JP2010231973A - 電気化学システムとこの電気化学システムの負荷接断方法 - Google Patents
電気化学システムとこの電気化学システムの負荷接断方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】電気化学装置10と、これと外部負荷15とを接断するための接断器22と、電気化学装置10の電圧を検知するための電圧検知センサ20とを有する電気化学システムであって、所要のタイミングで接断器22によって電気化学装置10と外部負荷15とを切り離す負荷切離手段と、外部負荷15を切り離したときの電気化学装置の電圧を電圧検知センサ20によって取得させる電圧取得手段と、取得した電気化学装置10の電圧値に基づいて、外部負荷15を切り離したときの電気化学装置10の電圧変化速度を算出する電圧変化速度算出手段と、算出した電圧変化速度に基づいて、接断器22によって電気化学装置10に外部負荷15を接続する負荷接続手段とを設けている。
【選択図】図1
Description
特許文献1に記載された電気化学システムは、燃料電池に接続された電気的負荷へ電流を流している状態での前記燃料電池の定常時出力電圧を測定する定常時電圧測定ステップと、前記燃料電池から前記電気的負荷に流している電流を略ゼロへ減少させる負荷切替ステップと、記電気的負荷に流している電流を略ゼロへ減少させた時から一定時間経過後の時刻における前記燃料電池の無負荷時出力電圧を測定する無負荷時電圧測定ステップと、前記無負荷時出力電圧と、前記燃料電池に供給された燃料のメタノール濃度との関係から、前記メタノール濃度を求める濃度演算ステップとを有することを特徴としたものである。
また、図3はスタックの出力電圧と時間との関係を示すグラフ、図4は、スタックの出力電圧と電流との関係を示すグラフである。
燃料電池11は、固体酸化物型燃料電池スタック(以下、単に「スタック」という。)12を有して構成されている。
スタック12は、複数のセルユニット13…を互いに積層したものであり、ケース14内に収容されている。
このセルユニット13にはデバイス温度センサS1(図2参照)が配設されており、そのセルユニット13の温度、従ってまた、燃料電池11の温度を検知するようにしている。
また、上記の電流計21と電圧計20は、コントロールユニット(以下、「C/U」と略記する。)30の入力ポート側に接続されて、各取得した出力の測定値が入力されるようになっている。
本実施形態においては、上記の電流計21と電圧計20とが、燃料電池11の出力を測定するための出力測定器である。
インバータ23は、燃料電池11から出力された直流電力を交流に変換して外部負荷(以下、「モータ」という。)15に給電するためのものである。
すなわち、図3に示すように、モータ15を切り離した後の電圧変化は、その電圧変化速度が変化しない部分と、電圧変化速度が徐々に半跏する部分に分けることができる。
電圧変化速度が変化しない部分は、モータ15を切り離した後、すなわち、電流遮断の直後に起きることから応答性の速い内部抵抗成分である。
この部分は、図4に示すように、オーム損に起因する内部抵抗(IR抵抗)に分類することができる。IR抵抗成分の内訳は、電解質膜のイオン伝導抵抗、燃料極と空気極を結ぶ接点構成の電子伝導抵抗等からなると考えられる。
このとき、実際には、電圧変化速度が一定の領域と、徐々に変化する領域を、明確に区別することは難しい。従って、電圧変化速度の変移量が、それぞれの装置に応じて決められた一定の値になったか否かを判断することで、両者の領域を区別する。
一定の値の決定は、例えば予め電気化学デバイスの内部抵抗内訳を精査し、同様な電流遮断を実施したときの挙動を比較して、設定することができる。
上記のとおり、本実施形態においてはIR抵抗を実測することができる。
本実施形態においては、電圧変化速度の変移量が一定以上となったと判定したときに、リレー22によって燃料電池11にモータ15を接続させている。
本実施形態においては、予め設定されたスケジュールに従って内部抵抗を算出しているが、外部からの電力要求信号に応じて内部抵抗を算出するようにしてもよい。なお、「予め設定されたスケジュール」は、上記メモリ32に記憶されており、内部抵抗値を算出するときに読み出される。
すなわち、劣化状態の履歴をC/U30に記憶しておき、メンテナンス時期の予測やワーニング発信等の操作を行うことができるようになる。
また、「外部からの電力要求信号に応じて」とは、例えば本システムに対する発電要求がゼロになった際(例えば車両用燃料電池システムの場合、運転者がアクセルをオフにした場合)、上記内部抵抗診断を実施する。
具体的には、IR抵抗による電圧ロスが増大した場合、燃料電池11の運転温度を上昇させる制御(例えばカソード空気流量を下げる制御)を行って、反応抵抗を低減することができる。
