JP7132088B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、電解質膜と電解質膜を挟む2つの電極触媒層とで構成された膜電極接合体を有し、膜電極接合体の面状の発電領域において発電が行われる。本明細書では、このような発電領域を「セル面」と呼ぶ。セル面内の発電分布に過度な偏りがある状態では発電を効率的に行うことができない。そこで、従来から、セル面内の発電分布を計測する技術が工夫されている。
特許文献1には、燃料電池のセル面内の電流密度分布を計測する計測装置を備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、セル面内の電流密度分布を計測するための専用の電流密度センサを設けておき、その電流密度センサを用いて電流密度分布を計測する。
特開2006-318784号公報
しかしながら、従来技術では、セル面内の発電分布を知るために専用の電流密度センサを設ける必要があったので、燃料電池の構造が複雑になり、高コスト化の原因となっていた。そこで、電流密度センサを設けることなくセル面内の発電分布を推定できる技術が望まれている。
なお、燃料電池を効率よく発電させるためには、燃料電池の湿潤度を適切に制御することが好ましい。従来は、燃料電池の水分量を推定し、推定された水分量に応じて湿潤度の制御を行っていたため、その処理や制御が複雑であった。そこで、従来に比べて簡単な処理で燃料電池の湿潤度を適切に制御できる技術が望まれている。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池の両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、前記燃料電池のセル面内における発電分布を表す発電分布特徴量と前記位相差との間の予め定められた関係を用いて、前記位相差に応じて前記発電分布特徴量を推定する推定部と、を備える。前記発電分布特徴量は、前記セル面内における局所電流密度の最大値と最小値の差分を示す値を含む。
本願の発明者は、燃料電池のセル面内の発電分布を表す発電分布特徴量と、検出交流電圧に対する検出交流電流の位相差との間には相関があり、特に、セル面内のおける局所電流密度の最大値と最小値の差分と位相差との間に所定の関係があることを見出した。上記燃料電池システムによれば、この関係を用いて位相差に応じて発電分布特徴量を推定するので、電流密度センサを設けることなく燃料電池のセル面内の発電分布を推定することができる。
(2)上記燃料電池システムにおいて、前記セル面は、前記セル面内を流れるカソードガスの入口から出口までの面内カソードガス流路を有し、前記面内カソードガス流路を前記入口に近い上流部分と前記出口に近い下流部分とに区分したとき、前記発電分布特徴量は、前記局所電流密度の最大値が前記上流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記下流部分に存在する第1発電分布と、前記局所電流密度の最大値が前記下流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記上流部分に存在する第2発電分布と、のいずれに該当するかを示すものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、位相差に応じて推定される発電分布特徴量が、第1発電分布と第2発電分布のいずれに該当するかを示すので、電流密度センサを設けることなく燃料電池のセル面内の発電分布を推定することができる。
(3)上記燃料電池システムにおいて、前記発電分布特徴量は、前記第1発電分布と前記第2発電分布のいずれに該当するかを、前記発電分布特徴量の正負の符号によって区別するものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、発電分布特徴量の正負の符号によって第1発電分布と第2発電分布のいずれに該当するかを区別するので、発電分布特徴量から発電分布を容易に推定することができる。
(4)上記燃料電池システムは、更に、前記位相差により推定される前記発電分布特徴量が予め定められた許容範囲から外れている場合に、前記発電分布特徴量を前記許容範囲内に収めるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備えるものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、セル面内における局所電流密度の最大値と最小値の差分を示す発電分布特徴量が許容範囲外となった場合に、許容範囲内に収めるさせるように燃料電池システムを適切な運転条件で制御することができる。
(5)上記燃料電池システムにおいて、前記推定部は、前記位相差に応じて、前記燃料電池の湿潤度が予め定められた湿潤度範囲よりも低い第1状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲内にある第2状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲よりも高い第3状態と、のいずれの状態にあるかを推定するものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、位相差に応じて燃料電池の湿潤度に関する3つの状態のいずれかであるかを推定するので、これに応じて適切な制御を実行することができる。
