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JP2017084452A - Hydrogen concentration estimating method for fuel battery and hydrogen concentration estimating device - Google Patents

Hydrogen concentration estimating method for fuel battery and hydrogen concentration estimating device Download PDF

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JP2017084452A JP2015208238A JP2015208238A JP2017084452A JP 2017084452 A JP2017084452 A JP 2017084452A JP 2015208238 A JP2015208238 A JP 2015208238A JP 2015208238 A JP2015208238 A JP 2015208238A JP 2017084452 A JP2017084452 A JP 2017084452A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen concentration estimating method and a hydrogen concentration estimating device that can estimate the hydrogen concentration in a fuel battery with higher accuracy.SOLUTION: There are acquired anode gas temperature in an anode gas circulation flow path in a fuel battery system having a fuel battery, the differential pressure between an inlet and an outlet of a circulation pump provided in the anode gas circulation flow path, and the rotation speed of the circulation pump, the gas density in the anode gas circulation flow path is estimated from the differential pressure based on a pressure loss characteristic of the anode gas circulation flow path and a pressure-flow rate characteristic of the circulation pump, the relative humidity in the fuel battery is estimated, and the hydrogen concentration is calculated by using relative humidity based on the anode gas temperature, the differential pressure, and the gas density.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、燃料電池の水素濃度推定方法及び水素濃度推定装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen concentration estimation method and a hydrogen concentration estimation device for a fuel cell.

いわゆるアノード循環型の燃料電池システムでは、低水素濃度の排気ガスを外部に排出するために、アノードガス循環流路内の水素濃度を検出する必要がある。   In a so-called anode circulation type fuel cell system, it is necessary to detect the hydrogen concentration in the anode gas circulation flow path in order to exhaust the exhaust gas having a low hydrogen concentration to the outside.

例えば、特許文献1には、アノード循環型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック1におけるアノードガス循環流路の圧力損失特性、循環ポンプの入口と出口の差圧、及び循環ポンプの回転数から、循環ポンプの圧力−流量特性に基づいてアノードガス循環流路内の水素濃度を推定する方法が記載されている。   For example, in Patent Document 1, in an anode circulation type fuel cell system, from the pressure loss characteristics of the anode gas circulation flow path in the fuel cell stack 1, the differential pressure between the inlet and outlet of the circulation pump, and the rotation speed of the circulation pump, A method for estimating the hydrogen concentration in the anode gas circulation channel based on the pressure-flow rate characteristics of the circulation pump is described.

特開2006−310046号公報JP 2006-310046 A

上記特許文献1では、水素濃度の推定値を算出するにあたり、アノードガス循環流路内における水蒸気の含有率(水蒸気分率)が飽和水蒸気分率であることを仮定している。したがって、現実の水蒸気分率が仮定した値からずれると、水素濃度の推定精度が低下する懸念がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, it is assumed that the water vapor content (water vapor fraction) in the anode gas circulation channel is a saturated water vapor fraction when calculating the estimated value of the hydrogen concentration. Therefore, when the actual water vapor fraction deviates from the assumed value, there is a concern that the estimation accuracy of the hydrogen concentration is lowered.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高精度にアノードガス循環流路内の水素濃度を推定し得る水素濃度推定方法及び水素濃度推定装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a hydrogen concentration estimation method and a hydrogen concentration estimation apparatus that can estimate the hydrogen concentration in the anode gas circulation flow path with higher accuracy. There is.

本発明のある態様によれば、燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度、アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧、及び循環ポンプの回転数を取得し、差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び循環ポンプの圧力−流量特性に基づいてアノードガス循環流路内のガス密度を推定し、燃料電池内の相対湿度を推定する燃料電池の水素濃度推定方法が提供される。そして、この燃料電池の水素濃度推定方法では、アノードガス温度、差圧、及びガス密度に基づき、相対湿度を用いて水素濃度を演算する。   According to an aspect of the present invention, an anode gas temperature in an anode gas circulation channel, a differential pressure between an inlet and an outlet of a circulation pump provided in the anode gas circulation channel, and a circulation pump in a fuel cell system having a fuel cell The gas density in the anode gas circulation channel is estimated based on the pressure loss characteristic of the anode gas circulation channel and the pressure-flow rate characteristic of the circulation pump from the differential pressure, and the relative humidity in the fuel cell is calculated. A fuel cell hydrogen concentration estimation method for estimation is provided. In this fuel cell hydrogen concentration estimation method, the hydrogen concentration is calculated using relative humidity based on the anode gas temperature, the differential pressure, and the gas density.

