JP2017084453A - 燃料電池診断装置 - Google Patents
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Abstract
Description
複数のセルそれぞれから出力されるセル電圧を検出するセル電圧検出部(54)と、
燃料電池に流れる電流を検出する電流検出部(52b)と、
燃料電池の出力電流に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流電流を重畳させる交流重畳部(510)と、
交流重畳部により燃料電池の出力電流に交流電流が重畳された状態で、セル電圧検出部の検出値、電流検出部の検出値に基づいて、セルのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部(520)と、
複数のセルのうち、セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルがある場合に、燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部(S103、S203)と、
複数のセルのうち、セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部(S106、S206)と、
診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部(S109、S109A、S209、S209A)と、を備える。
本実施形態について、図1〜図8を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池診断装置5を図1に示す燃料電池システム1に適用した例について説明する。図1に示す燃料電池システム1は、例えば、電気自動車の一種である燃料電池自動車に適用される。
(カソード側)2H++1/2O2+2e−→H2O ・・・(式2)
図1に戻り、燃料電池10は、双方向に電力供給可能なDC−DCコンバータ51aを介して、各種電気負荷に電気的に接続されている。DC−DCコンバータ51aは、電圧センサ52aおよび電流センサ52bと共に、燃料電池10から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池10への電力の流れを制御する電流制御装置51を構成している。なお、本実施形態の電流制御装置51は、燃料電池診断装置5の一構成要素である。
(カソード側)O2+4H++4e−→2H2O ・・・(式4)
(アノード側)C+2H2O→CO2+4H++4e− ・・・(式5)
(カソード側)O2+4H++4e−→2H2O ・・・(式6)
上述の式3に示す水電解反応、および式5に示すカーボン酸化反応は、セル電圧が負電圧となる際に生ずる。式3に示す水電解反応は、セル電圧が0〜−4V程度で生じ、それ以下の電圧域で式5に示すカーボン酸化反応で生ずる傾向がある。
上述の第1実施形態では、燃料電池10の温度や、燃料電池10を流れる電流の低下に伴って、インピーダンス判定閾値Zthを大きくする例について説明したが、診断対象セルのインピーダンスを補正してもよい。
次に、第2実施形態について、図10を参照して説明する。本実施形態では、診断対象セルのインピーダンスと基準対象セルのインピーダンスとの差分に基づいて、燃料欠乏時に劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する点が第1実施形態と相違している。
上述の第2実施形態では、燃料電池10の温度や、燃料電池10を流れる電流の低下に伴って、差分判定閾値ΔZthを大きくする例について説明したが、診断対象セルのインピーダンスおよび基準インピーダンスの差分ΔZnを補正してもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
10a 燃料電池セル
51 電流制御装置
52b 電流センサ(電流検出部)
54 セルモニタ(セル電圧検出部)
510 交流成分ΔI付加部(交流重畳部)
520 Zn算出部(インピーダンス算出部)
S103 燃料欠乏判定部
S106、S206 対象セル決定部
S109、S109A、S209、S209A 劣化判定部
Claims (8)
- 酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力するセル(10a)を複数積層して構成される燃料電池(10)の状態を診断する燃料電池診断装置であって、
複数の前記セルそれぞれから出力されるセル電圧を検出するセル電圧検出部(54)と、
前記燃料電池に流れる電流を検出する電流検出部(52b)と、
前記燃料電池の出力電流に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流電流を重畳させる交流重畳部(510)と、
前記交流重畳部により前記燃料電池の出力電流に交流電流が重畳された状態で、前記セル電圧検出部の検出値、前記電流検出部の検出値に基づいて、前記セルのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部(520)と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルがある場合に、前記燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部(S103)と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部(S106)と、
前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部(S109、S109A)と、を備え、
前記劣化判定部は、
前記診断対象セルのインピーダンスが所定のインピーダンス判定閾値以下である場合に前記診断対象セルで劣化を伴わない化学反応が生じていると判定し、
前記診断対象セルのインピーダンスが所定のインピーダンス判定閾値より大きい場合に前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定する燃料電池診断装置。 - 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力するセル(10a)を複数積層して構成される燃料電池(10)の状態を診断する燃料電池診断装置であって、
複数の前記セルそれぞれから出力されるセル電圧を検出するセル電圧検出部(54)と、
前記燃料電池に流れる電流を検出する電流検出部(52b)と、
前記燃料電池の出力電流に対して、予め定めた基準周波数よりも低い低周波数の交流電流を重畳させる交流重畳部(510)と、
前記交流重畳部により前記燃料電池の出力電流に交流電流が重畳された状態で、前記セル電圧検出部の検出値、前記電流検出部の検出値に基づいて、前記セルのインピーダンスを算出するインピーダンス算出部(520)と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルがある場合に、前記燃料ガスが不足する燃料欠乏が生じていると判定する燃料欠乏判定部(S203)と、
前記複数のセルのうち、前記セル電圧検出部の検出値が負電圧となるセルを診断対象セルに設定する対象セル決定部(S206)と、
前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定する劣化判定部(S209、S209A)と、を備え、
前記診断対象セルよりも前記燃料欠乏の影響の小さい前記セルのインピーダンスを基準インピーダンスとしたとき、
前記劣化判定部は、
前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分が所定の差分判定閾値以下である場合に、前記診断対象セルで劣化を伴わない化学反応が生じていると判定し、
前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分が前記差分判定閾値より大きい場合に、前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定する燃料電池診断装置。 - 前記インピーダンス判定閾値を決定する閾値決定部(S108)を備え、
前記閾値決定部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記インピーダンス判定閾値を大きくする請求項1に記載の燃料電池診断装置。 - 前記診断対象セルのインピーダンスを補正する補正部(S108A)を備え、
前記補正部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記診断対象セルのインピーダンスを小さい値に補正するように構成されており、
前記劣化判定部(S109A)は、前記補正部で補正された前記診断対象セルのインピーダンスを前記インピーダンス判定閾値と比較して、前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定するように構成されている請求項1に記載の燃料電池診断装置。 - 前記差分判定閾値を決定する閾値決定部(S208)を備え、
前記閾値決定部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記差分判定閾値を大きくする請求項2に記載の燃料電池診断装置。 - 前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分を補正する補正部(S208A)を備え、
前記補正部は、前記燃料電池の温度、および前記燃料電池を流れる電流の少なくとも一方の低下に伴って、前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分を小さい値に補正するように構成されており、
前記劣化判定部(S209A)は、前記補正部で補正された前記診断対象セルのインピーダンスと前記基準インピーダンスとの差分を前記差分判定閾値と比較して、前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じているか否かを判定するように構成されている請求項2に記載の燃料電池診断装置。 - 前記劣化判定部にて前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合に、前記燃料欠乏を回避する回避制御を実行する回避制御部(S112〜S114)を備える請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池診断装置。
- 前記回避制御部は、前記回避制御を実行した後に、繰り返し前記劣化判定部にて前記診断対象セルで劣化を伴う化学反応が生じていると判定された場合、前記燃料電池の作動を停止させる請求項7に記載の燃料電池診断装置。
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