JP5793989B2 - Fuel cell condition diagnosis device - Google Patents
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Description
本発明は、複数の単位セルが積層された燃料電池の内部状態を診断する燃料電池状態診断装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell state diagnosis device that diagnoses an internal state of a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked.
従来、燃料電池について低周波領域におけるインピーダンスおよび高周波領域におけるインピーダンスの双方を測定し、各周波数領域におけるインピーダンスの測定結果に基づいて、燃料電池の内部状態を診断する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, there has been proposed a fuel cell system that measures both the impedance in a low frequency region and the impedance in a high frequency region for a fuel cell and diagnoses the internal state of the fuel cell based on the measurement result of the impedance in each frequency region ( For example, see Patent Document 1).
具体的には、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、高周波領域におけるインピーダンスによって燃料電池の電解質膜の湿潤状態を診断し、低周波領域におけるインピーダンスによって燃料ガスである水素の供給状態（過不足）を診断するようにしている。
Specifically, in the fuel cell system described in
一般に、燃料電池において燃料ガスである水素が欠乏する（水素欠乏）と、燃料電池全体としてのインピーダンスが増加する傾向があるため、燃料電池全体としてのインピーダンスの変化に基づいて、水素欠乏が生じているか否かを判定することが考えられる。 In general, when the fuel cell hydrogen is deficient (hydrogen deficiency), the impedance of the fuel cell as a whole tends to increase. Therefore, hydrogen deficiency occurs based on the change in the impedance of the fuel cell as a whole. It can be considered to determine whether or not.
しかし、燃料電池において酸化剤ガスである酸素が欠乏（酸素欠乏）すると、水素欠乏時と同様に、燃料電池全体としてのインピーダンスが増加する傾向がある。 However, when oxygen, which is an oxidant gas, is deficient in the fuel cell (oxygen deficiency), the impedance of the entire fuel cell tends to increase as in the case of hydrogen deficiency.
このため、特許文献１に記載の燃料電池システムの如く、燃料電池全体としてのインピーダンスに基づいて、水素の供給状態を診断する構成では、水素欠乏と酸素欠乏との区別することができないといった問題がある。
Therefore, as in the fuel cell system described in
本発明は上記点に鑑みて、燃料ガスの欠乏と酸化剤ガスの欠乏とを区別して燃料電池の内部状態を診断可能な燃料電池状態診断装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell state diagnosing device capable of diagnosing the internal state of a fuel cell by distinguishing between deficiency of fuel gas and deficiency of oxidant gas.
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた。この結果、診断対象となる単位セルにおける酸化剤ガスのガス濃度が高く、燃料ガスのガス濃度が低くなり易い部位では、当該部位におけるインピーダンスが燃料ガスのガス濃度の変化に強い相関性を持ち、燃料ガスのガス濃度が高く、酸化剤ガスのガス濃度が低くなり易い部位では、当該部位におけるインピーダンスが酸化剤ガスのガス濃度の変化に強い相関性を持つことに着眼し、燃料ガスの欠乏と酸化剤ガスの欠乏とを区別して燃料電池の状態を診断する構成を案出した。 In order to achieve the above object, the present inventors have made extensive studies. As a result, in the part where the gas concentration of the oxidant gas in the unit cell to be diagnosed is high and the gas concentration of the fuel gas tends to be low, the impedance in the part has a strong correlation with the change in the gas concentration of the fuel gas, At a site where the gas concentration of the fuel gas is high and the gas concentration of the oxidant gas tends to be low, we focus on the fact that the impedance at the site has a strong correlation with the change in the gas concentration of the oxidant gas. A configuration has been devised for diagnosing the state of the fuel cell by distinguishing it from the lack of oxidant gas.
すなわち、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の状態を診断する燃料電池状態診断装置であって、燃料電池（１）に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加手段（５１）と、診断対象となる単位セル（１０）のセル電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、診断対象となる単位セル（１０）における酸化剤ガスのガス濃度が高く、かつ、燃料ガスのガス濃度が低くなり易い第１の局所部位、および燃料ガスのガス濃度が高く、かつ、酸化剤ガスのガス濃度が低くなり易い第２の局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４）と、電圧検出手段（５２）の検出値、および局所電流検出手段（４）の検出値に基づいて、診断対象となる単位セル（１０）の第１の局所部位および第２の局所部位におけるインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（５３）と、インピーダンス算出手段（５３）にて算出されたインピーダンスに基づいて燃料電池の状態を診断する診断手段（６２）と、を備え、診断手段（６２）は、第１の局所部位におけるインピーダンスに基づいて燃料ガスが欠乏した状態であるか否かを判定し、第２の局所部位におけるインピーダンスに基づいて酸化剤ガスが欠乏した状態であるか否かを判定することを特徴とする。
That is, in the invention according to
これによれば、燃料ガスの欠乏については、診断対象となる単位セル（１０）における燃料ガスのガス濃度の変化に強い相関性を持つ第１の局所部位のインピーダンスに基づいて診断し、酸化剤ガスの欠乏については、診断対象となる単位セル（１０）における酸化剤ガスのガス濃度の変化に強い相関性を持つ第２の局所部位のインピーダンスに基づいて診断するので、燃料ガスの欠乏と酸化剤ガスの欠乏とを区別して燃料電池の内部状態を診断することが可能となる。 According to this, the deficiency of the fuel gas is diagnosed based on the impedance of the first local portion having a strong correlation with the change in the gas concentration of the fuel gas in the unit cell (10) to be diagnosed, and the oxidant Since the gas deficiency is diagnosed based on the impedance of the second local portion having a strong correlation with the change in the gas concentration of the oxidant gas in the unit cell (10) to be diagnosed, fuel gas deficiency and oxidation It is possible to diagnose the internal state of the fuel cell by distinguishing from the lack of the agent gas.
