WO2008143112A1 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
WO2008143112A1
WO2008143112A1 PCT/JP2008/058890 JP2008058890W WO2008143112A1 WO 2008143112 A1 WO2008143112 A1 WO 2008143112A1 JP 2008058890 W JP2008058890 W JP 2008058890W WO 2008143112 A1 WO2008143112 A1 WO 2008143112A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
scavenging
fuel cell
time
impedance
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2008/058890
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tomonori Imamura
Kenichiro Sasamoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to KR1020097023226A priority Critical patent/KR101136499B1/ko
Priority to DE112008001025T priority patent/DE112008001025T5/de
Priority to CN2008800155289A priority patent/CN101682054B/zh
Priority to US12/524,487 priority patent/US8236460B2/en
Priority to EP08764294A priority patent/EP2157649A4/en
Publication of WO2008143112A1 publication Critical patent/WO2008143112A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/0485—Humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates power upon receiving a reaction gas.
  • the fuel cell stack is an energy conversion system for converting a chemical energy into an electric energy by causing an electrochemical reaction by supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the membrane-electrode assembly.
  • solid polymer electrolyte fuel cell stacks that use solid polymer membranes as electrolytes are easy to make compact at low cost and have high power density, so they are expected to be used as in-vehicle power supplies. Has been.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-246053 Disclosure of Invention
  • an object of the present invention is to solve the above-described problems and propose a fuel cell system capable of reducing the water content inside the fuel cell as much as possible in preparation for the next start-up.
  • a fuel cell system includes a fuel cell, a scavenger for supplying a scavenging gas to the fuel cell, an AC impedance of the fuel cell at the start of scavenging, and a scavenging start.
  • An AC impedance measurement unit that measures the AC impedance of the fuel cell when a predetermined time has elapsed from the time point, an AC impedance measured at the start of scavenging, an AC impedance measured when a predetermined time has elapsed from the start of scavenging, A scavenging execution time estimation unit that estimates the scavenging execution time based on a predetermined time, and a restriction that limits the scavenging execution time to the maximum scavenging time when the scavenging execution time exceeds a predetermined maximum scavenging time A part.
  • the scavenging process is performed until the scavenging time reaches the maximum scavenging time, thereby reducing the water content inside the fuel cell as much as possible in preparation for the next start-up. it can.
  • the scavenging execution time estimation unit preferably estimates the scavenging execution time using a complementary function. Since the change in AC impedance over time during the scavenging process can be approximated to a specific function curve, the use of the complementary function can improve the estimation accuracy.
  • the time point at which a predetermined time elapses from the scavenging start time point may be a time point when the absolute value of the temperature change rate of the fuel cell becomes less than a predetermined threshold value, or may be a predetermined fixed time. Estimate the scavenging time by measuring the AC impedance when the moisture content inside the fuel cell is expected to be as low as possible. Constant accuracy can be increased.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell.
  • Figure 3 is an equivalent circuit diagram showing the electrical characteristics of the cell.
  • Figure 4 is a graph showing the AC impedance of the fuel cell stack on a complex plane.
  • FIG. 5 is a functional block diagram of the control unit related to the scavenging process.
  • Fig. 6 is a graph showing the change over time of AC impedance dance.
  • Fig. 7 is a graph showing the time variation of AC impedance.
  • Fig. 8 is a graph showing the time variation of AC impedance.
  • FIG. 1 shows a system configuration of a fuel cell system 10 according to the present embodiment.
  • the fuel cell system 10 functions as an in-vehicle power supply system mounted on a fuel cell vehicle, and receives a supply of reactive gas (fuel gas, oxidizing gas) to generate power,
  • An oxidizing gas supply system 30 for supplying air as oxidizing gas to the fuel cell stack 20;
  • a fuel gas supplying system 40 for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 20;
  • An electric power system 50 for controlling charging / discharging of electric power, a cooling system 60 for cooling the fuel cell stack 20, and a control unit (ECU) 90 for controlling the entire system are provided.
  • ECU control unit
  • the fuel cell stack 20 is a polymer electrolyte cell stack in which a plurality of cells are stacked in series.
  • the oxidation reaction of equation (1) occurs, and the reduction reaction of equation (2) occurs at the force sword electrode.
  • the fuel cell stack 20 as a whole undergoes an electromotive reaction of the formula (3). H 2 ⁇ 2H ++ 2 e "(1)
  • the fuel cell stack 20 is provided with a voltage sensor 71 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 20 and a current sensor 72 for detecting the generated current.
  • the oxidizing gas supply system 3 ⁇ has an oxidizing gas passage 34 through which oxidizing gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and an oxidizing off gas passage 36 through which oxidizing off gas discharged from the fuel cell stack 20 flows.
  • the oxidant gas passage 34 has an air conditioner 32 that takes in oxidant gas from the atmosphere via the filter 31, a humidifier 33 for humidifying the oxidant gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20, and an oxidant gas.
  • a throttle valve 35 for adjusting the supply amount is provided.
  • the oxidizing off gas passage 36 includes a back pressure regulating valve 37 for adjusting the oxidizing gas supply pressure, and a humidifier 33 for exchanging moisture between the oxidizing gas (dry gas) and the oxidizing off gas (wet gas). And are provided.
  • the fuel gas supply system 40 includes a fuel gas supply source 41, a fuel gas passage 45 through which fuel gas supplied from the fuel gas supply source 41 to the anode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and fuel discharged from the fuel cell stack 20
  • the fuel gas supply source 41 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores high-pressure (for example, 35 MPa to 7 OMPa) hydrogen gas.
  • high-pressure hydrogen gas for example, 35 MPa to 7 OMPa
  • the fuel gas is depressurized to, for example, about 20 kPa by the regulator 4 3 and the injector 44 and supplied to the fuel cell stack 20.
  • the fuel gas supply source 41 includes a reformer that generates a hydrogen rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high pressure state. You may comprise.
  • the regulator 43 is a device that regulates the upstream pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure, and is composed of, for example, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure.
  • the mechanical pressure reducing valve has a housing in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. To have a secondary pressure.
  • the injector 44 is an electromagnetically driven on-off valve that can adjust the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly with a predetermined driving cycle with electromagnetic driving force and separating it from the valve seat.
  • the injector 4 4 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body that supplies and guides the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction '(gas And a valve body that is accommodated and held movably in the flow direction and opens and closes the spray hole.
  • An exhaust / drain valve 4 9 is disposed in the exhaust / drain passage 48.
  • the exhaust drain valve 49 operates according to a command from the control mute 90, thereby discharging the fuel off-gas containing impurities in the circulation passage 46 and moisture to the outside.
  • the exhaust drain valve 49 By opening the exhaust drain valve 49, the concentration of impurities in the fuel off-gas in the circulation passage 46 decreases, and the hydrogen concentration in the fuel off-gas circulating in the circulation system can be increased.
