JP5109316B2 - Fuel cell system and fuel cell impedance measurement method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池のインピーダンス測定方法に係り、特に燃料電池の動作状態を検出するために、そのインピーダンスの測定を可能にした燃料電池システム及び燃料電池のインピーダンス測定方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell impedance measurement method, and more particularly to a fuel cell system and a fuel cell impedance measurement method that enable measurement of the impedance of the fuel cell in order to detect the operating state of the fuel cell.
燃料電池の出力は、燃料電池の内部状態、例えば、電解質膜の湿潤度に影響を受けることが知られている。この電解質膜の湿潤度は、燃料電池の複素インピーダンスと相関があることから、従来、燃料電池の出力に交流信号を印加し、電圧に対する電流の振幅比と位相のずれの両方を検出することにより、複素インピーダンスを演算し、燃料電池の動作状態を監視することが提案されていた。 It is known that the output of the fuel cell is affected by the internal state of the fuel cell, for example, the wetness of the electrolyte membrane. Since the wetness of the electrolyte membrane has a correlation with the complex impedance of the fuel cell, conventionally, an AC signal is applied to the output of the fuel cell, and both the amplitude ratio of the current to the voltage and the phase shift are detected. It has been proposed to calculate the complex impedance and monitor the operating state of the fuel cell.
例えば、特開２００３−８６２２０号公報には、燃料電池の出力信号に周波数を高周波から低周波まで変化させながら正弦波信号を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスを求め、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分Ｒ１と、内部水分量過剰時に増加する抵抗成分Ｒ２とから燃料電池の水分状態を推定する燃料電池システムが記載されている（特許文献１）。抵抗成分Ｒ１は高周波の正弦波信号を印加することで測定され、抵抗成分Ｒ２は低周波の正弦波信号を印加することで測定されるものとされていた。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-86220, the complex impedance of a fuel cell when a sine wave signal is applied to the output signal of the fuel cell while changing the frequency from a high frequency to a low frequency is obtained. A fuel cell system that estimates the moisture state of a fuel cell from a resistance component R1 that increases when the amount of water is insufficient and a resistance component R2 that increases when the amount of internal moisture is excessive is described (Patent Document 1). The resistance component R1 is measured by applying a high-frequency sine wave signal, and the resistance component R2 is measured by applying a low-frequency sine wave signal.
同様の技術として、特開２００３−２９７４０８号公報には、電気化学セルの電圧あるいは電流の一方から被測定ガスの含水量を検出するよう構成された燃料電池システムが記載されている（特許文献２）。 As a similar technique, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-297408 describes a fuel cell system configured to detect the water content of a gas to be measured from one of the voltage and current of an electrochemical cell (Patent Document 2). ).
また、特開２００５−２０９６３５号公報には、電解膜質と反応ガス流路中との両方の残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御することで、燃料電池の運転継続中における電解膜質の残留水分を最適に制御し、これにより、燃料電池の停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にし、再起動時の始動性を向上する燃料電池の発電運転制御方法が記載されている（特許文献３）。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-209635 discloses an electrolyte membrane quality during the operation of the fuel cell by detecting residual moisture in both the electrolyte membrane quality and in the reaction gas flow path to control the wetness of the reaction gas. A fuel cell power generation operation control method is described in which the residual moisture of the fuel cell is optimally controlled, thereby reducing or eliminating the scavenging time when the fuel cell is stopped and improving the startability at the time of restart (Patent Document) 3).
さらに、特開２００５−３３２７０２号公報には、ｎ個のセル又はセルモジュールを備える燃料電池の電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、この燃料電池に所定の周波数の交流を引加した時のセル等毎の電圧変化を測定することで、その内部抵抗を測定し、この内部抵抗及びリアクタンスからセル等毎の異常を検知する燃料電池診断装置が記載されている（特許文献４）。 Furthermore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-332702, a DC / DC converter that steps up and down the voltage of a fuel cell including n cells or cell modules is used, and an alternating current with a predetermined frequency is applied to the fuel cell. A fuel cell diagnostic device is described in which an internal resistance is measured by measuring a voltage change for each cell or the like, and an abnormality for each cell or the like is detected from the internal resistance and reactance (Patent Document 4).
上記従来技術によって、燃料電池のインピーダンスを測定することで、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することができていた。
ところで、上記従来の燃料電池システムにおけるインピーダンス測定方法にあっては、燃料電池本体の周囲条件（例えば、ガス圧力と環境温度）が測定値に与える影響を考慮していないので、測定誤差が生じることになり、しかも、この測定誤差が時間的に変動するので、精度の高いインピーダンス測定を安定的に行うことができないという問題点があった。 By the way, in the impedance measuring method in the conventional fuel cell system described above, the influence of the ambient conditions (for example, gas pressure and environmental temperature ) of the fuel cell main body on the measured value is not taken into account, so that a measurement error occurs. In addition, since this measurement error fluctuates with time, there is a problem that impedance measurement with high accuracy cannot be stably performed.
より具体的には、測定で得られた燃料電池のインピーダンスが一定であっても、燃料電池の圧力（以下、「ＦＣ圧力」と呼称する）および環境温度が大きいほど、含水量の推定値は実際の値よりも大きくなるという誤差が生じていた。 More specifically, even when the impedance of the fuel cell obtained by measurement is constant, the estimated value of the water content increases as the pressure of the fuel cell (hereinafter referred to as “FC pressure”) and the environmental temperature increase. There was an error that it would be larger than the actual value.
そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池本体の周囲条件（例えば、ガス圧力と環境温度）がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で燃料電池の含水量を推定することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention estimates the water content of the fuel cell after correcting the influence of the ambient conditions (for example, gas pressure and environmental temperature ) of the fuel cell body on the measured impedance value. It aims at providing the fuel cell system which can do.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のインピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンスに対する燃料電池の推定含水量の関係に基づいて燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段と、を備え、燃料電池のガス圧力が上昇するに連れて含水量が少なくなるように、かつ、燃料電池の環境温度が上昇するに連れて含水量が少なくなるように、燃料電池のガス圧力および環境温度に基づいて、推定された含水量が補正されることを特徴とする燃料電池システムを提供するものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system capable of measuring the impedance of a fuel cell, an impedance measuring means for measuring the impedance of the fuel cell, and an impedance measured by the impedance measuring means. Water content estimating means for estimating the water content of the fuel cell based on the relationship of the estimated water content of the fuel cell , and the fuel content decreases as the gas pressure of the fuel cell increases, and the fuel Provided is a fuel cell system in which an estimated water content is corrected based on a gas pressure and an environmental temperature of a fuel cell so that the water content decreases as the environmental temperature of the battery increases. Is.
また上記課題を解決するために、本発明の燃料電池のインピーダンス測定方法は、燃料電池システムが備える燃料電池のインピーダンス測定方法において、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップと、インピーダンス測定ステップにより測定されたインピーダンスに対する燃料電池の推定含水量の関係に基づいて燃料電池の含水量を推定する含水量推定ステップと、燃料電池のガス圧力が上昇するに連れて含水量が少なくなるように、かつ、燃料電池の環境温度が上昇するに連れて含水量が少なくなるように、燃料電池のガス圧力および環境温度に基づいて、推定された含水量を補正する補正ステップと、を有することを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, a fuel cell impedance measurement method according to the present invention includes a fuel cell impedance measurement method provided in the fuel cell system, the impedance measurement step for measuring the impedance of the fuel cell, and the impedance measurement step. A moisture content estimation step for estimating the moisture content of the fuel cell based on the relationship of the estimated moisture content of the fuel cell to the measured impedance, so that the moisture content decreases as the gas pressure of the fuel cell increases, and A correction step of correcting the estimated water content based on the gas pressure and the environmental temperature of the fuel cell so that the water content decreases as the environmental temperature of the fuel cell increases. .
