JP2004164909A

JP2004164909A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004164909A
Application number: JP2002326867A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Imamura; 朋範今村; Tetsunari Ozaki; 哲斉尾▲崎▼
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP4415537B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain the lowering of a fuel cell system efficiency to the minimum when the fuel cell system is deteriorated. <P>SOLUTION: The state of deterioration of the fuel cell 10 is diagnosed basing on a current/voltage characteristics before correcting the control condition of supplemental gas-supply devices 21, 23, 32, 34, and the current/voltage characteristics in correcting the control conditions of the supplemental gas-supply devices. By correcting the control conditions of the supplemental gas-supply devices according to a state of deterioration so as to maximize a system efficiency after deterioration, the lowering of the system efficiency is restrained to the minimum when the system is deteriorated. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、所定の出力が得られるように、水素や酸素を供給する補機の制御条件等を設定しているが、電解質膜の導電率、電極触媒の活性等が経時的に低下するため、当初設定された条件では所定の出力が得られなくなる。
【０００３】
このような燃料電池の劣化による出力低下を補償するためには、水素や酸素の供給量を増加させる方法が考えられる。しかしながら、この方法では、燃料電池の出力は維持できるが、補機の消費動力が増加するため、補機の消費動力を差し引いた燃料電池システムとしての出力は低下する。また、燃料電池の出力を維持する条件が、必ずしも燃料電池システムの効率を最大にする動作条件と等しくなるものではない。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、劣化した際の燃料電池システム効率の低下を最小限に抑えることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化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燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）から供給される電力によって作動して、酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方を燃料電池（１０）に供給する補機（２１、２３、３２、３４）とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の出力電流を計測する電流計測手段（１２）と、燃料電池（１０）の出力電圧を計測する電圧計測手段（１２）と、出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性を演算する演算手段（４０）とを備え、電流・電圧特性に基づいて燃料電池（１０）の劣化状態を診断し、劣化状態に応じて、劣化後のシステム効率が最大となるように補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正することを特徴とする。
【０００６】
これによると、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
【０００７】
なお、請求項２に記載の発明のように、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正する前の電流・電圧特性と、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件の補正を行う際の電流・電圧特性とに基づいて、燃料電池（１０）の劣化状態を診断することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明のように、補機（３２、３４）にて供給される燃料ガスの圧力または量の少なくとも一方を変更して、燃料電池（１０）のアノード電極の劣化状態を診断することにより、アノード電極の劣化の有無を推定することができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明のように、補機（２１、２３）にて供給される酸化ガスの圧力または量の少なくとも一方を変更して、燃料電池（１０）のカソード電極の劣化状態を診断することにより、カソード電極の劣化の有無を推定することができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、燃料電池（１０）は、積層された多数のセルを所定の押し付け圧にて押し付けて構成され、押し付け圧を変更して、セル間の接触抵抗の増加を診断することを特徴とする。これによると、セル間の接触抵抗の増加の有無を推定することができる。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、燃料電池（１０）は、積層された多数のセルを所定の押し付け圧にて押し付けて構成され、押し付け圧を変更して、セルの電解質膜の劣化を診断することを特徴とする。これによると、セルの電解質膜の劣化の有無を推定することができる。
【００１２】
請求項７に記載の発明のように、補正する前の制御条件にて補機（２１、２３、３２、３４）を作動させつつ、出力電流を所定の速度で変化させて出力電圧を計測し、このときの出力電流と出力電圧に基づいて、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正する前の電流・電圧特性を演算してもよい。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明のように、通常運転時に計測した出力電圧と出力電流に基づいて、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正する前の電流・電圧特性を演算してもよい。
【００１４】
請求項９に記載の発明では、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を変化させた際の燃料電池（１０）の出力電力と補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を変化させた際の補機（２１、２３、３２、３４）の消費動力との差が最大となるように、補機（２１、２３、３２、３４）の制御条件を補正することを特徴とする。
【００１５】
これによると、補機の消費動力を差し引いた燃料電池システムとしての出力を最大にすることにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００１６】
なお、上記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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００１９】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２０】
（アノード電極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード電極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出すると共に燃料電池１０の出力電流を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号および電流信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。なお、セルモニタ１２は本発明の電圧計測手段および電流計測手段に相当する。
【００２１】
また、燃料電池１０は、積層された多数のセルが押し付け装置１３により所定の押し付け圧にて押し付けられている。押し付け装置１３は、本例では圧電素子を用いており、圧電素子に印加する電圧を調整することにより押し付け圧を制御するようになっている。
【００２２】
