JP2013258042A - 乾湿指標測定装置、および燃料電池診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】乾湿指標測定装置は、単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流測定部41と、単位セル10のセル電圧を検出するセル電圧センサ42と、高周波域内の交流信号を燃料電池1の出力電流に付加する信号付加部431と、交流信号が付加された際のセル電圧および局所電流から局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出部432と、局所インピーダンスから乾湿指標を算出する乾湿指標算出部433とを備える。そして、高周波域は、交流信号の周波数を増加させた際に、局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、乾湿指標算出部433は、局所インピーダンスの虚数部を用いて触媒層における乾湿指標を算出する。
【選択図】図2
Description
本実施形態の燃料電池診断装置4は、電気自動車の一種である燃料電池車両の燃料電池システムに適用されて、車両に搭載された燃料電池1の単位セル10内部の乾湿状態を診断するものである。
(アノード電極)H2→2H++2e−
(カソード電極)2H++1/2O2+2e−→H2O
ここで、図5は、本実施形態に係る単位セル10の等価回路の一例を示す回路図である。本実施形態では、図5に示すように、単位セル10の等価回路を、電解質膜100aの膜抵抗Rp、アノード側触媒層100bの反応抵抗Ra(I)、拡散インピーダンスZa、アイオノマー抵抗Rai、電気二重層容量Ca、およびカソード側触媒層100cの反応抵抗Rc(I)、拡散インピーダンスZc、アイオノマー抵抗Rci、電気二重層容量Ccにより表現している。
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態では、燃料電池診断装置4にて、局所インピーダンスの虚数部から触媒層100b、100cのアイオノマー抵抗Rai、Rciの合算値Rsumを求め、当該アイオノマー抵抗の合算値に基づいて診断セル10内部の乾湿状態を診断する点が第1実施形態と相違している。本実施形態では、第1実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
Rsum=Σ(Rai+Rci)=2ω{Im(Z)2}C…(F1)
1/C=1/Ca+1/Cc…(F2)
但し、ωは、信号付加部431にて付加する交流信号の角周波数、Cは、各触媒層100b、100cの電気二重層容量Ca、Ccの直列容量を示している。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、乾湿指標算出部433にて、電解質膜100aの膜抵抗を診断セル10内の乾湿指標として算出する点が第1、第2実施形態と相違している。本実施形態では、第1、第2実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない範囲において、種々変形することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
10 単位セル
100 膜電極接合体
100a 電解質膜
100b アノード側触媒層
100c カソード側触媒層
41 局所電流測定部(局所電流検出手段)
42 セル電圧センサ(セル電圧検出手段)
431 信号付加部(信号付加手段)
432 インピーダンス算出部(インピーダンス算出手段)
433 乾湿指標算出部(乾湿指標算出手段)
434 診断部(診断手段)
Claims (5)
- 電解質膜(100a)の両面を一対の触媒層(100b、100c)で挟んだ膜電極接合体(100)を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する単位セル(10)を備える燃料電池(1)に適用され、前記単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置であって、
前記単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段(41)と、
前記単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段(42)と、
予め定めた高周波域内の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段(431)と、
前記交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際の前記セル電圧および前記局所電流から前記単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段(432)と、
前記局所インピーダンスから前記乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段(433)と、を備え、
前記高周波域は、前記燃料電池の出力電流に付加する前記交流信号の周波数を増加させた際に、前記局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、
前記乾湿指標算出手段は、前記局所インピーダンスの虚数部を用いて前記触媒層における前記乾湿指標を算出することを特徴とする乾湿指標測定装置。 - 前記触媒層は、少なくとも触媒作用を発揮する物質(100d)、およびアイオノマー(100f)を有して構成され、
前記乾湿指標算出手段は、前記局所インピーダンスの虚数部を用いて前記触媒層の前記アイオノマーの抵抗を求め、前記アイオノマーの抵抗を前記触媒層における前記乾湿指標として算出することを特徴とする請求項1に記載の乾湿指標測定装置。 - 前記信号付加手段は、前記高周波域内における異なる周波数の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加可能に構成され、
前記インピーダンス算出手段は、前記異なる周波数の交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際に、前記異なる周波数に対応する前記局所インピーダンスを個別に算出するように構成され、
前記乾湿指標算出手段は、前記異なる周波数毎に算出された前記局所インピーダンスの実数部および虚数部から前記電解質膜の膜抵抗を求め、前記膜抵抗を前記電解質膜の前記乾湿指標として算出することを特徴とする請求項1または2に記載の乾湿指標測定装置。 - 電解質膜(100a)の両面を一対の触媒層(100b、100c)で挟んだ膜電極接合体(100)を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する単位セル(10)を備える燃料電池(1)に適用され、前記単位セルの内部の乾湿状態を示す乾湿指標を測定する乾湿指標測定装置であって、
前記単位セルの局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段(41)と、
前記単位セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段(42)と、
予め定めた高周波域内の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加する信号付加手段(431)と、
前記交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際の前記セル電圧および前記局所電流から前記単位セルの局所部位における局所インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段(432)と、
前記局所インピーダンスから前記乾湿状態を示す乾湿指標を算出する乾湿指標算出手段(433)と、を備え、
前記高周波域は、前記燃料電池の出力電流に付加する前記交流信号の周波数を増加させた際に、前記局所インピーダンスの実数部の減少に対して虚数部が直線的に減少する直線領域内に設定されており、
前記信号付加手段は、前記高周波域内における異なる周波数の交流信号を前記燃料電池の出力電流に付加可能に構成され、
前記インピーダンス算出手段は、前記異なる周波数の交流信号が前記燃料電池の出力電流に付加された際に、前記異なる周波数に対応する前記局所インピーダンスを個別に算出するように構成され、
前記乾湿指標算出手段は、前記異なる周波数毎に算出された前記局所インピーダンスの実数部および虚数部から前記電解質膜の膜抵抗を求め、前記膜抵抗を前記電解質膜の前記乾湿指標として算出することを特徴とする乾湿指標測定装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1つに記載の乾湿指標測定装置と、
前記乾湿指標測定装置にて測定された前記乾湿指標を用いて前記単位セルの内部の前記乾湿状態を診断する診断手段(434)と、
を備えることを特徴とする燃料電池診断装置。
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