  • the fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve 49 is mixed with the oxidant off-gas flowing through the oxidant off-gas passage 34 and diluted by a diluter (not shown).
  • the circulation pump 47 circulates and supplies the fuel off-gas in the circulation system to the fuel cell stack 20 by driving the motor.
  • the power system 50 includes a DC / DC converter 51, a notch 52, a traction impeller 53, a traction motor 54, and auxiliary machinery 55.
  • the DC ZDC converter 51 boosts the DC voltage supplied from the battery 52 and outputs it to the traction inverter 53, and the DC power generated by the fuel cell stack 20 or traction by regenerative braking. This is a power conversion means having a function of stepping down the regenerative power collected by the motor 54 and charging the battery 52. With these functions of the DC ZDC converter 51, charging / discharging of the battery 52 is controlled. In addition, the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 is controlled by voltage conversion control by the DCZDC converter 51.
  • the battery 52 functions as a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer during load fluctuations associated with acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle.
  • a secondary battery such as a nickel-powered Dum battery, a nickel-hydrogen battery, or a lithium secondary battery is suitable.
  • the traction inverter 53 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and the DC voltage output from the fuel cell stack 20 or the battery 52 is supplied in accordance with a control command from the control unit 90. Convert to three-phase AC voltage to control the torque of the Traction Motor 54.
  • the traction motor 54 is, for example, a three-phase AC motor, and generates a power source for the fuel cell vehicle.
  • the catchers 55 are motors (for example, power sources such as pumps) disposed in each part of the fuel cell system 10, inverters for driving these motors, and various types of motors. It is a collective term for on-vehicle accessories (for example, air compressors, injectors, cooling water circulation pumps, radiators, etc.).
  • the cooling system 60 includes coolant passages 6 1, 6 2, 6 3, 6 4 for flowing a refrigerant circulating inside the fuel cell stack 20, a circulation pump 65 for pumping the refrigerant, A radiator 66 for exchanging heat between the medium and the outside air, a three-way valve 67 for switching the refrigerant circulation path, and a temperature sensor 74 for detecting the refrigerant temperature are provided.
  • the refrigerant flowing out of the fuel cell stack 20 flows through the refrigerant passages 6 1 and 6 4 and is cooled by the radiator 6 6, and then flows through the refrigerant passage 6 3 and again.
  • the three-way valve 6 7 is controlled to open and close so as to flow into the fuel cell stack 20.
  • the three-way valve 6 7 so that the refrigerant flowing out of the fuel cell stack 20 flows through the refrigerant passages 6 1, 6 2, 6 3 and again into the fuel cell stack 20. Is controlled to open and close.
  • the control unit 90 is a computer system having a CPU, ROM, RAM, and an input / output interface, and the like.
  • Each unit of the fuel cell system 10 (oxidized gas supply system 30, fuel gas supply system 40) It functions as a control means for controlling the power system 50 and the cooling system 60).
  • the control unit 90 receives the start signal IG output from the sign-switch, the control unit 90 starts operation of the fuel cell system 10 and the accelerator opening signal ACC output from the accelerator sensor or the vehicle speed sensor.
  • the required power of the entire system is determined based on the output vehicle speed signal VC.
  • the required power of the entire system is the sum of the vehicle running power and the trapping power.
  • the electric power consumed by in-vehicle accessories humidityidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.
  • equipment required for vehicle travel transmissions, wheel control devices, steering devices) , And suspension devices, etc.
  • power consumed by devices air conditioners, lighting equipment, audio, etc. installed in the passenger space.
  • the control unit 90 determines the output power distribution between the fuel cell stack 20 and the battery 52, calculates the power generation command value, and sets the power generation amount of the fuel cell stack 20 as the target. Oxidizing gas supply system 3 to match the power 0 and the fuel gas supply system 40 are controlled. Further, the control unit 90 controls the operating point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 by adjusting the output voltage of the fuel cell stack 20 by controlling the D CZD C converter 51. . For example, the control unit 90 can obtain the U, V, and W phase AC voltage command values as the switching command so that the target vehicle speed corresponding to the accelerator opening can be obtained. To control the output torque and rotation speed of the Traction Motor 54.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell 21 constituting the fuel cell stack 20.
  • the cell 21 is composed of an electrolyte membrane 2 2, an anode electrode 2 3, a force sword electrode 2 4, and separators 2 6 and 2 7.
  • the anode electrode 23 and the force sword electrode 24 are diffusion electrodes having a sandwich structure with the electrolyte membrane 22 being sandwiched from both sides.
  • Separators 2 6 and 2 7 made of a gas-impermeable conductive member further sandwich the sandwich structure from both sides, and the fuel gas and the oxidation gas between the anode electrode 23 and the force electrode electrode 24, respectively.
  • a gas flow path is formed.
  • the separator 26 is formed with a lip 26 a having a concave cross section.
  • the separator 27 has a rib 2 7 a having a concave cross section.
  • the force sword pole 24 comes into contact with the rib 27a, the opening of the rib 27a is closed, and an oxidizing gas flow path is formed.
  • the anode electrode 2 3 is mainly composed of carbon powder supporting a platinum-based metal catalyst (Pt, Pt—Fe, Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Ru, etc.) It has a catalyst layer 2 3a in contact with the electrolyte membrane 22 and a gas diffusion layer 2 3b formed on the surface of the catalyst layer 2 3a and having both air permeability and electronic conductivity.
  • the force sword electrode 2 4 has a catalyst layer 2 4 a and a gas diffusion layer 2 4 b.
  • the catalyst layers 2 3 a and 24 a are prepared by dispersing carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and another metal in a suitable organic solvent, adding an appropriate amount of an electrolyte solution, It is made of a toy and printed on the electrolyte membrane 2 2.
  • the gas diffusion layers 2 3 b and 2 4 b are carbon cloth, carbon paper, or carbon woven with carbon fiber yarns.
  • the electrolyte membrane 22 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluororesin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state.
  • the membrane electrode 2 25, the anode electrode 2 3, and the cathode electrode 2 4 form a membrane-one electrode assembly 25.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing the electrical characteristics of the cell 21.
  • the equivalent circuit of cell 21 has a circuit configuration in which R 1 is connected in series to a parallel connection circuit of R 2 and C.
  • R 1 corresponds to the electric resistance of the electrolyte membrane 22
  • R 2 corresponds to the resistance-converted activation overvoltage and diffusion overvoltage.
  • C corresponds to the electric double layer capacitance formed at the interface between the anode electrode 23 and the electrolyte membrane 22 and at the interface between the cathode electrode 24 and the electrolyte membrane 22.
  • FIG. 4 is a graph showing the AC impedance of the fuel cell stack 20 on a complex plane.
  • the horizontal axis shows the real part of AC impedance, and the vertical axis shows the imaginary part of AC impedance.
  • ⁇ is the angular frequency of the sinusoidal current.
  • R 1 and R 2 in the equivalent circuit of the fuel cell stack 20.
  • R When 1 is larger than a predetermined value and the output of the fuel cell stack 20 is decreased, the electrolyte membrane 22 is dried, the resistance overvoltage is increased, and the conductivity is decreased. Can be judged as the cause of the output drop. If R 2 is larger than the predetermined value and the output of the fuel cell stack 20 is reduced, excess water is present on the electrode surface and the diffusion overvoltage is increasing. It can be judged that.