燃料電池システムには、燃料電池１０のカソード電極（空気極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０のアノード電極（燃料極）側に水素を供給するための燃料流路３０が設けられている。空気流路２０は燃料電池１０内部において空気が通過する部位を含み、燃料流路３０は燃料電池１０内部において水素が通過する部位を含む。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２３】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気ポンプ２１は、電動モータ（図示せず）にて駆動され、燃料電池１０から電動モータに電力が供給され、その回転数を変動させることで空気供給量（酸素供給量）を調整することができる。空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力、換言すると空気流路２０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。なお空気ポンプ２１および空気調圧弁２３は、本発明の補機に相当する。
【００２４】
燃料流路３０の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ３１が設けられ、燃料流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００２５】
燃料流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて燃料流路３０が閉ループに構成されており、これにより燃料流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。
【００２６】
そして、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、燃料流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。水素ポンプ３４は、電動モータ（図示せず）にて駆動され、燃料電池１０から電動モータに電力が供給され、その回転数を変動させることで水素供給量を調整することができる。なお、水素調圧弁３２および水素ポンプ３４は、本発明の補機に相当する。
【００２７】
制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等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。そして、制御部４０には、セルモニタ１２からの電圧信号および電流信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、加湿器３３、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。
【００２８】
なお、制御部４０は、本発明の演算手段に相当し、また、電流・電圧特性に基づいて燃料電池１０の劣化状態を診断して補機の制御条件を補正する制御手段に相当する。
【００２９】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を、図１〜図８に基づいて説明する。なお、図３〜図８は制御部４０にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の劣化状態を診断して補機等の制御条件を補正する、劣化補正制御の部分の流れ図である。
【００３０】
図２は燃料電池１０の出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）であり、実線は初期の電流・電圧特性、一点鎖線は劣化時の電流・電圧特性である。なお、初期の電流・電圧特性は、制御部４０に記憶されている。
【００３１】
図２に示すように、電流・電圧特性において電圧が最低になるときの電流値を、本明細書では限界電流値という。図２中の破線は、各特性線を直線近似したものであり、直線近似した線において電流Ｉ＝０のときの電圧差ΔＶｓを、本明細書ではシフト成分という。また、直線近似した線において電流変化量ΔＩに対する電圧変化量ΔＶの比（ΔＶ／ΔＩ）を、本明細書では傾き成分という。
【００３２】
図３は劣化補正制御の全体の流れを示すもので、燃料電池１０の劣化状態を診断するための情報として劣化特性データを収集し（ステップＳ１００）、劣化特性データに基づいて燃料電池１０の劣化内容を推定し（ステップＳ２００）、劣化状態に応じて補機等の制御条件を補正するようになっている（ステップＳ３００）。
【００３３】
劣化特性データの収集（図３のステップＳ１００）の詳細について、図４にて説明する。
【００３４】
まず、燃料電池１０に供給される水素の流量および圧力を所定条件に設定し（ステップＳ１０１）、燃料電池１０に供給される空気の流量、圧力および湿度を所定条件に設定して（ステップＳ１０２）、電流・電圧特性変化データを収集する（ステップＳ１０３、詳細後述）。
【００３５】
この所定条件下での電流・電圧特性変化データの収集により、劣化発生の有無が判定可能である。劣化発生の有無については、初期の電流・電圧特性と現在の電流・電圧特性とを比較することにより判定できる。
【００３６】
続いて、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２で設定した条件から、水素流量のみを増加させた条件を設定して（ステップＳ１０４）、電流・電圧特性変化データを収集する（ステップＳ１０５、詳細後述）。
【００３７】
次に、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２で設定した条件から、空気流量のみを増加させた条件を設定して（ステップＳ１０６）、電流・電圧特性変化データを収集する（ステップＳ１０７、詳細後述）。この各条件による電流・電圧特性の測定データに基づき、図６に示す手続で劣化要因の判定を行う。
【００３８】
電流・電圧特性変化データの収集（図４のステップＳ１０３、１０５、１０７）の詳細について、図５にて説明する。まず、燃料電池１０の電流を所定の増加速度で変化させつつ（ステップＳ１０３１）、燃料電池１０の電流と電圧をセルモニタ１２にて計測する（ステップＳ１０３２）。
【００３９】
次に、ステップＳ１０３２で得たデータに基づいて現在の電流・電圧特性の傾き成分を算出し（ステップＳ１０３３）、制御部４０に記憶された初期の電流・電圧データとステップＳ１０３２で得たデータとに基づいて、現在の電流・電圧特性のシフト成分を算出し（ステップＳ１０３４）、ステップＳ１０３２で得たデータに基づいて現在の電流・電圧特性の限界電流値を算出し（ステップＳ１０３５）、ステップＳ１０３３〜１０３５で算出した値を格納する（ステップＳ１０３６）。
【００４０】
劣化内容の推定（図３のステップＳ２００）の詳細について、図６にて説明する。
【００４１】
まず、燃料電池１０に供給される水素の流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出する（ステップＳ２０１）。ここで、アノード電極の触媒が劣化している場合には、水素流量を増加させることにより、水素流量を増加させる前の電流・電圧特性に対して、電流・電圧特性のシフト成分が減少する。よって、このシフト成分の増加量が所定値以下の場合には（ステップＳ２０２がＹＥＳ）、アノード電極の触媒の劣化無しと判定され（ステップＳ２０３）、一方、シフト成分の増加量が所定値を超えている場合には（ステップＳ２０２がＮＯ）、アノード電極の触媒の劣化有りと判定される（ステップＳ２０４）。
【００４２】
次に、燃料電池１０に供給される空気の流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出する（ステップＳ２０５）。ここで、カソード電極の触媒が劣化している場合には、空気流量を増加させることにより、空気流量を増加させる前の電流・電圧特性に対して、電流・電圧特性のシフト成分が減少する。よって、このシフト成分の増加量が所定値以下の場合には（ステップＳ２０６がＹＥＳ）、カソード電極の触媒の劣化無しと判定され（ステップＳ２０７）、一方、シフト成分の増加量が所定値を超えている場合には（ステップＳ２０６がＮＯ）、カソード電極の触媒の劣化有りと判定される（ステップＳ２０８）。
【００４３】
続いて、電流・電圧特性の傾き成分増加発生時の要因判定法を説明する。傾き成分の増加は、内部抵抗の増加が要因である。その内部抵抗の増加要因は、スタックの押し付け圧の低下によるセル間の接触抵抗の増加と、電解質膜自体の抵抗増加の２つがある。なお、現在の電流・電圧特性の傾き成分が、初期の傾き成分に対して増加していない場合は（ステップＳ２０９がＹＥＳ）、このような劣化が発生していないと考えられる。
【００４４】
傾き成分の増加量が所定値を超えている場合は（ステップＳ２０９がＮＯ）、まず、押し付け装置１３による押し付け圧を上げて（ステップＳ２１０）、電流・電圧特性を収集する（ステップＳ２１１、詳細は図５参照）。押し付け圧を上げて傾き成分が所定値以上低下した際には（ステップＳ２１２がＹＥＳ）、セル間の接触抵抗が増加していると判定される（ステップＳ２１３）。
【００４５】
次に、通常時の傾き成分の増加量から、押し付け圧の低下に起因する傾き成分の増加量を差し引いて、電解質膜の抵抗増加に起因する傾き成分の増加量を算出し（ステップＳ２１４）、ステップＳ２１４で算出した値が所定値以上であれば（ステップＳ２１５がＹＥＳ）、電解質膜の劣化があると判定する（ステップＳ２１６）。そして、ステップＳ２０１〜２１６での劣化内容の診断結果を保存する（ステップＳ２１７）。
