JPWO2010128555A1 - 燃料電池の水素濃度推定装置、燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
この発明は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を利用して、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる燃料電池の水素濃度推定装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。燃料電池システムが、燃料電池2と、インピーダンス測定装置3および制御装置5を備えている。制御装置5は、インピーダンス測定装置3と接続している。インピーダンス測定装置3は、交流インピーダンス法に従って燃料電池2のインピーダンスを測定するための装置である。制御装置5に、基準水素濃度に対応する判定値を予め記憶しておく。制御装置5が、この判定値と、インピーダンス測定装置3を介して取得したインピーダンスの実部Z´とを比較する。Z´が判定値以上であれば、制御装置5は、燃料電池2内部の水素濃度が基準水素濃度以下であると推定する。
Description
この発明は、燃料電池の水素濃度推定装置、燃料電池システムに関する。
従来、例えば、特開2009−4180号公報に開示されているように、システム周辺装置を水素濃度に応じて制御する燃料電池システムが知られている。この従来の燃料電池システムは、燃料電池のアノード出口の下流側に、水素濃度センサを備えている。この水素濃度センサは、燃料電池のアノード出口から排出されたアノードオフガスの水素濃度を検知する。
上記従来の燃料電池システムは、水素濃度センサの出力に基づいて、燃料電池のアノード出口弁を制御している。このアノード出口弁は、具体的には、燃料電池内部の水素消費量に見合う量の水素が燃料電池に供給されるように制御される。上記公報によれば、このアノード出口弁制御の結果、アノード出口弁からの排出ガスの水素濃度を低くすることができる。
また、従来、燃料電池のインピーダンス測定を行うことにより燃料電池の状態(例えば、燃料電池の含水量)を調べる技術が知られている。燃料電池を対象にしたインピーダンス測定の方法として、交流インピーダンス法が知られている。
交流インピーダンス法の測定結果を、複素平面上に記す図示方法が知られている。この図示方法は、一般に、コールコールプロット(Cole-Cole Plot)と称される。コールコールプロットは、交流インピーダンス法において周波数を相違させつつ測定した複数のインピーダンス値を、複素平面上に記す図示方法である。コールコールプロット図において、複素平面上の複数のインピーダンスの点を通る曲線(すなわちインピーダンス値の軌跡)が、円弧(semicircle)を描くことが知られている。以下、この円弧を、「インピーダンス円弧(impedance semicircle)」とも呼称する。
例えば、特開2008−8750号公報は、燃料電池に関する開示ではないが、インピーダンス円弧に基づいて過酸化水素の量を測る技術を開示している。
また、Naoki Ito et al., “Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells”, Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.は、燃料電池に関し、インピーダンス円弧に基づく分析結果を開示している。この文献は、水素分離膜型燃料電池(HMFC)における、電気化学的特性の評価結果を開示している。この文献のFig.1(b)(c)には、アノードの水素濃度やカソードの酸素濃度とインピーダンス円弧に関する図がある。
Naoki Ito et al., "Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells", Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.
水素濃度に応じたシステム制御を正確に行うためには、燃料電池内部の水素濃度を正確に知ることが好ましい。燃料電池内部の水素濃度を知るための実用的な技術が、従来から切望されている。
本願発明者は、実験、研究を鋭意重ねることにより、インピーダンス円弧と燃料電池内部水素濃度との間に、水素濃度推定に用いることができる程に強い相関があることを見抜いた。さらに鋭意研究を進めた結果、本願発明者は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を利用して、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる水素濃度推定装置に想到した。
また、本願発明者がさらにこの相関について鋭意研究を進めた結果、この相関を利用した水素濃度推定の、精度向上を実現できる条件も見出された。
この発明は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を利用して、燃料電池内部の水素濃度を推定することのできる、燃料電池の水素濃度推定装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。
また、この発明の他の目的は、燃料電池内部の水素濃度に応じた制御を精度よく行うことができる燃料電池システムを提供することである。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスまたはアドミタンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記燃料電池のインピーダンス円弧が相対的に大きいときに水素濃度が相対的に低く推定されるように、前記燃料電池内部の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスまたはアドミタンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記燃料電池のインピーダンス円弧が相対的に大きいときに水素濃度が相対的に低く推定されるように、前記燃料電池内部の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第2の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの実部の値を取得する手段と、
前記実部の値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの実部の値を取得する手段と、
前記実部の値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第3の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの虚部の値を取得する手段と、
前記虚部の値の絶対値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの虚部の値を取得する手段と、
前記虚部の値の絶対値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第4の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さ、または前記数値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さ、または前記数値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第5の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、I−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記I−V接線抵抗値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、I−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記I−V接線抵抗値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
第6の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の水素濃度推定装置であって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値と、前記燃料電池内部の水素濃度との関係を定めた水素濃度特性を記憶した記憶手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスまたは前記I−V接線抵抗値に基づいて、前記水素濃度特性に従って、前記燃料電池内部の水素濃度推定値を算出する推定値算出手段と、
を含むことを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値と、前記燃料電池内部の水素濃度との関係を定めた水素濃度特性を記憶した記憶手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスまたは前記I−V接線抵抗値に基づいて、前記水素濃度特性に従って、前記燃料電池内部の水素濃度推定値を算出する推定値算出手段と、
を含むことを特徴とする。
また、第7の発明は、第1乃至4および第6の発明のいずれか1つの発明において、
前記燃料電池の電圧がOCV(Open Circuit Voltage)未満となり、かつ、バイアス電圧が所定電圧以上となるように或いはバイアス電流が所定電流以下となるように、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池にバイアスを与える所定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする。
前記燃料電池の電圧がOCV(Open Circuit Voltage)未満となり、かつ、バイアス電圧が所定電圧以上となるように或いはバイアス電流が所定電流以下となるように、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池にバイアスを与える所定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする。
また、第8の発明は、第7の発明において、
前記燃料電池のOCVを取得するOCV取得手段と、
前記OCV取得手段が取得したOCVの値に基づいて、前記所定バイアス供給手段が前記燃料電池に与える前記バイアスの大きさを、補正するバイアス補正手段と、
を備えることを特徴とする。
前記燃料電池のOCVを取得するOCV取得手段と、
前記OCV取得手段が取得したOCVの値に基づいて、前記所定バイアス供給手段が前記燃料電池に与える前記バイアスの大きさを、補正するバイアス補正手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第9の発明は、第1乃至4および第6の発明のいずれか1つの発明において、
前記燃料電池のOCVを取得するOCV取得手段と、
前記OCV取得手段が取得したOCVから所定値を減じることにより、目標バイアス電圧を算出する目標バイアス算出手段と、
前記測定手段のインピーダンス測定中に、前記目標バイアス電圧に基づいて、前記燃料電池にバイアスを与える目標バイアス供給手段と、
を備えることを特徴とする。
前記燃料電池のOCVを取得するOCV取得手段と、
前記OCV取得手段が取得したOCVから所定値を減じることにより、目標バイアス電圧を算出する目標バイアス算出手段と、
前記測定手段のインピーダンス測定中に、前記目標バイアス電圧に基づいて、前記燃料電池にバイアスを与える目標バイアス供給手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第10の発明は、第1乃至4および第6の発明のいずれか1つの発明において、
前記燃料電池のインピーダンスの低周波数域における周波数特性曲線が複素平面上で実質的に1つの円弧を描く程度の大きさの、バイアス電圧またはバイアス電流を、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池に与える特定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする。
前記燃料電池のインピーダンスの低周波数域における周波数特性曲線が複素平面上で実質的に1つの円弧を描く程度の大きさの、バイアス電圧またはバイアス電流を、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池に与える特定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする。
また、第11の発明は、第10の発明において、
前記低周波数域が、100Hz〜0.1Hzであることを特徴とする。
前記低周波数域が、100Hz〜0.1Hzであることを特徴とする。
また、第12の発明は、第6または第7の発明において、
前記測定手段が、
前記燃料電池の電流および電圧を計測するための計測手段と、
前記計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池のI−V特性上におけるOCV付近の所定部分の傾きを算出する手段と、
前記傾きに基づいて、前記I−V接線抵抗値を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
前記測定手段が、
前記燃料電池の電流および電圧を計測するための計測手段と、
前記計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池のI−V特性上におけるOCV付近の所定部分の傾きを算出する手段と、
前記傾きに基づいて、前記I−V接線抵抗値を算出する手段と、
を含むことを特徴とする。
また、第13の発明は、第1乃至第12の発明のいずれか1つの発明において、
前記燃料電池内部の水分量を検知または推定する手段を備え、
前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値と、前記検知手段が検知または推定した前記水分量と、に基づいて前記燃料電池内部の水素濃度を推定することを特徴とする。
前記燃料電池内部の水分量を検知または推定する手段を備え、
前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値と、前記検知手段が検知または推定した前記水分量と、に基づいて前記燃料電池内部の水素濃度を推定することを特徴とする。
また、第14の発明は、第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明において、
前記燃料電池が、固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする。
前記燃料電池が、固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする。
第15の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第1単位セルと、アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第2単位セルと、を、備えた燃料電池と、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記第1単位セルの前記アノード流路よりも、前記第2単位セルの前記アノード流路のほうが、圧力損失が大きく、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第2単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記第2セルの水素濃度を推定することを特徴とする。
アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第1単位セルと、アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第2単位セルと、を、備えた燃料電池と、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記第1単位セルの前記アノード流路よりも、前記第2単位セルの前記アノード流路のほうが、圧力損失が大きく、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第2単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記第2セルの水素濃度を推定することを特徴とする。
第16の発明は、第15の発明において、
前記燃料電池が、前記複数の単位セルのそれぞれの前記アノード流路出口に接続する出口マニホールドを備え、
前記出口マニホールドの出口に接続する弁を、更に備え、
前記第2単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部が、前記第1単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部よりも、流路断面積が小さいことを特徴とする。
前記燃料電池が、前記複数の単位セルのそれぞれの前記アノード流路出口に接続する出口マニホールドを備え、
前記出口マニホールドの出口に接続する弁を、更に備え、
前記第2単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部が、前記第1単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部よりも、流路断面積が小さいことを特徴とする。
第17の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記燃料電池が、
それぞれが、入口と出口を備えたアノード流路を有し、該アノード流路に水素の供給を受けて発電する、複数の単位セルと、
前記複数の単位セルのうち第1群の単位セルの、前記アノード流路入口に接続する第1マニホールドと、
前記複数の単位セルのうち第2群の単位セルの、前記アノード流路出口に接続する第2マニホールドと、
前記第1群の単位セルの前記アノード流路出口と、前記第2群の単位セルの前記アノード流路入口と、に接続する第3マニホールドと、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第2群の単位セルの少なくとも1つの単位セルの、インピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記少なくとも1つの単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする。
燃料電池と、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記燃料電池が、
それぞれが、入口と出口を備えたアノード流路を有し、該アノード流路に水素の供給を受けて発電する、複数の単位セルと、
前記複数の単位セルのうち第1群の単位セルの、前記アノード流路入口に接続する第1マニホールドと、
前記複数の単位セルのうち第2群の単位セルの、前記アノード流路出口に接続する第2マニホールドと、
前記第1群の単位セルの前記アノード流路出口と、前記第2群の単位セルの前記アノード流路入口と、に接続する第3マニホールドと、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第2群の単位セルの少なくとも1つの単位セルの、インピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記少なくとも1つの単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする。
第18の発明は、第17の発明において、
前記複数の単位セルは、それぞれが平たい形状であり、
前記複数の単位セルは、それぞれ、入口と出口を有し前記アノード流路に対して所定方向を向くように設けられたカソード流路を備え、
前記燃料電池は、前記形状の前記単位セルが、それぞれの前記カソード流路の前記入口の位置と前記出口の位置とが揃うように重ねられた構成を有し、
前記第3マニホールドが、
前記第1群の単位セルの前記アノード流路出口に接続する第1の部分と、
前記第2群の単位セルの前記アノード流路入口に接続する第2の部分と、
前記第1群の単位セルと前記第2群の単位セルとの間に備えられ、前記第1群の単位セルの前記アノード流路と、前記第2群の単位セルの前記アノード流路とが、同じ方向を向くように、前記第1の部分と前記第2の部分とを接続するダミー流路と、を有することを特徴とする。
前記複数の単位セルは、それぞれが平たい形状であり、
前記複数の単位セルは、それぞれ、入口と出口を有し前記アノード流路に対して所定方向を向くように設けられたカソード流路を備え、
前記燃料電池は、前記形状の前記単位セルが、それぞれの前記カソード流路の前記入口の位置と前記出口の位置とが揃うように重ねられた構成を有し、
前記第3マニホールドが、
前記第1群の単位セルの前記アノード流路出口に接続する第1の部分と、