  • FIG. 5 shows the function block of the control unit 90 related to the scavenging process.
  • the control unit 90 includes a voltage command unit 91, an AC impedance measurement unit 92, a measurement memory 93, a scavenging execution time estimation unit 94, and a limiting unit 95. Functions as a means.
  • the AC impedance measurement of the fuel cell stack 20 by the control unit 90 is performed according to the following procedure.
  • the voltage command unit 91 generates a voltage command value obtained by superimposing a sine wave signal on a predetermined DC voltage, and outputs the voltage command value to the DC / DC converter 51.
  • the DC ZDC converter 51 operates based on the voltage command value, converts the DC power stored in the battery 52 to AC power, and applies a sine wave signal to the fuel cell stack 20. To do.
  • the AC impedance measuring unit 9 2 samples the response voltage detected by the voltage sensor 71 and the response current detected by the current sensor 72 at a predetermined sampling rate, and performs a fast Fourier transform process (FFT).
  • FFT fast Fourier transform process
  • the response voltage and response current are divided into real and imaginary components, respectively, and the FFT-processed response voltage is divided by the FFT-processed response current to calculate the AC impedance real and imaginary components. Calculate the distance r from the origin and the phase angle 0 on the complex plane.
  • the AC impedance of the fuel cell stack 20 can be calculated by measuring the response voltage and the response current while continuously changing the frequency of the sine wave signal applied to the fuel cell stack 20.
  • the amount of reaction (gas utilization rate) with respect to the amount of supplied gas varies when the amplitude of the AC signal is increased. If there is a fluctuation in the gas utilization rate, there may be an error in the measurement of AC impedance, so the AC component of the signal applied to the fuel cell stack 20 during AC impedance measurement is about several percent of the DC component. preferable.
  • the AC impedance measurement unit 92 stores the value of the AC impedance measured as described above in the measurement memory 93.
  • the scavenging execution time estimation unit 94 estimates the scavenging execution time based on the AC impedance value stored in the measurement memory 93.
  • the limiting unit 95 limits the scavenging execution time to the maximum scavenging time when the scavenging execution time estimated by the scavenging execution time estimation unit 94 exceeds the maximum scavenging time.
  • the maximum scavenging time can also be referred to as a scavenging timeout time.
  • Fig. 6 is a graph showing the change over time of AC impedance dance.
  • the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the AC impedance value of the fuel cell stack 20.
  • Time t 1 shows the timing when the idle switch is turned off.
  • the AC impedance measurement unit 92 calculates the AC impedance of the fuel cell stack 20 at regular intervals, and the AC impedance Is stored in measurement memory 93.
  • the AC impedance value stored in the measurement memory 93 is updated to the latest value.
  • the control unit 90 stores the AC impedance value Z 1 measured at time 1 in the measurement memory.
  • 9 Stores in 3 and starts scavenging process.
  • the scavenging process drives the air compressor 32 as a scavenging device and This is a process for appropriately adjusting the wet state inside the gas channel by flowing pressurized air as scavenging gas through the gas channel inside the tack 20. If a large amount of water remains in the gas channel, not only will the startability at the next start-up deteriorate, but there is a risk of damage to piping and valves due to moisture freezing in a low temperature environment.
  • the scavenging execution time estimation unit 94 calculates in advance an AC impedance value when the inside of the fuel cell stack 20 is in an optimal wet state, and sets the calculated AC impedance value as a target AC impedance. In addition, the scavenging time required for the AC impedance of the fuel cell stack 20 to match the target AC impedance is estimated.
  • the control mute 90 measures the AC impedance Z2 of the fuel cell stack 20 and stores it in the measurement memory 93. Update the latest AC impedance value from Z1 to Z2.
  • the time T 1 is preferably a time when the water content in the fuel cell stack 20 is expected to be reduced as much as possible from the viewpoint of improving the estimation accuracy of the scavenging time. From this point of view, it is preferable to detect the temperature change rate of the fuel cell stack 20 and set the time until the absolute value of the temperature change rate falls below a predetermined threshold as time T 1. The fact that the absolute value of the temperature change rate is lower than the predetermined threshold value is because it can be estimated that the amount of vaporized water inside the fuel cell stack 20 has reached a saturated state and has reached an appropriate dry state.
  • the scavenging execution time estimation unit 94 uses the complementary function 2 0 0 to measure the AC impedance Z 1 measured at time t 1 and the AC impedance measured at time t 2. Based on Z2, the scavenging time T2 required for the AC impedance to match the target AC impedance Z3 is estimated.
  • the complement function 2 0 0 has at least two measurement coordinates, eg (tl, Z l) and This function is used to estimate the target coordinates (t 3, Z 3) based on (t 2, Z 2), and is obtained in advance through experiments.
  • a quadratic function is suitable as the complementary function 2 0 0.
  • the AC impedance value increases in a quadratic function when the supply amount of scavenging gas per unit time and the stack temperature are constant.
  • Scavenging execution time T 2 scavenging completion time t 3
  • the scavenging execution time T 2 can be calculated from the first scavenging start time t 1.
  • the scavenging process is performed from time B2 to time t3 when the scavenging time T2 elapses.
  • the limiting unit 95 limits the scavenging time to the maximum scavenging time Tm, and the maximum from time t1.
  • the scavenging process is performed until time t4 when the scavenging time Tm elapses.
  • Fuel cell stack at the start of scavenging 20 If there is a large amount of moisture in the interior, it is difficult to sufficiently dry even if scavenging is performed. By performing the scavenging process until the scavenging time T m elapses, it is possible to reduce the amount of water in the fuel cell stack 20 as much as possible in preparation for the next start-up.
  • the restricting unit 95 will reduce the scavenging time.
  • the scavenging process is restricted to the maximum scavenging time Tm and the scavenging process exceeds the maximum scavenging time Tm.
  • the case where the drying of the electrolyte membrane 22 is insufficient means the case where the moisture in the fuel cell stack 20 remains for a predetermined amount Q th or more.
  • Fuel cell stack 2 0 Since it has a correlation with the impedance, it can be determined that the electrolyte membrane 22 is not sufficiently dried when the AC impedance of the fuel cell stack 20 is less than the target AC impedance.
  • the target AC impedance is an AC impedance when the inside of the fuel cell stack 20 is in an optimum wet state (residual moisture amount Q th).
  • the restriction unit 95 limits the scavenging time to the maximum scavenging time T m .
  • the time length of the maximum scavenging time Tm may be appropriately set based on the SOC (State of charge) of the battery 52.
  • the usage form in which the fuel cell system 10 is used as an on-vehicle power supply system has been illustrated, but the usage form of the fuel cell system 10 is not limited to this example.
  • the fuel cell system 10 may be mounted as a power source for a mobile body (robot, ship, aircraft, etc.) other than the fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system 10 according to the present embodiment may be used as a power generation facility (stationary power generation system) such as a house or a building.
  • the water content in the fuel cell can be reduced as much as possible in preparation for the next start-up by continuing the scavenging process until the scavenging time reaches the maximum scavenging time.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

