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KR100985164B1 - 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 운전방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 운전방법 Download PDF

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KR100985164B1
KR100985164B1 KR1020087006505A KR20087006505A KR100985164B1 KR 100985164 B1 KR100985164 B1 KR 100985164B1 KR 1020087006505 A KR1020087006505 A KR 1020087006505A KR 20087006505 A KR20087006505 A KR 20087006505A KR 100985164 B1 KR100985164 B1 KR 100985164B1
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야스시 아라키
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

고체 고분자형의 연료전지(20)를 구비하는 연료전지 시스템(10)은, 연료전지(20)에 대하여 일정한 주파수 및 진폭으로 교류전류를 인가하는 교류전류 발생부(52)와, 연료전지(20)를 구성하는 특정한 단셀에서의 출력전압으로부터 교류전류에 기인하는 교류성분을 분리하여, 경시적으로 교류성분의 전압값을 취득하는 교류전압 취득부[필터부(71), A/D 변환기(72) 및 제어부(54)]와, 연료전지(20)가 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하는 습윤상태 판정부[제어부(54)]와, 습윤상태 판정부에서, 연료전지(20)가 습윤 경향에 있다고 판정되었을 때에, 경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압값의 불균일의 크기를 나타내는 통계값을 구하고, 상기 불균일의 크기를 나타내는 통계값이 기준값을 넘을 경우에, 연료전지(20)가 습윤 과잉이라고 판정하는 습윤 과잉 판정부[제어부(54)]를 구비한다.

Description

연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 운전방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL CELL SYSTEM OPERATING METHOD}
본 발명은, 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
고체 고분자형 연료전지는, 습윤상태에 있을 때에 프로톤 전도성을 나타내는 고체고분자막을 전해질층으로서 사용하기 때문에, 발전상태를 양호하게 유지하기 위해서는, 고체고분자막을 충분한 습윤상태로 유지하는 것이 중요해진다. 또, 이러한 연료전지에서는, 발전에 따라 캐소드에서 물이 생기나, 물의 생성이 과잉이 될 때나 생성물의 배수가 막힐 때에는, 이른바 플로딩이라 불리우는 상태가 되어, 캐소드 촉매에 대한 가스공급이 불충분하게 되는 경우가 있다. 그 때문에, 종래부터, 전해질층이나 촉매 및 그 주변에서 함유되는 수분량을 적절하게 유지하기 위한 제어가 행하여져 왔다. 이러한 수분량의 제어를 행하기 위해, 전해질층에서의 가습상태를 판정하는 방법으로서, 연료전지를 구성하는 단셀의 출력전압의 불균일에 의거하는 방법이 알려져 있다. 즉, 출력전압의 불균일이 클 때에, 전해질층에서의 수분량이 과잉으로 되어 있다고 판정할 수 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 출력전압의 불균일이 큰 것이 검출되었을 때에는, 고체고분자막에서의 수분 과잉상태가 이미 진행되고 있고, 발전효율이 저하하기 시작한 상태로 되어 있다. 수분 과잉상태가 검출되었을 때에는, 가스 유량이나 가습량, 또는 가스압을 조절함으로써 수분 과잉상태의 해소가 도모되나, 연료전지의 발전상태를 양호하게 유지하기 위해서는, 더욱 빨리, 수분 과잉상태를 검지 가능하게 하는 것이 요망되고 있었다.
본 발명은, 상기한 종래의 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 연료전지 내부에서의 수분 과잉상태를, 더욱 빨리 검지하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 고체 고분자형 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템을 제공한다. 본 발명에 관한 연료전지 시스템은, 상기 연료전지에 대하여 일정한 주파수 및 진폭으로 교류전기 성분을 인가하는 교류성분 발생부와, 상기 연료전지를 구성하는 소정의 단셀에서의 출력전압으로부터 상기 교류전기 성분에 기인하는 교류성분을 분리하여, 경시적으로 상기 교류성분의 전압값을 취득하는 교류전압 취득부와, 상기 연료전지가 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하는 습윤상태 판정부와, 상기 습윤상태 판정부에서, 상기 연료전지가 상기 습윤경향에 있다고 판정되었을 때에, 상기 연료전지가 습윤 과잉인지의 여부를 판정하는 습윤 과잉 판정부를 구비한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지가 습윤경향에 있다고 판정되었을 때에, 연료전지가 습윤 과잉이라고 판정하기 때문에, 더욱 빨리, 연료전지가 습윤 과잉이라는 판정을 행할 수 있다.
본 발명은, 상기 이외의 여러가지 형태로 실현 가능하고, 예를 들면, 연료전지 시스템에서의 습윤 과잉 판정방법이나, 연료전지 시스템을 탑재하는 이동체 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1은 실시예의 연료전지 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 단셀을 나타내는 단면 모식도,
도 3은 연료전지에서의 전압의 경시 변화를 나타내는 설명도,
도 4는 플로딩 판정처리 루틴을 나타내는 플로우차트,
도 5는 연료전지 내부를 플로딩이 일어나기 쉬운 상태로 점차 변화시켜, 전압값을 측정함과 동시에 저항값을 산출한 결과를 나타내는 설명도,
도 6은 변형예의 플로딩 판정처리 루틴을 나타내는 플로우차트,
도 7은 변형예의 플로딩 판정처리 루틴을 나타내는 플로우차트,
도 8은 소정수의 평균 저항값에 대하여, 값의 도수 분포를 조사한 결과를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 실시예에 의거하여 도면을 참조하면서 설명한다.
A. 시스템의 전체구성 :
도 1은, 본 발명의 실시예인 연료전지 시스템(10)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 연료전지 시스템(10)은, 연료전지(20)와, 연료가스 공급부(30)와, 산 화가스 공급부(40)를 구비하고 있다. 또, 연료전지 시스템(10)은, 상기 연료전지(20)에서의 습윤상태를 판정하기 위하여, 전압 검출부(50)와 교류전류 발생부(52)와 제어부(54)를 구비하고 있다.
연료전지(20)는, 고체 고분자형 연료전지이다. 도 2는, 연료전지(20)의 구성 단위인 단셀(21)을 나타내는 단면 모식도이다. 단셀(21)은, 전해질막(22), 애노드 전극(23), 캐소드 전극(24), 가스 확산층(25, 26), 세퍼레이터(27, 28)에 의해 구성되어 있다.
전해질막(22)은, 고체고분자 재료, 예를 들면 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막으로, 습윤상태에서 양호한 도전성을 나타낸다. 애노드 전극(23) 및 캐소드 전극(24)은, 전해질막(22)상에 형성된 층으로, 전기화학반응을 진행하는 촉매금속(예를 들면 백금)과, 프로톤 전도성을 가지는 전해질과, 전자전도성을 가지는 카본입자를 구비하고 있다. 가스확산층(25, 26)은, 가스투과성 및 전자전도성을 가지는 부재에 의하여 구성되어 있고, 예를 들면, 발포금속이나 금속 메시 등의 금속제 부재나, 카본천(carbon cloth)이나 카본지(carbon paper) 등의 카본제 부재에 의해 형성할 수 있다. 세퍼레이터(27, 28)는 가스 불투과의 도전성 부재에 의해 형성되어 있고, 예를 들면, 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본 등의 카본제 부재나, 프레스 성형한 스테인리스강 등의 금속 부재에 의해 형성할 수 있다.
