JP2007115490A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、固体高分子電解質膜を有する燃料電池を具備した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system including a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane.
固体高分子型燃料電池を具備した燃料電池システムにとって、固体高分子型燃料電池の電解質膜のプロトン導電性を一定の範囲内に保つことは、システム構成にあたっての重要な必須項目である。固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜としては、例えば、デュポン社のＮａｆｉｏｎが広く用いられているが、固体高分子電解質膜のプロトン導電性は、固体高分子電解質膜内の水分量に大きく依存しており、この水分量を適切な範囲となるよう制御する必要がある。例えば図２に示すように、相対湿度が４０％のように低いときは固体高分子電解質膜の抵抗値が高く、相対湿度が増すに伴い抵抗値が減少する傾向がある。固体高分子電解質膜の抵抗値をできるだけ一定に維持するために適切な湿度管理が極めて重要である。 For a fuel cell system equipped with a polymer electrolyte fuel cell, maintaining the proton conductivity of the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell within a certain range is an important essential item in the system configuration. For example, DuPont's Nafion is widely used as the solid polymer electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell. The proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is determined by the amount of water in the solid polymer electrolyte membrane. It depends greatly, and it is necessary to control this water content to be in an appropriate range. For example, as shown in FIG. 2, when the relative humidity is as low as 40%, the resistance value of the solid polymer electrolyte membrane is high, and the resistance value tends to decrease as the relative humidity increases. In order to maintain the resistance value of the solid polymer electrolyte membrane as constant as possible, appropriate humidity control is extremely important.
上記の点を考慮した燃料電池システムの制御装置が特許文献１に開示されている。この制御装置は、固体高分子型燃料電池の発電状態を監視する発電状態モニタ手段と、発電状態モニタ手段からの信号に基づいて発電電圧が所定値よりも低いことが検出されたときは負荷に供給する電流を制限する電流制限手段とを備えている。発電状態モニタ手段は、燃料電池の反応温度を検出する温度検出手段と、燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段とを含む。電流制限手段は、燃料電池の反応温度をパラメータとして保存された最低電圧値と、電圧検出手段が検出した燃料電池の発電電圧とを比較して、燃料電池の発電電圧が最低電圧値よりも小さいときに、負荷に供給する電流を制限する。このような構成により、水分量不足に起因する不具合を未然に回避できる。
A fuel cell system control device in consideration of the above points is disclosed in
また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池の抵抗の微分値に基づいて燃料電池の電解質膜の加湿状態を判定し、加湿状態を制御する。この技術は、電解質膜の加湿状態をより正確に判定し、電解質膜の加湿状態を適正に調節することを目的としており、燃料電池の抵抗の微分値が電解質膜のプロトン導電性の変化率を反映していることを利用している。
しかしながら、上述の従来技術は、固体高分子電解質膜の電圧又は電流を検出する際の検出ノイズ、あるいは検出の際の揺らぎ量に対する考慮に欠けている。ここでいう揺らぎ量は、電圧又は電流の値が物理現象として変動することを意味し、検出ノイズは検出系そのものに起因するノイズ、あるいは外乱によって検出系にもたらされるノイズを意味する。 However, the above-described conventional technology lacks consideration for detection noise when detecting the voltage or current of the solid polymer electrolyte membrane, or the amount of fluctuation during detection. The fluctuation amount here means that the value of voltage or current fluctuates as a physical phenomenon, and the detection noise means noise caused by the detection system itself or noise caused to the detection system by disturbance.
上述の特許文献１に開示されている技術は、燃料電池の発電電圧がパラメータとして保存された最低電圧値よりも小さいときに負荷に供給する電流を制限することにより、燃料電池の電解質膜の水分量不足に起因する不具合をある程度防止することができる。しかし、その効果は十分ではない。すなわち、電圧の検出において外乱による検出ノイズが生じた際に、電解質のプロトン導電性を誤って判断する可能性が高い。
The technique disclosed in
また、特許文献２に開示されている技術を用いることにより、固体高分子電解質膜の抵抗は定量化可能であるものの、電圧あるいは電流の検出の際に外乱による検出ノイズが生じた場合に誤判定が生ずる可能性がある。
Further, although the resistance of the solid polymer electrolyte membrane can be quantified by using the technique disclosed in
また特に注意すべきこととして、たとえ単一あるいは少数の燃料電池における電圧あるいは電流の検出ノイズが微小であり、かつ検出された電圧あるいは電流の揺らぎ量が微小であっても、多数の燃料電池が直列に接続された燃料電池システムを構成する場合に、積算された揺らぎ量が無視できないほど大きくなることがある。例えば、燃料電池を３セル直列に接続した燃料電池システムに比べて、同じ燃料電池を３０セル直列に接続した燃料電池システムは積算された揺らぎ量が当然大きい。揺らぎ量が予測値を超えて大きくなると、システムの信頼性を保つ上で大きな問題となるおそれがある。 It should also be noted that even if the voltage or current detection noise in a single or a small number of fuel cells is small and the detected voltage or current fluctuation is small, many fuel cells When configuring fuel cell systems connected in series, the accumulated fluctuation amount may be so large that it cannot be ignored. For example, as compared with a fuel cell system in which three fuel cells are connected in series, a fuel cell system in which the same fuel cells are connected in series in 30 cells has a naturally large amount of fluctuation. If the fluctuation amount exceeds the predicted value, it may become a big problem in maintaining the reliability of the system.