このように構成したので、燃料電池の周囲条件であるガス圧力がインピーダンスの測定値に与える影響と、燃料電池の環境温度がインピーダンスの測定値に与える影響と、がともに補正された上で燃料電池の含水量が推定されることになり、測定誤差を生じさせることなく、しかも、時間的に安定した精度の高いインピーダンスの測定を可能とすることができる。Since it was configured in this manner, the influence of the gas pressure, which is the ambient condition of the fuel cell, on the measured impedance value and the influence of the environmental temperature of the fuel cell on the measured impedance value were corrected, and the fuel cell was corrected. Thus, it is possible to measure impedance with high accuracy and time stability without causing a measurement error.
なお、前述の特許文献３（特開２００５−２０９６３５号公報）に開示された燃料電池の発電運転制御方法は、前述のとおり、電解膜質と反応ガス流路中との両方の残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御することで、燃料電池の運転継続中における電解膜質の残留水分を最適に制御するものであり、これに対し、本発明は、燃料電池本体の周囲条件（例えば、ガス圧力および環境温度）がインピーダンスの測定値に与える影響を考慮した上で、燃料電池の含水量を推定するものであるから、前述の特許文献３の発明とは手段が異なる発明である。
Note that, as described above, the fuel cell power generation operation control method disclosed in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-209635) detects residual moisture in both the electrolyte membrane and the reaction gas channel. By controlling the wetness of the reaction gas, the residual moisture of the electrolyte membrane during the operation of the fuel cell is optimally controlled.In contrast, the present invention provides the ambient conditions of the fuel cell body (for example, Since the water content of the fuel cell is estimated in consideration of the influence of the gas pressure and the environmental temperature on the measured value of the impedance, the invention differs from the above-mentioned invention of
本発明によれば、燃料電池本体の周囲条件の１つであるガス圧力および環境温度がインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で燃料電池の含水量を推定することができるので、測定誤差を生じさせることなく、しかも、時間的に安定した精度の高いインピーダンスの測定を可能にすることができる。 According to the present invention, the moisture content of the fuel cell can be estimated after correcting the influence of the gas pressure and the environmental temperature, which are one of the ambient conditions of the fuel cell main body, on the measured impedance value. In addition, it is possible to measure impedance with high accuracy and time stability.
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Next, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。 In the embodiment of the present invention, the present invention is applied to a hybrid fuel cell system mounted on an electric vehicle. The following embodiments are merely examples of the application form of the present invention, and do not limit the present invention.
（実施形態１）
この実施形態１は、前記燃料電池システムにおける燃料電池の含水量を推定する際に、当該燃料電池のインピーダンス測定値を、当該燃料電池の環境温度で補正するように構成するものである。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, when estimating the water content of the fuel cell in the fuel cell system, the measured impedance value of the fuel cell is corrected by the environmental temperature of the fuel cell.
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの電気系における全体構成を示す構成図を示す。
図１に示す燃料電池システムの電気系は、燃料電池１００と、燃料電池１００にアノードガスである水素ガスを供給するアノードガス供給系１と、燃料電池１００にカソードガスである空気を供給するカソードガス供給系２と、本発明に係るインピーダンス測定方法を実行する制御部３と、インピーダンスの被測定対象となる電力系４と、から構成されている。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an overall configuration of an electric system of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
The electric system of the fuel cell system shown in FIG. 1 includes a
燃料電池１００は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータ一対で挟み込んだ構造をしている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極及びカソード極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。アノード極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。その他、燃料電池の形態として、リン酸型、溶融炭酸塩型等を用いることが可能である。
The
燃料電池１００は水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側にはアノードガス供給系１からアノードガスである水素ガスが供給される。カソード（陽極）極側にはカソードガス供給系２から酸素を含んだカソードガスである空気が供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
The
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
H 2 → 2H + + 2e − (1)
2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
アノードガス供給系１としては、水素ガス供給源としての水素タンク１０、アノードガス供給路１１、アノードオフガス排出路１２を備える。その他、図示しないが、水素ガスを流通させるための水素ポンプ、水素ガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等を備えていてもよい。
The anode gas supply system 1 includes a
水素タンク１０には高圧の水素ガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。アノードガス供給路１１は、高圧の水素ガスを供給する配管であり、途中に図示しない調圧弁（レギュレータ）等を備えていてもよい。アノードガス供給路１１から供給された水素ガスは、燃料電池１００内において、マニホールド経由で各単セルのアノード極側に供給され、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じてからアノードオフガス（水素オフガス）として排出される。アノードオフガス排出路１２は、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを排出する経路であり、循環経路を形成していてもよい。循環経路を形成させるには、図示しない逆止弁やエジェクタを介して、再びアノードガス供給路１１にアノードオフガスを戻すように構成される。
The
カソードガス供給系２は、コンプレッサ２０、カソードガス供給路２１、カソードオフガス排出路２２を備える。その他、図１では図示しないが、カソードガスである空気の湿度を制御するための加湿器、カソードオフガス（空気オフガス）を除去する気液分離器、アノードオフガスをカソードオフガスと混合するための希釈器、消音器等を備えていてもよい。
The cathode
コンプレッサ２０は、制御部３からのコンプレッサ制御信号ＣCOMPに基づいた回転数で回転することによりエアクリーナ等から取り入れられた空気を圧縮し、空気量や空気圧を変更し、燃料電池１００のカソード極側に供給するものである。カソードガス供給路２１から供給された空気は、燃料電池１００内において、水素ガスと同じくマニホールド経由で各単セルのカソード極側に供給され、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じてからカソードオフガスとして排出される。燃料電池１００から排出されたカソードオフガスは、アノードオフガスと希釈されてから排出される。
The
電力系４は、バッテリ４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、補機インバータ４４、高圧補機４５、バッテリコンピュータ４６、電流センサ４７、電圧センサ４８、逆流防止ダイオード４９等を備えている。
The
バッテリ４０は、充放電可能な二次電池である。バッテリとしては、ニッケルー水素電池等、様々な種類の二次電池を用いることができる。二次電池の代わりに、充放電が可能な蓄電装置、例えばキャパシタを用いることが可能である。バッテリ４０は、一定電圧で発電するバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって高電圧を出力可能とすることができる。
The
バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の出力端子に設けられており、制御部３と通信可能になっている。バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持するとともに、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部３に通知するようになっている。
The
ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、一次側と二次側との間で電圧の昇圧／降圧をして電力を流通させるものである。例えば、一次側のバッテリ４０の出力電圧を、二次側の燃料電池１００の出力電圧にまで昇圧して、トラクションモータ４３や高圧補機４５等の負荷装置に電力を供給する。逆に、二次側において燃料電池１００の余剰電力や負荷装置からの回生電力を、降圧して一次側のバッテリ４０に充電するために通過させる。
The DC-
特にＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、制御部３からのコンバータ制御信号ＣCONVに基づいて燃料電池側の電力線電圧を制御可能になっている。このコンバータ制御信号ＣCONVは、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力電圧を、所定の目標電圧を中心に所定の振幅で正弦波振動させるための重畳信号を含んでいる。この重畳信号は、好ましくは高低二種類の周波数成分を含むように構成されている。燃料電池は、電解質膜の保湿量等の内部状態に応じて、インピーダンスの周波数特性が変化するものであるため、最低二つの異なる周波数におけるインピーダンスを測定することにより、電解質膜の残存水分量を検出可能だからである。例えば、３００Ｈｚ前後の周波数を高周波交流信号、１０Ｈｚ以下の周波数を低周波交流信号とすることで、燃料電池の内部状態を類推可能となる。
In particular, the DC-
トラクションインバータ４２は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４３に供給するものである。トラクションモータ４３は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。
The
補機インバータ４４は、高圧補機４５を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機４５は、コンプレッサ２０、水素ポンプ、冷却系のモータ類等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。
The
電流センサ４７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の二次側の電流を検出し、電流検出信号Ｓｉとして制御部３へ供給することが可能になっている。電圧センサ４８は、二次側の電圧を検出し、電圧検出信号Ｓｅとして制御部３へ供給することが可能になっている。
The
制御部３は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部３は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主としてアノードガス供給系１、カソードガス供給系２、電力系４を含む燃料電池システム全体を制御する他、当該燃料電池システムにおいて本発明のインピーダンス測定方法を実行させることが可能になっている。
The
具体的に制御部３は、以下の幾つかの動作ブロックに分割されている。特にインピーダンスの測定に関連するブロックとして、フィルタ３０、３１、ＦＦＴ処理部３２、３３、補正処理部３４、インピーダンス解析部３５、判断部３６、記憶装置３７、温度センサ３８、及び圧力センサ３９を備えている。
Specifically, the
フィルタ３０及び３１は、バンドパスフィルタであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１によって電力線に重畳された周波数成分のみを通過させるものである。フィルタ３０は、電流センサ４７で検出された電流検出信号Ｓｉのうち、インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。フィルタ３１は、電圧センサ４８で検出された電圧検出信号Ｓｅのうち、インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。
The
ＦＦＴ処理部３２及び３３は、電流検出信号Ｓｉや電圧検出信号Ｓｅに対し高速フーリエ変換演算を行い、測定周波数成分における電流検出信号Ｓｉや電圧検出信号Ｓｅをそれぞれ実部と虚部（ａi＋ｊｂi、ａe＋ｊｂe）に分離する。
The
インピーダンス解析部３５は、ＦＦＴ処理された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいてインピーダンスＸ（ａＸ＋ｊｂＸ）を算出し、複素平面上での原点からの距離（実効値）ｒ（＝√（（ａＸ）2＋（ｂＸ）2）と位相角θ（＝ｔａｎ-1（ｂ／ａ））とを求め、印加された周波数の交流信号におけるインピーダンスを求めるものである。
The
ここで補正処理部３４は、フィルタ３０及び３１のフィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を補正するものである。補正処理部３４は、予め測定しているフィルタ３０及び３１の位相遅れ及びゲイン変動に基づき、ＦＦＴ処理部３２及び３３における実部と虚部の係数（ａi、ｂi、ａe、ｂe）の補正を行う。この補正処理により、フィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を取り除いた実際の電圧検出信号及び電流検出信号が得られるのである。
Here, the
判断部３６は、インピーダンス解析部３５において求められた実効値と位相角、または、二つの異なる周波数ｆ１及びｆ２における複素平面における実部と虚部（ａＸf1、ｂＸf1）（ａＸf2、ｂＸf2）を記憶装置３７に記憶させる。燃料電池の抵抗過電圧と拡散過電圧を求めるには、複素平面における二つの点に基づき幾何学的な計算により、複素平面におけるインピーダンス曲線を求め、周波数がゼロとした場合の抵抗値を電解質膜の抵抗とし、周波数が無限大とした場合の抵抗値を活性化過電圧と拡散過電圧の抵抗換算値とする。
Determining
なお、重畳させる交流信号の周波数を変化させながらそれぞれについてインピーダンスを求め記憶させていくように構成するならば、特殊な幾何演算をすることなく、インピーダンス曲線を求めることができる。 If the impedance is obtained and stored while changing the frequency of the AC signal to be superimposed, the impedance curve can be obtained without performing a special geometric operation.
温度センサ３８は、燃料電池１００を冷却する冷却液の出口における温度、すなわち燃料電池１００の環境温度を計測し、温度検出信号ＳTとして制御部３に出力する。圧力センサ３９は、燃料電池１００へのアノードガス供給系１における燃料電池１００へのアノードガスの入口圧力を計測し、圧力検出信号ＳPとして制御部３に出力する。
The
ここで、制御部３は、このインピーダンス測定結果に基づきこの燃料電池システムの各種制御をするように構成されており、燃料電池システム停止時に燃料電池内の残留水分量を適正値に落とすための掃気処理も実施可能に構成されている。
Here, the
特に本発明では、制御部３は、温度センサ３８から温度検出信号ＳTを入力し、圧力センサ３９から圧力検出信号ＳPを入力し、判断適切な含水量を把握するために、測定されたインピーダンスまたは含水量を補正するように構成されている。本実施形態１では温度に基づく補正を、実施形態２では圧力に基づく補正を、実施形態３では、温度及び圧力に基づく補正を行う。以下、詳しく説明する。
In particular, in the present invention, the
なお、本実施形態１では、燃料電池１００の環境温度Ｔを測定し、この環境温度に対応する温度検出信号ＳTを出力する温度センサ３８は必須の構成要素となり、燃料電池１００のガス圧力Ｐを測定し圧力検出信号ＳPを出力する圧力センサ３９はオプショナルな構成要素となる。
In Embodiment 1, measures the environmental temperature T of the
図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムのインピーダンス測定及び掃気処理に係る機能ブロック図を示す。
図２に示すように、制御部３は、機能ブロックとして、目標電圧決定部５１、重畳信号生成部５２、コンバータ制御信号生成部５３、及びインピーダンス計測・掃気処理制御部５４を備えている。
FIG. 2 is a functional block diagram relating to impedance measurement and scavenging processing of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
As shown in FIG. 2, the
目標電圧決定部５１は、出力目標電圧、すなわち正弦波を重畳する前の基準電圧となる二次側電圧（例えば３００Ｖ）を決定し、コンバータ制御信号生成部５３に出力する。
The target
重畳信号生成部５２は、電力系に重畳すべきインピーダンス計測のための正弦波信号である重畳信号の周波数（例えば、３００Ｈｚ、１０Ｈｚ）及び振幅（例えば２Ｖ）を決定し、これをコンバータ制御信号生成部５３に出力する。
The superimposed
コンバータ制御信号生成部５３は、目標電圧決定部５１から供給された出力目標電圧に対して重畳信号生成部５２から供給された重畳信号を重畳した場合にコンバータ４１に指令すべき二次側電圧値を連続的に生成し、コンバータ制御信号ＣCONVとしてＤＣ−ＤＣコンバータ４１に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１がこのコンバータ制御信号ＣCONVとの指令に従って二次側の電力線電圧を連続的に変化させることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の二次側には正弦波が重畳される。
The converter
インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、本発明に係るものであり、燃料電池のインピーダンスを演算する手段、燃料電池の含水量を推定する手段、インピーダンスまたは／および含水量を補正する手段、含水量に基づき掃気処理を制御する手段を備えており、詳しくは、後述する。このインピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、図１で説明したフィルタ３０、３２、ＦＦＴ処理部３２、３３、補正処理部３４、インピーダンス解析部３５、及び判断部３６によって実現されるものである。
The impedance measurement / scavenging
図３に、本実施形態１におけるインピーダンス計測・掃気処理制御部５４のさらに詳細な機能ブロック図を示す。
図３に示すインピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンス演算手段１０４０、インピーダンス温度補正手段１０４１、含水量推定手段１０４２、掃気量演算手段１０４３、及びコンプレッサ制御手段１０４４を備える。
FIG. 3 shows a more detailed functional block diagram of the impedance measurement / scavenging
The impedance measurement / scavenging
インピーダンス演算手段１０４０は、電圧センサ４８によって検出された燃料電池１の出力電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ４７によって検出された燃料電池１００の出力電流（ＦＣ電流）Ｉｆを、所定のサンプリングレートでサンプリングし、燃料電池１００のインピーダンスＸを出力する。
The impedance calculation means 1040 uses the output voltage (FC voltage) Vf of the fuel cell 1 detected by the
インピーダンス温度補正手段１０４１は、温度センサ３８の検出した燃料電池１００の環境温度Ｔに基づいて、インピーダンス演算手段１０４０により測定された燃料電池１００のインピーダンスを補正する。
The impedance
含水量推定手段１０４２は、温度補正されたインピーダンス温度補正値Ｘatに基づいて燃料電池１００の含水量を推定する機能ブロックである。詳しくは後述する。
The water content estimation means 1042 is a functional block that estimates the water content of the
掃気量演算手段１０４３は、推定された燃料電池１００内の含水量を適正な含水量に減少させるために必要な空気量を演算する。詳しくは後述する。
The scavenging amount calculation means 1043 calculates the amount of air necessary to reduce the estimated water content in the
コンプレッサ制御手段１０４４は、掃気量演算手段１０４３が算出した必要空気量を得るためのコンプレッサ２０の回転数と掃気時間とを演算し、演算した掃気時間だけコンプレッサを演算された回転数で駆動させるためのコンプレッサ制御信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に出力する。
The compressor control means 1044 calculates the rotation speed and scavenging time of the
次に本実施形態における含水量推定・掃気処理動作を説明する。
まず、インピーダンス温度補正手段１０４１が実施するインピーダンスの補正方法について説明する。
図４は、燃料電池におけるインピーダンスと環境温度との関係を示している。
Next, the water content estimation / scavenging operation in the present embodiment will be described.