【００４６】
制御条件の補正（図３のステップＳ３００）の詳細について、図７にて説明する。
【００４７】
アノード触媒が劣化した場合には（ステップＳ３０１がＹＥＳ）、燃料電池１０に供給される水素の流量の増加量を複数設定して、水素流量増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に（ステップＳ３０２）、水素流量増加時の補機の消費電力を算出する（ステップＳ３０３）。
【００４８】
そして、ステップＳ３０２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３０３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる水素流量の条件を求める（ステップＳ３０４）。ここで求めた電流値と水素流量との関係が、アノード触媒劣化が生じた際における最適な運転条件であり、ここで求めた電流値と水素流量との関係となるように、電流と水素流量の制御マップを更新し（ステップＳ３０５）、以後、この更新した制御マップに基づいて水素流量を制御する。
【００４９】
次に、カソード触媒が劣化した場合には（ステップＳ３１１がＹＥＳ）、燃料電池１０に供給される空気の流量の増加量を複数設定して、空気流量増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に（ステップＳ３１２）、空気流量増加時の補機の消費電力を算出する（ステップＳ３１３）。
【００５０】
そして、ステップＳ３１２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３１３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる空気流量の条件を求める（ステップＳ３１４）。ここで求めた電流値と空気流量との関係が、カソード触媒劣化が生じた際における最適な運転条件であり、ここで求めた電流値と空気流量との関係となるように、電流と空気流量の制御マップを更新し（ステップＳ３０５）、以後、この更新した制御マップに基づいて空気流量を制御する。
【００５１】
次に、押し付け圧の低下によるセル間の接触抵抗の増加が有り（ステップＳ３２１がＹＥＳ）、かつ、その接触抵抗の増加量が所定値以上の場合には（ステップＳ３２２がＹＥＳ）、押し付け装置１３による押し付け圧を上げると共に、押し付け圧が低下したことを知らせる警報を出力する（ステップＳ３２３）。
【００５２】
次に、電解質膜の劣化が有り（ステップＳ３３１がＹＥＳ）、かつ、その劣化度合が所定値以上の場合には（ステップＳ３３２がＹＥＳ）、加湿器２２、３３による加湿の条件を補正すると共に、電解質膜の劣化が有ったことを知らせる警報を出力する（ステップＳ３３３）。
【００５３】
ステップＳ３３３の詳細について、図８にて説明する。まず、電流と加湿量目標値のマップにおける、加湿量目標値を新値に増加補正し（ステップＳ３３３１）、この更新したマップに基づいて加湿量を制御して、電流・電圧特性を収集する（ステップＳ３３３２、詳細は図５参照）。
【００５４】
そして、加湿量目標値を補正後の電流・電圧特性の傾き成分が、補正前の傾き成分に対して減少した場合は（ステップＳ３３３３がＹＥＳ）、電流と加湿量目標値のマップを更新し（ステップＳ３３３４）、以後、この更新したマップに基づいて加湿量を制御する。
【００５５】
一方、加湿量目標値を補正しても傾き成分が減少しなかった場合は（ステップＳ３３３３がＮＯ）、加湿量を増加するだけでは電解質膜の劣化による出力低下を補償することが不可能と判断し、その旨を知らせる警報を出力する（ステップＳ３３３５）。
【００５６】
上記した本実施形態によると、補機の制御条件を補正する前の電流・電圧特性と、補機の制御条件の補正を行う際の電流・電圧特性とに基づいて、燃料電池１０の劣化状態を診断することができる。
【００５７】
すなわち、燃料ガスの量を変更してアノード電極の劣化状態を診断することができ、酸化ガスの量を変更してカソード電極の劣化状態を診断することができ、セルの押し付け圧を変更することによりセル間の接触抵抗の増加や電解質膜の劣化を診断することができる。
【００５８】
そして、劣化状態に応じて劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００５９】
また、補機の制御条件を変化させた際の燃料電池１０の出力電力と補機の制御条件を変化させた際の補機の消費動力との差が最大となるように、補機の制御条件を決定することにより、劣化した際のシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００６０】
なお、制御条件の補正の手順（図３参照）において、ステップＳ３０２では水素流量を増加させたが、水素圧力を増加させるようにしてもよい。
【００６１】
この場合、ステップＳ３０２では燃料電池１０に供給される水素の圧力の増加量を複数設定して、水素圧力増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に、ステップＳ３０３では水素圧力増加時の補機の消費電力を算出する。さらに、ステップＳ３０４では、ステップＳ３０２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３０３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる水素圧力の条件を求め、ステップＳ３０５ではここで求めた電流値と水素圧力との関係となるように、電流と水素圧力の制御マップを更新し、以後、この更新した制御マップに基づいて水素圧力を制御する。
【００６２】
また、制御条件の補正の手順（図３参照）において、ステップＳ３１２では空気流量を増加させたが、空気圧力を増加させるようにしてもよい。
【００６３】
この場合、ステップＳ３１２では燃料電池１０に供給される空気の圧力の増加量を複数設定して、空気圧力増加時の電流・電圧特性データを収集すると共に、ステップＳ３１３では空気圧力増加時の補機の消費電力を算出する。さらに、ステップＳ３１４では、ステップＳ３１２で得た電流・電圧特性と、ステップＳ３１３で算出した補機消費電力とに基づいて、燃料電池１０の各電流値毎に、燃料電池システムの出力が最大となる空気圧力の条件を求め、ステップＳ３１５ではここで求めた電流値と空気圧力との関係となるように、電流と空気圧力の制御マップを更新し、以後、この更新した制御マップに基づいて空気圧力を制御する。
【００６４】
また、制御条件の補正の手順において、ステップＳ３０２で水素圧力を増加させるようにすることと、ステップＳ３１２で空気圧力を増加させるようにすることを、共に実施してもよいし、いずれか一方を実施してもよい。また、流量と圧力の増加を組み合わせて同時に行ってもよい。
【００６５】
（第２実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の電流・電圧特性変化データの収集の手順（図５参照）を図９のように変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。
【００６６】
図９において、燃料電池１０を運転させながら、運転中の電流と電圧を計測し（ステップＳ１０３１ａ）、その計測したデータを統計処理して平均電流・電圧特性を算出し（ステップＳ１０３２ａ）、以下、第１実施形態と同様に、ステップＳ１０３３以降の処理を行う。
【００６７】
第１実施形態の方法では、データ収集は、燃料電池システム停止中（車両停止時もしくは２次電池での走行時）に行う必要があるが、本実施形態では、燃料電池システムは従来通り運転したまま、すなわち通常運転時に電流・電圧特性が測定できるため、システムを停止せずとも良い。
【００６８】
（第３実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の劣化特性データの収集の手順（図４参照）を図１０のように変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。
【００６９】
第１実施形態のステップＳ１０４では水素流量を増加させた条件を設定したのに対し、本実施形態では水素圧力のみを増加させた条件を設定するようにしている（ステップＳ１０４ａ）。また、第１実施形態のステップＳ１０６では空気流量を増加させた条件を設定したのに対し、本実施形態では空気圧力のみを増加させた条件を設定するようにしている（ステップＳ１０６ａ）。
【００７０】
（第４実施形態）
本実施形態は、上記第１実施形態の劣化内容の推定の手順（図６参照）を図１１のように変更したものであり、その他の点は第１実施形態と同一である。
【００７１】
第１実施形態のステップＳ２０１では水素流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出したのに対し、本実施形態では水素圧力を増加させたときのシフト成分の変化量を算出するようにしている（ステップＳ２０１ａ）。また、第１実施形態のステップＳ２０５では空気流量を増加させたときのシフト成分の変化量を算出したのに対し、本実施形態では空気圧力を増加させたときのシフト成分の変化量を算出するようにしている（ステップＳ２０５ａ）。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】図１の燃料電池１０の出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性図である。