(6)上記燃料電池システムは、更に、前記燃料電池が前記第1状態又は前記第3状態にあるものと推定された場合に、前記燃料電池が上記第2状態になるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備えるものとしてもよい。
この燃料電池システムによれば、燃料電池が湿潤度の低い第1状態や湿潤度の高い第3状態にある場合に、燃料電池が第2状態になるように燃料電池システムを適切に制御することができる。
(7)本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック全体の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池スタック全体の出力電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池スタックの両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、前記位相差に応じて前記燃料電池システムの運転条件を変更して前記燃料電池スタックの湿潤状態を制御する運転条件制御部を備える。前記運転条件制御部は、前記位相差が第1の値よりも大きな第2の値である場合に、前記燃料電池システムの運転条件を、前記位相差が前記第1の値である場合よりも前記燃料電池スタックの湿潤度を低下させる運転条件とする。
上記燃料電池システムによれば、位相差に応じて燃料電池スタックの湿潤状態を制御するので、従来に比べて簡単な処理で燃料電池スタックの湿潤度を適切に制御することが可能である。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他に、燃料電池システムの制御装置や制御方法等の形態で実現することができる。
一実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図。 セル面内の発電分布の推定に関連する装置構成を示す説明図。 検出交流電流と検出交流電圧の関係を示すタイミングチャート。 セル面内の第1発電分布の例を示すグラフ。 セル面内の第2発電分布の例を示すグラフ。 電流と電圧の間の位相差と発電分布特徴量との関係を示すグラフ。 位相差の計測と運転モードの切り換えの手順を示すフローチャート。
図1は、一実施形態における燃料電池システム100の構成を示す説明図である。燃料電池システム100は、例えば、車両110に搭載される。燃料電池システム100は、運転者からの要求に応じて車両110の動力源となる電力を出力する。
燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、制御装置20と、カソードガス供給部30と、アノードガス供給部50と、DC/DCコンバータ80と、パワーコントロールユニット(以下、「PCU」と呼ぶ)81と、負荷82と、二次電池83と、を備える。制御装置20は、CPUと、メモリと、インターフェースと、を備える1以上のECUとして構成されている。制御装置20は、メモリに記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、燃料電池システム100の制御を実行する。但し、制御装置20の機能の一部又は全部をハードウェア回路で実現しても良い。
燃料電池スタック10は、単セル11が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各単セル11は、電解質膜と、電解質膜の両面に配置されたアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層と、を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する1組のセパレータとを備える。電解質膜は、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜である。単セル11は、反応ガスとしてのアノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電する。本実施形態では、アノードガスとして水素ガスを使用し、カソードガスとして空気を使用する。但し、他の種類のアノードガスやカソードガスを使用しても良い。
カソードガス供給部30は、カソードガス配管31と、大気圧センサ37と、エアフローメータ32と、コンプレッサ33と、第1開閉弁34と、分流弁36と、カソードオフガス配管41と、第1レギュレータ42と、を備える。
大気圧センサ37は、カソードガス配管31に設けられており、カソードガス配管31の入口圧力を測定する。エアフローメータ32は、カソードガス配管31に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ33は、カソードガス配管31を介して燃料電池スタック10と接続されている。コンプレッサ33は、制御装置20の制御により、外部から取り入れたカソードガスを圧縮し、燃料電池スタック10に供給する。
第1開閉弁34は、コンプレッサ33と燃料電池スタック10との間に設けられ、制御装置20の制御により開閉する。分流弁36は、コンプレッサ33とカソードオフガス配管41との間に設けられており、制御装置20の制御により、燃料電池スタック10とカソードオフガス配管41への空気の流量を分配する。
カソードオフガス配管41は、燃料電池スタック10から排出されたカソードオフガスを、燃料電池システム100の外部へと排出する。第1レギュレータ42は、燃料電池スタック10のカソードガス出口の圧力を調整する背圧調整弁である。
