JP5838773B2 - Fuel cell diagnostic device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の状態を診断する燃料電池診断装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell diagnostic apparatus for diagnosing the state of a fuel cell.
従来、交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、測定したインピーダンスに基づいて、燃料電池の状態を診断する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a configuration has been proposed in which the impedance of a fuel cell is measured by an AC impedance method, and the state of the fuel cell is diagnosed based on the measured impedance (see, for example, Patent Document 1).
この特許文献１では、高周波数領域および低周波数領域といった異なる周波数領域のインピーダンスを測定し、測定した高周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池の乾湿状態を診断すると共に、低周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池に供給される燃料ガス（水素）の供給状態等を診断するようにしている。
In
ところで、燃料電池における低周波数領域のインピーダンスは、燃料電池の湿潤や乾燥といった乾湿状態の影響によって大きく変化する傾向がある。このため、従来の技術の如く、単に低周波数領域のインピーダンスに基づいて燃料電池に供給される燃料ガスの供給状態を診断しようとしても、燃料電池における燃料ガスの供給状態を的確に診断することができないという問題があった。このような問題は、燃料電池における酸化剤ガスの供給状態を診断する際にも同様に生ずる。なお、酸化剤ガスは、燃料ガスと共に燃料電池における反応ガスを構成する。 By the way, the impedance of the low frequency region in the fuel cell tends to greatly change due to the influence of the wet and dry conditions such as wet and dry of the fuel cell. For this reason, even if it is attempted to diagnose the supply state of the fuel gas supplied to the fuel cell simply based on the impedance in the low frequency region as in the prior art, it is possible to accurately diagnose the supply state of the fuel gas in the fuel cell. There was a problem that I could not. Such a problem also occurs when diagnosing the supply state of the oxidant gas in the fuel cell. The oxidant gas constitutes a reaction gas in the fuel cell together with the fuel gas.
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池における反応ガスの供給状態を的確に診断可能な燃料電池診断装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell diagnostic apparatus capable of accurately diagnosing the supply state of a reaction gas in a fuel cell.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料電池（１）に対して、異なる周波数領域の交流信号を印加する信号印加手段（４３１）と、診断対象となる単位セル（１０）の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、燃料電池（１）の電圧を検出する電圧検出手段（４２）と、局所電流検出手段（４１）の検出値、および電圧検出手段（４２）の検出値に基づいて、異なる周波数領域のうち、高周波数領域の交流信号に対応する第１のインピーダンス（ＺＨ）、および低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンス（ＺＬ）を測定するインピーダンス測定手段（４３２）と、第１のインピーダンス（ＺＨ）を用いて、第２のインピーダンス（ＺＬ）から単位セル（１０）における乾湿状態の影響を除いた補正値（Ｚα）を算出する補正値算出部（４３３）と、補正値算出部（４３３）にて算出された補正値（Ｚα）を用いて、燃料電池（１）の燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方の供給状態を診断するガス診断手段（４３４）と、を備える燃料電池診断装置を特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a signal applying means (431) for applying an AC signal in a different frequency range to the fuel cell (1) and a unit cell (10) to be diagnosed. ) Local current detection means (41) for detecting the local current flowing in the local region, voltage detection means (42) for detecting the voltage of the fuel cell (1), detection values of the local current detection means (41), and Based on the detection value of the voltage detection means (42), the first impedance (Z H ) corresponding to the AC signal in the high frequency region out of the different frequency regions, and the second impedance corresponding to the AC signal in the low frequency region. the impedance (Z L) impedance measuring means (432) for measuring, using the first impedance (Z H), wet and dry in the unit cell (10) from the second impedance (Z L) Using the correction value calculating unit which calculates correction values excluding the influence of the state of the (Z alpha) and (433), the correction value calculated by the correction value calculation unit (433) and (Z alpha), the fuel cell (1 And a gas diagnostic means (434) for diagnosing the supply state of at least one of the fuel gas and the oxidant gas.
これによれば、低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンス（ＺＬ）から単位セル（１０）における乾湿状態の影響を除去して算出した補正値（Ｚα）に基づいて、燃料電池（１）の燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスの供給状態を診断する構成としているので、燃料電池（１）における反応ガスの供給状態を的確に診断することが可能となる。 According to this, based on the correction value (Z α ) calculated by removing the influence of the wet and dry state in the unit cell (10) from the second impedance (Z L ) corresponding to the AC signal in the low frequency region, the fuel Since the supply state of the reaction gas such as the fuel gas and the oxidant gas of the battery (1) is diagnosed, the supply state of the reaction gas in the fuel cell (1) can be accurately diagnosed.
さらに、請求項１に記載の発明では、補正値算出部（４３３）は、予め定めた補正基準値に対する第１のインピーダンス（ＺＨ）の比に応じて第２のインピーダンス（ＺＬ）を比例補正して補正値（Ｚα）を算出することを特徴とする。これによれば、第２のインピーダンス（ＺＬ）から単位セル（１０）における乾湿状態の影響を除去して補正値（Ｚα）を正確に算出することができる。
Furthermore, in the invention according to
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池診断装置において、局所電流検出手段（４１）は、単位セル（１０）における燃料ガス流れ下流側に対応する局所部位を流れる局所電流を検出するように構成され、ガス診断手段（４３４）は、補正値（Ｚα）が予め定めた第１判定基準値より大きいか否かを判定し、補正値（Ｚα）が第１判定基準値より大きい場合に燃料ガスの供給状態を欠乏状態と診断することを特徴とする。これにより、燃料ガスの欠乏状態を的確に把握することが可能となる。
In the invention according to
また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の燃料電池診断装置において、ガス診断手段（４３４）は、補正値（Ｚα）が第１判定基準値以下、かつ、予め第１判定基準値よりも小さい値に定められた第２判定基準値より大きいか否かを判定し、補正値（Ｚα）が第１判定基準値以下、かつ、第２判定基準値より大きい場合に、燃料ガスの供給状態を適正状態と診断し、補正値（Ｚα）が第２判定基準値以下である場合に、燃料ガスの供給状態を過剰状態と診断することを特徴とする。これにより、燃料ガスの適正状態および過剰状態を的確に把握することが可能となる。
Further, in the invention according to
また、請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載の燃料電池診断装置において、診断対象となる単位セル（１０）における燃料ガスのガス濃度を算出するガス濃度算出手段（４３５）と、予め補正値（Ｚα）と燃料ガスのガス濃度との相関関係を規定した制御マップが記憶された記憶手段（４３５ａ）と、を備え、ガス濃度算出手段（４３５）は、記憶手段（４３５ａ）に記憶された制御マップを参照して、補正値（Ｚα）から燃料ガスのガス濃度を算出することを特徴とする。これにより、燃料ガスのガス濃度を精度よく算出することが可能となる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell diagnostic apparatus according to the second or third aspect , a gas concentration calculating means (435) for calculating the gas concentration of the fuel gas in the unit cell (10) to be diagnosed. And a storage means (435a) in which a control map prescribing the correlation between the correction value (Zα) and the gas concentration of the fuel gas is stored, and the gas concentration calculation means (435) is a storage means (435a). ), The gas concentration of the fuel gas is calculated from the correction value (Zα). As a result, the gas concentration of the fuel gas can be accurately calculated.
