JP4924790B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に交流インピーダンス法を用いてインピーダンス測定を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池システムには、プロトン導電性を有する固体高分子膜を電解質層に備える固体高分子型の燃料電池が搭載されている。この燃料電池の固体高分子膜は、湿潤状態にあるときに高いプロトン導電性を示すため、効率的に発電を行うためには固体高分子膜を湿潤状態に保つことが重要である。かかる固体高分子膜を湿潤状態に保つために、水蒸気透過膜を介して燃料電池のカソード側から排出される酸化オフガスと燃料電池のカソード側に供給する酸化ガスとの間で水交換を行う水交換型加湿器(以下、単に「加湿器」）が利用されている。

ここで、燃料電池の内部抵抗は燃料電池内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料電池内部の水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には（いわゆるドライアップ）、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には（いわゆるフラッティング）、燃料電池の電極が水分で覆われるために出力電圧が低下する。

このような燃料電池を高効率で運転させるための方法として、燃料電池のセル電圧を監視し、該セル電圧の測定値に基づいて供給する酸化ガス量を制御する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００４−１１９１３９号公報

しかしながら、燃料電池の内分水分量の変化がセル電圧の変動になって表れるのは遅い。従って、実際にセル電圧の変動を検知してから酸化ガス量を決定したのでは、電解質膜になんらかの異常（ドライアップやフラッティングなど）が生じていることも懸念され、高効率かつ安定的な運転を実現するのが難しいという問題があった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、高効率かつ安定的な運転を実現することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、所定周波数領域における燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、該所定周波数領域でのインピーダンス測定値に基づいて前記燃料電池へ供給するガス量を調整する調整手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、所定周波数領域（例えば低周波領域）における燃料電池のインピーダンスを測定し、このインピーダンスの測定値に基づいて燃料電池へ供給するガス量（例えば酸化ガス量）を調整する。ここで、所定周波数領域における燃料電池のインピーダンスは、燃料供給状態に応じて大きく異なるため（図２参照）、かかるインピーダンス測定値に基づいて燃料電池へ供給するガス量を調整することで、高効率かつ安定的な運転を実現することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記燃料電池の運転状態に応じた前記所定周波数領域での最適なインピーダンス適合値を記憶する記憶手段をさらに備え、前記調整手段は、インピーダンスの測定値と前記インピーダンス適合値とを比較し、比較結果に基づいて前記燃料電池へ供給するガス量を調整する態様が好ましい。また、上記所定周波数領域は、１０Ｈｚ以下の低周波数領域である態様が好ましい。さらに、前記燃料電池へ供給するガスは、酸化ガスもしくは燃料ガスである態様が好ましい。さらにまた、前記燃料電池の放電経路に介挿された電圧変換装置をさらに備え、前記測定手段は、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置通過後のインピーダンス測定用信号に基づいて前記燃料電池のインピーダンス測定を行う態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、高効率かつ安定的な燃料電池システムの運転を実現することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
Ａ−１.全体構成
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では、車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機など）にも適用可能である。

この車両は、車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結された同期モータ６１を駆動力源として走行する。同期モータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、同期モータ６１に供給される。同期モータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。

電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。燃料電池４０は供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。

バッテリ（蓄電器）２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ２０に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列接続されている。

燃料電池４０とバッテリ２０とはインバータ６０に並列接続されており、燃料電池４０からインバータ６０への回路には、バッテリ２０からの電流または同期モータ６１において発電された電流が逆流するのを防ぐためのダイオード４２が設けられている。

このように、並列接続された燃料電池４０及びバッテリ２０の両電源の適切な出力分配を実現するためには両電源の相対的な電圧差を制御する必要がある。かかる電圧差を制御するために、バッテリ２０とインバータ６０との間にはＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）３０が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を調整して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０またはモータ６１から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。

バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間には、車両補機５０およびＦＣ補機５１が接続され、バッテリ２０はこれら補機の電源となる。車両補機５０とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器をいい、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。また、ＦＣ補機５１とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器をいい、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータなどが含まれる。

上述した各要素の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット１０は、インバータ６０のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流を同期モータ６１に出力する。また、制御ユニット１０は、要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ３０の運転を制御する。この制御ユニット１０には、種々のセンサ信号が入力される。例えば、アクセルペダルセンサ１１、バッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ２１、燃料電池４０のガス流量を検出する流量センサ４１、燃料電池４０の内部温度（ＦＣ温度）を検出する温度センサ４３、車速を検出する車速センサ６２などから、種々のセンサ信号が制御ユニット１０に入力される。制御ユニット１０は、各センサ信号を利用して以下に示す燃料電池４０のインピーダンス測定を行う。

