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JP7787003B2 - fuel cell system - Google Patents
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JP7787003B2 - fuel cell system - Google Patents

fuel cell system

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JP7787003B2 JP2022064670A JP2022064670A JP7787003B2 JP 7787003 B2 JP7787003 B2 JP 7787003B2 JP 2022064670 A JP2022064670 A JP 2022064670A JP 2022064670 A JP2022064670 A JP 2022064670A JP 7787003 B2 JP7787003 B2 JP 7787003B2
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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 This disclosure relates to a fuel cell system.

特許文献1に開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックは、水素と酸素との化学反応によって発電を行う。 The fuel cell system disclosed in Patent Document 1 includes a fuel cell stack. The fuel cell stack generates electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen.

特開2022-22829号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2022-22829

燃料電池スタックに水素欠乏が生じると、燃料電池スタックの劣化の要因となる場合がある。このため、燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定することが求められる。 If a hydrogen deficiency occurs in a fuel cell stack, it can cause the fuel cell stack to deteriorate. For this reason, it is necessary to determine when a hydrogen deficiency has occurred in a fuel cell stack.

上記課題を解決する燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定する測定部と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池スタックに交流電圧を印加することで前記測定部によって測定される前記インピーダンスを取得し、前記測定部により測定された前記インピーダンスの実数成分と前記測定部により測定された前記インピーダンスの虚数成分から電荷移動抵抗を算出し、前記電荷移動抵抗と前記燃料電池スタックの水素欠乏との相関から、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記水素欠乏が生じていると判定する。 A fuel cell system that solves the above problem comprises a fuel cell stack having multiple fuel cell cells, a measurement unit that measures the impedance of the fuel cell stack, and a control device. The control device obtains the impedance measured by the measurement unit by applying an AC voltage to the fuel cell stack, calculates the charge transfer resistance from the real component of the impedance measured by the measurement unit and the imaginary component of the impedance measured by the measurement unit, and, based on the correlation between the charge transfer resistance and hydrogen deficiency in the fuel cell stack, determines that hydrogen deficiency has occurred if the charge transfer resistance is equal to or greater than a threshold value.

電荷移動抵抗と燃料電池スタックの水素欠乏には相関が存在する。燃料電池スタックに水素欠乏が生じると、電荷移動抵抗が大きくなる。電荷移動抵抗に閾値を設定することによって、制御装置は、燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定できる。 There is a correlation between charge transfer resistance and hydrogen deficiency in the fuel cell stack. When hydrogen deficiency occurs in the fuel cell stack, the charge transfer resistance increases. By setting a threshold value for charge transfer resistance, the control device can determine when hydrogen deficiency has occurred in the fuel cell stack.

上記燃料電池システムについて、前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックに水素を循環させる循環路と、前記循環路から排気を行う排気排水弁と、を備え、前記制御装置は、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行してもよい。 The above fuel cell system may include a circulation path that circulates hydrogen through the fuel cell stack and an exhaust/drain valve that exhausts hydrogen from the circulation path, and the control device may perform at least one of control to increase the amount of hydrogen circulating through the circulation path and control to shorten the opening interval of the exhaust/drain valve when the charge transfer resistance is equal to or greater than a threshold value.

上記燃料電池システムについて、前記制御装置は、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合であり、かつ、前記複数の燃料電池セルのうち最も電圧が低い燃料電池セルの電圧が負電圧ではない場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行してもよい。 In the above fuel cell system, when the charge transfer resistance is equal to or greater than a threshold value and the voltage of the fuel cell with the lowest voltage among the plurality of fuel cell units is not a negative voltage, the control device may perform at least one of control to increase the amount of hydrogen circulating through the circulation path and control to shorten the opening interval of the exhaust drain valve.

上記燃料電池システムについて、前記燃料電池スタックの出力電力を変圧するDC/DCコンバータを備え、前記DC/DCコンバータは、前記燃料電池スタックの出力電圧に交流電圧を重畳させ、前記測定部は、前記燃料電池スタックの出力電流、及び前記燃料電池スタックの出力電圧から前記インピーダンスを測定してもよい。 The above fuel cell system may also include a DC/DC converter that transforms the output power of the fuel cell stack, the DC/DC converter superimposing an AC voltage on the output voltage of the fuel cell stack, and the measurement unit measuring the impedance from the output current of the fuel cell stack and the output voltage of the fuel cell stack.

本発明によれば、燃料電池スタックに水素欠乏が生じたことを判定できる。 The present invention makes it possible to determine when a hydrogen deficiency has occurred in a fuel cell stack.

燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system. 燃料電池セルの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell; 水素欠乏判定制御を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing hydrogen deficiency determination control. 燃料電池スタックのナイキストプロットである。1 is a Nyquist plot of a fuel cell stack. 電荷移動抵抗の算出方法を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method for calculating charge transfer resistance. 電荷移動抵抗とアノードストイキ比との関係を示す図である。FIG. 10 is a graph showing the relationship between charge transfer resistance and anode stoichiometric ratio.

燃料電池システムの一実施形態について説明する。
図1に示すように、産業車両10は、車両負荷11と、燃料電池システム20と、を備える。車両負荷11は、電力によって駆動する装置である。車両負荷11は、例えば、電力によって駆動する電動機である。この電動機の駆動によって産業車両10は走行する。
An embodiment of a fuel cell system will now be described.
As shown in Fig. 1, the industrial vehicle 10 includes a vehicle load 11 and a fuel cell system 20. The vehicle load 11 is a device driven by electricity. For example, the vehicle load 11 is an electric motor driven by electricity. The industrial vehicle 10 travels by being driven by this electric motor.

<燃料電池システム>
燃料電池システム20は、燃料電池スタック21と、カソード系40、アノード系60と、希釈器71と、制御装置110と、を備える。
<Fuel cell system>
The fuel cell system 20 includes a fuel cell stack 21 , a cathode system 40 , an anode system 60 , a diluter 71 , and a control device 110 .

燃料電池スタック21は、複数の燃料電池セル22を備える。燃料電池セル22は、高分子膜型燃料電池セルである。燃料電池セル22は、空気中の酸素と水素との化学反応によって発電を行う。 The fuel cell stack 21 includes multiple fuel cell cells 22. The fuel cell cells 22 are polymer membrane fuel cell cells. The fuel cell cells 22 generate electricity through a chemical reaction between oxygen in the air and hydrogen.

図2に示すように、燃料電池セル22は、イオン透過性の電解質膜23と、アノード側触媒層24と、アノード側マイクロポーラス層25と、アノード側拡散層26と、カソード側触媒層27と、カソード側マイクロポーラス層28と、カソード側拡散層29と、を備える。アノード側触媒層24とカソード側触媒層27とは、電解質膜23を挟んでいる。アノード側マイクロポーラス層25とカソード側マイクロポーラス層28とは、電解質膜23及び各触媒層24,27を挟んでいる。アノード側拡散層26と、カソード側拡散層29とは、電解質膜23、各触媒層24,27及び各マイクロポーラス層25,28を挟んでいる。 As shown in FIG. 2, the fuel cell 22 includes an ion-permeable electrolyte membrane 23, an anode-side catalyst layer 24, an anode-side microporous layer 25, an anode-side diffusion layer 26, a cathode-side catalyst layer 27, a cathode-side microporous layer 28, and a cathode-side diffusion layer 29. The anode-side catalyst layer 24 and the cathode-side catalyst layer 27 sandwich the electrolyte membrane 23. The anode-side microporous layer 25 and the cathode-side microporous layer 28 sandwich the electrolyte membrane 23 and the catalyst layers 24 and 27. The anode-side diffusion layer 26 and the cathode-side diffusion layer 29 sandwich the electrolyte membrane 23, the catalyst layers 24 and 27, and the microporous layers 25 and 28.

