気それぞれの供給状態を診断することが可能となる。   Further, the local current sensor 41 is disposed adjacent to the vicinity of the air outlet portion 102b and the vicinity of the hydrogen outlet portion 101b of the target cell 10, and the impedance calculation unit 432 determines the local impedances near the air outlet portion 102b and the vicinity of the hydrogen outlet portion 101b. You may make it calculate. According to this, it becomes possible to diagnose the supply state of hydrogen and air in the target cell 10.

(5)上述の各実施形態のように、電圧センサ42にて対象セル10の電圧を検出する構成が望ましいが、例えば、電圧センサ42にて燃料電池1全体の電圧を検出するようにしてもよい。   (5) Although the configuration in which the voltage sensor 42 detects the voltage of the target cell 10 is desirable as in the above-described embodiments, for example, the voltage sensor 42 may detect the voltage of the entire fuel cell 1. Good.

(6)上述の各実施形態では、信号処理装置43の信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に対して2つの異なる周波数の交流信号を印加する例を説明したが、これに限らず、例えば、3つ以上の異なる周波数の交流信号を印加するようにしてもよい。   (6) In each of the above-described embodiments, the example in which the signal applying unit 431 of the signal processing device 43 applies AC signals having two different frequencies to the output current of the fuel cell 1 has been described. For example, AC signals having three or more different frequencies may be applied.

(7)上述の各実施形態では、信号処理装置43の信号印加部431にて燃料電池1の出力電流に対して交流信号を印加する例について説明したが、これに限らず、例えば、DC−DCコンバータ2にて燃料電池1の出力電流に対して交流信号を印加するようにしてもよい。この場合、燃料電池診断装置4の部品点数の低減を図ることができる。   (7) In each of the above-described embodiments, the example in which the AC signal is applied to the output current of the fuel cell 1 by the signal applying unit 431 of the signal processing device 43 has been described. An AC signal may be applied to the output current of the fuel cell 1 by the DC converter 2. In this case, the number of parts of the fuel cell diagnostic device 4 can be reduced.

(8)上述の各実施形態では、本発明の燃料電池診断装置4を燃料電池車両に搭載された燃料電池1の状態を診断する装置に適用する例を説明したが、これに限らず、船舶およびポータブル発電機等の移動体や設置型の燃料電池1の状態を診断する装置に適用してもよい。   (8) In each of the above-described embodiments, the example in which the fuel cell diagnostic device 4 of the present invention is applied to a device for diagnosing the state of the fuel cell 1 mounted on the fuel cell vehicle has been described. Further, the present invention may be applied to a device for diagnosing the state of a mobile object such as a portable generator or the installation type fuel cell 1.

(9)上述の各実施形態では、高周波インピーダンスZの実数部Re(Z)を電解質膜100aの膜抵抗Rpemとして算出する例を説明したが、これに限らず、例えば、高周波インピーダンスZの絶対値Abs(Z)を電解質膜100aの膜抵抗Rpemとして算出してもよい。 (9) In the above embodiments, an example has been described of calculating the real part of the high frequency impedance Z H Re of (Z H) as the membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a, is not limited to this, for example, high-frequency impedance Z H absolute value Abs the (Z H) may be calculated as membrane resistance Rpem of the electrolyte membrane 100a.

1 燃料電池
10 セル
41 局所電流センサ(局所電流検出手段)
42 電圧センサ(電圧検出手段)
431 交流信号印加部(交流印加手段)
432 インピーダンス算出部(インピーダンス算出手段)
433 膜抵抗算出部(膜抵抗算出手段)
434 補正部(補正手段)
435 診断部(診断手段)
1 fuel cell 10 cell 41 local current sensor (local current detection means)
42 Voltage sensor (voltage detection means)
431 AC signal application unit (AC application means)
432 Impedance calculation unit (impedance calculation means)
433 Membrane resistance calculation unit (membrane resistance calculation means)
434 Correction unit (correction means)
435 diagnostic unit (diagnostic means)

Claims (5)