燃料電池システムは、掃気開始時点で燃料電池の交流インピーダンスを測定するとともに、掃気開始時点から所定時間経過した時点で燃料電池の交流インピーダンスを測定する交流インピーダンス測定部９２と、掃気開始時点で測定した交流インピーダンス、掃気開始時点から所定時間経過した時点で測定した交流インピーダンス、及び所定時間に基づいて掃気実施時間を推定する掃気実施時間推定部９４と、掃気実施時間が予め定められた最大掃気時間を越えている場合には、掃気実施時間を最大掃気時間に制限する制限部９５を備える。

Description

明細書
燃料電池システム
技術分野
本発明は反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。 背景技術
燃料電池スタックは、 燃科ガス及び酸化ガスを膜一電極接合体に供給する ことにより電気化学反応を起こし、 化学エネルギーを電気エネルギーに変換 するためのエネルギー変換システムである。 なかでも、 固体高分子膜を電解 質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、 低コストでコンパ クト化が容易であり、 しかも高い出力密度を有することから、 車載電源とし ての用途が期待されている。
燃料電池スタックのガス流路内部には、 反応ガスの電気化学反応で生じた 生成水や反応ガスを加湿するための加湿水などが残留しており、 この残留水 を放置したまま発電を停止すると、 低温環境下では、 残留水が凍結してしま い、膜一電極接合体への反応ガスの拡散が妨げられ、低温始動性が低下する。 このような問題点に鑑み、 特開 2002— 246053号公報には、 運転停 止時に燃料電池スタック内部に掃気ガスを供給することにより、 水分を除去 し、 燃料電池スタックの交流インピーダンスを計測することにより、 電解質 膜の乾燥度合いを判断する手法が提案されている。
[特許文献 1] 特開 2002— 246053号公報 発明の開示
しかし、 掃気を開始する時点で測定した燃料電池スタックの交流インピー ダンスと、 掃気を開始してから所定時間経過後に測定した燃料電池スタック の交流インピーダンスとに基づいて掃気実施時間を推定する機能を有する燃 料電池システムでは、 掃気開始時点での燃料電池内部の残留水分が多いと、 掃気実施時間中に燃料電池スタックを十分に乾燥させることができないとい う不都合が生じる。
そこで、 本発明は、 上記の問題点を解決し、 次回の起動に備えて燃料電池 内部の含水量を極力低減できる燃料電池システムを提案することを課題とす る。
上記の課題を解決するため、 本発明に係わる燃料電池システムは、 燃料電 池と、 燃料電池に掃気ガスを供給する掃気装置と、 掃気開始時点で燃料電池 の交流インピーダンスを測定するとともに、 掃気開始時点から所定時間経過 した時点で燃料電池の交流ィンピーダンスを測定する交流ィンピーダンス測 定部と、 掃気開始時点で測定した交流インピーダンス、 掃気開始時点から所 定時間経過した時点で測定した交流インピーダンス、 及ぴ所定時間に基づい て掃気実施時間を推定する掃気実施時間推定部と、 掃気実施時間が予め定め られた最大掃気時間を越えている場合には、 掃気実施時間を最大掃気時間に 制限する制限部を備える。
掃気開始時点での燃料電池内部の残留水分が多い場合には、 掃気実施時間 が最大掃気時間に達するまで掃気処理を実施することで、 次回の起動に備え て燃料電池内部の含水量を極力低減できる。
ここで、 掃気実施時間推定部は、 補完関数を用いて掃気実施時間を推定す るのが好ましい。 掃気処理中の時間経過に伴う交流インピーダンスの変化は ある特定の関数曲線に近似することができるため、 補完関数を用いることに より、 推定精度を高めることができる。
掃気開始時点から所定時間経過する時点は、 燃料電池の温度変化速度の絶 対値が所定の閾値未満になる時点としてもよく、 或いは予め定められた一定 時間としてもよい。 できるだけ燃科電池内部の含水量が低下しているものと 見込まれる時期に交流ィンピーダンスを測定することで、 掃気実施時間の推 定精度を高めることができる。 図面の簡単な説明
図 1は本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。
図 2はセルの分解斜視図である。
図 3はセルの電気的特性を示す等価回路図である。
図 4は燃料電池スタックの交流ィンピーダンスを複素平面上に表示したグ ラフである。
図 5は掃気処理に係わる制御ユエットの機能ブロック図である。
図 6は交流ィンピーダンスの時間変化を示すグラフである。
図 7は交流インピーダンスの時間変化を示すグラフである。
図 8は交流インピーダンスの時間変化を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
以下、 各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。 図 1は本実施形態に係わる燃料電池システム 1 0のシステム構成を示す。 燃料電池システム 1 0は、 燃科電池車両に搭載される車載電源システムと して機能するものであり、 反応ガス （燃料ガス、 酸化ガス） の供給を受けて 発電する燃料電池スタック 2 0と、 酸化ガスとしての空気を燃料電池スタツ ク 2 0に供給するための酸化ガス供給系 3 0と、 燃料ガスとしての水素ガス を燃料電池スタック 2 0に供給するための燃料ガス供給系 4 0と、 電力の充 放電を制御するための電力系 5 0と、 燃料電池スタック 2 0を冷却するため の冷却系 6 0と、 システム全体を制御する制御ユニット （E C U) 9 0とを 備えている。
燃料電池スタック 2 0は、 複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電 解質型セルスタックである。 燃料電池スタック 2 0では、 アノード極におい て （1) 式の酸化反応が生じ、 力ソード極において （2) 式の還元反応が生 じる。 燃料電池スタック 20全体としては （3) 式の起電反応が生じる。 H2→ 2H++ 2 e" ·■· (1)
(1/2) 02+ 2 H++ 2 e"→ H20 ··· (2)
H2+ (1/2) 02→ H20 ··· (3)
燃料電池スタック 20には、 燃料電池スタック 20の出力電圧を検出する ための電圧センサ 71、 及ぴ発電電流を検出するための電流センサ 72が取 り付けられている。
酸化ガス供給系 3◦は、 燃料電池スタック 20のカソード極に供給される 酸化ガスが流れる酸化ガス通路 34と、 燃料電池スタック 20から排出され る酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路 36とを有している。 酸化ガス通 路 34には、 フィルタ 31を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコン プレッサ 32と、 燃料電池スタック 20のカソード極へ供給される酸化ガス を加湿するための加湿器 33と、 酸化ガス供給量を調整するための絞り弁 3 5が設けられている。 酸化オフガス通路 36には、 酸化ガス供給圧を調整す るための背圧調整弁 37と、 酸化ガス （ドライガス） と酸化オフガス (ゥェ ットガス） との間で水分交換するための加湿器 33とが設けられている。 燃料ガス供給系 40は、 燃料ガス供給源 41と、 燃料ガス供給源 41から 燃料電池スタック 20のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス 通路 45と、 燃料電池スタック 20から排出される燃料オフガスを燃料ガス 通路 45に帰還させるための循環通路 46と、 循環通路 46内の燃料オフガ スを燃料ガス通路 43に圧送する循環ポンプ 47と、 循環通路 47に分岐接 続される排気排水通路 48とを有している。
燃料ガス供給源 41は、 例えば、 高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構 成され、高圧（例えば、 35MP a乃至 7 OMP a)の水素ガスを貯留する。 遮断弁 42を開くと、 燃料ガス供給源 41から燃料ガス通路 45に燃料ガス が流出する。 燃料ガスは、 レギユレータ 4 3やインジェクタ 4 4により、 例 えば、 2 0 0 k P a程度まで減圧されて、 燃料電池スタック 2 0に供給され る。