세퍼레이터(27, 28)는, 그 표면에, 단셀(21) 내의 가스 유로를 형성하기 위한 요철 형상을 가지고 있다. 세퍼레이터(27)는, 가스확산층(25)과의 사이에, 수소 를 함유하는 연료가스가 통과하는 단셀 내 연료가스유로(27a)를 형성한다. 또, 세퍼레이터(28)는, 가스확산층(26)과의 사이에, 산소를 함유하는 산화가스가 통과하는 단셀 내 산화가스유로(28a)를 형성한다. 또한, 단셀(21)의 바깥 둘레부에는, 단셀(21)의 적층방향과 평행하고 연료가스 또는 산화가스가 유통하는 복수의 가스 매니폴드가 설치되어 있다(도시 생략). 이들 복수의 가스 매니폴드 중 연료가스공급 매니폴드를 흐르는 연료가스는, 각 단셀(21)에 분배되고, 전기화학반응에 공급되면서 각 단셀 내 연료가스유로(27a) 내를 통과하고, 그 후, 연료가스 배출 매니폴드에 집합한다. 마찬가지로, 산화가스 공급 매니폴드를 흐르는 산화가스는, 각 단셀(21)에 분배되고, 전기화학반응에 공급되면서 각 단셀 내 산화가스유로(28a) 내를 통과하고, 그 후, 산화가스 배출 매니폴드에 집합한다.
연료전지(20)는, 이러한 단셀(21)이 복수 적층된 스택구조를 가지고 있다. 또한, 연료전지(20)에는, 스택구조의 내부 온도를 조절하기 위하여, 각 단셀 사이에, 또는 소정수의 단셀을 적층할 때마다, 냉매가 통과하는 냉매 유로가 더 설치되어 있다(도시 생략). 냉매 유로는, 예를 들면, 인접하는 단셀 사이에서, 한쪽의 단셀이 구비하는 세퍼레이터(27)와, 다른쪽 단셀이 구비하는 세퍼레이터(28)와의 사이에 설치할 수 있다.
연료전지(20)는, 스택구조의 양끝에, 또한 집전판(60, 61)을 구비하고 있다. 집전판(60, 61)에는, 각각 배선(62) 또는 배선(63)이 접속되어 있고, 배선(62, 63)을 거쳐 연료전지(20)로부터 부하(64)에 대해 전력이 공급된다. 또, 집전판(60, 61)에는 각각 배선(65) 또는 배선(66)이 더 접속되어 있고, 이 배선(65, 66)은, 교 류전류 발생부(52)에 접속되어 있다. 교류전류 발생부(52)는, 일정한 주파수 및 진폭을 나타내는 교류전류를 발생하는 장치로서, 이 교류전류 발생부(52)에 의해, 연료전지(20)의 집전판(60, 61) 사이에 미약한 고주파 교류전류가 인가된다. 교류전류 발생부(52)에 의한 교류전류의 인가는, 연료전지(20)를 구성하는 단셀(21)에서의 저항값(임피던스)을 얻기 위한 동작으로, 뒤에 자세하게 설명한다.
또, 본 실시예의 연료전지(20)에서는, 스택구조를 구성하는 단셀(21) 내의 특정한 하나의 단셀에 대하여, 전압검출부(50)가 설치되어 있다. 전압검출부(50)는, 전압센서(70)와, 필터부(71)와, A/D 변환기(72)를 구비하고 있다. 상기 특정한 단셀에는, 배선(73, 74)을 거쳐 전압센서(70)가 접속되어 있고, 상기 단셀에서의 출력전압을 측정 가능하게 되어 있다. 또, 배선(73, 74)에는, 전압의 직류성분을 제거하여 교류성분을 얻기 위한 필터부(71)와, 필터부(71)에 의해 분리된 전압의 교류성분에 관한 신호를 디지털화하는 A/D 변환기(72)가 더 접속되어 있다. 또한, 상기 전압검출부(50)는, 뒤에 설명하는 바와 같이, 특정한 단셀의 전압을 검출함으로써, 이 특정한 단셀에서의 습윤상태를 판정하기 위해 설치하는 것이다. 따라서, 전압검출부(50)를 설치하는 특정한 단셀은, 스택구조 전체 중, 플로딩이 더욱 일어나기 쉽다고 예상되는 단셀, 예를 들면, 스택구조의 단부(端部)에 위치하여 온도가 비교적 낮아지기 쉬운 단셀로 하는 것이 바람직하다.
전압센서(70)에 의해 측정되는 전압은, 연료전지(20)가 발전함으로써 생기는 출력전압과, 교류전류 발생부(52)에 의해 인가되는 교류전류에 기인하여 발생하는 전압과의 합으로서 얻어진다. 도 3은, 연료전지(20)의 특정한 단셀에서의 전압의 모양을 나타내는 설명도이다. 도 3(A)는, 연료전지(20)가 발전함으로써 생기는 출력전압이 일정한 값을 취하는 경우, 즉 연료전지(20)로부터의 출력전압이 직류전압인 경우에서의 출력전압의 경시 변화를 나타낸다. 도 3(B)는, 교류전류 발생부(52)에 의해 인가되는 교류전류에 기인하여 발생하는 전압, 즉, 교류전압의 경시 변화를 나타낸다. 도 3(C)는, 전압센서(70)에서 검출되는 전압의 경시 변화를 나타낸다. 전압센서(70)에서는, 도 3(A)에 나타내는 직류전압에, 도 3(B)에 나타내는 교류전압이 중첩된 전압이 검출된다. 연료전지(20)의 출력전압은, 실제로는, 부하변동이나 연료전지(20)의 온도에 의해 시간과 함께 변동하나, 필터부(71)를 경유하여 A/D 변환기(72)로부터 신호를 얻음으로써, 도 3(C)에 나타내는 전압으로부터 도 3(A)에 나타내는 전압(직류성분)을 제거하여, 도 3(B)에 나타내는 전압(교류성분)을 취득할 수 있다. 뒤에 설명하는 바와 같이, 교류전류 발생부(52)에 의한 교류전류의 인가는, 전압의 교류성분에 의거하여 단셀에서의 습윤상태를 판정하기 위한 것이므로, 인가하는 교류전류의 진폭 및 주파수는, 교류전압의 판독의 정밀도나, 단셀의 저항값의 크기 등에 따라, 적절하게 설정하면 된다.
또한, 교류전류 발생부(52) 대신 교류전압 발생부를 구비하고, 연료전지(20)의 집전판(60, 61)에는 교류전류 대신 교류전압이 인가되어도 좋다. 이 경우에는, 특정한 단셀에 대해 전류센서가 접속되고, 연료전지(20)가 발전함으로써 생기는 전류와 교류전압 발생부에 의해 인가되는 교류전압에 기인하여 발생하는 전류와의 합을 사용하여 단셀에서의 습윤상태가 판정된다.
