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1. WO2006095606 - FUEL CELL SYSTEM

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明 細 書 燃料電池システム 5 技術分野 本発明は、燃料電池システムに関するものである。 背景技術 電解震膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池では、電解質膜の湿潤 10 状態が燃料電池の出力電圧に影響を与えることが知られている。また、燃料電池の交 流インピーダンスを測定するこど fcよって燃料 ¾の種々の状態を判定する技術が 知られている。例えば、特開 2 0 0 3— 8 6 2 2 0号公報には、燃料電池の交流ィン ンピーダンス) を測定することによって、燃料電池内部の水分状 態、すなわち、電解質膜の湿潤状態を推定する技術が記載されている。このような技 1¾ ¾,所定のタイミングで交流インピーダンスの測定を行い、そのタイミングにお け ¾¾ ί膜 ¾ 漏態 ¾推 " し力、し、燃料電池の交流インピーダンスと、電解質膜の湿潤状態との関係について、 されていないパラメータがあった。そして、本願発明者は、この未だ着目さ づ 、て 状態 ). * 出1^:。 、 料竃池電解質膜の湿 を判断す ¾新な ώ¾を と 的 :- ;':': ·;: n- .. こよ '' ¾ ΐ¾ 少なくと 一 :を解決する^め 本発は、以卞構 を 本発明の燃料電池システムは、 電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、 該燃料電池の交流インピーダンスを時系列的に測定する測定部と、 該測定された測定値の時系列データに基づいて、前記測定値のばらつきに関する所 定のパラメータ値を算出する算出部と、 該算出されたパラメータ値に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を判断する判断部 を備えることを要旨とする。 「ばらつきに関する所定のパラメータ」としては、例えば、分散や、標準偏差や、 0 変化率などが挙げられる。電解質膜の湿潤状態が適正な場合には、交流インピーダン ス i ほぼ一定の値となり、ばらつきは小さい。一方、電解質膜の湿潤状態 が適 !:い場合にほ、ばら きが大きくなる。したがって、本発明によって、燃料 電¾¾¾ 潤状態を判断することができ ¾。 言 ¾ 電池シテムにおいて、 5  メータ値が所定値以上であるときに、前記電解質膜の水分 量が過多 あると判断するようにしてもよい。 電解質膜の水分量が過多である場合には、燃料電池内部において、いわゆるフラッ デ が生じ、反応ガスの拡散が阻害されたリ、されなかったりするので、交流ィ ピ ダンスの測定値の時系列データは、大きくばらく。したが て、本^日 ょ ¾¾: s解質膜の水分量が過多であることを判断することができる。: ま^' 本 明の燃料電池システムにおいて、 部は、さらに、前記時系列デー に基づいて、前記湿潤状態を判断し、 ff ^は、前記パラメータ値が所定値未満であって、前記測定値が漸次増加して い 前記電解質膜の水分量が不足していると判断するようにしてもよい。 ' δ MMro水分量が不足している場合にほ、'交流 一ダンスの l定値 きは、水分量が適正である場合よりも大きく、水分量が過多である場合よりも小さい。 また、電解質膜の水分量が適正値よりも低下するにしたがって、電解質膜のプロトン 伝導性が低下し、交流インピーダンスの測定値は漸次増加する。したがって、本発明 によって、電解質膜の水分量が不足していることを判断することができる。 本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、 前記判断結果に基づいて、前記電解質膜の水分量を調整する水分量調整部を備える ようにしてもよい。 こうすることによって、電解質膜の湿潤状態を適正に保つことができる。 - 記.燃料電池システムにおいて、 前記水分量調整部は、前記燃料電池システムの停止時に、前記パラメータ値が所定 ?¾¾ 記測定 ¾ ¾ ' ^除去 にしてもよい。: ' , f 水^ 残存る状態で、燃料電¾ 停止する ¾料¾¾^ 起動 困 る場合がある。