また、本発明のある態様によれば、燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度を取得する温度取得装置と、アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧を取得する差圧取得装置と、循環ポンプの回転数を取得する回転数取得装置と、アノードガス循環流路の圧力損失特性を記憶する圧力損失特性記憶装置と、循環ポンプの圧力−流量特性を記憶する圧力−流量特性記憶装置と、差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び循環ポンプの圧力−流量特性に基づいてアノードガス循環流路内のガス密度を推定するガス密度推定装置と、を有する燃料電池の水素濃度推定装置が提供される。さらに、この水素濃度推定装置は、燃料電池の相対湿度を推定する相対湿度推定装置と、アノードガス温度、差圧、及びガス密度に基づき、相対湿度を用いて水素濃度を演算する水素濃度演算装置と、を有する。   Further, according to an aspect of the present invention, a temperature acquisition device that acquires an anode gas temperature in an anode gas circulation channel in a fuel cell system having a fuel cell, and an inlet of a circulation pump provided in the anode gas circulation channel A differential pressure acquisition device that acquires the differential pressure at the outlet, a rotational speed acquisition device that acquires the rotational speed of the circulation pump, a pressure loss characteristic storage device that stores pressure loss characteristics of the anode gas circulation flow path, and a circulation pump A gas density in the anode gas circulation channel is estimated based on the pressure loss characteristic of the anode gas circulation channel and the pressure-flow rate characteristic of the circulation pump from the differential pressure, and a pressure-flow characteristic memory device that stores the pressure-flow rate characteristic. A hydrogen density estimation device for a fuel cell is provided. Further, the hydrogen concentration estimation device includes a relative humidity estimation device that estimates the relative humidity of the fuel cell, and a hydrogen concentration calculation device that calculates the hydrogen concentration using the relative humidity based on the anode gas temperature, the differential pressure, and the gas density. And having.

本発明によれば、アノードガス循環流路内のアノードガス温度、循環ポンプの差圧、循環ポンプの回転数、圧力損失特性及び循環ポンプの圧力−流量特性から定まるガス密度に基づいて水素濃度を推定するにあたり、燃料電池内の相対湿度を用いる。したがって、水素濃度の推定において、アノードガス循環流路内における水蒸気の含有率(水蒸気分率)を飽和水蒸気分率と仮定する粗い近似を行うことなく、燃料電池内の実際の湿度の影響を考慮してより現実の挙動に合致した推定を行うことができるので、より高精度な水素濃度を得ることができる。   According to the present invention, the hydrogen concentration is determined based on the gas density determined from the anode gas temperature in the anode gas circulation channel, the differential pressure of the circulation pump, the rotation speed of the circulation pump, the pressure loss characteristic, and the pressure-flow characteristic of the circulation pump. In the estimation, the relative humidity in the fuel cell is used. Therefore, in the estimation of the hydrogen concentration, the influence of the actual humidity in the fuel cell is taken into account without making a rough approximation assuming that the water vapor content (water vapor fraction) in the anode gas circulation channel is the saturated water vapor fraction. As a result, it is possible to perform an estimation that matches the actual behavior, so that a more accurate hydrogen concentration can be obtained.