First, an impedance correction method performed by the impedance
FIG. 4 shows the relationship between the impedance and the environmental temperature in the fuel cell.
図４に示されるように、実際の燃料電池システムでは、同じインピーダンス値であっても環境温度によって燃料電池の含水量が変化する。逆に、同じ含水量を推定するためのインピーダンスは、温度が高いほど小さくなる傾向にある。そこで本実施形態１では、インピーダンス温度補正手段１０４１が、インピーダンスＸにおいて燃料電池１００の環境温度Ｔが上昇するに連れてインピーダンスが少なくなるように、図４に示すような温度特性を考慮して燃料電池１００のインピーダンスＸを補正する。より具体的には、以下の手順により計測されたインピーダンスＸを補正する。
As shown in FIG. 4, in an actual fuel cell system, the water content of the fuel cell varies depending on the environmental temperature even if the impedance value is the same. Conversely, the impedance for estimating the same water content tends to decrease as the temperature increases. Therefore, in the first embodiment, the impedance temperature correction means 1041 takes into account the temperature characteristics as shown in FIG. 4 so that the impedance decreases as the environmental temperature T of the
インピーダンス温度補正手段１０４１は、まず、計測されたインピーダンスＸを入力する。次いで、この入力されたインピーダンスＸを燃料電池１００の環境温度Ｔに基づいて温度補償演算をし、インピーダンス温度補正値Ｘatを出力する。
First, the impedance
環境温度Ｔに基づく補正方法は、例えば、（３）式（すなわち、アレニウスの法則）に従う方法により行うことができる。ここで、ＸTは環境温度Ｔにおけるインピーダンス、Ｒ０は基準温度におけるインピーダンス（基準インピーダンス）、Ｃ１，Ｃ２は、水量や燃料電池の種類によって異なる所定の係数である。
ＸT／Ｘ０＝−Ｃ１＋Ｃ２／（Ｔ〔℃〕＋２７３．１５）……（３）
（３）式により、基準温度に対する基準インピーダンスＸ０に基づいて環境温度Ｔに応じたインピーダンスＸTを算出可能である。そこで、インピーダンス温度補正手段１０４１は、（３）式に基づき、計測されたインピーダンスＸから温度補正値Ｘatを演算し、含水量推定手段１０４２に出力する。
図５に、燃料電池のインピーダンスと含水量とが掃気処理によってどのように変化するかのタイミングチャートを示す。
図５に示すように、燃料電池の含水量と燃料電池のインピーダンスとは相関関係がある。例えば、特定の環境温度（例えば２５℃）、圧力（例えば１気圧）の条件において、当該燃料電池システムにおける燃料電池１００の含水量と燃料電池１００のインピーダンスとの関係を計測し、関係テーブルとして保持しておけば、計測されたインピーダンスから、正しい燃料電池の含水量が推定可能である。
The correction method based on the environmental temperature T can be performed, for example, by a method according to the equation (3) (that is, Arrhenius law). Here, X T impedance at environmental temperature T, R0 is the impedance at the reference temperature (reference impedance), C1, C2 is a predetermined coefficient which depends on the type of water and fuel cells.
X T / X0 = −C1 + C2 / ( T [ ° C.] + 273.15) (3)
(3) by equation can be calculated impedance X T corresponding to the environmental temperature T on the basis of the reference impedance X0 with respect to the reference temperature. Therefore, the impedance
FIG. 5 shows a timing chart of how the impedance and water content of the fuel cell change due to the scavenging process.
As shown in FIG. 5, there is a correlation between the water content of the fuel cell and the impedance of the fuel cell. For example, the relationship between the water content of the
含水量推定手段１０４２には、特定の基準となる環境温度において正確に測定された燃料電池１００のインピーダンスと含水量との関係テーブルが記憶されている。含水量推定手段１０４２は、入力されるインピーダンスに基づいて関係テーブルから含水量を読み取り、読み取られた含水量を当該インピーダンスにおける推定含水量として出力する。なお、参照テーブルを予め記憶させておく他、インピーダンスに対する推定含水量を所定の関係式に基づいて演算するように構成してもよい。
The moisture content estimation means 1042 stores a relationship table between the impedance of the
ここで、仮に燃料電池１００が基準となる環境温度で動作しているならば、インピーダンス演算手段１０４０で計測されたインピーダンスＸを、含水量推定手段１０４２に直接入力しさえすれば正しい含水量を測定可能である。しかしながら、上述したように、インピーダンスは温度特性を有しているといえる。また、インピーダンスは含水量に対応するので含水量が温度特性を有しているともいえる。
Here, if the
そこで本実施形態では、インピーダンス温度補正手段１０４１によって、通常、相対的に高い温度で運転される燃料電池における環境温度Ｔに基づいて、計測されたインピーダンスＸを、含水量を推定するための基準となる環境温度に換算したインピーダンス温度補正値Ｘatを演算し、基準となる環境温度から外れた環境温度Ｔにおいても、適正な含水量を推定可能としたのである。 Therefore, in the present embodiment, the impedance X is measured by the impedance temperature correction means 1041 based on the environmental temperature T in a fuel cell that is normally operated at a relatively high temperature, and is used as a reference for estimating the water content. The impedance temperature correction value Xat converted to the environmental temperature is calculated, and the appropriate water content can be estimated even at the environmental temperature T deviating from the reference environmental temperature.
さらに図５のタイミングチャートに沿って、燃料電池の運転停止から掃気処理停止までの流れを説明する。
図５において、燃料電池の目標とする含水量目標値は、燃料電池を停止させる時に残留しているべき、最適な含水量である。また、インピーダンス目標値は、基準となる環境温度において含水量目標値を達成するために計測されるべきインピーダンスである。
Furthermore, the flow from the stop of the fuel cell operation to the scavenging process will be described with reference to the timing chart of FIG.
In FIG. 5, the target moisture content value of the fuel cell is the optimum moisture content that should remain when the fuel cell is stopped. The impedance target value is an impedance to be measured in order to achieve the water content target value at the reference environmental temperature.