연료가스 공급부(30)는, 연료가스 공급원(32)과 연료가스용 배관(34)을 가지 고 있고, 연료전지(20) 내에 형성되는 단셀 내 연료가스유로(27a)에, 수소를 함유하는 연료가스를 공급한다. 본 실시예에서는, 연료가스로서 수소가스를 사용하고 있고, 연료가스 공급원(32)으로서는, 수소 봄베를 사용하는 것으로 하였다. 또는, 수소흡장 합금을 구비하고, 이 수소흡장 합금에 수소를 흡장시킴으로써 수소를 저장하는 수소 탱크를 사용하는 것으로 하여도 좋다. 또, 연료가스로서 개질 가스를 사용하는 것으로서, 연료가스 공급원(32)은, 탄화수소 등의 연료로부터 수소가 농후한 개질 가스를 생성하는 장치로 하여도 좋다. 또한, 연료가스용 배관(34)에는, 연료가스 공급원(32)으로부터 공급되는 연료가스의 압력을 조절하는 압력조정밸브(33)나, 압력센서(35)가 또한 설치되어 있다.
산화가스 공급부(40)는, 블로워(42)와 산화가스용 배관(44)을 가지고 있고, 연료전지(20) 내에 형성되는 단셀 내 산화가스유로(28a)에, 산화가스로서 공기를 공급한다.
제어부(54)는, 마이크로컴퓨터를 중심으로 한 논리회로로서 구성되고, 자세하게는, 미리 설정된 제어프로그램에 따라 소정의 연산 등을 실행하는 CPU(55)와, CPU(55)에서 각종 연산처리를 실행하는 데 필요한 제어프로그램이나 제어데이터 등이 미리 저장된 R0M(56)과, 마찬가지로 CPU(55)에서 각종 연산처리를 하기 위하여 필요한 각종 데이터가 일시적으로 저장되는 RAM(57)과, 각종 신호를 입출력하는 입출력 포트(58) 등을 구비한다. 이 제어부(54)는, 이미 설명한 셀 전압센서(70)에 의한 검출신호나, A/D 변환기(72)를 거쳐 신호를 취득한다. 또, 제어부(54)는, 연료전지(20)에서의 습윤상태를 판정하기 위한 기능을 하는 각 기능부[예를 들면, 교 류전류 발생부(52)]나, 연료전지(20)의 발전에 관련되는 기능을 하는 각 기능부[예를 들면, 블로워(42)나 압력조정밸브(33)] 등에 구동신호를 출력한다.
B. 플로딩 판정 :
도 4는, 연료전지(20)의 내부에서의 습윤상태, 더욱 구체적으로는, 연료전지(20) 내부가 플로딩를 일으키는 상태인지의 여부를 판정하기 위해 실행되는 플로딩 판정처리 루틴을 나타내는 플로우차트이다. 본 루틴은, 연료전지(20)의 발전 중에, 발전을 위한 통상의 처리[예를 들면, 연료가스나 산화가스의 공급조건의 제어나, 연료전지(20)의 온도제어]와 병행하여, 제어부(54)의 CPU(55)에서 소정의 시간 간격으로 실행된다.
본 루틴이 실행되면, CPU(55)는, 전압검출부(50)로부터, 전압검출부(50)가 설치된 단셀에서의 전압의 교류성분을 취득한다(단계 S100). 즉, 제어부(54)는, 필터부(71) 및 A/D 변환기(72)와 함께, 경시적으로 교류성분의 전압값을 취득하는 교류전압 취득부로서 기능한다. 구체적으로는, 필터부(71) 및 A/D 변환기(72)에 의해, 연료전지(20)를 구성하는 특정한 단셀에서의 출력전압으로부터 교류전류에 기인하는 교류성분을 분리하고, 제어부(54)에 의해 분리한 교류성분의 전압값을 취득한다. 여기서, 교류성분의 전압값(교류전압의 진폭)의 검출은, 제어부(54)에서, A/D 변환기(72)로부터 계속적으로 보내는 신호에 의거하여 항상 행하여지고 있다. 제어부(54)에서는, 계속적으로 검출하고 있는 전압값을 소정의 메모리에 기억함과 동시에, 새로운 검출값을 얻을 때마다, 메모리에 기억하는 전압값의 재기록을 행하여, 항상 최신의 검출값을 유지하고 있다. 단계 S100에서는, CPU(55)는, 소정의 시 간 간격으로, 상기 메모리에 기억되는 최신 전압값을 취득하여, 이하의 처리에서 사용하기 위한 전압값으로 하고 있다. 상기 소정의 시간 간격은, 뒤에 설명하는 플로딩에 기인하는 전압 변동을 파악할 수 있도록 충분히 짧은 타이밍으로 할 필요가 있으나, 취득한 전압값에 대하여 실시하는 뒤에 설명하는 통계처리의 조건에 따라 임의로 설정할 수 있다.
그 후, CPU(55)는, 취득한 전압값을, 교류전류 발생부(52)에 의해 인가된 전류값으로 나눔으로써, 교류성분의 전압값을 취득한 타이밍에 대응하여, 단셀에서의 저항값을 산출한다(단계 S110). 이와 같이, 본 실시예에서는, 고주파의 교류파를 사용하고 있으나, 전압값으로서는 교류전압의 진폭만을 취급하고, 이 진폭과 전류값과의 관계로부터 저항값을 산출하고 있다.
저항값을 산출하면, 다음에 CPU(55)는, 경시적으로 산출하고 있는 상기 저항값에 대하여, 평균화 처리를 실시한다(단계 S120). 이 평균화처리로서는, 예를 들면, 취득한 최신 전압값으로부터 과거로 거슬러 올라가 얻어지는 소정수(예를 들면 i개)의 전압값에 의거하여 산출되는 각각의 저항값을 평균한 값으로 할 수 있다. 즉, 이 경우에는, 본 루틴을 기동하여 반복 실행할 때에, 기동후 n회째의 실행시의 단계 S120에서는, (n-i+1)회째의 실행시부터 상기 n회째의 실행시까지 산출된 각각의 저항값의 평균값을 구하게 된다. 이렇게 하여, 단계 S120에서는, 단계 S110에서 새롭게 저항값을 산출할 때마다, 평균값을 산출하는 대상으로 하는 저항값을 하나씩 어긋나게 하여, 저항값의 평균값의 산출을 행한다. 이하, 본 루틴을 기동후 n회째의 실행시에 단계 S120에서 산출된 저항값의 평균값(이하, 평균 저항값이라 한 다)을, R(n)로 나타낸다. 단계 S120에서 행하는 평균화 처리는, 저항값을 산출하는 기준이 되는 전압값의 검출값에서의 노이즈를 제거하여, 현재의 저항값의 전체적인 경향을 파악하기 위해 행하는 것이다. 따라서, 평균화 처리를 위해 사용하는 저항값의 샘플수(상기 설명에서는 i개로 하였다)는, 상기 목적을 이룰 수 있는 범위에서 적절하게 설정할 수 있다.