Ａ−２．インピーダンス測定の説明
図２は、交流インピーダンス法によるインピーダンス測定の結果を複素平面にあらわした図であり、エアストイキ比（燃料電池の発電に最低限必要な酸化ガス量に対する余剰酸化ガスを含んだトータル酸化ガス量の割合）を変えたときのインピーダンス測定結果を示す図である。
所定条件のもと、周波数変化に伴うインピーダンスの軌跡を複素平面上にプロット（コールコールプロット）すると、図２に示すようなインピーダンス曲線が得られる。同図に示すように、点線で囲んだ低周波領域（例えば０．１〜１０Ｈｚ程度の周波数）の各インピーダンスは、エアストイキ比（すなわち燃料電池への燃料供給状態）に応じて大きく異なることがわかる。本実施形態では、かかる特性を利用し、領域低周波領域におけるインピーダンスを測定し、該測定値に基づき燃料電池４０に供給する酸化ガスの流量を制御することで、高効率かつ安定的な運転を実現する。なお、インピーダンス測定に利用する周波数領域は、システム設計などに応じて変更可能である。

図３は、制御ユニット１０の機能を説明するための図である。
図３に示すように、制御ユニット１０は、目標電圧決定部１１０、重畳信号生成部１２０、電圧指令信号生成部１３０、インピーダンス演算部１４０、インピーダンス比較部１５０、ガス供給制御部１６０を備えている。

目標電圧決定部１１０は、アクセルペダルセンサ１１やＳＯＣセンサ２１などから入力される各センサ信号に基づいて出力目標電圧（例えば３００Ｖなど）を決定し、これを電圧指令信号生成部１３０に出力する。

重畳信号生成部１２０は、出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号（例えば振幅値２Ｖの低周波領域のサイン波など）を生成し、これを電圧指令信号生成部１３０に出力する。なお、出力目標電圧やインピーダンス測定用信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定すれば良い。

電圧指令信号生成部１３０は、出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ３０に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、与えられる電圧指令信号Ｖｆｃｒに基づき燃料電池３０等の電圧制御を行う。

インピーダンス演算部（測定手段）１４０は、電圧センサ１４１によって検出される燃料電池４０の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ１４２によって検出される燃料電池４０の電流（ＦＣ電流）Ｉｆを所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。インピーダンス演算部１４０は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして低周波領域における燃料電池４０のインピーダンスを求め、インピーダンス比較部１５０に出力する。

インピーダンス比較部１５０は、インピーダンス演算部１４０から低周波領域における燃料電池４０のインピーダンス（以下、低周波インピーダンス測定値）を受け取ると、メモリ１５１に格納されている最適インピーダンスマップを参照する。図４は、最適インピーダンスマップを例示した図である。最適インピーダンスマップは、ＦＣ電流とＦＣ温度の軸を持つマップであり、ＦＣ電流ＩとＦＣ温度Ｔから最適インピーダンスＩＰＤを一義に決定するためのマップである。この最適インピーダンスマップは、予め実験などにより作成される。

インピーダンス比較部１５０は、インピーダンス演算部１４０から低周波インピーダンス測定値を受け取ると、温度センサ４３及び電流センサ１４２によって検出されるＦＣ温度Ｔ及びＦＣ電流Ｉに基づき当該時点における最適インピーダンスＩＰＤを決定する。インピーダンス比較部１５０は、決定した最適インピーダンスＩＰＤと低周波インピーダンス測定値との差分を求め、求めた差分をインピーダンス差分信号Ｉｄとして酸化ガス供給制御部１６０に供給する。

酸化ガス供給制御部（調整手段）１６０は、インピーダンス差分信号Ｉｄとメモリ１６１に格納されている酸化ガス供給制御マップとを比較することにより、燃料電池４０へ供給する酸化ガス量を制御する。酸化ガス供給制御マップには、インピーダンス差分信号Ｉｄと燃料電池４０へ供給する酸化ガスの補正量（エアストイキ比の補正量など）が対応づけて登録されている。酸化ガス供給制御部１６０は、インピーダンス差分信号Ｉｄに基づいて燃料電池４０へ供給する酸化ガスの補正量を求めると、かかる補正量に従ってエアコンプレッサ（図示略）の回転数や酸化ガス供給通路に設けられた制御弁（図示略）の弁開度等を調整することにより、燃料電池４０へ供給する酸化ガス量を制御する。かかる制御により、常に最適なエアストイキ比をトレースすることができ、これにより高効率かつ安定的なシステム運転が可能となる。