図1は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図2は、コントローラの構成を説明するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the controller. 図3は、圧力損失特性マップを示す。FIG. 3 shows a pressure loss characteristic map. 図4は、ポンプ性能マップを示す。FIG. 4 shows a pump performance map. 図5は、水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートを示す。FIG. 5 shows a flowchart for explaining the flow of estimating the hydrogen concentration. 図6は、圧力損失特性マップとポンプ性能マップを重ね合わせたグラフを示す。FIG. 6 shows a graph in which a pressure loss characteristic map and a pump performance map are superimposed. 図7は、圧力損失特性とポンプ性能特性のバランスが取れる点におけるガス密度とポンプ差圧の関係を示すグラフを示す。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the gas density and the pump differential pressure at the point where the pressure loss characteristic and the pump performance characteristic can be balanced. 図8は、HFR値を相対湿度の関係を表すマップを示す。FIG. 8 shows a map showing the relationship between the HFR value and the relative humidity. 図9は、一実施形態による燃料電池スタックの内部インピーダンスのナイキスト線図である。FIG. 9 is a Nyquist diagram of the internal impedance of the fuel cell stack according to one embodiment. 図10は、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す。FIG. 10 shows an example of an equivalent circuit of the fuel cell stack. 図11は、アイオノマ抵抗値−相対湿度マップを示す。FIG. 11 shows an ionomer resistance value-relative humidity map. 図12は、一実施形態による燃料電池スタックの電気二重層容量値を算出する流れを示すフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart showing a flow of calculating the electric double layer capacity value of the fuel cell stack according to the embodiment. 図13Aは、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す図である。FIG. 13A is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit of a fuel cell stack. 図13Bは、燃料電池スタックの等価回路の一例を示す図である。FIG. 13B is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit of the fuel cell stack. 図14は、相対湿度と電気二重層容量値の関係を表すマップを示す。FIG. 14 shows a map showing the relationship between relative humidity and electric double layer capacitance value. 図15は、一実施形態による水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートを示す。FIG. 15 is a flowchart illustrating the flow of hydrogen concentration estimation according to an embodiment. 図16は、燃料電池スタック内に液水が存在する場合におけるポンプ差圧の変動を概略的に表すグラフを示す。FIG. 16 is a graph schematically showing fluctuations in pump differential pressure when liquid water is present in the fuel cell stack. 図17は、一実施形態による液水存在時処理の流れを説明するフローチャートを示す。FIG. 17 is a flowchart for explaining the flow of processing in the presence of liquid water according to an embodiment. 図18は、一実施形態に係るインピーダンス計測装置の構成を概略的に示す図である。FIG. 18 is a diagram schematically showing a configuration of an impedance measuring apparatus according to an embodiment.

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の一実施形態による燃料電池システム100の概略図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention.

本実施形態において、燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、アノードガス循環装置3と、インピーダンス計測装置5と、コントローラ6と、を備える。なお、本実施形態では、図面の簡略化のため、アノードガスの排出系統、カソードガスの給排系統、モータ等に電力を供給するための電力システム、及び燃料電池スタック1の冷却装置等の他の要素について図示を省略する。   In the present embodiment, the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, an anode gas circulation device 3, an impedance measurement device 5, and a controller 6. In this embodiment, for simplification of the drawing, an anode gas discharge system, a cathode gas supply / discharge system, an electric power system for supplying electric power to a motor, etc., a cooling device for the fuel cell stack 1, and the like. The illustration of the element is omitted.

燃料電池スタック1は、2枚以上の燃料電池セル(単位セル)を積層してなる積層電池である。燃料電池スタック1は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック1は、電力を取り出す出力端子として、アノード極側端子1Aと、カソード極側端子1Bと、を有している。   The fuel cell stack 1 is a laminated battery in which two or more fuel battery cells (unit cells) are laminated. The fuel cell stack 1 receives the supply of the anode gas and the cathode gas and generates electric power necessary for traveling of the vehicle. The fuel cell stack 1 has an anode electrode side terminal 1A and a cathode electrode side terminal 1B as output terminals for extracting electric power.

アノードガス循環装置3は、燃料電池スタック1にアノードガス(水素ガス)を供給して循環させる。アノードガス循環装置3は、高圧タンク31と、アノードガス供給通路32と、アノード調圧弁33と、エゼクタ34と、アノードガス循環流路35と、ポンプ入口側圧力センサ36と、循環ポンプ37と、ポンプ出口側圧力センサ38と、温度センサ39と、を備える。   The anode gas circulation device 3 supplies anode gas (hydrogen gas) to the fuel cell stack 1 for circulation. The anode gas circulation device 3 includes a high-pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, an anode pressure regulating valve 33, an ejector 34, an anode gas circulation channel 35, a pump inlet side pressure sensor 36, a circulation pump 37, A pump outlet pressure sensor 38 and a temperature sensor 39 are provided.

高圧タンク31は、燃料電池スタック1に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。   The high-pressure tank 31 is a container that stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high-pressure state.

アノードガス供給通路32は、高圧タンク31から排出されるアノードガスを燃料電池スタック1に供給する通路である。アノードガス供給通路32の一端は高圧タンク31に接続され、他端はエゼクタ34に接続される。   The anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1. One end of the anode gas supply passage 32 is connected to the high-pressure tank 31, and the other end is connected to the ejector 34.

アノード調圧弁33は、高圧タンク31よりも下流のアノードガス供給通路32に設けられる。アノード調圧弁33は、コントローラ6によって開閉制御され、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力を調整する。   The anode pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream of the high pressure tank 31. The anode pressure regulating valve 33 is controlled to be opened and closed by the controller 6 and adjusts the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1.