ここで、各単位セル（１０）では、発電により燃料ガスが消費されるので、単位セル（１０）における燃料ガスが流入する入口側で燃料ガスのガス濃度が高く、燃料ガスが流出する出口側で燃料ガスのガス濃度が低くなる傾向がある。同様に、単位セル（１０）における酸化剤ガスが流入する入口側で酸化剤ガスのガス濃度が高く、酸化剤ガスが流出する出口側で酸化剤ガスのガス濃度が低くなる傾向がある。 Here, in each unit cell (10), since fuel gas is consumed by power generation, the gas concentration of the fuel gas is high at the inlet side where the fuel gas flows in the unit cell (10), and the outlet side where the fuel gas flows out. The gas concentration of the fuel gas tends to be low. Similarly, the gas concentration of the oxidant gas tends to be high on the inlet side where the oxidant gas flows in the unit cell (10), and the gas concentration of the oxidant gas tends to be low on the outlet side where the oxidant gas flows out.
このような傾向に鑑みて、請求項１に記載の発明では、上記構成に加えて以下の構成をさらに採用している。すなわち、請求項１に記載の発明では、複数の単位セル（１０）それぞれには、燃料ガスが流入する燃料ガス入口部（１０３ａ）、燃料ガスが流出する燃料ガス出口部（１０３ｂ）、酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口部（１０４ａ）、および酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）が形成され、燃料ガス入口部（１０３ａ）と燃料ガス出口部（１０３ｂ）との間には、燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成され、酸化剤ガス入口部（１０４ａ）と酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）との間には、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成され、燃料ガス流路における燃料ガス入口部（１０３ａ）よりも燃料ガス出口部（１０３ｂ）に近い部位は、酸化剤ガス流路における酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）よりも酸化剤ガス入口部（１０４ａ）に近い部位に対応する位置に形成され、酸化剤ガス流路における酸化剤ガス入口部（１０４ａ）よりも酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）に近い部位は、燃料ガス流路における燃料ガス出口部（１０３ｂ）よりも燃料ガス入口部（１０３ａ）に近い部位に対応する位置に形成され、第１の局所部位は、診断対象となる単位セル（１０）における燃料ガス入口部（１０３ａ）よりも燃料ガス出口部（１０３ｂ）側の部位であり、第２の局所部位は、診断対象となる単位セル（１０）における酸化剤ガス入口部（１０４ａ）よりも酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）側の部位であることをさらに特徴とする。
In view of such a tendency, the invention described in
これによれば、燃料ガスの欠乏と酸化剤ガスの欠乏とを区別可能な構成を具体的かつ容易に実現することができる。 According to this, a configuration capable of distinguishing between the deficiency of the fuel gas and the deficiency of the oxidant gas can be realized specifically and easily.
具体的には、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の燃料電池状態診断装置において、診断手段（６２）にて、第１の局所部位におけるインピーダンスが予め定めた基準値を上回った場合に燃料ガスが欠乏した状態であると判定し、第２の局所部位におけるインピーダンスが予め定めた第２基準値を上回った場合に酸化剤ガスが欠乏した状態であると判定するようにすればよい。
Specifically, as in the invention according to
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
本発明の一実施形態について図１〜図１１に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は、本実施形態に係る信号処理装置５の模式図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram of a
まず、燃料電池システムは、図１に示すように、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、図示しない車両走行用電動モータや２次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。より具体的には、燃料電池１は、基本単位となる単位セル１０が複数積層され、各単位セル１０が電気的に直列に接続されて構成されたものである。
First, as shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a
図２に示すように、各単位セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両側面に一対の電極（触媒層等）１００ｂ、１００ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、この膜電極接合体１００を狭持する一対のセパレータ１０１、１０２で構成されている。なお、一対の電極のうち、一方の電極がアノード電極１００ｂを構成し、他方の電極がカソード電極１００ｃを構成している。
As shown in FIG. 2, each
一対のセパレータ１０１、１０２は、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、アノード電極１００ｂと対向する面に水素が流れる水素流路（図示略）が形成され、カソード電極１００ｃと対向する面に空気が流れる空気流路（図示略）が形成されている。
The pair of