また、請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池診断装置において、局所電流検出手段（４１）は、単位セル（１０）における酸化剤ガス流れ下流側に対応する局所部位を流れる局所電流を検出するように構成され、ガス診断手段（４３４）は、補正値（Ｚα）が予め定めた第３判定基準値より大きいか否かを判定し、補正値（Ｚα）が第３判定基準値より大きい場合に酸化剤ガスの供給状態を欠乏状態と診断することを特徴とする。これにより、酸化剤ガスの欠乏状態を的確に把握することが可能となる。
Further, in the invention according to
また、請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の燃料電池診断装置において、ガス診断手段（４３４）は、補正値（Ｚα）が第３判定基準値以下、かつ、予め第３判定基準値よりも小さい値に定められた第４判定基準値より大きいか否かを判定し、補正値（Ｚα）が第３判定基準値以下、かつ、第４判定基準値より大きい場合に、酸化剤ガスの供給状態を適正状態と診断し、補正値（Ｚα）が第４判定基準値以下である場合に、酸化剤ガスの供給状態を過剰状態と診断することを特徴とする。これにより、酸化剤ガスの適正状態および過剰状態を的確に把握することが可能となる。
Further, in the invention described in
また、請求項７に記載の発明では、請求項５または６に記載の燃料電池診断装置において、診断対象となる単位セル（１０）における酸化剤ガスのガス濃度を算出するガス濃度算出手段（４３５）と、予め補正値（Ｚα）と酸化剤ガスのガス濃度との相関関係を規定した制御マップが記憶された記憶手段（４３５ａ）と、を備え、ガス濃度算出手段（４３５）は、記憶手段（４３５ａ）に記憶された制御マップを参照して、補正値（Ｚα）から酸化剤ガスのガス濃度を算出することを特徴とする。これにより、酸化剤ガスのガス濃度を精度よく算出することが可能となる。 According to the seventh aspect of the invention, in the fuel cell diagnostic apparatus according to the fifth or sixth aspect , the gas concentration calculating means (435) for calculating the gas concentration of the oxidant gas in the unit cell (10) to be diagnosed. ) And a storage means (435a) in which a control map preliminarily defining a correlation between the correction value (Zα) and the gas concentration of the oxidant gas is stored, and the gas concentration calculation means (435) is a storage means. Referring to the control map stored in (435a), the gas concentration of the oxidant gas is calculated from the correction value (Zα). As a result, the gas concentration of the oxidant gas can be accurately calculated.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図１０に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、図示しない車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
(First embodiment)
1st Embodiment of this invention is described based on FIGS. The fuel cell system of this embodiment is applied to a so-called fuel cell vehicle, which is a kind of electric vehicle, and supplies electric power to an electric load such as a vehicle driving electric motor (not shown).
図１の全体構成図に示すように、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１を備えている。燃料電池１は、車両走行用電動モータや二次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型の燃料電池１を採用している。
As shown in the overall configuration diagram of FIG. 1, the fuel cell system includes a
燃料電池１は、基本単位となる単位セル１０（以下、セル１０と略称する。）が複数積層され、各セル１０を電気的に直列に接続した直列接続体として構成されている。
The
具体的には、図２の要部構成図に示すように、各セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両側面に一対の電極１００ｂ、１００ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、膜電極接合体１００を狭持する一対のセパレータ１０１、１０２で構成されている。
Specifically, as shown in the main configuration diagram of FIG. 2, each
一対のセパレータ１０１、１０２のうち、アノード電極１００ｂに対向するセパレータ１０１には、水素を導入する水素入口部１０１ａ、アノード電極１００ｂに水素を供給する水素流路１０１ｃ、水素流路１０１ｃから水素を導出する水素出口部１０１ｂが形成されている。
Of the pair of
また、一対のセパレータ１０１、１０２のうち、カソード電極１００ｃに対向するセパレータ１０２には、空気を導入する空気入口部１０２ａ、カソード電極１００ｃに酸素を供給する空気流路１０２ｃ、空気流路１０２ｃから空気を導出する空気出口部１０２ｂが形成されている。各セパレータ１０１、１０２は、水素流路１０１ｃを流通する水素の流れ方向と空気流路１０２ｃを流通する空気の流れ方向とが互いに対向流となるように、各入口部１０１ａ、１０２ａ、および各出口部１０１ｂ、１０２ｂが形成される。
Of the pair of
各セル１０は、水素および空気が供給されることで、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
（アノード電極）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（カソード電極）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１および各種電気負荷は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。
Each
(Anode electrode) H 2 → 2H + + 2e −
(Cathode electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
Returning to FIG. 1, the
また、各セル１０のうち、診断対象となるセル１０（以下、診断対象セル１０と称する。）には、燃料電池診断装置４が接続されている。この燃料電池診断装置４は、診断対象セル１０における水素流れ下流側（燃料ガス流れ下流側）の局所部位である水素出口部１０１ｂ（空気入口部１０２ａ）付近への燃料ガスの供給状態を診断するものである。水素流れ下流側の局所部位は、水素入口部１０１ａよりも水素出口部１０１ｂに近い部位である。なお、燃料電池診断装置４の詳細については後述する。
In addition, the fuel cell
燃料電池１には、酸素を主成分とする酸化剤ガス（空気）を燃料電池１に供給する空気供給配管２０、および燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気やカソード電極１００ｃ側に溜まった生成水を燃料電池１から外気へ排出する空気排出配管２１が接続されている。なお、空気供給配管２０は、燃料電池１の内部に形成された空気供給マニホールド（図示略）を介して各セル１０の空気入口部１０２ａに連通し、空気排出配管２１は、燃料電池１の内部に形成された空気排出マニホールド（図示略）を介して、各セル１０の空気出口部１０２ｂに連通している。
The
空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１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、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する空気供給手段が構成される。
An
また、燃料電池１には、水素を主成分とする燃料ガスを燃料電池１に供給する水素供給配管３０、および燃料電池１にて電気化学反応を終えた微量な水素やアノード電極１００ｂ側に溜まった生成水を燃料電池１から外気へ排出する水素排出配管３１が接続されている。なお、水素供給配管３０は、燃料電池１の内部に形成された水素供給マニホールド（図示略）を介して各セル１０の水素入口部１０１ａに連通し、水素排出配管３１は、燃料電池１の内部に形成された水素排出マニホールド（図示略）を介して、各セル１０の水素出口部１０１ｂに連通している。
Further, in the
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所望の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。
A high-