また、電圧の検出に際して外乱に起因するスパイク状の検出ノイズが発生する場合もあり、これもシステムの信頼性を保つ上で大きな問題となるおそれがある。 In addition, spike-like detection noise due to disturbance may occur during voltage detection, which may be a serious problem in maintaining system reliability.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、固体高分子電解質膜の電圧あるいは電流を検出する際の検出ノイズ又は揺らぎ量に起因する誤作動を回避可能な燃料電池システムを提供することが本発明の目的である。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a fuel cell system capable of avoiding malfunction caused by detection noise or fluctuation amount when detecting a voltage or current of a solid polymer electrolyte membrane. This is the object of the present invention.
本発明の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜、カソード及びアノードを有する燃料電池を具備した燃料電池システムであって、前記燃料電池が発生する電圧を検出するための電圧検出器と、前記燃料電池から供給される電流を検出するための電流検出器と、前記燃料電池の固体分子電解質膜の湿度を制御する湿度制御部とを備え、前記湿度制御部は、前記電圧検出器にて検出された電圧の移動平均と前記電流検出器にて検出された電流の移動平均とに基づいて前記固体高分子電解質膜の湿度を制御することを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system comprising a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, a cathode and an anode, the voltage detector for detecting the voltage generated by the fuel cell, and the fuel A current detector for detecting a current supplied from the battery and a humidity control unit for controlling the humidity of the solid molecular electrolyte membrane of the fuel cell, the humidity control unit being detected by the voltage detector; The humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled based on the moving average of the measured voltage and the moving average of the current detected by the current detector.
本発明の燃料電池システムによれば、電圧検出器及び電流検出器で検出された電圧と電流の移動平均をそれぞれ算出し、これらの移動平均に基づいて固体高分子電解質膜の湿度が制御されるので、検出ノイズ及び揺らぎに起因する誤作動が生じにくい燃料電池システムを提供することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the moving averages of the voltage and current detected by the voltage detector and the current detector are respectively calculated, and the humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled based on these moving averages. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system in which malfunction due to detection noise and fluctuation is less likely to occur.
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態において、前記湿度制御部は、前記電圧検出器にて検出される電圧の移動平均を少なくとも２種類の時間範囲で算出した結果と、前記電流検出器にて検出される電流の移動平均とに基づいて、前記固体高分子電解質膜の湿度を制御する。 In a preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, the humidity control unit calculates the moving average of the voltage detected by the voltage detector in at least two types of time ranges, and the current detector. The humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled based on the moving average of the detected current.
本発明の燃料電池システムの別の好ましい実施形態において、前記湿度制御部は、前記電流検出器にて検出される電流の移動平均を少なくとも２種類の時間範囲で算出した結果と、前記電圧検出器にて検出される電圧の移動平均とに基づいて、前記固体高分子電解質膜の湿度を制御する。 In another preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, the humidity control unit calculates a moving average of the current detected by the current detector in at least two time ranges, and the voltage detector The humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled based on the moving average of the voltage detected at 1.
更には、検出される電圧及び電流の両方の移動平均を少なくとも２種類の時間範囲で算出し、それらの算出結果に基づいて固体高分子電解質膜の湿度を制御する構成が特に好ましい。 Furthermore, it is particularly preferable that the moving average of both the detected voltage and current is calculated in at least two types of time ranges, and the humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled based on the calculation results.