また、単位セル１０それぞれには、セパレータ１０１、１０２に形成された水素流路（燃料ガス流路）に水素を流入させるための水素入口部（燃料ガス入口部）１０３ａ、水素流路から水素を流出させるための水素出口部（燃料ガス出口部）１０３ｂが形成され、セパレータ１０１、１０２に形成された空気流路（酸化剤ガス流路）に空気を流入させるための空気入口部（酸化剤ガス入口部）１０４ａ、空気流路から空気を流出させるための空気出口部（酸化剤ガス出口部）１０４ｂが形成されている。
Each
本実施形態では、水素流路における水素入口部１０３ａよりも水素出口部１０３ｂに近い部位が、空気流路における空気出口部１０４ｂよりも空気入口部１０４ａに近い部位に対応するように形成されている。換言すれば、水素流路における水素入口部１０３ａよりも水素出口部１０３ｂに近い部位は、単位セル１０の積層方向から見たときに、空気流路における空気出口部１０４ｂよりも空気入口部１０４ａに近い部位に重合するように形成されている。
In the present embodiment, the part closer to the
また、空気流路における空気入口部１０４ａよりも空気出口部１０４ｂに近い部位は、水素流路における水素出口部１０３ｂよりも水素入口部１０３ａに近い部位に対応するように形成されている。換言すれば、空気流路における空気入口部１０４ａよりも空気出口部１０４ｂに近い部位は、単位セル１０の積層方向から見たときに、水素流路における水素出口部１０３ｂよりも水素入口部１０３ａに近い部位に重合するように形成されている。
Further, the portion closer to the
単位セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
In the
（負極側：アノード電極）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側：カソード電極）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
ここで、一般に、単位セル１０は、図３の等価回路で示すことができる。なお、図３は、燃料電池１の単位セル１０の等価回路を示す回路図である。図３の等価回路におけるＲｐｅｍは、電解質膜１００ａの膜抵抗、Ｚａｎはアノード電極側の反応抵抗、Ｚｃａはカソード電極側の反応抵抗、Ｒａｎはアノード側のセパレータ等の電気抵抗、Ｒｃａはカソード側のセパレータ等の電気抵抗、Ｃａｎはアノード側の電気二重層（コンデンサ成分）、Ｃｃａはカソード側の電気二重層に相当している。
(Negative electrode side: anode electrode) H 2 → 2H + + 2e −
(Positive electrode side: cathode electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
In general, the
図１に戻り、燃料電池１と電気負荷との間には、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（図示略）を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池１から電気負荷、あるいは電気負荷から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。
Returning to FIG. 1, the
燃料電池１における積層された複数の単位セル１０の間には、診断対象となる特定の単位セル１０（以下、診断対象セル１０と称する。）の局所部位に流れる電流（局所電流）を検出する局所電流検出部４（局所電流検出手段）が設けられている。
Between the plurality of
局所電流検出部４は、複数の電流センサから構成されている。本実施形態の局所電流検出部４は、診断対象セル１０における水素入口部１０３ａよりも水素出口部１０３ｂに近い局所部位（水素出口部１０３ｂ付近）、および診断対象セル１０における空気入口部１０４ａよりも空気出口部１０４ｂに近い局所部位（空気出口部１０４ｂ付近）に対応して２つの電流センサを有している。
The local
ここで、本実施形態の水素出口部１０３ｂ付近は、空気中の酸素濃度（酸化剤ガスのガス濃度）が高く、かつ、水素のガス濃度（燃料ガスのガス濃度）が低くなり易い第１の局所部位に相当し、空気出口部１０４ｂ付近は、水素のガス濃度が高く、かつ、空気の酸素濃度が低くなり易い第２の局所部位に相当している。
Here, in the vicinity of the
局所電流検出部４を構成する電流センサとしては、シャント抵抗や磁気等を利用した周知のセンサを用いることができる。局所電流検出部４から出力される出力信号（検出値）は、後述する信号処理装置５の演算処理部５３にて演算処理される。なお、信号処理装置５については後述する。
As the current sensor constituting the local
燃料電池１のカソード電極１００ｃ側には、酸素を主成分とする酸化剤ガス（空気）を燃料電池１に供給するための空気供給配管２０、並びに、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外気へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。
On the
空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する空気供給手段が構成される。
An
燃料電池１のアノード電極１００ｂ側には、水素を主成分とする燃料ガスを燃料電池１に供給するための水素供給配管３０、アノード電極１００ｂ側に溜まった生成水を微量な水素と共に燃料電池１から外部へ排出するための水素排出配管３１が接続されている。
On the
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所望の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。
A high-
水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１００ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１００ｂ側には、カソード電極１００ｃ側から各単位セル１０の電解質膜１００ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。
The
燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）６が設けられている。この制御装置６は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、およびＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶手段６１からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。
The fuel cell system is provided with a control device (ECU) 6 as power generation control means for performing various controls. The
