JP5017783B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。
電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池では、電解質膜の湿潤状態が燃料電池の出力電圧に影響を与えることが知られている。また、燃料電池の交流インピーダンスを測定することによって、燃料電池の種々の状態を判定する技術が知られている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池の交流インピーダンス（複素インピーダンス）を測定することによって、燃料電池内部の水分状態、すなわち、電解質膜の湿潤状態を推定する技術が記載されている。このような技術では、所定のタイミングで交流インピーダンスの測定を行い、そのタイミングにおける電解質膜の湿潤状態を推定していた。
特開２００３−８６２２０号公報
しかし、燃料電池の交流インピーダンスと、電解質膜の湿潤状態との関係について、未だ着目されていないパラメータがあった。そして、本願発明者は、この未だ着目されていなかったパラメータに基づいて、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を判断することができることを見出した。
本発明は、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を判断する新たな技術を提供することを目的とする。
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、
該燃料電池の交流インピーダンスを時系列的に測定する測定部と、
該測定された測定値の時系列データに基づいて、前記測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出する算出部と、
該算出されたパラメータ値に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を判断する判断部と、
を備えることを要旨とする。
「ばらつきに関する所定のパラメータ」としては、例えば、分散や、標準偏差や、変化率などが挙げられる。電解質膜の湿潤状態が適正な場合には、交流インピーダンスの測定値は、ほぼ一定の値となり、ばらつきは小さい。一方、電解質膜の湿潤状態が適正でない場合には、ばらつきが大きくなる。したがって、本発明によって、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を判断することができる。
上記燃料電池システムにおいて、
前記判断部は、前記パラメータ値が所定値以上であるときに、前記電解質膜の水分量が過多であると判断するようにしてもよい。
電解質膜の水分量が過多である場合には、燃料電池内部において、いわゆるフラッディングが生じ、反応ガスの拡散が阻害されたり、されなかったりするので、交流インピーダンスの測定値の時系列データは、大きくばらつく。したがって、本発明によって、電解質膜の水分量が過多であることを判断することができる。
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記判断部は、さらに、前記時系列データに基づいて、前記湿潤状態を判断し、
該判断部は、前記パラメータ値が所定値未満であって、前記測定値が漸次増加しているときに、前記電解質膜の水分量が不足していると判断するようにしてもよい。
電解質膜の水分量が不足している場合には、交流インピーダンスの測定値のばらつきは、水分量が適正である場合よりも大きく、水分量が過多である場合よりも小さい。また、電解質膜の水分量が適正値よりも低下するにしたがって、電解質膜のプロトン伝導性が低下し、交流インピーダンスの測定値は漸次増加する。したがって、本発明によって、電解質膜の水分量が不足していることを判断することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記判断結果に基づいて、前記電解質膜の水分量を調整する水分量調整部を備えるようにしてもよい。
こうすることによって、電解質膜の湿潤状態を適正に保つことができる。
上記燃料電池システムにおいて、
前記水分量調整部は、前記燃料電池システムの停止時に、前記パラメータ値が所定値未満であって、正常な運転時よりも前記測定値が高い所定範囲内になるように、前記電解質膜の水分を除去するようにしてもよい。
燃料電池内に水分が残存する状態で、燃料電池システムを停止すると、燃料電池が凍結し、起動が困難になる場合がある。本発明では、燃料電池システムの停止時に、上記パラメータ値が所定値未満であって、正常な運転時よりも交流インピーダンスの測定値が高い所定範囲内になるように、すなわち、電解質膜の水分量が適正値よりも不足した状態になるまで、電解質膜の水分を除去する。こうすることによって、燃料電池の氷点下における凍結を防止することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力を制御する出力制御装置を備え、
前記測定部は、前記出力制御装置から発生する高周波ノイズを周波数解析することによって、前記交流インピーダンスを測定するようにしてもよい。
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池の交流インピーダンスの測定を行う場合、燃料電池に所定の周波数の正弦波交流を印加するための装置等、交流インピーダンスを測定するためだけに用いられる装置を設置していた。そして、これは、燃料電池システムの大型化、複雑化、高コスト化を招いていた。
燃料電池システムには、一般に、インバータ等の出力制御装置が備えられている。そして、この出力制御装置からは、種々の周波数成分を含む高周波ノイズが発生する。本発明では、出力制御装置から発生する高周波ノイズを周波数解析することによって、交流インピーダンスを測定する。したがって、燃料電池システムに、燃料電池の交流インピーダンスを測定するためだけに用いられる装置を設置することなく、既存の装置を用いることによって、燃料電池の交流インピーダンスを測定することができる。この結果、燃料電池システムの大型化、複雑化、高コスト化を回避することができる。
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池の電解質膜の湿潤状態の判断方法、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ｂ．電解質膜の湿潤状態の判断：