前記第2群の単位セルの前記アノード流路入口に接続する第2の部分と、
前記第1群の単位セルと前記第2群の単位セルとの間に備えられ、前記第1群の単位セルの前記アノード流路と、前記第2群の単位セルの前記アノード流路とが、同じ方向を向くように、前記第1の部分と前記第2の部分とを接続するダミー流路と、を有することを特徴とする。
第19の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する複数の単位セルが積層されることにより形成された単位セル積層体と、前記単位セル積層体を挟むプラス側エンドプレートとマイナス側エンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記単位セル積層体は、前記マイナス側エンドプレートに最も近い端側単位セルを含み、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記端側単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記端側単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする。
アノードに水素の供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する複数の単位セルが積層されることにより形成された単位セル積層体と、前記単位セル積層体を挟むプラス側エンドプレートとマイナス側エンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記単位セル積層体は、前記マイナス側エンドプレートに最も近い端側単位セルを含み、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記端側単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記端側単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする。
また、第20の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質の表面にアノードが設けられた発電体と、前記発電体のアノード側表面に設けられたアノード流路と、を備えた燃料電池と、
前記発電体の前記アノード流路上における特定部分の、電流値および電圧値を計測する部分電気特性計測手段と、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記部分電気特性計測手段の計測した前記電流値と前記電圧値とに基づいて、前記特定部分のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記特定部分の水素濃度を推定することを特徴とする。
電解質の表面にアノードが設けられた発電体と、前記発電体のアノード側表面に設けられたアノード流路と、を備えた燃料電池と、
前記発電体の前記アノード流路上における特定部分の、電流値および電圧値を計測する部分電気特性計測手段と、
第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記部分電気特性計測手段の計測した前記電流値と前記電圧値とに基づいて、前記特定部分のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記特定部分の水素濃度を推定することを特徴とする。
また、第21の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池を推定対象とする、第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記制御手段が、前記水素濃度推定装置により得られた水素濃度の推定結果に基づいて前記システム周辺装置の制御を行う手段を、含むことを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池を推定対象とする、第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明にかかる燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記制御手段が、前記水素濃度推定装置により得られた水素濃度の推定結果に基づいて前記システム周辺装置の制御を行う手段を、含むことを特徴とする。
また、第22の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定の判定値以上である場合に前記燃料電池の発電量が低減するようにまたは発電が停止するように、前記測定手段による測定値に基づいて前記システム周辺装置を制御する発電制御手段を、含むことを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定の判定値以上である場合に前記燃料電池の発電量が低減するようにまたは発電が停止するように、前記測定手段による測定値に基づいて前記システム周辺装置を制御する発電制御手段を、含むことを特徴とする。
第23の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値以上である場合に前記パージが実行されるように、前記測定手段による測定値に基づいて前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値以上である場合に前記パージが実行されるように、前記測定手段による測定値に基づいて前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第24の発明は、第23の発明において、
前記パージ制御手段が、前記パージの実行中に前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値を下回った場合に前記パージが終了されるように、前記パージ機構を制御することを特徴とする。
前記パージ制御手段が、前記パージの実行中に前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値を下回った場合に前記パージが終了されるように、前記パージ機構を制御することを特徴とする。
また、第25の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする。
第26の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第27の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記制御手段が、前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記制御手段が、前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする。
第28の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする。
第1の発明によれば、燃料電池のインピーダンスに基づいて、あるいはインピーダンスの逆数であるアドミタンスに基づいて、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。燃料電池においては、燃料電池内部の水素濃度が低いほど、インピーダンス円弧が大きくなるという相関がある。燃料電池のインピーダンスまたはアドミタンスがインピーダンス円弧が大きい時の値を示していれば、この相関に従って燃料電池内部の水素濃度を相対的に低く推定することができる。結果、燃料電池のインピーダンスあるいはアドミタンスに基づいて、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。
第2の発明によれば、燃料電池のインピーダンスの実部の値に基づいて、燃料電池の水素濃度が、所定濃度以下か否かを推定することができる。上述した相関が成立するので、燃料電池のインピーダンスの実部の値を所定値と比較すれば、その所定値に応じた水素濃度値と燃料電池内部の水素濃度との相対的関係を推定することができる。
第3の発明によれば、燃料電池のインピーダンスの虚部の値に基づいて、燃料電池の水素濃度を推定することができる。インピーダンスの虚部の値を用いることにより、インピーダンスの実部の値を用いる場合に比して、水素濃度の推定を高精度に行うことができる。
第4の発明によれば、インピーダンスの周波数特性のフィッティングカーブを求め、このフィッティングカーブの曲率または曲率半径を得ることができる。このインピーダンス円弧の曲率や曲率半径に基づいて、水素濃度推定を行うことができる。その結果、水素濃度とインピーダンス円弧の相関をより精密に利用して、精度の高い水素濃度推定を行うことができる。
第5の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。すなわち、インピーダンスの実部の値と、I−V特性の接線の傾きの絶対値(「I−V接線抵抗値」とも称す)との間には、相関がある。このため、燃料電池内部の水素濃度とI−V接線抵抗値との間にも、相関がある。従って、I−V接線抵抗値に基づいて、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。
第6の発明によれば、記憶手段が、燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値と、燃料電池内部の水素濃度値との関係(水素濃度特性)を記憶している。第6の発明によれば、燃料電池のインピーダンス、アドミタンスあるいはI−V接線抵抗値の測定値が得られれば、記憶している水素濃度特性に従って、燃料電池内部の水素濃度値を計算により取得することができる。
第7の発明によれば、次の効果が得られる。すなわち、本願発明者は、水素濃度とインピーダンス円弧の相関の明瞭さが、燃料電池のバイアス条件に左右されることを発見した。バイアス電圧が低すぎる場合あるいはバイアス電流が大きすぎる場合には、水素濃度の推定精度が低下してしまう。第7の発明によれば、インピーダンス測定の際に、所定電圧以上のバイアス電圧あるいは所定電流以下のバイアス電流となるように、燃料電池へのバイアスを調整することができる。これにより、水素濃度の推定精度を確保することができる。
第8の発明によれば、燃料電池のOCVが変化した場合であっても、インピーダンス測定時のバイアスを、水素濃度推定のための好適な条件に維持することができる。
第9の発明によれば、OCVの変化量に応じて、インピーダンス測定時の燃料電池へのバイアスの大きさを調節することができる。
第10の発明によれば、水素濃度とインピーダンス円弧の相関が明瞭に表れる条件で、インピーダンスを測定できる。その結果、インピーダンスに基づく水素濃度推定を、高い精度で行うことができる。
第11の発明によれば、100Hz〜0.1Hzの低周波数域において水素濃度とインピーダンス円弧の相関が明瞭に表れる条件で、インピーダンスを測定できる。
第12の発明によれば、I−V特性上におけるOCV付近の所定区間の傾きに基づいて、水素濃度推定の基礎となるI−V接線抵抗値を取得することができる。その結果、I−V接線抵抗値に基づく水素濃度推定を、高い精度で行うことができる。
第13の発明によれば、燃料電池内部の水分量の影響を、水素濃度の推定結果に反映させることができる。燃料電池内部の水分量は、インピーダンス円弧の表れ方に影響を及ぼす。第13の発明によれば、水分量の影響により、水素濃度推定精度が低下してしまうのを防ぐことができる。
第14の発明によれば、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電池内部の水素濃度を推定することができる。
第15の発明によれば、燃料電池内部において、低水素濃度部位の水素濃度を精度良く知ることができる。燃料電池が発電している間、第1、2単位セルのアノード流路間の圧力損失差に応じて、第2単位セルのアノード流路の水素濃度が相対的に低くなる。水素濃度推定装置が第2単位セルを対象に水素濃度推定を行うことにより、燃料電池の低水素濃度部分を対象に水素濃度推定を行うことができる。
第16の発明では、第2単位セルのアノード流路出口の流路断面積が、相対的に小さい。このため、弁が開かれたときに出口マニホールド内のガスが排出される過程で、第2単位セルのアノード流路出口におけるガス流速を高めることができる。その結果、弁が開かれたときに、第2単位セルの内部からガスを抜き出すことができる。従って、水素濃度が低くなり易い第2単位セルのパージ効果を、高めることができる。
第17の発明によれば、燃料電池内部において、低水素濃度部位の水素濃度を精度良く知ることができる。第1群の単位セルのアノード流路出口が、第3マニホールドを介して、第2群の単位セルのアノード流路入口に接続している。その結果、第2群の単位セルのアノード流路の水素濃度は、相対的に低くなる。第17の発明によれば、水素濃度推定装置が、第2単位セルを対象に水素濃度推定を行う。よって、燃料電池の低水素濃度部分を対象に水素濃度推定を行うことができる。
第18の発明によれば、第17の発明において、第1群の単位セルと第2群の単位セルとの間で、アノードの水素の流れとカソードの酸化剤の流れの方向をそろえることができる。
第19の発明によれば、燃料電池を構成する複数の単位セルのうち、残留水の問題が生じ易い単位セルの水素濃度を、精度良く推定することができる。
第20の発明によれば、燃料電池内部の特定部分の水素濃度を、当該特定部分の電気的計測値に基づいて、推定することができる。
第21の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じた制御を精度よく行うことができる。
第22の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度が判定値に応じた水素濃度よりも低いときには、燃料電池の発電量低減または発電停止を行うことができる。
第23の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じて、過不足無くパージを行うことができる。その結果、水素欠防止と燃費低下抑制とを両立することができる。
第24の発明によれば、第23の発明において、燃料電池内部の水素濃度に応じて、必要以上にパージがなされることを回避できる。その結果、燃費低下をより一層抑制できる。
第25の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度が判定値に応じた水素濃度よりも低いときには、燃料電池の発電量低減または発電停止を行うことができる。
第26の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じて、過不足無くパージを行うことができる。その結果、水素欠防止と燃費低下抑制とを両立することができる。
第27の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度が所定位相に応じた水素濃度よりも低いときには、燃料電池の発電量低減または発電停止を行うことができる。
第28の発明によれば、燃料電池内部の水素濃度に応じて、過不足無くパージを行うことができる。その結果、水素欠防止と燃費低下抑制とを両立することができる。
2 燃料電池
3 インピーダンス測定装置
4 負荷
5 制御装置
10 燃料電池スタック
12、14、16 管路
20 単位セル
24 下流部分
50 ECU(Electronic Control Unit)
52 電流計
54 電圧計
56 パージ弁
200、240、264 燃料電池スタック
202、244、284 単位セル
204 高圧損単位セル
210、212、254、256 マニホールド
214 詰物
216、258 排気弁
220 ECU
222 インピーダンス測定装置
253 蓋
255、257 仕切
270 MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)
272 カソードガス流路
274 アノードガス流路
275、277、294 カソード側セパレータ
276、292 アノード側セパレータ
290 ダミー流路
300 燃料電池スタック
302、304 単位セル
306、308 エンドプレート
312 パージ弁
314 エアポンプ
320 ECU
322 インピーダンス測定装置
362 対策セル
400 単位セル
404 ガス入口
406 ガス出口
420 端子
422 コード
424 電極
426 絶縁シール
430 インピーダンス測定装置
510 燃料電池
512、514 管路
516 水素ポンプ
518 パージ弁
520 インピーダンス測定装置
522 ECU
550 水素濃度センサ
600 燃料電池スタック
602 単位セル
604 電流検知板
606、608 管路
620 ECU
800 燃料電池スタック
802、804、806 単位セル
810 アノードマニホールド
814 アノード入口弁
816 アノード出口弁
822 インピーダンス測定装置
910 燃料電池スタック
912 バイパス管路
920 単位セル
922 部分
924 出口
930 検知用セル
3 インピーダンス測定装置
4 負荷
5 制御装置
10 燃料電池スタック
12、14、16 管路
20 単位セル
24 下流部分
50 ECU(Electronic Control Unit)
52 電流計
54 電圧計
56 パージ弁
200、240、264 燃料電池スタック
202、244、284 単位セル
204 高圧損単位セル
210、212、254、256 マニホールド
214 詰物
216、258 排気弁
220 ECU
222 インピーダンス測定装置
253 蓋
255、257 仕切
270 MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)
272 カソードガス流路
274 アノードガス流路
275、277、294 カソード側セパレータ
276、292 アノード側セパレータ
290 ダミー流路
300 燃料電池スタック
302、304 単位セル
306、308 エンドプレート
312 パージ弁
314 エアポンプ
320 ECU
322 インピーダンス測定装置
362 対策セル
400 単位セル
404 ガス入口
406 ガス出口
420 端子
422 コード
424 電極
426 絶縁シール
430 インピーダンス測定装置
510 燃料電池
512、514 管路
516 水素ポンプ
518 パージ弁
520 インピーダンス測定装置
522 ECU
550 水素濃度センサ
600 燃料電池スタック
602 単位セル
604 電流検知板
606、608 管路
620 ECU
800 燃料電池スタック
802、804、806 単位セル
810 アノードマニホールド
814 アノード入口弁
816 アノード出口弁
822 インピーダンス測定装置
910 燃料電池スタック
912 バイパス管路
920 単位セル
922 部分
924 出口
930 検知用セル
以下、本発明を実施するための形態である実施の形態1〜9をそれぞれ説明する。
実施の形態1によれば、本発明にかかる水素濃度推定装置およびそれを用いた燃料電池システムの基本的な形態が提供される。
実施の形態2〜9によれば、実施の形態1の水素濃度推定技術を活用した燃料電池システムが提供される。
実施の形態1によれば、本発明にかかる水素濃度推定装置およびそれを用いた燃料電池システムの基本的な形態が提供される。
実施の形態2〜9によれば、実施の形態1の水素濃度推定技術を活用した燃料電池システムが提供される。
実施の形態1.
[実施の形態1の実施例1]
<実施の形態1の実施例1のシステム構成>
図1は、本発明の実施の形態1の実施例1にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例にかかる燃料電池システムは、燃料電池2と、燃料電池2に接続されたインピーダンス測定装置3および負荷4を備えている。制御装置5は、インピーダンス測定装置3および負荷4と接続している。インピーダンス測定装置3は、交流インピーダンス法に従って燃料電池2のインピーダンスを測定するための装置である。
[実施の形態1の実施例1]
<実施の形態1の実施例1のシステム構成>
図1は、本発明の実施の形態1の実施例1にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例にかかる燃料電池システムは、燃料電池2と、燃料電池2に接続されたインピーダンス測定装置3および負荷4を備えている。制御装置5は、インピーダンス測定装置3および負荷4と接続している。インピーダンス測定装置3は、交流インピーダンス法に従って燃料電池2のインピーダンスを測定するための装置である。
図示しないが、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池2に水素を供給するための水素系と、燃料電池2に空気を供給するための空気系とを備えている。水素系には、水素供給量を調節する水素系機器(図示略)が備えられる。空気系には、空気供給量を調節する空気系機器(図示略)が備えられる。また、必要に応じて、燃料電池2を冷却するための冷却系を、システムが搭載していても良い。
