JP5146639B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power upon receiving a reaction gas.
燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給することにより電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源としての用途が期待されている。 A fuel cell stack is an energy conversion system for causing an electrochemical reaction by supplying a fuel gas and an oxidizing gas to a membrane-electrode assembly and converting chemical energy into electric energy. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte is easy to downsize at a low cost and has a high output density, so that it is expected to be used as an in-vehicle power source. .
燃料電池スタックの運転状態を最適に制御するための指標の一つとして、燃料電池スタックの交流インピーダンスが用いられている。この交流インピーダンスの値は、電解質膜の湿潤状態と相関関係を有しているので、交流インピーダンスの値を計測することで、電解質膜の湿潤状態を検出できる。例えば、特開平7−235324号公報には、燃料電池スタックの交流インピーダンスに基づいて燃料電池スタック内部の含水量を推定する方法が開示されている。電解質膜が水分過剰や水分不足の状態にあると、フラッディング現象やドライアウト現象により、燃料電池スタックの出力低下を招くので、電池運転を最適に制御するためには、電解質膜の湿潤状態を最適に維持する必要がある。
しかし、燃料電池スタックの経年劣化が進行すると、交流インピーダンスと水分量との相関関係が次第に変化していくので、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータは、実際の相関関係から乖離してしまう。 However, as the aging of the fuel cell stack progresses, the correlation between the AC impedance and the moisture content gradually changes, so the map data showing the correlation between the AC impedance and the moisture content deviates from the actual correlation. Resulting in.
そこで、本発明は、上記の問題を解決し、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータを適正に補正することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to propose a fuel cell system that can solve the above problems and can appropriately correct map data indicating the correlation between the AC impedance and the moisture content.
上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータと、燃料電池の水収支計算により算出した含水量と燃料電池の交流インピーダンスの実測値とに基づいてマップデータの誤差を補正する補正部を備える。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, map data indicating a correlation between the AC impedance of the fuel cell and a water content, and a water content calculated by water balance calculation of the fuel cell. And a correction unit that corrects an error in the map data based on the measured value of the AC impedance of the fuel cell.
燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係は、燃料電池の経年劣化に伴い次第に変化していくので、燃料電池の水収支計算により算出した含水量と燃料電池の交流インピーダンスの実測値とを用いることにより、マップデータの誤差を補正することができる。 Since the correlation between the AC impedance of the fuel cell and the moisture content gradually changes with the aging of the fuel cell, the water content calculated by the water balance calculation of the fuel cell and the measured value of the AC impedance of the fuel cell By using it, the error of the map data can be corrected.
交流インピーダンスと水分量との相関関係には、ある一定の水分量を超えると、交流インピーダンスの値が変化しない不感帯領域が存在する。不感帯領域では、水分量に関係なく、交流インピーダンスの値が略一定になるので、補正部はこの不感特性を利用することで、水分量の推定精度が低くても、マップデータを高精度に補正できる。 In the correlation between the AC impedance and the moisture content, there is a dead zone where the AC impedance value does not change when a certain moisture content is exceeded. In the dead zone area, the value of AC impedance is almost constant regardless of the amount of moisture, so the correction unit uses this dead characteristic to correct map data with high accuracy even when the estimation accuracy of moisture is low. it can.
補正部は、燃料電池の運転状態を不感帯領域に強制的に遷移させてマップデータの誤差を補正するのが好ましい。運転状態を不感帯領域に強制遷移するには、燃料電池内部に水が蓄積する方向に水収支バランスを制御すればよい。 The correction unit preferably corrects an error in the map data by forcibly shifting the operation state of the fuel cell to the dead zone region. In order to forcibly transition the operating state to the dead zone region, the water balance may be controlled in the direction in which water accumulates inside the fuel cell.
補正部は、氷点下での暖機運転時に燃料電池内部の氷が融解するときに吸熱する熱量に基づいて含水量を算出することができる。燃料電池内部の含水量をMw、暖機運転時に単位質量の氷につき単位時間あたりに加えられる加熱量をQ、燃料電池内部の氷が完全に融解して水に相変化するまでに要する時間をΔt、水の単位質量あたりの融解熱をCwとすると、Mw=Q×Δt/Cwの関係が成立する。 The correction unit can calculate the water content based on the amount of heat absorbed when the ice inside the fuel cell melts during warm-up operation below freezing. The water content inside the fuel cell is Mw, the amount of heating applied per unit time per unit mass of ice during warm-up operation is Q, and the time required for the ice inside the fuel cell to completely melt and change to water If Δt and the heat of fusion per unit mass of water are Cw, the relationship Mw = Q × Δt / Cw is established.