水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１００ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１００ｂ側には、カソード電極１００ｃ側から電解質膜１００ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。
The
燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置５が設けられている。この制御装置５は、各種入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、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。
The fuel cell system is provided with a
本実施形態の制御装置５の入力側には、燃料電池診断装置４、制御装置５に対して燃料電池１の運転開始を指示する車両起動スイッチ（図示略）等が接続されており、燃料電池診断装置４、車両起動スイッチ等からの出力信号が入力される。
Connected to the input side of the
一方、制御装置５の出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４といった各種電気式アクチュエータ等が接続されており、これら制御機器が制御装置５からの制御信号により制御される。
On the other hand, various electric actuators such as the
次に、本実施形態の燃料電池診断装置４について説明する。図２の要部構成図に示すように、燃料電池診断装置４は、局所電流センサ４１、電圧センサ４２、信号処理装置４３を備えている。
Next, the fuel cell
局所電流センサ４１は、診断対象セル１０の水素流れ下流側の局所部位（本実施形態では、水素出口部１０１ｂおよび空気入口部１０２ａ付近）に隣接配置されて、水素流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流（局所電流）を検出する局所電流検出手段である。なお、局所電流センサ４１は、シャント抵抗やホール素子等を利用した周知の電流センサを用いることができる。
The local
また、電圧センサ４２は、診断対象セル１０の電圧を検出する電圧検出手段である。なお、局所電流センサ４１および電圧センサ４２は、信号処理装置４３に接続されており、各センサ４１、４２からの各出力信号が信号処理装置４３に入力される。
The
信号処理装置４３は、各種入力信号に基づいて、制御処理や演算処理を実行するもので、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。
The
信号処理装置４３は、燃料電池１の出力電流に対して交流信号（交流電流）を印加する信号印加部４３１、診断対象セル１０のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部４３２、インピーダンス測定部４３２の測定結果を補正した補正値を算出する補正値算出部４３３、燃料電池１への水素の供給状態を診断する診断部４３４が設けられている。
The
信号印加部４３１は、燃料電池１の出力電流に対して、異なる周波数領域の信号を合成した交流信号を印加する信号印加手段を構成している。なお、本実施形態では、０．５ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの範囲（高周波数領域）の信号と０．１Ｈｚ〜数十Ｈｚの範囲（低周波数領域）の信号とを合成した交流信号を信号印加部４３１にて印加するようにしている。なお、信号印加部４３１にて印加する交流信号は、燃料電池１の発電状態に影響しないように燃料電池１の出力電流の１０％以内とすることが望ましい。
The
インピーダンス測定部４３２は、信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に交流信号を印加した際に、局所電流センサ４１、および電圧センサ４２の検出値に基づいて、診断対象セル１０の局所部位におけるインピーダンスＺを測定するインピーダンス測定手段を構成している。
When the
本実施形態のインピーダンス測定部４３２は、高速フーリエ変換処理等によって、高周波数領域の信号に対応する交流成分と低周波数領域の信号に対応する交流成分とを個別に抽出し、高周波数領域の交流信号に対応する第１のインピーダンスＺＨ、および低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンスＺＬそれぞれを測定可能に構成されている。
The
補正値算出部４３３は、インピーダンス測定部４３２にて測定した第１のインピーダンスＺＨを用いて、第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除いた補正値Ｚαを算出するものである。なお、補正値算出部４３３における第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除去する方法については後述する。
Correction
診断部４３４は、補正値算出部４３３にて算出された補正値Ｚαを用いて、燃料電池１の水素の供給状態が欠乏状態、過剰状態、および適正状態のいずれの状態であるかを診断するガス診断手段を構成している。
ここで、第１のインピーダンスＺＨを用いて、第２のインピーダンスＺＬからセル１０の乾湿状態の影響を除去する方法について説明する。図３は、セル１０の一般的な等価回路図を示しており、図３に示すように、一般的なセル１０の等価回路は、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍ、各セパレータ１０１、１０２の抵抗Ｒａｎ、Ｒｃａ、各電極１００ｂ、１００ｃの反応抵抗Ｚａｎ、Ｚｃａ、各電極１００ｂ、１００ｃの電気二重層（コンデンサ成分）Ｃａｎ、Ｃｃａで表現することができる。
Here, using the first impedance Z H, it describes a method of removing the effect of the wet and dry state of the
これに対して、セル１０への水素の供給状態が欠乏状態であって、セル１０の空気の供給状態が適正状態である場合には、カソード電極１００ｃの反応抵抗Ｚｃａおよび電気二重層Ｃｃａがアノード電極１００ｂの反応抵抗Ｚａｎおよび電気二重層Ｃａｎに比べて小さくなるため、セル１０を図４に示す等価回路図で表現することができる。
On the other hand, when the supply state of hydrogen to the
図５は、セル１０への水素の供給状態を変化させた場合の理想的なコールコールプロットを示す図表であり、この図表は、図４に示すセル１０の等価回路を用いて、高周波数領域から低周波数領域までの交流信号を印加した際のインピーダンスＺの変化を複素平面上に示した特性図である。
FIG. 5 is a chart showing an ideal Cole-Cole plot when the supply state of hydrogen to the
空気の供給状態が適正状態、およびセル１０における乾湿状態が適正状態である場合に、セル１０への水素の供給状態が適正状態から欠乏状態へ変化すると、アノード電極１００ｂ側の水素濃度の変化に応じて、図５に示すように、セル１０のインピーダンスＺが増大する傾向がある。例えば、セル１０への水素の供給状態が欠乏状態となる際の低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンスＺＬは、セル１０への水素の供給状態が適正状態となる際よりも大きくなる。
When the supply state of air and the dry / wet state in the
従って、低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンスＺＬの変化に基づいて、セル１０への水素の供給状態を診断することが考えられる。
Therefore, based on the change of the second impedance Z L corresponding to the AC signal in the low frequency range, it is conceivable to diagnose the state of supply of hydrogen into the
しかし、実際のセル１０では、水素の供給状態が適正状態から欠乏状態へ変化する際に、セル１０内の生成水の減少等によってセル１０における乾湿状態が変化してしまう。このため、セル１０への水素の供給状態を正確に診断する場合には、第２のインピーダンスＺＬからセル１０の乾湿状態の影響を除去する必要がある。
However, in the
図６は、セル１０の乾湿状態を変化させた場合の理想的なコールコールプロットを示す図表であり、この図表は、図３に示すセル１０の等価回路を用いて、高周波数領域から低周波数領域までの交流信号を印加した際のインピーダンスＺの変化を複素平面上に示した特性図である。
FIG. 6 is a chart showing an ideal Cole-Cole plot when the wet and dry state of the
空気の供給状態が適正状態、およびセル１０への水素の供給状態が適正状態である場合に、診断対象セル１０における乾湿状態が適正状態から乾燥状態（低湿度状態）へ変化すると、膜抵抗Ｒｐｅｍ等の増加によって、図６に示すように、高周波数領域から低周波数領域の全領域にて診断対象セル１０のインピーダンスＺが相似的に増大する傾向がある。換言すれば、空気の供給状態が適正状態、およびセル１０への水素の供給状態が適正状態である場合には、高周波数領域から低周波数領域の全領域において、セル１０の乾湿状態が変化する前のインピーダンスＺに対する変化後のインピーダンスＺの比が殆ど一定となる。
When the air supply state is an appropriate state and the hydrogen supply state to the
ここで、高周波数領域の交流信号に対応する第１のインピーダンスＺＨは、電解質膜１００ａの膜抵抗Ｒｐｅｍに相関性を有し、セル１０への水素の供給状態に殆ど影響を受けない。このため、セル１０の乾湿状態が変化する前の第１のインピーダンスＺＨに対する変化後の第１のインピーダンスＺＨの比は、セル１０への水素の供給状態によらず、セル１０の乾湿状態による影響（相似的な変化分）と捉えることができる。