各触媒層24,27は、触媒によって水素及び酸素の反応を促進する。各触媒層24,27は、触媒、触媒を担持する担体及びこれらを被覆するアイオノマを含む。触媒としては、例えば白金、ルテニウム等を用いることができる。担体としては、例えば、カーボンを用いることができる。アイオノマとしては、イオン伝導性の高分子電解質を使用することができる。アイオノマとしては、例えば、電解質膜23と同様の材料を用いればよい。 Each catalyst layer 24, 27 promotes the reaction of hydrogen and oxygen using a catalyst. Each catalyst layer 24, 27 includes a catalyst, a carrier that supports the catalyst, and an ionomer that coats the catalyst and the carrier. Examples of catalysts that can be used include platinum and ruthenium. Examples of carriers that can be used include carbon. Examples of ionomers that can be used include an ion-conductive polymer electrolyte. For example, the same material as the electrolyte membrane 23 can be used as the ionomer.

各マイクロポーラス層25,28は、発電時に化学反応により生成された水を各触媒層24,27に滞留させないように、外部への排出を促す。各マイクロポーラス層25,28としては、例えば、撥水性樹脂とカーボンなどの導電性材料などを含んで構成される。 Each microporous layer 25, 28 facilitates the discharge of water generated by chemical reactions during power generation to the outside, preventing it from remaining in each catalyst layer 24, 27. Each microporous layer 25, 28 is composed of, for example, a water-repellent resin and a conductive material such as carbon.

各拡散層26,29は、電子、水素、及び酸素の経路となる。各拡散層26,29は、ガス透過性及び電子伝導性を有する材料によって構成されている。各拡散層26,29は、例えば、カーボンによって構成されている。 Each diffusion layer 26, 29 serves as a pathway for electrons, hydrogen, and oxygen. Each diffusion layer 26, 29 is made of a material that is gas permeable and electron conductive. Each diffusion layer 26, 29 is made of, for example, carbon.

図1に示すように、燃料電池スタック21は、カソード流路30と、アノード流路33と、を備える。カソード流路30には、空気が流れる。アノード流路33には、水素が流れる。カソード流路30は、流入口31と、流出口32と、を備える。空気は、流入口31からカソード流路30に流入し、流出口32から流出する。アノード流路33は、流入口34と、流出口35と、を備える。水素は、流入口34からアノード流路33に流入し、流出口35から流出する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 21 includes a cathode flow path 30 and an anode flow path 33. Air flows through the cathode flow path 30. Hydrogen flows through the anode flow path 33. The cathode flow path 30 includes an inlet 31 and an outlet 32. Air flows into the cathode flow path 30 through the inlet 31 and flows out through the outlet 32. The anode flow path 33 includes an inlet 34 and an outlet 35. Hydrogen flows into the anode flow path 33 through the inlet 34 and flows out through the outlet 35.

カソード系40は、吸入口41と、電動圧縮機42と、インバータ44と、インタークーラ45と、カソード供給路46と、カソード排出路49と、第1バルブ51と、第2バルブ52と、を備える。 The cathode system 40 includes an intake port 41, an electric compressor 42, an inverter 44, an intercooler 45, a cathode supply path 46, a cathode discharge path 49, a first valve 51, and a second valve 52.

吸入口41は、燃料電池システム20に空気を吸入する。吸入口41は大気に開放されていてもよい。吸入口41は、ガスボンベに接続されていてもよい。
電動圧縮機42は、電動モータ43を備える。電動圧縮機42は、電動モータ43によって駆動する。電動圧縮機42は、燃料電池スタック21に空気を供給する。詳細には、電動圧縮機42は、吸入口41から供給される空気を圧縮して燃料電池スタック21に供給する。電動圧縮機42から燃料電池スタック21に供給された空気は、カソード流路30を流れる。
The intake port 41 draws air into the fuel cell system 20. The intake port 41 may be open to the atmosphere or may be connected to a gas cylinder.
The electric compressor 42 includes an electric motor 43. The electric compressor 42 is driven by the electric motor 43. The electric compressor 42 supplies air to the fuel cell stack 21. Specifically, the electric compressor 42 compresses the air supplied from the intake port 41 and supplies the compressed air to the fuel cell stack 21. The air supplied from the electric compressor 42 to the fuel cell stack 21 flows through the cathode flow path 30.

インバータ44は、電動モータ43に接続されている。インバータ44は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ43に供給する。これにより、電動モータ43が駆動する。 The inverter 44 is connected to the electric motor 43. The inverter 44 converts DC power into AC power and supplies it to the electric motor 43. This drives the electric motor 43.

インタークーラ45には、電動圧縮機42から吐出された空気が供給される。インタークーラ45は、電動圧縮機42から供給された空気を冷却する。燃料電池スタック21に供給される空気は、インタークーラ45によって冷却された後の空気である。 Air discharged from the electric compressor 42 is supplied to the intercooler 45. The intercooler 45 cools the air supplied from the electric compressor 42. The air supplied to the fuel cell stack 21 is air that has been cooled by the intercooler 45.

カソード供給路46は、電動圧縮機42とカソード流路30とを接続している。詳細にいえば、カソード供給路46は、電動圧縮機42とカソード流路30の流入口31とを接続している。カソード供給路46は、第1供給路47と、第2供給路48と、を含む。第1供給路47は、電動圧縮機42とインタークーラ45とを接続している。第2供給路48は、インタークーラ45とカソード流路30とを接続している。 The cathode supply path 46 connects the electric compressor 42 and the cathode flow path 30. More specifically, the cathode supply path 46 connects the electric compressor 42 and the inlet 31 of the cathode flow path 30. The cathode supply path 46 includes a first supply path 47 and a second supply path 48. The first supply path 47 connects the electric compressor 42 and the intercooler 45. The second supply path 48 connects the intercooler 45 and the cathode flow path 30.

カソード排出路49は、カソード流路30と希釈器71とを接続している。詳細にいえば、カソード排出路49は、カソード流路30の流出口32と希釈器71とを接続している。カソード排出路49は、カソード排ガスが流れる通路である。カソード排ガスは、燃料電池スタック21から排出される空気であって、生成水を含んだ空気である。生成水とは、燃料電池スタック21での発電によって生成される水である。 The cathode discharge channel 49 connects the cathode flow path 30 and the diluter 71. More specifically, the cathode discharge channel 49 connects the outlet 32 of the cathode flow path 30 and the diluter 71. The cathode discharge channel 49 is a passage through which the cathode exhaust gas flows. The cathode exhaust gas is air discharged from the fuel cell stack 21 and contains produced water. The produced water is water produced by the power generation in the fuel cell stack 21.