燃料電池2は、アノードに水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて、水素と酸素の電気化学的反応により発電する。燃料電池2の具体的構成には、限定はない。固体高分子型燃料電池(PEMFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、水素分離膜型燃料電池(HMFC)といった様々なタイプの構成を、燃料電池2の構成として用いることができる。
制御装置5は、インピーダンス測定装置3を介して、燃料電池2のインピーダンスを取得することができる。制御装置5は、各種プログラム、データの記憶が可能な記憶装置(例えば、RAM、ROMその他)を内蔵している。また、制御装置5は、演算処理を実行することができる演算装置(例えば、MPU、CPU、マイクロコンピュータ)を内蔵している。また、制御装置5は、上述した水素系機器や空気系機器とも接続し、それらの機器を制御することができる。
なお、燃料電池に対して交流インピーダンス法を適用する技術や、測定結果からインピーダンスを数値として得るための技術は、既に公知技術であり、新規な事項ではない。従って、インピーダンス測定装置3の具体的構成や、制御装置5の処理内容については、詳細な説明は行わない。
<実施の形態1にかかる水素濃度推定>
以下、本発明の実施の形態1にかかる水素濃度推定の内容を説明する。説明は、下記(1)〜(4)の順番でそれぞれ行う。
(1)本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析
(2)水素濃度推定の具体的手法
(3)高精度な水素濃度推定のための燃料電池のバイアス条件
(4)水分量の影響
実施の形態1の実施例1の燃料電池システムは、以下説明する水素濃度推定手法に従って、燃料電池2の水素濃度推定を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態1にかかる水素濃度推定の内容を説明する。説明は、下記(1)〜(4)の順番でそれぞれ行う。
(1)本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析
(2)水素濃度推定の具体的手法
(3)高精度な水素濃度推定のための燃料電池のバイアス条件
(4)水分量の影響
実施の形態1の実施例1の燃料電池システムは、以下説明する水素濃度推定手法に従って、燃料電池2の水素濃度推定を行うことができる。
(1)本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析
水素濃度推定の具体的手法の説明に先立って、本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析を説明する。図2は、本願発明者が行った実験結果(水素濃度に応じたインピーダンス測定結果)を、コールコールプロット(Cole-Cole Plot、複素平面表示)によりまとめた図である。
水素濃度推定の具体的手法の説明に先立って、本願発明者が行った、実験およびその実験結果の分析を説明する。図2は、本願発明者が行った実験結果(水素濃度に応じたインピーダンス測定結果)を、コールコールプロット(Cole-Cole Plot、複素平面表示)によりまとめた図である。
測定条件は、面積が13cm2の膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)に対して、バイアス電圧Vbiasを0.9V、振幅を±50mV、周波数は100Hz〜0.1Hzとした。MEAのカソードに空気を供給し、MEAのアノードには水素と窒素の混合ガスを流した。混合ガスの水素濃度は、0%〜80%で変化させた。この条件で、交流インピーダンス法に従って、周波数に応じたインピーダンスをコールコールプロット図としてまとめた。
なお、インピーダンスの周波数特性を表した曲線(インピーダンス値の軌跡)が、複素平面上に円弧(semicircle)を描くことが知られている。以下、この円弧を、「インピーダンス円弧」とも呼称する。
図2の結果によれば、水素濃度0%の場合を除き、水素濃度が高くなるにつれインピーダンス円弧が徐々に小さくなっている。発電中に燃料電池内部(アノード)の水素濃度が低下すると、過電圧に微小量の変化が現れる。この過電圧が、コールコールプロット図上のインピーダンス円弧の大きさを変化させる。その結果、図2において、インピーダンス円弧が、水素濃度の低下に応じて、徐々に大きくなっている。水素濃度が高いほど、インピーダンス円弧の直径は小さくなり、インピーダンス円弧の曲率半径が小さく、つまり曲率が大きくなっている。
図2は、固体高分子型燃料電池(PEMFC)に関する実験結果である。固体酸化物型燃料電池(SOFC)、水素分離膜型燃料電池(HMFC)といった他のタイプの燃料電池も、原理的共通性があるため、同様の傾向を示すと考えられる。
(2)水素濃度推定の具体的手法
そこで、本願発明者は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を、燃料電池内部の水素濃度推定へ利用することに想到した。本願発明者は、いくつかの好ましい具体的手法を見出している。それらの好ましい具体的手法を、下記(i)〜(iV)に列挙する。制御装置5が下記(i)〜(iV)の少なくとも1つを実行することにより、燃料電池2の水素濃度推定を行うことができる。
そこで、本願発明者は、インピーダンス円弧と水素濃度の相関を、燃料電池内部の水素濃度推定へ利用することに想到した。本願発明者は、いくつかの好ましい具体的手法を見出している。それらの好ましい具体的手法を、下記(i)〜(iV)に列挙する。制御装置5が下記(i)〜(iV)の少なくとも1つを実行することにより、燃料電池2の水素濃度推定を行うことができる。
(i)インピーダンスの実部Z´あるいは虚部Z´´
図2に示すように、Z´は、水素濃度が低いほど、大きな値を取る。そこで、Z´が所定値以上ならば、燃料電池内部の水素濃度が、この所定値相当の水素濃度と比べて同じまたは低い濃度であると推定することができる。
図2に示すように、Z´は、水素濃度が低いほど、大きな値を取る。そこで、Z´が所定値以上ならば、燃料電池内部の水素濃度が、この所定値相当の水素濃度と比べて同じまたは低い濃度であると推定することができる。
具体的には、本実施例においては、先ず、制御装置5に、基準水素濃度に対応する判定値を予め記憶しておく。制御装置5が、この判定値と、インピーダンス測定装置3を介して取得したインピーダンスの実部Z´とを比較する。Z´が判定値以上であれば、制御装置5は、燃料電池2内部の水素濃度が基準水素濃度以下であると判定する。逆に、制御装置5は、Z´が判定値を境に小さい側の値であるときには、水素濃度が、基準水素濃度より低くないつまり基準水素濃度より高いと判定する。以上により、燃料電池2内部の水素濃度が、所定の基準水素濃度とくらべて高いか低いかが推定される。
例えば図2では、インピーダンス円弧の最も右の値は0.1Hzの測定点である。図2において0.1HzのZ´を見ると、0.6Ωの右側には水素濃度40%以下のときのZ´の点がプロットされている。判定値を0.6Ωと定めることにより、0.1HzのZ´が判定値以下であれば水素濃度が少なくとも40%以上であると推定することができる。
また、図2に示すように、Z´´の値も、水素濃度に応じて変化する。従って、Z´と同様に、所定の判定値との比較による推定を行うことができる。図2に示すように、インピーダンスの虚部の値の絶対値|Z´´|は、Z´と同じく水素濃度が低いほど大きくなる。しかし、図2に示すように実部の値と虚部の値とでは符号が逆であり、Z´´はマイナス方向に大きくなる傾向を示す。よって、Z´´を利用する場合は、制御装置5は、|Z´´|が所定判定値以上のときには基準水素濃度以下であるという判定を下す。
具体的には、例えば、図2において0.1HzのZ´´を見ると、0〜−0.1Ωの範囲内に、水素濃度40%のZ´´の点がプロットされている。また、−0.1〜−0.2Ωの範囲内に、水素濃度20%のときのZ´´の点がプロットされている。例えば0.1Hzのインピーダンス測定値において、判定値を0.1Ωと定めた場合、|Z´´|がこの判定値以上のとき(すなわち、|Z´´|≧0.1Ωのとき)には、水素濃度が40%よりも低いと推定できる。
また、予め、Z´やZ´´と水素濃度との対応関係を定めた水素濃度特性マップを作成しておき、この水素濃度特性マップを制御装置5に記憶しておいてもよい。制御装置5が、この水素濃度特性マップに従って、Z´やZ´´に基づく水素濃度推定値の計算処理を実行してもよい。Z´についての水素濃度特性マップは、Z´が大きいほど水素濃度が低くなるように、定めることができる。また、Z´´についての水素濃度特性マップは、Z´´の絶対値|Z´´|が大きいほど水素濃度が低くなるように、定めることができる。Z´あるいはZ´と、水素濃度との関係は、曲線的特性、直線的特性、若しくはステップ状の特性、或いは、折れ線グラフ的な特性として定めることができる。
(ii)インピーダンス円弧の曲率半径ρあるいは曲率kその他の数値
図2に示すように、水素濃度の低下に応じて、インピーダンス円弧が徐々に大きくなっている。インピーダンス円弧の曲率半径ρや曲率kを用いて、水素濃度推定を行うこともできる。すなわち、制御装置5が、基準水素濃度に対するインピーダンス円弧のρやkを、判定値として予め記憶してもよい。或いは、制御装置5が、水素濃度ごとの複数のインピーダンス円弧に応じた複数のρやkを、水素濃度特性マップとして記憶してもよい。
図2に示すように、水素濃度の低下に応じて、インピーダンス円弧が徐々に大きくなっている。インピーダンス円弧の曲率半径ρや曲率kを用いて、水素濃度推定を行うこともできる。すなわち、制御装置5が、基準水素濃度に対するインピーダンス円弧のρやkを、判定値として予め記憶してもよい。或いは、制御装置5が、水素濃度ごとの複数のインピーダンス円弧に応じた複数のρやkを、水素濃度特性マップとして記憶してもよい。
一方、この場合には、制御装置5に、インピーダンス円弧のフィッティングカーブ(近似曲線)を取得するためのフィッティング用プログラムを記憶させておく。これにより、制御装置5は、インピーダンス測定装置3を介して得たインピーダンスの値(例えば4つの値)に基づいて、インピーダンス円弧のフィッティングカーブを計算により取得することができる。制御装置5は、フィッティングの結果から、フィッティングカーブの曲率半径ρや曲率kを取得することができる。制御装置5は、フィッティングカーブから求めたρやkと、判定値や水素濃度特性マップ値との比較照合を行う。これにより、水素濃度とインピーダンス円弧の相関をより精密に利用して、燃料電池2の水素濃度を高い精度で推定することができる。
なお、ここで用いるフィッティング用プログラムは、公知の様々な計算方法のプログラムを使用することができる。フィッティング用プログラムは、フィッティング計算の過程で、フィッティングカーブの形状や大きさと関連するパラメータを算定する点では共通する。これらのパラメータは、曲率半径や曲率と同じく、インピーダンス円弧の大きさや形状に相関を有する。従って、こういったパラメータを、インピーダンス円弧と相関を有する値として、水素濃度推定のために用いることもできる。
(iii)燃料電池のI−V接線抵抗値
図3は、燃料電池の電流電圧特性(以下、「I−V特性」とも呼称する)と、燃料電池のI−V接線とを示す図である。本実施形態では、図3に示すように、I−V特性曲線上のある点における接線を、この点における「I−V接線」と呼称する。また、この接線の傾きの絶対値を「I−V接線抵抗値」と呼称し、|ΔV|/|ΔI|とも記す。I−V接線抵抗値は、I−V接線の方向係数の絶対値(電圧Vをy軸とし電流Iをx軸とした場合のy=ax+bにおける、“a”の絶対値|a|)に相当する。
図3は、燃料電池の電流電圧特性(以下、「I−V特性」とも呼称する)と、燃料電池のI−V接線とを示す図である。本実施形態では、図3に示すように、I−V特性曲線上のある点における接線を、この点における「I−V接線」と呼称する。また、この接線の傾きの絶対値を「I−V接線抵抗値」と呼称し、|ΔV|/|ΔI|とも記す。I−V接線抵抗値は、I−V接線の方向係数の絶対値(電圧Vをy軸とし電流Iをx軸とした場合のy=ax+bにおける、“a”の絶対値|a|)に相当する。
インピーダンスの実部Z´の値と、I−V接線抵抗値との間には相関がある。具体的には、Z´が大きいほど、I−V接線の傾きが急になり、I−V接線抵抗値が大きい値になる。従って、I−V接線抵抗値を、インピーダンスの実部Z´の値と同様に、本実施形態にかかる水素濃度推定に使用することができる。
I−V接線抵抗値は、次に述べる手順を制御装置5に実行させることにより、取得することができる。燃料電池2に電流計と電圧計を接続しておき、燃料電池2のI−V特性上の2つの動作点((V1、I1)および(V2、I2)とする)を取得する。この2つの点の距離(区間)は可能な限り微小とすることが好ましい。次いで、制御装置5は、下記の式に従って|ΔV|/|ΔI|を計算する計算処理を実行する。
|ΔV|/|ΔI| = |V1−V2|/|I1−I2|
この後、|ΔV|/|ΔI|をZ´と同じように取り扱って、上記(i)に記載した水素濃度推定を行うことができる。なお、|ΔV|/|ΔI|は、3点以上の複数の点に基づく計算により求められてもよい。但し、複数点のうち両端点の距離は、可能な限り微小であることが好ましい。また、OCVに近い複数の電圧値、言い換えれば複数の微小電流値で、|ΔV|/|ΔI|を取得することが好ましい。
|ΔV|/|ΔI| = |V1−V2|/|I1−I2|
この後、|ΔV|/|ΔI|をZ´と同じように取り扱って、上記(i)に記載した水素濃度推定を行うことができる。なお、|ΔV|/|ΔI|は、3点以上の複数の点に基づく計算により求められてもよい。但し、複数点のうち両端点の距離は、可能な限り微小であることが好ましい。また、OCVに近い複数の電圧値、言い換えれば複数の微小電流値で、|ΔV|/|ΔI|を取得することが好ましい。
(iv)その他のバリエーション
図2からも明らかなように、上記の(i)〜(iii)の他に、インピーダンスの位相θあるいは絶対値|Z|や、フィッティングカーブ長さL(円弧長)も、インピーダンス円弧の大きさに応じて変化する。従って、これらの値を上記のZ´などと同様に利用して、判定値との比較やマップに基づく推定値算出を行っても良い。
図2からも明らかなように、上記の(i)〜(iii)の他に、インピーダンスの位相θあるいは絶対値|Z|や、フィッティングカーブ長さL(円弧長)も、インピーダンス円弧の大きさに応じて変化する。従って、これらの値を上記のZ´などと同様に利用して、判定値との比較やマップに基づく推定値算出を行っても良い。
上記(i)〜(iV)のいずれか1つを制御装置5に実行させることにより、燃料電池2内部の水素濃度を推定することができる。
なお、(i)の欄で述べたのと同様に、(ii)〜(iv)でも水素濃度特性マップを用いた推定値の計算を行うことができる。つまり、制御装置5が、ρ、k、|ΔV|/|ΔI|、|Z|、θあるいはLと、水素濃度との関係を定めた水素濃度特性マップを予め記憶してもよい。制御装置5が、記憶した水素濃度特性マップを利用して、水素濃度推定値の計算処理を実行してもよい。なお、I−V接線抵抗値やインピーダンスの実部の値を用いる場合に比して、虚部の値や、絶対値および位相角を用いることにより高精度の水素濃度推定精度が可能である。
(3)高精度な水素濃度推定のための燃料電池のバイアス条件
本願発明者は、水素濃度とインピーダンス円弧の相関の明瞭さが、燃料電池のバイアス条件に大きく左右されることを発見した。図2は、交流インピーダンス法において、バイアス電圧を0.9Vにした条件で作成したコールコールプロット図である。本願発明者は、バイアス電圧を0.9V以外の複数の値に設定しつつ、いくつかのコールコールプロット図を図2と同様に作成した。本願発明者の実験結果では、水素濃度とインピーダンス円弧の相関を、0.6V以上1.0V未満のバイアス電圧範囲(より好ましくは0.7V〜1.0V未満)において、良好に識別できた。図4および図5は、燃料電池のバイアス電圧が1.0Vまたは0.6V以下の条件で、図2と同様にコールコールプロット図を作成した図である。図4は、バイアス電圧が1.0Vの場合であり、これはOCV状態に相当する結果である。バイアス電圧が1.0Vに達した場合には、図4に示すようにインピーダンス円弧は観測されなかった。図5は、バイアス電圧が0.6以下の場合であり、インピーダンス円弧はもはや観測できない。ただし、図5の結果が得られた理由には、実験に使用したインピーダンス測定装置の仕様の影響があると、本願発明者は考えている。
本願発明者は、水素濃度とインピーダンス円弧の相関の明瞭さが、燃料電池のバイアス条件に大きく左右されることを発見した。図2は、交流インピーダンス法において、バイアス電圧を0.9Vにした条件で作成したコールコールプロット図である。本願発明者は、バイアス電圧を0.9V以外の複数の値に設定しつつ、いくつかのコールコールプロット図を図2と同様に作成した。本願発明者の実験結果では、水素濃度とインピーダンス円弧の相関を、0.6V以上1.0V未満のバイアス電圧範囲(より好ましくは0.7V〜1.0V未満)において、良好に識別できた。図4および図5は、燃料電池のバイアス電圧が1.0Vまたは0.6V以下の条件で、図2と同様にコールコールプロット図を作成した図である。図4は、バイアス電圧が1.0Vの場合であり、これはOCV状態に相当する結果である。バイアス電圧が1.0Vに達した場合には、図4に示すようにインピーダンス円弧は観測されなかった。図5は、バイアス電圧が0.6以下の場合であり、インピーダンス円弧はもはや観測できない。ただし、図5の結果が得られた理由には、実験に使用したインピーダンス測定装置の仕様の影響があると、本願発明者は考えている。
本願発明者は、鋭意研究を進めた結果、実施の形態1にかかる水素濃度推定を行う上で、高いバイアス電圧が好適であることを見出した。以下、その理由を説明する。
図6(a)および図6(b)は、インピーダンス円弧の大きさと電流密度との関係を説明するための図である。図6(a)のI−V特性上の点A、B、Cと、図6(b)のコールコールプロット図中のインピーダンス円弧A、B、Cが、それぞれ対応する。
過電圧が下記のターフェル式に従うことが知られており、過電圧は電流の対数と比例する。
V = a−b×log(I)
過電圧を抵抗値で表現すると、下記の式が成立する。
I×R = a−b×log(I)
Iが大きいほどRは小さくなるため、電流密度が小さいほどつまりC、B、Aの順にインピーダンス円弧は大きくなる。
過電圧が下記のターフェル式に従うことが知られており、過電圧は電流の対数と比例する。
V = a−b×log(I)
過電圧を抵抗値で表現すると、下記の式が成立する。
I×R = a−b×log(I)
Iが大きいほどRは小さくなるため、電流密度が小さいほどつまりC、B、Aの順にインピーダンス円弧は大きくなる。
水素濃度変化に伴う過電圧増減が、インピーダンスの実部(燃料電池の内部抵抗)の増大として現れる。これにより、水素濃度とインピーダンス円弧との相関が生じている。ここで述べている過電圧変化は微小であり、例えばI−V特性上からはほとんど識別できない。この微小な過電圧変化を精度よく識別できれば、水素濃度変化を高精度に推定できる。そのためには、インピーダンス円弧が大きめになる高バイアス電圧で、インピーダンスを測定、評価することが有効である。
また、既述したように、インピーダンス円弧と水素濃度との相関は、水素濃度に応じた微小な過電圧変化に由来する。燃料電池の出力電流が大きい場合、発電生成水の影響や、抵抗過電圧や濃度過電圧といった様々なノイズがインピーダンス円弧を歪ませる。燃料電池の出力電流が十分に小さければ、すなわちバイアス電圧を高めにすれば、それらのノイズを十分に排除することができる。
これらの事項を総合すると、ノイズが少なくかつサイズが大きめのインピーダンス円弧が表れる条件である高バイアス電圧が、好適である。
そこで、本実施例に係る燃料電池システムにおいて、制御装置5が、下記(i)〜(iii)のいずれか1つを実行してもよい。
(i)第1のバイアス条件
制御装置5が、所定電圧以上のバイアス電圧となるように、インピーダンス測定の際における燃料電池2のバイアス電圧を調整してもよい。これにより、水素濃度推定用のインピーダンス測定を行う際に、バイアス電圧が低くなりすぎることを防止できる。その結果、水素濃度の推定精度を確保することができる。
制御装置5が、所定電圧以上のバイアス電圧となるように、インピーダンス測定の際における燃料電池2のバイアス電圧を調整してもよい。これにより、水素濃度推定用のインピーダンス測定を行う際に、バイアス電圧が低くなりすぎることを防止できる。その結果、水素濃度の推定精度を確保することができる。
バイアス電圧がOCV未満の高い電圧に設定されることにより、水素濃度の相違に応じたインピーダンス円弧の大きさの相違が、図2に示すように明瞭に表れる。本願発明者の知見によれば、バイアス電圧が燃料電池の開回路電圧(Open Circuit Voltage:OCV)に一層近いほど、インピーダンス円弧の円弧形状がきれいになる(ノイズが少なくなる)。このため、バイアス電圧は、OCV未満の電圧であって且つできるだけOCVに近い高電圧(例えばOCVマイナス0.3〜0.1V、或いはそれよりも小さい差)が好ましい。