Ｂ．変形例
上述した本実施形態では、低周波インピーダンスの測定値を利用することで燃料電池４０のカソード側へ供給する酸化ガス量を制御したが、燃料電池４０のアノード側へ供給する燃料ガス量を制御しても良い。
図５は、制御ユニット１０’の機能を説明するための図である。
図５に示す制御ユニット１０’には、図３に示す酸化ガス供給制御部１６０の代わりに燃料ガス供給制御部（調整手段）１６０’が設けられている。燃料ガス供給制御部１６０’は、インピーダンス演算部１４０から与えられるインピーダンス差分信号Ｉｄとメモリ１６１’に格納されている燃料ガス供給制御マップとを比較することにより、燃料電池４０へ供給する燃料ガス量を制御する。燃料ガス制御マップには、インピーダンス差分信号Ｉｄと燃料電池４０へ供給する燃料ガスの補正量（水素ストイキ比の補正量など）が対応付けて登録されている。燃料ガス供給制御部１６０’は、インピーダンス差分信号Ｉｄに基づいて燃料電池４０へ供給する燃料ガスの補正量を求めると、かかる補正量に従って燃料ガス供給通路や燃料ガス排出通路に設けられた制御弁やパージ弁（いずれも図示略）の弁開度等を調整することにより、燃料電池４０へ供給する燃料ガス量を制御する。かかる制御により、常に最適な水素ストイキ比をトレースすることができ、これにより高効率かつ安定的なシステム運転が可能となる。なお、本実施形態に係る構成と変形例に係る構成を組み合わせ、燃料電池４０に供給する酸化ガス量及び燃料ガス量を制御することによって高効率かつ安定的なシステム運転を実現しても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 同実施形態に係るインピーダンス測定の結果を示す図である。 同実施形態に係る制御ユニットの機能を説明するための図である。 同実施形態に係る最適インピーダンスマップを例示した図である。 第２実施形態に係る制御ユニットの機能を説明するための図である。

符号の説明

１００・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池、３０・・・燃料ガス供給源、４０・・・エアコンプレッサ、５０・・・制御ユニット、５１・・・インバータ、５３・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、５４・・・バッテリ、１１０・・・目標電圧決定部、１２０・・・重畳信号生成部、１３０・・・電圧指令信号生成部、１４０・・・インピーダンス演算部、１５０・・・インピーダンス比較部、１５１、１６１、１６１’・・・メモリ、１６０・・・酸化ガス供給制御部、１６０’・・・燃料ガス供給制御部。

Claims (6)

1. 所定周波数領域における燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
   前記燃料電池の出力電流及び温度に応じた前記所定周波数領域でのインピーダンス適合値を複数記憶する記憶手段と、
   前記燃料電池の出力電流及び温度を検出し、検出した出力電流及び温度に基づき、前記記憶手段に記憶されている複数のインピーダンス適合値の中から最適なインピーダンス適合値を決定する決定手段と、
   決定した前記インピーダンス適合値と前記インピーダンスの測定値とを比較し、比較結果に基づいて前記燃料電池へ供給するガス量を調整する調整手段と
   を具備し、
   前記所定周波数領域は、１０Ｈｚ以下の低周波数領域であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池へ供給するガスは、酸化ガスもしくは燃料ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 所定周波数領域における燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
   該所定周波数領域でのインピーダンス測定値に基づいて前記燃料電池へ供給するガス量を調整する調整手段と、
   前記燃料電池の放電経路に介挿された電圧変換装置とを備え、
   前記測定手段は、前記電圧変換装置の出力目標電圧にインピーダンス測定用信号を重畳し、該電圧変換装置通過後のインピーダンス測定用信号に基づいて前記燃料電池のインピーダンス測定を行い、
   前記所定周波数領域は、１０Ｈｚ以下の低周波数領域であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の運転状態に応じた前記所定周波数領域での最適なインピーダンス適合値を記憶する記憶手段をさらに備え、前記調整手段は、インピーダンスの測定値と前記インピーダンス適合値とを比較し、比較結果に基づいて前記燃料電池へ供給するガス量を調整することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記記憶手段には、前記燃料電池の出力電流及び温度に応じた前記所定周波数領域での最適なインピーダンス適合値が複数記憶されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池へ供給するガスは、酸化ガスもしくは燃料ガスであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。