尚、 燃料ガス供給源 4 1は、 炭化水素系の燃料から水素リツチな改質ガス を生成する改質器と、 この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧 する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
レギユレータ 4 3は、 その上流側圧力 （一次圧） を、 予め設定した二次圧 に調圧する装置であり、 例えば、 一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構 成される。 機械式の減圧弁は、 背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形 成された筐体を有し、 背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力 に減圧して二次圧とする構成を有する。
インジェクタ 4 4は、 弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動 して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能 な電磁駆動式の開閉弁である。 ィンジ クタ 4 4は、 燃料ガス等の気体燃料 を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、 その気体燃料を噴射孔ま で供給案内するノズルポディと、 このノズルボディに対して軸線方向 '(気体 流れ方向）に移動可能に収容保持され嘖射孔を開閉する弁体とを備えている。 排気排水通路 4 8には、 排気排水弁 4 9が配設されている。 排気排水弁 4 9は、 制御ュ-ット 9 0からの指令によつて作動することにより、 循環通路 4 6内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。 排気排水弁 4 9の開弁により、 循環通路 4 6内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下が り、 循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。 排気排水弁 4 9を介して排出される燃料オフガスは、 酸化オフガス通路 3 4を流れる酸化オフガスと混合され、 希釈器 （図示せず） によって希釈され る。 循環ポンプ 4 7は、 循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電 池スタック 2 0に循環供給する。 電力系 5 0は、 D C/D Cコンバータ 5 1 、 ノ ッテリ 5 2、 トラクシヨン インパータ 5 3、 トラクシヨンモータ 5 4、 及ぴ補機類 5 5を備えている。 D C ZD Cコンバータ 5 1は、 バッテリ 5 2から供給される直流電圧を昇圧 してトラクシヨンインパータ 5 3に出力する機能と、 燃料電池スタック 2 0 が発電した直流電力、 又は回生制動により トラクシヨンモータ 5 4が回収し た回生電力を降圧してパッテリ 5 2に充電する機能とを有する電力変換手段 である。 D C ZD Cコンバータ 5 1のこれらの機能により、 ノ ッテリ 5 2の 充放電が制御される。 また、 D CZD Cコンバータ 5 1による電圧変換制御 により、 燃料電池スタック 2 0の運転ポイント （出力電圧、 出力電流） が制 御される。
パッテリ 5 2は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、 燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして 機能する。 ノ ッテリ 5 2としては、 例えば、 ニッケル ·力ドミゥム蓄電池、 ニッケル ·水素蓄電池、 リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
トラクシヨンインパータ 5 3は、 例えば、 パルス幅変調方式で駆動される P WMインバータであり、 制御ユニット 9 0からの制御指令に従って、 燃料 電池スタック 2 0又はパッテリ 5 2から出力される直流電圧を三相交流電圧 に変換して、 トラクシヨンモータ 5 4の回転トルクを制御する。 トラクショ ンモータ 5 4は、 例えば、 三相交流モータであり、 燃料電池車両の動力源を 搆成する。
捕機類 5 5は、 燃料電池システム 1 0内の各部に配置されている各モータ (例えば、 ポンプ類などの動力源） や、 これらのモータを駆動するためのィ ンバータ類、 更には各種の車载補機類 （例えば、 エアコンプレッサ、 インジ ェクタ、 冷却水循環ポンプ、 ラジェータなど） を総称するものである。 冷却系 6 0は、 燃料電池スタック 2 0内部を循環する冷媒を流すための冷 媒通路 6 1 、 6 2 , 6 3 , 6 4、 冷媒を圧送するための循環ポンプ 6 5、 冷 媒と外気との間で熱交換するためのラジェータ 6 6、 冷媒の循環経路を切り 替えるための三方弁 6 7、 及び冷媒温度を検出するための温度センサ 7 4を 備えている。 暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック 2 0 から流出する冷媒が冷媒通路 6 1 , 6 4を流れてラジェータ 6 6にて冷却さ れた後、 冷媒通路 6 3を流れて再び燃料電池スタック 2 0に流れ込むように 三方弁 6 7が開閉制御される。 一方、 システム起動直後における暖機運転時 には、 燃料電池スタック 2 0から流出する冷媒が冷媒通路 6 1 , 6 2 , 6 3 を流れて再び燃料電池スタック 2 0に流れ込むように三方弁 6 7が開閉制御 される。
制御ユニット 9 0は、 C P U、 R OM, R AM、 及び入出力インタフエ一 ス等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム 1 0の各部（酸 化ガス供給系 3 0、 燃料ガス供給系 4 0、 電力系 5 0、 及び冷却系 6 0 ) を 制御するための制御手段として機能する。 例えば、 制御ュニット 9 0は、 ィ グ -ッシヨンスィッチから出力される起動信号 I Gを受信すると、 燃料電池 システム 1 0の運転を開始し、 アクセルセンサから出力されるアクセル開度 信号 A C Cや、 車速センサから出力される車速信号 V Cなどを基にシステム 全体の要求電力を求める。
システム全体の要求電力は、 車両走行電力と捕機電力との合計値である。 捕機電力には車載補機類 （加湿器、 エアコンプレッサ、 水素ポンプ、 及ぴ冷 却水循環ポンプ等） で消費される電力、 車両走行に必要な装置 （変速機、 車 輪制御装置、 操舵装置、 及び懸架装置等） で消費される電力、 乗員空間内に 配設される装置 （空調装置、 照明器具、 及びオーディオ等） で消費される電 力などが含まれる。
そして、 制御ュ-ット 9 0は、 燃料電池スタック 2 0とパッテリ 5 2との それぞれの出力電力の配分を決定し、 発電指令値を演算するとともに、 燃料 電池スタック 2 0の発電量が目標電力に一致するように、 酸化ガス供給系 3 0及び燃料ガス供給系 4 0を制御する。 更に制御ユニット 9 0は、 D CZD Cコンバータ 5 1を制御して、 燃料電池スタック 2 0の出力電圧を調整する ことにより、 燃料電池スタック 2 0の運転ポイント （出力電圧、 出力電流） を制御する。 制御ユエット 9 0は、 アクセル開度に応じた目標車速が得られ るように、 例えば、 スイッチング指令として、 U相、 V相、 及び W相の各交 流電圧指令値をトラクシヨンインパータ 5 3に出力し、 トラクシヨンモータ 5 4の出力トルク、 及び回転数を制御する。
図 2は燃料電池スタック 2 0を構成するセル 2 1の分解斜視図である。 セル 2 1は、 電解質膜 2 2と、 アノード極 2 3と、 力ソード極 2 4と、 セ パレータ 2 6， 2 7とから構成されている。 アノード極 2 3及び力ソード極 2 4は、 電解質膜 2 2を両側から挟んでサンドィツチ構造を成す拡散電極で ある。 ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ 2 6 , 2 7は、 こ のサンドィッチ構造をさらに両側から挟みつつ、 アノード極 2 3及び力ソー ド極 2 4との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。 セパレ ータ 2 6には、 断面凹状のリプ 2 6 aが形成されている。 リプ 2 6 aにァノ ード極 2 3が当接することで、 リブ 2 6 aの開口部は閉塞され、 燃料ガス流 路が形成される。 セパレータ 2 7には、 断面凹状の.リブ 2 7 aが形成されて いる。 リブ 2 7 aに力ソード極 2 4が当接することで、 リブ 2 7 aの開口部 は閉塞され、 酸化ガス流路が形成される。