具体的には、制御装置６の入力側には、信号処理装置５、および車室内に設けられた車両起動スイッチ６ａに接続されており、信号処理装置５および車両起動スイッチ６ａからの出力信号が入力される。なお、車両起動スイッチ６ａは、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。なお、制御装置６の出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４等の各種電気式アクチュエータ、および信号処理装置５が接続されている。
Specifically, the input side of the
本実施形態の制御装置６は、信号処理装置５と双方向に通信可能に構成されており、信号処理装置５からの出力に基づいて、燃料電池１の内部状態を診断する。本実施形態では、局所電流検出部４、信号処理装置５、および制御装置６の一部が燃料電池１の状態を診断する燃料電池状態診断装置として機能する。
The
次に、本実施形態の信号処理装置５について説明する。信号処理装置５は、診断対象セル１０の出力電流に対して任意の周波数の交流電流を印加する交流印加部５１、診断対象セル１０のセル電圧を検出する電圧センサ（電圧検出手段）５２、および診断対象セル１０の局所部位のインピーダンスを算出する演算処理部５３等で構成されている。
Next, the
交流印加部５１は、診断対象セル１０の出力電流に任意の周波数で所定の波形（正弦波等）の交流電流を印加する交流電流印加手段を構成している。本実施形態の交流印加部５１は、異なる複数の周波数を合成した交流信号を燃料電池１の出力信号に印加可能に構成されている。なお、交流印加部５１にて印加する交流電流は、燃料電池１の発電状態に影響しないように、燃料電池１における発電電流の１０％以下とすることが好ましい。
The alternating
電圧センサ５２は、診断対象セル１０のセル電圧を検出するもので、信号処理装置５の演算処理部５３に接続されている。電圧センサ５２から出力される出力信号（検出値）は、演算処理部５３にて処理される。
The
演算処理部５３は、局所電流検出部４および電圧センサ５２から出力される出力信号に基づいて、診断対象セル１０の各局所部位（本実施形態では水素出口部１０３ｂ付近、および空気出口部１０４ｂ付近）のインピーダンスを算出する。例えば、演算処理部５３では、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）等により、局所電流検出部４および電圧センサ５２から出力される出力信号Δｉ、Δｖそれぞれから交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分（交流電流ΔＩおよび交流電圧ΔＶ）を抽出する。そして、抽出した交流成分を用いて、診断対象セル１０の各局所部位のインピーダンスを算出する。なお、本実施形態では、演算処理部５３がインピーダンス算出手段を構成している。
Based on the output signals output from the local
ここで、演算処理部５３にて算出したインピーダンスの周波数特性は、図４に示すような軌跡となる。図４は、図３の等価回路において、高周波から低周波までの交流電流を印加した場合の燃料電池のインピーダンスを複素平面上に示した特性図であり、図中のＲｅ（Ｚ）が実数部、Ｉｍ（Ｚ）が虚数部、θ（Ｚ）が位相差を示している。
Here, the frequency characteristic of the impedance calculated by the
演算処理部５３にて算出された診断対象セル１０における各局所部位のインピーダンスＺ１、Ｚ２は、制御装置６に出力される。制御装置６では、演算処理部５３にて算出したインピーダンスＺ１、Ｚ２に基づいて燃料電池１の内部状態を診断する診断処理を行う。本実施形態では、制御装置６における燃料電池１の状態を診断する構成（ソフトウェアおよびハードウェアを含む。）が診断手段６２を構成している。
The impedances Z <b> 1 and Z <b> 2 of each local part in the
次に、本実施形態における燃料電池１の状態の診断方法について説明する。まず、単位セル１０にて水素が欠乏する水素欠乏状態の診断方法について図５および図６に基づいて説明する。
Next, a method for diagnosing the state of the
ここで、図５は、単位セルにおける水素出口部１０３ｂ側（燃料ガス出口部側）の等価回路を示す回路図である。また、図６は、空気のストイキ比をパラメータとした場合の水素濃度とインピーダンスＺ１（水素出口部１０３ｂ付近のインピーダンス）との関係を説明する説明図である。より具体的には、図６は、水素濃度を約５％（図中のＨ１部分）、約１０％（図中のＨ２部分）、約２０％（図中のＨ３部分）とした条件で、空気のストイキ比を１．１、１．２、１．３、１．５と変化させた場合のインピーダンスＺ１の変化を示している。なお、空気の「ストイキ比」とは、燃料電池１に所定値の電流を流す際に必要となる空気の理論供給量と実際の空気の供給量との比を意味する。
Here, FIG. 5 is a circuit diagram showing an equivalent circuit on the
本実施形態の単位セル１０では、水素出口部１０３ｂを空気出口部１０４ｂよりも空気入口部１０４ａに近い位置に配置しているため、単位セル１０における水素出口部１０３ｂ付近（第１の局所部位）は、空気中の酸素濃度が高く、かつ、水素濃度が低くなり易い傾向がある。このため、本実施形態の水素出口部１０３ｂ付近では、カソード側の反応抵抗Ｚｃａや電気二重層Ｃｃａの影響が極めて小さくなり、単位セル１０を図５の等価回路で示すことができる。
In the
また、図６に示すように、単位セル１０における水素出口部１０３ｂ付近では、水素濃度を一定とした場合に空気のストイキ比を変化させたとしても、インピーダンスＺ１が殆ど変化しないことが分かる。
Further, as shown in FIG. 6, it can be seen that in the vicinity of the
一方、単位セル１０における水素出口部１０３ｂ付近では、空気のストイキ比を一定とした場合に水素濃度を変化させると、インピーダンスＺ１が水素濃度の低下に伴って増加する傾向があることが分かる。
On the other hand, in the vicinity of the
このように、本実施形態の単位セル１０における水素出口部１０３ｂ付近では、当該部位におけるインピーダンスＺ１が水素濃度の低下に伴って高くなるといったように、インピーダンスＺ１と水素濃度とが強い相関性を持つことが分かる。
As described above, in the vicinity of the
このため、診断対象セル１０において水素が欠乏した状態（水素欠乏）となる際の水素出口部１０３ｂ付近のインピーダンスを第１基準値Ｚｒｅｆ１として予め制御装置６の記憶手段６１に記憶し、当該第１基準値Ｚｒｅｆ１と、実際に演算処理部５３にて算出した水素出口部１０３ｂ付近のインピーダンスＺ１とを比較することで、水素欠乏が生じているか否かを判定することが可能となる。
For this reason, the impedance in the vicinity of the
次に、単位セル１０にて空気中の酸素が欠乏する酸素欠乏状態の診断方法について図７および図８に基づいて説明する。