【図３】図１の制御部４０にて実行される劣化補正制御の部分の流れ図である。
【図４】図３の劣化特性データの収集の詳細を示す流れ図である。
【図５】図４の電流・電圧特性変化データの収集の詳細を示す流れ図である。
【図６】図３の劣化内容の推定の詳細を示す流れ図である。
【図７】図３の制御条件の補正の詳細を示す流れ図である。
【図８】図７の加湿条件の補正・劣化警報の出力の詳細を示す流れ図である。
【図９】第２実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【図１０】第３実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【図１１】第４実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１２…セルモニタ（電流計測手段兼電圧計測手段）、
２１…空気ポンプ（補機）、２３…空気調圧弁（補機）、
３２…水素調圧弁（補機）、３４…水素ポンプ（補機）、
４０…制御部（演算手段）。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is used as a generator for vehicles such as vehicles, ships, and portable generators, or a household generator. It is effective to apply.
[0002]
2. Description of the Related Art
In a fuel cell system that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, control conditions and the like for auxiliary equipment that supplies hydrogen and oxygen are set so as to obtain a predetermined output. , The conductivity of the electrode catalyst, the activity of the electrode catalyst, and the like decrease with time, so that a predetermined output cannot be obtained under the initially set conditions.
[0003]
In order to compensate for such a decrease in output due to the deterioration of the fuel cell, a method of increasing the supply amount of hydrogen or oxygen can be considered. However, in this method, although the output of the fuel cell can be maintained, the power consumption of the auxiliary equipment increases, so that the output of the fuel cell system obtained by subtracting the power consumption of the auxiliary equipment decreases. Further, the condition for maintaining the output of the fuel cell is not always equal to the operating condition for maximizing the efficiency of the fuel cell system.
[0004]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to minimize a decrease in fuel cell system efficiency when deteriorated.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) that generates an electric energy by performing an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component. And a auxiliaries (21, 23, 32, 34) operated by electric power supplied from the fuel cell (10) and supplying at least one of an oxidizing gas and a fuel gas to the fuel cell (10). In the system, a current measuring means (12) for measuring an output current of the fuel cell (10), a voltage measuring means (12) for measuring an output voltage of the fuel cell (10), and a relation between the output current and the output voltage. Computing means (40) for computing the current / voltage characteristics shown, diagnosing the state of deterioration of the fuel cell (10) based on the current / voltage characteristics, and according to the state of degradation, the system efficiency after the deterioration is maximized. What And correcting the control condition of the accessory (21,23,32,34) as.
[0006]
According to this, the control condition of the auxiliary equipment is corrected so that the system efficiency after deterioration is maximized according to the state of deterioration, so that a decrease in system efficiency when deteriorated can be minimized.
[0007]
It is to be noted that the current / voltage characteristics before the control conditions of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) are corrected and the current values of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) as in the second aspect of the invention. The deterioration state of the fuel cell (10) can be diagnosed based on the current / voltage characteristics when the control condition is corrected.
[0008]
According to the third aspect of the present invention, at least one of the pressure and the amount of the fuel gas supplied by the auxiliary device (32, 34) is changed to diagnose the deterioration state of the anode electrode of the fuel cell (10). This makes it possible to estimate whether or not the anode electrode has deteriorated.
[0009]
As in the invention according to claim 4, at least one of the pressure and the amount of the oxidizing gas supplied by the auxiliary device (21, 23) is changed to diagnose the deterioration state of the cathode electrode of the fuel cell (10). By doing so, it is possible to estimate whether or not the cathode electrode has deteriorated.
