(57)【要約】【課題】エアストイキ比を正確に検出することが可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る燃料電池システム１は、燃料電池１２と、アノードガス供給流路１４と、ターボコンプレッサ１６と、バイパス流路２１と、バイパス流量調整弁１８と、制御装置２４と、を備え、前記制御装置２４は、高周波の正弦波信号の負荷を燃料電池１２に付加することによって検出される燃料電池１２の高周波インピーダンスの絶対値と、低周波の正弦波信号の負荷を燃料電池１２に付加することによって検出される燃料電池１２の低周波インピーダンスの位相差と、に基づいてエアストイキ比を算出するエアストイキ比算出部３０と、バイパス流量調整弁１８が開弁している場合において、エアストイキ比算出部３０による算出結果が要求値を示すように、バイパス流量調整弁１８の開度を調整する流量及び圧力調整部２５と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に供給するためのエアが流れるエア供給流路と、
前記エア供給流路に流れる前記エアの流量を制御するターボコンプレッサと、
前記エア供給流路に流れるエアのうち、前記燃料電池に供給されるエア以外のエアが分岐して流れるバイパス流路と、
前記バイパス流路に流れる前記エアの流量を調整するバイパス流量調整弁と、
制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
基準周波数よりも高い第１周波数の正弦波信号の負荷を前記燃料電池に付加することによって検出される前記燃料電池の第１インピーダンスの絶対値と、前記基準周波数よりも低い第２周波数の正弦波信号の負荷を前記燃料電池に付加することによって検出される前記燃料電池の第２インピーダンスの位相差と、に基づいて、前記燃料電池で消費されるエアの流量に対する前記燃料電池に供給されるエアの流量の割合であるエアストイキ比を算出する、エアストイキ比算出部と、
前記バイパス流量調整弁が開弁している場合において、前記エアストイキ比算出部による算出結果が要求値を示すように、前記バイパス流量調整弁の開度を調整する調整部と、
を有する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、ドライアップの発生を防ぐため、燃料電池に供給されるエアの流量（酸化剤ガスの供給量）を制限する必要がある。その一方で、例えば高温時では、エア供給流路内に設けられたターボコンプレッサのサージを防ぐため、エア供給流路内の圧力（エア圧力）及び流量（エア流量）を増加させる必要がある。これらの要求を満たすため、燃料電池システムでは、ターボコンプレッサから吐出されるエアのうち、必要とされる流量のエアを燃料電池に供給するとともに、余剰分のエアをバイパス流路に分岐させている。
【０００３】
燃料電池システムに関する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池のインピーダンスの絶対値に基づいて、燃料電池で消費されるエア流量に対する燃料電池に供給されるエア流量の割合であるエアストイキ比、が上限値よりも高いか否かを検出し、その検出結果に基づいてエアストイキ比を調整することにより、エア供給過剰によるドライアップを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９１８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは以下の課題を見出した。
特許文献１に開示された燃料電池システムは、エアストイキ比が上限値よりも高いか否かを検出しているが、エアストイキ比が上限値よりも高いか否かを検出するためには、高周波インピーダンスの絶対値を参照する必要がある。しかしながら、高周波インピーダンスの絶対値では、エアストイキ比が高すぎる（燃料電池へのエア供給量が多すぎる）のを検出することはできるが、エアストイキ比が低すぎる（燃料電池へのエア供給量が少なすぎる）のを検出することは困難である。即ち、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、依然として、エアストイキ比を正確に検出することができない、という問題があった。