KR101832685B1 - 연료 전지 내부 상태 검출 시스템 및 상태 검출 방법 - Google Patents

연료 전지 내부 상태 검출 시스템 및 상태 검출 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 내부 상태 검출 시스템은, 내부 상태의 지표로서 적절한 추정 대상 상태량을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단과, 연료 전지의 임피던스값을 취득하는 임피던스값 취득 수단과, 취득된 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단하는 임피던스 사용 가부 판단 수단과, 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 임피던스값이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이라고 판단되면, 취득된 임피던스값에 기초하여, 추정 대상 상태량 설정 수단에 의해 설정된 추정 대상 상태량을 산출하는 추정 대상 상태량 산출 수단과, 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 임피던스값이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이 아니라고 판단되면, 사용 불가능 시 처리를 행하는 사용 불가능 시 처리 실행 수단을 갖는다.

Description

연료 전지 내부 상태 검출 시스템 및 상태 검출 방법
본 발명은 연료 전지 내부 상태 검출 시스템 및 내부 상태 검출 방법에 관한 것이다.
연료 전지에 있어서, 수소의 과부족, 산소의 과부족 및 전해질막의 습윤도 등의 다양한 내부 상태를 검출한다는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 수소의 과부족을 검출하기 위해서는, 당해 검출의 지표로서 수소극(애노드극)의 반응 저항값을 사용한다는 것이 알려져 있다. 또한, 전해질막의 습윤 상태를 검출하기 위해, 전해질막 저항값이나 아이오노머 저항값 등의 상태량을 지표로서 사용하는 경우도 있다.
그리고, 상기 상태량을 추정ㆍ산출하는 데 있어서, 임피던스값을 계측하여 사용한다는 것이 알려져 있다.
예를 들어, 일본 특허 공개 제2013-258042호 공보에는, 계측된 임피던스의 허수부로부터 미리 가정된 식에 기초하여 아이오노머 저항값을 산출하고, 이 아이오노머 저항값을 연료 전지의 습윤 상태를 검출하기 위한 지표로서 사용하는 것이 제안되어 있다.
그러나, 일본 특허 공개 제2013-258042호 공보에 있어서 아이오노머 저항값을 산출하기 위한 미리 가정된 식은, 계측된 임피던스값이, 소위 나이퀴스트 선도에 있어서의 임피던스선의 직선부에 속하는 것을 전제로 한 것이다.
따라서, 임피던스값이, 나이퀴스트 선도의 원호부에 속하는 경우에는, 산출되는 아이오노머 저항값에 있어서의 현실의 값과의 오차가 커져, 결과로서 전해질막의 습윤 상태의 검출 정밀도가 저하될 것이 고려된다.
본 발명은 이러한 문제점에 착안하여 이루어진 것이며, 연료 전지의 내부 상태의 검출을 고정밀도로 행할 수 있는 연료 전지 내부 상태 검출 시스템 및 내부 상태 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 연료 전지의 임피던스값에 기초하여 연료 전지의 내부 상태를 검출하는 연료 전지 내부 상태 검출 시스템이 제공된다. 그리고, 이 연료 전지 내부 상태 검출 시스템은, 내부 상태의 지표로서 추정 대상 상태량을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단과, 연료 전지의 임피던스값을 취득하는 임피던스값 취득 수단과, 취득된 임피던스값이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단하는 임피던스 사용 가부 판단 수단과, 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 임피던스값이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이라고 판단되면, 취득된 임피던스값에 기초하여, 추정 대상 상태량 설정 수단에 의해 설정된 추정 대상 상태량을 산출하는 추정 대상 상태량 산출 수단과, 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 임피던스값이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이 아니라고 판단되면, 사용 불가능 시 처리를 행하는 사용 불가능 시 처리 실행 수단을 갖는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지의 사시도이다.
도 2는, 도 1의 연료 전지의 II-II 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 4는, 일 실시 형태에 따른 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 5는, 일 실시 형태에 따른 연료 전지의 내부 상태-상태량 테이블을 도시하는 도면이다.
도 6은, 일 실시 형태에 따른 임피던스값을 취득하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 7은, 일 실시 형태에 있어서, 임피던스값이 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 8은, 연료 전지의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 9는, 일 실시 형태에 있어서 임피던스값이 원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 10은, 일 실시 형태에 있어서 적어도 하나의 임피던스값이 비원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 11은, 허수 성분 임피던스값의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는, 일 실시 형태에 있어서, 임피던스값이 임피던스선의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 13은, 일 실시 형태에 있어서 임피던스값이 원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 14는, 일 실시 형태에 있어서 적어도 하나의 임피던스값이 비원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 15는, 일 실시 형태에 있어서, 임피던스값이 임피던스선의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 16은, 일 실시 형태에 있어서 임피던스값이 원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 17은, 일 실시 형태에 있어서 적어도 하나의 임피던스값이 비원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 18은, 일 실시 형태에 있어서, 임피던스값이 임피던스선의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 19는, 일 실시 형태에 있어서 임피던스값이 비원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 20은, 일 실시 형태에 있어서, 하나의 임피던스값이 원호 영역에 속하고, 또 하나의 임피던스값이 비원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 21은, 일 실시 형태에 있어서, 임피던스값이 원호 영역에 속한다고 판정되는 형태를 설명하는 도면이다.
도 22는, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 23은, 주파수의 재탐색 및 임피던스값의 재취득에 대하여 설명하는 도면이다.
도 24는, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 25는, 임피던스값의 계측 오차의 정도를 설명하는 도면이다.
도 26은, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 27은, 일 실시 형태에 관한 연료 전지의 나이퀴스트 선도이다.
도 28은, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 29는, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 30은, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 31은, 일 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템에 있어서, 소위 여기 전류 인가법에 의한 임피던스 계측을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면 등을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
연료 전지의 셀은, 연료극으로서의 애노드극과 산화제극으로서의 캐소드극에 의해 전해질막을 사이에 끼워 구성되어 있다. 연료 전지의 셀에서는, 수소를 함유하는 애노드 가스가 애노드극에 공급되는 한편, 산소를 함유하는 캐소드 가스가 캐소드극에 공급되어, 이들 가스를 사용함으로써 발전이 행해진다. 애노드극 및 캐소드극의 양쪽 전극에 있어서 진행되는 전극 반응은, 이하와 같다.
애노드극: 2H2→4H++4e- … (1)
캐소드극: 4H++4e-+O2→2H2O … (2)
이들 (1), (2)의 전극 반응에 의해, 연료 전지의 셀은 1V(볼트) 정도의 기전력을 발생시킨다.
도 1 및 도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 셀(10)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 연료 전지 셀(10)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료 전지 셀(10)의 II-II 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 셀(10)은, 막전극 접합체(MEA)(11)와, MEA(11)를 사이에 두도록 배치되는 애노드 세퍼레이터(12) 및 캐소드 세퍼레이터(13)를 구비한다.
MEA(11)는, 전해질막(111)과 애노드극(112)과 캐소드극(113)으로 구성되어 있다. MEA(11)는, 전해질막(111)의 한쪽 면측에 애노드극(112)을 갖고 있고, 다른 쪽 면측에 캐소드극(113)을 갖고 있다.
전해질막(111)은, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이다. 전해질막(111)은, 습윤 상태에서 양호한 전기 전도성을 나타낸다. 또한, 전해질막(111)으로서는, 상정되는 연료 전지의 대응에 따라, 예를 들어 인산(H3PO4)을 소정의 매트릭스에 함침시킨 것 등의 다른 재료를 사용하도록 해도 된다.
애노드극(112)은, 촉매층(112A)과 가스 확산층(112B)을 구비한다. 촉매층(112A)은, Pt 또는 Pt 등이 담지된 카본 블랙 입자에 의해 형성된 부재이며, 전해질막(111)과 접하도록 형성된다. 가스 확산층(112B)은, 촉매층(112A)의 외측에 배치된다. 가스 확산층(112B)은, 예를 들어 가스 확산성 및 도전성을 갖는 카본 클로스나 카본 페이퍼로 형성된 부재이며, 촉매층(112A) 및 애노드 세퍼레이터(12)와 접하도록 형성된다.
애노드극(112)과 마찬가지로, 캐소드극(113)도 촉매층(113A)과 가스 확산층(113B)을 구비한다. 촉매층(113A)은 전해질막(111)과 가스 확산층(113B)의 사이에 배치되고, 가스 확산층(113B)은 촉매층(113A)과 캐소드 세퍼레이터(13)의 사이에 배치된다.
애노드 세퍼레이터(12)는 가스 확산층(112B)의 외측에 배치된다. 애노드 세퍼레이터(12)는, 애노드극(112)에 애노드 가스(수소 가스)를 공급하기 위한 복수의 애노드 가스 유로(121)를 구비하고 있다. 애노드 가스 유로(121)는, 홈형 통로로서 형성되어 있다.
캐소드 세퍼레이터(13)는 가스 확산층(113B)의 외측에 배치된다. 캐소드 세퍼레이터(13)는, 캐소드극(113)에 캐소드 가스(공기)를 공급하기 위한 복수의 캐소드 가스 유로(131)를 구비하고 있다. 캐소드 가스 유로(131)는, 홈형 통로로서 형성되어 있다.
애노드 세퍼레이터(12) 및 캐소드 세퍼레이터(13)는, 애노드 가스 유로(121)를 흐르는 애노드 가스의 흐름 방향과 캐소드 가스 유로(131)를 흐르는 캐소드 가스의 흐름 방향이 서로 역방향으로 되도록 구성되어 있다. 또한, 애노드 세퍼레이터(12) 및 캐소드 세퍼레이터(13)는, 이들 가스의 흐름 방향이 동일한 방향으로 흐르도록 구성되어도 된다.
이러한 연료 전지 셀(10)을 자동차용 전원으로서 사용하는 경우에는, 요구되는 전력이 크기 때문에, 수백매의 연료 전지 셀(10)을 적층한 연료 전지 스택으로서 사용한다. 그리고, 연료 전지 스택에 애노드 가스 및 캐소드 가스를 공급하는 연료 전지 시스템을 구성하여, 차량을 구동시키기 위한 전력을 취출한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략도이다.
연료 전지 시스템(100)은, 연료 전지(1)와, 캐소드 가스 급배 장치(2)와, 애노드 가스 급배 장치(3)와, 전력 시스템(5)과, 컨트롤러(6)를 구비한다.
연료 전지(1)는, 상술한 바와 같이 복수매의 연료 전지 셀(10)(단위 셀)을 적층한 적층 전지이다. 연료 전지(1)는, 애노드 가스 및 캐소드 가스의 공급을 받아, 차량의 주행에 필요한 전력을 발전한다. 연료 전지(1)는, 전력을 취출하는 출력 단자로서, 애노드극측 단자(1A)와 캐소드극측 단자(1B)를 갖고 있다.
캐소드 가스 급배 장치(2)는, 연료 전지(1)에 캐소드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지(1)로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 외부로 배출한다. 캐소드 가스 급배 장치(2)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)와, 캐소드 가스 배출 통로(22)와, 필터(23)와, 에어 플로우 센서(24)와, 캐소드 컴프레서(25)와, 캐소드 압력 센서(26)와, 수분 회수 장치(WRD; Water Recovery Device)(27)와, 캐소드 압력 조절 밸브(28)를 구비한다.
캐소드 가스 공급 통로(21)는, 연료 전지(1)에 공급되는 캐소드 가스가 흐르는 통로이다. 캐소드 가스 공급 통로(21)의 일단은 필터(23)에 접속되고, 타단은 연료 전지(1)의 캐소드 가스 입구부에 접속된다.
캐소드 가스 배출 통로(22)는, 연료 전지(1)로부터 배출되는 캐소드 오프 가스가 흐르는 통로이다. 캐소드 가스 배출 통로(22)의 일단은 연료 전지(1)의 캐소드 가스 출구부에 접속되고, 타단은 개구단으로서 형성된다. 캐소드 오프 가스는, 캐소드 가스나 전극 반응에 의해 발생한 수증기 등을 포함하는 혼합 가스이다.
필터(23)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)에 도입되는 캐소드 가스에 포함되는 티끌이나 먼지 등을 제거하는 부재이다.
캐소드 컴프레서(25)는, 필터(23)보다 하류측의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 캐소드 컴프레서(25)는, 캐소드 가스 공급 통로(21) 내의 캐소드 가스를 압송하여 연료 전지(1)에 공급한다.
에어 플로우 센서(24)는, 필터(23)와 캐소드 컴프레서(25)의 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 에어 플로우 센서(24)는, 연료 전지(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 검출한다.
캐소드 압력 센서(26)는, 캐소드 컴프레서(25)와 WRD(27)의 사이의 캐소드 가스 공급 통로(21)에 설치된다. 캐소드 압력 센서(26)는, 연료 전지(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 검출한다. 캐소드 압력 센서(26)에서 검출된 캐소드 가스 압력은, 연료 전지(1)의 캐소드 가스 유로 등을 포함하는 캐소드계 전체의 압력을 대표한다.
WRD(27)는, 캐소드 가스 공급 통로(21)와 캐소드 가스 배출 통로(22)에 걸쳐 접속된다. WRD(27)는, 캐소드 가스 배출 통로(22)를 흐르는 캐소드 오프 가스 중의 수분을 회수하고, 그 회수한 수분을 사용하여 캐소드 가스 공급 통로(21)를 흐르는 캐소드 가스를 가습하는 장치이다.