Ｃ．水分量調整処理：
Ｄ．停止処理：
Ｅ．変形例：
Ａ．燃料電池システム：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の出力を制御する出力制御装置４０とを備えている。
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている（図示省略）。なお、燃料電池スタック１０は、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池である。
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして空気が、配管２０を介して、供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管２２を介して、外部に排出される。配管２０，２２には、それぞれバルブ２１，２３が配設されている。
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３０を介して、水素が供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３２を介して、外部に排出される。配管３０，３２には、それぞれバルブ３１，３３が配設されている。
出力制御装置４０は、後述するように、インバータを備えており、制御ユニット５０からの制御信号にしたがって駆動し、燃料電池スタック１０の出力を制御する。
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために、制御ユニット５０に入出力される信号の一例を破線で示した。入力信号としては、例えば、外部からの出力要求（図示せず）や、出力制御装置４０が備える電流計や、電圧計の出力などが挙げられる。出力信号としては、出力制御装置４０の制御信号や、バルブ２１，２３，３１，３３の制御信号などが挙げられる。
なお、本実施例では、制御ユニット５０は、出力制御装置４０が備える電流計や、電圧計の出力を用いて、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの測定を行う。そして、制御ユニット５０は、交流インピーダンスの測定結果に基づいて、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を判断し、その判断結果に基づいて、電解質膜の水分量を調整するように、燃料電池システム１００の各部の制御を行う。先に説明したように、本実施例では、燃料電池スタック１０の電解質膜は、固体高分子膜であり、電解質膜の水分量が燃料電池スタック１０の発電性能に影響するからである。交流インピーダンスの測定、および、電解質膜の湿潤状態の判断については、後述する。
図２は、燃料電池システム１００の概略の等価回路を示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１０は、抵抗Ｒｓと、抵抗Ｒｃと、電気二重層容量Ｃｄとを含んでいる。抵抗Ｒｓは、燃料電池スタック１０のセパレータのバルク抵抗や、接触抵抗などを含んでいる。抵抗Ｒｃは、膜抵抗や、界面抵抗などを含んでいる。出力制御装置４０は、インバータ４１と、電流計４２と、電圧計４３とを備えている。
出力制御装置４０を駆動して燃料電池スタック１０の出力を制御するときに、インバータ４１からは、種々の周波数成分を含む高周波ノイズが発生する。この高周波ノイズは、電流計４２や、電圧計４３の出力から抽出することができる。制御ユニット５０は、電流計４２や、電圧計４３の出力から、高周波ノイズを抽出し、これを周波数解析することによって、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを測定する。本実施例では、膜抵抗に起因する交流インピーダンスを測定するために、数百Ｈｚ以上の周波数について解析を行うものとした。周波数解析による交流インピーダンスの算出については、説明を省略する。
Ｂ．電解質膜の湿潤状態の判断：
図３は、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスに基づく電解質膜の湿潤状態の判断について示す説明図である。この判断では、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスのうちの実部の値を用いる。したがって、以下では、交流インピーダンスの値とは、交流インピーダンスの実部の値を指すものとする。
図３（ａ）は、電解質膜の水分量が適正な場合の燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの時系列データを示している。図示するように、電解質膜の水分量が適正な場合には、燃料電池スタック１０では、安定して発電が行われ、交流インピーダンスの値は、ほぼ一定となる。つまり、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの値がほぼ時系列的にほぼ一定で、ばらつきが小さい場合には、電解質膜の水分量が適正であると判断することができる。
図３（ｂ）は、電解質膜の水分量が過多の場合の燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの時系列データを示している。図示するように、電解質膜の水分量が過多の場合には、燃料電池スタック１０内では、いわゆるフラッディングが生じ、反応ガスの拡散が阻害されたり、されなかったりするので、発電が不安定となり、交流インピーダンスの値は、大きくばらつく。つまり、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの値が時系列的に大きくばらついている場合には、電解質膜の水分量が過多であると判断することができる。
図３（ｃ）は、電解質膜の水分量が不足している場合の燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの時系列データを示している。図示するように、電解質膜の水分量が不足している場合には、交流インピーダンスの値のばらつきは、水分量が適正な場合よりも大きく、水分量が過多の場合よりも小さい。また、電解質膜の水分量が減少するにしたがって、プロトン伝導性が低下し、交流インピーダンスの値は漸次増加する。つまり、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの値の時系列的なばらつきが、電解質膜の水分量が適正な場合よりも大きく、水分量が過多の場合よりも小さく、交流インピーダンスの値が漸次増加している場合に、電解質膜の水分量が不足していると判断することができる。