第1バルブ51は、カソード供給路46に設けられている。本実施形態では、第2供給路48、即ち、インタークーラ45とカソード流路30との間に第1バルブ51が設けられている。第1バルブ51は、第1供給路47、即ち、インタークーラ45と電動圧縮機42との間に設けられていてもよい。 The first valve 51 is provided in the cathode supply path 46. In this embodiment, the first valve 51 is provided in the second supply path 48, i.e., between the intercooler 45 and the cathode flow path 30. The first valve 51 may also be provided in the first supply path 47, i.e., between the intercooler 45 and the electric compressor 42.

第2バルブ52は、カソード排出路49に設けられている。第2バルブ52は、開度が調整可能なバルブである。電動圧縮機42の圧縮率は、第2バルブ52の開度を調整することで制御可能である。 The second valve 52 is provided in the cathode discharge path 49. The second valve 52 has an adjustable opening. The compression ratio of the electric compressor 42 can be controlled by adjusting the opening of the second valve 52.

アノード系60は、タンク61と、減圧弁62と、水素供給部63と、供給路64と、循環路65と、気液分離器66と、循環ポンプ67と、インバータ69と、排気排水弁70と、を備える。 The anode system 60 includes a tank 61, a pressure reducing valve 62, a hydrogen supply unit 63, a supply line 64, a circulation line 65, a gas-liquid separator 66, a circulation pump 67, an inverter 69, and an exhaust/drain valve 70.

タンク61は、水素を貯留している。
減圧弁62には、タンク61から水素が供給される。減圧弁62は、タンク61から供給された水素を減圧する。減圧された水素は、水素供給部63に供給される。
The tank 61 stores hydrogen.
Hydrogen is supplied to the pressure reducing valve 62 from the tank 61. The pressure reducing valve 62 reduces the pressure of the hydrogen supplied from the tank 61. The reduced pressure hydrogen is supplied to the hydrogen supply unit 63.

水素供給部63は、燃料電池スタック21に供給される水素の量を調整するための部材である。燃料電池スタック21に供給される水素の量は、水素供給部63を制御することで調整可能である。水素供給部63としては、例えば、インジェクタなどの電磁弁を用いることができる。 The hydrogen supply unit 63 is a component for adjusting the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 21. The amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 21 can be adjusted by controlling the hydrogen supply unit 63. The hydrogen supply unit 63 can be, for example, a solenoid valve such as an injector.

供給路64は、水素供給部63と、アノード流路33と、を接続している。詳細にいえば、供給路64は、水素供給部63と、アノード流路33の流入口34と、を接続している。水素供給部63から噴射された水素は、供給路64を通じて燃料電池スタック21に供給される。 The supply channel 64 connects the hydrogen supply unit 63 to the anode flow path 33. More specifically, the supply channel 64 connects the hydrogen supply unit 63 to the inlet 34 of the anode flow path 33. Hydrogen injected from the hydrogen supply unit 63 is supplied to the fuel cell stack 21 through the supply channel 64.

循環路65は、アノード流路33と、供給路64と、を接続している。詳細にいえば、循環路65は、アノード流路33の流出口35と、供給路64と、を接続している。循環路65には、アノード排ガスが流れる。アノード排ガスは、未反応の水素と、生成水と、を含む。循環路65は、アノード排ガスに含まれる未反応の水素を供給路64に戻すための通路である。 The circulation path 65 connects the anode flow path 33 and the supply path 64. More specifically, the circulation path 65 connects the outlet 35 of the anode flow path 33 and the supply path 64. Anode exhaust gas flows through the circulation path 65. The anode exhaust gas contains unreacted hydrogen and generated water. The circulation path 65 is a passage for returning the unreacted hydrogen contained in the anode exhaust gas to the supply path 64.

気液分離器66は、循環路65に設けられている。気液分離器66は、アノード排ガスを水素と、生成水と、に分離する。アノード排ガスから分離された生成水は、気液分離器66に貯留される。 The gas-liquid separator 66 is provided in the circulation path 65. The gas-liquid separator 66 separates the anode exhaust gas into hydrogen and produced water. The produced water separated from the anode exhaust gas is stored in the gas-liquid separator 66.

循環ポンプ67は、循環路65に設けられている。循環ポンプ67は、電動モータ68を備える。循環ポンプ67は、電動モータ68によって駆動する。循環ポンプ67は、気液分離器66によってアノード排ガスから分離された水素を供給路64に供給する。これにより、水素が循環する。 The circulation pump 67 is provided in the circulation path 65. The circulation pump 67 includes an electric motor 68. The circulation pump 67 is driven by the electric motor 68. The circulation pump 67 supplies hydrogen separated from the anode exhaust gas by the gas-liquid separator 66 to the supply path 64. This circulates the hydrogen.

インバータ69は、電動モータ68に接続されている。インバータ69は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ68に供給する。これにより、電動モータ68が駆動する。 The inverter 69 is connected to the electric motor 68. The inverter 69 converts DC power into AC power and supplies it to the electric motor 68. This drives the electric motor 68.

排気排水弁70は、気液分離器66に接続されている。排気排水弁70は、開状態と閉状態に切り替えられる。排気排水弁70が開状態になると、気液分離器66から生成水が排出される。また、循環路65から排気が行われる。排気排水弁70が閉状態になると、気液分離器66から生成水を排出できなくなる。即ち、排気排水弁70が閉状態の場合、気液分離器66に生成水が貯留されていく。排気排水弁70は、所定の開弁間隔毎に閉状態から開状態に切り替えられる。 The exhaust drain valve 70 is connected to the gas-liquid separator 66. The exhaust drain valve 70 can be switched between an open and closed state. When the exhaust drain valve 70 is open, the produced water is discharged from the gas-liquid separator 66. In addition, exhaust is performed through the circulation path 65. When the exhaust drain valve 70 is closed, the produced water cannot be discharged from the gas-liquid separator 66. In other words, when the exhaust drain valve 70 is closed, the produced water accumulates in the gas-liquid separator 66. The exhaust drain valve 70 is switched from a closed state to an open state at predetermined valve opening intervals.

気液分離器66は、希釈器71に接続されている。排気排水弁70が開状態になると、気液分離器66に貯留された生成水、及びアノード排ガスが希釈器71に供給される。希釈器71は、カソード排ガスでアノード排ガスを希釈して大気中に排出する。 The gas-liquid separator 66 is connected to a diluter 71. When the exhaust/drain valve 70 is opened, the produced water stored in the gas-liquid separator 66 and the anode exhaust gas are supplied to the diluter 71. The diluter 71 dilutes the anode exhaust gas with the cathode exhaust gas and discharges it into the atmosphere.

冷却系80は、冷媒循環路81と、熱交換器82と、ファン83と、冷媒ポンプ84と、インバータ86と、温度測定部87と、を備える。
冷媒循環路81は、燃料電池スタック21と熱交換器82とを接続している。熱交換器82は、例えば、ラジエータである。冷媒循環路81には、冷媒が循環する。冷媒としては、例えば、水、不凍液、又は空気が用いられる。
The cooling system 80 includes a refrigerant circulation path 81 , a heat exchanger 82 , a fan 83 , a refrigerant pump 84 , an inverter 86 , and a temperature measurement unit 87 .
The refrigerant circulation path 81 connects the fuel cell stack 21 and a heat exchanger 82. The heat exchanger 82 is, for example, a radiator. A refrigerant circulates through the refrigerant circulation path 81. The refrigerant may be, for example, water, antifreeze, or air.