アノード極 2 3は、 白金系の金属触媒 （P t , P t—F e， P t— C r , P t—N i , P t— R uなど） を担持するカーボン粉末を主成分とし、 電解 質膜 2 2に接する触媒層 2 3 aと、 触媒層 2 3 aの表面に形成され、 通気性 と電子導電性とを併せ持つガス拡散層 2 3 bとを有する。 同様に、 力ソード 極 2 4は、 触媒層 2 4 aとガス拡散層 2 4 bとを有する。 より詳細には、 触 媒層 2 3 a , 2 4 aは、 白金、 又は白金と他の金属からなる合金を担持した カーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、 電解質溶液を適量添加してペース トイ匕し、 電解質膜 2 2上にスクリ^ "ン印刷したものである。 ガス拡散層 2 3 b、 2 4 bは、 炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、 カーボンぺ 一パー、 又はカーボンフェルトにより形成されている。 電解質膜 2 2は、 固 体高分子材料、 例えば、 フッ素系樹脂により形成されたプロ トン伝導性のィ オン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電解質膜 2 2、 アノード極 2 3、 及ぴカソード極 2 4によつて膜一電極ァッセンブリ 2 5が 形成される。
図 3はセル 2 1の電気的な特性を示す等価回路図である。
セル 2 1の等価回路は、 R 2と Cとの並列接続回路に R 1が直列接続する 回路構成を有している。 ここで、 R 1は電解質膜 2 2の電気抵抗に相当し、 R 2は活性化過電圧と拡散過電圧とを抵抗換算したものに相当している。 C はァノ一ド電極 2 3と電解質膜 2 2との界面、 及ぴカソード電極 2 4と電解 質膜 2 2との界面に形成される電気二重層容量に相当している。 この等価回 路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、 電流の変化に対して 電圧の応答が遅れる。
図 4は燃料電池スタック 2 0の交流インピーダンスを複素平面上に表示し たグラフである。 横軸は交流インピーダンスの実数部を示し、 縦軸は交流ィ ンピーダンスの虚数部を示している。 ωは正弦波電流の角周波数である。 図 3に示す等価回路に高周波から低周波までの正弦波信号を印加すると、 図 4に示すようなグラフが得られる。 正弦波信号の周波数が無限に大きい場 合 （ω =∞) の交流インピーダンスは、 R 1となる。 正弦波信号の周波数が 非常に小さい場合 （ω = 0 ) の交流インピーダンスは、 R 1 + R 2となる。 高周波から低周波の間で正弦波信号の周波数を変化させたときに得られる交 流インピーダンスは、 図 4に示すような半円を描く。
このように、 交流インピーダンス法を用いることで、 燃料電池スタック 2 0の等価回路における R 1と R 2を分離して計測することが可能となる。 R 1が予め定められた所定値より大きくなり、 燃料電池スタック 2 0の出力が 低下している場合には、 電解質膜 2 2が乾燥して抵抗過電圧が大きくなり、 導電率が低下していることが出力低下の原因と判断できる。 R 2が予め定め られた所定値より大きくなり、 燃料電池スタック 2 0の出力が低下している 場合には、 電極表面に水が過剰に存在し、 拡散過電圧が大きくなつているこ とが原因であると判断できる。
図 5は掃気処理に係わる制御ュ-ット 9 0の機能プロックを示す。
制御ュニット 9 0は、 電圧指令部 9 1、 交流インピーダンス測定部 9 2、 測定メモリ 9 3、 掃気実施時間推定部 9 4、 及び制限部 9 5を備えており、 これら各部の協働により掃気制御手段として機能する。
制御ュニット 9 0による燃料電池スタック 2 0の交流ィンピーダンス計測 は、 以下の手順により実施される。
( 1 ) 電圧指令部 9 1は、 所定の直流電圧に正弦波信号を重畳した電圧指令 値を生成し、 かかる電圧指令値を D C /D Cコンバータ 5 1に出力する。
( 2 ) D C ZD Cコンバータ 5 1は、 電圧指令値に基づいて動作し、 バッテ リ 5 2に蓄電されている直流電力を交流電力に変換して、 燃料電池スタック 2 0に正弦波信号を印加する。
( 3 ) 交流インピーダンス測定部 9 2は、 電圧センサ 7 1によって検出され る応答電圧と、 電流センサ 7 2によって検出される応答電流とを所定のサン プリングレートでサンプリングし、 高速フーリエ変換処理 （F F T処理） を 行い、 応答電圧と応答電流とをそれぞれ実成分と虚成分とに分割し、 F F T 処理した応答電圧を F F T処理した応答電流で除して交流インピーダンスの 実成分と虚成分とを算出し、 複素平面上での原点からの距離 rと位相角 0と を算出する。 燃料電池スタック 2 0に印加される正弦波信号の周波数を連続 的に変化させながら応答電圧と応答電流を計測することで、 燃料電池スタツ ク 2 0の交流インピーダンスを算出することができる。 尚、 燃料電池スタック 2 0を流れる電流は化学反応による電荷の移動を伴 うため、 交流信号の振幅を増大させると、 供給ガス量に対する反応量 （ガス 利用率） が変動することになる。 ガス利用率の変動があると、 交流インピー ダンスの測定に誤差が生じる虞があるので、 交流インピーダンス測定の際に 燃料電池スタック 2 0に印加する信号の交流成分は、 直流成分の数％程度が 好ましい。
交流ィンピーダンス測定部 9 2は、 上記のようにして測定した交流ィンピ 一ダンスの値を測定メモリ 9 3に格納する。 掃気実施時間推定部 9 4は、 測 定メモリ 9 3に格納されている交流インピーダンスの値に基づいて掃気実施 時間を推定する。 制限部 9 5は、 掃気実施時間推定部 9 4が推定した掃気実 施時間が最大掃気時間を越えている場合に、 掃気実施時間を最大掃気時間に 制限する。最大掃気時間は、掃気タイムアウト時間と別称することもできる。 次に、 図 6乃至図 8を参照しながら掃気実施時間を推定する方法について 説明する。
図 6は交流ィンピーダンスの時間変化を示すグラフである。 横軸は時間を 示し、縦軸は燃料電池スタック 2 0の交流インピーダンスの値を示している。 時刻 t 1は、ィダニッシヨンスィツチがオフになるタイミングを示している。 時刻 t 0〜時刻 t 1の期間では、燃料電池システム 1 0は、発電状態にあり、 交流インピーダンス測定部 9 2は、 燃料電池スタック 2 0の交流インピーダ ンスを一定周期間隔で演算し、 交流インピーダンスの値を測定メモリ 9 3に 格納する。 測定メモリ 9 3に格納される交流インピーダンスの値は、 最新の 値に逐次更新される。
時刻 t 1でィグ-ッションスィッチがオフになり、 制御ュニット 9 0に運 転停止が指令されると、 制御ュュット 9 0は、 時刻 1の時点で計測した交 流インピーダンスの値 Z 1を測定メモリ 9 3に格納し、掃気処理を開始する。 掃気処理は、 掃気装置としてのエアコンプレッサ 3 2を駆動し、 燃料電池ス タック 2 0内部のガスチャンネルに掃気ガスとしての加圧エアを流すことに より、 ガスチャンネル内部の湿潤状態を適度に調整するための処理である。 ガスチャンネルに水分が多量に残存すると、 次回の起動時の始動性が低下す るだけでなく、 低温環境下では、 水分凍結により配管や弁などが破損する虞 がある。 一方、 燃料電池スタック 2 0内部の水分が不足気味であると、 電解 質膜 2 2の導電性が低下するので、 発電効率の低下を引き起こす。 このため 掃気実施時間推定部 9 4は、 燃料電池スタック 2 0内部が最適な湿潤状態と なるときの交流インピーダンスの値を予め算出し、 その算出した交流ィンピ 一ダンスの値を目標交流インピーダンスとして設定しておき、 燃料電池スタ ック 2 0の交流インピーダンスが目標交流インピーダンスに一致するための 掃気実施時間を推定する。
