JP6418245B2 - 燃料電池の状態判定装置及び方法 - 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、後述するように、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。
以下、第1の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、第3周波数帯に含まれる所定周波数の交流電圧を印加する場合においてさらに、カソード電極113の電気二重層容量の値Ccが比較的小さく、これを無視できることができるものとして反応抵抗Raの値の算出を行う。この場合の燃料電池スタック1の等価回路モデルは、アノード電極側の反応抵抗及び電気二重層容量、並びに電解質膜抵抗で構成される図5に示すモデルとなる。
以下、第2の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、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。第2の実施の形態では、アノード電極112の反応抵抗の推定値Raの算出において、カソード電極113の電気二重層容量Ccの影響を考慮した、より精度の高い計算モデルを提示する。
ただし、Zは燃料電池の内部インピーダンス、jは虚数単位、ωは交流信号の角周波数、Rmはセルの電解質膜抵抗、Raはアノード電極112の反応抵抗、Caはアノード電極112の電気二重層容量、及びCcはカソード電極113の電気二重層容量を意味する。以下では、式(4)を用いた反応抵抗Raの算出について説明する。
Claims (12)
- 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判定装置であって、
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に基づいて前記燃料電池のアノード電極の反応抵抗の推定値を算出するアノード反応抵抗推定算出手段と、を備え、
前記所定周波数は、
水素スタベーション時における前記アノード電極の反応抵抗の推定値と、酸素スタベーション時における前記アノード電極の反応抵抗の推定値と、の差がカソード電極の反応抵抗の影響を無視する観点から定まる所定値以上となるように選択される燃料電池の状態判定装置。 - 請求項1に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記内部インピーダンスの測定値に基づいて前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を測定する電解質湿潤状態測定手段を有し、
前記内部インピーダンス測定手段は、前記所定周波数より高い高周波数の内部インピーダンスを測定し、
前記電解質湿潤状態測定手段は、前記高周波数の内部インピーダンスの測定値に基づいて前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を測定する燃料電池の状態判定装置。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、前記内部インピーダンスの測定値を前記燃料電池の等価回路モデルに基づくインピーダンスの式に適用して前記アノード電極の反応抵抗の推定値を算出する燃料電池の状態判定装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、前記内部インピーダンスの虚数成分に基づいて前記アノード電極の反応抵抗の推定値を算出する燃料電池の状態判定装置。 - 請求項4に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた式
横軸を1/ω2とし縦軸を−1/(ω・Zim)とする座標上で、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Zim1及びZim2を用いて上記座標上の2点をプロットし、該2点を結んで得られる直線の傾き及び切片を算出し、該算出された傾き及び切片に基づき前記アノード電極の反応抵抗の推定値を求める燃料電池の状態判定装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、前記内部インピーダンスの実数成分に基づいて前記アノード電極の反応抵抗の推定値を算出する燃料電池の状態判定装置。 - 請求項6に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた式
横軸をω2とし縦軸を1/(Zre−Rm)とする座標上で、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を用いて上記座標上の2点をプロットし、該2点を結んで得られる直線の切片を算出し、該算出された切片と前記電解質膜抵抗Rmに基づき前記アノード電極の反応抵抗推定値Raを求める燃料電池の状態判定装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、前記内部インピーダンスの実数成分及び前記内部インピーダンスの虚数成分の双方に基づいて前記アノード電極の反応抵抗の推定値を算出する燃料電池の状態判定装置。 - 請求項8に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記アノード反応抵抗推定算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた式
- 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記算出されたアノード電極の反応抵抗の推定値に基づいて前記アノード電極における水素スタベーション状態を判定する水素スタベーション状態判定手段をさらに備え、
前記水素スタベーション状態判定手段により前記アノード電極が水素スタベーション状態であると判定されると、発電電流に制限を加えるか又は発電を停止する発電制御手段をさらに有する燃料電池の状態判定装置。 - 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池の状態判定装置であって、
前記算出されたアノード電極の反応抵抗の推定値に基づいて前記アノード電極における水素スタベーション状態を判定する水素スタベーション状態判定手段をさらに備え、
前記水素スタベーション状態判定手段は、前記算出された反応抵抗が水素スタベーション判定閾値を越えるとアノード電極が水素スタベーション状態であると判定し、
前記水素スタベーション状態判定手段により、前記反応抵抗が前記水素スタベーション判定閾値を越え且つ該水素スタベーション判定閾値よりも小さい所定基準値以上であると判定された場合に、水素の供給量を増加させる制御を行う水素供給量制御手段をさらに有する燃料電池の状態判定装置。 - 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判定方法であって、
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に基づいて前記燃料電池のアノード電極の反応抵抗の推定値を算出するアノード反応抵抗推定算出工程と、を備え、
前記所定周波数は、
水素スタベーション時における前記アノード電極の反応抵抗と酸素スタベーション時における前記アノード電極の反応抵抗との差がカソード電極の反応抵抗の影響を無視する観点から定まる所定値以上となるように選択される燃料電池の状態判定方法。
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