캐소드 압력 조절 밸브(28)는, WRD(27)보다 하류의 캐소드 가스 배출 통로(22)에 설치된다. 캐소드 압력 조절 밸브(28)는, 컨트롤러(6)에 의해 개폐 제어되어, 연료 전지(1)에 공급되는 캐소드 가스의 압력을 조정한다.
이어서, 애노드 가스 급배 장치(3)에 대하여 설명한다.
애노드 가스 급배 장치(3)는, 연료 전지(1)에 애노드 가스를 공급함과 함께, 연료 전지(1)로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 캐소드 가스 배출 통로(22)로 배출한다. 애노드 가스 급배 장치(3)는, 고압 탱크(31)와, 애노드 가스 공급 통로(32)와, 애노드 압력 조절 밸브(33)와, 애노드 압력 센서(34)와, 애노드 가스 배출 통로(35)와, 버퍼 탱크(36)와, 퍼지 통로(37)와, 퍼지 밸브(38)를 구비한다.
고압 탱크(31)는, 연료 전지(1)에 공급하는 애노드 가스를 고압 상태로 유지하여 저장하는 용기이다.
애노드 가스 공급 통로(32)는, 고압 탱크(31)로부터 배출되는 애노드 가스를 연료 전지(1)에 공급하는 통로이다. 애노드 가스 공급 통로(32)의 일단은 고압 탱크(31)에 접속되고, 타단은 연료 전지(1)의 애노드 가스 입구부에 접속된다.
애노드 압력 조절 밸브(33)는, 고압 탱크(31)보다 하류의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 애노드 압력 조절 밸브(33)는, 컨트롤러(6)에 의해 개폐 제어되어, 연료 전지(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 조정한다.
애노드 압력 센서(34)는, 애노드 압력 조절 밸브(33)보다 하류의 애노드 가스 공급 통로(32)에 설치된다. 애노드 압력 센서(34)는, 연료 전지(1)에 공급되는 애노드 가스의 압력을 검출한다. 애노드 압력 센서(34)에서 검출된 애노드 가스 압력은, 버퍼 탱크(36)나 연료 전지(1)의 애노드 가스 유로 등을 포함하는 애노드계 전체의 압력을 대표한다.
애노드 가스 배출 통로(35)는, 연료 전지(1)로부터 배출된 애노드 오프 가스를 흘리는 통로이다. 애노드 가스 배출 통로(35)의 일단은 연료 전지(1)의 애노드 가스 출구부에 접속되고, 타단은 버퍼 탱크(36)에 접속된다. 애노드 오프 가스에는, 전극 반응에서 사용되지 않은 애노드 가스나, 캐소드 가스 유로(131)로부터 애노드 가스 유로(121)로 누설되어 온 질소 등의 불순물 가스나 수분 등이 포함된다.
버퍼 탱크(36)는, 애노드 가스 배출 통로(35)를 흘러 온 애노드 오프 가스를 일시적으로 축적하는 용기이다. 버퍼 탱크(36)에 저류된 애노드 오프 가스는, 퍼지 밸브(38)가 열릴 때, 퍼지 통로(37)를 통하여 캐소드 가스 배출 통로(22)로 배출된다.
퍼지 통로(37)는, 애노드 오프 가스를 배출하기 위한 통로이다. 퍼지 통로(37)의 일단은 애노드 가스 배출 통로(35)에 접속되고, 타단은 캐소드 압력 조절 밸브(28)보다 하류의 캐소드 가스 배출 통로(22)에 접속된다.
퍼지 밸브(38)는, 퍼지 통로(37)에 설치된다. 퍼지 밸브(38)는, 컨트롤러(6)에 의해 개폐 제어되어, 애노드 가스 배출 통로(35)로부터 캐소드 가스 배출 통로(22)로 배출하는 애노드 오프 가스의 퍼지 유량을 제어한다.
퍼지 밸브(38)가 밸브 개방 상태로 되는 퍼지 제어가 실행되면, 애노드 오프 가스는, 퍼지 통로(37) 및 캐소드 가스 배출 통로(22)를 통하여 외부로 배출된다. 이때, 애노드 오프 가스는, 캐소드 가스 배출 통로(22) 내에서 캐소드 오프 가스와 혼합된다. 이와 같이 애노드 오프 가스와 캐소드 오프 가스를 혼합시켜 외부로 배출함으로써, 혼합 가스 중의 애노드 가스 농도(수소 농도)가 배출 허용 농도 이하의 값으로 결정된다.
전력 시스템(5)은, 전류 센서(51)와, 전압 센서(52)와, 주행 모터(53)와, 인버터(54)와, 배터리(55)와, DC/DC 컨버터(56)를 구비한다.
전류 센서(51)는, 연료 전지(1)로부터 취출되는 출력 전류를 검출한다. 전압 센서(52)는, 연료 전지(1)의 출력 전압, 즉 애노드극측 단자(1A)와 캐소드극측 단자(1B)의 사이의 단자 간 전압을 검출한다. 또한, 전압 센서(52)는, 연료 전지 셀(10)의 1매마다의 전압을 검출하도록 구성되어도 되고, 연료 전지 셀(10)의 복수매마다의 전압을 검출하도록 구성되어도 된다.
주행 모터(53)는, 3상 교류 동기 모터이며, 차륜을 구동하기 위한 구동원이다. 주행 모터(53)는, 연료 전지(1) 및 배터리(55)로부터 전력의 공급을 받아 회전 구동하는 전동기로서의 기능과, 외력에 의해 회전 구동됨으로써 발전하는 발전기로서의 기능을 갖는다.
인버터(54)는, IGBT 등의 복수의 반도체 스위치로 구성된다. 인버터(54)의 반도체 스위치는, 컨트롤러(6)에 의해 스위칭 제어되고, 이에 의해 직류 전력이 교류 전력으로, 또는 교류 전력이 직류 전력으로 변환된다. 주행 모터(53)를 전동기로서 기능시킬 경우, 인버터(54)는, 연료 전지(1)의 출력 전력과 배터리(55)의 출력 전력의 합성 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여, 주행 모터(53)에 공급한다. 이에 비해, 주행 모터(53)를 발전기로서 기능시킬 경우, 인버터(54)는, 주행 모터(53)의 회생 전력(3상 교류 전력)을 직류 전력으로 변환하여, 배터리(55)에 공급한다.
배터리(55)는, 연료 전지(1)의 출력 전력의 잉여분 및 주행 모터(53)의 회생 전력이 충전되도록 구성되어 있다. 배터리(55)에 충전된 전력은, 필요에 따라 캐소드 컴프레서(25) 등의 보조 기계류나 주행 모터(53)에 공급된다.
DC/DC 컨버터(56)는, 연료 전지(1)의 출력 전압을 승강압시키는 쌍방향성의 전압 변환기이다. DC/DC 컨버터(56)에 의해 연료 전지(1)의 출력 전압을 제어함으로써, 연료 전지(1)의 출력 전류 등이 조정된다.
컨트롤러(6)는, 중앙 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 입출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 구비한 마이크로컴퓨터로 구성된다. 컨트롤러(6)에는, 전류 센서(51)나 전압 센서(52) 등의 각종 센서로부터의 신호 외에, 액셀러레이터 페달의 답입량을 검출하는 액셀러레이터 스트로크 센서(도시하지 않음) 등의 센서로부터의 신호가 입력된다.
컨트롤러(6)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 따라, 애노드 압력 조절 밸브(33)나 캐소드 압력 조절 밸브(28), 캐소드 컴프레서(25) 등을 제어하고, 연료 전지(1)에 공급되는 애노드 가스나 캐소드 가스의 압력이나 유량을 조정한다.
또한, 컨트롤러(6)는, 연료 전지 시스템(100)의 운전 상태에 기초하여, 연료 전지(1)의 목표 출력 전력을 산출한다. 또한, 컨트롤러(6)는, 주행 모터(53)의 요구 전력이나 캐소드 컴프레서(25) 등의 보조 기계류의 요구 전력, 배터리(55)의 충방전 요구 등에 기초하여, 목표 출력 전력을 산출한다.
또한, 컨트롤러(6)는, 상술한 산출된 목표 출력 전력에 기초하여, 미리 정해진 연료 전지(1)의 IV 특성(전류 전압 특성)을 참조하여 연료 전지(1)의 목표 출력 전류를 산출한다. 그리고, 컨트롤러(6)는, 연료 전지(1)의 출력 전류가 목표 출력 전류가 되도록, DC/DC 컨버터(56)에 의해 연료 전지(1)의 출력 전압을 제어하고, 주행 모터(53)나 보조 기계류에 필요한 전류를 공급하는 제어를 행한다.
또한, 컨트롤러(6)는, 연료 전지(1)의 각 전해질막(111)이나 촉매층(112A, 113A)의 습윤도(함수량)가 발전에 적합한 상태가 되도록, 캐소드 컴프레서(25) 등을 제어한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 컨트롤러(6)는, 연료 전지(1)의 임피던스 계측 시, 연료 전지(1)의 출력 전류 및 출력 전압에 소정 주파수의 교류 신호를 중첩한다.
그리고, 이 컨트롤러(6)는, 연료 전지(1)의 제어 전압에 소정 주파수의 교류 신호를 중첩한 값에 대하여 푸리에 변환을 실시한 전압값을, 그 응답인 출력 전류값에 대하여 푸리에 변환을 실시한 전류값으로 나누어, 소정 주파수에 있어서의 연료 전지(1)의 임피던스값 Z를 산출한다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(6)의 도시하지 않은 메모리에, 습윤 상태, 수소 결핍 상태 및 산소 결핍 상태 등의 연료 전지(1)의 내부 상태와, 이들 내부 상태의 지표인 반응 저항이나 전기 이중층 용량 등의 상태량의 관계를 나타내는 내부 상태-상태량 테이블이 기억되어 있다.
또한, 「주파수 f」와 「각주파수 ω」의 사이에는 ω=2πf의 관계가 있다는 것은 알려져 있으며, 이들 사이에는 무차원의 상수 2π를 곱한 차이밖에 없기 때문에, 이하에서는 설명의 간략화를 위해, 「주파수」와 「각주파수」를 동일시하고, 어느 것을 나타내는 경우든 「ω」의 기호를 사용한다. 또한, 하기 제1 내지 제11 실시 형태에 있어서의 각 스텝의 처리는, 특별히 명기한 경우를 제외하고, 컨트롤러(6)에 의해 실행된다.
(제1 실시 형태)
도 4는, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S101에 있어서, 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)의 내부 상태의 지표로서 적절한 추정 대상 상태량이 설정된다. 구체적으로, 이 추정 대상 상태량의 설정에서는, 원하는 연료 전지(1)의 내부 상태에 기초하여, 상술한 내부 상태-상태량 테이블로부터 당해 연료 전지(1)의 내부 상태에 대응하는 상태량이 추출되고, 이 추출된 상태량이 추정 대상 상태량으로서 설정된다.
도 5는, 내부 상태-상태량 테이블의 일례를 도시하고 있다. 도면에서는, 검출해야 할 연료 전지(1)의 내부 상태의 예로서, 습윤 상태(습윤도), 수소량 및 산소량이 도시되어 있다. 여기서, 습윤 상태란 전해질막(111)이나 촉매층(112A, 113A)에 어느 정도의 수분이 포함되어 있는지를 나타내는 수치인 습윤도 w를 의미하며, 당해 습윤 상태의 지표가 되는 상태량으로서 전해질막 저항 및 아이오노머 저항 중 적어도 어느 한쪽이 정해져 있다.
수소량은, 연료인 애노드 가스의 과부족 상태를 나타내는 수치이며, 당해 수소량의 지표가 되는 상태량으로서 전기 이중층 용량 및 애노드극(112)의 반응 저항값이 정해져 있다. 또한, 산소량은 캐소드 가스의 과부족 상태를 나타내는 수치이며, 당해 산소량의 지표가 되는 상태량으로서 캐소드극(113)의 반응 저항값이 정해져 있다.
또한, 이와 같이 검출해야 할 내부 상태의 지표로서 어느 상태량이 적절할지를 규정하는 것은, 실험 데이터 등에 기초하여 적절히 설정되는 것이므로, 상기 내부 상태-상태량 테이블에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 스텝 S102에 있어서, 연료 전지(1)의 임피던스값 Z가 취득된다. 본 실시 형태에서는, 특히 각각 3점의 주파수 ω1, ω2, ω3(수 Hz 내지 수만 Hz, ω1<ω2<ω3)에 있어서, 3개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)을 취득한다. 이하, 그 상세에 대하여 설명한다.
도 6은, 임피던스값을 계측하는 흐름을 도시하는 흐름도이다. 본 실시 형태에 관한 임피던스값의 계측은, 도면에 도시하는 스텝 S1021 내지 스텝 S1024에 따라 행해진다.
우선, 스텝 S1021에 있어서, 임피던스 측정 타이밍에 있어서, 연료 전지(1)로부터 출력되는 출력 전류 및 출력 전압 중 어느 한쪽에 3개의 주파수 ω1, ω2, ω3의 신호가 각각 중첩되도록 DC/DC 컨버터(56)가 제어된다.
스텝 S1022에 있어서, 주파수 ω1, ω2, ω3의 교류 신호가 중첩된 경우에 전류 센서(51)에서 측정되는 각각의 출력 전류값 Iout에 푸리에 변환 처리가 실시되고, 전류 진폭값 Iout(ω1), Iout(ω2), Iout(ω3)이 산출된다.