アノードガス供給部50は、アノードガス配管51と、アノードガスタンク52と、第2開閉弁53と、第2レギュレータ54と、インジェクタ55と、圧力センサ56と、アノードオフガス配管61と、気液分離装置62と、排出弁63と、循環配管64と、アノードガスポンプ65と、を備える。
アノードガス配管51は、燃料電池スタック10にアノードガスを供給するための供給流路である。アノードガスタンク52は、アノードガス配管51を介して燃料電池スタック10のアノードガス入口マニホールドと接続されており、アノードガスを燃料電池スタック10に供給する。第2開閉弁53、第2レギュレータ54、インジェクタ55は、アノードガス配管51に、この順序で上流側から設けられている。第2開閉弁53は、制御装置20の制御により開閉する。第2レギュレータ54は、インジェクタ55の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ56は、アノードガス配管51のインジェクタ55よりも下流側に設けられている。圧力センサ56は、インジェクタ55下流の圧力値を測定する。
インジェクタ55は、制御装置20によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック10に供給されるアノードガス供給量を調整する。本実施形態では、インジェクタ55は、アノードガス配管51に複数設けられている。制御装置20は、圧力センサ56の測定値が目標圧力値を下回らないように、インジェクタ55の駆動周期や開弁時間を制御し、燃料電池スタック10へのアノードガス供給量を制御する。目標圧力値は、燃料電池スタック10への要求電力に応じて定められる。
アノードオフガス配管61は、燃料電池スタック10のアノードオフガス出口とカソードオフガス配管41とを接続する。アノードオフガス配管61は、燃料電池スタック10からアノードオフガスを排出するための排出流路である。アノードオフガスは、発電反応に用いられなかったアノードガスや窒素ガスなどを含む。
気液分離装置62は、アノードオフガス配管61に設けられている。気液分離装置62は、燃料電池スタック10から排出されたアノードオフガスから、不純物としての水を分離して貯える。
排出弁63は、アノードオフガス配管61に設けられた開閉弁である。排出弁63は、気液分離装置62の鉛直下方に設けられている。排出弁63は、制御装置20の制御により開閉する。排出弁63が開かれると、排出弁63からは、気液分離装置62内の水に続いて、アノードオフガスが排出される。排出弁63から排出された水及びアノードオフガスは、アノードオフガス配管61に接続されたカソードオフガス配管41を通じて外部へ排出される。
循環配管64は、アノードガス配管51のインジェクタ55よりも下流側の配管部分と気液分離装置62との間を接続する。循環配管64には、アノードガスポンプ65が設けられている。アノードガスポンプ65は、制御装置20の制御により駆動され、気液分離装置62によって水が分離されたアノードオフガスを、アノードガス配管51へと送り出す。この燃料電池システム100では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック10に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
DC/DCコンバータ80は、燃料電池スタック10から出力された電圧を昇圧して、PCU81に供給する。PCU81は、インバータを内蔵しており、インバータを介して車輪を駆動するためのトラクションモータ等の負荷82に電力を供給する。また、PCU81は、制御装置20の指令に基づいて、燃料電池スタック10の出力電流を制御する。
二次電池83は、PCU81とDC/DCコンバータ80とを介して燃料電池スタック10に接続されており、燃料電池スタック10により発電された電力を蓄電する。また、二次電池83は、燃料電池スタック10とともに、燃料電池システム100における電力の供給源として機能する。二次電池83の電力は、負荷82や、コンプレッサ33、アノードガスポンプ65、各種弁に供給される。二次電池83としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。
制御装置20は、要求電力に応じて燃料電池システム100の各部を制御し、燃料電池スタック10や二次電池83の出力を制御する。要求電力には、燃料電池システム100が搭載される車両110の運転者などによる外的発電要求と、燃料電池システム100の補機類に対して電力を供給するための内的発電要求と、が含まれる。
図2は、セル面内の発電分布の推定に関連する装置構成を示す説明図である。ここでは、単セル11のセル面11sが描かれている。燃料電池スタック10には、複数の単セル11を貫通する複数のマニフォールドが形成されている。複数のマニフォールドは、アノードガス供給マニフォールド12inと、アノードガス排出マニフォールド12outと、カソードガス供給マニフォールド14inと、カソードガス排出マニフォールド14outとを有する。アノードガス供給部50により供給されるアノードガスAGは、アノードガス供給マニフォールド12inから各単セル11に分配され、アノードガス排出マニフォールド12outから排出される。カソードガス供給部30により供給されるカソードガスCGは、カソードガス供給マニフォールド14inから各単セル11に分配され、カソードガス排出マニフォールド14outから排出される。他のマニフォールドは、冷媒の供給と排出のためのマニフォールドである。
