JP7156920B2 - 燃料電池監視装置および燃料電池の状態を判定する方法 - Google Patents
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Description
(1)第1の形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタック全体の電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出し、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池スタックの含水量に相関性を有する前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量を表す含水量基準推定値を算出する含水量推定部と、前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する判定部と、を備える。
この形態の燃料電池監視装置によれば、インピーダンスの計測結果から算出されるガス拡散抵抗のうちで燃料電池セルや燃料電池スタックの含水量に対して高い相関性を有するものから含水量推定値および含水量基準推定値が導出される。含水量推定値は、燃料電池セルにおける触媒劣化、または、反応ガスの分配不良によって、含水量基準推定値に対する大きさが変化する特性を有している。この形態の燃料電池監視装置によれば、そうした含水量推定値の特性に基づいて、燃料電池に生じている不具合の要因を燃料電池セルにおける触媒劣化、または、反応ガスの分配不良の少なくとも一方に特定して、その発生を的確に検出できる。また、含水量基準推定値は、例えば燃料電池スタック全体の経年変化など、燃料電池スタック全体の現在の状態に応じて変化する値である。この形態の燃料電池監視装置では、燃料電池セルの状態の判定に、そうした燃料電池スタック全体の現在の状態に応じて変化する基準値が用いられているため、燃料電池スタック全体の状態変化に起因する判定精度の変動を抑制することができる。
(2)上記形態の燃料電池監視装置において、前記判定部は、前記含水量推定値が、前記含水量基準推定値に対して、予め決められた許容範囲を越えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定してよい。
この形態の燃料電池監視装置によれば、燃料電池セルにおける触媒の劣化の発生を的確に検出することができる。
(3)上記形態の燃料電池監視装置において、前記判定部は、負電圧であることが検出され、かつ、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値に対して前記許容範囲を越えて低くなっていることを含む前記判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定してよい。
この形態の燃料電池監視装置によれば、電圧による判定条件が加わるため、燃料電池セルにおける触媒の劣化の発生をより精度よく検出することができる。
(4)上記形態の燃料電池監視装置において、前記判定部は、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値より大きいときに、判定対象である前記燃料電池セルに対する反応ガスの供給不良が発生していると判定してよい。
この形態の燃料電池監視装置によれば、燃料電池セルにおける反応ガスの供給不良の発生を的確に検出することができる。
(5)第2の形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、現在の前記燃料電池スタック全体の含水量に応じて変動する基準値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を検出する判定部と、を備える。
この形態の燃料電池監視装置によれば、インピーダンスの計測結果から導出されるガス拡散抵抗を用いて算出される含水量推定値の特性を利用して、触媒劣化の発生を的確に検出することができる。また、触媒劣化の判定に用いられる基準値は、例えば、燃料電池スタック全体の経年変化など、燃料電池スタック全体の現在の発電性能に応じて変化するため、燃料電池セルの中で特に触媒劣化が進行しているものを的確に検出することができる。
(6)第3の形態は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置として提供される。この形態の燃料電池監視装置は、前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、前記燃料電池セルごとの前記インピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有するガス拡散抵抗を求め、前記ガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、
判定対象となる複数の前記燃料電池セルについて、予め決められた順で、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、先に判定され、前記触媒の劣化が検出されなかった前記燃料電池セルの前記含水量推定値を基準値として用い、前記基準値に対して、今回の判定対象である前記燃料電池セルの前記含水量推定値が、予め決められた許容範囲を超えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、今回の判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する。
この形態の燃料電池監視装置によれば、触媒劣化が発生していないとされた他の燃料電池セルにおける含水量推定値を基準値とした判定がおこなわれる。そのため、現在の燃料電池スタック全体の正常な含水量推定値の傾向を判定結果に反映させることができ、燃料電池スタック全体の状態変化に起因する判定精度の変動を抑制することができる。
本開示の技術は、燃料電池監視装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの状態を判定する方法や、燃料電池における触媒劣化の検出方法、燃料電池スタックにおける反応ガスの分配不良の検出方法、燃料電池監視装置の制御方法および制御装置、燃料電池監視装置を備える燃料電池システムおよびその制御方法、前述のいずれかの方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
1-1.燃料電池システム概要:
図1は、第1実施形態における燃料電池監視装置10を備える燃料電池システム100の構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック20を備え、外部負荷200からの要求に応じた電力を燃料電池スタック20に発電させる。燃料電池監視装置10は、発電中の燃料電池スタック20を監視し、燃料電池スタック20に生じている不具合を検出する。以下では、燃料電池監視装置10以外の燃料電池システム100の構成を説明した後に、燃料電池監視装置10について説明する。