ファン83は、熱交換器82に向けて送風を行う。ファン83からの送風によって熱交換器82の内部の冷媒は冷却される。
冷媒ポンプ84は、冷媒循環路81に冷媒を循環させる。冷媒ポンプ84は、電動モータ85を備える。冷媒ポンプ84は、電動モータ85によって駆動する。熱交換器82で冷却された冷媒が冷媒循環路81によって燃料電池スタック21に供給されることで、燃料電池スタック21は冷却される。
The fan 83 blows air toward the heat exchanger 82. The air blown from the fan 83 cools the refrigerant inside the heat exchanger 82.
The refrigerant pump 84 circulates the refrigerant through the refrigerant circulation path 81. The refrigerant pump 84 includes an electric motor 85. The refrigerant pump 84 is driven by the electric motor 85. The refrigerant cooled in the heat exchanger 82 is supplied to the fuel cell stack 21 through the refrigerant circulation path 81, thereby cooling the fuel cell stack 21.

インバータ86は、電動モータ85に接続されている。インバータ86は、直流電力を交流電力に変換して電動モータ85に供給する。これにより、電動モータ85が駆動する。 The inverter 86 is connected to the electric motor 85. The inverter 86 converts DC power into AC power and supplies it to the electric motor 85. This drives the electric motor 85.

温度測定部87は、冷媒の温度を測定する。温度測定部87は、燃料電池スタック21と熱交換を行う前の冷媒の温度を測定するように設けられてもよいし、燃料電池スタック21と熱交換を行った後の冷媒の温度を測定するように設けられてもよい。 The temperature measurement unit 87 measures the temperature of the refrigerant. The temperature measurement unit 87 may be configured to measure the temperature of the refrigerant before heat exchange with the fuel cell stack 21, or may be configured to measure the temperature of the refrigerant after heat exchange with the fuel cell stack 21.

電気系90は、第1DC/DCコンバータ91と、電流センサ93と、電圧センサ94と、第2DC/DCコンバータ95と、第1蓄電装置96と、充電状態検出部98と、第2蓄電装置99と、を備える。 The electrical system 90 includes a first DC/DC converter 91, a current sensor 93, a voltage sensor 94, a second DC/DC converter 95, a first power storage device 96, a charge state detection unit 98, and a second power storage device 99.

第1DC/DCコンバータ91は、燃料電池スタック21に接続されている。第1DC/DCコンバータ91は、燃料電池スタック21の出力電力を変圧して出力するDC/DCコンバータである。第1DC/DCコンバータ91は、例えば、燃料電池スタック21の出力電力を48[V]に変圧して出力する。第1DC/DCコンバータ91からの出力電力は、車両負荷11に供給される。第1DC/DCコンバータ91は、スイッチング素子92を備える。第1DC/DCコンバータ91は、スイッチング素子92のスイッチング制御によって変圧を行う。 The first DC/DC converter 91 is connected to the fuel cell stack 21. The first DC/DC converter 91 is a DC/DC converter that transforms and outputs the output power of the fuel cell stack 21. The first DC/DC converter 91 transforms and outputs the output power of the fuel cell stack 21 to, for example, 48 V. The output power from the first DC/DC converter 91 is supplied to the vehicle load 11. The first DC/DC converter 91 is equipped with a switching element 92. The first DC/DC converter 91 performs the transformation by controlling the switching of the switching element 92.

電流センサ93は、燃料電池スタック21の出力電流を測定する。
電圧センサ94は、燃料電池スタック21の出力電圧を測定する。電圧センサ94としては、複数の燃料電池セル22の電圧を個別に測定できるものが用いられる。例えば、電圧センサ94として、複数のポートを備え、複数のポートのそれぞれに燃料電池セル22の正極及び負極が接続されるものを用いる。これにより、電圧センサ94は、燃料電池セル22の電圧を個別に測定することができる。
The current sensor 93 measures the output current of the fuel cell stack 21 .
The voltage sensor 94 measures the output voltage of the fuel cell stack 21. The voltage sensor 94 used is one that can individually measure the voltages of the multiple fuel cell cells 22. For example, the voltage sensor 94 used is one that has multiple ports, with the positive and negative electrodes of the fuel cell cells 22 connected to each of the multiple ports. This allows the voltage sensor 94 to individually measure the voltages of the fuel cell cells 22.

第2DC/DCコンバータ95は、第1DC/DCコンバータ91に接続されている。第2DC/DCコンバータ95は、第1DC/DCコンバータ91の出力電力を変圧して出力する。第2DC/DCコンバータ95は、例えば、第1DC/DCコンバータ91の出力電力を12[V]に変圧して出力する。 The second DC/DC converter 95 is connected to the first DC/DC converter 91. The second DC/DC converter 95 transforms the output power of the first DC/DC converter 91 and outputs it. For example, the second DC/DC converter 95 transforms the output power of the first DC/DC converter 91 to 12 V and outputs it.

第1蓄電装置96は、第1DC/DCコンバータ91に接続されている。第1蓄電装置96は、第1DC/DCコンバータ91に対して48V系補機97と並列に接続されている。第1DC/DCコンバータ91からの出力電力が車両負荷11及び48V系補機97の消費電力を上回っている場合、第1蓄電装置96は余剰の電力によって充電される。第1DC/DCコンバータ91からの出力電力が車両負荷11及び48V系補機97の消費電力を下回っている場合、第1蓄電装置96は放電を行う。第1蓄電装置96としては、充放電可能であれば、どのようなものを用いてもよい。第1蓄電装置96としては、例えば、二次電池及びキャパシタを挙げることができる。48V系補機97は、電動圧縮機42、循環ポンプ67、及び冷媒ポンプ84を含む。 The first storage device 96 is connected to the first DC/DC converter 91. The first storage device 96 is connected in parallel with the 48V auxiliary equipment 97 relative to the first DC/DC converter 91. When the output power from the first DC/DC converter 91 exceeds the power consumption of the vehicle load 11 and the 48V auxiliary equipment 97, the first storage device 96 is charged with the surplus power. When the output power from the first DC/DC converter 91 is lower than the power consumption of the vehicle load 11 and the 48V auxiliary equipment 97, the first storage device 96 discharges. Any device capable of charging and discharging may be used as the first storage device 96. Examples of the first storage device 96 include a secondary battery and a capacitor. The 48V auxiliary equipment 97 includes the electric compressor 42, the circulation pump 67, and the refrigerant pump 84.

充電状態検出部98は、第1蓄電装置96の充電状態を検出する。充電状態検出部98は、例えば、バッテリマネジメントシステムである。充電状態検出部98は、センサと、センサの検出結果から第1蓄電装置96の状態を導出する導出部と、を含む。センサは、例えば、電流センサ及び電圧センサである。導出部は、センサの検出結果から第1蓄電装置96の充電率を導出可能である。充電率の導出手法としては、例えば、第1蓄電装置96の開回路電圧を用いる手法、電流積算法、あるいは、これらの組み合わせを挙げることができる。 The charge state detection unit 98 detects the charge state of the first storage device 96. The charge state detection unit 98 is, for example, a battery management system. The charge state detection unit 98 includes a sensor and a derivation unit that derives the state of the first storage device 96 from the sensor detection results. The sensor is, for example, a current sensor and a voltage sensor. The derivation unit can derive the charge rate of the first storage device 96 from the sensor detection results. Methods for deriving the charge rate include, for example, a method using the open-circuit voltage of the first storage device 96, a current integration method, or a combination of these.