스텝 S1023에 있어서, 주파수 ω1, ω2, ω3의 교류 신호가 각각 중첩된 경우에 전압 센서(52)에서 측정되는 출력 전압값 Vout에 푸리에 변환 처리가 실시되고, 전압 진폭값 Vout(ω1), Vout(ω2), Vout(ω3)이 산출된다.
스텝 S1024에 있어서, 전압 진폭값 Vout(ω1), Vout(ω2), Vout(ω3)이 각각 전류 진폭값 Iout(ω1), Iout(ω2), Iout(ω3)에 의해 제산되어, 임피던스 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 산출된다.
이어서, 도 4로 복귀하여, 스텝 S103에 있어서, 임피던스값의 사용 가능성이 판단된다.
여기서, 산출된 임피던스값이 사용 가능하다는 것은, 당해 임피던스값에 기초하여 산출되는 추정 대상 상태량이, 현실의 값에 대하여 허용될 정도의 오차에 수렴되도록 일정한 정밀도를 가짐을 의미한다. 또한, 허용될 정도의 오차의 크기는, 여러 가지 상황에 따라 정해지는 것이므로, 일률적으로 그 값이 결정되는 것은 아니지만, 예를 들어 산출되는 추정 대상 상태량이, 현실의 값에 대하여 수％ 이하의 어긋남이 되는 크기일 것이 상정된다.
특히, 본 실시 형태에 있어서는, 복소 평면 상에서 특정되는 연료 전지(1)의 임피던스선이, 저주파수측의 원호 영역 Lc와 고주파수측의 비원호 영역 Lnc(대략 직선상 영역)를 형성한다는 것이 알려져 있으므로, 상기 추정 대상 상태량이 사용 가능한지 여부를, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 각각 저주파수측의 원호 영역 Lc 상에 존재하는지, 고주파수측의 비원호 영역 Lnc 상에 존재하는지에 의해 판단한다.
이하에서는, 본 실시 형태에 있어서, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 각각 원호 영역 Lc 혹은 비원호 영역 Lnc에 속하는지의 판정을 행하는 형태에 대하여 설명한다.
도 7은, 본 실시 형태에 있어서, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이, 임피던스선의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S1031에 있어서, 복소 평면 상에서 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)를 연결하는 원 CY1(도 9 등 참조)을 설정한다. 이 구체적 방법을 설명한다.
도 8은, 연료 전지 셀(10)의 간이 등가 회로를 도시하는 모식도이다. 이 간이 등가 회로란, 실제 연료 전지(1)에 있어서의 전자 수송 저항이나 접촉 저항 등의 회로 요소를 생략한 것이며, 특히 연료 전지(1)의 주된 회로 요소로서 전해질막 저항, 애노드극(112) 또는 캐소드극(113)의 반응 저항 중 어느 한쪽, 및 이들 양극의 전기 이중층 용량 중 어느 한쪽만을 고려하여, 모델의 간략화를 도모한 회로이다.
여기서, 도 8의 등가 회로 모델에 기초하는 연료 전지(1)의 임피던스(이하에서는 간이 회로 임피던스라고도 기재함) Z의 식은,
Figure 112017085390221-pct00001
로 제공된다.
이 식 (1)의 실수 성분을 취하여 변형하면, 전해질막 저항값 Rm은,
Figure 112017085390221-pct00002
로 표시된다. 또한, 식 (1)의 허수 성분을 취하면,
Figure 112017085390221-pct00003
이 얻어진다.
단, Zre, Zim은 각각 연료 전지(1)의 임피던스의 실수 성분과 허수 성분, ω는 교류 신호의 각주파수, Ract는 애노드극(112) 또는 캐소드극(113)의 반응 저항값, 및 Cdl은 애노드극(112) 또는 캐소드극(113)의 전기 이중층 용량값을 의미한다.
따라서, 상술한 취득된 2개의 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)에 있어서의 실수 성분과 허수 성분의 조(Zre1(ω1), Zim1(ω1)), (Zre2(ω2), Zim2(ω2))가 얻어지면, 식 (2) 및 식 (3)에 기초하여, 미지수 Cdl 및 Ract를 구할 수 있으므로, 구해진 미지수 Cdl 및 Ract를 식 (1)에 적용하면 원 CY1이 정해지게 된다. 즉, 원 CY1은, 2개의 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)에 의해 일의적으로 결정할 수 있다.
스텝 S1032에 있어서, 복소 평면 상에서 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)을 연결하는 원 CY2(도 9 등 참조)를 설정한다. 또한, 원 CY2의 구체적인 결정법도 원 CY1의 경우와 마찬가지이며, 원 CY2도 이들 2개의 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)에 의해 일의적으로 결정할 수 있다.
스텝 S1033에 있어서, 원 CY1의 실축과의 교점의 좌표 α1과, 원 CY2의 실축과의 교점의 좌표 α2의 크기의 비교가 행해진다.
스텝 S1034에 있어서, 좌표 α1과 좌표 α2가 서로 실질적으로 일치한다고 판정되면, 스텝 S1035로 진행하고, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속한다고 판정된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 좌표 α1과 좌표 α2가 서로 실질적으로 일치한다는 것은, 차 |α1-α2|가, 계측계의 오차 등을 고려하면서 실질적으로 0이라고 간주할 수 있을 정도의 소정값 이하(예를 들어, α1 또는 α2의 값에 대하여 수％ 이하)임을 의미한다.
도 9에는, 좌표 α1과 좌표 α2가 서로 일치하는 형태가 도시되어 있다.
도면으로부터 명백한 바와 같이, 좌표 α1과 좌표 α2가 서로 일치하는 경우에는, 원 CY1과 원 CY2가 서로 일치함을 의미하므로, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 저주파수측의 원호 영역 Lc에 속하게 된다.
한편, 상기 스텝 S1034에 있어서 좌표 α1과 좌표 α2가 서로 실질적으로 일치하지 않았다고 판정되면, 스텝 S1036으로 진행하고, 적어도 가장 높은 주파수 ω3에 기초하여 취득된 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정된다.
도 10에는, 좌표 α1과 좌표 α2가 서로 일치하지 않는 형태가 도시되어 있다. 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 이 경우, 적어도 Z(ω3)이 고주파수측의 비원호 영역 Lnc에 속해 있다. 한편으로, 도면에 있어서 Z(ω2)는 원호 영역 Lc 상에 있지만, 예를 들어 좌표 α2가 보다 작아지면, Z(ω2)가 비원호 영역 Lnc에 존재하는 경우도 상정된다.
그리고, 상술한 바와 같이, 취득된 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속하는지(스텝 S1035), 또는 적어도 임피던스값 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속하는지(스텝 S1036)에 따라, 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)의 사용 가능성이 판정되게 된다.
여기서, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 각각, 어떻게 원호 영역 Lc 또는 비원호 영역 Lnc에 속하면, 당해 임피던스값에 기초하여 산출된 추정 대상 상태량이 사용 가능한지에 대해서는, 추정 대상 상태량의 종류나 연료 전지(1)의 동작 상황에 따라 바뀌게 된다.
예를 들어, 수소량을 판정하기 위해 추정 대상 상태량으로서 애노드극(112)의 반응 저항값이나 전기 이중층 용량이 설정되는 경우에는, 원호 영역 Lc에 속하는 임피던스값이 사용 가능이고, 비원호 영역 Lnc에 속하는 임피던스값이 사용 불가능이다.
따라서, 상술한 스텝 S1035와 같이, 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속하는 경우에, 이들 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 사용 가능이라고 판단된다. 한편으로, 상술한 바와 같이 스텝 S1036과 같이, 적어도 임피던스값 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속하는 경우에는, 임피던스값 Z(ω3)은 사용 불가능이라고 판단된다.
도 4로 복귀하여, 스텝 S104에 있어서 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3) 중 적어도 어느 하나가 사용 가능이라고 판정되면, 스텝 S106에 있어서, 취득된 임피던스값에 기초하여, 추정 대상 상태량이 산출된다.
그리고, 스텝 S107에 있어서, 산출된 추정 대상 상태량에 기초하여 연료 전지(1)의 내부 상태의 검출이 행해진다. 한편으로, 스텝 S104에 있어서 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3) 모두 사용 불가능이라고 판정되면, 스텝 S105로 진행하고, 사용 불가능 시 처리가 행해진다.
이 스텝 S105에 있어서의 사용 불가능 시 처리에서는, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 연료 전지(1)의 내부 상태의 검출에 사용할 수 없다고 판정됨으로써, 당해 임피던스값을 파기하고 재취득하는 명령이나 검출을 단념하는 명령을 발하는 등의 처리가 행해진다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)가, 내부 상태의 지표로서 추정 대상 상태량을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단(스텝 S101)과, 연료 전지(1)의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)을 취득하는 임피던스값 취득 수단(스텝 S102)과, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단하는 임피던스 사용 가부 판단 수단(스텝 S103)으로서 기능한다. 또한, 컨트롤러(6)는, 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이라고 판단되면, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)에 기초하여, 추정 대상 상태량 설정 수단에 의해 설정된 추정 대상 상태량을 산출하는 추정 대상 상태량 산출 수단(스텝 S106)과, 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이 아니라고 판단되면, 사용 불가능 시 처리를 행하는 사용 불가능 시 처리 실행 수단(스텝 S105)으로서 기능한다.
이에 따르면, 연료 전지(1)의 동작 환경 등의 요인에 의해 원하는 내부 상태의 지표로서 적절한 추정 대상 상태량을 설정하고, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이 당해 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능한지 여부를 확인하여 판단할 수 있다. 따라서, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)에 기초한 추정 대상 상태량의 산출이 정밀도를 유지하고 있는지 여부를 확실하게 파악할 수 있어, 결과로서 연료 전지(1)의 내부 상태의 검출 정밀도가 향상되게 된다.
특히, 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(6)는, 3개의 주파수 ω1, ω2, ω3에 기초하는 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)을 취득하는 임피던스값 취득 수단, 및 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중 적어도 하나가, 복소 평면 상의 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정하고, 해당 판정 결과에 따라, 그 임피던스값이 사용 가능한지 여부를 판단하는 임피던스 사용 가부 판단 수단으로서 기능한다.
예를 들어, 모든 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이, 원호 영역 Lc 상에 존재한다고 판정되는 경우에는, 이들 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3) 중 적어도 2개로부터 구해지는 전기 이중층 용량 Cdl, 애노드극(112)의 반응 저항값, 및 캐소드극(113)의 반응 저항값이 높은 정밀도를 갖게 된다.
따라서, 예를 들어 연료 전지(1)의 수소량이나 산소량이 검출해야 할 내부 상태로 되는 경우이며, 전기 이중층 용량 Cdl, 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra, 및 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc를 추정 대상 상태량으로 설정한 경우에는, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)은 사용 가능이라고 판단된다.
한편으로, 적어도 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정되는 경우에는, 예를 들어 임피던스값 Z(ω3)을 HFR 임피던스값 대신에 사용하거나 하면, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)으로부터 구해지는 전해질막 저항 Rmem 및 아이오노머 저항 Rion이 일정 이상의 정밀도를 갖게 되며, 따라서 이들은 사용 가능이라고 판단된다.
이에 따르면, 원하는 연료 전지(1)의 내부 상태에 대하여 대응하는 추정 대상 상태량이 사용 가능한지 여부를, 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이, 각각 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정한다고 하는 간이한 방법에 의해 판단할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 컨트롤러(6)는, 3개의 주파수 ω1, ω2, ω3에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)으로부터 선택된 2개 이상의 임피던스값으로부터 구해지는 선 CY1, CY2와 실축의 교점의 값을 서로 비교함으로써, 상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값 중 적어도 하나가, 상기 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정하는 임피던스 사용 가부 판단 수단으로서 기능한다(스텝 S1031 내지 스텝 S1036).
구체적으로, 컨트롤러(6)는, 3개의 주파수 ω1, ω2, ω3에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)으로부터 선택된 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)로부터 구해지는 선 CY1과 실축의 교점의 값 α1, 그리고 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)으로부터 구해지는 선 CY2와 실축의 교점의 값 α2를 서로 비교함으로써, 3개의 주파수 ω1, ω2, ω3에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 모두가 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 그들 중 하나인 임피던스값 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정할 수 있다.
이에 의해, 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중 적어도 하나가, 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지라고 하는 판정을, 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)로부터 구해지는 선 CY1과 실축의 교점의 값 α1, 그리고 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)으로부터 구해지는 선 CY2와 실축의 교점의 값 α2를 서로 비교한다고 하는 간이한 방법으로 행할 수 있다.
특히, 본 실시 형태에 있어서는, 선 CY1은 취득한 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)에 기초하여, 선 CY2는 취득한 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)에 기초하여, 도 8에 도시하는 간이적인 등가 회로에 기초하는 식 (1)로부터 정할 수 있으므로, 그 계산이 용이하고, 컨트롤러(6)에 대한 연산 부담도 경감할 수 있다.
(제2 실시 형태)
이하에서는, 제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 특히 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이, 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지의 판정을, 종축 -1/(ωZim)이면서 횡축 1/ω2로 하는 평면 상에 있어서의 허수 성분 임피던스값의 주파수 특성으로부터 얻어지는 전기 이중층 용량값 Cdl에 기초하여 행한다.
도 11은, 본 실시 형태에 있어서 허수 성분 임피던스값의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다. 여기서는, 도면에 일점쇄선으로 나타내는 직선은, 상술한 간이 등가 회로에 기초하는 식 (3)을 도시한 것이다.