Next, a method for diagnosing an oxygen deficiency state in which oxygen in the air is deficient in the
ここで、図７は、単位セルにおける空気出口部側（酸化剤ガス出口部側）の等価回路を示す回路図である。また、図８は、水素のストイキ比をパラメータとした場合の酸素濃度とインピーダンスＺ２（空気出口部１０４ｂ付近のインピーダンス）との関係を説明する説明図である。より具体的には、図８は、空気濃度を約１％（図中のＯ１部分）、約２％（図中のＯ２部分）、約３％（図中のＯ３部分）、約５％（図中のＯ４部分）とした条件で、水素のストイキ比を１．０３、１．０５、１．２と変化させた場合のインピーダンスの変化を示している。なお、水素の「ストイキ比」とは、燃料電池１に所定値の電流を流す際に必要となる水素の理論供給量と実際の水素の供給量との比を意味する。
Here, FIG. 7 is a circuit diagram showing an equivalent circuit on the air outlet side (oxidant gas outlet side) in the unit cell. FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the oxygen concentration and the impedance Z2 (impedance in the vicinity of the
本実施形態の単位セル１０では、空気出口部１０４ｂを水素出口部１０３ｂよりも水素入口部１０３ａに近い位置に配置しているため、単位セル１０における空気出口部１０４ｂ付近（第２の局所部位）は、水素濃度が高く、かつ、空気中の酸素濃度が低くなり易い傾向がある。このため、本実施形態の空気出口部１０４ｂ付近では、アノード側の反応抵抗Ｚａｎや電気二重層Ｃａｎの影響が極めて小さくなり、単位セル１０を図７の等価回路で示すことができる。
In the
また、図８に示すように、単位セル１０における空気出口部１０４ｂ付近では、空気濃度を一定とした場合に水素のストイキ比を変化させたとしても、インピーダンスＺ２が殆ど変化しないことが分かる。
Further, as shown in FIG. 8, it can be seen that in the vicinity of the
一方、単位セル１０における空気出口部１０４ｂ付近では、水素のストイキ比を一定とした場合に空気中の酸素濃度を変化させると、インピーダンスＺ２が空気中の酸素濃度の低下に伴って増加する傾向があることが分かる。
On the other hand, in the vicinity of the
このように、本実施形態の単位セル１０における空気出口部１０４ｂ付近では、当該部位におけるインピーダンスＺ２が空気濃度の低下に伴って高くなるといったように、インピーダンスＺ２と酸素濃度とが強い相関性を持つことが分かる。
As described above, in the vicinity of the
このため、診断対象セル１０において空気中の酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）となる際の空気出口部１０４ｂ付近のインピーダンスを第２基準値Ｚｒｅｆ２として予め制御装置６の記憶手段６１に記憶し、当該第２基準値Ｚｒｅｆ２と、実際に演算処理部５３にて算出した空気出口部１０４ｂ付近のインピーダンスＺ２とを比較することで、酸素欠乏が生じているか否かを判定することが可能となる。
For this reason, the impedance near the
次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、正常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態といった三種類の状態を診断する状態診断処理の流れを、図９〜図１１に示すフローチャートにより説明する。図９に示す制御フローは、車両起動スイッチ６ａが投入（ＯＮ）されて、燃料電池１の発電状態となるとスタートする。なお、図９では、信号処理装置５および制御装置６にて行う処理を１つのフローチャートで示している。
Next, the flow of the state diagnosis process for diagnosing three types of states, that is, a normal state, a hydrogen deficient state, and an oxygen deficient state in the fuel cell system according to the above configuration will be described with reference to flowcharts shown in FIGS. The control flow shown in FIG. 9 starts when the
車両が起動すると、まず、信号処理装置５の交流印加部５１から診断対象セル１０に複数の周波数を合成した合成波を有する交流電流を印加する（Ｓ１０）。なお、交流印加部５１で印加する交流電流の周波数は、予め所定周波数（０．１〜数百ｋＨｚの範囲）に設定されている。
When the vehicle starts, first, an alternating current having a combined wave obtained by combining a plurality of frequencies is applied from the alternating
次に、電圧センサ５２および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号（出力電流、出力電圧）を読み込む（Ｓ２０）。そして、演算処理部５３にて電圧センサ５２および局所電流検出部４の出力信号から、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、各交流成分におけるインピーダンスＺ１、Ｚ２を算出する（Ｓ３０）。具体的には、ステップＳ３０では、演算処理部５３にて電圧センサ５２および局所電流検出部４の水素出口部１０３ｂ付近に配置した電流センサの出力信号から、水素出口部１０３ｂ付近のインピーダンスＺ１を算出する。また、演算処理部５３にて電圧センサ５２および局所電流検出部４の空気出口部１０４ｂ付近に配置した電流センサの出力信号から、空気出口部１０４ｂ付近のインピーダンスＺ２を算出する。
Next, output signals (output current, output voltage) from the current sensors of the
次に、水素欠乏診断処理を行う（Ｓ４０）。この水素欠乏診断処理の詳細については、図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。 Next, a hydrogen deficiency diagnosis process is performed (S40). The details of the hydrogen deficiency diagnosis process will be described based on the flowchart shown in FIG.