燃料電池スタック20は、固体高分子形燃料電池であり、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック20は、複数の燃料電池セル21が積層されたスタック構造を有する。燃料電池セル21は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池スタック20には、各燃料電池セル21に接続する反応ガスおよび冷媒のための分岐流路である図示しないマニホールドが設けられている。
燃料電池システム100は、さらに、燃料電池スタック20の運転を制御するシステム制御部25と、燃料電池スタック20に対する反応ガスの供給および排出をおこなう燃料ガス給排部30および酸化剤ガス給排部40と、を備える。燃料電池システム100は、その他に、燃料電池スタック20の冷媒流路64に冷媒を供給する冷媒供給部や、出力電流を制御するためのコンバータ、二次電池などを備えている。ただし、本明細書では、便宜上、その図示および詳細な説明は省略する。
燃料電池監視装置10は、燃料電池監視装置10全体を制御して燃料電池スタック20の状態を監視する監視処理を実行する監視装置制御部11を備える。監視装置制御部11は、少なくとも1つのプロセッサと、主記憶装置と、を備えるコンピュータによって構成される。監視装置制御部11は、システム制御部25を構成するECUの一部として構成されてもよい。監視装置制御部11は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって監視処理を実行するための種々の機能を発揮する。
図3は、第1実施形態における監視処理のフローを示す説明図である。燃料電池監視装置10は、燃料電池スタック20の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。第1実施形態の監視処理では、予め定められた判定対象の燃料電池セル21について、触媒劣化の発生の有無が判定される。ここでの「触媒劣化」とは、例えば、触媒層54に含まれるカーボンの酸化に起因する触媒の離脱や、触媒の凝集による反応面積の減少など、触媒層54において不可逆に進行する劣化を意味する。こうした触媒劣化は、燃料電池セル21において燃料ガスの供給量が不足した状態で発電が継続されたときに生じやすい。
Rmem=R1・cosθ1 …(F1)
φ=tan-1[(R2・sinθ2)/{(R2・cosθ2)-Rmem}] …(F2)
A=(R2・sinθ2)/sinφ …(F3)
Rct=A/cosφ …(F4)
RH∝a・(Rmem)-b …(F5)
Rdry∝c・(δ/Ddry) …(F6)
Ilim={ep/(ep-1)}・I …(F7)
p=(ηc・n・F)/(2・R・T) …(F8)
ηc=Eo-E-ηa-ηR …(F9)
ηa=(R・T/2・q・F)ln(I/Io) …(F10)
ηR=I・Rmem …(F11)
Rtotal=ρ・(Rct・Ilim)ξ …(F12)
Rwet=Rtotal-Rdry …(F13)
Wc=10-8・Rwet 4-10-7・Rwet 3-10-5・Rwet 2+7・Rwet -4 …(F14)
以上のように、第1実施形態の燃料電池監視装置10によれば、インピーダンスの計測結果から求められるガス拡散抵抗Rwetから導出される含水量推定値Wcの特性に基づいて、一部の燃料電池セル21に生じている触媒劣化を精度よく検出することができる。よって、燃料電池監視装置10を備える燃料電池システム100によれば、触媒劣化の進行による不具合の発生を抑制することができる。その他に、第1実施形態の燃料電池監視装置10、それを備える燃料電池システム100、それらにおいて実現されている燃料電池セル21の状態の判定方法によれば、第1実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
図10は、第2実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第2実施形態の監視処理は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置10において実行される。燃料電池監視装置10は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム100に搭載されている。第2実施形態の監視処理のフローは、第1実施形態におけるステップS50Aの判定処理の代わりに、ステップS50Bの判定処理が実行される点と、ステップS52,S54の処理が追加されている点以外は、第1実施形態の監視処理のフローとほぼ同じである。監視装置制御部11は、第1実施形態で説明したのと同様に、ステップS10~S40において含水量推定値Wcと含水量基準推定値Wsとを算出した後、ステップS50Bの判定処理において、判定部11jにより、触媒劣化の発生の有無を判定する。
図13は、第3実施形態の監視処理において実行される判定処理のフローを示す説明図である。第3実施形態の監視処理は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置10において実行される。燃料電池監視装置10は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム100に搭載されている。第3実施形態の監視処理のフローは、判定部11jが実行する判定処理の内容が異なっている点以外は、第2実施形態の監視処理のフローとほぼ同じである。なお、第3実施形態では、ステップS20での燃料電池スタック20全体のインピーダンスを計測する処理と、ステップS40の含水量基準推定値Wsを算出する処理は省略されてもよい。
図14は、第4実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第4実施形態の監視処理は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置10において実行される。燃料電池監視装置10は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム100に搭載されている。燃料電池監視装置10は、燃料電池スタック20の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。
図19は、第5実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第5実施形態の監視処理は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置10において実行される。燃料電池監視装置10は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム100に搭載されている。燃料電池監視装置10は、燃料電池スタック20の発電中に、予め決められた周期で、この監視処理を実行する。第5実施形態の監視処理では、第1実施形態で説明したステップS10~S40の処理によって取得される含水量推定値Wcと、含水量基準推定値Wsと、を用いて、燃料電池セル21の不良の発生が検出される。また、検出された不良の発生要因が、触媒劣化と、反応ガスの分配不良のいずれであるのかが判定される。