、本発明で' ¾料電池シス^ 停止時に、 上 値が所定値未満であって、正常な運転時よりも交流インピーダンスの 測 、^定 囲内になるように、すな ち、竃解質膜の永分量が適 ffiii た 犬 になるまで、電解質膜の水分を除去する。こうすることによって、燃料 • 電池 ^下 おける凍結を防止することができる。 ' 発明の^ 電池システムにおいて、 前言 料電池の出力を制御する出力制御装置を備え、: は、前記出力制御装 Λから発^する高 ¾ ンィズ周波^解 するこ 前記交^インピーダンスを測定するようにしてもよい。 '従 '、.燃料 s池システムにおいて、燃料電池の交流インピーダンスの測定行 ¾ 、' 料電池に所定の周波数の正弦波交流を印加するための ¾置等—、 ^イ ーダ ンズを測^するためだけに用いられる装置を設置していた。そして、これは、燃料電 池システムの大型化、複雑化、高コスト化を招いていた。 燃料電池システムには、一般に、インバータ等の出力制御装置が備えられている。 そして、この出力制御装置からは、種々の周波数成分を含む高周波ノイズが発生する。 本発明では、出力制御装置から発生する高周波ノイズを周波数解析することによって、 5 交流インピーダンスを測定する。したがって、燃料電池システムに、燃料電池の交流 インピーダンスを測定するためだけに用いられる装置を設置することなく、既存の装 置を用いることによって、燃料電池の交流インピーダンスを測定することができる。 この結果、燃料電池システムの大型化、複雑化、高コスト化を回避することができる。 ' 本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を 10 省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃 て の'他、 ·燃料電池の電解寳膜の湿潤状態の判断方法、燃料 電 ¾^ の制 方 ¾の発明として構成すると " き。ま これ i¾現す ¾ ^^、 およびそのプログラムを記録しだ録 体 搬 ¾ i 真化されたデータな の態 ¾' 15 ¾¾¾ そ^ぞ Λの態様において、先に の付加的要 適 ¾> 能 ΐ ' ' ' ' . ·' .;' . #コ :ピ一タブグラムまたはその^ロ ラム言録した記 し ¾合には、燃料電 システム (ρ動作を制御するプログ ム 体と て ¾ し七 tよいし、本 明の機能を果たす部分みを構成すもの r¾ fefe^記 ¾媒体 しては フレキシ、ルディスクや CD— RO DVD δ ' 磁 イスク I Cカード、 ROMカートリッジ、 ンチカード バコ ょ' 印 ^さ'れ 印刷物、コンヒ° タの内部記憶装置( R A や O wS よ 外部記憶装置などコンビータが読み取り能 種々の で ¾ 図面の簡単な説明 図 1は、本発明の一実施例としての燃料電池システム 1 0 0の概略構成を示す説明 図である。 図 2は、燃料電池システム 1 0 0の概略の等価回路を示す説明図である。 図 3は、電解質膜の湿潤状態の判断について示す説明図である。 図 4は、水分量調整処理の流れを示す ロ一チヤ一卜である。 図 5は、停止処理の流れを示すフローチャートである。 発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。 ¾ 電¾ ステム: B :電 質膜 潤状態の判断: 氷分量調整処理: D 停止処理 Ε ΰ^形例: A 燃料電池システム: 図 1は、本発明の一実施例としての燃料電池システム 1 0 0の概略構成を示す説明 図である。燃料電池システム 1 0 0は、燃料電池スタック 1 0と、燃料電池スタック 1 0の出力を制御する出力制御装置 4 0とを備えている。 燃料電池スタック 1 0は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数 積 さ1 た積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質 ft 挟んで水'素極 (以下、アノードと呼ぶ)と酸素極(以下、力ソードと呼ぷ)とを配置した構成とな つている(図示省略) 。なお、燃料電池スタック 1 0は、電解質膜として固体高分子 膜を用いた固体高分子型燃料電池である。 燃料電池スタック 1 0の力ソードには、酸素を含有したガスとして空気が、配管 2 0を介して、供給される。