また、燃料電池に高バイアス電圧を与える状態は、燃料電池に低バイアス電流を与えることによっても同様に実現できる。従って、インピーダンス測定時に、燃料電池2のバイアス電流を所定電流以下に調節してもよい。バイアス電流は、できるだけ低い値が好ましい。
(ii)バイアス補正
燃料電池のOCVは一定ではなく、例えば燃料電池の経年劣化によりOCVは低下する。そこで、制御装置5が、燃料電池2のOCVを定期的に検知し、バイアス電圧がOCV付近に維持されるように、バイアス値を補正してもよい。OCVの値は、電圧計(例えばセル電圧モニタ)を用いて適宜に取得されればよい。これにより、燃料電池2のOCVが変化した場合であっても、インピーダンス測定時の燃料電池2へのバイアスを、水素濃度推定のための好適な条件に維持することができる。
燃料電池のOCVは一定ではなく、例えば燃料電池の経年劣化によりOCVは低下する。そこで、制御装置5が、燃料電池2のOCVを定期的に検知し、バイアス電圧がOCV付近に維持されるように、バイアス値を補正してもよい。OCVの値は、電圧計(例えばセル電圧モニタ)を用いて適宜に取得されればよい。これにより、燃料電池2のOCVが変化した場合であっても、インピーダンス測定時の燃料電池2へのバイアスを、水素濃度推定のための好適な条件に維持することができる。
また、制御装置5が、OCVから所定値を減じることにより目標バイアス電圧を算出してもよい。この目標バイアス電圧に基づいて、制御装置5が、インピーダンス測定中にバイアス電圧やバイアス電流を調節してもよい。これにより、OCVの変化量に応じて、インピーダンス測定時の燃料電池2へのバイアスの大きさを調節することができる。従って、OCVの増加や減少に追随するように、バイアス電圧やバイアス電流を増減することができる。
(iii)第2のバイアス条件
上記の非特許文献1「Naoki Ito et al., “Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells”, Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.」は、水素分離膜型燃料電池における電気化学的特性評価の結果を開示している。
上記の非特許文献1「Naoki Ito et al., “Electrochemical analysis of hydrogen membrane fuel cells”, Journal of Power Sources 185 (2008) p.922-926.」は、水素分離膜型燃料電池における電気化学的特性評価の結果を開示している。
非特許文献1のFig.1(b)(c)には、それぞれ、アノードの水素濃度やカソードの酸素濃度とインピーダンス円弧に関する測定結果が示されている。しかしながら、非特許文献1のFig.1(b)(c)のインピーダンス円弧は非常に歪んでおり、また、水素濃度ごとに、2000Hz(2kHz)以下の低周波数域に2つのインピーダンス円弧が表れている。
一方、図2に示した実験結果では、100Hz〜0.1Hzにかけてのインピーダンス円弧が1つの円弧として表れている。また、個々のインピーダンス円弧の形もノイズの少ないクリアな円弧である。
既述したように、インピーダンス円弧と水素濃度との相関は、水素濃度に応じた微小な過電圧変化に由来する。燃料電池の出力電流を十分に低くすれば、ノイズの影響が十分に排除される。このとき、図2のように低周波数域におけるインピーダンス円弧がそれぞれ1つの円弧として秩序立って表れる。
そこで、インピーダンス測定時の燃料電池2のバイアス電圧またはバイアス電流を、低周波数域のインピーダンス円弧が1つの円弧として表れる程度に高いバイアス電圧(または低いバイアス電流)に定めることが好ましい。このバイアス値は、インピーダンス測定の対象となる燃料電池の具体的構成によって左右されるものの、対象の燃料電池のインピーダンス円弧を実際に調べることによって特定可能である。制御装置5が、そのような特定バイアス値を記憶しておき、インピーダンス測定時に燃料電池2のバイアス電圧をこの特定バイアス値に調節してもよい。
この特定バイアス値を基点として、高い電圧、或いは低い電流となるバイアスであれば、インピーダンス円弧が1つの円弧として表れる。よって、この特定バイアス値よりも高いバイアス電圧または低いバイアス電流を、燃料電池2に与えても良い。
これにより、水素濃度の影響がインピーダンス円弧にはっきりと表れる条件で、インピーダンス測定を行うことができる。その結果、制御装置5が実行する水素濃度推定処理が、高い精度で行われる。
なお、通常、交流インピーダンス測定は、10kHz〜0.1Hzの周波数域で行われる。一方、前述したように、図2に示したインピーダンス円弧は、この通常周波数域に比して低めの周波数域である100Hz〜0.1Hzにおいて得られた。そこで、この100Hz〜0.1Hzの低周波数域でのインピーダンス円弧が1つの円弧として表れる程度に、上述した特定バイアス値を定めてもよい。
なお、上述したバイアス条件によれば、下記に述べるように、燃料電池特有の顕著な効果を得ることができる。
燃料電池は、低水素濃度時の劣化という特有の事情も抱えている。このため、低水素濃度のときには、燃料電池2の出力電流を大きくすることは避けたい。一方、既述したように、インピーダンス測定時のバイアスを燃料電池の出力電流を少なくするように定めるほうが、水素濃度に応じたインピーダンス円弧の変化が明瞭になる。つまり、OCV付近の高バイアス電圧は、水素濃度の推定精度向上と、燃料電池2の劣化抑制という2つの効果をもたらす。
また、燃料電池2の内部の水素濃度不足(水素欠)を検出したい場合には、水素をあまり消費したくない。実施の形態1によれば、燃料電池2の出力電流を小さくすることにより、水素濃度の推定精度向上とともに、水素消費抑制も実現できる。また、発電中の電流密度が小さければフラッディングが起き難く、フラッディングがインピーダンス円弧に与える影響(ノイズ)も小さい。
以上のように、実施の形態1にかかるバイアス条件によれば、燃料電池特有の有益な効果も合わせて得ることができる。
なお、上述した内容から、|ΔV|/|ΔI|を取得する際にも可能な限りOCVに近い電圧値(言い換えれば可能な限り低い電流値)が好ましいことが導かれる。よって、本実施例では、制御装置5が、|ΔV|/|ΔI|を取得するための測定値として、OCV付近の測定値を使用する。その結果、高推定精度と、上述した各種の燃料電池特有の効果(劣化抑制、水素消費抑制、フラッディング抑制)とが達成される。
(4)水分量の影響
図7は、インピーダンス円弧に対する燃料電池の水分量の影響を説明するための模式図である。燃料電池内部の水分が乏しいつまりドライである場合には、図7に示すように、インピーダンス円弧は、サイズが大きくなりかつZ´軸上をシフトする。よって、燃料電池内部の湿潤状態に応じて、制御装置5の判定値や水素濃度特性マップの内容を補正することが好ましい。
図7は、インピーダンス円弧に対する燃料電池の水分量の影響を説明するための模式図である。燃料電池内部の水分が乏しいつまりドライである場合には、図7に示すように、インピーダンス円弧は、サイズが大きくなりかつZ´軸上をシフトする。よって、燃料電池内部の湿潤状態に応じて、制御装置5の判定値や水素濃度特性マップの内容を補正することが好ましい。
そこで、制御装置5が、燃料電池湿潤状態と、インピーダンス円弧のサイズやZ´軸上の位置との間の相関マップを記憶してもよい。制御装置5が、このような相関マップに基づいて水素濃度推定結果、水素濃度推定値を補正してもよい。なお、燃料電池の含水量(換言すれば、水分量、湿潤状態)を検知、推定するための技術は既に多くの技術が公知であるため、詳細な説明は行わない。
<実施の形態1の実施例1にかかる具体的処理>
以下、本実施例にかかる燃料電池システムにおいて、制御装置5が実行する具体的処理を説明する。ここでは、上記“(i)インピーダンスの実部Z´に基づく水素濃度推定”の具体的処理と、上記“(iii)I−V接線抵抗値に基づく水素濃度推定”の具体的処理とを、それぞれ説明する。
以下、本実施例にかかる燃料電池システムにおいて、制御装置5が実行する具体的処理を説明する。ここでは、上記“(i)インピーダンスの実部Z´に基づく水素濃度推定”の具体的処理と、上記“(iii)I−V接線抵抗値に基づく水素濃度推定”の具体的処理とを、それぞれ説明する。
(1)Z´に基づく推定処理
図8は、実施の形態1の実施例1において制御装置5が実行するルーチンのフローチャートである。本実施例では、図8のルーチンが燃料電池の発電中に実行されるものとする。
図8は、実施の形態1の実施例1において制御装置5が実行するルーチンのフローチャートである。本実施例では、図8のルーチンが燃料電池の発電中に実行されるものとする。
図8のルーチンでは、先ず、カソードへ空気が供給される(ステップS100)。このとき、カソードに対して潤沢に空気が供給されることが好ましい。その後、燃料電池2のバイアス電圧Vbiasが0.9Vに調節される(ステップS102)。その後、制御装置5が、周波数0.1Hzかつ所定振幅で、交流インピーダンス法に従って、インピーダンス測定装置3を介したインピーダンス測定を行う(ステップS104)。ステップS104での周波数は、1kHz〜0.1Hzの周波数範囲から予め定めておく。
その後、ステップS104により得られたインピーダンスに基づいて、水素濃度推定が行われる(ステップS106)。本実施例では、制御装置5が、ステップS104の後、最終的にインピーダンスの実部Z´の値を取得し、実部Z´が所定判定値に比して大きいか否かを判定する判定処理を実行する。以上の処理が、水素濃度推定を実現する。
尚、図8のルーチンでは、インピーダンス測定装置3が、前記第1〜6の発明における「測定手段」に相当する。制御装置5が図8のルーチンのステップS106の処理を実行することにより、前記第1の発明および前記第2の発明における「推定手段」が実現されている。また、制御装置5がインピーダンスの実部Z´の値を算出する処理を実行することにより、前記第2の発明における「インピーダンスの実部の値を取得する手段」が実現されている。
また、制御装置5が図8のルーチンのステップS102の処理を実行することにより、前記第7の発明における「所定バイアス供給手段」が実現されている。
なお、Z´に代えて、Z´´、ρ、k、θ、|Z|、Lのいずれかに基づく水素濃度推定を行うように、ステップS106の演算処理内容を変更してもよい。この場合には、制御装置5が、予め、Z´´、ρ、k、θ、|Z|またはLを計算するための演算処理と、Z´´、ρ、k、θ、|Z|またはLに応じて定めた所定判定値と、を記憶してもよい。符号がマイナスであるZ´´については、絶対値|Z´´|を、正の所定値と比較すればよい。なお、上記のルーチンにおけるステップS104において、0.9Vより高い或いは低いバイアス電圧としてもよい。また、予め定めた低いバイアス電流でもよい。
なお、ステップS102の処理を、前述した“(ii)バイアス補正”の記載内容に従ったバイアス電圧補正処理に置き換えても良い。
なお、ステップS102の処理を、前述した“(ii)バイアス補正”の記載内容に従ったバイアス電圧補正処理に置き換えても良い。
(2)|ΔV|/|ΔI|に基づく推定処理
図9は、実施の形態1の実施例1において制御装置5が実行するルーチンのフローチャートの他の例である。
図9は、実施の形態1の実施例1において制御装置5が実行するルーチンのフローチャートの他の例である。
図9のルーチンでは、ステップS100のカソード空気供給制御の後、燃料電池2のI−V特性上の2つの点が取得される(ステップS152)。次いで、これら2点から|ΔV|/|ΔI|が算出される(ステップS154)。続いて、|ΔV|/|ΔI|の値に基づいて、水素濃度推定(判定値との比較、あるいはマップに基づく推定値算出)が行われる(ステップS156)。制御装置5が以上の処理を実行することにより、先に説明した(iii)I−V接線抵抗値を用いた水素濃度推定が実現される。
図9に示した変形例では、ステップS152およびS154の処理が実行されることにより、前記第5の発明における「測定手段」が実現されている。
(3)他の変形例
なお、他の変形例として、制御装置5の記憶装置が、水素濃度と、Z´、|Z´´|、ρ、k、θ、|Z|、Lのいずれかとの間の関係を、水素濃度特性マップとして、記憶してもよい。制御装置5が、この水素濃度特性マップに基づく水素濃度推定値の算出処理を、上記のステップS106の処理に代えて行ってもよい。この変形例の場合には、制御装置5が内蔵する記憶装置が、前記第6の発明における「記憶手段」に相当する。そして、制御装置5が水素濃度特性マップに従って水素濃度推定値を算出することにより、前記第6の発明における「推定値算出手段」が実現されている。
なお、他の変形例として、制御装置5の記憶装置が、水素濃度と、Z´、|Z´´|、ρ、k、θ、|Z|、Lのいずれかとの間の関係を、水素濃度特性マップとして、記憶してもよい。制御装置5が、この水素濃度特性マップに基づく水素濃度推定値の算出処理を、上記のステップS106の処理に代えて行ってもよい。この変形例の場合には、制御装置5が内蔵する記憶装置が、前記第6の発明における「記憶手段」に相当する。そして、制御装置5が水素濃度特性マップに従って水素濃度推定値を算出することにより、前記第6の発明における「推定値算出手段」が実現されている。
[実施の形態1の実施例2]
<実施の形態1の実施例2のシステム構成>
以下、図10(a)(b)を参照して、実施の形態1の実施例2にかかる燃料電池システムを説明する。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。図10(a)は、実施の形態1の実施例2にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。この実施例2は、固体高分子電解質型燃料電池(PEMFC)を対象に、前述した水素濃度推定を行う。
<実施の形態1の実施例2のシステム構成>
以下、図10(a)(b)を参照して、実施の形態1の実施例2にかかる燃料電池システムを説明する。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。図10(a)は、実施の形態1の実施例2にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。この実施例2は、固体高分子電解質型燃料電池(PEMFC)を対象に、前述した水素濃度推定を行う。
燃料電池スタック10は、複数の単位セル20を備えている。燃料電池スタック10は、管路12、14、16、18と接続する。空気が管路12を通って燃料電池スタック10内部のカソードマニホールド(不図示)に流入し、水素が管路14を通って燃料電池スタック10内部のアノードマニホールド(不図示)に流入する。アノードオフガス、カソードオフガスが、管路16、18にそれぞれ流出する。アノードオフガスが流れるほうの管路は、更に下流で、パージ弁56と接続する。
ECU(Electronic Control Unit)50が、電流計52および電圧計54と接続する。電流計52と電圧計54により、燃料電池スタック10の電流や電圧を計測することができる。ECU50は、前述した実施例1の制御装置5と同様に、交流インピーダンス法に従ったインピーダンス測定を行うための処理を記憶している。ECU50は、電流計52および電圧計54の示す値に基づいてインピーダンス測定を行うことができる。燃料電池のインピーダンス測定技術は既に公知技術であるため、これ以上の説明は行わない。
図示しないが、管路12はエアコンプレッサ等の空気系機器と接続し、管路12の末端は大気に開放される。図示しないが、管路16は、レギュレータやシャット弁等の水素系機器を介して、高圧の水素が貯留された水素タンクに接続する。ECU50は、これらの空気系機器や水素系機器を制御する。ECU50は、パージ弁56の開閉も制御する。
図10(b)は、単位セル20の構成を示す平面図である。単位セル20は、その内部に、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)22を備えている。MEA22は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に、電極触媒層が設けられた構成を有する。この電極触媒層は、触媒(例えば白金)が担持された担体(例えばカーボン微粒子)を含有する層である。電極触媒層上には、カーボンシート等からなるガス拡散層、セパレータが積層する。図10(b)には、単位セル20内部の水素の流れが矢印で示されている。破線四角領域は、単位セル20内における水素の流れの下流部分24である。下流部分24は、単位セル20内で水素濃度が最も低くなりやすい。
燃料電池スタック10では、図10(a)の紙面上で最も右上に位置する単位セル20が、スタック内の水素流れの最下流に位置する。本実施例では、この単位セル20が、下流部分24に対し部分的に電気計測を行うための構成を備えている。具体的構造は図示しないが、当該単位セル20のセパレータに部分的絶縁を施すことにより、下流部分24の部分電流を測定することができる。このような、燃料電池の部分的電気計測技術は、既に公知である。よって、これ以上の説明は行わない。
一般に、単位セル内部(MEA面内)には水素濃度の分布が存在する。また、燃料電池スタック内でも、マニホールド上流側に接続する単位セルよりも、マニホールド下流側に接続する単位セルのほうが水素濃度が低くなり易い。このため、燃料電池スタック10内部の水素濃度の平均的な値を把握するのではなく、燃料電池スタック10の必要な部分の水素濃度を正確に把握することが好ましい。
実施の形態1の水素濃度推定を燃料電池の特定部分のインピーダンスに基づいて行った場合、その特定部分の水素濃度を局所的に推定することができる。本実施例によれば、下流部分24のインピーダンスに基づいて、単位セル20内部の下流部分24の水素濃度を推定により取得することができる。すなわち、本実施例によれば、水素流れ最下流の単位セル20における下流部分24の水素濃度を、推定することができる。これにより、水素濃度推定を、燃料電池スタック10内部で最も水素濃度が低い部分を対象に行うことができる。
なお、従来、水素濃度の部分的検知の要望を満たすべく、燃料電池の内部に水素濃度センサを搭載する試案もなされている。しかしながら、現実には、燃料電池内部への水素濃度センサ搭載は、未だ実用化には遠い。一方、燃料電池の特定部分に対する電気測定は、水素濃度センサに比べて構造上の現実性がある。本実施例の燃料電池システムは、水素濃度センサを必要とせず、単位セル面内の部分的な水素濃度検知の要望を実現することができる。
<実施の形態1の実施例2にかかる具体的処理>
図11は、実施の形態1の実施例2においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図11のルーチンは、システム起動時に実行される。このルーチンは、システム起動時における、燃料電池スタック10の水素パージ必要性判断を実現することができる。なお、ここでは、水素濃度推定に使用する値としてZ´を用いる。
図11は、実施の形態1の実施例2においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図11のルーチンは、システム起動時に実行される。このルーチンは、システム起動時における、燃料電池スタック10の水素パージ必要性判断を実現することができる。なお、ここでは、水素濃度推定に使用する値としてZ´を用いる。
図11のルーチンでは、先ず、図8のルーチンと同様にステップS100、S102、S104がECU50上で実行される。
その後、第1判断指標がOKか否かが判定される(ステップS107)。ステップS107では、今回得られたZ´が、燃料電池スタック10の発電開始をしても良い許容水素濃度値Z´0以下か否かが判定される。つまり、Z´≦Z´0が成立しているか否かが判定される。例えば許容水素濃度が50%である場合には、水素濃度が50%のときのZ´の数値が、Z´0として設定される。Z´≦Z´0である場合には、燃料電池スタック10の水素濃度が許容水素濃度以上だと判断できる。よって、Z´≦Z´0である場合には、パージ不要判定が下され(S110)、その後今回のルーチンが終了する。
ステップS107の条件が成立しなかった場合、つまりZ´>Z´0の場合には、パージが実行される(ステップS108)。この場合にはパージ弁56が制御されるとともに、水素でパージが行われる。
次いで、第2判断指標がOKか否かが判定される(ステップS112)。このステップでは、先ず、ECU50が、S104の時と同じ周波数で、言い換えれば周波数条件をS104時の条件に固定したままで、再度インピーダンス測定用処理を実行する。ECU50は、その後、測定により得られたZ´が、Z´0以上か否かの判定処理を行う。ステップS108以降はパージ実行中なので、水素濃度はやがて許容水素濃度まで上昇する。その過程でZ´は増大し、Z´0に達する。
ステップS112においてZ´≦Z´0が成立した場合には、パージが終了される(S114)。その後、燃料電池スタック10の発電開始へとシステムの制御が進む。一方、Z´≦Z´0が成立するまでは、処理はS108に戻りパージが継続される。
以上の処理によれば、燃料電池スタック10の水素パージを、燃料電池スタック10の内部の水素濃度に応じて、過不足無く正確に行うことができる。