各単セル11には、セル面11s内を流れる面内アノードガス流路APと面内カソードガス流路CPとが形成されている。この例では、面内アノードガス流路APは、水平方向に直進する複数の直進部分と、隣接する直進部分の間に設けられた折曲部とを有し、全体として蛇行しながら上昇する形状を有している。一方、面内カソードガス流路CPは、セル面11sの上端から下端に向けて下降する直線状の形状をする。従って、セル面11s内におけるアノードガスAGとカソードガスCGの流れは、互いに直交する直交流として構成されている。但し、面内カソードガス流路CPや面内アノードガス流路APは、これ以外の形状を有するように構成されていても良く、例えば、対向流となるように構成されていてもよい。図2のような直交流の場合も、また、対向流の場合も、面内カソードガス流路CPの入口が面内アノードガス流路APの出口付近に存在し、面内カソードガス流路CPの出口が面内アノードガス流路APの入口付近に存在する。
燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10の出力電圧を検出する電圧検出部310と、燃料電池スタック10の出力電流を検出する電流検出部320が接続されている。また、燃料電池スタック10の両端の電極には、交流信号を供給する交流信号供給部330が接続されている。この交流信号は、交流インピーダンス法に従って燃料電池スタック10のインピーダンス測定を行うための入力信号である。交流信号としては交流電流と交流電圧のいずれも使用可能であるが、本実施形態では交流電流を使用する。
電圧検出部310で検出された検出交流電圧Vdと、電流検出部320で検出された検出交流電流Idは、位相差演算部210に供給される。この位相差演算部210は、検出交流電圧Vdに対する検出交流電流Idの位相差Δθを演算する機能を有する。この演算は、例えば、高速フーリエ変換処理により実行できる。位相差Δθは、位相差演算部210から推定部220に供給される。推定部220は、位相差Δθに応じて、燃料電池スタック10のセル面11s内における発電分布を表す発電分布特徴量を推定する機能を有する。この推定機能については後述する。
図2の例では、電圧検出部310が燃料電池スタック10全体の電圧を測定しているが、この代わりに、燃料電池スタック10の一部を構成する1つ以上の単セル11の電圧を測定するようにしてもよい。本明細書において、「燃料電池」という用語は、燃料電池スタック10全体と、その一部を構成する1つ以上の単セル11と、の両方を包含する広い意味で使用される。
図2のシステムは、更に、運転条件制御部230を有する。この運転条件制御部230は、位相差演算部210で演算された位相差Δθに応じて、燃料電池システム100の運転条件を制御する。この制御の具体例については後述する。位相差演算部210と推定部220と運転条件制御部230は、図1に示した制御装置20に含まれるように構成してもよい。
図3は、検出交流電流Idと検出交流電圧Vdの関係を示すタイミングチャートである。ここでは、燃料電池スタック10の出力電流である直流電流成分Iconstに対して、交流電流成分ΔIが交流信号供給部330によって重畳され、検出交流電流Idと検出交流電圧Vdが検出された様子が描かれている。交流電流成分ΔIは、周波数f及び角周波数ω(=2πf)を有する正弦波である。交流信号供給部330によって重畳される交流信号の波形としては、正弦波以外の波形を使用することも可能であり、例えば、三角波や矩形波、パルス波なども使用できる。
良く知られているように、交流インピーダンス法において使用される周波数領域は、インピーダンスの実部がプロトン移動抵抗とガス反応抵抗の和に等しくなる低周波数領域と、インピーダンスの実部がプロトン移動抵抗に等しくなる高周波数領域とに分けられる。本実施形態において、交流信号の周波数fは、低周波数領域の値とすることが好ましい。具体的には、周波数fを1Hz以上150Hz以下の値とすることが好ましく、1Hz以上100Hz未満の値とすることが更に好ましく、20Hz以上80Hz以下の値とすることが最も好ましい。なお、本実施形態では、通常の交流インピーダンス法と異なり、1つの特定の周波数のみを使用し、その特定の周波数に対して、検出交流電圧Vdに対する検出交流電流Idの位相差Δθを求めれば十分である。
検出交流電圧Vdに対する検出交流電流Idの位相差Δθは、位相差演算部210によって演算される。よく知られているように、燃料電池の等価回路は抵抗成分と容量成分とで構成されるので、通常は図3のように、検出交流電圧Vdに対して検出交流電流Idの位相が進む位相関係が得られる。本明細書では、検出交流電圧Vdに対して検出交流電流Idの位相が進んでいるときの位相差Δθをマイナス値で表現し、逆に、検出交流電圧Vdに対して検出交流電流Idの位相が遅れているときの位相差Δθをプラス値で表現する。
本願の発明者は、位相差Δθとセル面11s内における発電分布との間に、以下の図4~図6で説明する相関があることを見出した。
図4は、セル面11s内の第1発電分布PD1の例を示すグラフである。図4の横軸は面内カソードガス流路CPの入口から出口までの位置であり、縦軸は局所電流密度である。面内カソードガス流路CPは、その入口に近い上流部分IPと、出口に近い下流部分OPとに区分することができる。