그 후, CPU(55)는, 단계 S120에서 산출한 평균 저항값의 최신값[R(n)]과, 기준값(A)을 비교한다(단계 S130). 이 단계 S130에서 판단에 사용하는 기준값(A)은, 평균 저항값이 이 값 이상이 된 경우에는, 단셀이 습윤 경향에 있다는 판단을 하기 위한 값으로서, 미리 설정하여 제어부(54) 내에 기억시킨 값이다. 즉, 단계 S130은, 전압을 측정한 단셀이 습윤 경향(플로딩을 일으키키 쉬운 상태)에 있는지의 여부를 판정하는 것으로, 이 때 제어부(54)는, 연료전지(20)가 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하는 습윤상태 판정부로서 기능한다.
여기서, 단셀에서의 저항으로서는, 단셀을 구성하는 각 부재[전해질막(22), 애노드 전극(23), 캐소드 전극(24), 가스확산층(25, 26), 세퍼레이터(27, 28)]사이의 접촉 저항과, 상기 각 부재에서의 내부 저항, 특히, 전해질막(22)에서의 막 저항과, 세퍼레이터(27, 28)에서의 저항을 들 수 있다. 그 중에서, 연료전지의 운전상태(예를 들면 가스 유량, 가습량, 가스 압력, 온도)에 의해 유의하게 변동하는 저항은 막 저항이므로, 발전 중의 저항값의 크기에 의거하여, 전해질막(22)의 습윤상태, 나아가서는 단셀 내의 습윤상태를 알 수 있다. 일반적으로, 전해질막(22)이 충분한 습윤상태에 있는 경우에는, 막 저항 및 단셀 전체의 저항값은 더욱 작아진 다. 이에 대하여, 전해질막(22)에서의 수분이 부족한 상태인 경우에는, 막 저항 및 단셀 전체의 저항값은 더욱 커진다. 따라서, 단계 S130에서는, 평균화 처리를 실시하여 노이즈를 제거한 평균 저항값[R(n)]과 기준값을 비교함으로써, 현재 저항값의 전체적인 경향에 의거하여, 단셀이 습윤 경향에 있는지의 여부를 판단할 수 있다.
단계 S130에서, 평균 저항값[R(n)]이 기준값(A) 미만인 경우에는, 단셀이 습윤 경향에 있다고 판단되므로, 다음에 CPU(55)는, 평균 저항값의 표준편차를 구한다(단계 S140). 이 표준편차의 값은, 산출한 최신의 평균 저항값[R(n)]으로부터 경시적으로 거슬러 올라가 얻어지는 소정수(예를 들면 j개)의 평균 저항값에 의거하여 산출되는 표준편차이다. 즉, R(n-j+1)에서 R(n)까지의 값의 표준편차가 산출된다. 이렇게 하여, 단계 S140에서는, 단계 S140를 실행할 때마다, 표준편차를 산출하는 대상으로 하는 평균 저항값의 범위를 하나씩 최신의 값을 포함하도록 어긋나게 하여, 평균 저항값의 표준편차의 산출을 행한다. 이하, 본 루틴을 기동후 n회째의 실행시에 단계 S140에서 산출된 평균 저항값의 표준편차를, σR(n)로 나타낸다. 단계 S140에서 산출하는 평균 저항값의 표준편차는, 현시점에서의 평균 저항값의 불균일의 정도를 나타내는 것이면 되고, 표준편차를 산출하기 위해 사용하는 평균 저항값의 샘플수(상기 설명에서는 j개로 하였다)는, 적절하게 설정할 수 있다.
다음에, CPU(55)는, 단계 S140에서 산출한 표준편차[σR(n)]와 기준값(B)을 비교한다(단계 S150). 이 단계 S150에서 판단에 사용하는 기준값(B)은, 평균 저항값의 표준편차가 이 값 이상이 된 경우에는, 단셀에서의 발전 상태가 불안정해져 있다고 판단하기 위해, 미리 설정하여 제어부(54) 내에 기억시킨 값이다. 이 기준 값(B)은, 상기 평균 저항값의 샘플수(j)나, 평균화처리를 위해 사용하는 저항값의 샘플수(i)나, 단계 S100에서 전압값을 취득한 시간 간격에 따라, 적절하게 설정하면 된다.
단계 S150에서, 표준편차[σR(n)]가 기준값(B) 보다도 작을 때에는, CPU(55)는, 플로딩 회피처리 실행 플래그를 '0'으로 설정하여, 본 루틴을 종료한다(단계 S160). 또, 단계 S150에서, 표준편차[σR(n)]가 기준값(B) 이상일 때에는, CPU(55)는, 플로딩 회피처리 실행플래그를 '1'로 설정하여, 본 루틴을 종료한다(단계 S170).
이미 설명한 바와 같이, 연료전지의 저항값이 충분히 작을 때{본 실시예에서는, 단계 S130에서 평균 저항값[R(n)]이 기준값(A) 미만일 때}에는, 전해질막(22)은, 충분한 습윤상태에 있다고 판단할 수 있다. 본 실시예에서는, 이와 같이 전해질막(22)이 충분한 습윤상태에 있음과 동시에, 또한 저항값의 표준편차가 충분히 작고, 연료전지의 발전상태가 안정되어 있다고 생각되는 경우에는, 연료전지는 플로딩이 생기는 일 없이 양호하게 가스가 유통하는 상태라고 판정하고 있다. 이에 대하여, 전해질막(22)이 충분한 습윤상태에 있음과 동시에, 또한 저항값의 표준편차가 크고, 연료전지의 발전상태가 불안정하다고 생각하는 경우에는, 연료전지는 플로딩을 일으키는 습윤 과잉 상태라고 판정하고 있다. 즉, 단계 S130에서 연료전지(20)가 습윤 경향에 있다고 판정되었을 때에, 제어부(54)는, 저항값의 표준편차가 기준값을 넘을 경우에, 연료전지(20)가 습윤 과잉이라고 판정하는 습윤 과잉 판정부로서 기능한다.
연료전지 시스템(10)에서는, 이미 설명한 바와 같이, 제어부(54)에 의해, 연료전지 시스템(10)을 구성하는 각 부의 움직임이 제어되어 있다. 연료전지(20)가 발전을 행할 때에는, 제어부(54)는, 부하(64)에서의 부하 요구를 취득하여, 부하 요구에 따른 전력을 발전 가능해지도록, 연료전지(20)에 공급되는 연료가스 및 산화가스에 관한 조건, 예를 들면, 가스 공급량이나 가스압을 제어한다. 연료전지(20)의 발전 중에, 이미 설명한 단계 S170에서 플로딩 회피처리 실행 플래그가 '1'로 설정되면, 제어부(54)는, 상기 제어를 행할 때에, 부하 요구에 의거하여 정해지는 통상의 조건에 비해, 플로딩이 더욱 일어나기 어려운 조건이 되도록 제어를 변경한다. 가스의 수증기압이 포화 수증기압에 도달하고 있지 않은 경우에는, 가스의 총량이 많을수록 플로딩은 일어나기 어려워진다. 따라서, 제어부(54)는, 산화가스에 관해서는, 부하 요구에 의거하여 정해지는 통상의 조건에 비해 산화가스 유량 및 산화가스압이 커지도록, 블로워(42)를 제어한다. 또는, 연료가스에 관해서는, 부하 요구에 의거하여 정해지는 통상의 조건에 비해 연료가스 유량 및 연료가스압이 커지도록, 압력조정밸브(33)를 제어한다.