本発明によれば、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータを適正に補正することができる。 According to the present invention, it is possible to appropriately correct map data indicating the correlation between AC impedance and moisture content.
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図1は本実施形態に係わる燃料電池システム10のシステム構成を示す。
燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給するための酸化ガス供給系30と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給するための燃料ガス供給系40と、電力の充放電を制御するための電力系50と、燃料電池スタック20を冷却するための冷却系60と、システム全体を制御する制御ユニット(ECU)90とを備えている。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system configuration of a
The
燃料電池スタック20は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック20では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池スタック20全体としては(3)式の起電反応が生じる。
The
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
燃料電池スタック20には、燃料電池スタック20の出力電圧を検出するための電圧センサ71、及び発電電流を検出するための電流センサ72が取り付けられている。
A
酸化ガス供給系30は、燃料電池スタック20のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路34と、燃料電池スタック20から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路36とを有している。酸化ガス通路34には、フィルタ31を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ32と、燃料電池スタック20のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器33と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁35が設けられている。酸化オフガス通路36には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁37と、酸化ガス(ドライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との間で水分交換するための加湿器33とが設けられている。
The oxidizing
燃料ガス供給系40は、燃料ガス供給源41と、燃料ガス供給源41から燃料電池スタック20のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路45と、燃料電池スタック20から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路45に帰還させるための循環通路46と、循環通路46内の燃料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循環ポンプ47と、循環通路47に分岐接続される排気排水通路48とを有している。
The fuel
燃料ガス供給源41は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa乃至70MPa)の水素ガスを貯留する。遮断弁42を開くと、燃料ガス供給源41から燃料ガス通路45に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ43やインジェクタ44により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池スタック20に供給される。
The fuel
尚、燃料ガス供給源41は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
The fuel
レギュレータ43は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
The
インジェクタ44は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ44は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
The
排気排水通路48には、排気排水弁49が配設されている。排気排水弁49は、制御ユニット90からの指令によって作動することにより、循環通路46内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁49の開弁により、循環通路46内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
An exhaust /
排気排水弁49を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路34を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器(図示せず)によって希釈される。循環ポンプ47は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック20に循環供給する。
The fuel off gas discharged through the
電力系50は、DC/DCコンバータ51、バッテリ52、トラクションインバータ53、トラクションモータ54、及び補機類55を備えている。DC/DCコンバータ51は、バッテリ52から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ53に出力する機能と、燃料電池スタック20が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ54が回収した回生電力を降圧してバッテリ52に充電する機能とを有する電力変換手段である。DC/DCコンバータ51のこれらの機能により、バッテリ52の充放電が制御される。また、DC/DCコンバータ51による電圧変換制御により、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)が制御される。
The
バッテリ52は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ52としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
The
トラクションインバータ53は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータであり、制御ユニット90からの制御指令に従って、燃料電池スタック20又はバッテリ52から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ54の回転トルクを制御する。トラクションモータ54は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
The
補機類55は、燃料電池システム10内の各部に配置されている各モータ(例えば、ポンプ類などの動力源)や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。
冷却系60は、燃料電池スタック20内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路61、62,63,64、冷媒を圧送するための循環ポンプ65、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ66、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁67、及び冷媒温度を検出するための温度センサ74を備えている。暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック20から流出する冷媒が冷媒通路61,64を流れてラジエータ66にて冷却された後、冷媒通路63を流れて再び燃料電池スタック20に流れ込むように三方弁67が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖機運転時には、燃料電池スタック20から流出する冷媒が冷媒通路61,62,63を流れて再び燃料電池スタック20に流れ込むように三方弁67が開閉制御される。
The
制御ユニット90は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、電池運転を制御するための制御手段として機能する。例えば、制御ユニット90は、イグニッションスイッチから出力される起動信号IGを受信すると、燃料電池システム10の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ACCや、車速センサから出力される車速信号VCなどを基にシステム全体の要求電力を求める。
The
システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。 The required power of the entire system is the total value of the vehicle running power and the auxiliary machine power. Auxiliary power is the power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices, and suspensions) Power consumed by devices, etc., and power consumed by devices (air conditioners, lighting fixtures, audio, etc.) disposed in the passenger space.