第2蓄電装置99は、第2DC/DCコンバータ95に接続されている。第2蓄電装置99は、第2DC/DCコンバータ95に対して12V系補機100と並列に接続されている。第2DC/DCコンバータ95からの出力電力が12V系補機100の消費電力を上回っている場合、第2蓄電装置99は余剰の電力によって充電される。第2DC/DCコンバータ95からの出力電力が12V系補機100の消費電力を下回っている場合、第2蓄電装置99は放電を行う。第2蓄電装置99としては、充放電可能であれば、どのようなものを用いてもよい。第2蓄電装置99としては、例えば、二次電池及びキャパシタを挙げることができる。12V系補機100は、ファン83、第1バルブ51、及び第2バルブ52を含む。 The second storage device 99 is connected to the second DC/DC converter 95. The second storage device 99 is connected in parallel with the 12V auxiliary device 100 relative to the second DC/DC converter 95. When the output power from the second DC/DC converter 95 exceeds the power consumption of the 12V auxiliary device 100, the second storage device 99 is charged with the surplus power. When the output power from the second DC/DC converter 95 is lower than the power consumption of the 12V auxiliary device 100, the second storage device 99 discharges. Any device that can be charged and discharged may be used as the second storage device 99. Examples of the second storage device 99 include a secondary battery and a capacitor. The 12V auxiliary device 100 includes a fan 83, a first valve 51, and a second valve 52.

制御装置110は、プロセッサ111と、記憶部112と、を備える。記憶部112は、RAM(Random Access Memory)、及びROM(Read Only Memory)を含む。記憶部112は、処理をプロセッサ111に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部112、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御装置110は、ASICやFPGA等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御装置110は、コンピュータプログラムに従って動作する1つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の1つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。 The control device 110 includes a processor 111 and a memory unit 112. The memory unit 112 includes RAM (Random Access Memory) and ROM (Read Only Memory). The memory unit 112 stores program code or instructions configured to cause the processor 111 to execute processes. The memory unit 112, i.e., the computer-readable medium, includes any available medium accessible by a general-purpose or special-purpose computer. The control device 110 may be configured with hardware circuits such as ASICs and FPGAs. The control device 110, which is a processing circuit, may include one or more processors that operate according to a computer program, one or more hardware circuits such as ASICs and FPGAs, or a combination thereof.

制御装置110は、燃料電池システム20の制御を行う。
制御装置110は、燃料電池スタック21の発電についての制御を行う。制御装置110は、第1蓄電装置96の充電率に応じて燃料電池スタック21の発電状態と発電停止状態とを切り替える。発電状態は、低発電状態、中発電状態、及び高発電状態を含む。低発電状態での発電電力は、中発電状態での発電電力よりも小さい。中発電状態での発電電力は、高発電状態での発電電力よりも小さい。制御装置110は、発電状態を遷移させることで、第1蓄電装置96の充電率に応じて段階的に発電電力を変化させることができる。制御装置110は、例えば、第1蓄電装置96の充電率が高いほど、発電電力が小さくなるように燃料電池スタック21の発電を制御する。
The control device 110 controls the fuel cell system 20 .
The control device 110 controls the power generation of the fuel cell stack 21. The control device 110 switches the fuel cell stack 21 between a power generation state and a power generation stop state depending on the charging rate of the first power storage device 96. The power generation states include a low power generation state, a medium power generation state, and a high power generation state. The power generated in the low power generation state is lower than the power generated in the medium power generation state. The power generated in the medium power generation state is lower than the power generated in the high power generation state. By transitioning the power generation state, the control device 110 can gradually change the power generation depending on the charging rate of the first power storage device 96. For example, the control device 110 controls the power generation of the fuel cell stack 21 so that the power generation decreases as the charging rate of the first power storage device 96 increases.

<水素欠乏判定制御>
制御装置110は、水素欠乏判定制御を行う。水素欠乏判定制御は、燃料電池スタック21に水素欠乏が生じているか否かを判定する制御である。
<Hydrogen deficiency determination control>
The control device 110 performs hydrogen deficiency determination control, which determines whether or not hydrogen deficiency has occurred in the fuel cell stack 21.

図3に示すように、ステップS1において、制御装置110は、燃料電池スタック21のインピーダンスの測定を許可するか否かを判定する。制御装置110は、燃料電池スタック21が発電状態の場合、燃料電池スタック21のインピーダンスの測定を許可する。ステップS1の判定結果が肯定の場合、制御装置110は、ステップS2の処理を行う。ステップS2の判定結果が否定の場合、制御装置110は、水素欠乏判定制御を終了する。 As shown in FIG. 3, in step S1, the control device 110 determines whether or not to permit measurement of the impedance of the fuel cell stack 21. If the fuel cell stack 21 is in a power generating state, the control device 110 permits measurement of the impedance of the fuel cell stack 21. If the determination result in step S1 is positive, the control device 110 performs processing in step S2. If the determination result in step S2 is negative, the control device 110 terminates the hydrogen deficiency determination control.

ステップS2において、制御装置110は、燃料電池スタック21のインピーダンスを測定する。これにより、制御装置110は、燃料電池スタック21のインピーダンスを取得する。燃料電池スタック21のインピーダンスは、インピーダンス分光法によって測定することができる。制御装置110は、第1DC/DCコンバータ91を制御することによって燃料電池スタック21に交流電圧を印加する。これにより、燃料電池スタック21の直流電圧に交流電圧が重畳される。制御装置110は、第1DC/DCコンバータ91のスイッチング素子92を制御することによって燃料電池スタック21の直流電圧に交流電圧を重畳させる。制御装置110は、電流センサ93及び電圧センサ94から検出結果を取得する。制御装置110は、燃料電池スタック21の出力電流及び燃料電池スタックの出力電圧から交流成分を抽出する。制御装置110は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池スタック21のインピーダンスを測定する。制御装置110が燃料電池スタック21に印加する交流電圧の周波数は、電荷移動抵抗を測定できるように設定されている。制御装置110は、測定部である。以下、詳細に説明を行う。 In step S2, the control device 110 measures the impedance of the fuel cell stack 21. As a result, the control device 110 obtains the impedance of the fuel cell stack 21. The impedance of the fuel cell stack 21 can be measured using impedance spectroscopy. The control device 110 applies an AC voltage to the fuel cell stack 21 by controlling the first DC/DC converter 91. As a result, the AC voltage is superimposed on the DC voltage of the fuel cell stack 21. The control device 110 superimposes the AC voltage on the DC voltage of the fuel cell stack 21 by controlling the switching element 92 of the first DC/DC converter 91. The control device 110 obtains detection results from the current sensor 93 and the voltage sensor 94. The control device 110 extracts AC components from the output current and output voltage of the fuel cell stack 21. The control device 110 measures the impedance of the fuel cell stack 21 using the AC impedance method. The frequency of the AC voltage applied to the fuel cell stack 21 by the control device 110 is set so that the charge transfer resistance can be measured. The control device 110 is a measurement unit. This is described in detail below.