또한, 연료가스용 배관(34) 및/또는 산화가스용 배관(44)에서, 가스를 가습하기 위한 가습기가 설치되어 있는 경우에, 플로딩 회피처리 실행플래그가 '1'로 설정되었을 때에는, 가습기에 의한 가습량을 통상의 조건보다도 감소시키는 제어를 행하여도 좋다. 또, 플로딩 회피처리 실행플래그가 '1'로 설정되어 있을 때에는, 연료전지(20)의 내부 온도를 상승시키는 제어를 행하여도 좋다. 구체적으로는, 연료전지의 내부를 흐르는 냉매가 유통하는 냉매 유로가, 냉각팬을 병설한 라디에이 터를 경유하는 경우에는, 상기 냉각팬을 정지시켜, 연료전지(20)의 내부 온도를 상승시킬 수 있다. 또는, 입력된 부하 요구에 비해 부하(64)가 더욱 작아지도록, 부하(64)의 설정을 변경[예를 들면, 부하(64)가 전동기인 경우에는 구동량의 설정값을 감소]하여도 좋다. 이에 따라, 발전량이 감소하고, 생성되는 생성수량이 감소함으로써, 플로딩의 진행을 억제할 수 있다. 플로딩 회피처리 실행플래그가 '0'인 경우에는, 이러한 제어를 행하지 않고, 부하 요구에 의거하여 정해지는 통상의 조건이 되도록 제어를 행하면 된다.
또한, 단계 S130에서, 평균 저항값[R(n)]이 기준값(A) 이상이라고 판단될 때에는, 전해질막(22)에서의 수분이 부족한 상태로, 플로딩은 일어나기 어려운 상태라고 판단할 수 있다. 따라서, 이 경우에는, CPU(55)는, 단계 S160으로 이행하여 플로딩 회피처리 실행플래그를 '0'으로 설정하고, 본 루틴을 종료한다.
이상과 같이 구성된 본 실시예의 연료전지 시스템(10)에 의하면, 셀 저항 레벨이 낮고(평균 저항값이 기준값 미만이고), 전해질막(22)이 충분한 습윤상태에 있는 경우에 있어서, 평균 저항값의 불균일이 클 때에는, 연료전지는 플로딩을 일으키는 습윤 과잉 상태라고 판단하고 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 더욱 빨리 플로딩에 관한 판단을 행하여, 플로딩의 진행을 억제하는 적절한 조치를 취하는 것이 가능해진다.
도 5는, 실시예의 연료전지 시스템(10)에서, 연료전지(20)에 대한 가스공급의 조건을 변화시킴으로써, 연료전지의 내부 상태를 플로딩이 일어나기 쉬운 상태로 점차 변화시켜, 전압값을 측정함과 동시에 저항값을 산출한 결과를 나타내는 설 명도이다. 여기서는, 연료전지(20)에 대하여, 일정한 크기의 부하(64)를 접속함과 동시에, 애노드측에 대해서는, 부하(64)의 크기에 대하여 충분해지는 일정량의 연료가스를 공급하고 있다. 또, 캐소드에 공급하는 산화가스의 유량은, 소정의 시간마다 서서히 감소시키고 있다. 여기서, 사용한 산화가스에서의 수증기압은, 포화증기압보다도 낮은 값이다.
도 5(A) 및 도 5(B)에서의 그래프 1은, 연료전지(20)가 구비하는 특정한 단셀에서의 출력전압의 값[전압센서(70)에 의해 검출한 출력전압의 값]의 경시적인 변화를 나타내고 있다. 여기서, 전압센서(70)에 의해 검출되는 전압은, 연료전지(20)가 발전함으로써 생기는 직류의 출력전압과, 교류전류 발생부(52)에 의해 인가되는 교류전류에 기인하여 발생하는 교류전압과의 합이다. 그러나, 인가한 상류전류는, 부하에 대한 출력에 비해 매우 미약하므로, 그래프 1은, 거의, 부하(64)에 대한 출력전압을 나타낸다고 생각할 수 있다. 또한, 도 5(A) 및 도 5(B)에서의 그래프 1은, 1초마다 검출한 출력전압의 값을 나타내고 있다.
도 5(A)에서의 그래프 2는, 도 4의 단계 S100에서 취득한 교류성분의 전압값 에 의거하여, 단계 S110에서 산출한 셀 저항의 값을 나타낸다. 여기서는, 단계 S100에서 1초마다 교류성분의 전압값을 취득하고 있고, 그래프 2는, 상기 1초마다 취득한 전압값에서 산출한 1초마다의 저항값을 나타내고 있다. 또, 도 5(B)의 그래프 3은, 단계 S120에서 산출된 평균 저항값[R(n)]의 값을 나타낸다. 여기서는, 평균 저항값[R(n)]을 산출하기 위한 저항값의 샘플수(i)를 16개로 하였다. 또, 도 5(A) 및 도 5(B)에서는, 연료전지(20)에 공급하는 산화가스의 유량을 경시적으로 감소시킨 모양을 그래프 4로서 나타내고 있다.
포화 수증기압에 도달하고 있지 않은 산화가스의 유량을 점차 감소시키면, 산화가스 중에 기화하여 사라지는 생성수량이 감소하므로, 전해질막(22)에서의 수분량은 점차 증가한다. 이와 같이, 전해질막(22)에서의 수분량이 많아짐에 따라, 도 5(B)의 그래프 3에 나타내는 바와 같이 평균 저항값(R)의 값은 점차 작아진다. 그리고, 전해질막(22)에서의 수분량이 더욱 증가함에 따라, 전해질막(22)이 점차 수분 과잉 상태가 됨과 동시에, 연료전지(20) 내부에서는 플로딩이 일어나기 쉬운 상태가 되어, 평균 저항값(R)의 값은, 더욱 큰 불균일을 나타내게 된다. 여기서, 단계 S140에서 표준편차를 산출할 때에 사용하는 평균 저항값의 샘플수(j)나, 단계 S150에서 사용하는 기준값(B)의 값을 적절하게 설정함으로써, 플로딩을 일으키는 습윤 과잉 상태인지의 여부를 판정할 수 있다. 여기서는, 표준편차를 산출할 때에 사용하는 평균 저항값의 샘플수(j)를 60개로 하고 있고, 도 5(B)에 F1로 나타낸 범위에서, 플로딩를 일으키는 습윤 과잉 상태가 되었다고 판단할 수 있다.