[0010]
According to the invention described in claim 5, the fuel cell (10) is configured by pressing a large number of stacked cells at a predetermined pressing pressure, and diagnoses an increase in contact resistance between cells by changing the pressing pressure. It is characterized by doing. According to this, it is possible to estimate whether or not the contact resistance between the cells has increased.
[0011]
In the invention described in claim 6, the fuel cell (10) is configured by pressing a large number of stacked cells at a predetermined pressing pressure, and changes the pressing pressure to diagnose deterioration of the electrolyte membrane of the cell. It is characterized by the following. According to this, it is possible to estimate whether or not the electrolyte membrane of the cell has deteriorated.
[0012]
According to the present invention, the output voltage is measured by changing the output current at a predetermined speed while operating the auxiliary machines (21, 23, 32, 34) under the control conditions before the correction. Based on the output current and the output voltage at this time, the current / voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) may be calculated.
[0013]
According to the present invention, the current-voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) based on the output voltage and the output current measured during the normal operation. May be calculated.
[0014]
According to the ninth aspect of the invention, the output power of the fuel cell (10) and the output power of the auxiliary equipment (21, 23, 32, 34) when the control condition of the auxiliary equipment (21, 23, 32, 34) is changed. Correcting the control conditions of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) so that the difference between the control conditions and the power consumption of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) is maximized. It is characterized by.
[0015]
According to this, by maximizing the output of the fuel cell system from which the power consumption of the auxiliary equipment has been subtracted, it is possible to minimize a decrease in system efficiency when deteriorated.
[0016]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment. This fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.
[0018]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric energy by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 supplies power to electric devices such as an electric load 11 and a secondary battery (not shown). Incidentally, in the case of an electric vehicle, an electric motor for driving the vehicle corresponds to the electric load 11.
[0019]
In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked and electrically connected in series. In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and electric energy is generated.
[0020]
(Anode _{^{side) H 2 → 2H + + 2e}} -
(Cathode side) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
Further, a cell monitor 12 for detecting an output voltage of each cell and detecting an output current of the fuel cell 10 is provided, and a cell voltage signal and a current signal detected by the cell monitor 12 are input to a control unit 40 described later. Has become. The cell monitor 12 corresponds to the voltage measuring means and the current measuring means of the present invention.
[0021]
In the fuel cell 10, a number of stacked cells are pressed by a pressing device 13 at a predetermined pressing pressure. The pressing device 13 uses a piezoelectric element in this example, and controls the pressing pressure by adjusting the voltage applied to the piezoelectric element.
[0022]
The fuel cell system has an air flow path 20 for supplying air (oxygen) to the cathode electrode (air electrode) side of the fuel cell 10 and a hydrogen flow for supplying hydrogen to the anode electrode (fuel electrode) side of the fuel cell 10. Are provided. The air passage 20 includes a portion through which air passes inside the fuel cell 10, and the fuel passage 30 includes a portion through which hydrogen passes inside the fuel cell 10. Note that air corresponds to the oxidizing gas of the present invention, and hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention.
[0023]
An air pump 21 for pumping air sucked from the atmosphere into the fuel cell 10 is provided at the most upstream portion of the air flow path 20, and between the air pump 21 and the fuel cell 10 in the air flow path 20. And a humidifier 22 for humidifying the air. The air pump 21 is driven by an electric motor (not shown). Electric power is supplied from the fuel cell 10 to the electric motor, and the air supply amount (oxygen supply amount) can be adjusted by changing the rotation speed. it can. On the downstream side of the fuel cell 10 in the air flow path 20, an air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of the air supplied to the fuel cell 10, in other words, the pressure of the air in the air flow path 20 is provided. . Note that the air pump 21 and the air pressure regulating valve 23 correspond to the auxiliary machine of the present invention.
[0024]
A hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen is provided at the uppermost stream portion of the fuel flow path 30, and between the hydrogen cylinder 31 and the fuel cell 10 in the fuel flow path 30, hydrogen supplied to the fuel cell 10 is supplied. A hydrogen pressure regulating valve 32 for adjusting pressure and a humidifier 33 for humidifying hydrogen are provided.
[0025]
The downstream side of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30 is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 32, and the fuel flow path 30 is configured as a closed loop, whereby hydrogen is circulated in the fuel flow path 30, Unused hydrogen in the fuel cell 10 is resupplied to the fuel cell 10.
[0026]
A hydrogen pump 34 for circulating hydrogen in the fuel passage 30 is provided downstream of the fuel cell 10 in the fuel passage 30. The hydrogen pump 34 is driven by an electric motor (not shown). Electric power is supplied from the fuel cell 10 to the electric motor, and the hydrogen supply amount can be adjusted by changing the rotation speed. Note that the hydrogen pressure regulating valve 32 and the hydrogen pump 34 correspond to the auxiliary machine of the present invention.
[0027]
The control unit (ECU) 40 includes a well-known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and peripheral circuits thereof. Then, the voltage signal and the current signal from the cell monitor 12 are input to the control unit 40. Further, the control unit 40 outputs a control signal to the air pump 21, the humidifier 22, the air pressure regulating valve 23, the hydrogen pressure regulating valve 32, the humidifier 33, and the hydrogen pump 34 based on the calculation result.
[0028]
The control unit 40 corresponds to a calculation unit of the present invention, and also corresponds to a control unit for diagnosing a deterioration state of the fuel cell 10 based on current / voltage characteristics and correcting a control condition of an auxiliary machine.
[0029]
Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described with reference to FIGS. 3 to 8 are flowcharts of a deterioration correction control part of the control processing executed by the control unit 40 for diagnosing the deterioration state of the fuel cell 10 and correcting the control conditions of the auxiliary equipment and the like. .