時刻Ｔ０において、燃料電池１００の発電を停止させると、インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンスを計測し、発電停止時における燃料電池１００の含水量を推定する。そして、掃気処理に適する所定時間経過後の時刻Ｔ１に燃料電池の含水量が含水量目標値に減少するようにコンプレッサ２０の回転数を定め、コンプレッサ２０にこの回転数で掃気を開始させるためのコンプレッサ制御信号ＣCOMPを出力する。掃気が開始されると、図５に示すように燃料電池の含水量が減少していくが、掃気開始と同時に燃料電池の環境温度も下がりだし、図４の特性に従って含水量の減少及び温度低下に伴いインピーダンスも上昇していく。インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、その後、定期的に（理想的には時刻Ｔ１の直前）インピーダンスを計測し、予定どおり含水量が含水量目標値に近づいたかを判定する。
When the power generation of the
ここで、基準となる環境温度のまま一定であれば、インピーダンスは、図５のインピーダンス理想曲線のように変化し、時刻Ｔ１においてインピーダンス目標値に達し、その時には含水量が含水量目標値に収斂していくはずである。しかしながら、上述したように、測定されるインピーダンスＸには温度特性があり、しかも環境温度が変化することによりインピーダン測定値がインピーダンス理想値から乖離する度合いは、図４から把握できるように含水量が少なくなるほど顕著になっていく。もしも、インピーダンスの温度補正を実施せずに含水量を推測するなら、インピーダンス測定値は、図５の実線のような特性で、インピーダンス理想曲線よりも高いインピーダンスが測定される傾向にある。このため、予め設定してあるインピーダンス目標値に達した時刻ｔａでは、実際の燃料電池の含水量は目標値よりも多い状態となっている。 Here, if the reference ambient temperature remains constant, the impedance changes as shown in the ideal impedance curve of FIG. 5 and reaches the impedance target value at time T1, at which time the water content converges to the water content target value. Should be. However, as described above, the impedance X to be measured has a temperature characteristic, and the degree of deviation of the impedance measurement value from the ideal impedance value due to the change of the environmental temperature can be understood from FIG. The less it becomes, the more noticeable it becomes. If the water content is estimated without performing the temperature correction of the impedance, the impedance measurement value has a characteristic as shown by the solid line in FIG. 5 and tends to measure an impedance higher than the ideal impedance curve. For this reason, at the time ta when the preset impedance target value is reached, the actual water content of the fuel cell is larger than the target value.
この点、本実施形態１では、インピーダンス温度補正手段１０４１が計測されたインピーダンスＸを環境温度Ｔに基づいて補正したインピーダンス温度補正値Ｘatに基づいて含水量が推定される。図５では、温度補正がされたインピーダンス温度補正値は、インピーダンス理想曲線へ向けて誤差が縮小されている。よって、インピーダンス温度補正値Ｘatがインピーダンス目標値に達するのは時刻ｔｂとなり、時間長Δｔ（＝ｔｂ−ｔａ）だけ掃気されることにより含水量を目標値に近づけることが可能となる。時刻ｔｂにおける含水量は、ほぼ含水量目標値に近いものとなっているため、この時点で掃気処理を終了しても問題はない。
In this regard, in the first embodiment, the water content is estimated based on the impedance temperature correction value Xat obtained by correcting the impedance X measured by the impedance
インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンスＸatがインピーダンス目標値に達したことをもって含水量目標値に到達したものと判断し、コンプレッサ２０の動作を停止させるコンプレッサ制御信号ＣCOMPを出力し、システム全体の停止に移行させる。
The impedance measurement / scavenging
なお、上記実施形態では、計測されたインピーダンスＸを基準となる環境温度におけるインピーダンスに換算したインピーダンス温度補正値Ｘatを演算してから含水量を推定していたがこれに限定されない。上述したように、インピーダンスが温度特性を持っているとも言えるが、推定される含水量が温度特性を持っているとも言えるからである。 In the above-described embodiment, the moisture content is estimated after calculating the impedance temperature correction value Xat obtained by converting the measured impedance X into the impedance at the reference environmental temperature. However, the present invention is not limited to this. As described above, it can be said that the impedance has temperature characteristics, but the estimated water content can also be said to have temperature characteristics.
そこで、インピーダンス温度補正手段１０４１を設ける代わりに、含水量推定手段１０４２で推定した含水量を温度補正する手段を設けることによっても同様の作用効果を得ることができる。例えば、図５において説明すれば、含水量推定手段１０４２は、計測されたインピーダンス測定値（実線）に基づいて含水量を推測することとするが、そのインピーダンスから推定された含水量より、さらに含水量補正量Δｑを減じた値が正しい含水量であると推定する補正をするのである。掃気処理を停止するか否かは、インピーダンスではなく推定され補正された含水量に基づいて判断するようにすればよい。 Thus, instead of providing the impedance temperature correction means 1041, a similar effect can be obtained by providing a means for correcting the temperature of the water content estimated by the water content estimation means 1042. For example, referring to FIG. 5, the moisture content estimation means 1042 estimates the moisture content based on the measured impedance measurement value (solid line), but further includes the moisture content estimated from the impedance. Correction for estimating that the value obtained by subtracting the water amount correction amount Δq is the correct water content is performed. Whether or not to stop the scavenging process may be determined based on the estimated and corrected water content instead of the impedance.
以上、本実施形態１によれば、燃料電池１００のインピーダンス測定値が、環境温度の影響を受けて実際のインピーダンス値とは異なる場合であっても、インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、実際のインピーダンス値に近い補正済のインピーダンス値に基づいて掃気処理の制御がされるので、適正な含水量とするための掃気処理を実施可能である。
As described above, according to the first embodiment, even if the impedance measurement value of the
（実施形態２）
本実施形態２は、前記燃料電池システムにおける燃料電池の含水量を推定する際に、当該燃料電池のインピーダンス測定値を、当該燃料電池に供給されるガス（アノードガスまたはカソードガス）のガス圧力で補正するように構成するものである。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, when estimating the water content of the fuel cell in the fuel cell system, the measured impedance value of the fuel cell is determined by the gas pressure of the gas (anode gas or cathode gas) supplied to the fuel cell. It is configured to correct.
本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの電気系の全体構成及び機械系の全体構成は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの電気系の全体構成と同じであり、制御部３のインピーダンス計測・掃気処理制御部５４の処理が異なるだけであるから、以下では、この相違部分を主体に説明する。
The overall configuration of the electrical system and the overall configuration of the mechanical system of the fuel cell system according to
但し、本実施形態２では、前述の本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの電気系の全体構成（図１）において、燃料電池１００のガス圧力Ｐを測定し圧力検出信号ＳPを出力する圧力センサ３９は必須の構成要素となり、燃料電池１００の環境温度Ｔを測定し、この環境温度に対応する温度検出信号ＳTを出力する温度センサ３８はオプショナルな構成要素となる。
However, in the second embodiment, the gas pressure P of the
図６に、本実施形態２におけるインピーダンス計測・掃気処理制御部５４のさらに詳細な機能ブロック図を示す。
図６に示すインピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンス演算手段１０４０、インピーダンス圧力補正手段２０４１、含水量推定手段１０４２、掃気量演算手段１０４３、及びコンプレッサ制御手段１０４４を備える。
FIG. 6 shows a more detailed functional block diagram of the impedance measurement / scavenging
The impedance measurement / scavenging
インピーダンス演算手段１０４０、含水量推定手段１０４２、掃気量演算手段１０４３、及びコンプレッサ制御手段１０４４については、上記実施形態１とほぼ同様である。 The impedance calculation means 1040, the water content estimation means 1042, the scavenging amount calculation means 1043, and the compressor control means 1044 are substantially the same as in the first embodiment.
インピーダンス圧力補正手段２０４１は、圧力センサ３９の検出した燃料電池１００のガス圧力Ｐに基づいて、インピーダンス演算手段１０４０により測定された燃料電池１００のインピーダンスを補正する。以下、インピーダンスの補正方法について説明する。
The impedance
図７は、燃料電池におけるインピーダンスとガス圧力との関係を示している。
図７に示されるように、実際の燃料電池システムでは、同じインピーダンス値であってもガス圧力によって燃料電池の含水量が変化する。逆に、同じ含水量を推定するためのインピーダンスは、ガス圧力が高いほど小さくなる傾向にある。そこで本実施形態２では、インピーダンス圧力補正手段２０４１が、インピーダンスＸにおいて燃料電池１００のガス圧力Ｐが上昇するに連れてインピーダンスが少なくなるように、図７に示すような圧力特性を考慮して燃料電池１００のインピーダンスＸを補正する。より具体的には、以下の手順により計測されたインピーダンスＸを補正する。
FIG. 7 shows the relationship between the impedance and gas pressure in the fuel cell.