상기와 같이 전해질막(22)이 수분 과잉 상태가 될 때에는, 단셀의 출력 전압의 값도 점차 큰 불균일을 나타내게 되고, 그 후 플로딩이 어느 정도 진행되면, 전압값은 크게 저하한다(그래프 1 참조). 따라서, 이러한 출력전압이 나타내는 불균일의 크기에 의거하여 플로딩를 판정하는 것도 가능하다. 그러나, 출력전압값의 불균일의 크기가 유의(有意)하게 커지는 것은, 이미 설명한 평균 저항값(R)의 불균일의 크기가 유의하게 커지는 시점보다도 느리다. 도 5(B)에 나타내는 바와 같이, 평균 저항값(R)의 불균일의 크기에 의거하는 경우에는, F1로 나타낸 범위에 대응하는 시점에서 습윤 과잉 상태라고 판정 가능한 것에 대해, 출력전압의 불균일의 크기에 의거하는 경우에는, F2로 나타낸 범위에 대응하는 시점에서, 비로소 습윤 과잉 상태라고 판정가능하게 된다.
이와 같이, 인가한 고주파의 교류전류에 기인하는 교류성분에 대하여, 평균 저항값의 불균일에 의거하여 연료전지 내부의 습윤상태를 판정함으로써, 부하에 대한 출력전압값에 의거하여 동일한 판정을 하는 경우에 비해, 더욱 빨리, 습윤 과잉 상태가 되었다고 판단할 수 있다. 이것은, 연료전지 내부에서 수분이 과잉 상태가 되기 시작하면, 출력전압이 저하할수록, 또는 출력전압의 불균일이 검출될수록 플로딩이 진행되기 전이라도, 전해질막(22)상의 한정된 미세한 영역에서, 전압의 변동이 생기기 때문이라고 생각된다. 전해질막(22)상의 한정된 미세한 영역에서의 전압의 변동이란, 전해질막(22)상의 한정된 미세한 영역에 생긴 수액(물이나 액체)에 기인하여, 부분적으로 가스 흐름의 상태가 악화되어 발전이 저해되는 것에 의하는 것을 말한다. 이와 같이, 생성된 수액에 기인하여 부분적으로 발전이 저해되면, 발전 저해 부위를 우회하는 전류의 움직임이 촉매를 구비하는 전극면 내에서 생김으로써 IR 손실이 발생함과 동시에, 저해되어 있지 않은 영역에서의 전류 집중에 의한 발전 효율의 악화가 일어나, 전압값이 변동하는 것으로 생각할 수 있다. 이러한 면 내에서의 국소적인 전류의 움직임에 기인하는 전압의 변동은, 부하에 대한 출력 전압 전체로부터 분리하는 것은 곤란하나, 본 실시예에서는, 연료전지(20)에 미약한 고주파의 교류전류를 인가하여, 전압의 교류성분만을 끄집어냄으로써, 상기한 한정된 미세한 영역에서의 전압 변동의 분리를 가능하게 하고 있다. 이에 따라, 연 료전지 전체의 발전량의 변동에 영향을 주지 않고, 실제로 플로딩이 진행하여 연료전지의 부하에 대한 출력전압이 변동/저하하는 것보다 빨리, 습윤 과잉 상태가 되었다고 판단할 수 있다.
C. 변형예 :
또한, 이 발명은 상기 실시예나 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않은 범위에서 여러가지 형태로 실시하는 것이 가능하고, 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능하다.
(1) 상기 실시예에서는, 셀 저항값을 산출(단계 S110)한 후에, 셀 저항값에 의거하는 단셀의 습윤 경향에 관한 판단(단계 S230)이나, 플로딩의 가능성에 관한 판단(단계 S150)에 앞서, 셀 저항값에 대하여 평균화처리(단계 S120)를 행하고 있다. 이 평균화 처리는, 전압값의 실측값으로부터 산출한 셀 저항값에서의 노이즈를 제거할 수 있으면 되고, 실시예에 나타낸 단순 평균을 구하는 것 이외의 처리를 행하여도 좋다. 단순 평균 대신, 예를 들면, 최신의 셀 저항값에 가중을 부여하는 가중 평균을 구하여도 좋다.
(2) 상기 실시예에서는, 단계 S130에서, 단셀이 플로딩를 일으키기 쉬운 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하기 위해, 평균 저항값(R)과 기준값(A)을 비교하고 있으나, 다른 방법에 의해 상기 판정을 행하여도 좋다. 전해질막(22)이 충분한 습윤상태로 되어 있고, 단셀에서의 저항값의 레벨이 낮은 것을 판정할 수 있으면 된다. 도 6은, 변형예로서의 플로딩 판정처리 루틴을 나타내는 플로우차트이다. 여기서는, 도 4와 공통되는 공정에 대해서는, 같은 공정번호를 붙여 설명을 생략한 다. 도 6에서는, 단계 S130 대신, 단계 S225 및 S230이 행하여진다. 단계 S225에서는, CPU(55)는, 평균 저항값(R)의 구간평균[Mean R(n)]을 산출한다. 구간평균[Mean R(n)]이란, 산출한 최신의 평균 저항값[(R(n)]으로부터 경시적으로 거슬러 올라가 얻어지는 소정수(예를 들면 j개)의 평균 저항값에 의거하여 산출되는 평균 저항값(R)의 평균값이다. 즉, Mean R(n)은, 이하의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Mean R(n) = (R(n) + R(n-1) + … + R(n-J + 1))/j
이렇게 하여, 단계 S225에서는, 단계 S225를 실행할 때마다, 평균값을 산출하는 대상으로 하는 평균 저항값의 범위를 하나씩 최신의 값을 포함하도록 어긋나게 하여, 평균 저항값의 구간평균[Mean R(n)]의 산출을 행한다. 단계 S225에서 산출하는 구간평균[Mean R(n)]은, 현시점에서의 평균 저항값의 레벨을 나타내고 있으면 되고, 평균값을 산출하기 위해 사용하는 평균 저항값의 샘플수(j)는, 적절하게 설정할 수 있다. 그 후, CPU(55)는, 단계 S130와 동일하게, 상기 구간평균[Mean R(n)]과 기준값(A)을 비교하여, 단셀이 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정한다(단계 S230). 이와 같이, 평균화처리를 행한 셀 저항값에 대한 구간평균[Mean R(n)]을 사용함으로써도, 저항값의 레벨에 의거하는 동일한 판정을 행할 수 있다.
또, 다른 변형예로서의 플로딩 판정처리 루틴을 나타내는 플로우차트를, 도 7에 나타낸다. 여기서는, 도 4와 공통되는 공정에 대해서는, 동일한 공정번호를 붙여 설명을 생략한다. 도 7에서는, 단계 S130 대신, 단계 S325 및 S330이 행하여진다. 단계 S325에서는, CPU(55)는, 평균 저항값(R)의 구간 최빈값[Mode R(n)]을 도 출한다. 구간 최빈값[Mode R(n)]이란, 산출한 최신의 평균 저항값[R(n)]으로부터 경시적으로 거슬러 올라가 얻어지는 소정수의 평균 저항값에 대하여, 값의 도수분포를 조사하여, 가장 빈도가 높은 수치로서 얻어지는 값이다.