[0030]
FIG. 2 shows current-voltage characteristics (IV characteristics) showing the relationship between the output current and the output voltage of the fuel cell 10. The solid line shows the initial current-voltage characteristics, and the one-dot chain line shows the current-voltage characteristics at the time of deterioration. is there. The initial current / voltage characteristics are stored in the control unit 40.
[0031]
As shown in FIG. 2, the current value when the voltage becomes the lowest in the current-voltage characteristics is referred to as a limiting current value in this specification. The broken lines in FIG. 2 are obtained by linearly approximating the respective characteristic lines, and the voltage difference ΔVs when the current I = 0 in the linearly approximated lines is referred to as a shift component in this specification. Further, the ratio (ΔV / ΔI) of the voltage change amount ΔV to the current change amount ΔI in the straight line is referred to as a slope component in this specification.
[0032]
FIG. 3 shows the overall flow of the deterioration correction control. The deterioration characteristic data is collected as information for diagnosing the deterioration state of the fuel cell 10 (step S100), and the deterioration of the fuel cell 10 is determined based on the deterioration characteristic data. The contents are estimated (step S200), and the control conditions of the auxiliary equipment and the like are corrected according to the deterioration state (step S300).
[0033]
Details of the collection of the deterioration characteristic data (step S100 in FIG. 3) will be described with reference to FIG.
[0034]
First, the flow rate and pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 are set to predetermined conditions (step S101), and the flow rate, pressure and humidity of air supplied to the fuel cell 10 are set to predetermined conditions (step S102). Then, current / voltage characteristic change data is collected (step S103, details will be described later).
[0035]
By collecting the current / voltage characteristic change data under the predetermined condition, it is possible to determine whether or not deterioration has occurred. Whether or not deterioration has occurred can be determined by comparing the initial current / voltage characteristics with the current current / voltage characteristics.
[0036]
Subsequently, a condition in which only the hydrogen flow rate is increased is set from the conditions set in steps S101 and S102 (step S104), and current / voltage characteristic change data is collected (step S105, details will be described later).
[0037]
Next, from the conditions set in steps S101 and S102, a condition in which only the air flow rate is increased is set (step S106), and current / voltage characteristic change data is collected (step S107, which will be described later in detail). Based on the measurement data of the current / voltage characteristics under these conditions, the deterioration factor is determined by the procedure shown in FIG.
[0038]
The details of collecting the current / voltage characteristic change data (steps S103, 105, and 107 in FIG. 4) will be described with reference to FIG. First, the current and voltage of the fuel cell 10 are measured by the cell monitor 12 while changing the current of the fuel cell 10 at a predetermined increasing speed (step S1031) (step S1032).
[0039]
Next, a gradient component of the current current / voltage characteristic is calculated based on the data obtained in step S1032 (step S1033), and the initial current / voltage data stored in the control unit 40 and the data obtained in step S1032 are calculated. , A shift component of the current current / voltage characteristic is calculated (step S1034), and a limit current value of the current current / voltage characteristic is calculated based on the data obtained in step S1032 (step S1035), and step S1033. The value calculated in steps (1) to (1035) is stored (step S1036).
[0040]
Details of the estimation of the deterioration content (step S200 in FIG. 3) will be described with reference to FIG.
[0041]
First, the change amount of the shift component when the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is increased is calculated (step S201). Here, when the catalyst of the anode electrode is deteriorated, by increasing the hydrogen flow rate, the shift component of the current / voltage characteristic is reduced with respect to the current / voltage characteristic before the hydrogen flow rate is increased. Therefore, when the amount of increase of the shift component is equal to or less than the predetermined value (YES in step S202), it is determined that the catalyst of the anode electrode has not deteriorated (step S203), while the amount of increase of the shift component exceeds the predetermined value. If (YES in step S202), it is determined that the catalyst of the anode electrode has deteriorated (step S204).
[0042]
Next, the change amount of the shift component when the flow rate of the air supplied to the fuel cell 10 is increased is calculated (step S205). Here, when the catalyst of the cathode electrode is deteriorated, by increasing the air flow rate, the shift component of the current / voltage characteristic is reduced with respect to the current / voltage characteristic before the air flow rate is increased. Therefore, when the increase amount of the shift component is equal to or smaller than the predetermined value (YES in step S206), it is determined that the catalyst of the cathode electrode has not deteriorated (step S207), while the increase amount of the shift component exceeds the predetermined value. If (YES in step S206), it is determined that the catalyst of the cathode electrode has deteriorated (step S208).
[0043]
Next, a description will be given of a factor determination method when an increase in the gradient component of the current / voltage characteristic occurs. The increase in the slope component is caused by the increase in the internal resistance. There are two factors that increase the internal resistance: an increase in the contact resistance between cells due to a decrease in the pressing pressure of the stack, and an increase in the resistance of the electrolyte membrane itself. If the current gradient component of the current / voltage characteristic has not increased from the initial gradient component (YES in step S209), it is considered that such deterioration has not occurred.
[0044]
If the increase amount of the gradient component exceeds a predetermined value (NO in step S209), first, the pressing pressure by the pressing device 13 is increased (step S210), and current / voltage characteristics are collected (step S211; (See FIG. 5). When the pressing pressure is increased and the inclination component is reduced by a predetermined value or more (YES in step S212), it is determined that the contact resistance between cells is increasing (step S213).
[0045]
Next, the amount of increase in the tilt component due to the increase in the resistance of the electrolyte membrane is calculated by subtracting the amount of increase in the tilt component due to the decrease in the pressing pressure from the amount of increase in the tilt component during normal times (step S214). If the value calculated in step S214 is equal to or greater than the predetermined value (YES in step S215), it is determined that the electrolyte membrane has deteriorated (step S216). Then, the diagnosis result of the deterioration contents in steps S201 to S216 is stored (step S217).
[0046]
Details of the control condition correction (step S300 in FIG. 3) will be described with reference to FIG.