エゼクタ34は、アノードガス供給通路32とアノードガス循環流路35の連結部に設けられる。エゼクタ34は、高圧タンク31からのアノードガス、及び燃料電池スタック1のアノード極から排出されるアノードガスをアノードガス循環流路35で再循環させる。   The ejector 34 is provided at a connection portion between the anode gas supply passage 32 and the anode gas circulation passage 35. The ejector 34 recirculates the anode gas from the high-pressure tank 31 and the anode gas discharged from the anode electrode of the fuel cell stack 1 through the anode gas circulation channel 35.

アノードガス循環流路35は、燃料電池スタック1のアノード極入口とアノード極出口の間でアノードガスを循環させる通路である。なお、後述する水素濃度の推定方法によりアノードガス循環流路35内の水素濃度が一定値以下となることが検出されると、図示しないパージ弁を開弁して水素濃度の低下したオフガスがカソード排出通路等に排出される。   The anode gas circulation passage 35 is a passage for circulating the anode gas between the anode electrode inlet and the anode electrode outlet of the fuel cell stack 1. When it is detected by the hydrogen concentration estimation method described later that the hydrogen concentration in the anode gas circulation passage 35 is below a certain value, a purge valve (not shown) is opened and the off-gas with a reduced hydrogen concentration is It is discharged into the discharge passage.

ポンプ入口側圧力センサ36は、アノードガス循環流路35における燃料電池スタック1のアノードガス出口と循環ポンプ37との間の圧力(以下では、「ポンプ入口側圧力P1」とも記載する)を検出するセンサである。   The pump inlet side pressure sensor 36 detects the pressure between the anode gas outlet of the fuel cell stack 1 and the circulation pump 37 in the anode gas circulation passage 35 (hereinafter also referred to as “pump inlet side pressure P1”). It is a sensor.

循環ポンプ37は、アノードガス循環流路35内でアノードガスを循環させる動力源として機能する。また、循環ポンプ37には、その回転数Nを検出する回転数センサ37aが設けられている。   The circulation pump 37 functions as a power source for circulating the anode gas in the anode gas circulation passage 35. The circulation pump 37 is provided with a rotation speed sensor 37a for detecting the rotation speed N.

ポンプ出口側圧力センサ38は、アノードガス循環流路35における循環ポンプ37とエゼクタ34との間の圧力を検出するセンサである。   The pump outlet side pressure sensor 38 is a sensor that detects the pressure between the circulation pump 37 and the ejector 34 in the anode gas circulation passage 35.

温度センサ39は、エゼクタ34と燃料電池スタック1の間に設けられ、燃料電池スタック1のアノード入口のガス温度(以下では、「循環アノードガス温度T」とも記載する)を検出するセンサである。   The temperature sensor 39 is provided between the ejector 34 and the fuel cell stack 1 and detects a gas temperature at the anode inlet of the fuel cell stack 1 (hereinafter also referred to as “circulation anode gas temperature T”).

インピーダンス計測装置5は、燃料電池スタック1の出力電圧及び出力電流に基づいて燃料電池スタック1の内部インピーダンスを計測する装置である。具体的に、インピーダンス計測装置5は、燃料電池スタック1の出力電流及び出力電圧が所定周波数を有する交流信号を含むように燃料電池スタック1の出力を制御し、この時検出される出力電圧値及び出力電流値に基づいて内部インピーダンスZを算出する。さらに、インピーダンス計測装置5は、計測した内部インピーダンスZをコントローラ6に出力する。   The impedance measuring device 5 is a device that measures the internal impedance of the fuel cell stack 1 based on the output voltage and output current of the fuel cell stack 1. Specifically, the impedance measuring device 5 controls the output of the fuel cell stack 1 so that the output current and output voltage of the fuel cell stack 1 include an AC signal having a predetermined frequency, and the output voltage value detected at this time and The internal impedance Z is calculated based on the output current value. Further, the impedance measuring device 5 outputs the measured internal impedance Z to the controller 6.

コントローラ6は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ6には、ポンプ入口側圧力センサ36、回転数センサ37a、ポンプ出口側圧力センサ38、及び温度センサ39からの検出信号の他、図示しない電流センサや電圧センサ等の各種センサからの信号、及び図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ等のセンサからの信号が入力される。   The controller 6 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). The controller 6 includes signals from various sensors such as a current sensor and a voltage sensor (not shown) in addition to detection signals from the pump inlet pressure sensor 36, the rotation speed sensor 37a, the pump outlet pressure sensor 38, and the temperature sensor 39, And a signal from a sensor such as an accelerator stroke sensor for detecting the depression amount of an accelerator pedal (not shown) is input.