酸化剤ガスおよび燃料ガスといった反応ガスを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル(10)が積層された固体高分子型の燃料電池(1)に適用され、前記燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置であって、
前記燃料電池に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流信号、および前記基準周波数よりも高い高周波数の交流信号を印加する交流印加手段(431)と、
前記複数のセルのうち、診断対象となる対象セル(10)のセル電圧を検出する電圧検出手段(42)と、
前記対象セルにおける所定の局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段(41)と、
前記交流印加手段にて前記低周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧、および前記局所電流に基づいて、前記対象セルの前記局所部位の局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段(432)と、
前記交流印加手段にて前記高周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧、および前記局所電流に基づいて、前記対象セルの前記局所部位の膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段(433)と、
前記局所インピーダンスを補正して前記局所インピーダンスに含まれる拡散インピーダンスを算出する補正手段(434)と、
前記拡散インピーダンスに基づいて前記燃料電池への反応ガスの供給状態を診断する診断手段(435)と、を備え、
前記補正手段は、前記局所インピーダンスから前記膜抵抗、および前記燃料電池の負荷変動に応じて変化する前記対象セルの活性化抵抗の影響を除去することで前記拡散インピーダンスを算出することを特徴とする燃料電池診断装置。
The present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell (1) in which a plurality of cells (10) that output electric energy by electrochemical reaction of reaction gases such as an oxidant gas and a fuel gas are stacked. A fuel cell diagnostic device for diagnosing,
AC applying means (431) for applying a low frequency AC signal lower than a predetermined reference frequency and a high frequency AC signal higher than the reference frequency to the fuel cell;
Voltage detection means (42) for detecting a cell voltage of a target cell (10) to be diagnosed among the plurality of cells;
Local current detection means (41) for detecting a local current flowing through a predetermined local site in the target cell;
Impedance calculation means (432) for calculating local impedance of the local part of the target cell based on the cell voltage when the low-frequency AC signal is applied by the AC application means and the local current;
Membrane resistance calculation means (433) for calculating the film resistance of the local part of the target cell based on the cell voltage and the local current when the high frequency AC signal is applied by the AC application means; ,
Correction means (434) for correcting the local impedance and calculating a diffusion impedance included in the local impedance;
Diagnostic means (435) for diagnosing the supply state of the reaction gas to the fuel cell based on the diffusion impedance,
The correction means calculates the diffusion impedance by removing the influence of the membrane resistance and the activation resistance of the target cell that changes in accordance with load fluctuations of the fuel cell from the local impedance. Fuel cell diagnostic device.
前記補正手段は、前記交流印加手段にて前記低周波数の交流信号を印加した際の前記セル電圧の変化量に含まれる活性化過電圧の変化分を、前記局所電流の変化量で除算して前記活性化抵抗を算出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池診断装置。   The correction means divides the change amount of the activation overvoltage included in the change amount of the cell voltage when the low-frequency AC signal is applied by the AC application means by the change amount of the local current. The fuel cell diagnostic apparatus according to claim 1, wherein an activation resistance is calculated. 前記補正手段は、前記燃料電池のターフェル勾配、前記燃料電池から出力される出力電流の直流成分の値、および前記交流信号の交流成分の振幅を用いて前記活性化過電圧の変化分を算出することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池診断装置。   The correction means calculates the change in the activation overvoltage using the Tafel slope of the fuel cell, the value of the DC component of the output current output from the fuel cell, and the amplitude of the AC component of the AC signal. The fuel cell diagnostic apparatus according to claim 2. 前記補正手段は、直列接続された前記活性化抵抗および前記拡散インピーダンスに、前記対象セルの触媒電極層における電気二重層容量を並列接続した合成回路に対して、前記膜抵抗を直列接続して構成される前記セルの等価回路に基づいて、前記拡散インピーダンスを算出することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池診断装置。   The correction means is configured by connecting the membrane resistance in series to a composite circuit in which the electric double layer capacitance in the catalytic electrode layer of the target cell is connected in parallel to the activation resistance and the diffusion impedance connected in series. 4. The fuel cell diagnostic apparatus according to claim 1, wherein the diffusion impedance is calculated based on an equivalent circuit of the cell. 前記補正手段は、前記電気二重層容量として予め測定した前記対象セルの触媒電極層における電気二重層容量の値を用いることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池診断装置。   5. The fuel cell diagnostic apparatus according to claim 4, wherein the correcting means uses a value of an electric double layer capacity in a catalyst electrode layer of the target cell measured in advance as the electric double layer capacity.
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