反応抵抗が増大した場合、燃料過剰率をあげる制御(例えば、カソード空気流量を上げる制御)を行うことができる。このような制御により、電気化学システムA1の運転状態を適正に保つことができる。
すなわち、IR抵抗成分の中で、電解質イオン伝導抵抗は、温度依存性を有する。温度は、運転状態(発電量、燃料電池への導入空気量、導入燃料量)によって推算することができる。これにより、IR抵抗成分の温度依存性の影響を、正しく判断することができる。
先ず、電気化学システムA1の基本的な運転制御に従って起動され、同時に、下記の診断制御が実行される。
ステップ1(図中、「S1」と略記する。以下、同様。):燃料電池11への燃料と空気の供給を検知する。
ステップ3:リレー22が接続され、モータ15の要求出力に応じた発電状態に移行する。
ステップ4:内部抵抗診断の実施を判断する。例えば、C/U30内で記録している運転時間が、予め設定した値になったときに、ステップ5に移行する。
または、出力が減少していると判断された場合、ステップ5に移行する。具体的には、計測される発電出力が、各燃料、空気導入条件に対応して予め計測された発電出力に対し、一定の減少率以上となった場合、ステップ5に移行する。
ステップ6:燃料電池11の電圧、電流を計測する。
ステップ7:リレー22を開放し、燃料電池11を開回路状態にする。
ステップ8:開回路状態の電圧変化を計測する。
具体的には、図3に示す診断波形における、電圧変化速度が変化しない部分を判断する。単位時間の電圧変化量を計算し、この変化量が、切り替え直後の変化量に対し、一定の値だけ減少した時点で、IR抵抗に起因する内部抵抗応答領域が終了したと判断する。この時、単位時間、及び電圧変化量の初期変化量に対する減少率は、それぞれ0.1ms、20%とした。
ステップ11:ステップ2,5,6,9で取得した情報から、クロスリーク、IR抵抗及び反応抵抗による電圧ロスをそれぞれ計算する。
そして、計算された内部抵抗と、診断時期とをメモリ32に記憶する。
ステップ14:診断を継続して、ステップ3へ戻る。
具体的には、燃料電池11の温度に基づいて、単位時間を長短調整する機能。すなわち、単位時間調整手段を設けた構成にしている。
本実施形態においても、上記した図5に示すフローチャートに従って処理を行うが、このとき、ステップ4における内部抵抗診断の実施の判断を、運転者がアクセルOFF(アクセルペダルから足を離した)したときとしている。これにより、発電要求に影響することなしに内部診断を実施できる。
また、アクセル開度センサの代わりに、例えば、運転キーOFFセンサを設け、運転者が運転停止を実行したことを検知しても、上記した図5に示すフローチャートに従って、処理を行うことが出来る。これにより、発電要求に影響することなしに内部診断を実施できる。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
先ず、電気化学システムA4の基本的な運転制御に従って起動され、同時に、下記の診断制御が実行される。
ステップ2:リレー22によってバッテリ10Aとモータ15とが接続され、そのモータ15の要求出力に応じた電力が供給される。
ステップ3:バッテリ10Aの端子間電圧、電流を計測する。
なお、一定の電圧若しくは一定のSOCでステップ5に移行する。ここでSOC(State of charge)とは、電気容量に対して、充電している電気量を比率で表した値である。
ステップ6:開回路状態の電圧変化を計測する。
ステップ7:診断運転の終了判断を行う。
具体的には、図3に示した診断波形における電圧変化速度が変化しない部分を判断する。単位時間の電圧変化量を計算し、この変化量が切り替え直後の変化量に対し、一定の値だけ減少した時点で、IR抵抗に起因する内部抵抗応答領域が終了したと判断する。この時、単位時間及び電圧変化量の初期変化量に対する減少率は、それぞれ0.1ms、20%とした。
ステップ9:ステップ1,6,7で取得した情報から、IR抵抗及び反応抵抗による電圧ロスをそれぞれ計算する。そして、内部抵抗をメモリ32に記憶する。
「内部抵抗の変化傾向と、それぞれの内部抵抗に対して予め設定された一定の閾値(劣化判断値)」は、予めメモリ32に記憶している。
すなわち、内部抵抗の変化傾向に基づいて、電気化学デバイスであるバッテリ10Aの劣化対応が必要な時期を算出する機能。この機能を「劣化対応時期算出手段」という。
「電気化学デバイスであるバッテリ10Aの劣化対応」は、バッテリ10Aのメンテナンスや交換等である。
ステップ11:診断を継続して、ステップ2に戻る。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