図4は、燃料電池スタック21のインピーダンス特性を示すナイキストプロットである。ナイキストプロットは、インピーダンス分光法を用いて燃料電池スタック21のインピーダンス特性を複素平面上に表示したものである。図4の横軸は、インピーダンスの実数成分を表す。図4の縦軸はインピーダンスの虚数成分を表す。図4の縦軸は、正負を反転させており、縦軸方向に大きくなるほど虚数成分は小さくなる。縦軸の「大」「小」は、負の方向への「大」「小」を示しているともいえる。 Figure 4 is a Nyquist plot showing the impedance characteristics of the fuel cell stack 21. The Nyquist plot displays the impedance characteristics of the fuel cell stack 21 on a complex plane using impedance spectroscopy. The horizontal axis of Figure 4 represents the real component of the impedance. The vertical axis of Figure 4 represents the imaginary component of the impedance. The vertical axis of Figure 4 is inverted in sign, and the larger the value along the vertical axis, the smaller the imaginary component. The "large" and "small" on the vertical axis can also be said to represent "large" and "small" in the negative direction.

ナイキストプロットでは、2つの円弧C1,C2を得ることができる。2つの円弧C1,C2のうち低周波側の円弧C1の直径は物質移動抵抗を表す。物質移動抵抗は、拡散層26,29での酸素移動に由来する抵抗値である。2つの円弧C1,C2のうち高周波側の円弧C2の直径は電荷移動抵抗を示す。電荷移動抵抗は、触媒層24,27での電子移動に由来する抵抗値である。円弧C2よりも高周波側は電解質膜抵抗を示す。電解質膜抵抗は、電解質膜23でのイオン移動に由来する抵抗値である。円弧C2を横軸によって二分された半円とみなし、円弧C2と横軸とが交わる箇所のインピーダンス、及び円弧C2上のインピーダンスを求めると、円弧C2の直径を算出できる。発明者は、インピーダンス分光法を用いて燃料電池スタック21のインピーダンス特性を求めたところ、250[Hz]を境にして燃料電池スタック21のインピーダンスが円弧C2から外れることを見出した。そして、250[Hz]以上の交流電圧を印加することによって得られたインピーダンスを、円弧C2と横軸とが交わる箇所のインピーダンスとみなす。また、10[Hz]~25[Hz]の周波数は、電荷移動抵抗を示す円弧C2上のインピーダンスとみなすことができる。このため、制御装置110は、250[Hz]以上の周波数のうち一点のインピーダンスと、10[Hz]~25[Hz]のうち一点のインピーダンスとを測定する。本実施形態において、制御装置110は、250[Hz]の交流電圧を燃料電池スタック21に印加することによってインピーダンスを測定する。制御装置110は、25[Hz]の交流電圧を燃料電池スタック21に印加することによってインピーダンスを測定する。 Two arcs C1 and C2 can be obtained from the Nyquist plot. The diameter of arc C1, which is the lower frequency of the two arcs C1 and C2, represents mass transfer resistance. Mass transfer resistance is a resistance value resulting from oxygen transfer in the diffusion layers 26 and 29. The diameter of arc C2, which is the higher frequency of the two arcs C1 and C2, represents charge transfer resistance. Charge transfer resistance is a resistance value resulting from electron transfer in the catalyst layers 24 and 27. The higher frequency side of arc C2 represents electrolyte membrane resistance. Electrolyte membrane resistance is a resistance value resulting from ion transfer in the electrolyte membrane 23. The diameter of arc C2 can be calculated by regarding arc C2 as a semicircle bisected by the horizontal axis and calculating the impedance at the intersection of arc C2 and the horizontal axis, as well as the impedance on arc C2. The inventors used impedance spectroscopy to determine the impedance characteristics of the fuel cell stack 21 and found that the impedance of the fuel cell stack 21 deviates from arc C2 at a frequency of 250 Hz. The impedance obtained by applying an AC voltage of 250 Hz or higher is considered to be the impedance at the point where arc C2 intersects with the horizontal axis. Furthermore, frequencies between 10 Hz and 25 Hz can be considered to be the impedance on arc C2, which indicates charge transfer resistance. Therefore, the control device 110 measures the impedance at one point among frequencies above 250 Hz and one point among frequencies between 10 Hz and 25 Hz. In this embodiment, the control device 110 measures the impedance by applying an AC voltage of 250 Hz to the fuel cell stack 21. The control device 110 measures the impedance by applying an AC voltage of 25 Hz to the fuel cell stack 21.

図3に示すように、次に、ステップS3において、制御装置110は、最低セル電圧が負電圧ではなく、かつ、電荷移動抵抗が閾値Imp1以上か否かを判定する。最低セル電圧は、複数の燃料電池セル22のうち最も電圧が低い燃料電池セル22の電圧である。制御装置110は、電圧センサ94の検出結果から最低セル電圧が負電圧ではないか否かを判定する。 As shown in FIG. 3, next, in step S3, the control device 110 determines whether the minimum cell voltage is not a negative voltage and whether the charge transfer resistance is equal to or greater than the threshold value Imp1. The minimum cell voltage is the voltage of the fuel cell 22 with the lowest voltage among the multiple fuel cell cells 22. The control device 110 determines whether the minimum cell voltage is a negative voltage based on the detection result of the voltage sensor 94.

制御装置110は、ステップS2で測定されたインピーダンスから電荷移動抵抗を算出する。そして、制御装置110は、電荷移動抵抗が閾値Imp1以上か否かを判定する。電荷移動抵抗は、インピーダンスの実数成分と虚数成分を用いて算出することができる。 The control device 110 calculates the charge transfer resistance from the impedance measured in step S2. The control device 110 then determines whether the charge transfer resistance is greater than or equal to a threshold value Imp1. The charge transfer resistance can be calculated using the real and imaginary components of the impedance.

図5に示すように、250[Hz]のインピーダンスの実部をRとし、虚部をCとする。25[Hz]のインピーダンスの実部をRとし、虚部をCとする。前述したように、250[Hz]のインピーダンスを、円弧C2と横軸との交点のインピーダンスとみなす。この場合、円弧C2の直径Ractは以下の式で求めることができる。 As shown in Figure 5, the real part of the impedance at 250 [Hz] is R H and the imaginary part is C H. The real part of the impedance at 25 [Hz] is R L and the imaginary part is C L. As mentioned above, the impedance at 250 [Hz] is considered to be the impedance at the intersection of arc C2 and the horizontal axis. In this case, the diameter R act of arc C2 can be calculated using the following formula.

制御装置110は、円弧C2の直径Ractを電荷移動抵抗とみなし、電荷移動抵抗が閾値Imp1以上か否かを判定する。ステップS3の判定結果が否定の場合、制御装置110は、ステップS1の処理に戻る。ステップS3の判定結果が肯定の場合、制御装置110は、ステップS4の処理を行う。 The control device 110 regards the diameter R act of the arc C2 as the charge transfer resistance and determines whether the charge transfer resistance is equal to or greater than the threshold Imp1. If the determination result of step S3 is negative, the control device 110 returns to the processing of step S1. If the determination result of step S3 is positive, the control device 110 performs the processing of step S4.

図3に示すように、ステップS4において、制御装置110は、欠乏解消処理を開始する。ステップS3の判定結果が肯定の場合、制御装置110は、燃料電池スタック21に水素欠乏が生じていると判定する。そして、ステップS4で燃料電池スタック21の水素欠乏を解消するための欠乏解消処理を開始するといえる。 As shown in FIG. 3, in step S4, the control device 110 starts a deficiency elimination process. If the determination result in step S3 is positive, the control device 110 determines that a hydrogen deficiency has occurred in the fuel cell stack 21. Then, in step S4, the control device 110 starts a deficiency elimination process to eliminate the hydrogen deficiency in the fuel cell stack 21.