また、本発明の燃料電池システムの更に別の好ましい実施形態において、電圧の移動平均及び電流の移動平均の少なくとも一方の微分値を算出する手段を具備している。更に、燃料電池から出力される電流を充電可能な二次電池を具備することが特に望ましい。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、燃料電池１、電圧検出器２、電流検出器３、湿度制御部４、ローパスフィルター５、移動平均回路６ａ及び６ｂ、抵抗判定回路７、二次電池充電回路制御部８、二次電池充電回路９、二次電池１０、及びＤＣ−ＤＣコンバータ１１から構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力が外部負荷１２に接続されている。
In another preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, the fuel cell system further comprises means for calculating a differential value of at least one of a moving average of voltage and a moving average of current. Furthermore, it is particularly desirable to have a secondary battery that can charge the current output from the fuel cell.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
燃料電池１は、固体高分子電解質膜、カソード及びアノードを具備しており、単一の燃料電池であってもよいし、複数の燃料電池（セル）を接続したものであってもよい。固体高分子電解質膜として、本実施形態ではデュポン社のＮａｆｉｏｎを用いた。また、カソード反応用ガス供給手段及びアノード反応用ガス供給手段（いずれも図示せず）により、燃料電池１にカソード反応用ガスとアノード反応用ガスが供給される。本実施形態ではカソード触媒及びアノード触媒として白金、カソード反応用ガスとして酸素、アノード反応用ガスとして水素をそれぞれ供給した。燃料電池の種類に応じて、カソード反応用ガス及びアノード反応用ガスの種類及び供給量を変更することができる。
The
燃料電池１と並列に接続された電圧検出器２は、燃料電池１が発生する電圧を検出する。燃料電池１が発生する電圧はローパスフィルター５によって高周波ノイズをカットされた後に電圧検出器２に入力される。電圧検出器２は、所定の時刻ごとの電圧を検出する。
A
電圧検出器２で検出された各時刻の電圧は移動平均回路６ａに入力され、移動平均回路６ａは入力された電圧に後述する演算処理を施す。この演算結果は抵抗判定回路７に入力される。電圧検出器２で検出された各時刻の電圧は二次電池充電回路制御部８にも与えられている。
The voltage at each time detected by the
また、燃料電池１と直列に接続された電流検出器３は、燃料電池１から供給される電流を所定の時刻ごとに検出する。電流検出器３で検出された各時刻の電流は移動平均回路６ｂに入力され、移動平均回路６ｂは入力された電流に後述する演算処理を施す。この演算結果も抵抗判定回路７に入力される。電流検出器３で検出された各時刻の電流は二次電池充電回路制御部８にも与えられている。二次電池充電回路制御部８は与えられた各時刻の電圧及び電流から求めた抵抗に基づいて二次電池の充電制御を行う。この制御の詳細は後述する。
The
抵抗判定回路７は、与えられた電圧の移動平均と電流の移動平均とから固体電解質膜の抵抗に関する情報を得て、湿度制御部４に対してどのような制御をすべきか判定する。抵抗判定回路７による判定については後述する。抵抗判定回路７で得られた固体電解質膜の抵抗に関する情報は、二次電池充電回路制御部８にも与えられ、この情報は抵抗に基づく二次電池充電制御に用いられる。なお、実際に求められる電圧の移動平均と電流の移動平均を用いて算出される抵抗は固体電解質膜の抵抗と若干異なるが、両者の誤差は実用上問題とならない程度である。また、燃料電池システムに接続されるべき外部負荷１２がすでに接続されている場合は、この外部負荷１２の特性を用いることによって、より高い精度で抵抗の算出が可能である。
The
湿度制御部４は、抵抗判定回路７の判定結果に従って制御を行う。すなわち、固体高分子電界質膜の抵抗が大きすぎると判定された場合は、相対湿度を上げるように制御する。逆に固体高分子電解質膜の抵抗が小さすぎると判定された場合は、相対湿度を下げるように制御する。それ以外の判定結果の場合（固体高分子電界質膜の抵抗が適切な範囲内にある場合）は、その相対湿度を維持するように制御する。図２のグラフに、本実施形態の燃料電池システムにおける固体高分子電界質膜の抵抗と相対湿度との関係を例示している。このような関係にしたがって、固体高分子電界質膜の抵抗を適切な範囲内に維持するように湿度制御が行われる。
The humidity control unit 4 performs control according to the determination result of the