また、コントローラ6は、アノードガス循環流路35を流れる水素濃度に応じて、アノード調圧弁33の開度を制御し、燃料電池スタック1に供給されるアノードガスの圧力や流量を調整する。   Further, the controller 6 controls the opening degree of the anode pressure regulating valve 33 according to the concentration of hydrogen flowing through the anode gas circulation passage 35 to adjust the pressure and flow rate of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1.

図2は、本実施形態に係るコントローラ6の構成を説明するブロック図である。図示のように、コントローラ6は、上記CPU、ROM、RAM、及びI/Oインタフェースで構成された温度取得装置40と、差圧取得装置41と、回転数取得装置42と、圧力損失特性記憶装置及び圧力−流量特性記憶装置としてのデータ記憶部43と、ガス密度推定装置44と、相対湿度推定装置45と、水素濃度演算装置46と、を備えている。   FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the controller 6 according to the present embodiment. As shown in the figure, the controller 6 includes a temperature acquisition device 40, a differential pressure acquisition device 41, a rotation speed acquisition device 42, and a pressure loss characteristic storage device that are constituted by the CPU, ROM, RAM, and I / O interface. And a data storage unit 43 as a pressure-flow rate characteristic storage device, a gas density estimation device 44, a relative humidity estimation device 45, and a hydrogen concentration calculation device 46.

温度取得装置40は、温度センサ39で検出したアノードガス温度Tを当該温度センサ39から受信して取得する。   The temperature acquisition device 40 receives and acquires the anode gas temperature T detected by the temperature sensor 39 from the temperature sensor 39.

差圧取得装置41は、ポンプ入口側圧力センサ36で検出されたポンプ入口側圧力P1、及びポンプ出口側圧力センサ38で検出されたポンプ出口側圧力P2を受信するとともに、これら値に基づき、差圧ΔP(P2−P1)を取得する。   The differential pressure acquisition device 41 receives the pump inlet side pressure P1 detected by the pump inlet side pressure sensor 36 and the pump outlet side pressure P2 detected by the pump outlet side pressure sensor 38, and based on these values, the difference is obtained. The pressure ΔP (P2−P1) is acquired.

回転数取得装置42は、回転数センサ37aで検出された循環ポンプ37の回転数Nを受信し、取得する。   The rotation speed acquisition device 42 receives and acquires the rotation speed N of the circulation pump 37 detected by the rotation speed sensor 37a.

データ記憶部43は、アノードガス循環流路35内のガス密度ρの推定に用いる圧力損失特性マップM1と、ポンプ性能マップM2と、を記憶している。   The data storage unit 43 stores a pressure loss characteristic map M1 used for estimating the gas density ρ in the anode gas circulation passage 35 and a pump performance map M2.

図3は、圧力損失特性マップM1を示している。図示のように、この圧力損失特性マップM1は、アノードガス循環流路35の圧力損失特性として、アノードガス循環流路35内の循環流量Qsとアノードガス循環流路35内の圧力損失との関係をガス密度毎に示したマップである。   FIG. 3 shows a pressure loss characteristic map M1. As shown in the figure, this pressure loss characteristic map M1 shows the relationship between the circulation flow rate Qs in the anode gas circulation path 35 and the pressure loss in the anode gas circulation path 35 as the pressure loss characteristic of the anode gas circulation path 35. Is a map showing each gas density.

図4は、ポンプ性能マップM2を示している。図示のように、このポンプ性能マップM2は、ポンプ回転数Nに応じたポンプ性能特性として、アノードガス循環流路35内の循環流量Qsと循環ポンプ37の圧力差ΔP(以下では、「ポンプ差圧ΔP」とも記載する)との関係をガス密度ρ毎に示したマップである。   FIG. 4 shows a pump performance map M2. As shown in the figure, this pump performance map M2 shows the pressure difference ΔP (hereinafter referred to as “pump difference”) between the circulation flow rate Qs in the anode gas circulation passage 35 and the circulation pump 37 as the pump performance characteristic according to the pump rotation speed N. It is also a map showing the relationship with the gas density ρ.