図4では、第1発電分布PD1として、2つの分布PD1a,PD1bを例示している。一方の第1発電分布PD1aは、局所電流密度が、面内カソードガス流路CPの入口において最大値Imaxとなり、出口に向かってほぼ単調に減少して、出口において最小値Iminとなる分布である。他方の第1発電分布PD1bは、局所電流密度が、面内カソードガス流路CPの入口からやや下流側の位置において最大値Imaxとなり、そこから出口に向かってほぼ単調に減少して、出口において最小値Iminとなる分布である。これらの第1発電分布PD1a,PD1bは、いずれも、局所電流密度の最大値Imaxが上流部分IPに存在するとともにその最小値Iminが下流部分OPに存在する分布である点で共通している。本願の発明者の実験によれば、単セル11が乾燥している場合には、このような第1発電分布PD1となる可能性が高いことが見出された。この理由は、単セル11が乾燥すると、電解質膜のプロトン移動度が低下するので、面内アノードガス流路APの入口(これは図2で説明したように面内カソードガス流路CPの出口付近にある)における局所電流密度が低下するためであると推定される。このとき、局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分は、単セル11の乾燥度が上昇するほど増大する傾向にある。
本実施形態では、第1発電分布PD1を表す発電分布特徴量として、下流部分OPにおける局所電流密度の極値Iopである最小値Iminから、上流部分IPにおける局所電流密度の極値Iipである最大値Imaxを減算した値I*を使用する。従って、第1発電分布PD1に対する発電分布特徴量I*は、負の値となる。この発電分布特徴量I*は、セル面11s内における局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分を示している。上述したように、局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分は単セル11の乾燥度が上昇するほど増大する傾向にあるので、発電分布特徴量I*の絶対値も単セル11の乾燥度が上昇するほど増大する。
図5は、セル面11s内の第2発電分布PD2a,PD2bの例を示すグラフである。一方の第2発電分布PD2aは、局所電流密度が、面内カソードガス流路CPの入口において最小値Iminとなり、出口に向かってほぼ単調に増加して、出口において最大値Imaxとなる分布である。他方の第2発電分布PD2bは、局所電流密度が、面内カソードガス流路CPの入口において最小値Iminとなり、出口に向かってほぼ単調に増加して、出口からやや上流側の位置において最大値Imaxとなる分布である。これらの第2発電分布PD2a,PD2bは、いずれも、局所電流密度の最大値Imaxが下流部分OPに存在するとともにその最小値Iminが上流部分IPに存在する分布である点で共通している。本願の発明者の実験によれば、単セル11が過度に湿潤している場合には、このような第2発電分布PD2となる可能性が高いことが見出された。この理由は、単セル11が過度に湿潤している場合には面内カソードガス流路CPの入口付近で水詰まりが発生する可能性が高く、面内カソードガス流路CPの入口付近においてカソードガスを十分に供給できずに局所電流密度が低下するためであると推定される。
第2発電分布PD2を表す発電分布特徴量としては、下流部分OPにおける局所電流密度の極値Iopである最大値Imaxから、上流部分IPにおける局所電流密度の極値Iipである最小値Iminを減算した値I*を使用する。従って、第2発電分布PD2に対する発電分布特徴量I*は、正の値となる。この発電分布特徴量I*も、セル面11s内における局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分を示している。
上述したように、図4に示す第1発電分布PD1では発電分布特徴量I*は負の値となり、図5に示す第2発電分布PD2では発電分布特徴量I*は正の値となる。逆に言えば、発電分布特徴量I*が負の場合にはセル面11s内の発電分布が第1発電分布PD1であるものと推定でき、発電分布特徴量I*が正の場合にはセル面11s内の発電分布が第2発電分布PD2であるものと推定できる。
図6は、検出交流電圧Vdに対する検出交流電流Idの位相差Δθと、発電分布特徴量I*との関係RLを示すグラフである。図6のプロット点は、本願の発明者により電流密度センサを用いて行った実験結果である。位相差Δθと発電分布特徴量I*との間には、ほぼ直線的な関係RLがあることが理解できる。発電分布特徴量I*が負の場合にはセル面11s内の発電分布が図4で説明した第1発電分布PD1であるものと推定でき、一方、発電分布特徴量I*が正の場合には図5で説明した第2発電分布PD2であるものと推定できる。また、図4で説明したように、第1発電分布PD1aに対する発電分布特徴量I*の絶対値は、単セル11の乾燥度が上昇するほど増大する。
燃料電池の湿潤状態としては、過度に乾燥している第1状態H1と、適切に湿潤している第2状態H2と、過度に湿潤している第3状態H3と、の3つの状態が存在する。第2状態H2は、予め定められた湿潤度範囲にある状態である。第1状態H1は、第2状態H2の湿潤度範囲よりも湿潤度が低い状態であり、第3状態H3は、第2状態H2の湿潤度範囲よりも湿潤度が高い状態である。図6に示す例では、発電分布特徴量I*が下限値ILOWよりも小さい範囲は、燃料電池が過度に乾燥している第1状態H1に相当する。また、発電分布特徴量I*が下限値ILOWから上限値IHIGHまでの範囲は燃料電池が適切に湿潤している第2状態H2に相当し、発電分布特徴量I*が上限値IHIGHを超える範囲は燃料電池が過度に湿潤している第3状態H3に相当する。この場合には、発電分布特徴量I*の適切な範囲は、下限値ILOWから上限値IHIGHまでの範囲である。