その結果、例えば、エア供給不足によって燃料電池のセル電圧が低下してしまう可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであって、エアストイキ比を正確に検出することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給するためのエアが流れるエア供給流路と、前記エア供給流路に流れる前記エアの流量を制御するターボコンプレッサと、前記エア供給流路に流れるエアのうち、前記燃料電池に供給されるエア以外のエアが分岐して流れるバイパス流路と、前記バイパス流路に流れる前記エアの流量を調整するバイパス流量調整弁と、制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、基準周波数よりも高い第１周波数の正弦波信号の負荷を前記燃料電池に付加することによって検出される前記燃料電池の第１インピーダンスの絶対値と、前記基準周波数よりも低い第２周波数の正弦波信号の負荷を前記燃料電池に付加することによって検出される前記燃料電池の第２インピーダンスの位相差と、に基づいて、前記燃料電池で消費されるエアの流量に対する前記燃料電池に供給されるエアの流量の割合であるエアストイキ比を算出する、エアストイキ比算出部と、前記バイパス流量調整弁が開弁している場合において、前記エアストイキ比算出部による算出結果が要求値を示すように、前記バイパス流量調整弁の開度を調整する調整部と、を有するものである。高周波の第１インピーダンスの絶対値だけでなく、低周波の第２インピーダンスの位相差に基づいて、エアストイキ比を検出することにより、エアストイキ比の上限値のみならず下限値をも正確に検出することができる。その結果、例えば、エア供給過剰によるドライアップの発生を防ぐことができるだけでなく、エア供給不足による燃料電池の電圧低下を防ぐことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、エアストイキ比を正確に検出することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムに設けられたターボコンプレッサの作動特性を示す図である。
【図３】エアストイキ比と、セル電圧、低周波インピーダンスの位相差、及び、高周波インピーダンスのそれぞれと、の関係を示す図である。
【図４】図１に示す燃料電池システムに設けられた燃料電池の等価回路を示す図である。
【図５】図４に示す等価回路のコールコールプロット図である。
【図６】図４に示す等価回路のコールコールプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１１】
まず、図１を参照して、本発明に係る燃料電池システム１について説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の構成例を示す図である。本発明に係る燃料電池システム１は、燃料電池１２と、アノードガス供給排出系統２と、カソードガス供給排出系統３と、電流計２２と、電圧計２３と、制御装置２４と、を備える。なお、図１には、負荷Ｌｄも示されている。
【００１２】
燃料電池１２は、複数の単位セル１１が積層されることによって構成されている。各単位セル１１は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に積層されたアノード極及びアノードセパレータと、電解質膜の他方の面に積層されたカソード極及びカソードセパレータと、を備える。アノード極は、アノード触媒層及びアノード拡散層によって構成され、カソード極は、カソード触媒層及びカソード拡散層によって構成されている。また、アノードセパレータは、アノード極側に水素ガスを供給するアノードガス流路と、冷却水路と、によって構成されている。カソードセパレータは、カソード極側にエアを供給するカソードガス供給流路と、冷却水路と、によって構成されている。
【００１３】
アノードガス供給排出系統２は、水素供給源１３と、アノードガス供給流路１４と、アノードガス排出流路１５と、によって構成されている。カソードガス供給排出系統３は、カソードガス供給流路（エア供給流路）１９と、ターボコンプレッサ１６と、カソード圧調整弁１７と、カソードガス排出流路２０と、バイパス流路２１と、バイパス流量調整弁１８と、によって構成されている。
【００１４】
燃料電池１２には、水素供給源１３からの水素ガス（アノードガス）がアノードガス供給流路１４を介して供給されるとともに、酸化剤ガス等のエア（カソードガス）がカソードガス供給流路１９を介して供給される。燃料電池１２では、水素ガスとエアの電気化学反応によって電力が生成される。負荷Ｌｄは、燃料電池１２によって生成された電力によって駆動される。燃料電池１２に残った水素ガス及びエアは、それぞれアノードガス排出流路１５及びカソードガス排出流路２０を介して排出される。
【００１５】