ガス密度推定装置44は、循環ポンプ37の回転数N、アノードガス循環流路35内の循環流量Qs、及びポンプ差圧ΔPから、上述の圧力損失特性マップM1及びポンプ性能マップM2に基づいて、アノードガス循環流路35のガス密度ρを推定する。   Based on the pressure loss characteristic map M1 and the pump performance map M2 described above, the gas density estimation device 44 uses the rotational speed N of the circulation pump 37, the circulation flow rate Qs in the anode gas circulation passage 35, and the pump differential pressure ΔP based on the pressure loss characteristic map M1 and the pump performance map M2. The gas density ρ of the anode gas circulation channel 35 is estimated.

相対湿度推定装置45は、インピーダンス計測装置5で計測された内部インピーダンスZから、所定のインピーダンス−相対湿度マップに基づいて、燃料電池スタック1の内部の相対湿度RHを推定する。   The relative humidity estimation device 45 estimates the relative humidity RH inside the fuel cell stack 1 from the internal impedance Z measured by the impedance measurement device 5 based on a predetermined impedance-relative humidity map.

水素濃度演算装置46は、循環アノードガス温度T、差圧ΔP、ガス密度ρ、及び相対湿度RHに基づいて、アノードガス循環流路35内の水素濃度CRHを求める。ここで、「アノードガス内の水素濃度CRH」とは、アノードガス循環流路35内においてアノードガスの中に含まれている水素のみの流量を、アノードガス全体の循環流量Qsで除した値を意味する。   The hydrogen concentration calculation device 46 obtains the hydrogen concentration CRH in the anode gas circulation channel 35 based on the circulation anode gas temperature T, the differential pressure ΔP, the gas density ρ, and the relative humidity RH. Here, the “hydrogen concentration CRH in the anode gas” is a value obtained by dividing the flow rate of only hydrogen contained in the anode gas in the anode gas circulation channel 35 by the circulation flow rate Qs of the entire anode gas. means.

図5は、本実施形態による水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートである。   FIG. 5 is a flowchart for explaining the flow of estimating the hydrogen concentration according to this embodiment.

ステップS10において、コントローラ6の温度取得装置40が、アノードガス温度Tを取得し、差圧取得装置41が差圧ΔPを取得し、回転数取得装置42が回転数Nを取得する。   In step S10, the temperature acquisition device 40 of the controller 6 acquires the anode gas temperature T, the differential pressure acquisition device 41 acquires the differential pressure ΔP, and the rotation speed acquisition device 42 acquires the rotation speed N.

ステップS20において、ガス密度推定装置44は、圧力損失特性マップM1、ポンプ性能マップM2、及び算出されたポンプ差圧ΔPに基づいてガス密度ρを推定する。このガス密度ρの推定の詳細について説明する。   In step S20, the gas density estimation device 44 estimates the gas density ρ based on the pressure loss characteristic map M1, the pump performance map M2, and the calculated pump differential pressure ΔP. Details of the estimation of the gas density ρ will be described.

図6は、圧力損失特性マップM1とポンプ性能マップM2を重ね合わせたグラフの概略を示している。なお、図6においては、図面の簡略化のため、ガス密度ρの値として3つの値ρ1〜ρ3の値をとる場合の曲線のみを示している。また、ポンプ性能マップM2についても、図面の簡略化のため、ポンプ回転数Nは固定値と仮定して示している。   FIG. 6 shows an outline of a graph in which the pressure loss characteristic map M1 and the pump performance map M2 are superimposed. In FIG. 6, for the sake of simplification of the drawing, only a curve in the case of taking three values ρ1 to ρ3 as the value of the gas density ρ is shown. Further, the pump performance map M2 is also shown on the assumption that the pump rotational speed N is a fixed value for simplification of the drawing.

図6において、圧力損失特性マップM1の曲線(ポンプ差圧ΔPが大きくなるほど流量が大きくなる曲線)とポンプ性能マップM2の曲線(ポンプ差圧ΔPが大きくなるほど流量が小さくなる曲線)との交点は、両特性のバランスが取れる現実の特性を表している。したがって、現実にとり得る特性は、両マップM1とM2の交点I1、I2、及びI3を結ぶ曲線Rとなる。   In FIG. 6, the intersection of the curve of the pressure loss characteristic map M1 (curve that increases as the pump differential pressure ΔP increases) and the curve of the pump performance map M2 (curve that decreases as the pump differential pressure ΔP increases) is This represents an actual characteristic that can balance both characteristics. Therefore, the characteristic that can be actually taken is a curve R connecting the intersections I1, I2, and I3 of both maps M1 and M2.