[0047]
If the anode catalyst has deteriorated (YES in step S301), a plurality of increases in the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell 10 are set, and current / voltage characteristic data when the flow rate of hydrogen is increased is collected (step S301). S302), the power consumption of the auxiliary equipment when the hydrogen flow rate increases is calculated (step S303).
[0048]
Then, based on the current / voltage characteristics obtained in step S302 and the auxiliary device power consumption calculated in step S303, the condition of the hydrogen flow rate at which the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10 Is obtained (step S304). The relationship between the current value and the hydrogen flow rate obtained here is the optimum operating condition when the anode catalyst deteriorates, and the current and the hydrogen flow rate are set so that the relationship between the current value and the hydrogen flow rate obtained here is obtained. Is updated (step S305), and thereafter, the hydrogen flow rate is controlled based on the updated control map.
[0049]
Next, when the cathode catalyst has deteriorated (YES in step S311), a plurality of increasing amounts of the flow rate of the air supplied to the fuel cell 10 are set, and current / voltage characteristic data at the time of increasing the air flow rate is collected. At the same time (step S312), the power consumption of the auxiliary machine when the air flow rate increases is calculated (step S313).
[0050]
Then, based on the current-voltage characteristics obtained in step S312 and the auxiliary power consumption calculated in step S313, the condition of the air flow rate at which the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10 Is obtained (step S314). The relationship between the current value and the air flow rate obtained here is the optimum operating condition when the cathode catalyst is deteriorated, and the current and the air flow rate are determined so that the relationship between the current value and the air flow rate obtained here is obtained. Is updated (step S305), and thereafter, the air flow rate is controlled based on the updated control map.
[0051]
Next, if there is an increase in the contact resistance between cells due to a decrease in the pressing pressure (YES in step S321) and the amount of increase in the contact resistance is equal to or greater than a predetermined value (YES in step S322), the pressing device 13 is pressed. , And outputs an alarm notifying that the pressing pressure has decreased (step S323).
[0052]
Next, when the electrolyte membrane is deteriorated (YES in step S331) and the degree of deterioration is equal to or more than a predetermined value (YES in step S332), the humidifying conditions of the humidifiers 22 and 33 are corrected, and An alarm notifying that the electrolyte membrane has deteriorated is output (step S333).
[0053]
Details of step S333 will be described with reference to FIG. First, the humidification amount target value in the map of the current and the humidification amount target value is increased and corrected to a new value (step S3331), and the humidification amount is controlled based on the updated map to collect the current / voltage characteristics ( Step S3332, see FIG. 5 for details).
[0054]
Then, when the gradient component of the current / voltage characteristic after the correction of the humidification amount target value is smaller than the gradient component before the correction (YES in step S3333), the map of the current and the humidification amount target value is updated ( Step S3334) Thereafter, the humidification amount is controlled based on the updated map.
[0055]
On the other hand, if the inclination component does not decrease even after correcting the humidification amount target value (NO in step S3333), it is determined that it is impossible to compensate for a decrease in output due to deterioration of the electrolyte membrane by merely increasing the humidification amount. Then, an alarm notifying the fact is output (step S3335).
[0056]
According to the above-described embodiment, the deterioration state of the fuel cell 10 is determined based on the current-voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary equipment and the current-voltage characteristics when correcting the control conditions of the auxiliary equipment. Can be diagnosed.
[0057]
That is, the deterioration state of the anode electrode can be diagnosed by changing the amount of the fuel gas, the deterioration state of the cathode electrode can be diagnosed by changing the amount of the oxidizing gas, and the pressing pressure of the cell can be changed. This makes it possible to diagnose an increase in contact resistance between cells and deterioration of the electrolyte membrane.
[0058]
Then, by correcting the control conditions of the auxiliary equipment so that the system efficiency after the deterioration is maximized according to the deterioration state, it is possible to minimize the decrease in the system efficiency when the deterioration occurs.
[0059]
The control of the auxiliary equipment is performed such that the difference between the output power of the fuel cell 10 when the control condition of the auxiliary equipment is changed and the power consumption of the auxiliary equipment when the control condition of the auxiliary equipment is changed is maximized. By determining the conditions, it is possible to minimize a decrease in system efficiency when the system is deteriorated.
[0060]
In the procedure for correcting the control conditions (see FIG. 3), the hydrogen flow rate is increased in step S302, but the hydrogen pressure may be increased.
[0061]
In this case, in step S302, a plurality of increasing amounts of the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 are set, and current / voltage characteristic data at the time of increasing the hydrogen pressure are collected. Is calculated. Further, in step S304, the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10 based on the current-voltage characteristics obtained in step S302 and the auxiliary power consumption calculated in step S303. The condition of the hydrogen pressure is determined, and in step S305, the control map of the current and the hydrogen pressure is updated so as to have a relationship between the current value and the hydrogen pressure determined here. Thereafter, the hydrogen pressure is determined based on the updated control map. Control.
[0062]
Further, in the procedure for correcting the control conditions (see FIG. 3), the air flow rate is increased in step S312, but the air pressure may be increased.
[0063]
In this case, in step S312, a plurality of increases in the pressure of the air supplied to the fuel cell 10 are set, and current / voltage characteristic data when the air pressure increases are collected. Is calculated. Further, in step S314, the output of the fuel cell system is maximized for each current value of the fuel cell 10 based on the current / voltage characteristics obtained in step S312 and the auxiliary power consumption calculated in step S313. The air pressure condition is determined, and in step S315, the control map of the current and the air pressure is updated so as to have the relationship between the current value and the air pressure determined here, and thereafter, the air pressure is determined based on the updated control map. Control.
[0064]
In the procedure for correcting the control conditions, increasing the hydrogen pressure in step S302 and increasing the air pressure in step S312 may be performed together, or either of them may be performed. May be implemented. Further, the increase in the flow rate and the pressure may be simultaneously performed.