まず、ステップＳ３０にて算出した水素出口部１０３ｂ付近におけるインピーダンスＺ１を、予め記憶手段６１に記憶された第１基準値Ｚｒｅｆ１と比較照合し（Ｓ４１０）、水素欠乏であるか否かを判定する（Ｓ４２０）。具体的には、ステップＳ４２０では、水素出口部１０３ｂ付近におけるインピーダンスＺ１が第１基準値Ｚｒｅｆ１よりも上回っている場合に、水素欠乏と判定する。
First, the impedance Z1 in the vicinity of the
この結果、水素欠乏であると判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を水素欠乏と診断する（Ｓ４３０）。なお、水素欠乏と判定された場合、燃料電池１への水素の供給量が不足していることが原因と考えられるため、例えば、水素調圧弁３３の開度を増大させ、高圧水素タンク３２からの水素の供給量を増大させることにより、水素欠乏を解消することが可能となる。
As a result, when it is determined that there is a hydrogen deficiency, the current state of the
一方、ステップＳ４３０の判定処理の結果、水素欠乏でないと判定された場合は、水素欠乏診断処理を終了して、ステップＳ５０の酸素欠乏診断処理に移行する。この酸素欠乏診断処理の詳細については、図１１に示すフローチャートに基づいて説明する。 On the other hand, as a result of the determination process in step S430, when it is determined that the hydrogen deficiency is not present, the hydrogen deficiency diagnosis process is terminated, and the process proceeds to the oxygen deficiency diagnosis process in step S50. The details of the oxygen deficiency diagnosis process will be described based on the flowchart shown in FIG.
まず、ステップＳ３０にて算出した空気出口部１０４ｂにおけるインピーダンスＺ２を、予め記憶手段６１に記憶された第２基準値Ｚｒｅｆ２と比較照合し（Ｓ５１０）、酸素欠乏であるか否かを判定する（Ｓ５２０）。具体的には、ステップＳ５２０では、空気出口部１０４ｂ付近におけるインピーダンスＺ２が第２基準値Ｚｒｅｆ２よりも上回っている場合に、酸素欠乏と判定する。
First, the impedance Z2 at the
この結果、酸素欠乏であると判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を酸素欠乏と診断する（Ｓ５３０）。なお、酸素欠乏と判定された場合、カソード電極１００ｃ側に生成水が溜っていることが原因と考えられるので、空気調圧弁２３の開度を増大させてカソード側に溜まった生成水を燃料電池１の内部から排出することで、酸素欠乏を解消することが可能となる。
As a result, when it is determined that there is an oxygen deficiency, the current state of the
以上説明した本実施形態では、水素欠乏については、診断対象となる単位セル１０における水素濃度の変化に強い相関性を持つ第１の局所部位のインピーダンスＺ１に基づいて診断し、酸素欠乏については、診断対象となる単位セル１０における空気中の酸素濃度の変化に強い相関性を持つ第２の局所部位のインピーダンスＺ２に基づいて診断するので、水素欠乏と酸素欠乏とを区別して燃料電池の状態を診断することが可能となる。
In the present embodiment described above, the hydrogen deficiency is diagnosed based on the impedance Z1 of the first local portion having a strong correlation with the change in the hydrogen concentration in the
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, Unless it deviates from the range described in each claim, it is not limited to the wording of each claim, and those skilled in the art Improvements based on the knowledge that a person skilled in the art normally has can be added as appropriate to the extent that they can be easily replaced. For example, various modifications are possible as follows.