한편으로 도면에 도시하는 곡선 CR은, 연료 전지(1)에 있어서 미리 복수의 주파수 ω에서 계측한 허수 성분 임피던스 계측값 Zim(ω)를 플롯하여 그려진 곡선이다.
도시한 바와 같이, 실측에 기초하는 곡선 CR은, 상술한 간이 등가 회로에 기초하는 직선에 대하여 상대적으로 낮은 주파수 영역(원호 영역 Lc)에서는 일치하고 있기는 하지만, 높은 주파수 영역(비원호 영역 Lnc)에서는 일치하지 않고, 급속하게 값이 감소하여 괴리되어 있다.
이것은 즉, 도 8에 도시하는 간이 등가 회로는, 원호 영역 Lc에서는 현실의 연료 전지를 양호하게 모델화하고 있기는 하지만, 비원호 영역 Lnc에서는 양호한 모델화가 되어 있지 않음을 의미한다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 이 사실을 이용하여 3개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이, 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지의 판정을 행한다.
도 12는, 본 실시 형태에 있어서, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이, 임피던스선의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S2031에 있어서, 종축 -1/(ωZim)이면서 횡축 1/ω2로 하는 평면 상에 있어서 임피던스값 Z(ω1)의 허수 성분 Zim1(ω1), 및 임피던스값 Z(ω2)의 허수 성분 Zim2(ω2)를 연결하는 직선 L2를 설정한다.
스텝 S2032에 있어서, 종축 -1/(ωZim)이면서 횡축 1/ω2로 하는 평면 상에 있어서 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)를 연결하는 직선 L3을, 상기 직선 L2의 경우와 마찬가지의 방법으로 설정한다.
스텝 S2033에 있어서, 직선 L2의 종축과의 교점인 전기 이중층 용량값 Cdl1과, 직선 L3의 종축과의 교점인 전기 이중층 용량값 Cdl2의 크기의 비교가 행해진다.
스텝 S2034에 있어서, 전기 이중층 용량값 Cdl1과 전기 이중층 용량값 Cdl2가 서로 실질적으로 일치한다고 판정되면, 스텝 S2035로 진행하고, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속한다고 판정된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 전기 이중층 용량값 Cdl1과 전기 이중층 용량값 Cdl2가 서로 실질적으로 일치한다는 것은, 차 |Cdl1-Cdl2|가, 계측계의 오차 등을 고려하면서 실질적으로 0이라고 간주할 수 있을 정도의 소정값 이하(예를 들어, Cdl1 또는 Cdl2의 값에 대하여 수％ 이하)임을 의미한다.
도 13에는, 전기 이중층 용량값 Cdl1과 전기 이중층 용량값 Cdl2가 서로 일치하는 형태를 설명하는 임피던스 허수 성분 주파수 특성 곡선이 도시되어 있다.
여기서, 도면으로부터도 이해되지만, 직선 L2 및 직선 L3은 어느 쪽도, 도 13에 도시하는 평면 상에 있어서 주파수 ω2에 대응하는 점을 통과하므로, 직선 L2의 절편인 전기 이중층 용량값 Cdl1과 직선 L3의 절편인 전기 이중층 용량값 Cdl2가 서로 일치하는 경우에는, 그들의 기울기도 일치하지 않으면 안되며, 직선 L2와 직선 L3이 서로 일치하게 된다. 따라서, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속하게 된다.
한편, 상기 스텝 S2034에 있어서 전기 이중층 용량값 Cdl1과 전기 이중층 용량값 Cdl2가 서로 실질적으로 일치하지 않는다고 판정되면, 스텝 S2036으로 진행하고, 적어도 가장 높은 주파수 ω3에서 취득된 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정된다.
도 14에는, 전기 이중층 용량값 Cdl1과 전기 이중층 용량값 Cdl2가 서로 일치하지 않는 형태가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 주파수 ω3이 저주파수측에 있고 적어도 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정되는 것이 타당하다. 한편으로, 도면에 있어서 임피던스값 Z(ω2)는 원호 영역 Lc 상에 속하기는 하지만, 예를 들어 전기 이중층 용량값 Cdl2가 보다 작은 값으로서 얻어진 경우에는, 임피던스값 Z(ω2)가 비원호 영역 Lnc에 존재한다고 판정되는 것이 타당한 경우도 상정된다.
그리고, 상술한 바와 같이, 취득된 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이, 원호 영역 Lc 상에 존재하거나, 또는 비원호 영역 Lnc가 판정된 후, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 그 판정 결과에 따라 스텝 S104에 있어서 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)의 사용 가부가 판단되고, 상술한 도 4에 있어서의 스텝 S105 내지 스텝 S107의 처리가 행해지게 된다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)가, 3개의 주파수 ω1, ω2 및 ω3에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)으로부터 선택된 2개 이상의 임피던스값으로부터 구해지는 2개 이상의 전기 이중층 용량값 Cdl1, Cdl2를 서로 비교함으로써, 3개의 주파수 ω1, ω2 및 ω3에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3) 중 적어도 하나가, 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정하는 것으로서 기능한다(스텝 S2031 내지 스텝 S2036).
구체적으로는, 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)를 선택하여 구한 전기 이중층 용량값 Cdl1과, 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)을 선택하여 구한 전기 이중층 용량값 Cdl2를 서로 비교하여, 3개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 모두가 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 그들 중 하나인 임피던스값 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정할 수 있다.
이에 의해, 연료 전지(1)의 상태 검출에 사용하는 추정 대상 상태량의 일종이기도 한 전기 이중층 용량값 Cdl을, 3개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이, 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지의 판정에 사용할 수 있고, 나아가 이들 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)의 사용 가능 판단에 이바지하게 된다.
따라서, 예를 들어 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중 적어도 하나가 사용 가능이라고 판단된 경우이며, 수소량 등의 전기 이중층 용량값 Cdl을 추정 상태량으로 설정해야 할 내부 상태의 검출 시에는, 상기 임피던스의 사용 가부 판단 및 추정 대상 상태량의 연산 공정에 걸리는 처리를 경감할 수 있고, 컨트롤러(6)에 대한 연산 부담도 경감할 수 있다.
(제3 실시 형태)
이하에서는, 제3 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 특히 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이, 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지의 판정을, 종축 -1/(ωZim)이면서 횡축 1/ω2로 하는 평면 상에 있어서의 허수 성분 임피던스값의 주파수 특성으로부터 얻어지는 반응 저항값 Ract에 기초하여 행한다.
도 15는, 본 실시 형태에 있어서, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이, 임피던스선의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S3031에 있어서는, 상기 도 12의 스텝 S2031과 마찬가지로, 종축 -1/(ωZim)이면서 횡축 1/ω2로 하는 평면 상에 있어서 임피던스값 Z(ω1)의 허수 성분 Zim1(ω1), 및 임피던스값 Z(ω2)의 허수 성분 Zim2(ω2)를 연결하는 직선 L2를 설정한다.
또한, 스텝 S3032에 있어서도, 상기 도 12의 스텝 S2032와 마찬가지로, 종축 -1/(ωZim)이면서 횡축 1/ω2로 하는 평면 상에 있어서 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)를 연결하는 직선 L3을, 상기 직선 L2의 경우와 마찬가지의 방법으로 설정한다.
스텝 S3033에 있어서, 직선 L2에 기초하는 반응 저항값 Ract1과, 직선 L3에 기초하는 반응 저항값 Ract2의 크기의 비교가 행해진다.
여기서, 반응 저항값 Ract1은, 예를 들어 상기 식 (3)에, 주파수 ω1 및 ω2, 그리고 취득한 임피던스값의 허수 성분 Zim1(ω1) 및 Zim2(ω2)를 대입하고, 미지수를 Cdl1 및 Ract1로 하는 방정식을 얻어, 이것을 풀음으로써 얻어진다.
특히, 상기 식 (3)이 나타내는 방정식의 직선은, 직선 L2에 일치할 것이다. 따라서, 상술한 스텝 S3031에 있어서 얻어진 직선 L2의 기울기 및 절편의 값과 이 식 (3)의 방정식으로부터 얻어지는 직선의 기울기 1/(Cdl1ㆍRact1 2) 및 절편 Cdl1을 비교함으로써, 반응 저항값 Ract1을 용이하게 산출할 수 있다. 또한, 반응 저항값 Ract2도 마찬가지의 방법으로 산출할 수 있다.
또한, 반응 저항값 Ract1이나 반응 저항값 Ract2를 구할 때, 임피던스값의 허수 성분 Zim에 기초하는 식 (3) 대신에, 임피던스값의 실수 성분 Zre에 기초하는 하기 식
Figure 112017085390221-pct00004
로부터 얻어진 방정식을 사용하도록 해도 된다.
단, 이 경우, 상기 식 (3)에 기초하는 방정식에 대하여 미지수로서 전해질막 저항값 Rmem이 증가하였으므로, 당해 전해질막 저항값 Rmem을 별도로, HFR 등에 의해 정해 둘 필요가 있다.
이어서, 스텝 S3034에 있어서, 반응 저항값 Ract1과 반응 저항값 Ract2가 서로 실질적으로 일치한다고 판정되면, 스텝 S3035로 진행하고, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속한다고 판정된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서 반응 저항값 Ract1과 반응 저항값 Ract2가 서로 실질적으로 일치한다는 것은, 차 |Ract1-Ract2|가, 계측계의 오차 등을 고려하면서 실질적으로 0이라고 간주할 수 있을 정도의 소정값 이하(예를 들어, Ract1 또는 Ract2의 값에 대하여 수％ 이하)임을 의미한다.
도 16에는, 반응 저항값 Ract1과 반응 저항값 Ract2가 서로 일치하는 형태를 설명하는 임피던스 허수 성분 주파수 특성 곡선이 도시되어 있다.
여기서, 직선 L2 및 직선 L3은 어느 쪽도, 도 16에 도시하는 평면 상에 있어서 주파수 ω2에 대응하는 점을 통과한다. 따라서, 반응 저항값 Ract1 및 전기 이중층 용량 Cdl1이 식 (3)에 적용된 경우와, 반응 저항값 Ract2 및 전기 이중층 용량 Cdl2가 식 (3)에 적용된 경우의 쌍방에 있어서, 기지의 주파수 ω2 및 임피던스값의 허수 성분 Zim(ω2)를 당해 식 (3)에 공통되게 대입할 수 있다. 이것을 전제로 하여 반응 저항값 Ract1과 반응 저항값 Ract2가 서로 일치한다(Ract1=Ract2)는 조건이 부과되면, 직선 L2 및 직선 L3의 기울기 및 절편이 서로 일치하고, 양쪽 직선은 완전히 일치하게 된다.
따라서, 이 경우, 도 16으로부터도 명백한 바와 같이, 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이 모두 원호 영역 Lc에 속한다고 판정되는 것이 타당하다.
한편, 상기 스텝 S3034에 있어서 반응 저항값 Ract1과 반응 저항값 Ract2가 서로 실질적으로 일치하지 않았다고 판정되면, 스텝 S3036으로 진행하고, 적어도 가장 높은 주파수 ω3에서 취득된 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정된다.
도 17에는, 반응 저항값 Ract1과 반응 저항값 Ract2가 서로 일치하지 않는 형태가 도시되어 있다. 이 경우, 도면을 참조하면, 주파수 ω3이 저주파수측에 있고 적어도 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정되는 것이 타당하다. 한편으로, 도면에 있어서 임피던스값 Z(ω2)는 원호 영역 Lc 상에 속하기는 하지만, 예를 들어 반응 저항값 Ract2가 보다 작은 값으로서 얻어진 경우에는, 직선 L3의 기울기 1/(Cdl2ㆍRact2 2)가 커져, 임피던스값 Z(ω2)가 비원호 영역 Lnc에 존재한다고 판정되는 것이 타당한 경우도 상정된다.
상술한 바와 같이, 취득된 각 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)이, 원호 영역 Lc 상에 존재하거나, 또는 비원호 영역 Lnc가 판정된 후, 상술한 도 4에 있어서의 스텝 S105 내지 스텝 S107의 처리가 행해지게 된다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)가, 3개의 주파수 ω1, ω2, ω3에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2) 및 Z(ω3)으로부터 선택된 2개 이상의 임피던스값으로부터 추정되는 2개 이상의 반응 저항값 Ract1, Ract2를 서로 비교함으로써 상기 2개 이상의 임피던스값 중 적어도 하나가, 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정하는 임피던스 사용 가부 판단 수단으로서 기능한다(스텝 S3031 내지 스텝 S3036).
구체적으로는, 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)를 선택하여 구한 반응 저항값 Ract1과, 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)을 선택하여 구한 반응 저항값 Ract2를 서로 비교하여, 3개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 모두가 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 그들 중 하나인 임피던스값 Z(ω3)이 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정할 수 있다.
이에 의해, 연료 전지(1)의 상태 검출에 사용하는 추정 대상 상태량의 일종이기도 한 반응 저항값 Ract1을, 3개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)이, 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지의 판정에 사용할 수 있고, 나아가 이들 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3)의 사용 가능 판단에 이바지하게 된다.
따라서, 예를 들어 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중 적어도 하나가 사용 가능이라고 판단된 경우이며, 수소량이나 산소량 등의 반응 저항값 Ract1, Ract2를 추정 상태량으로 설정해야 할 내부 상태의 검출 시에는, 상기 임피던스의 사용 가부 판단 및 추정 대상 상태량의 연산 공정에 걸리는 처리를 경감할 수 있고, 컨트롤러(6)에 대한 연산 부담도 경감할 수 있다.