二次電池充電回路制御部８には、電圧検出器２にて検出された各時刻の電圧、電流検出器３にて検出された各時刻の電流、及び抵抗判定回路７における判定結果が入力される。二次電池充電回路制御部８は入力された電圧、電流及び抵抗（判定結果）がそれぞれ所定の範囲内にある場合は二次電池の充電を行うように制御する。
The voltage at each time detected by the
二次電池充電回路制御部８による制御に従って、二次電池充電回路９が二次電池１０の充電を行う。二次電池１０にはＤＣ−ＤＣコンバータ１１が接続されており、このＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力に外部負荷１２を接続すれば一定の電圧が外部負荷１２へ供給される。
The secondary battery charging circuit 9 charges the secondary battery 10 according to the control by the secondary battery charging
実施形態１の燃料電池システムにおける全体の処理の流れは、図３のフローチャートに示した通りである。燃料電池１による発電が行われると（ステップＳ１０１）、その電圧が検出され、電圧の移動平均が算出される（ステップＳ１０２）。また、電流も検出されて、電流の移動平均が算出される（ステップＳ１０３）。これらの算出結果から抵抗が算出され、その抵抗に基づいて湿度調整が必要か否かが判定される（ステップＳ１０４）。湿度調整が必要であると判定された場合は、湿度制御部４により湿度調整が行われ（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１に戻って、その状態で燃料電池１による発電が継続される。ステップＳ１０４で湿度調整が不要であると判定された場合は、二次電池への充電が可能な電流、電圧及び抵抗であるか否かが判断される（ステップＳ１０６）。二次電池への充電が可能であると判定された場合は、二次電池の充電処理（ステップＳ１０７）の後にステップＳ１０１に戻る。二次電池への充電が可能ではないと判定された場合は、充電処理はスキップしてステップＳ１０１に戻る。
The overall processing flow in the fuel cell system of
次に、移動平均回路６ａが実行する処理について詳述する。移動平均回路６ａは、電圧検出器２にて検出される電圧の移動平均を少なくとも２種類の時間範囲で算出する。移動平均回路６ａは、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータを含み、その出力であるサンプリング時刻ｔごとの電圧値Ｖ（ｔ）に対して下記の各式（数１）の演算を施し、少なくとも２種類の時間範囲での移動平均を求める。
Next, the processing executed by the moving average circuit 6a will be described in detail. The moving average circuit 6a calculates the moving average of the voltage detected by the
すなわち、Ｌ１、Ｌ２、．．．Ｌｎのｎ種類の時間範囲について電圧の移動平均を求めたものがＶ＿Ｌ１（ｔ）、Ｖ＿Ｌ２（ｔ）、．．．Ｖ＿Ｌｎ（ｔ）である。Ｔは移動平均をとる際のサンプリング間隔を示し、ｉは自然数である。Ｌ１、Ｌ２、．．．Ｌｎは、Ｌ１＜Ｌ２＜．．． ＜Ｌｎの関係を満たすものとする。 That is, L1, L2,. . . What calculated the moving average of the voltage about n time ranges of Ln is V_L1 (t), V_L2 (t),. . . V_Ln (t). T represents a sampling interval when taking a moving average, and i is a natural number. L1, L2,. . . Ln is L1 <L2 <. . . <Ln shall be satisfied.
時刻ｔにおける移動平均Ｖ＿Ｌ１（ｔ）、Ｖ＿Ｌ２（ｔ）、．．．Ｖ＿Ｌｎ（ｔ）は、時間範囲Ｌ１、Ｌ２、．．．Ｌｎに応じて過去の時刻の数値の移動平均を算出して求める。本発明の燃料電池システムにおいては、時間範囲Ｌ１を適切に選択することによって、揺らぎ量を含んだ電圧Ｖ（ｔ）であっても、その揺らぎ量を抑えたＶ＿Ｌ１（ｔ）を得ることが可能である。 Moving averages V_L1 (t), V_L2 (t),. . . V_Ln (t) is the time range L1, L2,. . . A moving average of numerical values of past times is calculated and determined according to Ln. In the fuel cell system of the present invention, by appropriately selecting the time range L1, it is possible to obtain V_L1 (t) that suppresses the fluctuation amount even if the voltage V (t) includes the fluctuation amount. It is.