（１）上述の実施形態では、演算処理部５３で算出した水素出口部１０３ｂ付近のインピーダンスＺ１、および空気出口部１０４ｂ付近のインピーダンスＺ２と予め記憶手段６１にて記憶された各基準値Ｚｒｅｆ１、Ｚｒｅｆ２とを比較照合して、水素欠乏や酸素欠乏を診断しているが、これに限定されない。例えば、予め記憶手段６１にインピーダンスＺＺ１、Ｚ２と水素濃度および空気濃度との対応関係を定めた制御マップを記憶しておき、演算処理部５３で算出したインピーダンスＺ１、Ｚ２に基づいて当該制御マップを参照して水素欠乏や酸素欠乏を診断するようにしてもよい。
(1) In the above-described embodiment, the impedance Z1 in the vicinity of the
（２）上述の実施形態では、診断対象セル１０の各局所部位におけるインピーダンスの大きさに基づいて、水素欠乏や酸素欠乏を診断する例について説明したが、これに限定されず、例えば、インピーダンスにおける位相差、位相差や大きさと局所電流検出部４にて検出した電流値との組み合わせにより照合するようにしてもよい。
(2) In the above-described embodiment, an example of diagnosing hydrogen deficiency or oxygen deficiency based on the magnitude of impedance in each local region of the
（３）上述の実施形態では、演算処理部５３にて算出したインピーダンスＺ１、Ｚ２を用いて水素欠乏および酸素欠乏を診断しているが、演算処理部５３にて算出したインピーダンスＺ１、Ｚ２を用いて水素濃度、酸素濃度を推定してもよい。
(3) In the above-described embodiment, hydrogen deficiency and oxygen deficiency are diagnosed using the impedances Z1 and Z2 calculated by the
（４）上述の実施形態では、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を一定としているが、これに限定されず、例えば、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を可変させ、変化させた周波数毎に燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。
(4) In the above-described embodiment, the frequency of the alternating current applied by the alternating
（５）上述の実施形態では、交流印加部５１にて診断対象セル１０に対して複数の周波数を合成した合成波を有する交流電流を印加する構成としているが、これに限定されず、例えば、単一周波数の正弦波や矩形波やインパルス波、または、これらの合成波を有する交流電流を印加する構成としてもよい。
(5) In the above-described embodiment, the alternating
（６）上述の実施形態では、交流印加部５１にて診断対象セル１０に対して交流電流を印加する構成としているが、これに限定されず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて診断対象セル１０に対して交流電流を印加する構成としてもよい。これにより、燃料電池１の状態を診断する構成の部品点数の低減を図ることができる。
(6) In the above-described embodiment, the alternating
（７）上述の実施形態では、信号処理装置５および制御装置６にて正常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態といった三種類の状態を診断する状態診断処理を行う例を説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１の単位セル１０の局所部位が乾燥するドライアップ、燃料電池１の単位セル１０へ過剰に水素が供給される水素供給過剰、燃料電池１の単位セル１０へ過剰に酸素（空気）が供給される酸素供給過剰等においても、インピーダンスが変化する。このため、予めドライアップ、水素供給過剰、酸素供給過剰等の状態におけるインピーダンスを記憶しておき、演算処理部５３にて算出したインピーダンスＺ１、Ｚ２と照合することで、ドライアップ、水素供給過剰、酸素供給過剰等の状態を診断するようにしてもよい。
(7) In the above-described embodiment, the example in which the state diagnosis process for diagnosing three kinds of states such as the normal state, the hydrogen deficient state, and the oxygen deficient state is performed by the
（８）上述の実施形態では、局所電流検出部４および電圧センサ５２からの出力信号を信号処理装置５の演算処理部５３にて演算する例を説明したが、これに限定されず、例えば、演算処理部５３にて行う処理を、制御装置６にて行うようにしてもよい。
(8) In the above-described embodiment, the example in which the output signals from the local
（９）上述の実施形態では、燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する例を説明したが、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。
(9) In the above-described embodiment, the example of diagnosing the state of the
１ 燃料電池
１０ 単位セル
１０３ａ 水素入口部（燃料ガス入口部）
１０３ｂ 水素出口部（燃料ガス出口部）
１０４ａ 空気入口部（酸化剤ガス入口部）
１０４ｂ 空気出口部（酸化剤ガス出口部）
４ 局所電流検出部（局所電流検出手段）
５１ 交流印加部（交流電流印加手段）
５２ 電圧センサ（電圧検出手段）
５３ 演算処理部（インピーダンス算出手段）
６２ 診断手段
1
103b Hydrogen outlet (fuel gas outlet)
104a Air inlet (oxidant gas inlet)
104b Air outlet (oxidant gas outlet)
4 Local current detector (local current detector)
51 AC application section (AC current application means)
52 Voltage sensor (voltage detection means)
53 Arithmetic processing part (impedance calculation means)
62 Diagnostic means
Claims (2)
前記燃料電池（１）に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加手段（５１）と、
診断対象となる前記単位セル（１０）のセル電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、
前記診断対象となる単位セル（１０）における前記酸化剤ガスのガス濃度が高く、かつ、前記燃料ガスのガス濃度が低くなり易い第１の局所部位、および前記燃料ガスのガス濃度が高く、かつ、前記酸化剤ガスのガス濃度が低くなり易い第２の局所部位を流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４）と、
前記電圧検出手段（５２）の検出値、および前記局所電流検出手段（４）の検出値に基づいて、前記診断対象となる単位セル（１０）の前記第１の局所部位および前記第２の局所部位におけるインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（５３）と、
前記インピーダンス算出手段（５３）にて算出されたインピーダンスに基づいて前記燃料電池の状態を診断する診断手段（６２）と、を備え、
前記診断手段（６２）は、前記第１の局所部位におけるインピーダンスに基づいて前記燃料ガスが欠乏した状態であるか否かを判定し、前記第２の局所部位におけるインピーダンスに基づいて前記酸化剤ガスが欠乏した状態であるか否かを判定し、
さらに、前記複数の単位セル（１０）それぞれには、前記燃料ガスが流入する燃料ガス入口部（１０３ａ）、前記燃料ガスが流出する燃料ガス出口部（１０３ｂ）、前記酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口部（１０４ａ）、および前記酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）が形成され、
前記燃料ガス入口部（１０３ａ）と前記燃料ガス出口部（１０３ｂ）との間には、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成され、
前記酸化剤ガス入口部（１０４ａ）と前記酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）との間には、前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成され、