そして、制御ユニット90は、燃料電池スタック20とバッテリ52とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池スタック20の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系30及び燃料ガス供給系40を制御する。更に制御ユニット90は、DC/DCコンバータ51を制御して、燃料電池スタック20の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を制御する。制御ユニット90は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、U相、V相、及びW相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ53に出力し、トラクションモータ54の出力トルク、及び回転数を制御する。
Then, the
図2は燃料電池スタック20を構成するセル21の分解斜視図である。
セル21は、電解質膜22と、アノード極23と、カソード極24と、セパレータ26,27とから構成されている。アノード極23及びカソード極24は、電解質膜22を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ26,27は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極23及びカソード極24との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ26には、断面凹状のリブ26aが形成されている。リブ26aにアノード極23が当接することで、リブ26aの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ27には、断面凹状のリブ27aが形成されている。リブ27aにカソード極24が当接することで、リブ27aの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
The
アノード極23は、白金系の金属触媒(Pt,Pt−Fe,Pt−Cr,Pt−Ni,Pt−Ruなど)を担持するカーボン粉末を主成分とし、電解質膜22に接する触媒層23aと、触媒層23aの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層23bとを有する。同様に、カソード極24は、触媒層24aとガス拡散層24bとを有する。より詳細には、触媒層23a,24aは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜22上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層23b、24bは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。電解質膜22は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気導電性を発揮する。電解質膜22、アノード極23、及びカソード極24によって膜−電極アッセンブリ25が形成される。
The
図3はセル21の電気的な特性を示す等価回路図である。
セル21の等価回路は、R2とCとの並列接続回路にR1が直列接続する回路構成を有している。ここで、R1は電解質膜22の電気抵抗に相当し、R2は活性化過電圧と拡散過電圧とを抵抗換算したものに相当している。Cはアノード電極23と電解質膜22との界面、及びカソード電極24と電解質膜22との界面に形成される電気二重層容量に相当している。この等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing the electrical characteristics of the
The equivalent circuit of the
図4は燃料電池スタック20の交流インピーダンスを複素平面上に表示したグラフである。横軸は交流インピーダンスの実数部を示し、縦軸は交流インピーダンスの虚数部を示している。ωは正弦波電流の角周波数である。
FIG. 4 is a graph showing the AC impedance of the
図3に示す等価回路に高周波から低周波までの正弦波信号を印加すると、図4に示すようなグラフが得られる。正弦波信号の周波数が無限に大きい場合(ω=∞)の交流インピーダンスは、R1となる。正弦波信号の周波数が非常に小さい場合(ω=0)の交流インピーダンスは、R1+R2となる。高周波から低周波の間で正弦波信号の周波数を変化させたときに得られる交流インピーダンスは、図4に示すような半円を描く。 When a sine wave signal from high frequency to low frequency is applied to the equivalent circuit shown in FIG. 3, a graph as shown in FIG. 4 is obtained. When the frequency of the sine wave signal is infinitely large (ω = ∞), the AC impedance is R1. The AC impedance when the frequency of the sine wave signal is very small (ω = 0) is R1 + R2. The AC impedance obtained when the frequency of the sine wave signal is changed between a high frequency and a low frequency draws a semicircle as shown in FIG.