図４のグラフは、実施形態１の燃料電池システムで電圧の揺らぎ量が減少する様子を示している。図４（ａ）は検出された電圧の変化が比較的小さい場合を示し、図４（ｂ）及び（ｃ）は検出された電圧の変化が比較的大きい場合を示している。図４（ｂ）は、揺らぎ量を含んだ電圧Ｖ（ｔ）の変化を示し、図４（ｃ）は、移動平均回路６ａによって揺らぎ量が抑えられた電圧Ｖ＿Ｌ１（ｔ）の変化を示している。この実施形態では、３体の燃料電池セルを直列接続した燃料電池を用いた。 The graph of FIG. 4 shows how the amount of voltage fluctuation decreases in the fuel cell system of the first embodiment. FIG. 4A shows a case where the detected voltage change is relatively small, and FIGS. 4B and 4C show a case where the detected voltage change is relatively large. FIG. 4B shows a change in the voltage V (t) including the fluctuation amount, and FIG. 4C shows a change in the voltage V_L1 (t) in which the fluctuation amount is suppressed by the moving average circuit 6a. Yes. In this embodiment, a fuel cell in which three fuel cells are connected in series is used.
図４から分かるように、本実施形態の燃料電池システムによれば、たとえ外乱により検出ノイズがあったとしても、適切に選択されたＬ１により、全体的な傾向を示す滑らかな電圧変化を得ることができ、誤判定の危険を低減できる。また、Ｖ＿Ｌ１（ｔ）がＶ＿Ｌ２（ｔ）より十分大きいときは、燃料電池システムの電圧が時間の経過に伴って上昇しつつあると判断できる。更に、Ｖ＿Ｌ１（ｔ）＞Ｖ＿Ｌ２（ｔ）＞．．．＞Ｖ＿Ｌｎ（ｔ）の関係が成立するときは、極めて高い確率で、燃料電池システムの電圧が時間の経過に伴って上昇しつつあると判断できる。逆に、Ｖ＿Ｌ１（ｔ）＜Ｖ＿Ｌ２（ｔ）＜．．．＜Ｖ＿Ｌｎ（ｔ）の関係が成立するときは、極めて高い確率で、燃料電池システムの電圧が時間の経過に伴って下降しつつあると判断できる。 As can be seen from FIG. 4, according to the fuel cell system of this embodiment, even if there is a detection noise due to a disturbance, a smooth voltage change showing an overall tendency can be obtained by appropriately selected L1. Can reduce the risk of misjudgment. Further, when V_L1 (t) is sufficiently larger than V_L2 (t), it can be determined that the voltage of the fuel cell system is increasing with the passage of time. Furthermore, V_L1 (t)> V_L2 (t)>. . . When the relationship> V_Ln (t) is established, it can be determined with extremely high probability that the voltage of the fuel cell system is increasing with the passage of time. Conversely, V_L1 (t) <V_L2 (t) <. . . When the relationship <V_Ln (t) is established, it can be determined with a very high probability that the voltage of the fuel cell system is decreasing with the passage of time.
次に、移動平均回路６ｂが実行する処理について詳述する。移動平均回路６ｂは、電流検出器３にて検出される電流の移動平均を少なくとも２種類の時間範囲で算出する。移動平均回路６ｂは、アナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤコンバータを含み、その出力であるサンプリング時刻ｔごとの電流値Ｉ（ｔ）に対して下記の各式（数２）の演算を施し、少なくとも２種類の時間範囲での移動平均を求める。
Next, the process executed by the moving
すなわち、Ｌ１、Ｌ２、．．．Ｌｎのｎ種類の時間範囲について電流の移動平均を求めたものがＩ＿Ｌ１（ｔ）、Ｉ＿Ｌ２（ｔ）、．．．Ｉ＿Ｌｎ（ｔ）である。電圧の場合と同様に、Ｔは移動平均をとる際のサンプリング間隔を示し、ｉは自然数である。Ｌ１、Ｌ２、．．．ＬｎがＬ１＜Ｌ２＜．．．＜Ｌｎの関係を満たすことも同じである。 That is, L1, L2,. . . What calculated | required the moving average of the electric current about n time ranges of Ln is I_L1 (t), I_L2 (t),. . . I_Ln (t). As in the case of voltage, T indicates a sampling interval when taking a moving average, and i is a natural number. L1, L2,. . . Ln is L1 <L2 <. . . It is the same to satisfy the relationship <Ln.
本発明の燃料電池システムでは、時間範囲Ｌ１を適切に選択することによって、揺らぎ量を含んだ電流Ｉ（ｔ）であっても、その揺らぎ量を抑えたＩ＿Ｌ１（ｔ）を得ることが可能である。 In the fuel cell system of the present invention, by appropriately selecting the time range L1, it is possible to obtain I_L1 (t) that suppresses the fluctuation amount even if the current I (t) includes the fluctuation amount. is there.