上述したように、本実施例では、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスの時系列的なばらつきに基づいて、電解質膜の湿潤状態を判断する。なお、本実施例では、ばらつきを表すパラメータとして、分散を用いるものとした。したがって、本実施例では、分散Ｖの値が第１の閾値Ｖ１以下である場合には、電解質膜の水分量は適正であると判断する。また、分散Ｖの値が第１の閾値Ｖ１よりも大きく、第２の閾値Ｖ２よりも小さい場合には、電解質膜の水分量は不足していると判断する。また、分散Ｖの値が第２の閾値Ｖ２以上である場合には、電解質膜の水分量は過多であると判断する。なお、ばらつきを表すパラメータとして、分散の代わりに、標準偏差や、変化率等、他のパラメータを用いるものとしてもよい。
Ｃ．水分量調整処理：
図４は、水分量調整処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の運転中に、制御ユニット５０のＣＰＵが実行する処理である。
ＣＰＵは、出力制御装置４０の電流計４２、および、電圧計４３から出力される電流値、および、電圧値を、所定のサンプリング間隔で取得し、順次、ＲＡＭに蓄積する（ステップＳ１００）。サンプリング間隔は、任意に設定可能である。先に説明したように、これらの値には、高周波ノイズが含まれている。次に、ＣＰＵは、蓄積された電流値、および、電圧値から、高速フーリエ変換によって、周波数成分を抽出し（ステップＳ１１０）、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを算出する（ステップＳ１２０）。算出された交流インピーダンスの値もＲＡＭに蓄積される。次に、ＣＰＵは、交流インピーダンスの値の分散を算出する（ステップＳ１３０）。分散の算出の対象となる交流パラメータの値の数、すなわち、分散の算出対象となる時間的な範囲は、任意に設定可能である。
そして、ＣＰＵは、算出された分散に基づいて、燃料電池スタック１０の電解質膜の水分量が適正か否かを判断する（ステップＳ１４０）。先に説明したように、分散Ｖの値が第１の閾値Ｖ１以下である場合には、電解質膜の水分量が適正であると判断する。また、分散Ｖの値が第１の閾値Ｖ１よりも大きく、第２の閾値Ｖ２よりも小さい場合には、電解質膜の水分量は不足していると判断する。また、分散Ｖの値が第２の閾値Ｖ２以上である場合には、電解質膜の水分量が過多であると判断する。分散Ｖの値が第１の閾値Ｖ１よりも大きく、第２の閾値Ｖ２よりも小さい場合、交流インピーダンスの値が漸次増加していれば、電解質膜の水分量が不足していることをより正確に判断することができる。先に説明したように、交流インピーダンスの値は、電解質膜の水分量が減少するにつれて、漸次増加するからである。
ステップＳ１４０において、電解質膜の水分量が適正であると判断した場合には、ＣＰＵは、通常運転を実行する（ステップＳ１５０）。電解質膜の水分量が不足していると判断した場合には、ＣＰＵは、加湿運転を実行する（ステップＳ１６０）。この加湿運転では、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の温度や、燃料電池スタック１０に供給するガスの圧力、および、流量や、図示しない加湿器による加湿量を調整して、電解質膜の水分量を増大させる制御を行う。また、電解質膜の水分量が過多であると判断した場合には、ＣＰＵは、余剰水分除去運転を実行する（ステップＳ１７０）。この余剰水分除去運転では、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の温度や、燃料電池スタック１０に供給するガスの圧力、および、流量や、図示しない加湿器による加湿量を調整して、電解質膜の水分量を減少させる制御を行う。
次に、ＣＰＵは、燃料電池システム１００を停止するか否か、すなわち、停止要求が入力されたか否かを判断する（ステップＳ１８０）。燃料電池システム１００を停止しない場合には（ステップＳ１８０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。燃料電池システム１００を停止する場合には（ステップＳ１８０：ＹＥＳ）、後述する停止処理を行い（ステップＳ２００）、水分量調整処理を終了する。
Ｄ．停止処理：
図５は、図４のステップ２００における停止処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００を停止した後、氷点下での燃料電池スタック１０の凍結を抑制するための処理である。
ステップＳ２１０〜Ｓ２４０の処理は、先に説明した水分調整処理におけるステップＳ１００〜１３０の処理と同じであり、継続して実行する処理である。すなわち、ＣＰＵは、出力制御装置４０の電流計４２、および、電圧計４３から出力される電流値、および、電圧値を、所定のサンプリング間隔で取得し、順次、ＲＡＭに蓄積する（ステップＳ２１０）。次に、ＣＰＵは、蓄積された電流値、および、電圧値から、高速フーリエ変換によって、周波数成分を抽出し（ステップＳ２２０）、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを算出する（ステップＳ２３０）。次に、ＣＰＵは、交流インピーダンスの分散を算出する（ステップＳ２４０）。
次に、ＣＰＵは、分散の値、および、交流インピーダンスが所定の条件を満たしているか否か、すなわち、分散の値が所定値Ｖ２未満であり、かつ、最後に算出した交流インピーダンスの値Ｚが所定範囲Ｚ１〜Ｚ２になっているか否かを判断する（ステップＳ２５０）。所定値Ｖ２は、電解質膜の水分量が過多であることの判断基準となる閾値である。また、上記所定範囲の下限値Ｚ１、および、上限値Ｚ２は、電解質膜の水分量が不足しているときの範囲内で設定されている。さらに、下限値Ｚ１、および、上限値Ｚ２は、氷点下での燃料電池スタック１０の凍結を抑制しつつ、速やかに起動することができる範囲で設定されている。各値が上記条件を満たしていなければ（ステップＳ２５０：ＮＯ）、ＣＰＵは、各値が上記条件を満たすまで余剰水分除去運転を行う（ステップＳ２６０）。この余剰水分除去運転は、先に説明した図４のステップＳ１７０と同じである。各値が上記条件を満たしていれば（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、停止処理を終了する。