力ソードからの排気(以下、力ソードオフガスと呼ぶ)は、 配管 22を介して、外部に排出される。配管 20, 22には、それぞれバルブ 21, 23が配設されている。 燃料電池スタック 1 0のアノードには、配管 30を介して、水素が供給される。ァ ノードからの排気(以下、アノードオフガスと呼ぶ)は、配管 32を介して、外部に 排出される。配管 30, 32には、それぞれバルブ 31 , 33が配設されている。 出力制御装置 40は、後述するように、インバータを備えており、制御ユニット 5 β'.の制御信号にしたがって駆動し、燃料電池スタック 10の出力を制御する。 燃料電池システム 1 00の運転は、制御ュニッ卜 50によって制御される。制御ュ 二 ¥ ¾¾ ' 、 R M、 ¾ : * ¾¾ ク ¥ 0 こ記億され ¾¾グ ムにっ^'¾ ¾■?囱^ こ Sfe 現するために、 御ュ tッ ό ¾ れ ¾ A号  入力信号としては、例えば、外部からの出力要求(図示せ ず " ¾ ώ力御^置^■ 0が備える電計、 電圧訐 ώ力などが拳 ¾れ¾ 出; ¾ 号 御装置 40の 御信号や、バル 2 ' 23 3 ' 3 :3 ¾i 粤¾ が れる。:' ' . ' ' ', .,'.' :., ' .:·い ¾施 は;制御!ニット 50 おいて、 · C 上記ロ ¾ ¾¾ ¾部、 th部、 ' 氷量整 どと る。 こ ' 50は、 制御 置 流^や、'電圧 出 ¾ 電池 ¾¾ fc;交流 ピ ス 定結果 ίこ iづぃて、'燃料電¾ ¥ 臏の し:.その判断結 ¾づ 、' 質 * ft整 ' ^料電池システ 1 00の名 の制御 。 fe よう、 ί実] ίΙ 燃 電¾ス^ ク 1 ώ電解質 iま固体高分子膜 ¾解質膜 の水分量が燃料電池スタック 1 0の発電性能に影響するからである。交流インピーダ ' ンスの測定、および、電解質膜の湿潤状態の判断については、後述する。 図 2は、燃料電池システム 1 0 0の概略の等価回路を示す説明図である。図示する ように、燃料電池スタック 1 0は、抵抗 R sと、抵抗 R cと、電気二重層容量 C dと を含んでいる。抵抗 R sは、燃料電池スタック 1 0のセパレータのバルク抵抗や、接 触 抗などを含んでいる。抵抗 R cは、膜抵抗や、界面抵抗などを含んでいる。出力 制御装置 4 0は、インバータ 4 1 と、電流計 4 2と、電圧計 4 3とを備えている。 出力制御装置 4 0を駆動して燃料電池スタック 1 0の出力を制御するときに、イン バー .4 1からは、種々の周波数成分を含む高周波ノイズが発生する。この高周波ノ 0 ィズは、電流計 4 2や、電圧計 4 3の出力から抽出することができる。制御ュニット ¾流計 4 2や、電圧計 4 3の出力から、 周波ノイズを抽出 L、 れ^周波  とによって、燃料電池スタック 1 0の交流インピーダンスを測定する。 本 列でほ、腠抵抗に起因する交流インピーダンスを 定るため、数 z以 周波 (こついて解析を行うものとした。周波 ί¾解析による交流インピ 、ては、説明を省略する。 電解質膜の湿潤状態の判断: 囱 3 、燃料電池スタック 1 0の交流インピーダンスに基づく電解質 湿潤状態 ^断について示す説明図である。この判断では、燃料電池スタック 1 0の i ン '0 1"ダンスのうちの実部の値を用いる。したがって、以下では、交流イン ダ 'シ の とは、交流インピーダンスの実部の値を指すものとする。 [11 3 ( a ) は、電解質膜の水分量が適正な場合の燃料電池スタック 1 0の ¾流イン ピ一ダンスの時系列データ 示している。図示するよう (こ、電解質膜 分量 適正 : ¾合【 は、燃料電池スタック 1 0では、安定して発電が行われ、交流インピーダ ¾ の値は、ほぼ一定となる。つまり、燃料電池スタック 1 0の交流インピーダンスの 値がほぼ時系列的にほぼ一定で、ばらつきが小さい場合には、電解質膜の水分量が適 正であると判断することができる。 図 3 (b) は、電解質膜の水分量が過多の場合の燃料電池スタック 1 0の交流イン ピーダンスの時系列データを示している。図示するように、電解質膜の水分量が過多 5 の場合には、燃料電池スタック 1 0内では、いわゆるフラッデイングが生じ、反応ガ スの拡散が阻害されたり、されなかったりするので、発電が不安定となり、交流イン ピーダンスの値は、大きくばらつく。