(제4 실시 형태)
이하에서는, 제4 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 제1 실시 형태에서는, 복소 평면 상에 있어서의 원 CY1(임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)에 기초함)의 실축과의 교점의 좌표 α1과 원 CY2(임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)에 기초함)의 실축과의 교점의 좌표 α2가 일치하는지 여부에 기초하여, 추정 대상 상태량이 사용 가능한지를 판정하였다. 이 대신에, 본 실시 형태에서는 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)에 기초하는 직선과 실축의 교점 및 임피던스값 Z(ω2) 및 Z(ω3)에 기초하는 직선과 실축의 교점의 비교 결과에 기초하여, 추정 대상 상태량이 사용 가능한지를 판정한다.
도 18은, 본 실시 형태에 있어서, 임피던스값이, 임피던스선의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는 흐름을 도시하는 흐름도이다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 가장 높은 주파수 ω3으로서는, 소위 HFR에 상당하는 주파수 ωH가 사용된다. 따라서, 이 주파수 ωH에 있어서의 임피던스값 Z(ωH)가 미리 측정되고, 본 실시 형태에서는 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가, 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정한다.
우선, 스텝 S4031에 있어서, 복소 평면 상에서 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)를 연결하는 직선 L4가 설정된다. 또한, 이 2점의 임피던스값에 있어서의 실수 성분과 허수 성분의 조(Zre1(ω1), Zim1(ω1)), (Zre2(ω2), Zim2(ω2))가 얻어지면, 이것을 연결하는 직선 L4가 정해지게 된다.
스텝 S4032에 있어서, 직선 L4와 실축의 교점의 좌표 α3과, HFR 임피던스값 Z(ωH)의 크기의 비교가 행해진다.
스텝 S4033에 있어서, 좌표 α3의 값과 HFR 임피던스값 Z(ωH)가 서로 실질적으로 일치한다고 판정되면, 스텝 S4034로 진행하고, 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가 쌍방 모두 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 좌표 α3의 값과 HFR 임피던스값 Z(ωH)가 서로 실질적으로 일치한다는 것은, 차 |α3-Z(ωH)|가, 계측계의 오차 등을 고려하면서 실질적으로 0이라고 간주할 수 있을 정도의 소정값 이하(예를 들어, α3 또는 Z(ωH)의 값에 대하여 수％ 이하)임을 의미한다.
도 19에는, 좌표 α3의 값과 HFR 임피던스값 Z(ωH)가 서로 일치하는 형태가 도시되어 있다. 또한, 도면에 있어서는 설명의 편의를 위해, 가상적으로 임피던스선의 비원호 영역 Lnc를 파선으로 도시하고 있지만, 실제로 연료 전지(1)의 임피던스값의 계측 시에 있어서 이와 같이 비원호 영역 Lnc의 형태가 명확하게 정해져 있는 것은 아니다. 또한, 후술하는 도 20 및 도 21에 대해서도 마찬가지로 비원호 영역 Lnc를 파선으로 나타낸다.
도면으로부터 이해되는 바와 같이, 계측에 기초하는 2개의 임피던스 Z(ω1) 및 Z(ω2)를 연결하는 직선 L4와 실축의 교점의 좌표 α3이, 복소 평면 상에 있어서 비원호 영역 Lnc와 실축의 교점이 되는 HFR 임피던스값 Z(ωH)와 실질적으로 일치하는 경우에는, 당해 직선 L4는 임피던스선의 비원호 영역 Lnc에 대략 일치한다고 판정하는 것이 타당하다. 그리고, 이 경우, 가령 직선 L4 상의 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속한다고 가정하면, 비원호 영역 Lnc와 직선 L4가 일치하지 않게 되어 버리므로, 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가 모두 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정되는 것이 타당하다.
한편, 상기 스텝 S4033에 있어서 좌표 α3의 값과 HFR 임피던스값 Z(ωH)가 서로 일치하지 않았다고 판정되면, 스텝 S4035로 진행하고, 좌표 α3의 값이 HFR 임피던스값 Z(ωH)보다 큰지 여부가 판정된다.
그리고, 교점의 좌표 α3이 HFR 임피던스값 Z(ωH)보다 크다고 판정되면, 스텝 S4036으로 진행하고, 상대적으로 작은 값의 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이 적어도 원호 영역 Lc에 속한다고 판정된다.
도 20에는, 직선 L4와 실축의 교점의 좌표 α3이 HFR 임피던스값 Z(ωH)보다 큰 경우의 형태가 도시되어 있다. 이 경우, 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 상대적으로 작은 주파수 ω1(도면 상 우측)에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이 원호 영역 Lc에 속하고, 상대적으로 큰 주파수 ω2(도면 상 좌측)에 대응하는 임피던스값 Z(ω2)는 비원호 영역 Lnc 상에 속한다고 판정되는 것이 타당하다.
한편으로, 상기 스텝 S4035에 있어서 교점의 좌표 α3이 HFR 임피던스값 Z(ωH)보다 작다고 판정되면, 스텝 S4037로 진행하고, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)의 쌍방이 모두 원호 영역 Lc에 속한다고 판정된다.
도 21에는, 직선 L4와 실축의 교점의 좌표 α3이 HFR 임피던스값 Z(ωH)보다 작은 형태가 도시되어 있다. 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 상대적으로 큰 주파수 ω2(도면 상 좌측)에 대응하는 임피던스값 Z(ω2)가 원호 영역 Lc에 속하고, 상대적으로 작은 주파수 ω1(도면 상 우측)에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)도 원호 영역 Lc에 속한다고 판정되는 것이 타당하다.
그리고, 상술한 바와 같이, 각 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가, 원호 영역 Lc 상에 존재하거나, 또는 비원호 영역 Lnc가 판정된 후, 상술한 도 4에 있어서의 스텝 S105 내지 스텝 S107의 처리가 행해지게 된다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)는, 3개의 주파수 ω1, ω2, ωH에서 취득된 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ωH)로부터 선택된 2개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2)로부터 구해지는 선 L4와 실축의 교점의 값 α3과, 고주파수대에 있어서의 주파수 ωH에서 취득된 고주파수 임피던스값 Z(ωH)를 서로 비교함으로써, 2개의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2)가, 임피던스선에 있어서의 원호 영역 Lc에 속하는지, 또는 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 판정하는 임피던스 사용 가부 판단 수단으로서 기능한다.
따라서, 본 실시 형태에 따르면, 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가, 각각 원호 영역 Lc에 속하는지, 혹은 비원호 영역 Lnc에 속하는지를 보다 상세하게 파악할 수 있고, 당해 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)에 기초하는 추정 대상 상태량의 한층 더한 정밀도 향상에 이바지하게 된다.
(제5 실시 형태)
이하에서는, 제5 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서는, 특히 제1 실시 형태에 있어서 설명한 도 4의 스텝 S105에 있어서의 사용 불가능 시 처리에 있어서, 주파수 ω가 재탐색되고, 사용 가능한 임피던스값 Z(ω)를 찾아내어 재취득된다. 또한, 본 실시 형태에서는 설명의 간략화를 위해, 하나의 주파수 ω1에 있어서 취득된 임피던스값 Z(ω1)이 비원호 영역 Lnc에 속하면 사용 불가능이라고 판단되고, 원호 영역 Lc에 속하면 사용 가능이라고 판단되는 케이스에 대하여 설명한다. 그러나, 본 실시 형태의 범위는 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 22는, 본 실시 형태에 관한 사용 불가능 시 처리의 구체적 처리의 흐름을 도시하는 흐름도이다. 특히 도 22에 있어서 도 4에 비하여 특징적인 공정은, 스텝 S1051 및 스텝 S1052이다.
즉, 스텝 S1051에서는, 상술한 바와 같이 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이, 비원호 영역 Lnc에 속하기 때문에 사용 불가능이라고 판단된 스텝 S104 후에 있어서, 주파수 ω1보다 단계적으로 작아지는 새로운 주파수 ω1 -2, 주파수 ω1 -3 및 주파수 ω1-4가 탐색된다.
그리고, 스텝 S1052에 있어서, 상기 주파수 ω1 -2, 주파수 ω1 -3 및 주파수 ω1-4에 각각 대응하는 임피던스값 Z(ω1 -2), Z(ω1 -3) 및 Z(ω1 - 4)가 취득된다. 또한, 임피던스값의 취득 방법은, 예를 들어 도 6에서 설명한 방법과 마찬가지의 방법에 의해 행해진다.
도 23은, 주파수의 재탐색 및 임피던스값의 재취득에 대하여 설명하는 도면이다. 또한, 해당 도면에 있어서도 설명의 편의를 위해, 가상적으로 임피던스선의 비원호 영역 Lnc를 파선으로 나타내고 있다.
도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이 비원호 영역 Lnc에 속하므로, 단계적으로 작아지는(즉, 도면 상에 있어서 점차 좌측을 향하는) 새로운 주파수 ω1 -2, 주파수 ω1 -3 및 주파수 ω1 - 4에 있어서 대응하는 임피던스값 Z(ω1 -2), Z(ω1 -3) 및 Z(ω1 - 4)가 취득된다.
그리고, 스텝 S103으로 복귀하여, 재취득한 임피던스값 Z(ω1 -2), Z(ω1 -3) 및 Z(ω1-4)가, 원호 영역 Lc에 속하는지 여부가 판정됨으로써, 임피던스 사용 가능성이 판단된다.
여기서, 원호 영역 Lc에 속하는지 여부의 판정에 대해서는, 예를 들어 이들 3개의 임피던스값 Z(ω1 -2), Z(ω1 -3) 및 Z(ω1 - 4)로부터 2개의 임피던스값을 임의로 선택하여, 당해 2개의 임피던스값에 대하여, 도 7에 도시하는 스텝 S1031 내지 스텝 S1036의 처리, 도 12에 도시하는 스텝 S2031 내지 스텝 S2036의 처리, 도 15에 도시하는 스텝 S3031 내지 스텝 S3036의 처리, 또는 스텝 S4031 내지 스텝 S4037의 처리 중 어느 하나, 또는 이들을 조합함으로써 실행할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 도 23에 도시하는 바와 같이 임피던스값 Z(ω1 - 4)가 원호 영역 Lc에 속해 있으므로, 임피던스값 Z(ω1 - 4)가 원호 영역 Lc에 속한다고 판정되게 되어, 결과로서 도 22의 스텝 S104에 있어서 임피던스값 Z(ω1 - 4)가 사용 가능이라고 판단된다. 따라서, 스텝 S106 이후의 처리가 행해지게 된다.
한편으로, 스텝 S103에 있어서 재취득된 임피던스값 Z(ω1-2), Z(ω1-3) 및 Z(ω1-4) 모두 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판정되어 스텝 S104에 있어서 사용 불가능이라고 판단된 경우에는, 상기 스텝 S1051로 복귀하고, 다시 주파수를 탐색하는 처리가 행해진다. 이러한 주파수 탐색 처리는, 사용 가능한 임피던스값이 취득될 때까지 반복할 수 있다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)는, 임피던스값을 취득해야 할 주파수를 재탐색하고, 재탐색된 주파수 ω1 -2, ω1 -3, ω1 -4에 대응하는 임피던스값 Z(ω1 -2), Z(ω1 -3) 및 Z(ω1 - 4)를 취득하는 사용 불가능 시 처리 실행 수단으로서 기능한다.
이에 의해, 사용 불가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1)을 사용하여, 연료 전지(1)의 내부 상태를 잘못해서 추정하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
특히, 재취득하여 사용 가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1 - 4)에 기초하여 추정 대상 상태량을 산출함으로써 당해 추정 대상 상태량의 정밀도가 향상되고, 보다 양호한 연료 전지(1)의 동작 제어에 이바지하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 상기 스텝 S1052에 있어서 재취득된 임피던스값 Z(ω1-2), Z(ω1 -3) 및 Z(ω1 - 4)에 대하여, 다시, 스텝 S103에 있어서 사용 가능성이 판단되도록 하고 있다.
그러나, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 원래 주파수에 대하여 그 값을 크게 변경한 재탐색 주파수를 사용하여, 재취득된 임피던스값이 사용 가능하게 될 수 있을 가능성을 높임으로써, 상기 스텝 S103에 관한 재차의 사용 가능성의 판단 공정을 생략하여, 처리를 경감하도록 해도 된다.
(제6 실시 형태)
이하에서는, 제6 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 내지 제5 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서는, 특히 도 4의 스텝 S105에 있어서의 사용 불가능 시 처리에 있어서, 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이, 비원호 영역 Lnc에 속하기 때문에 사용 불가능이라고 판단된 경우, 임피던스값 Z(ω1)의 계측에 관한 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)의 감도 향상 처리가 행해진 후에, 임피던스값이 재계측된다.
도 24는, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다. 도 24에 있어서 도 4와 비교하여 특징적인 공정은, 스텝 S1061 내지 스텝 S1063이다.
우선, 스텝 S1061에 있어서, 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이, 비원호 영역 Lnc에 속하기 때문에 사용 불가능이라고 판단된 스텝 S104 후에, 임피던스값 Z(ω1)의 계측의 감도를 향상시키는 처리가 행해진다.
여기서 임피던스값 Z(ω1)의 계측의 감도를 향상시키는 처리의 예는, 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)의 검출값 신호의 S/N비를 향상시키는 처리 등이다. 이 S/N비를 향상시키는 처리로서는, 예를 들어 연료 전지(1)에 실제로 인가되는 전압 진폭값 또는 전류 진폭값을 증가시키는 처리를 들 수 있다.