掃気処理を開始してから時間 T 1が経過した時刻 t 2において、 制御ュュ ット 9 0は、 燃料電池スタック 2 0の交流ィンピーダンス Z 2を計測し、 測 定メモリ 9 3に格納されている最新の交流インピーダンスの値を Z 1から Z 2に更新する。 時間 T 1としては、 掃気実施時間の推定精度を向上させる観 点から、 できるだけ燃料電池スタック 2 0内部の含水量が低下しているもの と見込まれる時期が好ましい。 かかる観点から、 燃料電池スタック 2 0の温 度変化速度を検出し、 その温度変化速度の絶対値が所定の閾値を下回るまで の時間を時間 T 1とするのが好ましい。 温度変化速度の絶対値が所定の閾値 を下回るということは、 燃料電池スタック 2 0内部の気化水量が飽和状態に 達し、 適度な乾燥状態に達しているものと推定できるためである。
掃気実施時間推定部 9 4は、図 7に示すように、補完関数 2 0 0を用いて、 時刻 t 1の時点で計測した交流インピーダンス Z 1、 及ぴ時刻 t 2の時点で 計測した交流インピーダンス Z 2に基づいて、 交流インピーダンスが目標交 流インピーダンス Z 3に一致するために必要な掃気実施時間 T 2を推定する。 補完関数 2 0 0は、 少なくとも二つの測定座標、 例えば、 （t l , Z l ) 及ぴ ( t 2 , Z 2 ) に基づいて目標座標 （t 3 , Z 3 ) を推定するための関数で あり、 予め実験等によって求められている。 補完関数 2 0 0として、 例えば 二次関数が好適である。 単位時間あたりの掃気ガスの供給量及ぴスタック温 度がそれぞれ一定である場合、 交流インピーダンスの値は、 二次関数的に増 加することが本発明者の実験により確認されている。 二次関数の例として、 例えば、 tを時間、 Zを交流インピーダンス、 a及び Z 0を正の定数として、 Z = a t 2 + Z 0を挙げることができる。 この二次関数に二つの測定座標を 代入すると、 定数 a及ぴ Z 0の値が定まる。 Z = Z 3となるときの tの解が 掃気完了時刻 t 3である。 掃気実施時間 T 2 =掃気完了時刻 t 3一掃気開始 時刻 t 1より掃気実施時間 T 2を算出できる。 このようにして推定される掃 気実施時間 T 2が最大掃気時間 T mより短い場合には、 Bき刻 t 2から掃気実 施時間 T 2が経過する時刻 t 3まで掃気処理を実施する。
一方、 図 8に示すように、 掃気実施時間 T 2が最大掃気時間 T mより長い 場合には、 制限部 9 5は、 掃気実施時間を最大掃気時間 T mに制限し、 時刻 t 1から最大掃気時間 Tmが経過する時刻 t 4まで掃気処理を実施する。 掃 気開始時の燃料電池スタツク 2 0内部の水分量が多い場合には、 掃気処理を 実施しても十分に乾燥させることが困難であるので、 このような場合には、 掃気開始時刻から最大掃気時間 T mが経過するまで掃気処理を実施すること で、 次回の起動に備えて燃料電池スタック 2 0内部の水分量を極力低減する ことができる。
尚、 掃気実施時間 T 2が最大掃気時間 T mより長い場合には、 例え、 掃気 処理完了時の電解質膜 2 2の乾燥が不十分であっても、 制限部 9 5は、 掃気 実施時間を最大掃気時間 T mに制限し、 掃気実施時間が最大掃気時間 T mを 越えるような掃気処理を禁止するものとする。 ここで、 電解質膜 2 2の乾燥 が不十分である場合とは、 燃料電池スタック 2 0内部の水分が所定量 Q t h 以上残留する場合を意味する。 燃料電池スタック 2 0内部の水分量は、 交流 インピーダンスと相関性を有しているため、 燃料電池スタック 2 0の交流ィ ンピーダンスが目標交流インピーダンス未満である場合に、 電解質膜 2 2の 乾燥が不十分であると判定できる。 ここで、 目標交流インピーダンスとは、 燃料電池スタック 2 0内部が最適な湿潤状態 （残留水分量 Q t h ) となると きの交流インピーダンスである。
掃気開始時刻から最大掃気時間 T m経過時点での燃料電池スタック 2 0の 交流ィンピーダンスが目標交流インピ一ダンス未満となることが掃気開始前 に推定されるときであっても、 或いは、 掃気開始時刻から最大掃気時間 T m 経過時点で実測した燃料電池スタック 2 0の交流ィンピーダンスが目標交流 インピーダンス未満であったとしても、 制限部 9 5は、 掃気実施時間を最大 掃気時間 T mに制限する。
尚、 エアコンプレッサ 3 2は、 バッテリ 5 2からの電力により駆動するの で、最大掃気時間 T mの時間長は、 バッテリ 5 2の S O C (State of charge) に基づいて適宜設定してもよい。
上述の実施形態では、 燃料電池システム 1 0を車载電源システムとして用 いる利用形態を例示したが、 燃料電池システム 1 0の利用形態は、 この例に 限られるものではない。 例えば、 燃料電池システム 1 0を燃料電池車両以外 の移動体 （ロボット、 船舶、 航空機等） の電力源として搭載してもよい。 ま た、本実施形態に係わる燃料電池システム 1 0を住宅やビル等の発電設備（定 置用発電システム） として用いてもよい。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 掃気実施時間が最大掃気時間に達する迄、 掃気処理を継 続することにより、 次回の起動に備えて燃料電池内部の含水量を極力低減で きる。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料電池と、
前記燃料電池に掃気ガスを供給する掃気装置と、
掃気開始時点で前記燃料電池の交流ィンピーダンスを測定するとともに、 前記掃気開始時点から所定時間経過した時点で前記燃料電池の交流インピー ダンスを測定する交流ィンピーダンス測定部と、
前記掃気開始時点で測定した交流ィンピーダンス、 前記掃気開始時点から 所定時間経過した時点で測定した交流ィンピーダンス、 及び前記所定時間に 基づいて掃気実施時間を推定する掃気実施時間推定部と、
前記掃気実施時間が予め定められた最大掃気時間を越えている場合には、 前記掃気実施時間を前記最大掃気時間に制限する制限部と、
を備える燃料電池システム。
2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記掃気実施時間推定部は、 補完関数を用いて前記掃気実施時間を推定す る、 燃料電池システム。
3 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記掃気開始時点から前記所定時間経過する時点は、 前記燃料電池の温度 変化速度の絶対値が所定の閾値未満になる時点である、 燃料電池システム。
4 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記所定時間は、 予め定められた一定時間である、 燃料電池システム。
5 . 請求項 1に記載の燃料電池システムであって、
前記掃気実施時間推定部により推定された掃気実施時間が前記最大掃気時 間を越えている場合には、 前記制限部は、 掃気完了時の前記燃料電池の交流 インピーダンスが目標交流ィンピーダンス未満であっても、 前記掃気実施時 間を前記最大掃気時間に制限する、 燃料電池システム。
PCT/JP2008/058890 2007-05-10 2008-05-08 燃料電池システム Ceased WO2008143112A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020097023226A KR101136499B1 (ko) 2007-05-10 2008-05-08 연료전지시스템
DE112008001025T DE112008001025T5 (de) 2007-05-10 2008-05-08 Brennstoffzellensystem
CN2008800155289A CN101682054B (zh) 2007-05-10 2008-05-08 燃料电池系统
US12/524,487 US8236460B2 (en) 2007-05-10 2008-05-08 Fuel cell system
EP08764294A EP2157649A4 (en) 2007-05-10 2008-05-08 FUEL CELL SYSTEM