欠乏解消処理は、循環路65を循環する水素の量を増加させる制御、及び排気排水弁70の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する処理である。本実施形態において、欠乏解消処理では、循環路65を循環する水素の量を増加させる制御、及び排気排水弁70の開弁間隔を短くする制御の両方が実行される。本実施形態において使用される「少なくとも一方」という表現は、所望の選択肢の「1つ以上」を意味する。一例として、本明細書において使用される「少なくとも一方」という表現は、選択肢の数が2つであれば「1つの選択肢のみ」または「2つの選択肢の双方」を意味する。 The shortage elimination process is a process that executes at least one of the following: control to increase the amount of hydrogen circulating through the circulation path 65, and control to shorten the opening interval of the exhaust/drain valve 70. In this embodiment, the shortage elimination process executes both control to increase the amount of hydrogen circulating through the circulation path 65 and control to shorten the opening interval of the exhaust/drain valve 70. The expression "at least one" used in this embodiment means "one or more" of the desired options. As an example, the expression "at least one" used in this specification means "only one option" or "both of the two options" if there are two options.

循環路65を循環する水素の量の増加は、循環ポンプ67の回転数を増加させることで行われる。これにより、燃料電池スタック21に供給される水素の量が増加することで水素欠乏が解消されていく。空気に含まれる窒素は、電解質膜23を通じて循環路65に移動する。排気排水弁70の開弁間隔を短くすることによって循環路65の窒素濃度が上昇することを抑制できる。これにより、燃料電池スタック21の水素欠乏が解消されていく。 The amount of hydrogen circulating through the circulation path 65 is increased by increasing the rotational speed of the circulation pump 67. This increases the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 21, thereby resolving the hydrogen shortage. Nitrogen contained in the air moves to the circulation path 65 through the electrolyte membrane 23. By shortening the opening interval of the exhaust drain valve 70, it is possible to prevent the nitrogen concentration in the circulation path 65 from increasing. This eliminates the hydrogen shortage in the fuel cell stack 21.

次に、ステップS5において、制御装置110は、欠乏解消処理を開始してからの経過時間が第1所定時間T1を上回ったか否かを判定する。第1所定時間T1は、欠乏解消処理によって燃料電池スタック21の水素欠乏を解消できると想定される時間に設定されている。ステップS5の判定結果が否定の場合、制御装置110は、ステップS4の処理に戻る。即ち、制御装置110は、第1所定時間T1が経過するまで、欠乏解消処理を実行する。ステップS5の判定結果が肯定の場合、制御装置110は、ステップS6の処理を行う。 Next, in step S5, the control device 110 determines whether the time elapsed since the start of the deficiency elimination process has exceeded the first predetermined time T1. The first predetermined time T1 is set to a time that is expected to be sufficient to eliminate the hydrogen deficiency in the fuel cell stack 21 through the deficiency elimination process. If the determination result in step S5 is negative, the control device 110 returns to the process of step S4. That is, the control device 110 continues to execute the deficiency elimination process until the first predetermined time T1 has elapsed. If the determination result in step S5 is positive, the control device 110 performs the process of step S6.

ステップS6において、制御装置110は、欠乏解消処理を開始してからの経過時間が第2所定時間T2を上回ったか否かを判定する。第2所定時間T2は、第1所定時間T1よりも長い時間である。第1所定時間T1の間、排気排水弁70の開弁間隔を短くすると、燃料電池システム20の外部に排出される水素の濃度が過剰に高くなるおそれがある。このため、第1所定時間T1が経過した後には、第2所定時間T2が経過するまでは欠乏解消処理が行われないようにしている。制御装置110は、ステップS6の判定結果が肯定になるまで、ステップS6の処理を繰り返し行う。ステップS6の処理が肯定になると、制御装置110は、水素欠乏判定制御を終了する。 In step S6, the control device 110 determines whether the time elapsed since the start of the deficiency resolution process has exceeded the second predetermined time T2. The second predetermined time T2 is longer than the first predetermined time T1. If the opening interval of the exhaust drain valve 70 is shortened during the first predetermined time T1, there is a risk that the concentration of hydrogen discharged outside the fuel cell system 20 will become excessively high. For this reason, after the first predetermined time T1 has elapsed, the deficiency resolution process will not be performed until the second predetermined time T2 has elapsed. The control device 110 repeats the process of step S6 until the determination result of step S6 becomes positive. When the determination result of step S6 becomes positive, the control device 110 ends the hydrogen deficiency determination control.

[本実施形態の作用]
図6は、縦軸の1つを電荷移動抵抗、縦軸の1つをアノードストイキ比、横軸を時間とし、時間経過に伴いアノードストイキ比を低くした場合の電荷移動抵抗を示す。図6の線L1は、アノードストイキ比1.0を示す。アノードストイキ比が高いほど、燃料電池スタック21に供給されている水素の量は多い。図6には、アノードストイキ比を点P1でプロットし、電荷移動抵抗を点P2でプロットしている。図6に示すように、アノードストイキ比を低くしていくと、電荷移動抵抗が大きくなる。特に、アノードストイキ比が1.0の近傍値まで低くなると、電荷移動抵抗が急激に大きくなることがわかる。図6には、燃料電池スタック21の出力電流を100[A]、150[A]、200[A]にした場合の電荷移動抵抗とアノードストイキ比との関係を示すが、燃料電池スタック21の出力電流に関わらず、上記した相関が存在する。図6から、電荷移動抵抗と燃料電池スタック21の水素欠乏には相関が存在することがわかる。水素欠乏が生じているときのアノードストイキ比に対応する電荷移動抵抗を閾値Imp1として設定することによって、制御装置110は、電荷移動抵抗から水素欠乏の判定を行うことができる。
[Operation of this embodiment]
FIG. 6 , with one vertical axis representing charge transfer resistance, the other vertical axis representing anode stoichiometric ratio, and the horizontal axis representing time, shows the charge transfer resistance as the anode stoichiometric ratio is decreased over time. Line L1 in FIG. 6 indicates an anode stoichiometric ratio of 1.0. The higher the anode stoichiometric ratio, the greater the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 21. In FIG. 6 , the anode stoichiometric ratio is plotted at point P1, and the charge transfer resistance is plotted at point P2. As shown in FIG. 6 , the charge transfer resistance increases as the anode stoichiometric ratio is decreased. In particular, it can be seen that the charge transfer resistance increases rapidly when the anode stoichiometric ratio decreases to a value close to 1.0. FIG. 6 shows the relationship between charge transfer resistance and anode stoichiometric ratio when the output current of the fuel cell stack 21 is set to 100 A, 150 A, and 200 A. The above correlation exists regardless of the output current of the fuel cell stack 21. 6 shows that there is a correlation between the charge transfer resistance and hydrogen deficiency in the fuel cell stack 21. By setting the charge transfer resistance corresponding to the anode stoichiometric ratio when hydrogen deficiency occurs as the threshold value Imp1, the control device 110 can determine whether hydrogen deficiency has occurred from the charge transfer resistance.