なお、上述した実施の形態1の実施例2では、燃料電池10が、前記第23の発明における「燃料電池」に、パージ弁56が、前記第23の発明における「パージ機構」に、それぞれ相当している。また、実施の形態1の実施例2では、ECU50が図11のルーチンのステップS107を実行することにより、前記第23の発明における「パージ制御手段」が実現されている。また、実施の形態1の実施例2では、ECU50が図11のルーチンのステップS112を実行することにより、前記第24の発明における「パージ制御手段」が実現されている。
なお、燃料電池システムには、発電中に燃料電池のアノードで水素を循環させる循環タイプのシステムと、そのような循環を行わない非循環タイプ(循環レス)のシステムとがある。非循環システムには、更に、発電中に燃料電池のアノード系を閉じるシステム(いわゆるデッドエンド型システム)と、発電中にアノード下流に微小量のガスを排出するシステムと、がある。上述した実施の形態1にかかる水素濃度推定技術は、これらのいずれのタイプの燃料電池システムにも適用可能である。
なお、アドミタンスYは、インピーダンスZの逆数である。従って、実施の形態1にかかる判定値比較による水素濃度推定や水素濃度推定値計算と実質的に同じ推定手法を、アドミタンスの値を利用して実施することができる。この実施形態は、形式上アドミタンスの値を判定や計算に使用していたとしても、インピーダンスとアドミタンスが逆数の関係にあるため、「燃料電池のインピーダンス」に基づいて水素濃度推定を行うという点で実施の形態1と実質的に同じである。従って、アドミタンスの値を用いて判定や計算を行うことにより実施の形態1〜9と実質的に同じ構成、動作を実施する水素濃度推定装置や燃料電池システムも、本発明における水素濃度推定装置や燃料電池システムに含まれる。なお、インピーダンスとアドミタンスは、一般にイミタンスと総称される。
実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2にかかる燃料電池システムを説明する。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
以下、本発明の実施の形態2にかかる燃料電池システムを説明する。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
燃料電池スタック内の水素濃度は均一ではなく、ある程度の分布がある。例えば、スタック内において、アノードマニホールド下流の単位セルは、アノードマニホールド上流の単位セルよりも水素濃度が低い。水素が不十分な状態(水素欠)で燃料電池が発電すると、種々の問題を招くことが知られている。
実施の形態2によれば、燃料電池スタック内の低水素濃度部位の水素濃度を精度良く推定することができる燃料電池システムが提供される。実施の形態2の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック内の最低水素濃度に合わせて、水素欠を避けるための正確かつ安全なシステム制御を行うことができる。
なお、実施の形態2の燃料電池システムは、燃料電池の発電中にアノードの水素循環を行わないタイプ(いわゆる循環レスタイプ)のシステムである。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。
[実施の形態2の実施例1]
実施の形態2の実施例1では、燃料電池スタックに不純物ガス(「発電非関与ガス」とも称す)が滞留しやすい単位セルが設けられる。この単位セルに対して水素濃度推定が行われる。
実施の形態2の実施例1では、燃料電池スタックに不純物ガス(「発電非関与ガス」とも称す)が滞留しやすい単位セルが設けられる。この単位セルに対して水素濃度推定が行われる。
<実施の形態2の実施例1の構成>
図12は、実施の形態2の実施例1にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタック200を備えている。燃料電池スタック200は、多数重ねられた単位セル202を備える。単位セル202の構成は、実施の形態1において図10に関して述べた構成と同様であるものとする。
図12は、実施の形態2の実施例1にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタック200を備えている。燃料電池スタック200は、多数重ねられた単位セル202を備える。単位セル202の構成は、実施の形態1において図10に関して述べた構成と同様であるものとする。
燃料電池スタック200は、水素流れの上流側の端に、高圧損単位セル204を備える。高圧損単位セル204のアノードガス流路は、単位セル202のアノードガス流路よりも、圧力損失が高くされている。アノードガス流路の具体的構成は述べないが、流路断面積(具体的には、流路の幅、高さ、流路長、多孔質体流路であれば細孔径や開口率等)を、圧力損失を相違させるように適宜に相違させればよい。
燃料電池スタック200は、マニホールド210、212を備えている。マニホールド210、212は、単位セル202および高圧損単位セル204の積層方向に延びている。マニホールド210は、燃料電池スタック200の一方の面(紙面左側面)から、スタック外部に開口している(図中のH2の矢印位置)。マニホールド210は、図示しない高圧水素タンクにレギュレータ、シャット弁等を介して接続する。マニホールド212も、燃料電池スタック200の紙面左側の面からスタック外部に開口し、排気弁216を介して図示しない排気系と接続する。
ECU220は、インピーダンス測定装置222と排気弁216とに接続する。インピーダンス測定装置222は、高圧損単位セル204の1つと接続している。ECU220は、インピーダンス測定装置222を介して、高圧損単位セル204のインピーダンスを測定することができる。ECU220は、実施の形態1のECU50と同様に、インピーダンス測定装置222を介して得たインピーダンス値に基づいて、水素濃度推定を行うことができる。ECU220は、排気弁216を、燃料電池スタック200の通常発電中には閉じる。そして、所定のパージ条件が成立した場合には、ECU220は排気弁216を開く。なお、燃料電池スタック200の通常発電中に、排気弁216を完全に閉じずに微小量排気を行う燃料電池システムでもよい。
マニホールド210は、単位セル202および高圧損単位セル204のそれぞれのガス流路の入口に接続する。マニホールド212は、単位セル202および高圧損単位セル204のそれぞれのガス流路の出口に接続する。
マニホールド212の内部には、高圧損単位セル204の出口部分に、詰物214が設けられている。詰物214は、高圧損単位セル204の出口部分において、マニホールド212の流路断面積を部分的に小さくする。なお、図13は、実施の形態2の実施例1にかかる変形例を示す図であり、詰物214以外を用いる変形例を示す図である。図13のように、単位セル202のマニホールド穴(マニホールド212用の貫通穴)よりも小さく、高圧損単位セル204のマニホールド穴218を形成することもできる。これにより詰物214と同様の効果が得られる。
上述した図12の構成において、マニホールド210の一端から流入した水素ガスが、図中の矢印の如く各単位セル内部(アノードのガス流路内)を通って流れる。その結果、マニホールド212にはアノードオフガスが流れ込む。
燃料電池スタック200内部では、水素と酸素の電気化学的反応により発電が行われる。一方、燃料電池スタック200内部には、発電時間の経過と共に、窒素(N2)などの発電非関与ガスが蓄積していく。これに応じて水素濃度が低下する。N2の蓄積は、水素タンク内の水素ガスの不純物や、カソードとアノード間でのMEAを介した透過ガスに起因する。なお、以下、便宜上、N2ガスを発電非関与ガスの代表として説明するが、N2以外の発電非関与ガスを本発明から除外するものではない。
本実施例によれば、排気弁216が閉じている状態あるいは排気弁216開度が微小である状態で燃料電池スタック200が発電している間、高圧損単位セル204のアノード流路の水素濃度が単位セル202に比して低くなる。ECU220が水素濃度推定を行うことにより、高圧損単位セル204つまり燃料電池スタック200の最低水素濃度部分を対象に、水素濃度推定を行うことができる。これにより、燃料電池スタック200内の最低水素濃度に応じて、水素欠を避けるための正確かつ安全なシステム制御を行うことができる。
また、本実施例によれば、高圧損単位セル204の出口部分は、詰物214によってマニホールド212の流路断面積が部分的に小さくなっている。このため、排気弁216が開きマニホールド212内のアノードオフガスが排出される際、高圧損単位セル204の出口部分におけるガス流速を高めることができる。ガス流速が高いため、高圧損単位セル204の出口部分が負圧となる。その結果、排気弁216が開かれたときに、高圧損単位セル204内部からガスを抜き出すことができる。このように、本実施例の構成によれば、発電非関与ガスが多い高圧損単位セル204を、十分にパージすることができる。
なお、本実施例の構成には、下記の他の実施例とは異なり、マニホールド210の開口とマニホールド212の開口とが燃料電池スタック200の片方の面に集約しているという特徴もある。
<実施の形態2の実施例1の動作および具体的処理>
以下、本実施例の燃料電池システムの動作を、本実施例にかかる具体的処理の内容とともに説明する。本実施例の燃料電池システムは、高圧損単位セル204の水素濃度推定を行うことにより、燃料電池スタック200内部の水素濃度を監視する。監視中に、水素濃度が所定値より低い場合には、排気弁216を制御して排気量を多めに調節する。
以下、本実施例の燃料電池システムの動作を、本実施例にかかる具体的処理の内容とともに説明する。本実施例の燃料電池システムは、高圧損単位セル204の水素濃度推定を行うことにより、燃料電池スタック200内部の水素濃度を監視する。監視中に、水素濃度が所定値より低い場合には、排気弁216を制御して排気量を多めに調節する。
図14は、実施の形態2の実施例1において、ECU220が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、燃料電池スタック200の発電中に実行される。
図5のルーチンでは、先ず、インピーダンス測定が行われる(ステップS230)。このステップでは、実施の形態1において図8で行われたステップS102、S104、S106と同様の処理が実行される。
次いで、H2濃度がOKか否かが判定される(ステップS232)。このステップでは、図11のルーチンのステップS107と同様に、所定判定値との比較に基づいて、H2濃度がOKか否かの判定が行われる。なお判定値は、判定したい水素濃度に応じて、適宜に定めておけばよい。
ステップS232でH2濃度がOKである場合には、システム制御は現状維持となる(ステップS236)。ステップS232でH2濃度がOKではない場合(つまりNGである場合)には、所定時間(一例としては数秒間程度)、排気弁216の開度増大による排気量増加が行われる(ステップS234)。その後、処理がステップS230に戻る。
以上の処理により、燃料電池スタック200内部の水素濃度が所定値より低い場合には、排気量を多めに調節することができる。
なお、実施の形態2の実施例1では、単位セル202が、前記第15の発明における「第1単位セル」に、高圧損単位セル204が、前記第15の発明における「第2単位セル」に、それぞれ相当している。
[実施の形態2の実施例2]
実施の形態2の実施例2では、燃料電池スタック内の水素流れの最下流に位置する単位セルを対象に、インピーダンスに基づく水素濃度推定が行われる。これにより、燃料電池スタック内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。
実施の形態2の実施例2では、燃料電池スタック内の水素流れの最下流に位置する単位セルを対象に、インピーダンスに基づく水素濃度推定が行われる。これにより、燃料電池スタック内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。
<実施の形態2の実施例2の構成>
図15は、実施の形態2の実施例2にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。図15(a)に示すように、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタック240と、排気弁258を備えている。本実施例の燃料電池システムは、上述した図12のシステムと同様、ECU220およびインピーダンス測定装置222を備えている。燃料電池スタック240は、複数の単位セル202と複数の単位セル244とが積層することにより構成されている。本実施例では、インピーダンス測定装置222が単位セル244と接続される。
図15は、実施の形態2の実施例2にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。図15(a)に示すように、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池スタック240と、排気弁258を備えている。本実施例の燃料電池システムは、上述した図12のシステムと同様、ECU220およびインピーダンス測定装置222を備えている。燃料電池スタック240は、複数の単位セル202と複数の単位セル244とが積層することにより構成されている。本実施例では、インピーダンス測定装置222が単位セル244と接続される。
図15(a)に示す本実施例では、マニホールド210の端に仕切255が、マニホールド212の一端に蓋253が、それぞれ設けられている。仕切255の紙面右側には、マニホールド254が存在している。
図15(b)は、図15(a)における単位セル202と単位セル244の隣接部分を拡大した図である。単位セル202、244の内部には、それぞれ、MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)270が設けられている。MEGA270は、MEAの両面にガス拡散層が一体化されたものである。単位セル202、244は、ともに、MEGA270を挟んで位置するカソードガス流路272およびアノードガス流路274とを備えている。符号280は、樹脂製のガスケットである。
燃料電池スタック240内では、カソード側セパレータ275と、アノード側セパレータ276とが、各単位セルを仕切っている。本実施例では、燃料電池スタック240内に、図15(b)に示すように、マニホールド穴が打ち抜かれていないカソード側セパレータ277が配置されている。このカソード側セパレータ277の一部(マニホールド穴が打ち抜かれていない部分)が、仕切255の役割を担っている。
上記の構成により、燃料電池スタック240では、水素ガスが、マニホールド210→個々の単位セル202のアノード→マニホールド212→個々の単位セル244のアノード→マニホールド254という経路を辿って流れる。この構成によれば、単位セル244は、燃料電池スタック240内の水素流れの最下流に位置する。単位セル244には、発電非関与ガスの濃度が高い(例えばN2濃度が約5〜10%)ガスが流入する。単位セル244のインピーダンスに基づく水素濃度推定により、燃料電池スタック240内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。
なお、マニホールド254の下流には排気弁258が位置する。排気弁258を開くことにより、アノードをパージできる。或いは、排気弁258の開度調節により、アノードオフガスを少しずつ排気しながら燃料電池スタック240の発電を継続できる。
<実施の形態2の実施例2の具体的処理>
図16は、実施の形態2の実施例2において、ECU220が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、燃料電池スタック240の発電中に実行される。図16のルーチンでは、先ず、図14のルーチンと同様に、既述したステップS230にかかるインピーダンス測定が行われる。
図16は、実施の形態2の実施例2において、ECU220が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、燃料電池スタック240の発電中に実行される。図16のルーチンでは、先ず、図14のルーチンと同様に、既述したステップS230にかかるインピーダンス測定が行われる。
その後、ステップS230で推定された水素濃度値に応じて、排気弁258の開度が制御される(ステップS262)。具体的には、ECU220が、単位セル244の水素濃度が所定範囲内(本実施例では水素濃度30%〜80%)に収まるように、水素濃度推定値を排気弁258の開度にフィードバックする。ステップS262においては、ECU220が、水素濃度推定値が80%以上の場合には排気弁258が閉じ気味になるように、排気弁258を制御する。水素濃度推定値が30〜80%の場合には、排気弁258の現在の開度が維持される。水素濃度推定値が30%以下の場合には、排気弁258の開度が増大される。
なお、実施の形態2の実施例2では、単位セル202が、前記第17の発明における「第1群の単位セル」に、単位セル244が、前記第17の発明における「第2群の単位セル」に、マニホールド210が、前記第17の発明における「第1マニホールド」に、マニホールド254が、前記第17の発明における「第2マニホールド」に、マニホールド212が、前記第17の発明における「第3マニホールド」に、それぞれ相当している。
[実施の形態2の実施例3]
<実施の形態2の実施例3の構成>
図17は、実施の形態2の実施例3にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例の燃料電池システムは、図示しないが、上述した図15のシステムと同様、ECU220およびインピーダンス測定装置222を備えている。本実施例でも、インピーダンス測定装置222が、単位セル244と接続される。本実施例では、単位セル202と単位セル244において、カソードガス流路272内の空気の流れは同じであるものとする。
<実施の形態2の実施例3の構成>
図17は、実施の形態2の実施例3にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例の燃料電池システムは、図示しないが、上述した図15のシステムと同様、ECU220およびインピーダンス測定装置222を備えている。本実施例でも、インピーダンス測定装置222が、単位セル244と接続される。本実施例では、単位セル202と単位セル244において、カソードガス流路272内の空気の流れは同じであるものとする。
本実施例の燃料電池スタック264は、マニホールド212に仕切257が存在する。仕切255と仕切257により、ダミー流路290が備えられる。その結果、燃料電池スタック264では、水素が、マニホールド210→単位セル202のアノード→マニホールド212→ダミー流路290→単位セル244のアノード→マニホールド256という経路を辿って流れる。よって、単位セル244には水素濃度の低いガス(窒素濃縮ガス)が流れ込む。単位セル244のインピーダンスに基づく水素濃度推定を行うことにより、燃料電池スタック264内の最低水素濃度を精度良く推定することができる。
図18は、図17における単位セル202、244の隣接部分を拡大した図である。燃料電池スタック264は、図18に示すアノード側セパレータ292およびカソード側セパレータ294を備える。これらのセパレータの間には、図18に示すようにガスケットが介在することにより、隙間が生じている。アノード側セパレータ292の一部(マニホールド穴が打ち抜かれていない部分)が、仕切255の役割を担っている。カソード側セパレータ294の一部(マニホールド穴が打ち抜かれていない部分)が、仕切257の役割を担っている。その結果、これらのセパレータの間にダミー流路290が形成されている。
燃料電池スタック264によれば、水素が単位セル202内をマニホールド210側からマニホールド212側に向かって流れ、且つ、水素が単位セル244内をマニホールド254側からマニホールド256側に向かって流れる。よって、水素が、単位セル202、244のアノードガス流路274内を、同じ向きに流れる。つまり、本実施例によれば、単位セル202と単位セル244とで、アノードのガスの入口と出口の並びをそろえることができる。
既述したように、本実施例では、単位セル202と単位セル244において、カソードガス流路272内の空気の流れが同じ向きである。その結果、本実施例によれば、単位セル202と単位セル244において、水素と空気の両方の流れ方向を統一することができる。
なお、実施の形態2の実施例3では、単位セル202が、前記第18の発明における「第1群の単位セル」に、単位セル244が、前記第18の発明における「第2群の単位セル」に、マニホールド210が、前記第18の発明における「第1マニホールド」に、マニホールド256が、前記第18の発明における「第2マニホールド」に、ダミー流路290を介して接続するマニホールド212とマニホールド254が、前記第18の発明における「第3マニホールド」に、それぞれ相当している。そして、実施の形態2の実施例3では、マニホールド212が、前記第18の発明における「第1の部分」に、マニホールド254が、前記第18の発明における「第2の部分」に、ダミー流路290が、前記第18の発明における「ダミー流路」に、それぞれ相当している。
実施の形態3.