図7は、上述した圧力損失特性とポンプ性能特性のバランスが取れる特性におけるガス密度ρとポンプ差圧ΔPの関係を示すグラフである。当該グラフは、上述した両特性のバランスが取れている交点I1、I2、及びI3のそれぞれにおけるポンプ差圧ΔPとガス密度ρの値を、平面上にプロットし、これら各プロットから得られた直線である。したがって、この直線を用いることで、ポンプ差圧ΔPの検出値から現実の特性に適合したガス密度ρを推定することができる。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the gas density ρ and the pump differential pressure ΔP in the above-described characteristic that balances the pressure loss characteristic and the pump performance characteristic. In the graph, the values of the pump differential pressure ΔP and the gas density ρ at each of the intersections I1, I2, and I3 in which the above-described characteristics are balanced are plotted on a plane, and straight lines obtained from these plots. It is. Therefore, by using this straight line, the gas density ρ adapted to the actual characteristics can be estimated from the detected value of the pump differential pressure ΔP.

図5に戻り、ステップS30において、相対湿度推定装置45は、インピーダンス計測装置5で計測された内部インピーダンスZに基づく高周波数インピーダンス(HFR:High Frequency Resistance)から、HFR−相対湿度マップに基づいて、燃料電池スタック1の内部の相対湿度RHを推定する。   Returning to FIG. 5, in step S <b> 30, the relative humidity estimation device 45 is based on the HFR-relative humidity map from the high frequency impedance (HFR) based on the internal impedance Z measured by the impedance measurement device 5. The relative humidity RH inside the fuel cell stack 1 is estimated.

具体的に、インピーダンス計測装置5は、燃料電池スタック1の出力電流及び出力電圧に数kHz以上の十分に大きな周波数ωHの交流信号を含むように、燃料電池スタック1の出力電流を制御する図示しないDC/DCコンバータを制御し、検出される出力電流値及び出力電圧値に基づいて内部インピーダンスZ(ωH)をHFR値として算出する。このHFR値は、燃料電池スタック1の電解質膜の抵抗値にほぼ相当する。そして、インピーダンス計測装置5は、このHFR値をコントローラ6の相対湿度推定装置45に送信する。   Specifically, the impedance measuring device 5 controls the output current of the fuel cell stack 1 so that the output current and output voltage of the fuel cell stack 1 include an AC signal having a sufficiently large frequency ωH of several kHz or more. The DC / DC converter is controlled, and the internal impedance Z (ωH) is calculated as the HFR value based on the detected output current value and output voltage value. This HFR value substantially corresponds to the resistance value of the electrolyte membrane of the fuel cell stack 1. Then, the impedance measuring device 5 transmits this HFR value to the relative humidity estimating device 45 of the controller 6.

図8は、HFR値と燃料電池スタック1の内部の相対湿度RHの関係を示すHFR値−相対湿度マップである。図示のように、HFR値と相対湿度RHは、HFR値が増加するほど相対湿度RHが減少し、HFR値が定まれば相対湿度RHが一意に定まる関係にある。したがって、相対湿度推定装置45は、算出されたHFR値からこのHFR−相対湿度マップに基づき、相対湿度RHを算出する。   FIG. 8 is an HFR value-relative humidity map showing the relationship between the HFR value and the relative humidity RH inside the fuel cell stack 1. As shown in the figure, the HFR value and the relative humidity RH have a relationship in which the relative humidity RH decreases as the HFR value increases, and the relative humidity RH is uniquely determined when the HFR value is determined. Therefore, the relative humidity estimation device 45 calculates the relative humidity RH from the calculated HFR value based on this HFR-relative humidity map.

図5に戻り、ステップS40において、水素濃度演算装置46は、循環アノードガス温度T、ポンプ入口側圧力P1、上記ステップS20において推定されたガス密度ρ、及びステップS30で推定された相対湿度RHに基づいて、アノードガス循環流路35内の水素濃度CRHを演算する。この水素濃度CRHを演算する方法の詳細を説明する。   Returning to FIG. 5, in step S40, the hydrogen concentration calculation device 46 sets the circulating anode gas temperature T, the pump inlet side pressure P1, the gas density ρ estimated in step S20, and the relative humidity RH estimated in step S30. Based on this, the hydrogen concentration CRH in the anode gas circulation passage 35 is calculated. Details of the method for calculating the hydrogen concentration CRH will be described.