[0065]
(2nd Embodiment)
This embodiment is different from the first embodiment in that the procedure for collecting the current / voltage characteristic change data (see FIG. 5) is changed as shown in FIG. 9, and the other points are the same as those in the first embodiment. .
[0066]
9, while operating the fuel cell 10, current and voltage during operation are measured (step S1031a), and the measured data is statistically processed to calculate an average current-voltage characteristic (step S1032a). As in the first embodiment, the processing after step S1033 is performed.
[0067]
In the method of the first embodiment, data collection needs to be performed while the fuel cell system is stopped (when the vehicle is stopped or the vehicle runs on a secondary battery). However, in the present embodiment, the fuel cell system operates as usual. Since the current / voltage characteristics can be measured as it is, that is, during normal operation, the system need not be stopped.
[0068]
(Third embodiment)
In the present embodiment, the procedure of collecting the deterioration characteristic data of the first embodiment (see FIG. 4) is changed as shown in FIG. 10, and the other points are the same as the first embodiment.
[0069]
In step S104 of the first embodiment, a condition in which the hydrogen flow rate is increased is set, whereas in the present embodiment, a condition in which only the hydrogen pressure is increased is set (step S104a). Further, in step S106 of the first embodiment, the condition for increasing the air flow rate is set, whereas in the present embodiment, the condition for increasing only the air pressure is set (step S106a).
[0070]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, the procedure of estimating the deterioration content (see FIG. 6) of the first embodiment is changed as shown in FIG. 11, and the other points are the same as the first embodiment.
[0071]
In step S201 of the first embodiment, the change amount of the shift component when the hydrogen flow rate is increased is calculated, whereas in the present embodiment, the change amount of the shift component when the hydrogen pressure is increased is calculated. (Step S201a). Further, in step S205 of the first embodiment, the change amount of the shift component when the air flow rate is increased is calculated, whereas in the present embodiment, the change amount of the shift component when the air pressure is increased is calculated. (Step S205a).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a current-voltage characteristic diagram showing a relationship between an output current and an output voltage of the fuel cell 10 of FIG.
FIG. 3 is a flowchart of a part of deterioration correction control executed by a control unit 40 of FIG. 1;
FIG. 4 is a flowchart showing details of collection of deterioration characteristic data in FIG. 3;
FIG. 5 is a flowchart showing details of collecting current / voltage characteristic change data of FIG. 4;
6 is a flowchart showing details of the estimation of the deterioration content in FIG. 3;
FIG. 7 is a flowchart showing details of correction of the control condition of FIG. 3;
FIG. 8 is a flowchart showing details of the output of the correction / deterioration warning of the humidification condition of FIG. 7;
FIG. 9 is a flowchart showing a main part of a control process executed in a second embodiment.
FIG. 10 is a flowchart showing a main part of a control process executed in a third embodiment.
FIG. 11 is a flowchart showing a main part of a control process executed in a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
10: fuel cell, 12: cell monitor (current measuring means and voltage measuring means),
21: air pump (auxiliary equipment), 23: air pressure regulating valve (auxiliary equipment),
32: hydrogen pressure regulating valve (auxiliary equipment), 34: hydrogen pump (auxiliary equipment),
40 ... control unit (calculation means)

Claims

A fuel cell (10) that generates an electric energy by performing an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component, and operates by electric power supplied from the fuel cell (10). And an auxiliary device (21, 23, 32, 34) for supplying at least one of the oxidizing gas or the fuel gas to the fuel cell (10).
A current measuring means (12) for measuring an output current of the fuel cell (10);
Voltage measuring means (12) for measuring an output voltage of the fuel cell (10);
Calculating means (40) for calculating current-voltage characteristics indicating a relationship between the output current and the output voltage;
The deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed based on the current / voltage characteristics, and the auxiliary equipment (21, 23, 32, 34) is adapted to maximize the system efficiency after deterioration according to the deterioration state. A fuel cell system, wherein the control condition is corrected.

Current / voltage characteristics before correcting the control conditions of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) and current / voltage when correcting the control conditions of the auxiliary devices (21, 23, 32, 34) The fuel cell system according to claim 1, wherein a deterioration state of the fuel cell (10) is diagnosed based on the characteristics.

The deterioration state of an anode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of a pressure and an amount of the fuel gas supplied by the auxiliary device (32, 34). 3. The fuel cell system according to 1 or 2.

The deterioration state of a cathode electrode of the fuel cell (10) is diagnosed by changing at least one of a pressure and an amount of the oxidizing gas supplied by the auxiliary devices (21, 23). 4. The fuel cell system according to any one of items 1 to 3.

The fuel cell (10) is configured by pressing a large number of stacked cells at a predetermined pressing pressure,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressing pressure is changed to diagnose an increase in contact resistance between the cells.

The fuel cell (10) is configured by pressing a large number of stacked cells at a predetermined pressing pressure,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressing pressure is changed to diagnose deterioration of the electrolyte membrane of the cell.

The output voltage is measured by changing the output current at a predetermined speed while operating the auxiliary devices (21, 23, 32, and 34) under the control conditions before the correction, and measuring the output voltage and the output current and output at this time. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein a current / voltage characteristic before correcting a control condition of the auxiliary device (21, 23, 32, 34) is calculated based on the voltage. 4.

A current / voltage characteristic before a control condition of the auxiliary machine (21, 23, 32, 34) is corrected based on the output voltage and the output current measured during a normal operation. 3. The fuel cell system according to 2.

The output power of the fuel cell (10) and the control conditions of the accessories (21, 23, 32, 34) when the control conditions of the accessories (21, 23, 32, 34) are changed are changed. The control condition of the auxiliary equipment (21, 23, 32, 34) is corrected so that the difference between the power consumption of the auxiliary equipment (21, 23, 32, 34) and the power consumption of the auxiliary equipment (21, 23, 32, 34) is maximized. The fuel cell system according to claim 2.