位相差Δθと発電分布特徴量I*との間には予め定められた関係RLがあるので、位相差Δθの値から燃料電池の湿潤状態H1,H2,H3のいずれであるかを推定できる。すなわち、位相差Δθが適切な範囲RR内にある場合には、燃料電池が適切に湿潤している第2状態H2にあるものと推定できる。また、位相差Δθが適切な範囲RRの下限値ΔθLOWより小さい場合には燃料電池が過度に乾燥している第1状態H1にあるものと推定でき、位相差Δθが適切な範囲RRの上限値ΔθHIGHより大きい場合には燃料電池が過度に湿潤している第3状態H3にあるものと推定できる。位相差Δθや発電分布特徴量I*の適切な範囲は、単セル11の構造などに依存するので、燃料電池スタック10の型式毎に実験的又は経験的に予め設定される。なお、位相差Δθや発電分布特徴量I*の適切な範囲を「許容範囲」とも呼ぶ。
図7は、位相差Δθの計測と運転モードの切り換えの手順を示すフローチャートである。この手順は、燃料電池システム100が起動して通常運転が開始された後に、制御装置20によって定期的に繰り返し実行される。図7の処理の開始時には、燃料電池システム100は通常運転モードで運転されている。通常運転モードとは、ステップS160で実行される燃料電池の湿潤度を下げる第1運転モードや、ステップS170で実行される燃料電池の湿潤度を上げる第2運転モードではない運転モードである。
ステップS110では、交流インピーダンス計測を実行して、検出交流電圧Vdに対する検出交流電流Idの位相差Δθが演算される。具体的には、図2に示した交流信号供給部330によって交流信号が燃料電池の両端の電極に印加され、これに応じて電圧検出部310で検出された検出交流電圧Vdと、電流検出部320で検出された検出交流電流Idから、位相差演算部210が位相差Δθを演算する。この位相差Δθは、推定部220に供給される。
ステップS120では、推定部220が、位相差Δθが図6に示した適切な範囲RR内にあるか否かを判定する。この範囲RRは、下限値ΔθLOWから上限値ΔθHIGHまでの範囲である。位相差Δθが適切な範囲RR内にある場合には、燃料電池が適切に湿潤している第2状態H2にあるものと推定できるので、ステップS130において通常運転モードが維持されて、図7の処理を終了する。一方、位相差Δθが適切な範囲RR内に無い場合には、ステップS140において、位相差Δθが適切な範囲RRの上限値ΔθHIGHよりも大きいか否かが判断される。
位相差Δθが適切な範囲RRの上限値ΔθHIGHよりも大きい場合には、燃料電池が過度に湿潤している第3状態H3にあるものと推定できるので、ステップS140からステップS150に進む。ステップS150では、運転条件制御部230が、燃料電池の湿潤度を下げる第1運転モードに従って燃料電池システム100を運転する。第1運転モードでは、以下の動作の1つ以上を利用することが可能である。
(C-1a)コンプレッサ33の回転数を増加させて燃料電池へのカソードガスの供給流量を増加させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
(C-1b)第1レギュレータ42の設定値を変更して燃料電池内のカソードガス圧力を低下させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
(C-1c)カソードガス供給部30に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を減少させる。
これらの動作を利用する第1運転モードでは、コンプレッサ33の回転数と、第1レギュレータ42の設定値と、加湿器による加湿量のうちの1つ以上が、運転条件制御部230によって制御される制御量、すなわち、燃料電池システム10の運転条件に相当する。
アノードガスについても同様に、以下の動作の1つ以上を利用して燃料電池の湿潤度を下げるようにしてもよい。
(A-1a)アノードガスポンプ65の回転数を増加させて燃料電池へのアノードガスの供給流量を増加させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
(A-1b)インジェクタ55によるアノードガスの供給量を一時的に減少させて燃料電池内のアノードガス圧力を低下させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を増加させる。
(A-1c)アノードガス供給部50に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を減少させる。
一方、ステップS140において、位相差Δθが適切な範囲RRの上限値ΔθHIGHよりも大きい場合には、位相差Δθは適切な範囲RRの下限値ΔθLOWよりも小さい。この場合には、燃料電池が過度に乾燥している第1状態H1にあるものと推定できるので、ステップS140からステップS160に進む。ステップS160では、運転条件制御部230が、燃料電池の湿潤度を上げる第2運転モードに従って燃料電池システム100を運転する。第2運転モードでは、以下の動作の1つ以上を利用することが可能である。
(C-2a)コンプレッサ33の回転数を減少させて燃料電池へのカソードガスの供給流量を減少させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