このように、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池スタック20の等価回路におけるR1とR2を分離して計測することが可能となる。R1が予め定められた所定値より大きくなり、燃料電池スタック20の出力が低下している場合には、電解質膜22が乾燥して抵抗過電圧が大きくなり、導電率が低下していることが出力低下の原因と判断できる。R2が予め定められた所定値より大きくなり、燃料電池スタック20の出力が低下している場合には、電極表面に水が過剰に存在し、拡散過電圧が大きくなっていることが原因であると判断できる。
As described above, by using the AC impedance method, it is possible to separately measure R1 and R2 in the equivalent circuit of the
図5は制御ユニット90の機能ブロックを示す。
制御ユニット90は、運転制御部91、電圧指令部92、交流インピーダンス測定部93、マップデータ94、及び補正部95を備える。運転制御部91は、電池運転制御に係わる各部(酸化ガス供給系30、燃料ガス供給系40、電力系50、及び冷却系60)を制御するための制御手段であり、運転状態を最適に制御するための指標の一つとして、燃料電池スタック20の交流インピーダンスを用いる。電圧指令部92は、DC/DCコンバータ51に電圧指令値を出力する。交流インピーダンス測定部93は、燃料電池スタック20の電圧応答及び電流応答に基づいて交流インピーダンスを算出する。マップデータ94は、燃料電池スタック20の交流インピーダンスと水分量との相関関係を保持する。マップデータ94は、例えば、運転停止時に燃料電池スタック20内部に掃気ガスを供給して、電解質膜22の乾燥状態を適度に調整するための基準として用いられる他、燃料電池スタック20の最大出力電力の演算などに用いられる。補正部95は、経年劣化等に伴う交流インピーダンスと水分量との相関関係のずれを加味した上でマップデータ94を補正する。
FIG. 5 shows functional blocks of the
The
制御ユニット90による燃料電池スタック20の交流インピーダンス計測は、以下の手順により実施される。
(1)電圧指令部92は、所定の直流電圧に正弦波信号を重畳した電圧指令値を生成し、かかる電圧指令値をDC/DCコンバータ51に出力する。
(2)DC/DCコンバータ51は、電圧指令値に基づいて動作し、バッテリ52に蓄電されている直流電力を交流電力に変換して、燃料電池スタック20に正弦波信号を印加する。
(3)交流インピーダンス測定部93は電圧センサ71によって検出される応答電圧と、電流センサ72によって検出される応答電流とを所定のサンプリングレートでサンプリングし、高速フーリエ変換処理(FFT処理)を行い、応答電圧と応答電流とをそれぞれ実成分と虚成分とに分割し、FFT処理した応答電圧をFFT処理した応答電流で除して交流インピーダンスの実成分と虚成分とを算出し、複素平面上での原点からの距離rと位相角θとを算出する。燃料電池スタック20に印加される正弦波信号の周波数を連続的に変化させながら応答電圧と応答電流を計測することで、燃料電池スタック20の交流インピーダンスを算出することができる。
The AC impedance measurement of the
(1) The
(2) The DC /
(3) The AC
尚、燃料電池スタック20を流れる電流は化学反応による電荷の移動を伴うため、交流信号の振幅を増大させると、供給ガス量に対する反応量(ガス利用率)が変動することになる。ガス利用率の変動があると、交流インピーダンスの測定に誤差が生じる虞があるので、交流インピーダンス測定の際に燃料電池スタック20に印加する信号の交流成分は、直流成分の数%程度が好ましい。
In addition, since the electric current which flows through the
図6は交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータ94の説明図である。横軸は燃料電池スタック20の交流インピーダンスを示し、縦軸は燃料電池スタック20内部の水分量を示している。一般的に、水分量が多い程、電界質膜22の導電性が高くなるので、交流インピーダンスは低くなる傾向がある。一方、水分量が少ない程、電界質膜22の導電性が低くなるので、交流インピーダンスは高くなる傾向がある。
FIG. 6 is an explanatory diagram of
特性曲線94Aは、使用年数が比較的短い時期における交流インピーダンスと水分量との相関関係を示している。特性曲線94Bは、使用年数が比較的長い時期における交流インピーダンスと水分量との相関関係を示している。使用年数が長くなり、経年劣化が進行すると、交流インピーダンスと水分量との相関関係は、特性曲線全体が横軸方向へ平行移動したものとほぼ等しくなることが判明している。このような特性を利用して、燃料電池スタック20の経年劣化に伴う交流インピーダンスと水分量との相関関係の誤差を補正するには、ある特定の水分量に対応する交流インピーダンスを上記の手順により測定して得られる実測値と、マップデータ94から算出した交流インピーダンスの理論値との差分(インピーダンス誤差)を求め、その差分だけ補正前の特性曲線94Aを横軸方向へ平行移動させることにより、補正後の特性曲線94Bを得ることができる。
The
ところで、交流インピーダンスと水分量との相関関係には、ある一定の水分量を超えると、交流インピーダンスの値がほぼ一定になる不感帯領域が存在する。例えば、特性曲線94Aについては、水分量がW1を超えると、交流インピーダンスの値はZ1(最小交流インピーダンス)を維持したまま変動しない。特性曲線94Bについても同様に水分量がW1を超えると、交流インピーダンスの値はZ2(最小交流インピーダンス)を維持したまま変動しない。このような不感特性を利用すれば、水分量に多少の推定誤差が含まれていたとしても、水分量W1以上の条件下で測定した交流インピーダンスの実測値と、マップデータ94から算出した交流インピーダンスの理論値との差分を求めることにより、マップデータ94を簡易かつ高精度に補正することができる。