以下、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池システムを説明する。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
以下、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池システムを説明する。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
[実施の形態3の構成]
図19は、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。燃料電池スタック300は、複数の単位セルが、エンドプレート306、308により挟み込まれた構成を有する。燃料電池スタック300は、マイナス電位側のエンドプレート306に接する単位セル304を備えている。単位セル304のプラス電位側には、さらに複数の単位セル302が積層されている。単位セル302と単位セル304は、同じ内部構造を有している。
図19は、本発明の実施の形態3にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。燃料電池スタック300は、複数の単位セルが、エンドプレート306、308により挟み込まれた構成を有する。燃料電池スタック300は、マイナス電位側のエンドプレート306に接する単位セル304を備えている。単位セル304のプラス電位側には、さらに複数の単位セル302が積層されている。単位セル302と単位セル304は、同じ内部構造を有している。
単位セル304には、インピーダンス測定装置322が接続されている。インピーダンス測定装置322は、ECU320に接続している。ECU320は、実施の形態1、2のECUと同様に、インピーダンスに基づく水素濃度推定処理を実行することができる。ECU320は、インピーダンス測定装置322を介して単位セル304のインピーダンスの測定値を取得し、かつ、その測定値に基づいて単位セル304の水素濃度を推定することができる。燃料電池スタック300には、水素タンク(図示せず)、パージ弁312、エアポンプ314が接続されている。
[実施の形態3の動作]
単位セル304は、次の理由により、アノードに液体水が溜まり易い。先ず、単位セル304は、アノードが、エンドプレート306に面している。エンドプレート306を介した放熱により、単位セル304は冷え易い。また、単位セル304内の水バランスがあるため、カソード生成水はアノードに移動する。また、カソードとアノードでガス流量を比較するとアノード内のガス流量は少なく、アノード内でガスが水を吹き飛ばす効果は低い。これらの理由があるため、マイナス電位側の端に位置する単位セルである単位セル304は、アノードに液体水が溜まり易い。
単位セル304は、次の理由により、アノードに液体水が溜まり易い。先ず、単位セル304は、アノードが、エンドプレート306に面している。エンドプレート306を介した放熱により、単位セル304は冷え易い。また、単位セル304内の水バランスがあるため、カソード生成水はアノードに移動する。また、カソードとアノードでガス流量を比較するとアノード内のガス流量は少なく、アノード内でガスが水を吹き飛ばす効果は低い。これらの理由があるため、マイナス電位側の端に位置する単位セルである単位セル304は、アノードに液体水が溜まり易い。
一般に、燃料電池スタック内に多量の残留水があると、種々の弊害を引き起こす。具体的には、例えば、燃料電池システムの氷点下起動時に、個々の単位セル内の水が凍結してしまうおそれがある。こういった問題を解消する手法として、燃料電池スタック内のアノードをパージする手法がある。
しかしながら、アノードのパージは、水素の排出を招いてしまう。パージを行えば、その分だけ、発電に使用されない水素の量が多くなり燃費が悪化してしまう。
そこで、実施の形態3では、単位セル304に対して実施の形態1にかかる水素濃度推定が行われる。単位セル304内の水素濃度を推定することにより、単位セル304のアノードのパージが必要か否かを判断できる。実施の形態3では、単位セル304のパージが必要と判断された場合に、燃料電池スタック300のパージも必要と判断される。つまり、単位セル304が、スタック全体のパージ必要性有無の判断指標となる。
既述したように、単位セル304は、他の単位セルに比してアノードに液体水が溜まり易い。単位セル304をパージ必要性有無の判断指標とすることにより、燃料電池スタック300の残留水対策を確実に行うことができる。また、単位セル304のパージが必要ないと判断できるならば、他の単位セルにおいてもパージを行わなくともよいと考えることができる。従って、単位セル304をパージ必要性有無の判断指標とすることにより、不必要なパージを避けることができる。
以上説明したように、実施の形態3によれば、燃料電池スタック300内の残留水対策と、水素の無駄な排出の抑制とを両立することができる。
[実施の形態3の具体的処理]
図20は、実施の形態3においてECU320が実行するルーチンのフローチャートである。ここでは、実施の形態3の燃料電池システムが、車両に搭載されているものとする。これにより、燃料電池自動車の有効な寒冷地対策が実現される。なお、図20は、実施の形態1の実施例2にかかる図11のルーチンと同様の処理を含んでいる。このため、適宜に説明を簡略化あるいは省略する。
図20は、実施の形態3においてECU320が実行するルーチンのフローチャートである。ここでは、実施の形態3の燃料電池システムが、車両に搭載されているものとする。これにより、燃料電池自動車の有効な寒冷地対策が実現される。なお、図20は、実施の形態1の実施例2にかかる図11のルーチンと同様の処理を含んでいる。このため、適宜に説明を簡略化あるいは省略する。
図20のルーチンでは、先ず、イグニッションOFFか否かが判定される(ステップS320)。イグニッションがOFFの場合には、図11のルーチンのステップS102、S104が実行される。
次いで、第1判断指標がOKか否かが判定される(ステップS336)。このステップでは、図11のルーチンのステップS107と基本的に同じ処理が実行され、インピーダンスの実部の値Z´が取得される。但し、ステップS336では、Z´が、予め定められたパージ基準濃度値Z´Pと比較される。Z´とZ´Pとの比較の結果、推定水素濃度がパージ基準濃度を上回っていれば、パージ不要と判断されて処理はステップS110に進む。逆に、推定水素濃度がパージ基準濃度よりも小さければ、パージ必要と判断されて処理はステップS108に進む。
ステップS108のパージ開始後、次いで、第2判断指標がOKか否かが判定される(ステップS342)。このステップでは、ECU320が、図11のルーチンのステップS112の処理を、Z´0に代えてZ´Pを用いて実行する。その後は図11のルーチンと同じく、ステップS114を経て今回のルーチンが終了する。
以上の処理によれば、燃料電池スタック300内の残留水対策と、水素の無駄な排出の抑制とを両立することができる。
なお、上述した実施の形態3では、エンドプレート306が、前記第19の発明における「マイナス側エンドプレート」に、エンドプレート308が、前記第19の発明における「プラス側エンドプレート」に、単位セル304が、前記19の発明における「端側単位セル」に、それぞれ相当している。
[実施の形態3の変形例]
図21は、実施の形態3の変形例の燃料電池システムの構成を示す図である。本変形例では、エンドプレート306と単位セル304の間に、対策セル362が設けられている。残留水対策用に、非発電用のセルを燃料電池スタック内に設ける技術が知られている。対策セル362は、この観点から残留水対策用に設けられた部品であり、その内部に発電用の構成に代えてヒータを備えている。こういった他の部品がある場合にも、図21に示すようにエンドプレート306に最も近い単位セル304の水素濃度推定を行えばよい。なお、対策セル362に代えて断熱材が配置される場合も同様である。
図21は、実施の形態3の変形例の燃料電池システムの構成を示す図である。本変形例では、エンドプレート306と単位セル304の間に、対策セル362が設けられている。残留水対策用に、非発電用のセルを燃料電池スタック内に設ける技術が知られている。対策セル362は、この観点から残留水対策用に設けられた部品であり、その内部に発電用の構成に代えてヒータを備えている。こういった他の部品がある場合にも、図21に示すようにエンドプレート306に最も近い単位セル304の水素濃度推定を行えばよい。なお、対策セル362に代えて断熱材が配置される場合も同様である。
実施の形態4.
以下、本発明の実施の形態4にかかる燃料電池システムを説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
以下、本発明の実施の形態4にかかる燃料電池システムを説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
図22は、実施の形態4にかかる単位セル400の構成を示す平面図である。単位セル400は、アノードのガス入口404と、アノードのガス出口406を備えている。図中の矢印は、単位セル400面内の水素の流れを模式的に表している。単位セル400は、インピーダンス測定用の端子420を備えている。端子420は、単位セル400のガス出口406近傍のインピーダンスを測定するための端子である。端子420は、コード422を介して、インピーダンス測定装置430に接続している。
図23(a)は、図22のA−Aに沿って単位セル400を切断した断面図である。絶縁シール426が、電極424とセパレータとの間の絶縁を確保している。図23(b)は、図22における端子420近傍を拡大した図である。電極424の周囲に絶縁シール426が設けられている。この構成によれば、簡素かつ安価な構成により、単位セル400内において水素欠が生じ易いガス出口406近傍の、インピーダンスを測定することができる。
図24は、実施の形態4の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。図24のルーチンにより、燃料電池の水素欠監視を実現することができる。図24のルーチンでは、先ず、電圧印加およびインピーダンス測定が行われる(ステップS450)。次いで、水素濃度推定値が算出される(ステップS452)。ステップS450は、実施の形態1の図11のルーチンにおけるステップS102およびS104と同様の内容とすればよい。S452の処理内容は、図示しないECUに、水素濃度特性マップに基づく水素濃度推定値の算出を行わせれば良い。
ステップS452の次は、設定水素濃度以上か否かの判定処理が行われる(ステップS454)。ステップS454では、現在の単位セル400の水素濃度推定値が、予め設定された基準値以上か否かが判定される。この条件が肯定された場合には、水素欠の問題は発生していないと判断できる。この場合、本ルーチンでは、S450へと処理が戻る。
ステップS454の条件が否定された場合には、水素欠のおそれがある。本実施形態では、この場合には処理がステップS456に移り、水素欠対策処理が実行される。なお、本実施形態では、燃料電池の出力制限、水素ストイキ比UP、排気弁を開く、間欠運転終了を、水素欠対策処理とした。燃料電池の出力制限および水素ストイキ比UPは、例えば、燃料電池自動車において、WOT(Wide Open throttle)時など加速時に水素欠対策の必要性が認められた場合に好適である。また、ステップS454において排気弁を開くことにより、水素循環システムやデッドエンドシステム(水素を循環させずアノード内で水素を止めて発電させるシステム)において、アノードの排気を好適なタイミングで行うことができる。また、ステップS454を間欠運転終了処理とした場合には、燃料電池システムの間欠運転制御中における間欠運転解除フラグの役割を持たせることができる。
図25は、実施の形態4の燃料電池システムの他の制御動作を説明するための図である。燃料電池が高電位状態に置かれることは、燃料電池内部の触媒にとっては好ましくない。そこで、実施の形態4では、水素濃度の推定により水素欠監視を行い、バッテリと燃料電池の出力分配を行うこととした。これにより、できるだけ燃料電池を高電位にさらさずに電気掃引を行うこととした。すなわち、実施の形態4の燃料電池システムでは、図25に示すように、水素欠監視が行われつつ燃料電池から少量の出力が取り出され、かつ、車両要求出力の不足分がバッテリ出力(Bat出力)で補われる。これにより、比較例に比べて、燃料電池の電位を低くすることができる。
図26は、実施の形態4に対する比較例を示す図である。従来は、比較例に示すように、各単位セルのOCVを検知してから燃料電池から出力を取り出していた。この場合、燃料電池が高電位におかれており、触媒にとって好ましくない。この点、図25に示した実施の形態4の制御によれば、燃料電池が高電位にさらされる頻度を減らし、燃料電池の触媒への悪影響を防ぐことができる。
図27は、実施の形態4の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。図27のルーチンは、燃料電池システムの運転状態が予め定めた特定の運転状態に入った時に実行される。図27のルーチンにより、燃料電池システムの水素リーク監視およびヘルスモニタリングが実現される。実施の形態4では、水素濃度推定値を用いて、外水素ガスの監視を行う。これにより、圧力降下法に頼らないリークチェックが可能である。
図27のルーチンでは、図24のルーチンと同様にステップS450〜S454が行われる。但し、ステップS454の基準値は、リークチェック用やヘルスモニタリング用に好適な数値に、適宜に変更されてよい。
ステップS454における水素濃度推定値と基準値の比較結果に問題がない場合には、履歴データとして今回の水素濃度推定値が記録され、処理がステップS450に戻る。ステップS454で問題が認められた場合には、リーク判定、主止弁を閉じる制御、アラーム処理が行われ、終了処理が実行される。その後、本ルーチンは終了する。以上の処理によれば、電解質膜破れなどによるリークの発見、クロスリーク量の経年劣化などのモニタリングを行うことができる。
実施の形態5.
以下、本発明の実施の形態2にかかる燃料電池システムを説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池車搭載用システムとして好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
以下、本発明の実施の形態2にかかる燃料電池システムを説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池車搭載用システムとして好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
燃料電池車の普及を考えた場合、常に高純度の水素ガスが燃料ガスとして供給されるとは限らない。例えば、低水素純度の燃料ガスが供給される場合が想定される。この場合、高水素純度の燃料ガスと同じ運転条件で燃料電池システムを運転すると、燃料電池の水素欠の発生を招くおそれがある。低水素濃度の燃料ガスが供給された場合であっても、水素欠を招かないようにその水素濃度に対応する必要がある。本願発明者は、鋭意研究を行った結果、燃料ガスの水素純度が相違しうる環境下でも、その濃度に対応可能な燃料電池システムを見出した。
図28は、本発明の実施の形態5にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池510のアノードの入口は、管路512と連通し、燃料電池510のアノードの出口は、管路514と連通する。管路514は管路512と連通して循環管路を形成する。管路514には、パージ弁518と水素ポンプ516も備えられる。燃料電池510には、インピーダンス測定装置520が接続されている。ECU522は、インピーダンス測定装置520、水素ポンプ516、パージ弁518と接続する。
ECU522は、予め、水素ストイキ比マップを記憶している。この水素ストイキ比マップに基づいて、燃料電池510への水素供給量が制御される。水素ストイキ比とは、燃料電池の発電量に対して最低限必要な水素量(即ち電気化学的反応に供される水素量)と、燃料電池に実際に供給された水素量と、の比である。本実施形態では、水素ストイキ比マップが、燃費向上のために絞り込んだ設定(具体的には、燃料電池510上流での水素ストイキ比をできるだけ低く抑えた設定)になっている。
図29は、実施の形態5においてECU522が実行するルーチンのフローチャートである。図29のルーチンでは、先ず初期起動シーケンスが実行される(ステップS530)。その後、OCVか否かが判定される(ステップS532)。その後、インピーダンス計測へと処理が移る(ステップS534)。その後、水素濃度推定値が算出される(ステップS536)。これにより、現在使用されている燃料ガスの水素濃度を、推定により取得することができる。
その後、水素濃度推定値が、適合範囲内であるか否かが判定される(ステップS538)。適合範囲外であればアラーム処理(ステップS542)、適合範囲内であれば水素ストイキ比マップのMap値の補正(更新)が行われる(ステップS540)。ステップS540では、ステップS536で求めた水素濃度を利用して、水素欠を招かない範囲で可能な限り低い水素ストイキ比となるように、水素ストイキ比マップの値が補正される。その後、今回のルーチンが終了する。
以上の処理によれば、水素ストイキ比マップが、現在の使用燃料の水素濃度に応じて更新される。これにより、水素ストイキ比マップに燃料純度バラツキ分の安全率を見込まなくともよい。あるいは、その安全率を小さく抑えることができる。その結果、燃料ガスの水素純度が相違しうる環境下でも、水素欠を回避しながら燃料電池システムを運転することができる。
なお、図30は、水素濃度センサ550を使用して実施の形態5にかかる制御動作を行う場合の燃料電池システムの構成例を示す図である。実施の形態5とは異なりインピーダンスに基づく水素濃度推定を行わない場合には、水素濃度センサ550の出力に基づいて水素濃度を検知する例が考えられる。
実施の形態6.