도 8은, 평균 저항값[R(n)]으로부터 경시적으로 거슬러 올라가 얻어지는 소정수의 평균 저항값에 대하여, 값의 도수 분포를 조사한 결과를 나타내는 설명도이다. 평균 저항값을 취할 수 있는 수치범위를 복수의 범위로 분할하고, 상기 소정수의 평균 저항값에 대하여, 분할한 각각의 수치 범위에 속하는 평균 저항값의 수(도수)를 조사하여, 도수가 가장 높은 수치 범위의 중앙값을, 구간 최빈값[Mode R(n)]으로 하고 있다.
이렇게 하여, 단계 S325에서는, 단계 S325를 실행할 때마다, 최빈값을 구하는 대상으로 하는 평균 저항값의 범위를 하나씩 최신의 값을 포함하도록 어긋나게 하여, 평균 저항값의 구간 최빈값[Mode R(n)]을 얻고 있다. 단계 S325에서 구하는 구간 최빈값[Mode R(n)]은, 현시점에서의 평균 저항값의 레벨을 나타내고 있으면 되고, 최빈값을 산출하기 위해 사용하는 평균 저항값의 샘플수는, 적절하게 설정할 수 있다. 그 후, CPU(55)는, 단계 S130과 동일하게, 상기 구간 최빈값[Mode R(n)]과 기준값(A)을 비교하여, 단셀이 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정한다(단계 S330). 이와 같이, 평균화처리를 행한 셀 저항값에 대한 구간 최빈값[Mode R(n)]을 사용함으로써도, 저항값의 레벨에 의거하는 동일한 판정을 행할 수 있다.
또한, 단셀이 플로딩를 일으키기 쉬운 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하기 위한, 단계 S130에 대응하는 판단은, 셀 저항값에 대해 평균화처리를 실시한 값 을 이용하지 않고, 다른 방법에 의해 판정하여도 좋다. 예를 들면, 연료전지(20)에 온도 센서를 설치하고, 연료전지(20)의 내부온도가 기준 온도보다도 낮을 때에는, 연료전지가 습윤 경향에 있다고 판정하여도 좋다. 또는, 연료전지(20)에 공급되는 연료가스 및/또는 산화가스의 유량이 소정량 이하인 경우에, 연료전지(20)가 습윤 경향에 있다고 판정하여도 좋다. 또, 연료전지 시스템(10)을 기동하고 나서의 경과시간이 기준 시간 이하인 경우에, 연료전지(20)가 충분히 승온하지 않은 것으로 하여, 연료전지(20)가 습윤 경향에 있다고 판정하여도 좋다.
(3) 상기 실시예에서는, 단계 S150에서, 평균 저항값[R(n)]의 표준편차에 의거하여, 연료전지가 플로딩를 일으키는 습윤 과잉 상태인지의 여부를 판정하고 있으나, 다른 구성으로 하여도 좋다. 즉, 평균화 처리를 실시한 저항값에 대한 불균일을 나타내는 통계값이면, 표준 편차 이외의 값을 사용하여도 좋다. 예를 들면, 표준 편차 대신 분산을 사용하여도 좋다.
(4) 상기 실시예에서는, 전해질막(22)의 습윤상태가 단셀의 저항값에 영향을 준다는 사실에 의거하여, 단셀이 습윤 경향에 있는지의 여부의 판정이나, 습윤 과잉 상태인지의 여부의 판정을 행하기 위해, 검출한 교류성분의 전압값으로부터 산출한 저항값을 이용하고 있다. 여기서, 검출한 교류성분의 전압값으로부터 저항값을 산출할 때에 사용하는 전압값의 값은 일정하기 때문에, 저항값을 산출하지 않고, 검출한 전압값에 의거하여, 상기 판단을 행하여도 좋다. 예를 들면, 도 4에 나타내는 플로딩 판정처리 루틴에서는, 단계 S110을 행하지 않고, 단계 S120에서는, 취득한 전압값에 대하여 동일한 평균화처리를 행하면 된다. 그리고, 단계 S130에 서, 평균화처리를 실시한 전압값을 기준값과 비교하여, 상기 전압값이 기준값보다도 작을 때에는, 습윤 경향에 있다고 판정할 수 있다. 또, 단계 S140에서, 평균화처리를 실시한 전압값에 대하여 표준편차를 산출하고, 단계 S150에서 상기 표준편차와 기준값을 비교하여, 표준편차가 기준값 이상이면, 습윤 과잉 상태라고 판정할 수 있다. 이와 같이, 저항값을 산출하지 않고 검출한 전압값에 의거하여 판단함으로써, 판단을 위한 처리를 간단하게 할 수 있다.
(5) 상기 실시예에서는, 전압검출부(50)를 단일의 특정 단셀에 대하여 설치하였으나, 스택구조로부터 선택한 복수의 단셀의 각각에 대하여, 전압검출부(50)를 설치하여도 좋다. 연료전지(20)에 일정한 교류전류를 인가하여, 단셀마다 전압의 교류성분을 취득함으로써, 전압검출부(50)를 설치한 각각의 단셀에서, 습윤 과잉 상태인지의 여부의 판단을 행할 수 있다. 이 경우에는, 예를 들면, 선택한 단셀의 각각에 대하여, 이미 설명한 플로딩 판정처리 루틴을 실행하고, 어느 하나의 단셀에서 습윤 과잉 상태가 되었다고 판단되었을 때에는, 플로딩 회피를 위한 처리를 실행하는 것으로 하면 된다.