Here, the first impedance Z H corresponding to the AC signal in the high frequency region has a correlation with the membrane resistance Rpem of the
従って、セル１０の乾湿状態が変化する前の第１のインピーダンスＺＨに対する変化後の第１のインピーダンスＺＨの比に応じて、第２のインピーダンスＺＬを比例補正すれば、第２のインピーダンスＺＬからセル１０の乾湿状態の影響を除去することが可能となる。
Therefore, in accordance with the first ratio of the impedance Z H after the change to the first impedance Z H before the wet and dry state of the
次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池診断装置４で実行する診断対象セル１０への水素の供給状態を診断する処理について図７のフローチャートを用いて説明する。なお、図７に示す制御ルーチンは、車両起動スイッチが投入されて、燃料電池１が発電状態となるとスタートする。
Next, in the fuel cell system according to the above configuration, a process of diagnosing the supply state of hydrogen to the
燃料電池１が発電状態となると、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数領域の信号と低周波数領域の信号とを合成した交流信号を印加する（Ｓ１０）。
When the
続いて、局所電流センサ４１および電圧センサ４２からの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、局所電流センサ４１、および電圧センサ４２の検出値に基づいて、信号処理装置４３のインピーダンス測定部４３２にて診断対象セル１０の局所部位におけるインピーダンスを測定する（Ｓ３０）。このステップＳ３０の処理では、高周波数領域の交流信号に対応する第１のインピーダンスＺＨ、および低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンスＺＬそれぞれを測定する。
Subsequently, output signals from the local
続いて、信号処理装置４３の補正値算出部４３３にて、第１のインピーダンスＺＨを用いて、第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除いた補正値Ｚαを算出する（Ｓ４０）。
Then, by the
例えば、補正値Ｚαは、以下の数式Ｆ１を用いて算出することができる。
Ｚα＝Ａｂｓ（ＺＬ）×｛Ｒｅ（ＺＨｒｅｆ）／Ｒｅ（ＺＨ）｝・・・Ｆ１
但し、Ａｂｓ（ＺＬ）が第２のインピーダンスの絶対値、ＺＨｒｅｆが予め診断対象セル１０の乾湿状態および水素の供給状態が共に適正状態となっている際に測定した第１のインピーダンス（基準インピーダンス）、Ｒｅ（ＺＨｒｅｆ）が基準インピーダンスにおける実数成分（補正基準値）、Ｒｅ（ＺＨ）が第１のインピーダンスＺＨの実数成分を示している。
For example, the correction value Z alpha can be calculated using the following formula F1.
Z α = Abs (Z L ) × {Re (Z Href ) / Re (Z H )}
However, Abs (Z L ) is the absolute value of the second impedance, and Z Href is the first impedance (reference value) measured in advance when both the wet and dry state of the
ここで、図８は、セル１０への水素の供給状態が適正状態から欠乏状態に変化し、さらに、セル１０が乾燥している場合のコールコールプロットと、乾湿状態を補正した後のコールコールプロットを示す図表である。また、図９は、セル１０への水素の供給状態が適正状態から過剰状態に変化し、さらに、セル１０が湿潤している場合のコールコールプロットと、乾湿状態を補正した後のコールコールプロットを示す図表である。
Here, FIG. 8 shows a Cole-Cole plot when the supply state of hydrogen to the
ステップＳ４０の処理によれば、水素の供給状態が適正状態から欠乏状態に変化した場合、図８に示すように、第２のインピーダンスＺＬから乾湿状態の影響を除去した補正値Ｚαを算出することができる。なお、水素の供給状態が欠乏状態となる際には、セル１０内の乾湿状態が低湿度状態となり、第２のインピーダンスＺＬが増大するため、補正値算出部４３３では、補正値Ｚαが第２のインピーダンスＺＬよりも小さくなるように補正する。
According to the process of step S40, if the supply state of the hydrogen is changed starved from the proper state, as shown in FIG. 8, the correction value Z alpha removing the influence of the wet and dry state from the second impedance Z L calculated can do. Note that when the hydrogen supply state is in a deficient state, the dry / wet state in the
また、水素の供給状態が適正状態から過剰状態に変化した場合、図９に示すように、第２のインピーダンスＺＬから乾湿状態の影響を除去した補正値Ｚαを算出することができる。なお、水素の供給状態が過剰状態となる際には、セル１０内の乾湿状態が高湿度状態（水分過剰状態）となり、第２のインピーダンスＺＬが減少するため、補正値算出部４３３では、補正値Ｚαが第２のインピーダンスＺＬよりも大きくなるように補正する。
Also, if the supply state of the hydrogen is changed to excessive state from the proper state, as shown in FIG. 9, it is possible to calculate a correction value Z alpha from the second impedance Z L to remove the effects of wet and dry states. When the supply state of hydrogen becomes an excessive state, the dry / wet state in the
続いて、信号処理装置４３の診断部４３４にて、ステップＳ４０の処理で算出した補正値Ｚαが予め定めた第１判定基準値より大きいか否かを判定する（Ｓ５０）。この第１判定基準値は、水素の供給状態が欠乏状態となった際の第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を基準に定められている。
Subsequently, it is determined at the
ステップＳ５０の判定処理にて、補正値Ｚαが第１判定基準値よりも大きいと判定された場合（Ｓ５０：ＹＥＳ）には、水素の供給状態が欠乏状態であると診断し（Ｓ６０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、水素調圧弁３３の開度を増大させ、高圧水素タンク３２からの水素の供給量を増大させることで、水素の欠乏状態を解消することができる。
In the determination processing in step S50, when the correction value Z alpha is determined to be larger than the first determination reference value (S50: YES), the supply state of the hydrogen is diagnosed with deficiency (S60), The diagnosis process is terminated. In this case, for example, by increasing the opening degree of the hydrogen
一方、ステップＳ５０の判定処理にて、補正値Ｚαが第１判定基準値以下と判定された場合（Ｓ５０：ＮＯ）には、さらに、補正値Ｚαが予め第１判定基準値よりも小さい値に定められた第２判定基準値以下であるか否かを判定する（Ｓ７０）。なお、第２判定基準値は、水素の供給状態が過剰状態となった際の第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を基準に定められている。 On the other hand, in the determination processing in step S50, when the correction value Z alpha is less than or equal to the first criterion value: in (S50 NO), the further correction value Z alpha is less than a pre-first determination reference value It is determined whether or not the value is equal to or less than a second determination reference value set in the value (S70). Note that the second determination reference value is determined based on the absolute value Abs (Z L ) of the second impedance Z L when the hydrogen supply state becomes an excessive state.