As shown in FIG. 7, in an actual fuel cell system, the water content of the fuel cell varies depending on the gas pressure even with the same impedance value. Conversely, the impedance for estimating the same water content tends to decrease as the gas pressure increases. Therefore, in the second embodiment, the impedance pressure correction means 2041 takes into account the pressure characteristics as shown in FIG. 7 so that the impedance decreases as the gas pressure P of the
インピーダンス圧力補正手段２０４１は、まず、計測されたインピーダンスＸを入力する。次いで、この入力されたインピーダンスＸを燃料電池１００のガス圧力Ｐに基づいて圧力補償演算をし、インピーダンス圧力補正値Ｘapを出力する。
The impedance pressure correction means 2041 first inputs the measured impedance X. Next, the input impedance X is subjected to a pressure compensation calculation based on the gas pressure P of the
ガス圧力Ｐに基づく補正方法は、例えば、ガス圧力Ｐから面圧を換算して、この面圧と単位面積当たりの接触抵抗との関係を求め、全体の抵抗値の変化分を算出することで、インピーダンスを補正することができる。圧力に関しても、実施形態で説明したアレニウスの法則に準じたガス圧力とインピーダンスとの関係式を用いることもできる。圧力と抵抗値変化の関係は、実験的に事前に求めて関係テーブルとして記憶させて利用することも可能であるし、実験結果等から近似式を事前に求めその近似式に基づく演算を実施するよう構成することも可能である。インピーダンス圧力補正手段２０４１は、上記補正方法に基づき、計測されたインピーダンスＸから圧力補正値Ｘapを演算し、含水量推定手段１０４２に出力する。
The correction method based on the gas pressure P is, for example, by converting the surface pressure from the gas pressure P, obtaining the relationship between the surface pressure and the contact resistance per unit area, and calculating the change in the overall resistance value. Impedance can be corrected. Regarding the pressure, a relational expression between the gas pressure and the impedance according to the Arrhenius law described in the embodiment can also be used. The relationship between pressure and resistance value change can be obtained experimentally in advance and stored as a relationship table for use, or an approximate expression can be obtained in advance from experimental results, etc., and an operation based on the approximate expression can be performed. It is also possible to configure as described above. The impedance
含水量推定手段１０４２は、圧力補正されたインピーダンス圧力補正値Ｘapに基づいて燃料電池１００の含水量を推定する。掃気量演算手段１０４３は、推定された燃料電池１００内の含水量を適正な含水量に減少させるために必要な空気量を演算する。そして、コンプレッサ制御手段１０４４は、掃気量演算手段１０４３が算出した必要空気量を得るためのコンプレッサ２０の回転数と掃気時間とを演算し、演算した掃気時間だけコンプレッサを演算された回転数で駆動させるためのコンプレッサ制御信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に出力する。
The water content estimation means 1042 estimates the water content of the
次に、図８に基づき、本実施形態２における含水量推定・掃気処理動作を説明する。
図８において、燃料電池の目標とする含水量目標値は、燃料電池を停止させる時に残留しているべき、最適な含水量である。また、インピーダンス目標値は、基準となるガス圧力において含水量目標値を達成するために計測されるべきインピーダンスである。
Next, the water content estimation / scavenging operation in the second embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 8, the target moisture content value of the fuel cell is the optimum moisture content that should remain when the fuel cell is stopped. The impedance target value is an impedance to be measured in order to achieve the water content target value at the reference gas pressure.
時刻Ｔ０において、燃料電池１００の発電を停止させると、インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンスを計測し、発電停止時における燃料電池１００の含水量を推定する。そして、掃気処理に適する所定時間経過後の時刻Ｔ１に燃料電池の含水量が含水量目標値に減少するようにコンプレッサ２０の回転数を定め、コンプレッサ２０にこの回転数で掃気を開始させるためのコンプレッサ制御信号ＣCOMPを出力する。掃気が開始されると、図８に示すように燃料電池の含水量が減少していくが、掃気開始とともにガス圧力も低下していき、図７の特性に従って含水量及びガス圧力の減少に伴いインピーダンスも上昇していく。インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、その後、定期的に（理想的には時刻Ｔ１の直前）インピーダンスを計測し、予定どおり含水量が含水量目標値に近づいたかを判定する。
When the power generation of the
ここで、基準となるガス圧力のまま一定であれば、インピーダンスは、図８のインピーダンス理想曲線のように変化し、時刻Ｔ１においてインピーダンス目標値に達し、その時には含水量が含水量目標値に収斂していくはずである。しかしながら、上述したように、測定されるインピーダンスＸには圧力特性があり、しかもガス圧力が変化することによりインピーダン測定値がインピーダンス理想値から乖離する度合いは、図７から把握できるように含水量が少なくなるほど顕著になっていく。もしも、インピーダンスの圧力補正を実施せずに含水量を推測するなら、インピーダンス測定値は、図８の実線のような特性で、インピーダンス理想曲線よりも高いインピーダンスが測定される傾向にある。このため、予め設定してあるインピーダンス目標値に達した時刻ｔａでは、実際の燃料電池の含水量は目標値よりも多い状態となっている。 Here, if the reference gas pressure remains constant, the impedance changes as shown in the ideal impedance curve of FIG. 8, reaches the impedance target value at time T1, and at that time the water content converges to the water content target value. Should be. However, as described above, the impedance X to be measured has a pressure characteristic, and the degree of deviation of the impedance measured value from the ideal impedance value due to the change in gas pressure can be understood from FIG. The less it becomes, the more noticeable it becomes. If the moisture content is estimated without performing impedance pressure correction, the impedance measurement value has a characteristic as shown by the solid line in FIG. 8 and tends to measure an impedance higher than the ideal impedance curve. For this reason, at the time ta when the preset impedance target value is reached, the actual water content of the fuel cell is larger than the target value.
この点、本実施形態２では、インピーダンス圧力補正手段２０４１が計測されたインピーダンスＸをガス圧力Ｐに基づいて補正したインピーダンス圧力補正値Ｘapに基づいて含水量が推定される。図８では、圧力補正がされたインピーダンス圧力補正値は、インピーダンス理想曲線へ向けて誤差が縮小されている。よって、インピーダンス圧力補正値Ｘapがインピーダンス目標値に達するのは時刻ｔｂとなり、時間長Δｔ（＝ｔｂ−ｔａ）だけ掃気されることにより含水量を目標値に近づけることが可能となる。時刻ｔｂにおける含水量は、ほぼ含水量目標値に近いものとなっているため、この時点で掃気処理を終了しても問題はない。 In this regard, in the second embodiment, the water content is estimated based on the impedance pressure correction value Xap obtained by correcting the impedance X measured by the impedance pressure correction means 2041 based on the gas pressure P. In FIG. 8, the error of the impedance pressure correction value subjected to pressure correction is reduced toward the ideal impedance curve. Therefore, the impedance pressure correction value Xap reaches the impedance target value at time tb, and the water content can be brought close to the target value by scavenging for the time length Δt (= tb−ta). Since the water content at time tb is substantially close to the water content target value, there is no problem even if the scavenging process is terminated at this time.
インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンスＸapがインピーダンス目標値に達したことをもって含水量目標値に到達したものと判断し、コンプレッサ２０の動作を停止させるコンプレッサ制御信号ＣCOMPを出力し、システム全体の停止に移行させる。
The impedance measurement / scavenging
なお、上記実施形態２では、計測されたインピーダンスＸを基準となるガス圧力におけるインピーダンスに換算したインピーダンス圧力補正値Ｘapを演算してから含水量を推定していたがこれに限定されない。上述したように、インピーダンスが圧力特性を持っているとも言えるが、推定される含水量が圧力特性を持っているとも言えるからである。 In the second embodiment, the moisture content is estimated after calculating the impedance pressure correction value Xap obtained by converting the measured impedance X into the impedance at the reference gas pressure. However, the present invention is not limited to this. As described above, it can be said that the impedance has pressure characteristics, but the estimated water content can also be said to have pressure characteristics.