以上説明した本実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスのばらつきに基づいて、電解質膜の湿潤状態を判断することができる。そして、電解質膜の湿潤状態を適正に保つように燃料電池システム１００の運転を制御することができる。
また、本実施例の燃料電池システム１００では、出力制御装置４０から発生する高周波ノイズを周波数解析することによって、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを測定することができるので、燃料電池システム１００に、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを測定するためだけに用いられる装置を設置することなく、既存の装置を用いることによって、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを測定することができる。この結果、燃料電池システム１００の大型化、複雑化、高コスト化を回避することができる。
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、インバータ４１から発生する高周波ノイズを周波数解析することによって、燃料電池スタック１０の交流インピーダンスを測定するものとしたが、高周波ノイズの振幅が小さく、交流インピーダンスの測定精度が悪い場合には、インバータ４１の指令電圧に任意の周波数成分を有する電圧を印加して、高周波ノイズの振幅を増大させ、交流インピーダンスの測定精度を向上させるようにしてもよい。
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、燃料電池スタック１０全体の交流インピーダンスを測定するものとしたが、これに限られない。例えば、各セパレータに測定用の端子を設け、各セルの交流インピーダンスを測定するようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタック１０における不具合の発生部位を特定することができる。
本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池システム１００の概略の等価回路を示す説明図である。 電解質膜の湿潤状態の判断について示す説明図である。 水分量調整処理の流れを示すフローチャートである。 停止処理の流れを示すフローチャートである。
符号の説明
１００...燃料電池システム
１０...燃料電池スタック
２０、２２、３０、３２...配管
２１、２３、３１、３３...バルブ
４０...出力制御装置
４１...インバータ
４２...電流計
４３...電圧計
５０...制御ユニット

Claims (7)

  1. 燃料電池システムであって、
    電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、
    該燃料電池の交流インピーダンスを時系列的に測定する測定部と、
    該測定された測定値の時系列データに基づいて、前記測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出する算出部と、
    該算出されたパラメータ値に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を判断する判断部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記判断部は、前記パラメータ値が所定値以上であるときに、前記電解質膜の水分量が過多であると判断する、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記判断部は、さらに、前記時系列データに基づいて、前記湿潤状態を判断し、
    該判断部は、前記パラメータ値が所定値未満であって、前記測定値が漸次増加しているときに、前記電解質膜の水分量が不足していると判断する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記判断結果に基づいて、前記電解質膜の水分量を調整する水分量調整部を備える、
    燃料電池。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
    前記水分量調整部は、前記燃料電池システムの停止時に、前記パラメータ値が所定値未満であって、正常な運転時よりも前記測定値が高い所定範囲内になるように、前記電解質膜の水分を除去する、
    燃料電池システム。
  6. 電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池の電解質膜の湿潤状態を判断する判断方法であって、
    前記燃料電池の交流インピーダンスを時系列的に測定する測定工程と、
    該測定された測定値の時系列データに基づいて、前記測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出する算出工程と、
    該算出されたパラメータ値に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を判断する判断工程と、
    を備える判断方法。
  7. 電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池の交流インピーダンスを時系列的に測定する測定工程と、
    該測定された測定値の時系列データに基づいて、前記測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出する算出工程と、
    該算出されたパラメータ値に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を判断する判断工程と、
    該判断結果に基づいて、前記電解質膜の水分量を調整する調整工程と、
    を備える制御方法。
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