カソードガス供給排出系統３において、ターボコンプレッサ１６は、カソードガス供給流路１９内に設けられ、制御装置２４からの指示によってカソードガス供給流路１９に流れるエアの流量を制御する。ターボコンプレッサ１６の下流（即ち、ターボコンプレッサ１６と燃料電池１２との間に設けられたカソードガス供給流路１９）と、カソードガス排出流路２０と、の間には、バイパス流路２１が設けられている。バイパス流路２１には、カソードガス供給流路１９に流れるエアのうち、燃料電池１２に供給されるエア以外の余剰分のエアが分岐して流れる。バイパス流量調整弁１８は、バイパス流路２１内に設けられ、制御装置２４からの指示によって、バイパス流路２１に流れるエアの流量（換言すると、燃料電池１２に供給されるエアの流量）を調整する。
【００１６】
カソード圧調整弁１７は、カソードガス排出流路２０のうち、バイパス流路２１の接続部分よりも燃料電池１２寄りのカソードガス排出流路２０内に設けられ、制御装置２４からの指示によって、カソードガス排出流路２０から排出されるエアの圧力を調整する。
【００１７】
制御装置２４は、インピーダンス測定装置２６と、エアストイキ比算出部３０と、流量及び圧力調整部２５と、を備える。インピーダンス測定装置２６は、重畳信号付加部２７と、電流及び電圧計測部２８と、インピーダンス算出部２９と、を有する。
【００１８】
流量及び圧力調整部２５は、ターボコンプレッサ１６の回転数を調整することによってターボコンプレッサ１６から吐出されるエアの流量を制御したり、バイパス流量調整弁１８の開度を調整することによってバイパス流路２１に流れるエアの流量（換言すると、燃料電池１２に供給されるエアの流量）を制御したり、カソード圧調整弁１７の開度を調整することによってカソードガス供給流路１９内の圧力を制御したりする。
【００１９】
図２は、ターボコンプレッサ１６の作動特性を示す図である。図２において、横軸（Ｑ）はエア流量を表し、縦軸（Ｐ）は、エア圧力を表している。
【００２０】
図２に示すように、エア流量が低く、かつ、圧力が高い条件では、ターボコンプレッサ１６の作動が不安定になる領域（サージ領域）が存在する。通常作動温度では、ターボコンプレッサ１６は、常に非サージ領域内で作動することが可能である。しかしながら、例えば高温時では、低流量かつ高圧力が要求されるため、条件によっては、ターボコンプレッサ１６がサージ領域で作動してしまう可能性がある。これを避けるため、燃料電池システム１では、ターボコンプレッサ１６の回転数を増加させてエア流量を増加させることにより、ターボコンプレッサ１６の作動をサージ領域から非サージ領域に移動させている。なお、このとき、エア流量の増加分は、バイパス流量調整弁１８の開度を大きくすることにより、バイパス流路２１に流している。なお、燃料電池１２を構成する複数の単位セル１１の内部の圧損は、水の生成及び排水によって刻々と変化するため、その変化に応じて、常に、バイパス流量調整弁１８及びカソード圧調整弁１７のそれぞれの開度の調整が行われている。
【００２１】
重畳信号付加部２７は、負荷Ｌｄに対し、例えば負荷量の５〜１０％程度の２種類の正弦波信号を重畳させる。具体的には、基準周波数よりも高い周波数（例えば２００Ｈｚ）の正弦波信号と、基準周波数よりも低い周波数（例えば２０Ｈｚ）の正弦波信号を重畳させる。なお、２種類の正弦波信号は、同時に重畳させてもよいし、交互に重畳させてもよい。
【００２２】
電流及び電圧計測部２８は、負荷Ｌｄに重畳された２種類の正弦波信号のそれぞれの電流波形（電流値）及び出力電圧波形（電圧値）を計測する。インピーダンス算出部２９は、まず、電流及び電圧計測部２８によって計測された高周波の正弦波信号の電流値及び電圧値から、第１のインピーダンス（以下、高周波インピーダンスとも称す）の絶対値を算出する。インピーダンス算出部２９は、さらに、電流及び電圧計測部２８によって計測された低周波の正弦波信号の電流値及び電圧値から、第２のインピーダンス（以下、低周波インピーダンスとも称す）の位相差を算出する。なお、低周波インピーダンスの位相差とは、重畳した正弦波信号と、計測された電圧値の正弦波信号と、の位相のずれのことである。
【００２３】
エアストイキ比算出部３０は、インピーダンス算出部２９によって算出された高周波インピーダンスの絶対値及び低周波インピーダンスの位相差に基づいて、燃料電池１２で消費されるエアの流量に対する燃料電池１２に供給されるエアの流量の割合であるエアストイキ比を算出する。
【００２４】
図３は、エアストイキ比と、セル電圧、低周波インピーダンスの位相差、及び、高周波インピーダンスのそれぞれと、の関係を示す図である。
【００２５】