そこで、インピーダンス圧力補正手段２０４１を設ける代わりに、含水量推定手段１０４２で推定した含水量を圧力補正する手段を設けることによっても同様の作用効果を得ることができる。例えば、図８において説明すれば、含水量推定手段１０４２は、計測されたインピーダンス測定値（実線）に基づいて含水量を推測することとするが、そのインピーダンスから推定された含水量より、さらに含水量補正量Δｑを減じた値が正しい含水量であると推定する補正をするのである。掃気処理を停止するか否かは、インピーダンスではなく推定され補正された含水量に基づいて判断するようにすればよい。
Therefore, instead of providing the impedance
以上、本実施形態２によれば、燃料電池１００のインピーダンス測定値が、ガス圧力の影響を受けて実際のインピーダンス値とは異なる場合であっても、インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、実際のインピーダンス値に近い補正済のインピーダンス値に基づいて掃気処理の制御がされるので、適正な含水量とするための掃気処理を実施可能である。
As described above, according to the second embodiment, even when the measured impedance value of the
（実施形態３）
本実施形態３は、前記燃料電池システムにおける燃料電池の含水量を推定する際に、当該燃料電池のインピーダンス測定値を、当該燃料電池の環境温度及び当該燃料電池に供給されるガス（アノードガスまたはカソードガス）のガス圧力で補正するように構成するものである。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, when the water content of the fuel cell in the fuel cell system is estimated, the measured impedance value of the fuel cell is determined based on the ambient temperature of the fuel cell and the gas (anode gas or The gas pressure of the cathode gas is corrected.
本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの電気系の全体構成及び機械系の全体構成は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの電気系の全体構成と同じであり、制御部３のインピーダンス計測・掃気処理制御部５４の処理が異なるだけであるから、以下では、この相違部分を主体に説明する。
The overall configuration of the electrical system and the overall configuration of the mechanical system of the fuel cell system according to
特に、本実施形態３では、燃料電池１００の環境温度Ｔを測定し温度検出信号ＳTを出力する温度センサ３８及びガス圧力Ｐを測定し圧力検出信号ＳPを出力する圧力センサ３９が、ともに必須の構成要素となる。
In particular, in the third embodiment, the
図９に、本実施形態３におけるインピーダンス計測・掃気処理制御部５４のさらに詳細な機能ブロック図を示す。
図９に示すインピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンス演算手段１０４０、インピーダンス温度補正手段１０４１、インピーダンス圧力補正手段２０４１、含水量推定手段１０４２、掃気量演算手段１０４３、及びコンプレッサ制御手段１０４４を備える。
FIG. 9 shows a more detailed functional block diagram of the impedance measurement / scavenging
9 includes an
このうち、インピーダンス演算手段１０４０、インピーダンス温度補正手段１０４１、含水量推定手段１０４２、掃気量演算手段１０４３、及びコンプレッサ制御手段１０４４については、上記実施形態１とほぼ同様であり、インピーダンス圧力補正手段２０４１については、上記実施形態２とほぼ同様である。 Among these, the impedance calculation means 1040, the impedance temperature correction means 1041, the water content estimation means 1042, the scavenging amount calculation means 1043, and the compressor control means 1044 are substantially the same as those in the first embodiment, and the impedance pressure correction means 2041. Is substantially the same as in the second embodiment.
本実施形態３では、実施形態１のようにインピーダンスの温度補正を行ってから、さらに実施形態２のようにインピーダンスの圧力補正を行う点で、温度の影響と圧力の影響をともに補正するものである。 In the third embodiment, the temperature of the impedance is corrected as in the first embodiment and then the pressure of the impedance is corrected as in the second embodiment. is there.
図１０に基づき、本実施形態３における含水量推定・掃気処理動作を説明する。
図１０において、燃料電池の目標とする含水量目標値は、燃料電池を停止させる時に残留しているべき、最適な含水量である。また、インピーダンス目標値は、基準となる環境温度及び基準となるガス圧力において含水量目標値を達成するために計測されるべきインピーダンスである。
Based on FIG. 10, the water content estimation / scavenging operation in the third embodiment will be described.
In FIG. 10, the target moisture content value of the fuel cell is the optimum moisture content that should remain when the fuel cell is stopped. The impedance target value is an impedance to be measured in order to achieve the water content target value at the reference environmental temperature and the reference gas pressure.
時刻Ｔ０において、燃料電池１００の発電を停止させると、インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、インピーダンスを計測し、発電停止時における燃料電池１００の含水量を推定する。そして、掃気処理に適する所定時間経過後の時刻Ｔ１に燃料電池の含水量が含水量目標値に減少するようにコンプレッサ２０の回転数を定め、コンプレッサ２０にこの回転数で掃気を開始させるためのコンプレッサ制御信号ＣCOMPを出力する。掃気が開始されると、図１０に示すように燃料電池の含水量が減少していくが、掃気開始とともに環境温度・ガス圧力も低下していき、図４や図７の特性に従って含水量、環境温度、及びガス圧力の減少に伴いインピーダンスも上昇していく。インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、その後、定期的に（理想的には時刻Ｔ１の直前）インピーダンスを計測し、予定どおり含水量が含水量目標値に近づいたかを判定する。
When the power generation of the
ここで、基準となる環境温度及びガス圧力のまま一定であれば、インピーダンスは、図１０のインピーダンス理想曲線のように変化し、時刻Ｔ１においてインピーダンス目標値に達し、その時には含水量が含水量目標値に収斂していくはずである。しかしながら、上述したように、測定されるインピーダンスＸには温度特性及び圧力特性があり、しかも環境温度やガス圧力が変化することによりインピーダン測定値がインピーダンス理想値から乖離する度合いは、含水量が少なくなるほど顕著になっていく。 Here, if the reference ambient temperature and gas pressure remain constant, the impedance changes as shown in the ideal impedance curve of FIG. 10, reaches the impedance target value at time T1, and the water content at that time is the water content target. It should converge to the value. However, as described above, the measured impedance X has temperature characteristics and pressure characteristics, and the degree of deviation of the impedance measurement value from the ideal impedance value due to changes in environmental temperature and gas pressure is low in water content. It will become more prominent.
本実施形態３では、上記実施形態１におけるインピーダンス温度補正手段１０４１とインピーダンス圧力補正手段２０４１とを共に備える。まず、インピーダンス温度補正手段１０４１が計測されたインピーダンスＸを環境温度Ｔに基づいて補正し、インピーダンス温度補正値Ｘatを得る。その補正値Ｘatに対し、さらにインピーダンス圧力補正手段２０４１がガス圧力Ｐに基づいて補正することにより、インピーダンス温度圧力補正値Ｘatpを得る。含水量推定手段１０４２は、このインピーダンス温度圧力補正値Ｘatpに基づいて含水量を推定する。
In the third embodiment, both the impedance
図１０から判るように、温度補正及び圧力補正がともにされたインピーダンス温度圧力補正値は、大きくインピーダンスに作用するファクタの補正がされているため、ほぼインピーダンス理想曲線に近い特性となっている。このため、インピーダンス温度圧力補正値Ｘatpがインピーダンス目標値に達する時刻は、インピーダンス理想曲線がインピーダンス目標値に達する時刻Ｔ１と殆ど誤差がない。よって、本実施形態３によれば、ほぼ含水量目標値に近い状態でシステム全体の運転を停止させることができる。 As can be seen from FIG. 10, the impedance temperature / pressure correction value subjected to both temperature correction and pressure correction has a characteristic that is substantially similar to an ideal impedance curve because a factor that greatly affects impedance is corrected. For this reason, the time when the impedance temperature / pressure correction value Xatp reaches the impedance target value has almost no error from the time T1 when the impedance ideal curve reaches the impedance target value. Therefore, according to the third embodiment, the operation of the entire system can be stopped in a state that is substantially close to the water content target value.