すなわち、充電電源45から供給された直流電流により、バッテリ10Bを充電できるようにしたものである。
先ず、本システムの基本的な充電制御に従って充電が開始される。同時に、図11の診断制御が以下の通り実行される。
ステップ1(図中、「S1」と略記する。以下同様。):充電が開始される直前の開回路電圧を計測する。
ステップ2:リレー22が接続され、バッテリ10Bに電力が供給される。
ステップ3:バッテリ10Bの端子間の電圧、電流を計測する。
又は、一定の電圧若しくは一定のSOCでステップ5に進むようにしてもよい。
ステップ6:開回路状態の電圧変化を計測する。
ステップ7:診断運転の終了判断を行う。
具体的には、図1に示した診断波形における、電圧変化速度が変化しない部分を判断する。単位時間の電圧変化量を計算し、この変化量が、切り替え直後の変化量に対し、一定の値だけ減少した時点で、IR抵抗に起因する内部抵抗応答領域が終了したと判断する。この時、単位時間及び電圧変化量の初期変化量に対する減少率は、それぞれ0.1ms、20%とした。
ステップ9:ステップ1,6,7において取得した情報から、IR抵抗及び反応抵抗による電圧ロスをそれぞれ計算する。そして、内部抵抗をC/U30に記憶する。
ステップ11:診断を継続する。ステップ2に戻る。
・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
11 燃料電池
15 モータ(外部負荷)
20 電圧検知センサ(電圧計)
22 接断器
31a 負荷切離手段
31b 電圧取得手段
31c 電圧変化速度算出手段
31d 変移量判定手段
31e 負荷接続手段
31f 内部抵抗算出手段
31g 装置温度取得手段
31h 内部抵抗補正手段
S1 装置温度センサ
Claims (8)
- 電気化学装置と、この電気化学装置と外部負荷とを接断するための接断器と、その電気化学装置の電圧を検知するための電圧検知センサとを有する電気化学システムであって、
所要のタイミングにおいて、電気化学装置と外部負荷とを接断器によって切り離す負荷切離手段と、
外部負荷を切り離したときの電気化学装置の電圧を電圧検知センサによって取得させる電圧取得手段と、
取得した電気化学装置の電圧値に基づいて、外部負荷を切り離したときの電気化学装置の電圧変化速度を算出する電圧変化速度算出手段と、
算出した電圧変化速度に基づいて、接断器によって電気化学装置に外部負荷を接続する負荷接続手段とを設けていることを特徴とする電気化学システム。 - 電圧変化速度の変移量が一定以上となったか否かを判定する変移量判定手段を有し、
電圧変化速度の変移量が一定以上となったと判定したときに、負荷接断手段は、電気化学デバイスに外部負荷を接続することを特徴とする請求項1に記載の電気化学システム。 - 前記電流変化速度、発電時の電流‐電圧又は起動時の開放電圧に基づいて、電気化学装置の内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学システム。
- 電気化学装置の温度を検知するための装置温度センサが設けられており、
装置温度センサによって電気化学装置の温度を取得する装置温度取得手段と、
取得した電気化学装置の温度に基づいて、その内部抵抗値を増減補正する内部抵抗補正手段とを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学システム。 - 内部抵抗算出手段は、予め設定されたスケジュールに基づいて内部抵抗を算出することを特徴とする請求項3に記載の電気化学システム。
- 内部抵抗算出手段は、外部からの電力要求信号に応じて内部抵抗を算出することを特徴とする請求項3に記載の電気化学システム。
- 電気化学装置が燃料電池を含むものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学システム。
- 電気化学装置と、この電気化学装置と外部負荷とを接断するための接断器と、その電気化学装置の電圧を検知するための電圧検知センサとを有する電気化学システムの負荷接断方法であって、
所要のタイミングにおいて、電気化学装置と外部負荷とを接断器によって切り離す負荷切離ステップと、
外部負荷を切り離したときの電気化学装置の電圧を電圧検知センサによって取得する電圧取得ステップと、
取得した電気化学装置の電圧値に基づいて、外部負荷を切り離したときの電気化学装置の電圧変化速度を算出する電圧変化速度算出ステップと、
算出した電圧変化速度に基づいて、接断器によって電気化学装置に外部負荷を接続する負荷接続ステップとを有することを特徴とする電気化学システムの負荷接断方法。
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