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007125448A JP4868239B2 (ja) 2007-05-10 2007-05-10 燃料電池システム
JP2007-125448 2007-05-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008143112A1 true WO2008143112A1 (ja) 2008-11-27

Family

ID=40031821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2008/058890 Ceased WO2008143112A1 (ja) 2007-05-10 2008-05-08 燃料電池システム

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8236460B2 (ja)
EP (1) EP2157649A4 (ja)
JP (1) JP4868239B2 (ja)
KR (1) KR101136499B1 (ja)
CN (1) CN101682054B (ja)
DE (1) DE112008001025T5 (ja)
WO (1) WO2008143112A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016185608A1 (ja) * 2015-05-21 2016-11-24 日産自動車株式会社 電力調整システム及びその制御方法
KR20180020314A (ko) * 2015-08-11 2018-02-27 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
KR20180027634A (ko) * 2015-08-11 2018-03-14 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
KR101860697B1 (ko) * 2015-05-21 2018-05-23 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100074303A1 (en) * 2006-11-10 2010-03-25 Nec Corporation Wireless Communication Apparatus
JP4868240B2 (ja) * 2007-05-10 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4894608B2 (ja) * 2007-05-10 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4947362B2 (ja) * 2007-05-10 2012-06-06 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5617749B2 (ja) * 2010-09-10 2014-11-05 株式会社デンソー ガス濃度測定装置
WO2012132678A1 (ja) 2011-03-31 2012-10-04 エヌ・イー ケムキャット株式会社 アンモニア酸化触媒、およびそれを用いた排気ガス浄化装置並びに排気ガス浄化方法
US9018961B2 (en) * 2012-08-01 2015-04-28 GM Global Technology Operations LLC Diagnosing injector failure via stack voltage response analysis
US9752682B2 (en) * 2012-09-07 2017-09-05 GM Global Technology Operations LLC Compound back-up ring for O-ring/back-up ring sealing systems in 70 MPA hydrogen storage systems
JP7787002B2 (ja) * 2022-04-08 2025-12-16 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002246053A (ja) 2001-02-13 2002-08-30 Denso Corp 燃料電池システム
JP2004179086A (ja) * 2002-11-28 2004-06-24 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池システム及びその運転方法
JP2005339845A (ja) * 2004-05-24 2005-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2005353438A (ja) * 2004-06-11 2005-12-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005353425A (ja) * 2004-06-10 2005-12-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006019184A (ja) * 2004-07-02 2006-01-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479177B1 (en) * 1996-06-07 2002-11-12 Ballard Power Systems Inc. Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
US7691518B2 (en) * 2003-05-15 2010-04-06 Nissan Motor Co., Ltd. Prevention of flooding of fuel cell stack
US20050287402A1 (en) * 2004-06-23 2005-12-29 Maly Douglas K AC impedance monitoring of fuel cell stack
JP4887619B2 (ja) 2004-11-29 2012-02-29 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4894608B2 (ja) * 2007-05-10 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4868240B2 (ja) * 2007-05-10 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002246053A (ja) 2001-02-13 2002-08-30 Denso Corp 燃料電池システム
JP2004179086A (ja) * 2002-11-28 2004-06-24 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池システム及びその運転方法
JP2005339845A (ja) * 2004-05-24 2005-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2005353425A (ja) * 2004-06-10 2005-12-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005353438A (ja) * 2004-06-11 2005-12-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006019184A (ja) * 2004-07-02 2006-01-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2157649A4

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016185608A1 (ja) * 2015-05-21 2016-11-24 日産自動車株式会社 電力調整システム及びその制御方法
JPWO2016185608A1 (ja) * 2015-05-21 2018-03-15 日産自動車株式会社 電力調整システム及びその制御方法
KR101860697B1 (ko) * 2015-05-21 2018-05-23 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
KR101937077B1 (ko) 2015-05-21 2019-01-09 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
US10340539B2 (en) 2015-05-21 2019-07-02 Nissan Motor Co., Ltd. Power conditioning system and control method therefor
KR20180020314A (ko) * 2015-08-11 2018-02-27 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
KR20180027634A (ko) * 2015-08-11 2018-03-14 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
KR101864107B1 (ko) 2015-08-11 2018-06-01 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법
KR101954586B1 (ko) 2015-08-11 2019-03-05 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 전력 조정 시스템 및 그 제어 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20100112398A1 (en) 2010-05-06
EP2157649A1 (en) 2010-02-24
JP4868239B2 (ja) 2012-02-01
KR20090128545A (ko) 2009-12-15
JP2008282659A (ja) 2008-11-20
KR101136499B1 (ko) 2012-04-19
EP2157649A4 (en) 2011-06-22
US8236460B2 (en) 2012-08-07
CN101682054A (zh) 2010-03-24
DE112008001025T5 (de) 2010-06-24
CN101682054B (zh) 2013-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4868239B2 (ja) 燃料電池システム
JP4894608B2 (ja) 燃料電池システム
JP4868240B2 (ja) 燃料電池システム
JP4329043B2 (ja) 燃料電池システム
WO2008114761A1 (ja) 燃料電池システム
WO2008114759A1 (ja) 燃料電池システム
WO2008072483A1 (ja) 燃料電池システム
JP5146639B2 (ja) 燃料電池システム
JP4788322B2 (ja) 燃料電池システム
JP5030013B2 (ja) 燃料電池システム
JP5083600B2 (ja) 燃料電池システム
JP4947362B2 (ja) 燃料電池システム
JP5229523B2 (ja) 燃料電池システム
JP2021128908A (ja) 燃料電池システム
JP2013254619A (ja) 燃料電池システム及びその制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880015528.9

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08764294

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12524487

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120080010250

Country of ref document: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20097023226

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008764294

Country of ref document: EP

RET De translation (de og part 6b)

Ref document number: 112008001025

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20100624

Kind code of ref document: P