[本実施形態の効果]
(1)電荷移動抵抗と燃料電池スタック21の水素欠乏には相関が存在する。燃料電池スタック21に水素欠乏が生じると、電荷移動抵抗が大きくなる。電荷移動抵抗に閾値Imp1を設定することによって、制御装置110は、燃料電池スタック21に水素欠乏が生じたことを判定できる。
[Effects of this embodiment]
(1) There is a correlation between the charge transfer resistance and hydrogen deficiency in the fuel cell stack 21. When hydrogen deficiency occurs in the fuel cell stack 21, the charge transfer resistance increases. By setting a threshold Imp1 for the charge transfer resistance, the control device 110 can determine that hydrogen deficiency has occurred in the fuel cell stack 21.

(2)制御装置110は、燃料電池スタック21に水素欠乏が生じている場合、循環路65を循環する水素の量を増加させる制御、及び排気排水弁70の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する。これにより、燃料電池スタック21の水素欠乏を解消できる。 (2) When hydrogen deficiency occurs in the fuel cell stack 21, the control device 110 executes at least one of the following controls: increasing the amount of hydrogen circulating through the circulation path 65, and shortening the opening interval of the exhaust drain valve 70. This eliminates the hydrogen deficiency in the fuel cell stack 21.

(3)制御装置110は、電荷移動抵抗が閾値Imp1以上となった場合であり、かつ、最低セル電圧が負電圧ではない場合、欠乏解消処理を行う。電圧が負電圧の燃料電池セル22が存在する場合には、燃料電池スタック21の出力電流の制限が行われることによって水素欠乏の解消が行われる。電圧が負電圧の燃料電池セル22が存在する場合には、欠乏解消処理を実行しないことで、燃料電池スタック21の出力電流の制限を優先して行うことができる。 (3) When the charge transfer resistance is equal to or greater than the threshold value Imp1 and the minimum cell voltage is not a negative voltage, the control device 110 performs deficiency elimination processing. When a fuel cell 22 with a negative voltage is present, the hydrogen deficiency is eliminated by limiting the output current of the fuel cell stack 21. When a fuel cell 22 with a negative voltage is present, the deficiency elimination processing is not performed, allowing priority to be given to limiting the output current of the fuel cell stack 21.

(4)第1DC/DCコンバータ91が燃料電池スタック21に交流電圧を印加することによってインピーダンスを測定している。第1DC/DCコンバータ91を利用して燃料電池スタック21のインピーダンスを測定できるため、インピーダンスを測定するための専用の装置を設ける場合に比べて部品点数を削減できる。 (4) The first DC/DC converter 91 measures the impedance by applying an AC voltage to the fuel cell stack 21. Because the impedance of the fuel cell stack 21 can be measured using the first DC/DC converter 91, the number of parts can be reduced compared to when a dedicated device for measuring impedance is provided.

[変更例]
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
[Example of change]
The embodiment can be modified as follows: The embodiment and the following modifications can be combined with each other within the scope of technical compatibility.

○制御装置110は、電荷移動抵抗が閾値Imp1以上の場合に水素欠乏が生じたと判定できればよく、水素欠乏が生じたと判定した後の制御は任意である。例えば、制御装置110は、燃料電池スタック21の出力電流を制限してもよいし、産業車両10の搭乗者に通知を行ってもよい。 The control device 110 is only required to determine that a hydrogen deficiency has occurred when the charge transfer resistance is equal to or greater than the threshold value Imp1, and any control that may be performed after determining that a hydrogen deficiency has occurred is optional. For example, the control device 110 may limit the output current of the fuel cell stack 21 or may notify the passengers of the industrial vehicle 10.

○制御装置110は、電荷移動抵抗が閾値Imp1以上の場合、最低セル電圧が負電圧か否かに関わらず欠乏解消処理を実行してもよい。
○燃料電池システム20は、乗用車、船舶、鉄道などに搭載されていてもよい。
When the charge transfer resistance is equal to or greater than the threshold Imp1, the control device 110 may execute the starvation elimination process regardless of whether the lowest cell voltage is a negative voltage.
The fuel cell system 20 may be installed in a passenger vehicle, a ship, a train, or the like.

○燃料電池システム20は、定置式の発電装置として用いられてもよい。
○測定部は、第1DC/DCコンバータ91を制御する制御部であってもよい。
○燃料電池システム20は、インピーダンスを測定するための専用の装置を備えていてもよい。
The fuel cell system 20 may be used as a stationary power generation device.
The measurement unit may be a control unit that controls the first DC/DC converter 91 .
The fuel cell system 20 may be provided with a dedicated device for measuring impedance.

20…燃料電池システム、21…燃料電池スタック、22…燃料電池セル、65…循環路、70…排気排水弁、91…DC/DCコンバータである第1DC/DCコンバータ、110…測定部である制御装置。 20... fuel cell system, 21... fuel cell stack, 22... fuel cell cell, 65... circulation path, 70... exhaust and drain valve, 91... first DC/DC converter which is a DC/DC converter, 110... control device which is a measurement unit.

Claims (2)

複数の燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定する測定部と、
前記燃料電池スタックに水素を循環させる循環路と、
前記循環路から排気を行う排気排水弁と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池スタックに交流電圧を印加することで前記測定部によって測定される前記インピーダンスを取得し、
前記測定部により測定された前記インピーダンスの実数成分と前記測定部により測定された前記インピーダンスの虚数成分から電荷移動抵抗を算出し、
前記電荷移動抵抗と前記燃料電池スタックの水素欠乏との相関から、前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合、前記水素欠乏が生じていると判定
前記電荷移動抵抗が閾値以上となった場合であり、かつ、前記複数の燃料電池セルのうち最も電圧が低い燃料電池セルの電圧が負電圧ではない場合、前記循環路を循環する水素の量を増加させる制御、及び前記排気排水弁の開弁間隔を短くする制御の少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
a fuel cell stack including a plurality of fuel cell units;
a measurement unit for measuring the impedance of the fuel cell stack;
a circulation path for circulating hydrogen through the fuel cell stack;
an exhaust drain valve for exhausting air from the circulation path;
a control device;
The control device
Acquiring the impedance measured by the measuring unit by applying an AC voltage to the fuel cell stack;
calculating a charge transfer resistance from a real component of the impedance measured by the measurement unit and an imaginary component of the impedance measured by the measurement unit;
determining that hydrogen deficiency has occurred when the charge transfer resistance is equal to or greater than a threshold value based on a correlation between the charge transfer resistance and hydrogen deficiency in the fuel cell stack;
When the charge transfer resistance is equal to or greater than a threshold value and the voltage of the fuel cell having the lowest voltage among the plurality of fuel cell units is not a negative voltage, the fuel cell system executes at least one of control to increase the amount of hydrogen circulating through the circulation path and control to shorten the opening interval of the exhaust drain valve .
前記燃料電池スタックの出力電力を変圧するDC/DCコンバータを備え、
前記DC/DCコンバータは、前記燃料電池スタックの出力電圧に交流電圧を重畳させ、
前記測定部は、前記燃料電池スタックの出力電流、及び前記燃料電池スタックの出力電圧から前記インピーダンスを測定する、請求項1に記載の燃料電池システム。
a DC/DC converter that transforms the output power of the fuel cell stack;
the DC/DC converter superimposes an AC voltage on the output voltage of the fuel cell stack;
2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the measurement unit measures the impedance from an output current of the fuel cell stack and an output voltage of the fuel cell stack.
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