ステップＳ７０の判定処理にて、補正値Ｚαが第２判定基準値以下と判定された場合（Ｓ７０：ＹＥＳ）には、水素の供給状態が過剰状態であると診断し（Ｓ８０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、水素調圧弁３３の開度を減少させ、高圧水素タンク３２からの水素の供給量を減少させることで、水素の過剰状態を解消することができる。
If it is determined in step S70 that the correction value Zα is equal to or less than the second determination reference value (S70: YES), it is diagnosed that the hydrogen supply state is excessive (S80), and the diagnosis process is performed. Exit. In this case, for example, by reducing the opening degree of the hydrogen
一方、ステップＳ７０の判定処理にて、補正値Ｚαが第２判定基準値よりも大きいと判定された場合（Ｓ７０：ＮＯ）には、水素の供給状態が適正状態であると診断し（Ｓ９０）、診断処理を終了する。 On the other hand, in the determination processing in step S70, the case where the correction value Z alpha is determined to be larger than the second criterion value: in (S70 NO), the supply state of the hydrogen is diagnosed with proper state (S90 ), And the diagnosis process is terminated.
以上説明した本実施形態によれば、低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除去して算出した補正値Ｚαを算出し、当該補正値Ｚαに基づいて、燃料電池１の水素の供給状態を診断する構成としているので、燃料電池１の水素の欠乏状態、過剰状態、適正状態を的確に診断することができる。
According to the present embodiment described above, the correction value Z α calculated by removing the influence of the wet and dry state in the
また、セル１０の乾湿状態が適正状態となる際の第１のインピーダンスＺＨを補正基準値とし、当該補正基準値に対する第１のインピーダンスＺＨの実数部の比に応じて第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を比例補正して補正値Ｚαを算出している。これによれば、第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除去した補正値Ｚαを正確に算出することができる。
Further, the first impedance Z H at the time of wet and dry state of the
なお、信号処理装置４３の補正値算出部４３３にて行うセル１０における乾湿状態の影響の除去についての有効性を確認するために、水素の供給状態が適正状態において、診断対象セル１０の温度を高温から低温まで変化させた際に測定したインピーダンスＺと、当該インピーダンスＺの補正値Ｚαを比較した。なお、診断対象セル１０の温度が高くなるに伴い、診断対象セル１０の乾湿状態が乾燥状態（低湿度状態）となる。
In addition, in order to confirm the effectiveness about the removal of the influence of the wet and dry state in the
図１０（ａ）は、水素の供給状態が適正状態において、セル１０の温度を変化させることで、セル１０の乾湿状態を変化させた場合のインピーダンスＺの変化を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のインピーダンスＺの補正値Ｚαの変化を示している。
FIG. 10A shows a change in impedance Z when the wet / dry state of the
図１０に示すように、セル１０のインピーダンスＺは、セル１０の温度が高くなる、すなわちセル１０の湿度が高くなる（乾燥状態となる）に従って増加する傾向があるのに対して、インピーダンスＺの補正値Ｚαは、セル１０の温度変化（乾湿状態の変化）によらず、殆ど変化しない結果となった。つまり、信号処理装置４３の補正値算出部４３３にて行うセル１０における乾湿状態の影響の除去が有効に機能している結果となった。
As shown in FIG. 10, the impedance Z of the
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。このことは、以降の実施形態においても同様である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, description of the same or equivalent parts as in the first embodiment will be omitted or simplified. The same applies to the following embodiments.
図１１の要部構成図に示すように、本実施形態では、燃料電池診断装置４の信号処理装置４３に水素のガス濃度を算出するガス濃度算出部４３５を設けている点が第１実施形態と相違している。
As shown in the main configuration diagram of FIG. 11, in the present embodiment, the
このガス濃度算出部４３５は、ＲＯＭやＲＡＭ等からなる記憶部（記憶手段）４３５ａを有し、予め記憶部４３５ａに記憶された補正値Ｚαと水素のガス濃度との相関関係を規定したマップ（制御マップ）を参照して、補正値算出部４３３にて算出した補正値Ｚαから水素のガス濃度を算出するガス濃度算出手段である。
The gas
ここで、水素のガス濃度は、図１２に示すように、セル１０のインピーダンスＺの絶対値Ａｂｓ（Ｚ）の増加に伴って低下する傾向がある。このため、記憶部４３５ａに記憶するマップは、補正値Ｚαの増大に伴って、水素のガス濃度が低下するように規定されている。
Here, as shown in FIG. 12, the hydrogen gas concentration tends to decrease as the absolute value Abs (Z) of the impedance Z of the
本実施形態によれば、第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除去した補正値Ｚαに基づいて、水素のガス濃度を算出する構成としているので、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、水素のガス濃度を精度よく算出することができる。
According to this embodiment, on the basis of the correction value Z alpha removing the influence of the wet and dry state in a
（第３実施形態）
本実施形態では、燃料電池診断装置４を用いて、診断対象セル１０における空気流れ下流側（酸化剤ガス流れ下流側）の局所部位である空気出口部１０２ｂ（水素入口部１０１ａ）付近への空気（酸化剤ガス）の供給状態を診断する例について説明する。なお、空気流れ下流側の局所部位は、空気入口部１０２ａよりも空気出口部１０２ｂに近い部位である。
(Third embodiment)
In the present embodiment, using the fuel cell
本実施形態の燃料電池診断装置４は、図１３の要部構成図に示すように、局所電流検出手段を構成する局所電流センサ４１を、診断対象セル１０の空気流れ下流側の局所部位（本実施形態では、空気出口部１０２ｂおよび水素入口部１０１ａ付近）に隣接配置し、水素流れ下流側に対応する局所部位に流れる電流（局所電流）を検出するようにしている。なお、セル１０への空気の供給状態を診断する場合、セル１０における空気の供給状態の変化により、セル１０内の生成水の減少等によってセル１０における乾湿状態が変化するため、第２のインピーダンスＺＬからセル１０の乾湿状態の影響を除去する必要がある。
The fuel cell
本実施形態の信号処理装置４３では、インピーダンス測定部４３２にて測定した診断対象セル１０の局所部位（空気流れ下流側）における第１、第２のインピーダンスＺＨ、ＺＬを用いて、補正値算出部４３３にて、補正値Ｚαを算出する。そして、診断部４３４において、補正値算出部４３３にて算出された補正値Ｚαを用いて、燃料電池１の空気の供給状態が欠乏状態、過剰状態、および適正状態のいずれの状態であるかを診断する。なお、本実施形態においても、信号処理装置４３の診断部４３４がガス診断手段を構成している。
In the
次に、本実施形態の燃料電池診断装置４が行う診断対象セル１０への空気の供給状態を診断する処理について図１４のフローチャートを用いて説明する。
Next, processing for diagnosing the supply state of air to the
燃料電池１が発電状態となると、図１４に示すように、信号印加部４３１にて所定の交流信号を印加し（Ｓ１０）、局所電流センサ４１および電圧センサ４２からの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、信号処理装置４３のインピーダンス測定部４３２にて診断対象セル１０の局所部位におけるインピーダンスを測定する（Ｓ３０）。なお、ステップＳ３０の処理では、診断対象セル１０の空気流れ下流側の局所部位における第１のインピーダンスＺＨ、および第２のインピーダンスＺＬを測定する。
When the