図５のグラフは、実施形態１の燃料電池システムで電流の揺らぎ量が減少する様子を示している。図５（ａ）は検出された電流の変化が比較的小さい場合を示し、図５（ｂ）及び（ｃ）は検出された電流の変化が比較的大きい場合を示している。図５（ｂ）は、揺らぎ量を含んだ電流Ｉ（ｔ）の変化を示し、図５（ｃ）は、移動平均回路６ｂによって揺らぎ量が抑えられた電流Ｉ＿Ｌ１（ｔ）の変化を示している。この実施形態では、３体の燃料電池セルを直列接続した燃料電池を用いた。
The graph of FIG. 5 shows how the amount of current fluctuation decreases in the fuel cell system of the first embodiment. FIG. 5A shows a case where the detected current change is relatively small, and FIGS. 5B and 5C show a case where the detected current change is relatively large. FIG. 5B shows a change in the current I (t) including the fluctuation amount, and FIG. 5C shows a change in the current I_L1 (t) in which the fluctuation amount is suppressed by the moving
図５から分かるように、本実施形態の燃料電池システムによれば、たとえ外乱により検出ノイズがあったとしても、適切に選択されたＬ１により、全体的な傾向を示す滑らかな電流変化を得ることができ、誤判定の危険を低減できる。また、Ｉ＿Ｌ１（ｔ）がＩ＿Ｌ２（ｔ）より十分大きいときは、燃料電池システムの電流が時間の経過に伴って増加しつつあると判断できる。更に、Ｉ＿Ｌ１（ｔ）＞Ｉ＿Ｌ２（ｔ）＞．．．＞Ｉ＿Ｌｎ（ｔ）の関係が成立するときは、極めて高い確率で、燃料電池システムの電流が時間の経過に伴って増加しつつあると判断できる。逆にＩ＿Ｌ１（ｔ）＜Ｉ＿Ｌ２（ｔ）＜．．．＜Ｉ＿Ｌｎ（ｔ）の関係が成立するときは、極めて高い確率で、燃料電池システムの電流が時間の経過に伴って減少しつつあると判断できる。 As can be seen from FIG. 5, according to the fuel cell system of the present embodiment, even if there is a detection noise due to a disturbance, a smooth current change showing an overall trend can be obtained by appropriately selected L1. Can reduce the risk of misjudgment. Further, when I_L1 (t) is sufficiently larger than I_L2 (t), it can be determined that the current of the fuel cell system is increasing with time. Further, I_L1 (t)> I_L2 (t)>. . . When the relationship> I_Ln (t) is established, it can be determined with extremely high probability that the current of the fuel cell system is increasing with the passage of time. Conversely, I_L1 (t) <I_L2 (t) <. . . When the relationship of <I_Ln (t) is established, it can be determined with extremely high probability that the current of the fuel cell system is decreasing with time.
次に、抵抗判定回路７の動作について図６を参照しながら説明する。図６は、実施形態１の燃料電池システムで抵抗の揺らぎ量が減少する様子を示しており、図４に示した電圧の変化及び図５に示した電流の変化に対応している。図６（ａ）と図６（ｂ）は、移動平均を算出する前の電圧検出器２にて検出された電圧と電流検出器３にて検出された電流とから求めた抵抗の変化を示し、図６（ｃ）は電圧の移動平均Ｖ＿Ｌ１及び電流の移動平均Ｉ＿Ｌ１から出した抵抗の変化を示している。図６（ａ）は変化が比較的小さい場合を示し、図６（ｂ）と図６（ｃ）は変化が比較的大きい場合を示している。図６（ｂ）では抵抗の変化における揺らぎ量が大きいのに対し、図６（ｃ）ではその揺らぎ量が減少していることがわかる。このように揺らぎ量が抑制されれば、抵抗の微分値を算出した場合も安定した判定が可能となる。
Next, the operation of the
電圧の移動平均Ｖ＿Ｌ１及び電流の移動平均Ｉ＿Ｌ１から算出した抵抗をＲ＿Ｌ１と表記すると、抵抗判定回路７による判定基準を次のように定めることができる。
When the resistance calculated from the moving average V_L1 of voltage and the moving average I_L1 of current is expressed as R_L1, the determination criterion by the
Ｒ＿Ｌ１（ｔ）が、Ｒ＿Ｌ２（ｔ）より十分大きいときは、燃料電池システムの抵抗が時間の経過に伴って増加しつつあると判断できる。更に、Ｒ＿Ｌ１（ｔ）＞Ｒ＿Ｌ２（ｔ）＞．．．＞Ｒ＿Ｌｎ（ｔ）の関係が成立するときは、極めて高い確率で、燃料電池システムの抵抗が時間の経過に伴って増加しつつあると判断できる。逆にＲ＿Ｌ１（ｔ）＜Ｒ＿Ｌ２（ｔ）＜．．．＜Ｒ＿Ｌｎ（ｔ）の関係が成立するときは、極めて高い確率で、燃料電池システムの抵抗が時間の経過に伴って減少しつつあると判断できる。 When R_L1 (t) is sufficiently larger than R_L2 (t), it can be determined that the resistance of the fuel cell system is increasing with time. Further, R_L1 (t)> R_L2 (t)>. . . When the relationship> R_Ln (t) is established, it can be determined with extremely high probability that the resistance of the fuel cell system is increasing with the passage of time. Conversely, R_L1 (t) <R_L2 (t) <. . . When the relationship <R_Ln (t) is established, it can be determined with extremely high probability that the resistance of the fuel cell system is decreasing with time.