(C-2b)第1レギュレータ42の設定値を変更して燃料電池のカソードガス圧力を上昇させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
(C-2c)カソードガス供給部30に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を増加させる。
アノードガスについても同様に、以下の動作の1つ以上を利用して燃料電池の湿潤度を上げるようにしてもよい。
(A-2a)アノードガスポンプ65の回転数を減少させて燃料電池へのアノードガスの供給流量を減少させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
(A-2b)インジェクタ55によるアノードガスの供給量を一時的に増加させて燃料電池内のアノードガス圧力を上昇させることによって、燃料電池の内部から外部に排出される水分量を減少させる。
(A-2c)アノードガス供給部50に加湿器が設けられている場合には、加湿器による加湿量を増加させる。
ステップS150又はステップS160の後は、前述したステップS110以降の処理が再度実行される。ステップS150又はステップS160からステップS110に戻った後に、位相差Δθが適切な範囲RR内に戻った場合には、ステップS130に進み、運転条件制御部230が通常運転モードに切り換えて図7の処理を終了する。
上述した図7の処理は、燃料電池が適切な湿潤状態にない第1状態H1又は第3状態H3にあるものと推定された場合に、燃料電池が適切な湿潤状態にある第2状態H2になるように燃料電池システム100の運転条件を変更する処理である。このような処理を実行すれば、位相角Δθに応じて燃料電池が適切に湿潤している第2状態H2になるように燃料電池システム100を適切に制御することができる。
また、図7の処理は、位相差Δθにより推定される発電分布特徴量I*が予め定められた許容範囲から外れている場合に、発電分布特徴量I*をその許容範囲内に収めるように燃料電池システム100の運転条件を変更する処理であると考えることも可能である。このような処理を実行すれば、セル面11s内における局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分を示す発電分布特徴量I*が許容範囲外となった場合に、その許容範囲内に収めるように燃料電池システム100を適切な運転条件で制御することができる。
なお、図6及び図7では、位相差Δθに応じて燃料電池の湿潤状態を3つの状態H1~H3に区分していたが、燃料電池の湿潤状態を2つに区分してもよく、或いは、4つ以上に区分してもよい。これらのいずれの場合にも、運転条件制御部230は、位相差Δθに応じて燃料電池システム100の運転条件を変更して燃料電池の湿潤状態の制御を実行することが可能である。この際、運転条件制御部230は、位相差Δθが大きな場合に、位相差Δθが小さな場合よりも燃料電池の湿潤度を低下させる運転条件とする制御を行うことが好ましい。この制御は、位相差Δθが第1の値よりも大きな第2の値である場合に、位相差Δθが第1の値である場合よりも燃料電池の湿潤度を低下させる運転条件とする制御であると考えることも可能である。この制御は、例えば図7のステップS150の制御に相当する。この制御によれば、位相差Δθに応じて燃料電池の湿潤状態を適切に制御することが可能である。
また、運転条件制御部230は、位相差Δθが小さな場合に、位相差Δθが大きな場合よりも燃料電池の湿潤度を上昇させる運転条件とする制御を行うことが好ましい。この制御は、位相差Δθが第1の値よりも小さな第3の値である場合に、位相差Δθが第1の値である場合よりも燃料電池の湿潤度を上昇させる運転条件とする制御であると考えることも可能である。この制御は、例えば図7のステップS160の制御に相当する。この制御によっても、位相差Δθに応じて燃料電池の湿潤状態を適切に制御することが可能である。
以上のように、本実施形態では、セル面11s内のおける局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分を示す発電分布特徴量I*と、位相差Δθとの間に所定の関係RLがあることを利用している。本実施形態の燃料電池システム100によれば、この関係RLを用い、位相差Δθに応じて発電分布特徴量I*を推定するので、電流密度センサを設けることなく燃料電池のセル面11s内の発電分布を推定することができる。
なお、上記実施形態では、発電分布特徴量I*として、下流部分OPにおける局所電流密度の極値Iipから、上流部分IPにおける局所電流密度の極値Iopを減算した値を使用したが、これ以外の発電分布特徴量I*を用いることも可能である。但し、発電分布特徴量I*は、セル面11s内における局所電流密度の最大値Imaxと最小値Iminの差分を示す値を含むものとすることが好ましい。この場合に、発電分布特徴量I*として、セル面11s内の発電分布が2種類の発電分布PD1,PD2のいずれに該当するかを区別しないものを用いてもよい。