도 25는, 본 실시 형태에 관한 임피던스값 Z(ω1)의 계측 오차의 정도를 설명하는 도면이다. 또한, 당해 도면에 있어서도 설명의 편의를 위해, 가상적으로 임피던스선의 비원호 영역 Lnc를 파선으로 나타내고 있다.
도시한 바와 같이, 임피던스값 Z(ω1)은 실제로는 원호 영역 Lc에 속해 있다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)의 감도가 낮은 등의 요인으로 도면의 화살표로 나타내는 범위에서 계측 오차가 발생할 것이 상정된다. 이 경우, 도면의 화살표의 선단 근방은, 비원호 영역 Lnc측으로 진출해 있다는 점에서 알 수 있는 바와 같이, 임피던스값 Z(ω1)이 잘못해서 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정될 가능성이 있다. 즉, 본 실시 형태에 있어서는, 상기 감도 향상 처리는 이러한 오판정의 가능성을 저감시키는 것을 의도로 하여 행해지는 것이다.
그리고, 스텝 S1062에 있어서, 감도 향상 처리가 행해진 후에 있어서 임피던스값 Z(ω1)이 재계측된다. 여기서, 임피던스값 Z(ω1)의 계측은, 예를 들어 도 6에서 설명한 방법과 마찬가지의 방법에 의해 행해진다.
이어서, 스텝 S1063에 있어서, 재계측된 임피던스값 Z(ω1)이 사용 가능한지 여부가 판단된다. 즉, 임피던스값 Z(ω1)이 원호 영역 Lc에 속하는지 여부가 판정된다.
또한, 이 판정에 대해서는, 예를 들어 이들 3개의 임피던스값 Z(ω1 -2), Z(ω1-3) 및 Z(ω1 - 4)로부터 2개의 임피던스값을 임의로 선택하여, 당해 2개의 임피던스값에 대하여, 도 7에 도시하는 스텝 S1031 내지 스텝 S1036의 처리, 도 12에 도시하는 스텝 S2031 내지 스텝 S2036의 처리, 도 15에 도시하는 스텝 S3031 내지 스텝 S3036의 처리, 또는 스텝 S4031 내지 스텝 S4037의 처리 중 어느 하나, 또는 이들을 조합함으로써 실행할 수 있다.
그리고, 스텝 S1063에 있어서, 재계측한 임피던스값 Z(ω1)이 원호 영역 Lc에 속하는지 여부가 판정됨으로써, 임피던스값 Z(ω1)이 사용 가능한지 여부가 판단된다. 여기서, 재계측한 임피던스값 Z(ω1)이 사용 가능이라고 판단되면, 도 4에서 설명한 스텝 S106으로 진행하고, 이후의 처리가 행해진다.
한편으로, 스텝 S1063에 있어서, 재계측되었음에도 불구하고 임피던스값 Z(ω1)이 비원호 영역 Lnc에 속한다고 판정된 경우에는, 처리를 종료한다. 즉, 감도 향상 처리가 행해져 계측 정밀도가 향상되었음에도 불구하고, 사용 불가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1)은, 스텝 S101에 있어서 설정된 추정 대상 상태량의 산출에는 어울리지 않는다고 판단되어, 추정 대상 상태량의 산출을 단념하고 그대로 처리를 종료한다.
또한, 임피던스값 Z(ω1)이 사용 불가능이라고 판단된 경우에 있어서 추정 대상 상태량의 산출을 단념한 경우라도 스텝 S107로 진행하고, 사전에 설정된 다른 값을 대용하여 당해 값에 기초하여 각 추정 대상 상태량을 산출하도록 해도 된다. 또한, 임피던스값 Z(ω1)이 사용 불가능이라고 판단된 후에, 상기 제5 실시 형태에 관한 주파수 재탐색 처리를 행하도록 해도 된다. 또한, 임피던스값 Z(ω1)의 취득 정밀도를 향상시키는 처리를 행하여, 임피던스값을 재계측하도록 해도 된다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)는, 임피던스값 취득 수단의 취득 감도를 향상시켜 해당 임피던스값 Z(ω1)을 재취득하는 사용 불가능 시 처리 실행 수단으로서 기능한다.
즉, 전류 센서(51) 및 전압 센서(52)의 검출값 신호의 S/N비를 향상시키는 등의 임피던스 계측계의 감도를 높임으로써 임피던스값 Z(ω1)의 취득 정밀도를 향상시켜, 계측계의 오차의 영향을 저감하고, 임피던스값 Z(ω1)이 사용 가능임에도 불구하고, 잘못해서 사용 불가능이라고 판단되는 것을 방지할 수 있다. 결과로서, 임피던스값 Z(ω1)에 기초하여 산출되는 추정 대상 상태량의 정밀도가 향상되고, 보다 양호한 연료 전지(1)의 내부 상태의 검출 정밀도가 보다 향상되게 된다.
(제7 실시 형태)
이하에서는, 제7 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서는, 특히 제1 실시 형태에 있어서 설명한 도 4의 스텝 S105에 있어서의 사용 불가능 시 처리에 있어서, 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이, 비원호 영역 Lnc에 속하기 때문에 사용 불가능이라고 판단된 경우, 설정된 추정 대상 상태량의 조 추정값을 설정하고, 추정 대상 상태량으로서 조 추정값이 산출되어, 도 4에 있어서의 스텝 S106의 처리가 행해진다.
도 26은, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다. 특히, 도 26에 있어서 도 4와 비교하여 특징적인 공정은, 스텝 S1071이다.
즉, 상술한 바와 같이 주파수 ω1에 대응하는 임피던스값 Z(ω1)이, 비원호 영역 Lnc에 속하기 때문에 사용 불가능이라고 판단된 스텝 S104 후에, 스텝 S1071에 있어서, 원하는 상태량의 조 추정값이 산출된다.
여기서, 조 추정값의 산출 방법으로서는 다양한 방법이 선택 가능하다. 일례로서는, 굳이, 상술한 바와 같이 사용 불가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1)에 기초하여, 연료 전지(1)의 추정 대상 상태량을 조 추정값으로서 산출하는 것이다.
이 경우, 산출된 연료 전지(1)의 상태량은, 물론, 실제 값에 대하여 오차가 커서, 정밀도로서는 불충분하다. 그러나, 추정 대상 상태량의 값을 개산하여 연료 전지(1)의 대략적인 내부 상태를 어림잡을 수 있다고 하는 점에 대하여 일정한 유용성이 있다.
한편으로, 상기 사용 불가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1)을 사용하지 않고, 다른 방법으로 조 추정값을 산출할 수도 있다. 이러한 조 추정값의 산출의 일례를, 추정 대상 상태량으로서, 연료 전지(1)의 촉매층(112A, 113A) 등에 기인하는 아이오노머 저항값 Rion이 설정되는 경우에 대하여 설명한다.
도 27은, 적어도 2개의 임피던스값의 실측값을 적용하여 상기 식 (1)로부터 구한 이상적인 임피던스 곡선(등가 회로 임피던스 곡선 C1이라고도 기재함), 및 미리 소정 조건 하에서 측정된 임피던스의 실측값에 기초하는 임피던스 곡선(실측 임피던스 곡선 C2라고도 기재함)을 도시한다.
그리고, 본 발명자들의 예의 연찬의 결과, 등가 회로 임피던스선 C1과 실축의 교점의 값인 전해질막 저항값 Rmem과, 실측 임피던스선 C2와 실축의 교점의 값인 HFR 임피던스값 Z(ωH)의 차가, 아이오노머 저항값 Rion의 1/3에 상당함을 알 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는 3×(Rmem-Z(ωH))를 아이오노머 저항값 Rion으로 조 추정한다.
여기서, 상기 식 (1)에 있어서 Rmem, Ract 및 Cdl이 미지수인바, 저주파수 영역에 있어서의 주파수 2점에 있어서의 임피던스값을 사용하면, 당해 Rmem을 산출할 수 있다. 또한, 다른 방법에 의해 아이오노머 저항값 Rion을 추정해도 된다.
그리고, 조 추정값이 산출되면 스텝 S106 이후의 처리가 행해진다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)는, 추정 대상 상태량 산출 수단에 대하여, 추정 대상 상태량으로서 조 추정값 Rion을 산출시키는 사용 불가능 시 처리 실행 수단으로서 기능한다.
이에 의해, 추정 대상 상태량을 개산하여 연료 전지(1)의 대략적인 내부 상태를 어림잡을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템은, 대략적인 내부 상태의 파악으로 충분한 제어계에 있어서 유용하다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서의 스텝 S1071의 조 추정값의 산출 대신에, 취득한 임피던스값의 사용이 불가능이라고 판단된 경우에는, 내부 상태의 검출을 단념하도록 해도 된다. 이에 의해, 정밀도가 낮은 추정 대상 상태량을 사용하는 것을 확실하게 방지하여, 내부 상태의 추정 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다.
(제8 실시 형태)
이하, 제8 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 내지 제7 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 파악해야 할 연료 전지(1)의 내부 상태가 수소량인 경우에 대하여 설명한다.
도 28은, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S'101에 있어서, 연료 전지(1)의 수소량을 검출하기 위한 지표로서 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량 Cdl이 추정 대상 상태량으로서 설정된다. 또한, 이 추정 대상 상태량인 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량 Cdl은, 연료 전지(1)의 수소량에 대응하는 것으로서 도 5에 도시한 내부 상태-상태량 테이블로부터 추출된 것이다.
스텝 S'102에 있어서, 3점의 주파수 ω1, ω2, ω3(ω1<ω2<ω3)에 있어서의 임피던스값이 취득된다. 이 주파수 ω1, ω2, ω3은, 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra를 산출하기 위해 적합한 후술하는 소정의 주파수대에 포함된다. 또한, 임피던스값의 구체적인 취득 방법에 대해서는, 도 6의 스텝 S1021 내지 스텝 S1024에서 나타낸 방법과 마찬가지이다.
그리고, 스텝 S'103에 있어서, 주파수 ω1, ω2, ω3에 있어서의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중, 적어도 2개의 임피던스값, 특히 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가 원호 영역 Lc에 속하는지 여부가 판정된다.
그리고, 스텝 S'104에 있어서, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)의 쌍방이 원호 영역 Lc에 속하면 사용 가능이라고 판단하고, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판정되면 사용 가능이 아니라고 판단된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)가 모두 원호 영역 Lc에 속하는 경우에, 임피던스값이 사용 가능이라고 판단되게 된다.
또한, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)가 각각 원호 영역 Lc에 속하는지 여부의 판정은, 예를 들어 도 7에 도시하는 스텝 S1031 내지 스텝 S1036의 처리, 도 12에 도시하는 스텝 S2031 내지 스텝 S2036의 처리, 도 15에 도시하는 스텝 S3031 내지 스텝 S3036의 처리, 또는 스텝 S4031 내지 스텝 S4037의 처리 중 어느 하나, 또는 이들을 조합함으로써 실행할 수 있다.
그리고, 스텝 S'106에서는, 스텝 S'104에 있어서 사용 가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)에 기초하여, 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl이 산출된다. 이 산출법의 일례를 설명한다.
우선, 주파수 ω1 및 ω2, 그리고 산출한 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)의 허수 성분 Zim(ω1) 및 Zim(ω2)를 상기 식 (3)에 대입하고, 미지수를 Ract 및 Cdl로 하는 방정식을 얻어 이것을 풀음으로써 Ract 및 Cdl이 구해진다.
특히, 상기 식 (3)에 대하여, 종축에 (-1/ωZim), 횡축에 (1/ω2)로 취하고 2개의 주파수 ω1 및 ω2에서 당해 좌표 상의 2점을 플롯하여 직선을 그리고, 이 직선의 기울기 및 절편을 구하면, 이 기울기가 (1/(CdlㆍRact 2))와 동등해지고, 절편이 (Cdl)과 동등해진다는 점에서, 반응 저항값 Ract를 용이하게 산출할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는 이 반응 저항값 Ract를 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra로 간주할 수 있다.
또한, 본래라면 상기 식 (3)에 기초하여 구한 반응 저항값 Ract에는, 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra의 성분뿐만 아니라, 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc의 성분이 포함되어 있다고 생각되므로, 반응 저항값 Ract를 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra로 하는 추정이 반드시 적당하다고는 할 수 없다.
그러나, 본 발명자들의 예의 연찬의 결과, 상기 식 (3)에 기초하여 얻어진 반응 저항값 Ract를 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra로 해도, 수소량의 검출 시에는 일정한 신뢰성이 있는 값을 얻을 수 있는 소정의 주파수대가 존재한다는 것을 알 수 있었다.
즉, 이 주파수대란, 수소량이 비교적 적은 수소 결핍 시에 있어서 상기 식 (3)에 기초하여 구한 반응 저항값 Ract와, 산소량이 비교적 적은 산소 결핍 시에 있어서 상기 식 (3)에 기초하여 구한 반응 저항값 Ract의 차가 일정값 이상 이격되어 있는 주파수이다. 일반적으로 말하자면, 수소 가스의 과부족에 대해서만 반응 저항값 Ract가 고정밀도와 상관되어 변동되는 주파수대이다. 그리고, 이 주파수대는, 예를 들어 10Hz 내지 100Hz, 보다 바람직하게는 20Hz 내지 50Hz, 가장 바람직하게는 30Hz 근방이다. 따라서, 이러한 주파수대에 있어서 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)의 계측을 행하면, 식 (3)으로부터 구해지는 반응 저항값 Ract를 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra로 보아도 고정밀도로 수소량의 검출을 행할 수 있다.