図３に示すように、高周波インピーダンスの絶対値は、エアストイキ比が低い領域ではほとんど変化しないが、エアストイキ比が高い領域では、エアストイキ比の変化に応じて大きく変動する。そのため、高周波インピーダンスの絶対値を参照することによってエアストイキ比の上限値を検出することが可能となる。それにより、燃料電池１２へのエア供給過剰を未然に防ぐことができるため、燃料電池１２のドライアップの発生を防ぐことができる。
【００２６】
それに対し、低周波インピーダンスの位相差は、エアストイキ比が高い領域ではほとんど変化しないが、エアストイキ比が低い領域では、エアストイキ比の変化に応じて大きく変動する。そのため、低周波インピーダンスの位相差を参照することによってエアストイキ比の下限値を検出することが可能となる。ここで、エアストイキ比が低下すると、セル電圧が低下するよりも先に低周波インピーダンスの位相差が大きく変化し始める。それにより、燃料電池１２へのエア供給不足を未然に防ぐことができるため、燃料電池１２のセル電圧低下を防ぐことができる。
【００２７】
なお、エアストイキ比算出部３０によるエアストイキ比の算出は、例えば、低周波インピーダンスの位相差及び高周波インピーダンスの絶対値を、予め記憶された図３に示すような情報に当てはめることによって行われる。
【００２８】
ここで、流量及び圧力調整部２５は、バイパス流量調整弁１８が開弁している場合において、エアストイキ比算出部３０によって算出されたエアストイキ比が、要求されているエアストイキ比の下限値以上かつ上限値以下の範囲内となるように、バイパス流量調整弁１８、及び、必要に応じてカソード圧調整弁１７を調整する。それにより、例えば、エア供給過剰によるドライアップの発生を防ぐことができるだけでなく、エア供給不足による燃料電池の電圧低下を防ぐことができる。また、このとき、追加の流量センサなどは不要である。
【００２９】
図４は燃料電池１２の等価回路を示す図である。
図４に示すように、燃料電池１２は、等価回路として、並列に設けられた電荷移動抵抗Ｒｃｔ及び電気二重層キャパシタＣｄｌと、それらに直列に設けられた溶液抵抗Ｒｓｏｌと、を備える。
【００３０】
図５及び図６は、それぞれ図４に示す等価回路のコールコールプロット図である。なお、図５では、エアストイキ比と低周波インピーダンスとの関係が示されている。また、図６では、エアストイキ比と高周波インピーダンスとの関係が示されている。図５及び図６のそれぞれの横軸は、インピーダンスの実数成分を表し、図５及び図６のそれぞれの縦軸は、インピーダンスの虚数部分を表している。
【００３１】
まず、図５に示すように、低周波インピーダンスは、エアストイキ比の低下に伴って、Ｚ２０−１、Ｚ２０−２、Ｚ２０−３、Ｚ２０−４の順に変化している。それに伴って、位相差もθ２０−１、θ２０−２、θ２０−３、θ２０−４の順に変化している。つまり、エアストイキ比の低下に伴って、低周波インピーダンスの位相差は大きくなっている。
【００３２】
また、図６に示すように、高周波インピーダンスは、エアストイキ比の上昇に伴って、Ｚ２００−１、Ｚ２００−２、Ｚ２００−３、Ｚ２００−４の順に変化している。つまり、エアストイキ比の上昇に伴って、高周波インピーダンスの絶対値は大きくなっている。
【００３３】
このように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、高周波インピーダンスの絶対値だけでなく、低周波インピーダンスの位相差に基づいて、エアストイキ比を検出することにより、エアストイキ比の上限値のみならず下限値をも正確に検出することができる。その結果、例えば、エア供給過剰によるドライアップの発生を防ぐことができるだけでなく、エア供給不足による燃料電池の電圧低下を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池システム
２  アノードガス供給排出系統
３  カソードガス供給排出系統
１１  単位セル
１２  燃料電池
１３  水素供給源
１４  アノードガス供給流路
１５  アノードガス排出流路
１６  ターボコンプレッサ
１７  カソード圧調整弁
１８  バイパス流量調整弁
１９  カソードガス供給流路
２０  カソードガス排出流路
２１  バイパス流路
２２  電流計
２３  電圧計
２４  制御装置
２５  流量及び圧力調整部
２６  インピーダンス測定装置
２７  重畳信号付加部
２８  電流及び電圧計測部
２９  インピーダンス算出部
３０  エアストイキ比算出部
Ｌｄ  負荷
Ｃｄｌ  電気二重層キャパシタ
Ｒｃｔ  電荷移動抵抗
Ｒｓｏｌ  溶液抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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