JP6319457B2 - 燃料電池の状態推定装置、状態推定方法、及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
カソード電極: 4H++4e-+O2 → 2H2O ・・・(2)
これら(1)、(2)の電極反応によって、燃料電池のセルは1V(ボルト)程度の起電力を生じる。ここで、上記(1)及び(2)で示す反応は可逆反応であるので、例えばカソード電極に対してアノード電極の電位を所定値以上高くするなどして、通常、燃料電池を負荷に繋いで使用する場合と逆符号の電圧を印加することにより、上記(1)及び(2)と逆の反応を生じさせることができる。従って、交流電圧を燃料電池セルに印加することによって、上記(1)及び(2)で表される反応及びこれとは逆の反応との相互の切り替わりが、当該交流電圧の正負変動に対応して生じることとなる。
図5は、第1の形態に係る燃料電池スタック1の状態推定の流れを示すフローチャートである。なお、下記のステップS101〜ステップS104が内部インピーダンス測定工程、ステップS105及びステップS106が状態量予備推定値算出工程を構成し、ステップS107が状態量最終推定値算出工程を構成する。
以下、第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
Claims (14)
- アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定装置であって、
前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段と、
前記内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第1予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第2予備推定値を算出する状態量予備推定値算出手段と、
該算出された第1予備推定値及び第2予備推定値に基づいて前記電極の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値決定手段と、
を備えた状態推定装置。 - 請求項1に記載の状態推定装置であって、
前記電極の状態量は、反応抵抗値であり、
前記状態量最終推定値決定手段は、前記反応抵抗値の第1予備推定値及び前記第2予備推定値の内の値が大きい方を前記反応抵抗値の最終推定値として決定する状態推定装置。 - 請求項1又は2に記載の状態推定装置であって、
前記状態量予備推定値算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの虚数成分Zimの式
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの実数成分Zreの式
に基づいて、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Zre1及びZre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Rmを用いて前記反応抵抗値の第2予備推定値Ract2を求める状態推定装置。 - 請求項3に記載の状態推定装置であって、
前記反応抵抗値の第1予備推定値Ract1は、
横軸を1/ω2とし縦軸を−1/(ω・Zim)とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、並びに前記内部インピーダンスの虚数成分の測定値Zim1及びZim2を用いて前記座標上にプロットした2点を結んで得られる直線の傾き及び切片に基づいて求められ、
前記反応抵抗値の第2予備推定値Ract2は、
横軸をω2とし縦軸を1/(Zre−Rm)とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、前記内部インピーダンスの実数成分の測定値Zre1及びZre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Rmを用いて前記座標上にプロットした2点を結んで得られる直線の切片に基づいて求められる状態推定装置。 - 請求項1又は2に記載の状態推定装置であって、
前記電極の状態量は、電気二重層容量であり、
前記状態量最終推定値決定手段は、前記電気二重層容量の第1予備推定値及び前記第2予備推定値の内の値が小さい方を前記電気二重層容量の最終推定値として決定する状態推定装置。 - 請求項5に記載の状態推定装置であって、
前記状態量予備推定値算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの虚数成分Zimの式
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの実数成分Zreの式
に基づいて、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Zre1及びZre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Rmを用いて前記電気二重層容量の第2予備推定値Cdl2を求める状態推定装置。 - 請求項6に記載の状態推定装置であって、
前記電気二重層容量の第1予備推定値Cdl1は、
横軸を1/ω2とし縦軸を−1/(ω・Zim)とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、並びに前記内部インピーダンスの虚数成分の測定値Zim1及びZim2を用いて前記座標上にプロットした2点を結んで得られる直線の切片に基づいて求められ、
前記電気二重層容量の第2予備推定値Cdl2は、
横軸をω2とし縦軸を1/(Zre−Rm)とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、前記内部インピーダンスの実数成分の測定値Zre1及びZre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Rmを用いて前記座標上にプロットした2点を結んで得られる直線の傾き及び切片に基づいて求められる状態推定装置。 - 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の状態推定装置であって、
前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が所定値以上の場合に燃料電池の状態の推定が正常に行われないと判断する燃料電池異常状態判定手段をさらに備えた状態推定装置。 - 請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の状態推定装置であって、
前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が所定値未満の場合に燃料電池の状態推定が正常に行われると判断する燃料電池正常状態判定手段をさらに備えた状態推定装置。 - 請求項8又は9に記載の状態推定装置であって、
前記内部インピーダンス測定手段は、
前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が所定値以上の場合に、前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が減少するように、前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の周波数の値を変化させる状態推定装置。 - 請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の状態推定装置であって、
前記内部インピーダンス測定手段は、
前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が所定値以上の場合に、前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が減少するように、前記内部インピーダンスの測定のために印加する交流信号の振幅値を増加させる状態推定装置。 - 請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の状態推定装置を用いた燃料電池システムであって、
前記状態量最終推定値決定手段は、
印加する交流信号の周波数の値の変化及び/又は振幅値の増加によっては前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が前記所定値未満となるまで減少しない場合に、前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が所定値未満であると判定された際の以前の内部インピーダンス測定値に基づく前記最終推定値を、代替的な最終推定値として決定し、
該決定された代替的な最終推定値に基づいて前記燃料電池の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段をさらに備えた燃料電池システム。 - 請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の状態推定装置を用いた燃料電池システムであって、
前記状態量最終推定値決定手段は、
前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の周波数の値の変化及び/又は振幅値の増加によっては前記第1予備推定値と前記第2予備推定値との差が前記所定値未満となるまで減少しない場合に、予め定められた値を代替的な最終推定値として決定し、
該決定された代替的な最終推定値に基づいて前記燃料電池の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段をさらに備えた燃料電池システム。 - アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定方法であって、
前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定工程と、
前記内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第1予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第2予備推定値を算出する状態量予備推定値算出工程と、
該算出された第1予備推定値及び第2予備推定値に基づいて前記燃料電池の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値算出工程と、
を備えた状態推定方法。
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