Claims (14)

  1. 고체 고분자형 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 연료전지에 대하여 일정한 주파수 및 진폭으로 교류전기 성분을 인가하는 교류성분 발생부와,
    상기 연료전지를 구성하는 단셀에서의 출력전압으로부터 상기 교류전기에 기인하는 교류전압 성분을 분리하여, 경시적으로 상기 교류성분의 전압값을 취득하는 교류전압 취득부와,
    상기 연료전지가 습윤 과잉인지의 여부를 판정하는 습윤 과잉 판정부에 있어서, 상기 교류전압 취득부에 의해 경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압값의 불균일의 크기를 나타내는 통계값을 구하고, 상기 불균일의 크기를 나타내는 통계값이 기준값을 넘을 경우에, 상기 연료전지가 습윤 과잉이라고 판정하는 습윤 과잉 판정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지가 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하는 습윤 상태 판정부를 구비하고,
    상기 습윤 과잉 판정부는, 상기 습윤 상태 판정부에서 상기 연료전지가 습윤 경향에 있다고 판정되었을 경우에 상기 연료전지가 습윤 과잉인지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 습윤상태 판정부는, 경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압에 관한 값에 대해 평균화처리를 행하여 평균화값을 생성함과 동시에, 상기 평균화값이 기준값보다도 작을 때에, 상기 연료전지가 습윤 경향에 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 습윤상태 판정부는, 경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압에 관한 값에 대해 평균화처리를 행하여 평균화값을 점차 생성하고, 점차 생성된 상기 평균화값 중, 가장 빈도가 높은 최빈 평균화값을 구하고, 상기 최빈 평균화값이 기준값보다도 작을 때에, 상기 연료전지가 습윤 경향에 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 습윤상태 판정부는, 경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압값과 상기 교류전류의 전류값으로부터, 상기 단셀에서의 저항값을 경시적으로 도출함과 동시에, 상기 전압에 관한 값에 대한 평균화처리로서, 상기 저항값에 대한 평균화처리를 행하고, 상기 평균화값을 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지의 내부 온도를 검출하기 위한 온도센서를 더 구비하고,
    상기 습윤상태 판정부는, 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 연료전지의 내부 온도가 기준 온도보다도 낮은 경우에 상기 연료전지가 습윤 경향에 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 습윤상태 판정부는, 상기 연료전지에 대하여 공급되는 가스 유량이 기설정된 양 이하인 경우에 상기 연료전지가 습윤 경향에 있다고 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 습윤 과잉 판정부는, 경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압값과 상기 교류전류의 전류값으로부터, 상기 단셀에서의 저항값을 경시적으로 도출함과 동시에, 상기 전압값의 불균일의 크기를 나타내는 통계값으로서, 상기 저항값의 불균일의 크기를 나타내는 통계값을 구하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제 2항 내지 제 4항, 제 6항, 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지가 습윤 과잉이라고 판정된 경우에, 플로딩을 회피하기 위한 플로딩 회피처리를 실행하는 플로딩 회피처리 실행부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 플로딩 회피처리는, 상기 연료전지 시스템이 전력을 공급하는 부하에서의 부하 요구에 의거하여 결정되는 산화가스 유량 및 산화가스압을 증대시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 플로딩 회피처리는, 상기 연료전지 시스템이 전력을 공급하는 부하에서의 부하 요구에 의거하여 결정되는 연료가스 유량 및 연료가스압을 증대시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 고체 고분자형 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에서의 습윤 과잉 판정 방법에 있어서,
    상기 연료전지에 대하여 일정한 주파수 및 진폭으로 교류전기 성분을 인가하고,
    상기 연료전지를 구성하는 단셀에서의 출력전압으로부터 상기 교류전기 성분에 기인하는 교류전압 성분을 분리하여, 경시적으로 상기 교류성분의 전압값을 취득하고,
    경시적으로 취득된 상기 교류성분의 전압값의 불균일의 크기를 나타내는 통계값을 구하고, 상기 불균일의 크기를 나타내는 통계값이 기준값을 넘을 경우에, 상기 연료전지가 습윤 과잉이라고 판정하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 습윤 과잉 판정방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 연료전지가 습윤 경향에 있는지의 여부를 판정하고,
    상기 연료전지가 상기 습윤 경향에 있다고 판정되었을 때에, 상기 연료전지가 습윤 과잉인지의 여부의 판정이 실행되는 것을 특징으로 하는 습윤 과잉 판정방법.
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5217147B2 (ja) * 2006-10-18 2013-06-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその膜含水量調節方法
JP5157163B2 (ja) * 2006-12-27 2013-03-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システム搭載移動体
JP5187481B2 (ja) * 2007-05-22 2013-04-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5267835B2 (ja) * 2007-06-25 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムのインピーダンス測定方法
CN102612778B (zh) * 2009-11-18 2017-06-23 丰田自动车株式会社 判定燃料电池的单电池水分量的状态的方法及其装置、控制燃料电池的单电池水分量的状态的方法及其装置、以及燃料电池系统
CN102148386A (zh) * 2010-02-04 2011-08-10 扬光绿能股份有限公司 燃料电池系统及其燃料产生反应控制方法与计算机
KR101090705B1 (ko) 2010-11-25 2011-12-08 강남대학교 산학협력단 연료전지 스택의 상태 진단 방법
DE102011087802A1 (de) * 2011-12-06 2013-06-06 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb desselben
CA2887800C (en) * 2012-10-09 2016-07-05 Nissan Motor Co., Ltd. Impedance measuring device for laminated battery
JP6314799B2 (ja) 2014-11-13 2018-04-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の制御方法
FR3030900A1 (fr) * 2014-12-19 2016-06-24 Michelin & Cie Systeme de mesure de l'hygrometrie d'une membrane echangeuse d'ions dans une pile a combustible
KR101702224B1 (ko) * 2015-06-23 2017-02-03 강남대학교 산학협력단 스펙트럼을 이용한 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법
JP6455363B2 (ja) * 2015-08-27 2019-01-23 株式会社Ｓｏｋｅｎ 診断装置
JP6508351B2 (ja) * 2015-10-05 2019-05-08 日産自動車株式会社 燃料電池の状態判定方法及び状態判定装置
KR101918365B1 (ko) 2016-12-10 2018-11-14 현대자동차주식회사 연료전지 차량 제어시스템 및 제어방법
KR102667347B1 (ko) * 2016-12-27 2024-05-21 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그 제어방법
CN114976143B (zh) * 2022-06-29 2023-06-16 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池系统控制方法、装置、电子设备及存储介质
DE102022209931A1 (de) * 2022-09-21 2024-03-21 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers
DE102022213889A1 (de) * 2022-12-19 2024-06-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Bestimmen einer Regenerationsmaßnahme in einem Brennstoffzellenstapel

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07235324A (ja) * 1994-02-23 1995-09-05 Toyota Motor Corp 燃料電池の駆動装置
JP2003086220A (ja) 2001-09-12 2003-03-20 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005032587A (ja) 2003-07-07 2005-02-03 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005108673A (ja) 2003-09-30 2005-04-21 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6376110B1 (en) * 1997-04-10 2002-04-23 Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh Method for regulating membrane moisture of a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell
JP4200576B2 (ja) * 1999-02-23 2008-12-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2002352827A (ja) * 2001-05-22 2002-12-06 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005063946A (ja) * 2003-07-24 2005-03-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システム，燃料電池運転方法，プログラム，および記録媒体
EP1501146A3 (en) * 2003-07-24 2007-04-25 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell system, fuel cell operation method, program, and recording medium
JP4720105B2 (ja) * 2004-05-20 2011-07-13 日産自動車株式会社 燃料電池診断装置及び燃料電池診断方法
US20050287402A1 (en) * 2004-06-23 2005-12-29 Maly Douglas K AC impedance monitoring of fuel cell stack
CN1333483C (zh) * 2004-12-10 2007-08-22 清华大学 氢/氧质子交换膜燃料电池堆的水淹诊断方法
JP5017783B2 (ja) * 2005-03-09 2012-09-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07235324A (ja) * 1994-02-23 1995-09-05 Toyota Motor Corp 燃料電池の駆動装置
JP2003086220A (ja) 2001-09-12 2003-03-20 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005032587A (ja) 2003-07-07 2005-02-03 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005108673A (ja) 2003-09-30 2005-04-21 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP4892888B2 (ja) 2012-03-07
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CN101243571B (zh) 2011-10-05
DE112006002187T5 (de) 2008-06-12
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JP2007053013A (ja) 2007-03-01

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