그리고, 스텝 S'107에 있어서, 산출된 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl에 의해, 연료 전지(1)의 수소량이 검출된다. 당해 검출의 구체적인 방법으로서는, 예를 들어 미리 실험 등에 의해 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl과, 연료 전지(1)의 수소량의 관계를 테이블로서 기억해 두고, 산출된 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl에 따라 당해 테이블을 참조하여, 실제 연료 전지(1)의 수소량을 검출하도록 할 수 있다.
또한, 수소량의 부족에 의해 수소 결핍 상태라고 검출되는 기준이 되는 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra나 전기 이중층 용량값 Cdl의 역치를 정해 두고, 반응 저항값 Ra나 전기 이중층 용량값 Cdl의 산출값이 상기 역치를 초과한 경우에 수소 결핍이라고 검출하고, 그렇지 않은 경우에는 수소가 충분하다고 검출하는 등의 이치적인 검출 형태를 채용하도록 해도 된다.
한편, 상기 스텝 S'104에 있어서, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판단되면, 스텝 S105로 진행하고, 제5 실시 형태 내지 제7 실시 형태에서 설명한 사용 불가능 시 처리가 행해진다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)는, 검출하는 내부 상태가 수소량인 경우에, 추정 대상 상태량으로서 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단으로서 기능한다.
이에 따르면, 연료 전지(1)의 수소량의 지표로서 적절한 상태량인 반응 저항값 Ract 및 전기 이중층 용량값 Cdl을 설정할 수 있고, 취득한 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2)가 반응 저항값 Ract 및 전기 이중층 용량값 Cdl의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 결과로서 연료 전지(1)의 수소량의 고정밀도의 검출에 이바지하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 애노드극(112)의 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl의 쌍방을, 내부 상태로서의 수소량에 대응하는 추정 대상 상태량으로서 설정하고 있지만, 반응 저항값 Ra 및 전기 이중층 용량값 Cdl 중 어느 한쪽만을 추정 대상 상태량으로서 설정하도록 해도 된다.
(제9 실시 형태)
이하, 제9 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 내지 제8 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 파악해야 할 연료 전지(1)의 내부 상태가 습윤 상태(습윤도)인 경우에 대하여 설명한다. 즉, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)가 건조 상태인지 그렇지 않은지를 검출할 수 있다.
도 29는, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S"101에 있어서, 연료 전지(1)의 습윤도를 검출하는 지표로서 아이오노머 저항값 Rion이 추정 대상 상태량으로서 설정된다. 또한, 이 추정 대상 상태량인 아이오노머 저항값 Rion은, 습윤도에 대응하는 것으로서 도 5에 도시한 내부 상태-상태량 테이블로부터 추출된 것이다.
이어서, 스텝 S"102에 있어서, 3점의 주파수 ω1, ω2 및 ω3에 있어서의 임피던스값이 취득된다. 또한, 임피던스값의 구체적인 취득 방법에 대해서는, 도 6의 스텝 S1021 내지 스텝 S1024에서 나타낸 방법과 마찬가지이다.
그리고, 스텝 S"103에 있어서, 복수점의 주파수 ω1, ω2, ω3에 있어서의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중, 적어도 2개의 임피던스값, 특히 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가 원호 영역 Lc에 속하는지 여부가 판정된다. 또한, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)가 각각 원호 영역 Lc에 속하는지 여부의 판정은, 예를 들어 도 7에 도시하는 스텝 S1031 내지 스텝 S1036의 처리, 도 12에 도시하는 스텝 S2031 내지 스텝 S2036의 처리, 도 15에 도시하는 스텝 S3031 내지 스텝 S3036의 처리, 또는 스텝 S4031 내지 스텝 S4037의 처리 중 어느 하나, 또는 이들을 조합함으로써 실행할 수 있다.
그리고, 스텝 S"104에 있어서, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)의 쌍방이 원호 영역 Lc에 속하면 사용 가능이라고 판단되어 스텝 S''106으로 진행하고, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판정되면 사용 가능이 아니라고 판단되어 스텝 S105로 진행한다.
그리고, 스텝 S"106에서는, 스텝 S"104에 있어서 사용 가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)에 기초하여, 및 미리 계측된 HFR 임피던스값 Z(ωH)에 기초하여, 아이오노머 저항값 Rion이 산출된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 아이오노머 저항값 Rion은, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)에 기초하여 선택된 전해질막 저항값 Rmem으로부터 HFR 임피던스값 Z(ωH)를 뺀 값의 3배로서 제공된다(도 27 참조).
그리고, 스텝 S"107에 있어서, 산출된 아이오노머 저항값 Rion에 의해, 연료 전지(1)의 습윤도가 검출된다. 당해 검출의 구체적인 방법으로서는, 예를 들어 미리 실험 등에 의해 아이오노머 저항값 Rion과, 연료 전지(1)의 습윤 상태의 지표인 습윤도의 관계를 테이블로서 기억해 두고, 산출된 아이오노머 저항값 Rion에 따라 당해 테이블을 참조하여, 실제 연료 전지(1)의 습윤도를 검출하도록 할 수 있다.
또한, 연료 전지(1)가 과건조 상태나 과습윤 상태이면 검출되는 기준이 되는 특정한 아이오노머 저항값 Rion을 역치로서 정해 두고, 아이오노머 저항값 Rion의 산출값이 당해 역치를 초과한 경우에 과건조 상태나 과습윤 상태를 검출하는 등의 이치적인 검출 형태를 채용하도록 해도 된다.
한편, 상기 스텝 S"104에 있어서, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판단되면, 스텝 S105로 진행하고, 제5 실시 형태 내지 제7 실시 형태에서 설명한 사용 불가능 시 처리가 행해진다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)가, 검출하는 내부 상태가 습윤도인 경우에, 상기 추정 대상 상태량으로서 아이오노머 저항값 Rion을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단으로서 기능한다.
이에 따르면, 연료 전지(1)의 습윤 상태의 지표로서 적절한 상태량인 아이오노머 저항값 Rion을 설정할 수 있고, 취득한 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2)가 아이오노머 저항값 Rion의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 결과로서 연료 전지(1)의 습윤 상태의 고정밀도의 검출에 이바지하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)의 습윤 상태의 지표인 적절한 상태량으로서 아이오노머 저항값 Rion을 설정하였지만, 연료 전지(1)의 습윤 상태의 지표인 상태량으로서, 전해질막 저항값 Rmem을 설정하도록 해도 된다. 이 경우, 특히 HFR 임피던스값 Z(ωH)를 근사적으로 전해질막 저항값 Rmem에 상당하는 것으로서 사용해도 된다.
이와 같이, 전해질막 저항값 Rmem에 상당하는 것으로서 산출이 비교적 용이한 HFR 임피던스값 Z(ωH)를 사용함으로써, 컨트롤러(6)의 연산량을 저하시켜 그 부담을 경감할 수 있다.
(제10 실시 형태)
이하, 제10 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 내지 9 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 파악해야 할 연료 전지(1)의 내부 상태가 산소 결핍 상태인 경우에 대하여 설명한다. 즉, 본 실시 형태에서는, 연료 전지(1)가 산소 결핍 상태인지 그렇지 않은지를 검출할 수 있다.
도 30은, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템의 흐름을 도시하는 흐름도이다.
스텝 S"'101에 있어서, 연료 전지(1)의 산소량을 검출하기 위한 지표로서 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc가 추정 대상 상태량으로서 설정된다. 또한, 이 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc는, 연료 전지(1)의 산소량에 대응하는 것으로서 도 5에 도시한 내부 상태-상태량 테이블로부터 추출된 것이다.
이어서, 스텝 S"'102에 있어서, 3점의 주파수 ω1, ω2, ω3에 있어서의 임피던스값이 취득된다. 이 주파수 ω1, ω2, ω3은, 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc를 산출하기 위해 적합한 후술하는 소정의 주파수대에 포함된다. 또한, 임피던스값의 구체적인 취득 방법에 대해서는, 도 6의 스텝 S1021 내지 스텝 S1024에서 나타낸 방법과 마찬가지이다.
그리고, 스텝 S"'103에 있어서, 주파수 ω1, ω2, ω3에 있어서의 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2), Z(ω3) 중 적어도 2개의 임피던스값, 특히 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)가 원호 영역 Lc에게 속하는지 여부가 판정된다. 또한, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)가 각각 원호 영역 Lc에 속하는지 여부의 판정은, 예를 들어 도 7에 도시하는 스텝 S1031 내지 스텝 S1036의 처리, 도 12에 도시하는 스텝 S2031 내지 스텝 S2036의 처리, 도 15에 도시하는 스텝 S3031 내지 스텝 S3036의 처리, 또는 스텝 S4031 내지 스텝 S4037의 처리 중 어느 하나, 또는 이들을 조합함으로써 실행할 수 있다.
그리고, 스텝 S"'104에 있어서, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)의 쌍방이 원호 영역 Lc에 속하면 사용 가능이라고 판단하고, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판단되면 사용 가능이 아니라고 판단된다.
그리고, 스텝 S"'106에서는, 스텝 S"'104에 있어서 사용 가능이라고 판단된 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)에 기초하여, 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc가 산출된다. 이 산출법의 일례를 설명한다.
우선, 주파수 ω1 및 ω2, 그리고 산출한 임피던스값 Z(ω1) 및 Z(ω2)의 허수 성분 Zim(ω1) 및 Zim(ω2)를 상기 식 (3)에 대입하고, 미지수를 Ract 및 Cdl로 하는 방정식을 얻어 이것을 풀음으로써 Ract 및 Cdl이 구해진다.
특히, 상기 식 (3)에 대하여, 종축에 (-1/ωZim), 횡축에 (1/ω2)로 취하고 2개의 주파수 ω1 및 ω2에서 당해 좌표 상의 2점을 플롯하여 직선을 그리고, 이 직선의 기울기 및 절편을 구하면, 이 기울기가 (1/(CdlㆍRact 2))와 동등해지고, 절편이 (Cdl)과 동등해진다는 점에서, 반응 저항값 Ract를 용이하게 산출할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는 이 반응 저항값 Ract를 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc로 간주할 수 있다.
또한, 본래라면 상기 식 (3)에 기초하여 구한 반응 저항값 Ract에는, 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc의 성분뿐만 아니라, 애노드극(112)의 반응 저항값의 성분이 포함되어 있다고 생각되므로, 반응 저항값 Ract를 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc로 하는 추정이 반드시 적당하다고는 할 수 없다.
그러나, 본 발명자들의 예의 연찬의 결과, 상기 식 (3)에 기초하여 얻어진 반응 저항값 Ract를 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc로 간주해도, 산소량의 검출 시에는 일정한 신뢰성이 얻어지는 소정의 주파수대가 존재함을 알 수 있었다.
즉, 이 주파수대란, 산소량이 비교적 적은 산소 결핍 시에 있어서 상기 식 (3)에 기초하여 구한 반응 저항값 Ract와, 수소량이 비교적 적은 수소 결핍 시에 있어서 상기 식 (3)에 기초하여 구한 반응 저항값 Ract의 차가 일정값 이상 이격되어 있는 주파수이다. 일반적으로 말하자면, 산소의 과부족에 대해서만 반응 저항값 Ract가 고정밀도로 상관되어 변동되는 주파수대이다. 그리고, 이 주파수대는, 예를 들어 1Hz 내지 10Hz, 보다 바람직하게는 5Hz 근방이다. 따라서, 이러한 주파수대에 있어서 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2)의 계측을 행하면, 식 (3)으로부터 구해지는 반응 저항값 Ract를 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc로 보아도 고정밀도로 산소량의 검출을 행할 수 있다.
그리고, 스텝 S"'107에 있어서, 산출된 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc에 의해, 연료 전지(1)의 산소량이 검출된다. 당해 검출의 구체적인 방법으로서는, 예를 들어 미리 실험 등에 의해 반응 저항값 Rc와, 연료 전지(1)의 산소량의 관계를 테이블로서 기억해 두고, 산출된 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc에 따라 당해 테이블을 참조하여, 실제 연료 전지(1)의 산소량을 검출하도록 할 수 있다.
또한, 산소량의 부족에 의해 산소 결핍 상태라고 검출되는 기준이 되는 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc의 역치를 정해 두고, 반응 저항값 Rc의 산출값이 상기 역치를 초과한 경우에 산소 결핍되고, 그렇지 않은 경우에는 산소가 충분하다고 검출하는 등의 이치적인 검출 형태를 채용하도록 해도 된다.
한편, 상기 스텝 S"'104에 있어서, 임피던스값 Z(ω1) 및 임피던스값 Z(ω2) 중 어느 것이 원호 영역 Lc에 속하지 않는다고 판단되면, 스텝 S105로 진행하고, 제5 실시 형태 내지 제7 실시 형태에서 설명한 사용 불가능 시 처리가 행해진다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 시스템에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 상태 검출 시스템에서는, 컨트롤러(6)가, 검출하는 내부 상태가 산소량인 경우에, 추정 대상 상태량으로서 캐소드극(113)의 반응 저항값 Rc를 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단으로서 기능한다.
이에 따르면, 연료 전지(1)의 산소량의 지표로서 적절한 상태량인 반응 저항값 Rc를 설정할 수 있고, 취득한 임피던스값 Z(ω1), Z(ω2)가 반응 저항값 Rc의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 결과로서 연료 전지(1)의 산소량의 고정밀도의 검출에 이바지하게 된다.