実施の形態6によれば、フラッディングに速やかに対処することができる燃料電池システムが提供される。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。よって、以下の説明では水素濃度推定に関する内容は、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
実施の形態6によれば、フラッディングに速やかに対処することができる燃料電池システムが提供される。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。よって、以下の説明では水素濃度推定に関する内容は、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
図31は、本発明の実施の形態6にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態6の燃料電池システムは、燃料電池スタック600と、これに接続された管路606、608を備えている。燃料電池スタック600は、複数の単位セル602を備えている。図32は、実施の形態6における単位セル602の平面図である。図32に示すように、単位セル602の面内では、水素が紙面左下側に向かって流れる。
複数の単位セル602のうちスタック内の水素下流側の端に位置する単位セル602には、電流検知板604が隣接する。電流検知板604は、隣接する単位セル602の電流を計測するための部品である。電流検知板604は、単位セル602の全面に渡る大きさでもよく、また、ガス流れに沿って分割されたものでも良い。電流検知板の構成は、既に公知の各種構成が知られており、新規な事項ではないのでここでは説明を省略する。なお、電流検知板604は、燃料電池スタック600の端に限らず、スタック内の複数個所に配置しても良い。
実施の形態6にかかる燃料電池システムは、ECU620を備えている。ECU620は、実施の形態1〜5のそれぞれにかかるECUと同様に、インピーダンスに基づく水素濃度推定処理を実行することができる。なお、実施の形態6では、電流検知板604を用いて取得されたインピーダンスが、水素濃度推定に利用されるものとする。
ECU620は、燃料電池スタック600の温度T、アノードのガス流量Q、発電量P、負荷の大きさLが、それぞれ入力される。ECU620は、温度T、ガス流量Q、発電量Pを履歴データに保存する処理と、履歴データを適宜に参照可能な処理とを備えている。なお、温度T、ガス流量Q、発電量P、負荷の大きさLは、それぞれ、図示しない各種センサを燃料電池スタック600に取り付けて検知すればよい。
図33は、本発明の実施の形態6においてECU620が実行するルーチンのフローチャートである。実施の形態6では、先ず、燃料電池スタック600の発電履歴から、生成水積算量が計算される(ステップS640)。次いで、燃料電池スタック600の温度履歴およびガス流量履歴から、これまでに水蒸気として持ち去られている水の総量が計算される(ステップS642)。
次に、下記の条件が成立しているか否かが判定される(ステップS644)。
WP ≦ WV+WA
但し、
WP = ステップS640で計算された生成水積算量
WV = ステップS642で計算された水蒸気持ち去り量
WA = 所定の許容スタック含水量
である。
許容スタック含水量は、発電に支障がない範囲で燃料電池スタック600が含有可能な水量である。
WP ≦ WV+WA
但し、
WP = ステップS640で計算された生成水積算量
WV = ステップS642で計算された水蒸気持ち去り量
WA = 所定の許容スタック含水量
である。
許容スタック含水量は、発電に支障がない範囲で燃料電池スタック600が含有可能な水量である。
ステップS644の条件が否定された場合、つまりWP>(WV+WA)である場合には、スタック内に液体の状態で水が存在していると判断できる。この場合には、本ルーチンでは、処理がスタートに戻る。
ステップS644の条件が肯定された場合、つまりWP≦(WV+WA)である場合には、続いて、現在の生成水量が、現在の水蒸気持ち去り量以下であるか否かが判定される(ステップS646)。この条件が否定された場合には、スタック内に液体の状態で水が存在していると判断できる。この場合には、本ルーチンでは、処理がスタートに戻る。
ステップS646の両方の条件が肯定された場合、処理はステップS648以降に移る。ステップS644とステップS646の両方の条件が肯定された場合には、燃料電池スタック600内に液体の水が存在しないと判断することができる。
ステップS648、S650では、実施の形態1で説明したインピーダンスに基づく水素濃度推定処理が実行され、最終的に水素濃度Cestが算出される。
次いで、水素供給量が測定されるとともに、発電量から消費水素量が計算される(ステップS652)。水素供給量は、燃料電池の負荷の大きさに基づいて測定することができる。消費水素量は発電量に比例するため、発電量を計測すれば計算により消費水素量を取得することができる。
次いで、水素濃度Ccalcが算出される(ステップS654)。水素供給量とは、つまり、スタック内に投入された水素の量である。消費水素量とは、つまり、スタック内で発電によって消費された水素の量である。水素供給量から消費水素量を差し引くことにより、燃料電池スタック600内に残っているであろう水素量(推定残存水素量)を取得することができる。この推定残存水素量を燃料電池スタック600内部の水素濃度に換算することにより、Ccalcを取得することができる。
続いて、水素濃度Cestが、水素濃度Ccalc以上であるか否かが判定される(ステップS654)。この条件が成立している場合には、現在の燃料電池スタック600内の水素濃度は問題ないと判断でき、履歴データに保存されて今回のルーチンが終了する。
一方、ステップS654において、水素濃度Cestが水素濃度Ccalcを下回っていると判定された場合には、アノードのフラッディングが発生していると判定されてステップS660に処理が移る。
既述したように、ステップS644とステップS646の両方の条件が肯定された場合は、燃料電池スタック600内に水が液体状態では存在しないと判断することができる。つまり、このとき、燃料電池スタック600内には、水素が発電に寄与することを阻害する水が無い。発電阻害水が無いにもかかわらず、燃料電池スタック600内の水素濃度が低く推定されている。この場合、燃料電池スタック600全体の水量は少ないものの、電流検知板604の隣の単位セル602ではアノードのフラッディングが起きていると考えられる。従って、本実施形態のルーチンでは、水素濃度Cestが水素濃度Ccalcを下回っていると判定された場合には、アノードのフラッディングと判定されてステップS660に処理が移る。
ステップS660では、アノードフラッディング判定処理とともに、下記の3つの制御のうちいずれか1つ(あるいは2つ以上)の制御を実現する処理が行われる。
・アノードまたは/およびカソードのガス流量増大制御
・アノードのガス循環比の低減制御(含水量の多い循環ガスの量を低減し、水素タンクからの水素量を増大)
・スタック温度上昇制御(例えば冷却水流量の低減)
その後、今回のルーチンが終了する。
・アノードまたは/およびカソードのガス流量増大制御
・アノードのガス循環比の低減制御(含水量の多い循環ガスの量を低減し、水素タンクからの水素量を増大)
・スタック温度上昇制御(例えば冷却水流量の低減)
その後、今回のルーチンが終了する。
以上の処理によれば、実施の形態1にかかる水素濃度推定手法を利用して、フラッディングに速やかに対処することができる。
実施の形態7.
実施の形態7によれば、優れた水素漏れ検知機能を備えた燃料電池システムが提供される。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。よって、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
実施の形態7によれば、優れた水素漏れ検知機能を備えた燃料電池システムが提供される。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。よって、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
また、実施の形態7の燃料電池システムは、実施の形態6の燃料電池システムと同じハードウェア構成を備える。このため、ハードウェア構成の説明は省略する。ただし、実施の形態7では、ECU620が、CestおよびCcalcの履歴を保存する履歴保存処理を備えている。
図34は、本発明の実施の形態7においてECU620が実行するルーチンのフローチャートである。ステップS648、S650、S652、S654、およびS656の処理は、図33と同じであるため説明を省略する。
図34のルーチンでは、ステップS656においてCestがCcalc以上であると判定された場合には、履歴データへの保存が行われて今回のルーチンが終了する。
一方、ステップS656においてCestがCcalcを下回っていると判定された場合には、履歴データと比較してCestとCcalcの差が増大傾向にあるか否かが判定される(ステップS712)。この条件が否定された場合には、ステップS656へと処理が移り、その後今回のルーチンが終了する。
ステップS712の条件の成立が認められた場合には、Cestが、Ccalcを下回りかつそれらの乖離が拡大傾向にあると判断できる。この場合には、燃料電池スタック600内の水素濃度が水素供給量および消費水素量の差し引きから得られた水素濃度を下回ったあと、更にその水素濃度が低下し続けている。そのような水素濃度低下は、水素漏れに起因する疑いが強い。よって、本実施形態によれば、ステップS712の条件の成立が認められた場合には、水素漏れ判定、水素ボンベ直下の弁(主止弁)を閉じる制御、アラーム処理、ならびに終了処理が実行される。その後、今回のルーチンが終了する。
以上の処理によれば、実施の形態1にかかる水素濃度推定手法を利用して、水素漏れ検知を行うことができる。
実施の形態8.
実施の形態8によれば、システム始動時の弁の制御タイミングを、学習により最適化することができる燃料電池システムが提供される。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
実施の形態8によれば、システム始動時の弁の制御タイミングを、学習により最適化することができる燃料電池システムが提供される。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
図35は、本発明の実施の形態8にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態8の燃料電池システムは、燃料電池スタック800を備えている。燃料電池スタック800は、多数の単位セルが積層されることにより構成されている。これら多数の単位セルのうち、スタック両端の単位セルを、図35に示すように単位セル804と単位セル806と称す。両端以外の単位セルは、単位セル802と称す。燃料電池スタック800の内部には、アノードマニホールド810、812が延びている。
ECU820は、インピーダンス測定装置822、アノード入口弁814およびアノード出口弁816とに接続する。インピーダンス測定装置822は、単位セル804および単位セル806と接続している。ECU820は、インピーダンス測定装置822を介して、単位セル804のインピーダンスの測定値および単位セル806のインピーダンスの測定値を得ることができる。ECU820は、実施の形態1のECU50と同様に、インピーダンス測定装置822を介して得たインピーダンス値に基づいて、水素濃度推定を行うことができる。以下、説明の便宜上、単位セル804のインピーダンスの実部の値をZ´frontとも称し、単位セル806のインピーダンスの実部の値をZ´endとも称す。なお、ECU820は、タイマ機能を搭載するものとする。
[実施の形態8の動作]
一般に、弁を閉じる制御信号を発してから、実際にその弁が閉じるまでの期間には、応答遅れ分の時間(遅れ時間)が含まれる。アノード入口弁814やアノード出口弁816も、遅れ時間(以下、ΔTとも称す)を有している。遅れ時間ΔTは、ECU820が弁閉じ信号を発してから、実際にそれらの弁が閉じるまでにかかる時間の長さである。この遅れ時間が考慮に入れられていないと、アノード入口弁814やアノード出口弁816が現実に閉じる時間が、意図するタイミングとずれてしまう。そこで、実施の形態8では、アノード入口弁814やアノード出口弁816の制御タイミングを、学習により最適化することとした。
一般に、弁を閉じる制御信号を発してから、実際にその弁が閉じるまでの期間には、応答遅れ分の時間(遅れ時間)が含まれる。アノード入口弁814やアノード出口弁816も、遅れ時間(以下、ΔTとも称す)を有している。遅れ時間ΔTは、ECU820が弁閉じ信号を発してから、実際にそれらの弁が閉じるまでにかかる時間の長さである。この遅れ時間が考慮に入れられていないと、アノード入口弁814やアノード出口弁816が現実に閉じる時間が、意図するタイミングとずれてしまう。そこで、実施の形態8では、アノード入口弁814やアノード出口弁816の制御タイミングを、学習により最適化することとした。
図36は、実施の形態8の燃料電池システムの動作を説明するためのタイムチャートである。本実施形態では、システム起動時、先ず、アノード入口弁814が開かれることにより、燃料電池スタック800の水素充填が開始される。また、本実施形態では、アノード出口弁816も同時期に開かれる。これにより、システム停止時に、燃料電池スタック800内の発電非関与ガス(より具体的には窒素)を、水素によって外部に押し流すことができる。
実施の形態8の燃料電池システムは、Z´frontおよびZ´endに基づいて、システム起動期間に水素濃度推定を行う。十分な水素濃度上昇を示す変化をZ´frontが示した場合(具体的にはZ´frontが所定値以下になった場合)、単位セル804内に水素が供給されたと判断できる。単位セル806についてもZ´endに基づいて同様の判断をすることができる。
本実施形態では、単位セル804内に十分に水素が行き渡った時刻を、基準時刻として取り扱う。図36に、この時刻をtstartと記す。
図36に示すように、本実施形態では、tstartから所定時間T0を経過した後に、ECU820がアノード入口弁814に対して制御信号を発する。また、ECU820は、アノード出口弁816に対しても同時期に制御信号を発する。このタイミングから、さらにΔTが経過した後に、最終的にそれらの弁が閉じる。
一方、本実施形態では、tstartから時間のカウント(計測)が行われる。このカウントは、十分な水素濃度上昇を示す変化をZ´endが示したら(具体的にはZ´endが所定値以下になったら)、終了する。このカウントによって時間T1が得られる。時間T1は、単位セル804の水素濃度変化が認められた時点と、単位セル806の水素濃度変化が認められた時点との間の時間である。本実施形態では、この時間T1を、燃料電池スタック800において水素流入開始から水素充填完了までにかかった時間として取り扱う。
本実施形態では、T0+ΔTの長さがT1と一致するように、T1に基づいてT0を補正することとした。T0+ΔT=T1が成立すれば、ちょうど燃料電池スタック800の水素充填が完了するタイミングに、アノード入口弁814やアノード出口弁816が現実に閉じる。従って、過不足のない理想的なタイミングで、アノード入口弁814やアノード出口弁816を閉じることができる。その結果、例えば、余分水素排出の回避や、排気系の水素希釈器の小型化や省略が可能である。
また、本実施形態では、T0+ΔT<T1にならないようにT0の修正を行うこととした。
[実施の形態8の具体的処理]
図37は、実施の形態8においてECU820が実行するルーチンのフローチャートである。図37のルーチンは、燃料電池システム起動時に、毎回、実行される。
図37は、実施の形態8においてECU820が実行するルーチンのフローチャートである。図37のルーチンは、燃料電池システム起動時に、毎回、実行される。
図37のルーチンでは、先ず、アノード入口弁814およびアノード出口弁816が開かれる(ステップS850)。これにより、燃料電池スタック800の水素充填が開始される。
続いて、Z´frontが所定値以下となったら、タイマリセット(T=0)が行われ、時間Tのカウントが開始される(ステップS852)。
ステップS852の後、時間TがT0となったときに、ECU820がアノード入口弁814およびアノード出口弁816に対して制御信号を発する(ステップS854)。ここでは、前回のシステム起動時に更新された最新のT0が使用される。但し、初回のシステム起動時には、予め実験等により定めた初期設定時のT0が使用される。
一方、ステップS852の後、ステップS856も実行される。ステップS856では、Z´endが所定値以下となったときに、タイマがストップされる。これにより、時間T1が記憶される。
なお、ステップS856の実行中に、長期間にわたってZ´endに変化が見られない場合が発生しうる。この場合には、図36のT1´と記したように、アノード入口弁814が、単位セル806に水素が到達する前に閉じてしまったと考えられる。この場合、T0が短すぎると判断できる。よって、ステップS852では、所定の判定時間までにZ´endの変化が認められない場合には、下記の式に従ってT1が更新される。
T1 = (A×T0+ΔT)
A > 1.0
このAの値は事前に定めておく。
T1 = (A×T0+ΔT)
A > 1.0
このAの値は事前に定めておく。
ステップS854およびS856の後、T0の更新処理が実行される(ステップS858)。ステップS858では、下記の式に従って、T0が補正される。
T0 = T0−B×S
B < 1.0
S = T0+ΔT−T1
上記の式によれば、T0がT1に近づくように補正されていく。最終的にT0=T1が成立した場合にはS=0となり、T0の最適化が完了する。
T0 = T0−B×S
B < 1.0
S = T0+ΔT−T1
上記の式によれば、T0がT1に近づくように補正されていく。最終的にT0=T1が成立した場合にはS=0となり、T0の最適化が完了する。
以上の処理によれば、アノード入口弁814やアノード出口弁816に対して制御信号を発するタイミングを、学習により最適化することができる。
[実施の形態8の比較例]
ここで、比較例を用いて、水素センサを用いて燃料電池スタック内の水素濃度を検知する場合に生じる問題を説明する。図38は、実施の形態8の比較例として示す燃料電池スタックの、内部構成の模式図である。比較例の燃料電池スタックは、ダミーセル876を備えている。ダミーセルは876は、スタック内の最も水素流れ下流端に位置する単位セル872(以下「エンドセル872」とも称す)の、さらに奥側に配置されている。ダミーセル876は、内部に発電用の構成を備えていない。
ここで、比較例を用いて、水素センサを用いて燃料電池スタック内の水素濃度を検知する場合に生じる問題を説明する。図38は、実施の形態8の比較例として示す燃料電池スタックの、内部構成の模式図である。比較例の燃料電池スタックは、ダミーセル876を備えている。ダミーセルは876は、スタック内の最も水素流れ下流端に位置する単位セル872(以下「エンドセル872」とも称す)の、さらに奥側に配置されている。ダミーセル876は、内部に発電用の構成を備えていない。
比較例の燃料電池スタックは、アノード入口マニホールド880と、アノード出口マニホールド882、および、水素センサ884を備えている。この構成においてエンドセル872の水素欠が発生した場合、水素センサ884はその水素欠を検知すべきである。
しかし、ダミーセル876を流れてきた水素が水素センサ884に到達してしまうと、水素センサ884が、水素を感知してしまう。ダミーセルは、単位セルに比べて小さな流路抵抗、短い流路長に設計される場合もある。この場合、水素がダミーセル内を速やかに通過してしまう。このように、比較例の構成では、水素センサ884の水素欠検知が阻害されてしまう。
一方、実施の形態8によれば、単位セル806のインピーダンスに基づいて単位セル806の水素濃度を推定している。従って、比較例のような問題を招かない。
[実施の形態8の変形例]
実施の形態8においては、特に、単位セル804のアノード入口部分のインピーダンスと、単位セル806のアノード出口部分のインピーダンスとを、水素濃度推定の基礎とすることが望ましい。単位セルの特定部分のインピーダンスを測定する際には、実施の形態1の実施例2で述べた構成や、実施の形態4で述べた構成、あるいは公知技術を、適宜に利用すればよい。
実施の形態8においては、特に、単位セル804のアノード入口部分のインピーダンスと、単位セル806のアノード出口部分のインピーダンスとを、水素濃度推定の基礎とすることが望ましい。単位セルの特定部分のインピーダンスを測定する際には、実施の形態1の実施例2で述べた構成や、実施の形態4で述べた構成、あるいは公知技術を、適宜に利用すればよい。
実施の形態9.