By the way, in the correlation between the AC impedance and the moisture content, there is a dead zone where the AC impedance value becomes almost constant when a certain moisture content is exceeded. For example, regarding the
マップデータ94の補正精度を高める上で、燃料電池スタック20内部の含水量推定精度は、できるだけ高精度であることが望ましい。含水量を推定する方法として、例えば、氷点下起動時であれば、水の融解熱を利用して含水量を算出する方法を適用し、常温運転時であれば、発電状態(エア流量、エア圧、発電電流、スタック温度など)に基づいて理論的に導出される水収支計算により含水量を算出する方法を適用することができる。
In order to improve the correction accuracy of the
図7は氷点下始動時の燃料電池スタック20の温度変化を示す。
時刻t1は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わり、制御ユニット90に起動指示が入力された時点を示す。制御ユニット90は、起動時のスタック温度が氷点下であることを検出すると、スタック温度が所定温度に達するまで暖機運転を開始する。暖機運転は、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより、燃料電池スタック20の自己発熱量を増加させて燃料電池スタック20を暖機してもよく、或いは専用の暖機装置を用いて燃料電池スタック20を暖機してもよい。
FIG. 7 shows the temperature change of the
Time t1 indicates a point in time when the ignition switch is switched from OFF to ON and an activation instruction is input to the
制御ユニット90はスタック温度が氷の融点Tmに達するまでの時刻t1から時刻t2までの温度上昇度に基づいて、単位質量の氷につき単位時間あたりに加えられる加熱量Qを計算する。そして、制御ユニット90は、燃料電池スタック20内部の氷が完全に融解して水に相変化するまでに要する時間、即ち、時刻t2から時刻t3までの経過時間Δtを計測する。燃料電池スタック20内部の含水量をMw、水の単位質量あたりの融解熱をCwとすると、以下の(4)式が成立する。
Mw=Q×Δt/Cw …(4)
The
Mw = Q × Δt / Cw (4)
図8は常温運転時における燃料電池スタック20の水収支計算モデルを示す。
制御ユニット90は、電流センサ72を用いて計測したFC電流値201にゲイン204を乗じることで、生成水量W1[g/sec]を算出する。ゲイン204は、スタックセル数/LVFF/2×18の値を有する定数である。ここで、LVFFは、ファラデー定数(96500C/mol)とする。制御ユニット90は、温度センサ74用いて計測したFC温度202と、水飽和蒸気特性マップデータ205とから水蒸気圧U1を算出し、エア圧力センサ(図示せず)を用いてエア圧力値109(以下、エア圧力値U2と称する。)を計測する。そして、制御ユニット90は、関数208に引数U1,U2を代入し、水蒸気と空気の分圧比V1を算出する。
FIG. 8 shows a water balance calculation model of the
The
制御ユニット90は、電流センサ72を用いて計測したFC電流値201にゲイン207を乗じることで、エア消費量A1[mol/sec]を算出する。ゲイン207は、スタックセル数/LVFF/4の値を有する定数である。制御ユニット90は、燃料電池スタック20の酸化オフガス出口付近に配設されているエア流量センサ(図示せず)を用いて、エア流量値203(以下、エア流量値A2[mol/sec]と称する。)を計測する。そして、制御ユニット90は、持ち去り水分に転換したエア流量V2をエア流量A2−エア消費量A1により算出する。制御ユニット90は、乗算関数210に引数V1,V2を代入し、その返値にゲイン211を乗じることで、持ち去り水量W2[g/sec]を算出する。ゲイン211は、18の値を有する定数である。持ち去り水量W2は、−1の値を有するゲイン213が乗じられて、符号が−になる。
The
制御ユニット90は、加湿モジュール水蒸気交換率マップデータ212を基に、エア流量A2に対応する水蒸気交換率X1を算出する。制御ユニット90は、MIN関数214に引数W1,W2を代入し、その返値をX2とする。MIN関数214は、複数の引数のうち最小値をとるものを返値とする関数である。制御ユニット90は、乗算関数215に引数X1,X2を代入し、その返値を加湿水量W3[g/sec]とする。制御ユニット90は、加算関数216に引数W1,−W2,W3を代入し、その返値(W1−W2+W3)を、燃料電池スタック20内部に残留する水分量217とする。
The
次に、図9を参照しながら、交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータ94を補正する手順について説明する。
制御ユニット90は、燃料電池スタック20の運転積算時間が所定の閾値を超えたか否かを判定する(ステップ901)。運転積算時間が閾値を超えているならば(ステップ901;YES)、燃料電池スタック20に経年劣化が生じている可能性があるので、マップデータ94を補正するための事前準備として、燃料電池スタック20内部の含水量を計算する(ステップ902)。含水量の計算方法は、上述した融解熱を利用する方法でもよく、或いは上述した水収支計算モデルを利用する方法でもよい。
Next, a procedure for correcting the
The
計算により求めた含水量がW1未満であるならば(ステップ903;NO)、制御ユニット90は、燃料電池スタック20内部に水が蓄積されていく方向に水収支バランスを制御する(ステップ904)。具体的には、制御ユニット90は、FC電流201を増加させる制御操作や、加湿器33による酸化ガスへの加湿量を増加させたりする制御操作等を実施することにより、生成水量W1又は加湿水量W3を増大させる。また、FC温度202を低くする制御操作やエア圧力値206を昇圧させる制御操作を実施して、持ち去り水量W2を低減させてもよい。制御ユニット90は、燃料電池スタック20に流出入する水収支を制御するための水収支制御手段として機能することができる。