なお、温度補正や圧力補正に種々の変形が可能である点は、上記実施形態１及び２で説明したとおりである。また、含水量推定手段１０４２において、環境温度Ｔ及びガス圧力Ｐを考慮した含水量補正量Δｑを減じて、適正な含水量が推定可能である点も上記実施形態と同様である。 Note that various modifications can be made to the temperature correction and the pressure correction as described in the first and second embodiments. In addition, the water content estimation means 1042 can reduce the water content correction amount Δq considering the environmental temperature T and the gas pressure P to estimate an appropriate water content, as in the above embodiment.
以上、本実施形態３によれば、燃料電池１００のインピーダンス測定値が、環境温度やガス圧力の影響を受けて実際のインピーダンス値とは異なる場合であっても、インピーダンス計測・掃気処理制御部５４は、実際のインピーダンス値に近い補正済のインピーダンス値に基づいて掃気処理の制御がされるので、適正な含水量とするための掃気処理を実施可能である。
As described above, according to the third embodiment, even when the measured impedance value of the
特に、本実施形態３では、燃料電池本体の周囲条件である環境温度とガス圧力とが共にインピーダンスの測定値に与える影響を補正した上で燃料電池の含水量を推定するので、測定誤差を生じさせることなく、しかも、時間的に安定した一層精度の高いインピーダンスの測定を可能にする燃料電池システムを提供することができる効果がある。 In particular, in the third embodiment, since the moisture content of the fuel cell is estimated after correcting the influence of the ambient temperature and gas pressure, which are ambient conditions of the fuel cell body, on the measured impedance value, a measurement error occurs. In addition, there is an effect that it is possible to provide a fuel cell system that enables more accurate impedance measurement that is time-stable and more accurate.
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態３では、環境温度の補正に次いでガス圧力についての補正を行う構成としたが、この順序を入れ換えて、ガス圧力についての補正に次いで環境温度についての補正を行うように構成することも可能である。
(Other embodiments)
The present invention can be applied with various modifications other than the above embodiment.
For example, in the third embodiment, the correction for the gas pressure is performed after the correction of the environmental temperature. However, this order is changed, and the correction for the environmental temperature is performed after the correction for the gas pressure. It is also possible.
さらに、本発明は、とにかく燃料電池のインピーダンスを測定する装置が備わってさえいれば、他の燃料電池システムにも適用可能であり、例えば、コンバータは使用されないので前述の方法とは異なる手段でインピーダンス測定を行う燃料電池システムにおいても適用可能である。 Furthermore, the present invention can be applied to other fuel cell systems as long as a device for measuring the impedance of the fuel cell is provided, for example, since a converter is not used, the impedance is different from the above-described method. The present invention can also be applied to a fuel cell system that performs measurement.
上記各実施形態では移動体である車両上に搭載されるハイブリッド燃料電池システムを例示したが、本発明は、自動車のみならず、他の移動体、例えば、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。また、定置型のハイブリッド燃料電池システムにおいて本発明を適用しても無論よい。 In each of the above embodiments, the hybrid fuel cell system mounted on a vehicle that is a moving body has been exemplified. However, the present invention is mounted not only on an automobile but also on other moving bodies such as ships, aircrafts, and the like. There may be. Of course, the present invention may be applied to a stationary hybrid fuel cell system.
１…アノードガス供給系、２…カソードガス供給系、３…制御部、４…電力系、１０…水素タンク、１１…アノードガス供給路、１２…アノードオフガス排出路、２０…コンプレッサ、２１…カソードガス供給路、２２…カソードオフガス排出路、３０・３１…フィルタ、３２・３３…ＦＦＴ処理部、３４…補正処理部、３５…インピーダンス解析部、３６…判断部、３７…記憶装置、３８…温度センサ、３９…圧力センサ、４０…バッテリ、４１…コンバータ、４２…トラクションインバータ、４３…トラクションモータ、４４…補機インバータ、４５…高圧補機、４６…バッテリコンピュータ、４７…電流センサ、４８…電圧センサ、４９…逆流防止ダイオード、１００…燃料電池、５１…目標電圧決定部、５２…重畳信号生成部、５３…コンバータ制御信号生成部５３、５４…インピーダンス計測・掃気処理制御部、１０４０…インピーダンス演算手段、１０４１…インピーダンス温度補正手段、２０４１…インピーダンス圧力補正手段、１０４２…含水量推定手段、１０４３…掃気量演算手段、１０４４…コンプレッサ制御手段、Ｓａ…アクセル開度信号、Ｓｅ…電圧検出信号、Ｓｉ…電流検出信号、ＳP…ガス圧力検出信号、Ｓｓ…シフトポジション信号、ＳT…温度検出信号、ＳSOC…検出信号、Ｘ…インピーダンス、θ…位相角、ω…周波数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Anode gas supply system, 2 ... Cathode gas supply system, 3 ... Control part, 4 ... Electric power system, 10 ... Hydrogen tank, 11 ... Anode gas supply path, 12 ... Anode off-gas discharge path, 20 ... Compressor, 21 ... Cathode Gas supply path, 22 ... Cathode off gas discharge path, 30 · 31 ... Filter, 32 · 33 ... FFT processing section, 34 ... Correction processing section, 35 ... Impedance analysis section, 36 ... Judging section, 37 ... Storage device, 38 ... Temperature Sensor, 39 ... Pressure sensor, 40 ... Battery, 41 ... Converter, 42 ... Traction inverter, 43 ... Traction motor, 44 ... Auxiliary inverter, 45 ... High voltage auxiliary machine, 46 ... Battery computer, 47 ... Current sensor, 48 ...
Claims (2)
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて前記燃料電池の含水量を推定する含水量推定手段と、
を備え、
前記燃料電池のガス圧力が上昇するに連れて前記含水量が少なくなるように、かつ、前記燃料電池の環境温度が上昇するに連れて前記含水量が少なくなるように、前記燃料電池のガス圧力および環境温度に基づいて、推定された前記含水量が補正される、
ことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system capable of measuring the impedance of a fuel cell,
Impedance measuring means for measuring the impedance of the fuel cell;
Water content estimation means for estimating the water content of the fuel cell based on the relationship of the estimated water content of the fuel cell to the impedance measured by the impedance measurement means;
With
The gas pressure of the fuel cell so that the water content decreases as the gas pressure of the fuel cell increases and the water content decreases as the environmental temperature of the fuel cell increases. And the estimated water content is corrected based on the ambient temperature .
A fuel cell system.
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップと、
前記インピーダンス測定ステップにより測定されたインピーダンスに対する前記燃料電池の推定含水量の関係に基づいて前記燃料電池の含水量を推定する含水量推定ステップと、
前記燃料電池のガス圧力が上昇するに連れて前記含水量が少なくなるように、かつ、前記燃料電池の環境温度が上昇するに連れて前記含水量が少なくなるように、前記燃料電池のガス圧力および環境温度に基づいて、推定された前記含水量を補正する補正ステップと、
を有することを特徴とする燃料電池のインピーダンス測定方法。 In the fuel cell impedance measurement method provided in the fuel cell system,
An impedance measuring step for measuring the impedance of the fuel cell;
A moisture content estimating step for estimating the moisture content of the fuel cell based on the relationship of the estimated moisture content of the fuel cell to the impedance measured by the impedance measuring step;
The gas pressure of the fuel cell so that the water content decreases as the gas pressure of the fuel cell increases and the water content decreases as the environmental temperature of the fuel cell increases. And a correction step of correcting the estimated water content based on the environmental temperature ;
A method for measuring the impedance of a fuel cell, comprising:
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