続いて、信号処理装置４３の補正値算出部４３３にて、第１のインピーダンスＺＨを用いて、第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除いた補正値Ｚαを算出する（Ｓ４０）。
Then, by the
続いて、信号処理装置４３の診断部４３４にて、ステップＳ４０の処理で算出した補正値Ｚαが予め定めた第３判定基準値より大きいか否かを判定する（Ｓ１００）。この第３判定基準値は、空気の供給状態が欠乏状態となった際の第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を基準に定められている。
Subsequently, it is determined at the
ステップＳ１００の判定処理にて、補正値Ｚαが第３判定基準値よりも大きいと判定された場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）には、空気の供給状態が欠乏状態であると診断し（Ｓ１１０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、空気ポンプ２２の回転数を増大させ、空気の供給量を増大させることで、空気の欠乏状態を解消することができる。なお、空気の欠乏状態とは、単に空気の供給量が不足している状態だけでなく、例えば、フラッディング等によってセル１０内における発電に寄与する空気量が不足している状態を含む意味である。
In the determination processing in step S100, when the correction value Z alpha is determined to be larger than the third determination reference value (S100: YES), the diagnosis of the supply state of the air is deficient state (S110), The diagnosis process is terminated. In this case, for example, the air deficiency state can be eliminated by increasing the rotation speed of the
一方、ステップＳ１００の判定処理にて、補正値Ｚαが第３判定基準値以下と判定された場合（Ｓ１００：ＮＯ）には、さらに、補正値Ｚαが予め第３判定基準値よりも小さい値に定められた第４判定基準値以下であるか否かを判定する（Ｓ１２０）。なお、第４判定基準値は、空気の供給状態が過剰状態となった際の第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を基準に定められている。 On the other hand, in the determination processing in step S100, when the correction value Z alpha is less than or equal to the third determination reference value: the (S100 NO), the further correction value Z alpha is less than the pre-third judgment reference value It is determined whether or not the value is equal to or less than a fourth determination reference value set in the value (S120). The fourth determination reference value is determined based on the absolute value Abs (Z L ) of the second impedance Z L when the air supply state becomes an excessive state.
ステップＳ１２０の判定処理にて、補正値Ｚαが第４判定基準値以下と判定された場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）には、空気の供給状態が過剰状態であると診断し（Ｓ１３０）、診断処理を終了する。この場合、例えば、空気ポンプ２２の回転数を減少させ、空気の供給量を減少させることで、空気の過剰状態を解消することができる。
If it is determined in step S120 that the correction value Zα is equal to or smaller than the fourth determination reference value (S120: YES), the air supply state is diagnosed as being in an excessive state (S130), and the diagnosis process is performed. Exit. In this case, for example, the excessive state of air can be eliminated by reducing the rotation speed of the
一方、ステップＳ１２０の判定処理にて、補正値Ｚαが第４判定基準値よりも大きいと判定された場合（Ｓ１２０：ＮＯ）には、空気の供給状態が適正状態であると診断し（Ｓ１４０）、診断処理を終了する。 On the other hand, in the determination processing in step S120, when the correction value Z alpha is determined to be greater than the fourth determination reference value: the (S120 NO), the supply state of the air is diagnosed with proper state (S140 ), And the diagnosis process is terminated.
以上説明した本実施形態によれば、低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除去して算出した補正値Ｚαを算出し、当該補正値Ｚαに基づいて、燃料電池１の空気の供給状態を診断する構成としているので、燃料電池１の空気の欠乏状態、過剰状態、適正状態を的確に診断することができる。
According to the present embodiment described above, the correction value Z α calculated by removing the influence of the wet and dry state in the
（第４実施形態）
本実施形態では、図１５の要部構成図に示すように、燃料電池診断装置４の信号処理装置４３に酸素のガス濃度を算出するガス濃度算出部４３５を設けている点が第３実施形態と相違している。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, as shown in the main part configuration diagram of FIG. 15, the third embodiment is that a gas
ガス濃度算出部４３５は、第２実施形態と同様に、記憶部（記憶手段）４３５ａを有し、予め記憶部４３５ａに記憶された補正値Ｚαと空気のガス濃度との相関関係を規定したマップを参照して、補正値算出部４３３にて算出した補正値Ｚαから空気のガス濃度を算出するガス濃度算出手段である。
Similarly to the second embodiment, the gas
ここで、酸素のガス濃度は、図１６に示すように、セル１０のインピーダンスＺの絶対値Ａｂｓ（Ｚ）の増加に伴って低下する傾向がある。このため、記憶部４３５ａに記憶するマップは、補正値Ｚαの増大に伴って、酸素のガス濃度が低下するように規定されている。
Here, as shown in FIG. 16, the oxygen gas concentration tends to decrease as the absolute value Abs (Z) of the impedance Z of the
本実施形態によれば、第２のインピーダンスＺＬから診断対象セル１０における乾湿状態の影響を除去した補正値Ｚαに基づいて、酸素のガス濃度を算出する構成としているので、専用のガス濃度センサを別途用意することなく、酸素のガス濃度を精度よく算出することができる。
According to this embodiment, on the basis of the correction value Z alpha removing the influence of the wet and dry state in a
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can deform | transform variously as follows.
（１）上述の各実施形態では、補正基準値Ｒｅ（ＺＨｒｅｆ）に対する第１のインピーダンスＺＨの実数部Ｒｅ（ＺＨ）の比に応じて、第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を比例補正することで、補正値Ｚαを算出する例を説明したが、これに限定されない。 (1) In each of the above-described embodiments, the absolute value Abs (2) of the second impedance Z L according to the ratio of the real part Re (Z H ) of the first impedance Z H to the correction reference value Re (Z Href ). Although an example in which the correction value Z α is calculated by proportionally correcting Z L ) has been described, the present invention is not limited to this.