以下、本発明の実施の形態9にかかる燃料電池システムを説明する。実施の形態9によれば、システム始動時における燃料電池の発電開始を、燃料電池内部の水素濃度が十分に高くなった適切なタイミングで行うことができる。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
以下、本発明の実施の形態9にかかる燃料電池システムを説明する。実施の形態9によれば、システム始動時における燃料電池の発電開始を、燃料電池内部の水素濃度が十分に高くなった適切なタイミングで行うことができる。本実施例にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体に好適である。なお、本実施形態で行われる水素濃度推定の具体的内容は、すでに実施の形態1で説明済みである。このため、以下の説明では、水素濃度推定に関する内容は適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
[実施の形態9の実施例1]
<実施の形態9の実施例1のシステム構成>
図39は、本発明の実施の形態9の実施例1にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例の燃料電池システムは、バイパス管路912と検知用セル930を備える点を除き、実施の形態1の実施例2の燃料電池システム(図10参照)と基本的に同じハードウェア構成を備えている。単位セル920は、単位セル20と同様の構成を備える。
<実施の形態9の実施例1のシステム構成>
図39は、本発明の実施の形態9の実施例1にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施例の燃料電池システムは、バイパス管路912と検知用セル930を備える点を除き、実施の形態1の実施例2の燃料電池システム(図10参照)と基本的に同じハードウェア構成を備えている。単位セル920は、単位セル20と同様の構成を備える。
検知用セル930は、アノードオフガスが流れる管路18に配置される。検知用セル930は、その内部に、単位セル20と同様の発電用の構成(MEA、ガス拡散層等)を備えている。検知用セル930は、アノードに、管路18を流れてくるアノードオフガスの供給を受け、カソードに、管路12に連通するバイパス管路912を流れてくる空気の供給を受ける。検知用セル930には、電流計52および電圧計54が接続されている。ECU50は、電流計52および電圧計54の示す値に基づいて、検知用セル930のインピーダンスの測定値を得ることができる。
図40は、実施の形態9にかかる単位セル920の構成を示す平面図である。単位セル920は、アノードのガス流路の出口924を備えている。出口924近傍の部分922が、最も水素濃度が低い。
<実施の形態9の実施例1の具体的処理>
図41は、実施の形態9の実施例1においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図41のルーチンは、燃料電池システムの起動時に実行される。
図41は、実施の形態9の実施例1においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図41のルーチンは、燃料電池システムの起動時に実行される。
図41のルーチンでは、先ず、図11のルーチンと同様にステップS100、S102、S104がECU50上で実行される。その後、燃料電池スタック910のアノード出口の水素濃度が算出される(ステップS956)。検知用セル930のインピーダンスに基づいて、アノード出口の水素濃度推定値が算出される。
次いで、水素濃度がOKか否かが判定される(ステップS957)。ステップS957では、今回得られたZ´が、燃料電池スタック910の発電可能水素濃度値Z´STA以下か否かが判定される。つまり、Z´≦Z´STAが成立しているか否かが判定される。
ステップS957の条件が成立しなかった場合、つまりZ´>Z´STAの場合には、燃料電池スタック910の発電は待機(つまり発電禁止)され、アノードへ水素が流されるとともに、処理はS956に戻る。その後、S956→S957→S960の処理が繰り返さる。やがて十分にスタック内の水素濃度が高くなったら、Z´≦Z´STAが成立する。
Z´≦Z´STAである場合には、燃料電池スタック10の水素濃度が十分に高いと判断できる。よって、Z´≦Z´STAである場合には、燃料電池スタック910の起動開始処理が行われる(ステップS958)。その後今回のルーチンが終了する。
以上の処理によれば、燃料電池スタック910の起動(発電開始)を、スタック水素濃度が十分に高くなったときに、開始することができる。
[実施の形態9の実施例2]
実施の形態9の実施例2にかかる燃料電池システムの構成は、実施の形態9の実施例1にかかる燃料電池システムと同じ構成である。本実施例は、ECU50が図42のルーチンを実行することにより実現される。
実施の形態9の実施例2にかかる燃料電池システムの構成は、実施の形態9の実施例1にかかる燃料電池システムと同じ構成である。本実施例は、ECU50が図42のルーチンを実行することにより実現される。
図42は、実施の形態9の実施例2においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図42のルーチンは、燃料電池スタック910の発電中に実行される。このルーチンによれば、システム運転中に燃料電池スタック910の水素濃度が過度に低くなった場合に、燃料電池スタック10の発電抑制および水素濃度回復を行うことができる。
図42のルーチンでは、先ず、反応ガスつまり空気及び水素が燃料電池スタック910に供給される(ステップS950)。空気量は潤沢なほうが好ましい。なお、通常発電中であれば既に空気と水素の供給は実行中のため、ステップS950は省略してもよい。その後、図11のルーチンと同様にステップS102、S104がECU50上で実行される。
その後、水素濃度がOKか否かが判定される(ステップS970)。ステップS970では、図11のルーチンのステップS107と同様に、今回得られたZ´が、燃料電池スタック910の発電時の許容水素濃度値Z´P以下か否かが判定される。つまり、Z´≦Z´Pが成立しているか否かが判定される。Z´≦Z´Pである場合には、燃料電池スタック910の水素濃度が十分に高いと判断できる。よって、Z´≦Z´Pである場合には、今回のルーチンが終了する。
ステップS970の条件が成立しなかった場合、つまりZ´>Z´Pの場合には、燃料電池スタック910の発電が停止される。そのうえで、図示しない水素タンクと管路14の間にあるレギュレータの開度増により、管路14を介して燃料電池スタック910に供給される水素ガス量が増加される。なお、Z´>Z´Pの場合に、燃料電池スタック910の発電停止に代えて、燃料電池スタック910の発電量を低減してもよい。この発電量低減の場合には、水素欠による燃料電池内部構成の劣化を招かない程度までに、十分に発電量を低減することが好ましい。
次いで、第2判断指標がOKか否かが判定される(ステップS974)。このステップでは、先ず、ECU50が、S104の時と同じ周波数で、引き続きインピーダンス測定用の処理を実行する。続いて、ECU50は、測定により得られたZ´が、Z´P以下か否かの判定処理を行う。ステップS972以降は、水素量の増大中である。このため、水素濃度はやがて許容水素濃度まで上昇する。これに応じてZ´の値は小さくなり、やがてZ´≦Z´Pが成立する。
ステップS974においてZ´≦Z´Pが成立した場合には、ステップS972で行われていた制御が終了され、発電が再開される(ステップS976)。その後、今回のルーチンが終了する。
以上の処理によれば、燃料電池スタック910内部の水素濃度が所定濃度より低い場合には、燃料電池スタック910の発電禁止または発電抑制を行うことができる。更に、システム運転中に燃料電池スタック910の水素濃度が過度に低くなった場合に、燃料電池スタック10の水素濃度回復を行うことができる。
なお、実施の形態9の燃料電池システムを車両に搭載した場合には、発電停止中や発電量低減中に、車両のバッテリから車両要求出力がまかなわれる(バッテリ走行)。また、水素濃度回復時の余剰電力は、バッテリに充電または放熱板を介して廃棄することができる。
なお、実施の形態9では、検知用セル930をシステムに設置し、検知用セル930のインピーダンス測定値を使って水素濃度推定を行った。しかしながら、検知用セル930を用いなくともよい。この場合には、単位セル920のいずれかに対してインピーダンス測定を行えばよい。好ましくは、実施の形態1の実施例2と同様の構成によって、水素流れの下流部分(部分922)のインピーダンス測定を行えばよい。
なお、上述した実施の形態1〜9では、負荷4、実施の形態1の実施例1にかかる図示しない水素系機器および空気系機器、パージ弁56、排気弁216、排気弁258、パージ弁312、エアポンプ314、水素ポンプ516、パージ弁518、アノード入口弁814、アノード出口弁816が、前記第21、22、25または27の発明にかかる「システム周辺装置」に相当している。
また、上述した実施の形態9では、燃料電池スタック910が、前記第22の発明における「燃料電池」に相当している。また、実施の形態9では、ECU50が図41のルーチンのステップS957を実行することにより、前記第22の発明における「発電制御手段」が実現されている。また、実施の形態9では、ECU50が図42のルーチンのステップS970、S972を実行することにより、前記第22の発明における「発電制御手段」が実現されている。
なお、実施の形態2〜9では、便宜上、インピーダンスの実部の値(Z´)を用いる場合を代表例にして、本発明にかかる水素濃度推定手法を燃料電池システム上で実現する形態を説明した。しかしながら、本発明はこれに限られない。実施の形態2〜9の燃料電池システムに対して、実施の形態1の水素濃度推定手法にかかる種々の値(虚部の値Z´´、絶対値|Z|、位相θ、I−V接線抵抗値|ΔV|/|ΔI|、インピーダンス円弧の曲率半径ρあるいは曲率kその他の数値、フィッティングカーブの長さL)のうち、何れの手法が適用されても良い。それらの値と所定の判定値との比較に基づいて、燃料電池内部の水素濃度に応じて、実施の形態2〜9の各種制御を実行することができる。また、それらの値を用いて定めた水素濃度特性マップに基づいて推定値を算出し、推定値を所定の基準水素濃度値と比較してもよい。
Claims (28)
- アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスまたはアドミタンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記燃料電池のインピーダンス円弧が相対的に大きいときに水素濃度が相対的に低く推定されるように、前記燃料電池内部の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの実部の値を取得する手段と、
前記実部の値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスの虚部の値を取得する手段と、
前記虚部の値の絶対値が所定値以上である場合に、前記燃料電池の水素濃度が所定濃度以下であると推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径または前記数値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、I−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記I−V接線抵抗値に基づいて、前記燃料電池の水素濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池の、インピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値と、前記燃料電池内部の水素濃度との関係を定めた水素濃度特性を記憶した記憶手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスまたは前記I−V接線抵抗値に基づいて、前記水素濃度特性に従って、前記燃料電池内部の水素濃度推定値を算出する推定値算出手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池の水素濃度推定装置。 - 前記燃料電池の電圧がOCV(Open Circuit Voltage)未満となり、かつ、バイアス電圧が所定電圧以上となるように或いはバイアス電流が所定電流以下となるように、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池にバイアスを与える所定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4および6のいずれか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
- 前記燃料電池のOCVを取得するOCV取得手段と、
前記OCV取得手段が取得したOCVの値に基づいて、前記所定バイアス供給手段が前記燃料電池に与える前記バイアスの大きさを、補正するバイアス補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。 - 前記燃料電池のOCVを取得するOCV取得手段と、
前記OCV取得手段が取得したOCVから所定値を減じることにより、目標バイアス電圧を算出する目標バイアス算出手段と、
前記測定手段のインピーダンス測定中に、前記目標バイアス電圧に基づいて、前記燃料電池にバイアスを与える目標バイアス供給手段と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至4および6のいずれか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。 - 前記燃料電池のインピーダンスの低周波数域における周波数特性曲線が複素平面上で実質的に1つの円弧を描く程度の大きさの、バイアス電圧またはバイアス電流を、前記測定手段のインピーダンス測定中に前記燃料電池に与える特定バイアス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4および6のいずれか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
- 前記低周波数域が、100Hz〜0.1Hzであることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。
- 前記測定手段が、
前記燃料電池の電流および電圧を計測するための計測手段と、
前記計測手段の計測値に基づいて、前記燃料電池のI−V特性上におけるOCV付近の所定部分の傾きを算出する手段と、
前記傾きに基づいて、前記I−V接線抵抗値を算出する手段と、
を含むことを特徴とする請求項6または7に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。 - 前記燃料電池内部の水分量を検知または推定する手段を備え、
前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値と、前記検知手段が検知または推定した前記水分量と、に基づいて前記燃料電池内部の水素濃度を推定することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。 - また、第14の発明は、第1乃至第13の発明のいずれか1つの発明において、
前記燃料電池が、固体高分子電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置。 - アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第1単位セルと、アノード流路を有し該アノード流路に水素の供給を受けて発電する第2単位セルと、を、備えた燃料電池と、
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記第1単位セルの前記アノード流路よりも、前記第2単位セルの前記アノード流路のほうが、圧力損失が大きく、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第2単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記第2セルの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池が、前記複数の単位セルのそれぞれの前記アノード流路出口に接続する出口マニホールドを備え、
前記出口マニホールドの出口に接続する弁を、更に備え、
前記第2単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部が、前記第1単位セルのアノード流路出口と前記出口マニホールドとの合流部よりも、流路断面積が小さいことを特徴とする請求項15に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池と、
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記燃料電池が、
それぞれが、入口と出口を備えたアノード流路を有し、該アノード流路に水素の供給を受けて発電する、複数の単位セルと、
前記複数の単位セルのうち第1群の単位セルの、前記アノード流路入口に接続する第1マニホールドと、
前記複数の単位セルのうち第2群の単位セルの、前記アノード流路出口に接続する第2マニホールドと、
前記第1群の単位セルの前記アノード流路出口と、前記第2群の単位セルの前記アノード流路入口と、に接続する第3マニホールドと、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記第2群の単位セルの少なくとも1つの単位セルの、インピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記少なくとも1つの単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記複数の単位セルは、それぞれが平たい形状であり、
前記複数の単位セルは、それぞれ、入口と出口を有し前記アノード流路に対して所定方向を向くように設けられたカソード流路を備え、
前記燃料電池は、前記形状の前記単位セルが、それぞれの前記カソード流路の前記入口の位置と前記出口の位置とが揃うように重ねられた構成を有し、
前記第3マニホールドが、
前記第1群の単位セルの前記アノード流路出口に接続する第1の部分と、
前記第2群の単位セルの前記アノード流路入口に接続する第2の部分と、
前記第1群の単位セルと前記第2群の単位セルとの間に備えられ、前記第1群の単位セルの前記アノード流路と、前記第2群の単位セルの前記アノード流路とが、同じ方向を向くように、前記第1の部分と前記第2の部分とを接続するダミー流路と、を有することを特徴とする請求項17に記載の燃料電池システム。 - アノードに水素の供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する複数の単位セルが積層されることにより形成された単位セル積層体と、前記単位セル積層体を挟むプラス側エンドプレートとマイナス側エンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記単位セル積層体は、前記マイナス側エンドプレートに最も近い端側単位セルを含み、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記端側単位セルのインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記端側単位セルの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。 - 電解質の表面にアノードが設けられた発電体と、前記発電体のアノード側表面に設けられたアノード流路と、を備えた燃料電池と、
前記発電体の前記アノード流路上における特定部分の、電流値および電圧値を計測する部分電気特性計測手段と、
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記水素濃度推定装置の前記測定手段が、前記部分電気特性計測手段の計測した前記電流値と前記電圧値とに基づいて、前記特定部分のインピーダンス、アドミタンスまたはI−V接線抵抗値を測定し、
前記水素濃度推定装置の前記推定手段が、前記測定手段が測定した測定値に基づいて、前記特定部分の水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池を推定対象とする、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の、燃料電池の水素濃度推定装置と、
を備え、
前記制御手段が、前記水素濃度推定装置により得られた水素濃度の推定結果に基づいて前記システム周辺装置の制御を行う手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値以上である場合に前記燃料電池の発電量が低減するようにまたは発電が停止するように、前記測定手段による測定値に基づいて前記システム周辺装置を制御する発電制御手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池の、インピーダンスまたはI−V接線抵抗値を測定する測定手段と、
前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値以上である場合に前記パージが実行されるように、前記測定手段による測定値に基づいて前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記パージ制御手段が、前記パージの実行中に前記燃料電池の前記インピーダンスの絶対値、実部の値、若しくは虚部の値の絶対値、または、I−V接線抵抗値が所定値を下回った場合に前記パージが終了されるように、前記パージ機構を制御することを特徴とする請求項23に記載の燃料電池システム。
- アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
を備え、
前記制御手段が、前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記インピーダンスに基づいて、複素平面上におけるインピーダンス周波数特性曲線の、フィッティングカーブを得るフィッティング手段と、
前記フィッティングカーブの、曲率、曲率半径、長さ、またはこれらと相関を有する数値を取得するカーブパラメータ取得手段と、
前記カーブパラメータ取得手段が取得した前記曲率、前記曲率半径、前記長さまたは前記数値と、所定の判定値との比較に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に接続するシステム周辺装置と、
前記システム周辺装置を制御する制御手段と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記制御手段が、前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて前記燃料電池の発電状態を調節する発電調節手段を、含むことを特徴とする燃料電池システム。 - アノードに水素を受けカソードに酸素を受けて発電する燃料電池と、
燃料電池のアノードのパージをするためのパージ機構と、
前記燃料電池のインピーダンスの位相を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記位相と所定位相との位相差に基づいて、前記パージ機構を制御するパージ制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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