また、Ｒ＿Ｌ１の微分値、Ｒ＿Ｌ２の微分値、．．．Ｒ＿Ｌｎの微分値のすべてが過去の値より大きくなった場合は、極めて高い確率で、抵抗が増加したと判断できる。 Also, the differential value of R_L1, the differential value of R_L2,. . . When all the differential values of R_Ln are larger than the past values, it can be determined that the resistance has increased with a very high probability.
ここで上述のように、抵抗Ｒ＿Ｌ１は電圧の移動平均Ｖ＿Ｌ１及び電流の移動平均Ｉ＿Ｌ１から算出したものであるが、次に示す理由で、電圧の移動平均及び電流の移動平均の少なくとも一方の微分値を算出する手段を具備することで、Ｒ＿Ｌ１の微分値を求めることが可能である。簡単のため、Ｒ＿Ｌ１をｒ（ｔ）、Ｖ＿Ｌ１をｖ（ｔ）、Ｉ＿Ｌ１をｉ（ｔ）とおく。ここで、ｔは時刻であり、Ｒ＿Ｌ１、Ｖ＿Ｌ１、Ｉ＿Ｌ１が時間の関数であることを示している。オームの法則から、ｒ（ｔ）＝ｖ（ｔ）／ｉ（ｔ）が成立し、ここでｒ（ｔ）の時間微分を計算すると次式を得る。 Here, as described above, the resistor R_L1 is calculated from the moving average V_L1 of the voltage and the moving average I_L1 of the current. For the following reason, at least one differential value of the moving average of the voltage and the moving average of the current is obtained. It is possible to determine the differential value of R_L1. For simplicity, R_L1 is set to r (t), V_L1 is set to v (t), and I_L1 is set to i (t). Here, t is time, and R_L1, V_L1, and I_L1 indicate that they are functions of time. From Ohm's law, r (t) = v (t) / i (t) holds, and when the time derivative of r (t) is calculated here, the following equation is obtained.
（ｄ／ｄｔ）ｒ（ｔ）＝（ｄ／ｄｔ）（ｖ（ｔ）／ｉ（ｔ））＝（１／ｉ（ｔ））（ｄｖ（ｔ）／ｄｔ）−（ｖ（ｔ）／（ｉ（ｔ））2）（ｄｉ（ｔ）／ｄｔ）
この式において、第１項のｄｖ（ｔ）／ｄｔが電圧の移動平均の微分を表し、第２項のｄｉ（ｔ）／ｄｔが電流の移動平均の微分を表している。例えばｄｖ（ｔ）／ｄｔが実用上は一定であると近似できるような場合は、電流の移動平均の微分であるｄｉ（ｔ）／ｄｔを算出する手段があればｒ（ｔ）の時間微分を求めることができる。逆に、ｄｉ（ｔ）／ｄｔが実用上は一定であると近似できるような場合は、電圧の移動平均の微分であるｄｖ（ｔ）／ｄｔを算出する手段があればｒ（ｔ）の時間微分を求めることができる。もちろん、ｄｖ（ｔ）／ｄｔとｄｉ（ｔ）／ｄｔの両方を算出してｒ（ｔ）の時間微分を求めたほうがより正確な計算ができるが、いずれにせよ、電圧の移動平均及び電流の移動平均の少なくとも一方の微分値を算出する手段を具備することにより、抵抗の微分値を求めることができる。こうして求めた抵抗の微分値に対して、上述の大小関係により、燃料電池システムの抵抗の時間的な変化を適切に把握することが可能となる。
(D / dt) r (t) = (d / dt) (v (t) / i (t)) = (1 / i (t)) (dv (t) / dt) − (v (t) / (I (t)) 2 ) (di (t) / dt)
In this equation, dv (t) / dt of the first term represents the differential of the moving average of the voltage, and di (t) / dt of the second term represents the differential of the moving average of the current. For example, when dv (t) / dt can be approximated as being practically constant, if there is a means for calculating di (t) / dt, which is a derivative of the moving average of the current, the time derivative of r (t) Can be requested. Conversely, when di (t) / dt can be approximated to be practically constant, if there is a means for calculating dv (t) / dt, which is a differential of the moving average of the voltage, r (t) Time derivative can be obtained. Of course, more accurate calculation can be made by calculating both dv (t) / dt and di (t) / dt and calculating the time derivative of r (t). By providing a means for calculating at least one differential value of the moving average, the differential value of the resistance can be obtained. With respect to the differential value of the resistance thus obtained, it is possible to appropriately grasp the temporal change in the resistance of the fuel cell system based on the above-described magnitude relationship.