つまり、燃料電池スタック 1 0の交流インピー ダンスの値が時系列的に大きくばらついている場合には、電解質膜の水分量が過多で ある 判断することができる。 10 図 3 (c) は、電解質膜の水分量が不足している場合の燃料電池スタック 1 0の交 タを ^して^ : う ί :¾ 臺 交 ンピーダンスの値のばらつきは、水分量が適正な場 合 、 ¾Μ ¾合 y 、さ i ^s角質膜 晝¾1  t- 15 ¾ί 、 電¾ タツ 1 0の交イン ダンズ 値の時 ぱ  、 流 ^¾¾スの が ¾加している場合に^電解質膜の永 έ ¾ ¾ ^きる。、. に、 本美施例では、燃料電池スタック 1 0の交流インピーダンスの時 ¾ 系 ぼ き 基づいて、電解質膜の湿潤状態^判断 ^。なお/本実 は、 きを表 パラ^ータとして、分散を用 るものと た。†づて 実] ¾散 値 第1の閾値 1以下である場 ¾にほ、 ¾角質膜 水分 *ϊま 。ま 、.分散 Vの値第 1の 値 ' 'く 2の閾¾ ¾¾、さい場合 は、電解質膜の永分量は 足い!)と判断す ¾i¾¾ ¾¾ ¾»ίβ)¾ 値 2以上である場 には、電解質 莫の水分量は過多 ぁ¾^判 る。なお、ばらつきを表すパラメータとして、分散の代わりに、標準偏差や、変化率 等、他のパラメータを用いるものとしてもよい。 C. 水分量調整処理: 5 図 4は、水分 調整処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電 池システム 1 00の運転中に、制御ュニッ卜 50の C P Uが実行する処理である。 C P Uは、出力制御装置 40の電流計 42、および、電圧計 43から出力される電 流値、および、電圧値を、所定のサンプリング間隔で取得し、順次、 RAMに蓄積す る:: ( テップ S 1 00) 。サンプリング ¾隔は、任意に設定可能である。先に説明し 0 たように、これらの値には、高周波ノイズが含まれている。次に、 CP Uは、蓄積さ た S¾値 電圧値から、高速フーリエ によつ r、周 ά数成 を ス ' ο)^:燃料電池スタック 1 0の交流インピーダンスを算出する(ス テツプ S 1 20) 。算出された交流インピーダンスの値も RAMに蓄積される。次に、 6p ¾ ピーダンスの値の分散を算出する(ステップ S 1 30) 。分散の 5 算 ¾象 ΐ¾る交流 メ タの値の数、すなわち、分散 算出 ^^る ¾範¾(ま 'ffi ίこ設¾可能である。 :: . : : ヒ i'oAm mm 分 適正か杏 を判断 る (ステップ S 40) 先に ^明し う'に; 分散 第 閾値 V 以下であ 場合には、電解質 莫の *分量が適正で ¾る判断 ずる。 'また 分散の値が第 1の閾値 V 1よりも大きく、第 2の閾値 V 2より fi さ ¾ 8&、 ¾ 質膜 永分量は不足していると半 ii断する。た分散の値 閾鐘¾ 上であ 場合、電解 ¾膜の水分量 過多であると判断す ¾。 分散 豳値 v 1'よ 〕も大きく、第≥の閾値 V 2よリも小 い場合、'交 ィ  値力 次増加していれば、電解質 ΜΦ水分量が不 してい ¾ことを & ; 5 確 判断 ることがきる。先に説明し ように、交流イ ピーダンスの値は、:電解 質膜の水分量が減少するにつれて、漸次増加するからである。 ' ステップ S 40において、電解質膜の水分量が適正であると判断した場合には、 CPUは、 通常運転を実行する(ステップ S 1 50) 。電解質膜の水分量が不足して いると判断した場合には、 CPUは、加湿運転を実行する(ステップ S 1 60) 。こ 5 の加湿運転では、 CPUは、燃料電池スタック 1 0の温度や、燃料電池スタック 1 0 に供給するガスの圧力、および、流量や、図示しない加湿器による加湿量を調整して、 電解質膜の水分量を増大させる制御を行う。また、電解質膜の水分量が過多であると 判断した場合には、 CPUは、余剰水分除去運転を実行する(ステップ S 1 70) 。 この余剰水分除去運転では、 CP Uは、燃料電池スタック 1 0の温度や、燃料電池ス 0 タック 1 0に供給するガスの圧力、および、流量や、図示しない加湿器による加湿量 Ϊ議 ¾to質膜の水分量を減 させる制御を行う。 ¾i!:、 c puは、燃料電池システム 1 00を停止するか否か、ずゎ、 '停: ¾きれ :か否かを判断する(ステップ S 1 δ ο) 。