(제11 실시 형태)
이하, 제11 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 제1 내지 제10 실시 형태와 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 임피던스 계측 시에, 연료 전지(1)의 출력 전류 및 출력 전압에 교류 신호를 중첩하는 구성 대신에, 연료 전지(1)에 측정용 전류원으로부터 전류 I를 공급하고, 당해 공급 전류 I와 출력되는 전압 V에 기초하여 임피던스 Z=V/I를 계측하는 소위 여기 전류 인가법을 행한다.
본 실시 형태에서는, 제1 실시 형태 등에 있어서 행해지는 연료 전지(1)의 임피던스의 계측 시, 교류 신호를 중첩한 출력 전류 I 및 출력 전압 V를 측정하는 구성 대신에, 연료 전지(1)에 소정의 측정용 전류원으로부터 전류 I를 공급하고, 당해 공급 전류 I와 출력되는 전압 V에 기초하여 임피던스 Z=V/I를 산출하는 소위 여기 전류 인가법이 행해진다.
도 31은, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(100)에 있어서, 임피던스 계측에 관한 주요부를 개략적으로 도시한 시스템도이다.
도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시스템(100)에서는, 연료 전지(1)에 교류 전류를 조정하면서 인가하는 인가 교류 전류 조정부(200)가 설치되어 있다.
인가 교류 전류 조정부(200)는, 스택으로서 구성된 연료 전지(1)의 정극 단자(캐소드극측 단자)(1B) 및 부극 단자(애노드극측 단자)(1A) 외에, 중도 단자(1C)에 접속되어 있다. 또한, 중도 단자(1C)에 접속된 부분은 도면에 도시하는 바와 같이 접지되어 있다.
그리고, 인가 교류 전류 조정부(200)는, 중도 단자(1C)에 대한 정극 단자(1B)의 정극측 교류 전위차 V1을 측정하는 정극측 전압 측정 센서(210)와, 중도 단자(1C)에 대한 부극 단자(1A)의 부극측 교류 전위차 V2를 측정하는 부극측 전압 측정 센서(212)를 갖고 있다.
또한, 인가 교류 전류 조정부(200)는, 정극 단자(1B)와 중도 단자(1C)로 이루어지는 회로에 교류 전류 I1을 인가하는 정극측 교류 전원부(214)와, 부극 단자(1A)와 중도 단자(1C)로 이루어지는 회로에 교류 전류 I2를 인가하는 부극측 교류 전원부(216)와, 이들 교류 전류 I1 및 교류 전류 I2의 진폭이나 위상을 조정하는 컨트롤러(6)와, 정극측 교류 전위차 V1, 부극측 교류 전위차 V2 및 교류 전류 I1, I2에 기초하여 연료 전지(1)의 임피던스 Z의 연산을 행하는 연산부(220)를 갖고 있다.
본 실시 형태에서는, 컨트롤러(6)는, 정극측 교류 전위차 V1과 부극측 교류 전위차 V2가 동등하게 되도록, 교류 전류 I1과 교류 전류 I2의 진폭 및 위상을 조절한다.
또한, 연산부(220)는, 도시하지 않은 AD 변환기나 마이크로컴퓨터 칩 등의 하드웨어, 및 임피던스를 산출하는 프로그램 등의 소프트웨어 구성을 포함하고, 정극측 교류 전위차 V1을 교류 전류 I1로 나누어, 중도 단자(1C)부터 정극 단자(1B)까지의 임피던스 Z1을 산출하고, 부극측 교류 전위차 V2를 교류 전류 I2로 나누어, 중도 단자(1C)부터 부극 단자(1A)까지의 임피던스 Z2를 산출한다. 또한, 연산부(220)는, 임피던스 Z1과 임피던스 Z2의 합을 취함으로써, 연료 전지(1)의 전체 임피던스 Z를 산출한다.
상기 본 실시 형태에 관한 연료 전지(1)의 상태 검출 장치에 따르면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 관한 연료 전지 내부 상태 검출 시스템은, 연료 전지(1)에 접속되어, 해당 연료 전지(1)에 교류 전류 I1, I2를 출력하는 교류 전원부(214, 216)와, 연료 전지(1)의 정극측(1B)의 전위로부터 중도 부분(1C)의 전위를 빼서 구한 전위차인 정극측 교류 전위차 V1과, 연료 전지(1)의 부극측(1A)의 전위로부터 중도 부분(1C)의 전위를 빼서 구한 전위차인 부극측 교류 전위차 V2에 기초하여 교류 전류 I1, I2를 조정하는 교류 조정부로서의 컨트롤러(6)와, 조정된 교류 전류 I1, I2, 그리고 정극측 교류 전위차 V1 및 부극측 교류 전위차 V2에 기초하여 연료 전지(1)의 임피던스 Z를 연산하는 임피던스 연산부(220)를 갖는다.
컨트롤러(6)는, 연료 전지(1)의 정극측의 정극측 교류 전위차 V1이 부극측의 부극측 교류 전위차 V2와 실질적으로 일치하도록, 정극측 교류 전원부(214)에 의해 인가되는 교류 전류 I1 및 부극측 교류 전원부(216)에 의해 인가되는 교류 전류 I2의 진폭 및 위상을 조절한다. 이에 의해, 정극측 교류 전위차 V1의 진폭과 부극측 교류 전위차 V2의 진폭이 동등해지므로, 정극 단자(1B)와 부극 단자(1A)가 실질적으로 등전위로 된다. 따라서, 임피던스 계측을 위한 교류 전류 I1, I2가 주행 모터(53)에 흐르는 것이 방지되므로, 연료 전지(1)에 의한 발전에 영향을 주는 것이 방지된다.
또한, 본 실시 형태에 관한 임피던스 계측에 있어서, 연료 전지(1)가 발전 상태인 경우에 계측을 실행하는 경우, 당해 발전에 의해 발생한 전압에 계측용 교류 전위가 중첩되게 되므로, 정극측 교류 전위차 V1 및 부극측 교류 전위차 V2의 값 자체가 커지지만, 정극측 교류 전위차 V1 및 부극측 교류 전위차 V2의 위상이나 진폭 자체가 바뀌는 것은 아니므로, 연료 전지(1)가 발전 상태가 아닌 경우와 마찬가지로 고정밀도의 임피던스 계측을 실행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정한다는 취지는 아니다.
예를 들어, 상기 제1 내지 제11 실시 형태의 요소를 임의로 조합하는 것은, 본 발명의 요지의 범위 내에 포함된다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 설명의 간략화를 도모하기 위해, 3개의 주파수에서 임피던스값을 취득하는 경우에 대하여 설명하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 4개 이상의 주파수에 대하여 임피던스값을 취득하고, 적절히, 이들 임피던스값 중에서 사용 가능한지 여부를 판단하는 대상인 임피던스값을 선택하여, 상기 실시 형태에 관한 각 공정을 행하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 복소 평면 상에 있어서, 직선 L2 내지 직선 L4, 원 CY1 및 원 CY2를 2개의 임피던스값에 기초하여 그리는 경우에 대하여 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 이들 직선 L2 내지 L4나 원 CY1, CY2를 3개 이상의 임피던스값에 기초하여 그리도록 해도 된다. 이 경우, 3개 이상의 임피던스값에 기초하여, 최소 제곱법 등의 근사법을 적용하여 최적의 직선이나 원을 정하도록 해도 된다.

Claims (12)

  1. 연료 전지의 임피던스값에 기초하여 상기 연료 전지의 내부 상태를 검출하는 연료 전지 내부 상태 검출 시스템이며,
    상기 내부 상태의 지표로서 추정 대상 상태량을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 수단과,
    상기 연료 전지의 임피던스값을 취득하는 임피던스값 취득 수단과,
    상기 취득된 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단하는 임피던스 사용 가부 판단 수단과,
    상기 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 상기 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이라고 판단되면, 상기 취득된 임피던스값에 기초하여, 상기 추정 대상 상태량 설정 수단에 의해 설정된 추정 대상 상태량을 산출하는 추정 대상 상태량 산출 수단과,
    상기 임피던스 사용 가부 판단 수단에 의해 상기 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이 아니라고 판단되면, 사용 불가능 시 처리를 행하는 사용 불가능 시 처리 실행 수단을 갖고,
    상기 임피던스값 취득 수단은, 3개 이상의 주파수에 기초하는 임피던스값을 취득하고,
    상기 임피던스 사용 가부 판단 수단은, 취득된 3개 이상의 임피던스값 중 적어도 하나가, 복소 평면 상의 임피던스선에 있어서의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하고, 해당 판정 결과에 따라, 상기 임피던스값이 사용 가능한지 여부를 판단하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 사용 가부 판단 수단은,
    상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값으로부터 선택된 2 이상의 임피던스값으로부터 구해지는 2 이상의 선과 실축의 교점의 값을 서로 비교함으로써, 상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값 중 적어도 하나가, 상기 임피던스선에 있어서의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 사용 가부 판단 수단은,
    상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값으로부터 선택된 2개 이상의 임피던스값으로부터 구해지는 2개 이상의 전기 이중층 용량값을 서로 비교함으로써, 상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값 중 적어도 하나가, 상기 임피던스선에 있어서의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 사용 가부 판단 수단은,
    상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값으로부터 선택된 2개 이상의 임피던스값으로부터 추정되는 2개 이상의 반응 저항값을 서로 비교함으로써, 상기 3개 이상의 임피던스값 중 적어도 하나가, 상기 임피던스선에 있어서의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 사용 가부 판단 수단은,
    상기 3개 이상의 주파수에서 취득된 임피던스값으로부터 선택된 2개 이상의 임피던스값으로부터 구해지는 선과 실축의 교점의 값과, 고주파수대에 있어서의 주파수에서 취득된 고주파수 임피던스값을 서로 비교함으로써 상기 3개 이상의 임피던스값 중 적어도 하나가, 상기 임피던스선에 있어서의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용 불가능 시 처리 실행 수단은,
    상기 임피던스값을 취득해야 할 주파수를 재탐색하고, 재탐색된 주파수에 대응하는 임피던스값을 재취득하거나,
    또는 상기 임피던스값 취득 수단의 취득 감도를 향상시켜 해당 임피던스값을 재취득하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용 불가능 시 처리 실행 수단은, 상기 추정 대상 상태량 산출 수단에 대하여, 상기 추정 대상 상태량으로서 조 추정값을 산출시키는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용 불가능 시 처리 실행 수단은, 상기 내부 상태의 검출을 단념하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정 대상 상태량 설정 수단은,
    상기 검출하는 내부 상태가 수소량인 경우에, 상기 추정 대상 상태량으로서 애노드극의 반응 저항값 및 전기 이중층 용량값 중 적어도 어느 한쪽을 설정하거나,
    상기 검출하는 내부 상태가 습윤도인 경우에, 상기 추정 대상 상태량으로서 전해질막 저항값 및 아이오노머 저항값 중 적어도 어느 한쪽을 설정하거나, 또는
    상기 검출하는 내부 상태가 산소량인 경우에, 상기 추정 대상 상태량으로서 캐소드극의 반응 저항값을 설정하는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지가 적층 전지로서 구성되고,
    상기 적층 전지에 접속되어 해당 적층 전지에 교류 전류를 출력하는 교류 전원부와,
    상기 적층 전지의 정극측의 전위로부터 해당 적층 전지의 중도 부분의 전위를 빼서 구한 전위차인 정극측 교류 전위차와, 상기 연료 전지의 부극측의 전위로부터 상기 중도 부분의 전위를 빼서 구한 전위차인 부극측 교류 전위차에 기초하여 교류 전류를 조정하는 교류 조정부와,
    상기 조정된 교류 전류, 그리고 상기 정극측 교류 전위차 및 상기 부극측 교류 전위차에 기초하여 상기 연료 전지의 상기 임피던스값을 연산하는 임피던스 연산부를 갖는, 연료 전지 내부 상태 검출 시스템.
  11. 연료 전지의 임피던스값에 기초하여 상기 연료 전지의 내부 상태를 검출하는 연료 전지 내부 상태 검출 방법이며,
    상기 내부 상태의 지표로서 적절한 추정 대상 상태량을 설정하는 추정 대상 상태량 설정 공정과,
    상기 연료 전지의 임피던스값을 취득하는 임피던스값 취득 공정과,
    상기 취득된 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능한지 여부를 판단하는 임피던스 사용 가부 판단 공정과,
    상기 임피던스 사용 가부 판단 공정에 의해 상기 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이라고 판단되면, 상기 취득된 임피던스값에 기초하여, 상기 추정 대상 상태량 설정 공정에 의해 설정된 추정 대상 상태량을 산출하는 추정 대상 상태량 산출 공정과,
    상기 임피던스 사용 가부 판단 공정에 의해, 상기 임피던스값이 상기 추정 대상 상태량의 산출에 사용 가능이 아니라고 판단되면, 사용 불가능 시 처리를 행하는 사용 불가능 시 처리 실행 공정을 갖고,
    상기 임피던스값 취득 공정은, 3개 이상의 주파수에 기초하는 임피던스값을 취득하고,
    상기 임피던스 사용 가부 판단 공정은, 취득된 3개 이상의 임피던스값 중 적어도 하나가, 복소 평면 상의 임피던스선에 있어서의 원호 영역에 속하는지, 또는 비원호 영역에 속하는지를 판정하고, 해당 판정 결과에 따라, 상기 임피던스값이 사용 가능한지 여부를 판단하는, 연료 전지 내부 상태 검출 방법.
  12. 삭제
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