例えば、補正基準値を基準インピーダンスＺＨｒｅｆの絶対値Ａｂｓ（ＺＨｒｅｆ）とし、補正基準値Ａｂｓ（ＺＨｒｅｆ）に対する第１のインピーダンスＺＨの絶対値Ａｂｓ（ＺＨ）の比に応じて、第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を比例補正することで、補正値Ｚαを算出するようにしてもよい。 For example, the correction reference value is the absolute value Abs (Z Href ) of the reference impedance Z Href , and the correction reference value is changed according to the ratio of the absolute value Abs (Z H ) of the first impedance Z H to the correction reference value Abs (Z Href ). The correction value Z α may be calculated by proportionally correcting the absolute value Abs (Z L ) of the impedance Z L of 2.
（２）上述の各実施形態では、第２のインピーダンスＺＬの絶対値Ａｂｓ（ＺＬ）を比例補正した補正値Ｚαを用いて、セル１０への反応ガス（水素、空気）の供給状態の診断を行う例について説明したが、これに限定されない。
(2) In each of the above-described embodiments, the supply state of the reaction gas (hydrogen, air) to the
例えば、第２のインピーダンスＺＬの位相差θ（ＺＬ）や周波数特性を比例補正した補正値Ｚαを用いて、セル１０への反応ガスの供給状態の診断を行うようにしてもよい。この場合には、各判定基準値を、反応ガスの供給状態が欠乏状態となった際の第２のインピーダンスＺＬの位相差θ（ＺＬ）や周波数特性、および反応ガスの供給状態が過剰状態となった際の第２のインピーダンスＺＬの位相差θ（ＺＬ）や周波数特性を基準に定めればよい。
For example, the reactive gas supply state to the
（３）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数領域の信号と低周波数領域の信号とを合成した交流信号を印加する例について説明したが、これに限定されない。例えば、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して、高周波数領域の信号と低周波数領域の信号とを異なるタイミングで印加するようにしてもよい。
(3) In each of the above-described embodiments, the
（４）上述の各実施形態のように、燃料電池診断装置４にて診断対象セル１０への反応ガスの供給状態が、欠乏状態、適正状態、過剰状態のいずれの状態であるかを診断することが望ましいが、少なくとも反応ガスの供給状態が欠乏状態であるか否かを診断するようにしてもよい。
(4) As in the above-described embodiments, the fuel cell
（５）上述の第１、第２実施形態では、単一の局所電流センサ４１を診断対象セル１０の水素出口部１０１ｂ付近に隣接配置し、インピーダンス測定部４３２にて水素出口部１０１ｂ付近のインピーダンスＺを測定する例について説明したが、これに限定されない。
(5) In the first and second embodiments described above, the single local
例えば、複数の局所電流センサ４１を用い、これらを診断対象セル１０の複数の局所部位に隣接配置し、インピーダンス測定部４３２にて複数の局所部位のインピーダンスＺを測定するようにしてもよい。この場合、診断対象セル１０の複数の局所部位における水素の供給状態を診断することが可能となる。
For example, a plurality of local
同様に、上述の第３、第４実施形態において、複数の局所電流センサ４１を用い、これらを診断対象セル１０の複数の局所部位に隣接配置し、インピーダンス測定部４３２にて複数の局所部位のインピーダンスＺを測定するようにしてもよい。この場合、診断対象セル１０の複数の局所部位における空気の供給状態を診断することが可能となる。
Similarly, in the third and fourth embodiments described above, a plurality of local
さらに、局所電流センサ４１を診断対象セル１０の水素出口部１０１ｂ付近および空気出口部１０２ｂ付近それぞれに隣接配置し、インピーダンス測定部４３２にて水素出口部１０１ｂ付近および空気出口部１０２ｂ付近それぞれのインピーダンスＺを測定するようにしてもよい。これによれば、診断対象セル１０における水素および空気それぞれの供給状態を診断することが可能となる。
Further, the local
（６）上述の各実施形態のように、電圧センサ４２にて診断対象セル１０の電圧を検出する構成が望ましいが、例えば、電圧センサ４２にて燃料電池１全体の電圧を検出するようにしてもよい。
(6) Although the configuration in which the
（７）上述の第２実施形態では、ガス濃度算出部４３５に記憶部４３５ａを設ける例について説明したが、これに限らず、例えば、記憶部４３５ａとガス濃度算出部４３５とを別体で構成するようにしてもよい。
(7) In the above-described second embodiment, the example in which the
（８）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して２つの異なる周波数領域の交流信号を印加する例を説明したが、これに限らず、例えば、３つ以上の異なる周波数領域の交流信号を印加するようにしてもよい。
(8) In each of the above-described embodiments, the example in which the
（９）上述の各実施形態では、信号処理装置４３の信号印加部４３１にて燃料電池１の出力電流に対して交流信号を印加する例について説明したが、これに限らず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２にて燃料電池１の出力電流に対して交流信号を印加するようにしてもよい。この場合、燃料電池診断装置４の部品点数の低減を図ることができる。
(9) In each of the above-described embodiments, the example in which the AC signal is applied to the output current of the
（１０）上述の各実施形態では、本発明の燃料電池診断装置４を燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する装置に適用する例を説明したが、これに限らず、船舶およびポータブル発電機等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断する装置に適用してもよい。
(10) In each of the above-described embodiments, the example in which the fuel cell
１ 燃料電池
１０ セル（単位セル）
４１ 局所電流センサ（局所電流検出手段）
４２ 電圧センサ（電圧検出手段）
４３１ 信号印加部（信号印加手段）
４３２ インピーダンス測定部（インピーダンス測定手段）
４３３ 補正値算出部
４３４ 診断部（ガス診断手段）
1
41 Local current sensor (local current detection means)
42 Voltage sensor (voltage detection means)
431 Signal application unit (signal application means)
432 Impedance measuring unit (impedance measuring means)
433 Correction
Claims (7)
前記燃料電池（１）に対して、異なる周波数領域の交流信号を印加する信号印加手段（４３１）と、
診断対象となる前記単位セル（１０）の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４１）と、
前記燃料電池（１）の電圧を検出する電圧検出手段（４２）と、
前記局所電流検出手段（４１）の検出値、および前記電圧検出手段（４２）の検出値に基づいて、前記異なる周波数領域のうち、高周波数領域の交流信号に対応する第１のインピーダンス（ＺＨ）、および低周波数領域の交流信号に対応する第２のインピーダンス（ＺＬ）を測定するインピーダンス測定手段（４３２）と、
前記第１のインピーダンス（ＺＨ）を用いて、前記第２のインピーダンス（ＺＬ）から前記単位セル（１０）における乾湿状態の影響を除いた補正値（Ｚα）を算出する補正値算出部（４３３）と、
前記補正値算出部（４３３）にて算出された補正値（Ｚα）を用いて、前記燃料電池（１）の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方の供給状態を診断するガス診断手段（４３４）と、を備え、
前記補正値算出部（４３３）は、予め定めた補正基準値に対する前記第１のインピーダンス（ＺＨ）の比に応じて前記第２のインピーダンス（ＺＬ）を比例補正して前記補正値（Ｚα）を算出することを特徴とする燃料電池診断装置。 A fuel cell diagnostic device for diagnosing the state of a fuel cell (1) in which a plurality of unit cells (10) that generate electrical energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas are laminated,
Signal applying means (431) for applying alternating signals of different frequency ranges to the fuel cell (1);
Local current detection means (41) for detecting a local current flowing in a local part of the unit cell (10) to be diagnosed;
Voltage detection means (42) for detecting the voltage of the fuel cell (1);
Based on the detection value of the local current detection means (41) and the detection value of the voltage detection means (42), a first impedance (ZH) corresponding to an AC signal in a high frequency area among the different frequency areas. And impedance measuring means (432) for measuring a second impedance (ZL) corresponding to the AC signal in the low frequency region,
Using the first impedance (ZH), a correction value calculation unit (433) that calculates a correction value (Zα) obtained by removing the influence of the wet and dry state in the unit cell (10) from the second impedance (ZL). When,
Gas diagnostic means for diagnosing the supply state of at least one of the fuel gas and the oxidant gas of the fuel cell (1) using the correction value (Zα) calculated by the correction value calculation unit (433). and 434), with a,
The correction value calculation unit (433) proportionally corrects the second impedance (ZL) in accordance with a ratio of the first impedance (ZH) to a predetermined correction reference value to obtain the correction value (Zα). calculating a fuel cell diagnostic apparatus characterized by.
