WO2010128555A1 - 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
Description
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、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、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、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。
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。
前記低周波数域が、100Hz~0.1Hzであることを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、
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。
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。
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、
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、
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、
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。
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
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。
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。
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。
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。
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、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。
|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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
・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。
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。
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。
T1 = (A×T0+ΔT)
A > 1.0
このAの値は事前に定めておく。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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