If the water content obtained by calculation is less than W1 (
そして、含水量がW1を超えると(ステップ903;YES)、制御ユニット90は、燃料電池スタック20の交流インピーダンスを測定する(ステップ905)。このとき測定される交流インピーダンスは、不感帯領域における交流インピーダンスであるため、含水量とは無関係にその値は一定である。制御ユニット90は、不感帯領域における交流インピーダンスの実測値と、マップデータ94から算出した交流インピーダンスの理論値との差分に基づいてマップデータ94を補正する(ステップ906)。このとき、燃料電池スタック20の温度特性を加味した上でマップデータ94を補正するのが好ましい。
When the water content exceeds W1 (
本実施形態によれば、交流インピーダンスと水分量との相関関係における不感特性を利用してマップデータ94を補正するので、水分量の推定精度が低くても、マップデータ94を高精度に補正できる。
According to the present embodiment, since the
上述の実施形態では、燃料電池システム10を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム10の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム10を燃料電池車両以外の移動体(ロボット、船舶、航空機等)の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム10を住宅やビル等の発電設備(定置用発電システム)として用いてもよい。
In the above-described embodiment, the usage form in which the
10…燃料電池システム 20…燃料電池スタック 90…制御ユニット 91…運転制御部 92…電圧指令部 93…交流インピーダンス測定部 94…マップデータ 95…補正部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータと、
前記燃料電池の水収支計算により算出した含水量と前記燃料電池の交流インピーダンスの実測値とに基づいて前記マップデータの誤差を補正する補正部と、を備え、
前記補正部は、前記含水量が所定値以上において前記交流インピーダンスがほぼ一定になる不感帯領域における前記燃料電池の交流インピーダンスの実測値に基づいて前記マップデータの誤差を補正する、燃料電池システム。 A fuel cell;
Map data indicating the correlation between the AC impedance of the fuel cell and the amount of water,
A correction unit that corrects an error in the map data based on the water content calculated by the water balance calculation of the fuel cell and the measured value of the AC impedance of the fuel cell;
The correction unit corrects an error in the map data based on an actual measurement value of the AC impedance of the fuel cell in a dead zone where the AC impedance is substantially constant when the water content is equal to or greater than a predetermined value .
前記補正部は、前記燃料電池の運転状態を前記不感帯領域に強制的に遷移させて前記マップデータの誤差を補正する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The said correction | amendment part is a fuel cell system which correct | amends the error of the said map data by forcibly making the operating state of the said fuel cell change to the said dead zone area | region.
前記燃料電池の交流インピーダンスと水分量との相関関係を示すマップデータと、
氷点下始動時に前記燃料電池内部の氷が融解するときに吸熱する熱量に基づいて算出された含水量と前記燃料電池の交流インピーダンスの実測値とに基づいて前記マップデータの誤差を補正する補正部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell;
Map data indicating the correlation between the AC impedance of the fuel cell and the amount of water,
A correction unit that corrects an error in the map data based on a moisture content calculated based on a heat amount absorbed when the ice inside the fuel cell melts at a sub-freezing start time and an actual measurement value of the AC impedance of the fuel cell ; ,
A fuel cell system comprising:
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