前記燃料ガス流路における前記燃料ガス入口部（１０３ａ）よりも前記燃料ガス出口部（１０３ｂ）に近い部位は、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）よりも前記酸化剤ガス入口部（１０４ａ）に近い部位に対応する位置に形成され、
前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガス入口部（１０４ａ）よりも前記酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）に近い部位は、前記燃料ガス流路における前記燃料ガス出口部（１０３ｂ）よりも前記燃料ガス入口部（１０３ａ）に近い部位に対応する位置に形成され、
前記第１の局所部位は、前記診断対象となる単位セル（１０）における前記燃料ガス入口部（１０３ａ）よりも前記燃料ガス出口部（１０３ｂ）側の部位であり、
前記第２の局所部位は、前記診断対象となる単位セル（１０）における前記酸化剤ガス入口部（１０４ａ）よりも前記酸化剤ガス出口部（１０４ｂ）側の部位であることを特徴とする燃料電池状態診断装置。 Diagnosing the state of the fuel cell (1) in which a plurality of unit cells (10) for generating electric energy by electrochemical reaction of an oxidant gas mainly containing oxygen and a fuel gas mainly containing hydrogen are stacked. A fuel cell condition diagnosis device,
AC current application means (51) for applying an AC current having a predetermined waveform to the fuel cell (1);
Voltage detection means (52) for detecting a cell voltage of the unit cell (10) to be diagnosed;
A gas concentration of the oxidant gas in the unit cell (10) to be diagnosed is high and a gas concentration of the fuel gas is likely to be low; a gas concentration of the fuel gas is high; and , A local current detection means (4) for detecting a local current flowing through the second local portion where the gas concentration of the oxidant gas tends to be low;
Based on the detection value of the voltage detection means (52) and the detection value of the local current detection means (4), the first local part and the second local part of the unit cell (10) to be diagnosed Impedance calculation means (53) for calculating impedance at the site;
Diagnostic means (62) for diagnosing the state of the fuel cell based on the impedance calculated by the impedance calculation means (53),
The diagnostic means (62) determines whether or not the fuel gas is in a deficient state based on the impedance at the first local site, and the oxidant gas based on the impedance at the second local site. There it is determined whether the state of being deficient,
Further, each of the plurality of unit cells (10) has a fuel gas inlet portion (103a) into which the fuel gas flows, a fuel gas outlet portion (103b) from which the fuel gas flows out, and an oxidant into which the oxidant gas flows. An oxidizing gas inlet (104a) and an oxidizing gas outlet (104b) through which the oxidizing gas flows out are formed,
Between the fuel gas inlet part (103a) and the fuel gas outlet part (103b), a fuel gas flow path through which the fuel gas flows is formed,
Between the oxidant gas inlet part (104a) and the oxidant gas outlet part (104b), an oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows is formed,
The portion closer to the fuel gas outlet (103b) than the fuel gas inlet (103a) in the fuel gas flow path is located closer to the oxidant than the oxidant gas outlet (104b) in the oxidant gas flow path. Formed at a position corresponding to a portion near the gas inlet (104a),
A portion closer to the oxidant gas outlet (104b) than the oxidant gas inlet (104a) in the oxidant gas flow path is located closer to the fuel than the fuel gas outlet (103b) in the fuel gas flow path. Formed at a position corresponding to a portion near the gas inlet (103a),
The first local site is a site closer to the fuel gas outlet (103b) than the fuel gas inlet (103a) in the unit cell (10) to be diagnosed,
The fuel is characterized in that the second local portion is a portion closer to the oxidant gas outlet (104b) than the oxidant gas inlet (104a) in the unit cell (10) to be diagnosed. Battery condition diagnostic device.
前記第１の局所部位におけるインピーダンスが予め定めた第１基準値を上回った場合に前記燃料ガスが欠乏した状態であると判定し、
前記第２の局所部位におけるインピーダンスが予め定めた第２基準値を上回った場合に前記酸化剤ガスが欠乏した状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池状態診断装置。 The diagnostic means (62)
Determining that the fuel gas is in a deficient state when the impedance at the first local site exceeds a predetermined first reference value;
Fuel cell condition diagnosis apparatus according to claim 1, wherein determining that the oxidant gas if it exceeds the second reference value impedance is predetermined in the second local region is in a state of deficient .
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