図21は、第6実施形態の監視処理のフローを示す説明図である。第6実施形態の監視処理は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池監視装置10において実行される。燃料電池監視装置10は、第1実施形態で説明したのと同じ構成の燃料電池システム100に搭載されている。なお、第6実施形態の燃料電池監視装置10では、監視装置制御部11は、含水量推定部11wを備えていなくてもよく、インピーダンスの計測値からガス反応抵抗Rctを算出する機能を有していればよい。
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、本開示の技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。
上記の各実施形態において、触媒劣化の発生を検出するために用いられる含水量基準推定値Wsは、燃料電池スタック20全体のインピーダンスの計測結果から導出されている。これに対して、触媒劣化の発生を検出するための含水量推定値Wcの大きさを判定する基準値は、含水量基準推定値Ws以外の値が用いられてもよい。当該基準値としては、燃料電池スタック20全体の現在の含水量に応じて変動する値が用いられればよい。例えば、判定対象である燃料電池セル21ごとの含水量推定値Wcの平均値が、その基準値として用いられてもよい。あるいは、燃料電池スタック20における発電量と反応ガスの供給量と排水量とから算出された燃料電池セル21ごとの含水量推定値が用いられてもよい。
図13に示す上記第3実施形態の判定処理において、ステップS110の負電位による判定は省略されてもよい。この場合には、第1実施形態の判定処理のように、判定対象である燃料電池セル21での触媒劣化の発生のみが検出されてよい。
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
Claims (7)
- 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタック全体の電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出し、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池スタックの含水量に相関性を有する前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量を表す含水量基準推定値を算出する含水量推定部と、
前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する判定部と、
を備える、燃料電池監視装置。 - 請求項1記載の燃料電池監視装置であって、
前記判定部は、前記含水量推定値が、前記含水量基準推定値に対して、予め決められた許容範囲を越えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する、燃料電池監視装置。 - 請求項2記載の燃料電池監視装置であって、
前記判定部は、負電圧であることが検出され、かつ、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値に対して前記許容範囲を越えて低くなっていることを含む前記判定条件が成立したときに、判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する、燃料電池監視装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池監視装置であって、
前記判定部は、前記含水量推定値が前記含水量基準推定値より大きいときに、判定対象である前記燃料電池セルに対する反応ガスの供給不良が発生していると判定する、燃料電池監視装置。 - 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、
現在の前記燃料電池スタック全体の含水量に応じて変動する基準値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を検出する判定部と、
を備える、燃料電池監視装置。 - 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を監視する燃料電池監視装置であって、
前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとのインピーダンスを計測するインピーダンス計測部と、
前記燃料電池セルごとの前記インピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有するガス拡散抵抗を求め、前記ガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する含水量推定部と、
判定対象となる複数の前記燃料電池セルについて、予め決められた順で、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生を判定する判定部と、
を備え、
前記判定部は、
最初の前記燃料電池セルについては、予め設定された初期値を基準値として用い、
2番目以降の前記燃料電池セルについては、先に判定され、前記触媒の劣化が検出されなかった前記燃料電池セルの前記含水量推定値を前記基準値として用い、
前記基準値に対して、今回の判定対象である前記燃料電池セルの前記含水量推定値が、予め決められた許容範囲を超えて低くなっていることを含む判定条件が成立したときに、今回の判定対象である前記燃料電池セルに前記触媒の劣化が生じていると判定する、燃料電池監視装置。 - 複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの状態を判定する方法であって、
発電中の前記燃料電池スタックに交流信号を印加して、前記燃料電池セルごとの電圧と、前記燃料電池スタックの出力電流と、を検出し、前記燃料電池セルごとのインピーダンスと、前記燃料電池スタック全体のインピーダンスと、を計測する工程と、
前記燃料電池セルごとのインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池セルの含水量に相関性を有する前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池セルごとのガス拡散抵抗を用いて前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量推定値を算出する工程と、
前記燃料電池スタック全体のインピーダンスの計測結果から、前記燃料電池スタックの含水量に相関性を有する前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を求め、前記燃料電池スタックのガス拡散抵抗を用いて算出された前記燃料電池セルごとの含水量の推定値である含水量基準推定値を算出する工程と、
前記含水量基準推定値に対する前記含水量推定値の大きさを判定することにより、前記燃料電池セルに含まれる触媒の劣化の発生、または、前記燃料電池セルに対する反応ガスの分配不良の発生、のうちの少なくとも一方を検出する工程と、
を備える、方法。
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