また、上記実施形態では、発電分布特徴量I*は、2種の発電分布PD1,PD2のいずれに該当するかを、発電分布特徴量I*の正負の符号によって区別するものとしたが、これ以外の方法で2種類の発電分布PD1,PD2を区別するものとしてもよい。例えば、正負の符号でなく、最大値Imaxと最小値Iminの差分を示す値とは別の独立した1ビットを用いて第1発電分布PD1と第2発電分布PD2を区別するものとしてもよい。但し、発電分布特徴量I*の正負の符号によって発電分布を区別するようにすれば、発電分布特徴量I*から発電分布を容易に推定することができるという利点がある。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池スタック、11…単セル、11s…セル面、12in…アノードガス供給マニフォールド、12out…アノードガス排出マニフォールド、14in…カソードガス供給マニフォールド、14out…カソードガス排出マニフォールド、20…制御装置、30…カソードガス供給部、31…カソードガス配管、32…エアフローメータ、33…コンプレッサ、34…第1開閉弁、36…分流弁、37…大気圧センサ、41…カソードオフガス配管、42…第1レギュレータ、50…アノードガス供給部、51…アノードガス配管、52…アノードガスタンク、53…第2開閉弁、54…第2レギュレータ、55…インジェクタ、56…圧力センサ、61…アノードオフガス配管、62…気液分離装置、63…排出弁、64…循環配管、65…アノードガスポンプ、80…DC/DCコンバータ、81…パワーコントロールユニット(PCU)、82…負荷、83…二次電池、100…燃料電池システム、110…車両、210…位相差演算部、220…推定部、230…運転条件制御部、310…電圧検出部、320…電流検出部、330…交流信号供給部

Claims (7)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
    前記燃料電池の両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、
    前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、
    前記燃料電池のセル面内における発電分布を表す発電分布特徴量と前記位相差との間の予め定められた関係を用いて、前記位相差に応じて前記発電分布特徴量を推定する推定部と、
    を備え、
    前記発電分布特徴量は、前記セル面内における局所電流密度の最大値と最小値の差分を示す値を含む、燃料電池システム。
  2. 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
    前記セル面は、前記セル面内を流れるカソードガスの入口から出口までの面内カソードガス流路を有し、
    前記面内カソードガス流路を前記入口に近い上流部分と前記出口に近い下流部分とに区分したとき、前記発電分布特徴量は、前記局所電流密度の最大値が前記上流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記下流部分に存在する第1発電分布と、前記局所電流密度の最大値が前記下流部分に存在するとともに前記局所電流密度の最小値が前記上流部分に存在する第2発電分布と、のいずれに該当するかを示す、燃料電池システム。
  3. 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
    前記発電分布特徴量は、前記第1発電分布と前記第2発電分布のいずれに該当するかを、前記発電分布特徴量の正負の符号によって区別する、燃料電池システム。
  4. 請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、更に、
    前記位相差により推定される前記発電分布特徴量が予め定められた許容範囲から外れている場合に、前記発電分布特徴量を前記許容範囲内に収めるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備える、燃料電池システム。
  5. 請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記推定部は、前記位相差に応じて、前記燃料電池の湿潤度が予め定められた湿潤度範囲よりも低い第1状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲内にある第2状態と、前記燃料電池の湿潤度が前記湿潤度範囲よりも高い第3状態と、のいずれの状態にあるかを推定する、燃料電池システム。
  6. 請求項5に記載の燃料電池システムであって、更に、
    前記燃料電池が前記第1状態又は前記第3状態にあるものと推定された場合に、前記燃料電池が上記第2状態になるように前記燃料電池システムの運転条件を変更する運転条件制御部を備える、燃料電池システム。
  7. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタック全体の出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記燃料電池スタック全体の出力電流を検出する電流検出部と、
    前記燃料電池スタックの両端の電極に交流信号を供給する交流信号供給部と、
    前記電圧検出部で検出された検出交流電圧と前記電流検出部で検出された検出交流電流から、前記検出交流電圧に対する前記検出交流電流の位相差を演算する位相差演算部と、
    前記位相差に応じて前記燃料電池システムの運転条件を変更して前記燃料電池スタックの湿潤状態を制御する運転条件制御部を備え、
    前記運転条件制御部は、前記位相差が第1の値よりも大きな第2の値である場合に、前記燃料電池システムの運転条件を、前記位相差が前記第1の値である場合よりも前記燃料電池スタックの湿潤度を低下させる運転条件とする、燃料電池システム。
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