燃料電池システ "I 00を 場合にほ(ステップ S 1 80 : NO) 、ステップ S 100に戻 燃料電池 5 00を停止する場合には (ステップ S 1 80 : YES) 、後述 ¾卷 ( テップ S 2ひ 0) 、水分量調整処理を終了ずる。' 'て' ¾ 停 図 5は、' 図 4のステップ 200における停止処理の流れを示すフローチ^ トで ¾。:' の処理【 燃料電池システム1 00を停止した後、氷点下 の! I然料電池 X: ク' 0'の凍結を抑制するための処理である。 ッ S 21 0 240の処理は、先に説明した水分調整処理おけるス亍  b〜' 30の処理と同じでぁリ、継続して実行する処理であ す ¾お P '出 Λ制御装置 40の電流計 4 '2、および、電圧計 43から出力される電 5 1圧値 、所定のサンプリング間隔で取得し、順次、 RAM 蓄 ¾ (ステップ S 210) 。次に、 CPUは、蓄積された電流値、および、電圧値から、. 高速フーリエ変換によって、周波数成分を抽出し(ステップ S 220) 、燃料電池ス タック 1 0の交流インピーダンスを算出する (ステップ S 230) 。次に、 CPUは、 交流インピーダンスの分散を算出する(ステップ S 240) 。 次に、 CPUは、散の値、および、交流インピーダンスが所定の条件を満たして いるか否か、すなわち、分散の値が所定値 V 2未満であり、かつ、最後に算出した交 流インピーダンスの値 Zが所定範囲 Z 1〜Z 2になっているか否かを判断する(ステ ップ S 250) 。所定値 V 2は、電解質膜の水分量が過多であることの判断基準とな る閾値:"^ある。また、上記所定範囲の下限値 Z 1、および、上限値 Z 2は、電解質膜 の水分量が不足しているときの範囲内で設定されている。さらに、下限値 Z 1、およ 値 2 氷点 ^の燃 電池スタック 0め を抑 っ ^逢かに έ範 fe定れ Τいる。各値^上 ¾条を ¾^して Ι¾ΪΪ¾Ι¾ 9¾¾ 0: NO):、 CPLM 各値が 己 すま 剰 ¾ ^除 ¾. ίϊ¾ ¾ ¾S 260) 。この余剰水分!^去 ¾転は、先に説明した図 4のス テ ^と同 る。各値が上記条件を満していれぼ (ズ 5 ES) 、 ρ ϋほ、 処理を終了する。 . ;: ..η. ': mi説明' 本実施例の燃料電池システム 00によれ 竃池 ク 10 . 一ダンスのばらつきに基づいて、電解質 の湿潤状態を半 ϋ if ¾眷 て、電解質膜の ¾潤状態を適正に保つように燃料電¾シス^ム δ ずることができる。 · ' ' ' ' ;: ' び ΐ ¾実] ii¾の燃料電池システム 100では、御装置 4 όがら ή ズを 数解析するこ によって、燃料 i池スタック 1 0 交流イ を測 ことができるので、燃料電池システム 100に、 'Ji料電¾スタック ·1. ンピ ダンスを測定するためだけに用られ ¾ 置を設置 ¾ ¾ ' 'の 像を用し、 ¾ :とによって、燃料電池スタック 10の交流インピーダ 測 定することができる。この結果、燃料電池システム 1 0 0の大型化、複雑化、高コス ト化を回避することができる。 E . 変形例: 以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実 施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において 種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。 E 1 . 変形例 1 : ί ±記実施例では、インバータ 4 1から発生する.高周波ノイズを周波数解析すること によって、燃料電池スタック 1 0の交流インピーダンスを測定するものとしたが、高 窵 λ ¾ι| 小さく、交流イン t一ダン の測定 ¾が悪 (、場 ¾ 電圧 fc任意の周波数成分を有する電圧を印加して、高周波ノイズの振 幅を増大させ、交流 ンピーダンスの測定精度を向上させるようにしてもよい。 .2 ¾¾例 2 : . 実施 ί列ば、燃料電池スタック 全体の交流インピーダ 測定する 。例えば、各セパレ一に測 の ¾子 t¾"; ¾ ¾έするようにしてもよいこうす '【 :よ : '燃料電 ¾ タ¾ 0における不具合の発生部位を特定することができる。 insufficientOCRQuality