以上に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば湿度制御を適切に行うことが可能となり、高い信頼性を有する燃料電池システムを構築することができる。
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この実施形態は、実施形態１の燃料電池システムから二次電池とその充電回路等を削除したものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、図７に示すように、燃料電池１、電圧検出器２、電流検出器３、湿度制御部４、ローパスフィルター５、移動平均回路６ａ及び６ｂ、抵抗判定回路７、及びＤＣ−ＤＣコンバータ１１から構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力が外部負荷１２に接続されている。
As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, it is possible to appropriately perform humidity control, and it is possible to construct a fuel cell system having high reliability.
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
本実施形態の燃料電池システムは、二次電池とその充電回路等を含まない点以外では実施形態１と同じ構成を有し、動作も同じである。安定した電流供給のためには、二次電池とその充電回路等を含む実施形態１の構成のほうが好ましいが、実施形態２の構成は実施形態１の構成より簡素になりコストも低くてすむメリットを有する。 The fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the secondary battery and its charging circuit are not included, and the operation is also the same. In order to supply a stable current, the configuration of the first embodiment including the secondary battery and its charging circuit is preferable, but the configuration of the second embodiment is simpler and less expensive than the configuration of the first embodiment. Have
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態を適宜変更して実施可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can be implemented by changing these embodiment suitably.
本発明の燃料電池システムは、電圧と電流の移動平均に基づいて固体高分子電解質膜の水分量を制御するので、固体高分子電解質の電圧あるいは電流を検出する際の検出ノイズ及び揺らぎ量を抑えて誤作動を回避することができる。それゆえ、本発明の燃料電池システムは、電圧あるいは電流を検出する際に大きな検出ノイズを拾いやすい環境で使用される燃料電池システムとして好適であり、信頼性の高い燃料電池システムを提供できる。 Since the fuel cell system of the present invention controls the amount of water in the solid polymer electrolyte membrane based on the moving average of voltage and current, the detection noise and fluctuation amount when detecting the voltage or current of the solid polymer electrolyte are suppressed. Malfunction can be avoided. Therefore, the fuel cell system of the present invention is suitable as a fuel cell system used in an environment in which large detection noise is easily picked up when detecting voltage or current, and can provide a highly reliable fuel cell system.
１ 燃料電池
２ 電圧検出器
３ 電流検出器
４ 湿度制御部
５ ローパスフィルター
６ａ、６ｂ 移動平均回路
７ 抵抗判定回路
８ 二次電池充電回路制御部
９ 二次電池充電回路
１０ 二次電池
１１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２ 外部負荷
DESCRIPTION OF
Claims (5)
請求項１記載の燃料電池システム。 The humidity control unit is based on the result of calculating the moving average of the voltage detected by the voltage detector in at least two types of time ranges, and the moving average of the current detected by the current detector, The fuel cell system according to claim 1, wherein the humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled.
請求項１記載の燃料電池システム。 The humidity control unit is based on the result of calculating the moving average of the current detected by the current detector in at least two types of time ranges, and the moving average of the voltage detected by the voltage detector, The fuel cell system according to claim 1, wherein the humidity of the solid polymer electrolyte membrane is controlled.
請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, further comprising means for calculating a differential value of at least one of the moving average of the voltage and the moving average of the current.
請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a secondary battery that can be charged by a current output from the fuel cell.
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2005
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