前記ガス診断手段（４３４）は、
前記補正値（Ｚα）が予め定めた第１判定基準値より大きいか否かを判定し、
前記補正値（Ｚα）が前記第１判定基準値より大きい場合に前記燃料ガスの供給状態を欠乏状態と診断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池診断装置。 The local current detecting means (41) is configured to detect the local current flowing in a local portion corresponding to the downstream side of the fuel gas flow in the unit cell (10),
The gas diagnostic means (434)
Determining whether the correction value (Zα) is larger than a predetermined first determination reference value;
2. The fuel cell diagnostic device according to claim 1 , wherein when the correction value (Zα) is larger than the first determination reference value, the fuel gas supply state is diagnosed as a deficient state.
前記補正値（Ｚα）が前記第１判定基準値以下、かつ、予め前記第１判定基準値よりも小さい値に定められた第２判定基準値より大きいか否かを判定し、
前記補正値（Ｚα）が前記第１判定基準値以下、かつ、前記第２判定基準値より大きい場合に、前記燃料ガスの供給状態を適正状態と診断し、
前記補正値（Ｚα）が前記第２判定基準値以下である場合に、前記燃料ガスの供給状態を過剰状態と診断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池診断装置。 The gas diagnostic means (434)
Determining whether the correction value (Zα) is less than or equal to the first determination reference value and greater than a second determination reference value set in advance to be smaller than the first determination reference value;
When the correction value (Zα) is less than or equal to the first determination reference value and greater than the second determination reference value, the fuel gas supply state is diagnosed as an appropriate state,
3. The fuel cell diagnostic device according to claim 2 , wherein when the correction value (Zα) is equal to or less than the second determination reference value, the supply state of the fuel gas is diagnosed as an excessive state.
予め前記補正値（Ｚα）と前記燃料ガスのガス濃度との相関関係を規定した制御マップが記憶された記憶手段（４３５ａ）と、を備え、
前記ガス濃度算出手段（４３５）は、前記記憶手段（４３５ａ）に記憶された前記制御マップを参照して、前記補正値（Ｚα）から前記燃料ガスのガス濃度を算出することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池診断装置。 Gas concentration calculating means (435) for calculating the gas concentration of the fuel gas in the unit cell (10) to be diagnosed;
Storage means (435a) in which a control map prescribing a correlation between the correction value (Zα) and the gas concentration of the fuel gas is stored,
The gas concentration calculating means (435), a request to said storage means (435a) to see the stored the control map, and calculates the gas concentration of the fuel gas from said correction value (Zarufa) Item 4. The fuel cell diagnostic device according to Item 2 or 3 .
前記ガス診断手段（４３４）は、
前記補正値（Ｚα）が予め定めた第３判定基準値より大きいか否かを判定し、
前記補正値（Ｚα）が前記第３判定基準値より大きい場合に前記酸化剤ガスの供給状態を欠乏状態と診断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池診断装置。 The local current detecting means (41) is configured to detect the local current flowing in a local portion corresponding to the downstream side of the oxidant gas flow in the unit cell (10),
The gas diagnostic means (434)
Determining whether the correction value (Zα) is greater than a predetermined third determination reference value;
2. The fuel cell diagnostic apparatus according to claim 1 , wherein when the correction value (Zα) is larger than the third determination reference value, the supply state of the oxidant gas is diagnosed as a deficient state.
前記補正値（Ｚα）が前記第３判定基準値以下、かつ、予め前記第３判定基準値よりも小さい値に定められた第４判定基準値より大きいか否かを判定し、
前記補正値（Ｚα）が前記第３判定基準値以下、かつ、前記第４判定基準値より大きい場合に、前記酸化剤ガスの供給状態を適正状態と診断し、
前記補正値（Ｚα）が前記第４判定基準値以下である場合に、前記酸化剤ガスの供給状態を過剰状態と診断することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池診断装置。 The gas diagnostic means (434)
Determining whether the correction value (Zα) is less than or equal to the third determination reference value and greater than a fourth determination reference value set in advance to be smaller than the third determination reference value;
When the correction value (Zα) is equal to or less than the third determination reference value and greater than the fourth determination reference value, the supply state of the oxidant gas is diagnosed as an appropriate state,
6. The fuel cell diagnostic device according to claim 5 , wherein when the correction value (Zα) is equal to or less than the fourth determination reference value, the supply state of the oxidant gas is diagnosed as an excessive state.
予め前記補正値（Ｚα）と前記酸化剤ガスのガス濃度との相関関係を規定した制御マップが記憶された記憶手段（４３５ａ）と、を備え、
前記ガス濃度算出手段（４３５）は、前記記憶手段（４３５ａ）に記憶された前記制御マップを参照して、前記補正値（Ｚα）から前記酸化剤ガスのガス濃度を算出することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池診断装置。 Gas concentration calculating means (435) for calculating the gas concentration of the oxidant gas in the unit cell (10) to be diagnosed;
Storage means (435a) in which a control map prescribing a correlation between the correction value (Zα) and the gas concentration of the oxidant gas is stored,
The gas concentration calculating means (435) calculates the gas concentration of the oxidant gas from the correction value (Zα) with reference to the control map stored in the storage means (435a). The fuel cell diagnostic device according to claim 5 or 6 .
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