水素濃度演算装置46は、下記の式(1)に基づいて水素分率としての水素濃度CRHを演算する。   The hydrogen concentration calculation device 46 calculates a hydrogen concentration CRH as a hydrogen fraction based on the following equation (1).

Figure 2017084452
Figure 2017084452

ここで、式中、a、b、及びcは、それぞれ、アノードガス循環流路35内のアノードガスにおける水素分率(水素濃度)、窒素分率、及び水蒸気分率を意味する。水素分率a、窒素分率b、及び水蒸気分率cとは、それぞれ、アノードガス循環流路35内のアノードガス全体に対して水素成分、窒素成分、及び水蒸気成分が占める割合である。なお、本実施形態では、アノードガスの主成分は、水素、窒素、及び水蒸気で実質的に占められているとみなせるので、式(3)で示すように、これらの合計は1となる。   Here, in the formula, a, b, and c mean a hydrogen fraction (hydrogen concentration), a nitrogen fraction, and a water vapor fraction in the anode gas in the anode gas circulation channel 35, respectively. The hydrogen fraction “a”, the nitrogen fraction “b”, and the water vapor fraction “c” are the ratios of the hydrogen component, the nitrogen component, and the water vapor component to the entire anode gas in the anode gas circulation passage 35, respectively. In the present embodiment, the main component of the anode gas can be considered to be substantially occupied by hydrogen, nitrogen, and water vapor, so that the sum of these is 1 as shown in Equation (3).

さらに、式(1)において、MH2、MN2、及びMH2Oは、それぞれ、水素分子の分子量、窒素分子の分子量、及び水の分子量を意味する。また、「T」は、上述の循環アノードガス温度Tを意味する。また、「TN」は標準状態における温度を意味し、その値は例えば273[K]である。さらに、「P」は、上述のポンプ入口側圧力P1を意味する。また、「PN」は標準状態における圧力を意味し、その値は例えば1.0×105[pa]である。 Furthermore, in Formula (1), MH2, MN2, and MH2O mean the molecular weight of a hydrogen molecule, the molecular weight of a nitrogen molecule, and the molecular weight of water, respectively. “T” means the above-described circulating anode gas temperature T. “TN” means a temperature in a standard state, and its value is, for example, 273 [K]. Further, “P” means the above-described pump inlet side pressure P1. “PN” means the pressure in the standard state, and the value is, for example, 1.0 × 10 5 [pa].

したがって、MH2、MN2、MH2O、TN、及びPNは既知の値である。また、循環アノードガス温度Tは、温度センサ39による検出値であり、ポンプ入口側圧力P1は、ポンプ入口側圧力センサ36による検出値である。さらに、ガス密度ρは上記ステップS20において推定された値である。したがって、上記式(1)において、未知数は水素分率a、窒素分率b、及び水蒸気分率cのみである。また、上記式(3)を考慮すると、窒素分率b及び水蒸気分率cの何れか一方が定まれば、水素分率aを求めることができる。   Therefore, MH2, MN2, MH2O, TN, and PN are known values. The circulating anode gas temperature T is a value detected by the temperature sensor 39, and the pump inlet side pressure P 1 is a value detected by the pump inlet side pressure sensor 36. Further, the gas density ρ is the value estimated in step S20. Therefore, in the above formula (1), the unknowns are only the hydrogen fraction a, the nitrogen fraction b, and the water vapor fraction c. Further, considering the above formula (3), if either one of the nitrogen fraction b and the water vapor fraction c is determined, the hydrogen fraction a can be obtained.

そして、本実施形態では、水蒸気分率cを上記式(2)に基づいて演算する。式(2)中のPsatは、飽和水蒸気圧を意味する。この飽和水蒸気圧Psatについては、循環アノードガス温度Tの値に応じて一意に求めることができる。したがって、水蒸気分率cは、飽和水蒸気圧Psat、ポンプ入口側圧力P1、及びステップS30で推定された相対湿度RHから算出される。特に、本実施形態では、式(2)から明確に理解されるように、飽和水蒸気圧Psatに対して相対湿度RHが乗算されることで、水蒸気分率cに対して現実の燃料電池スタック1内の湿度が確実に反映されている。したがって、水蒸気分率cを高精度に算出することができる。   In this embodiment, the water vapor fraction c is calculated based on the above equation (2). Psat in the formula (2) means a saturated water vapor pressure. The saturated water vapor pressure Psat can be uniquely determined according to the value of the circulating anode gas temperature T. Therefore, the water vapor fraction c is calculated from the saturated water vapor pressure Psat, the pump inlet side pressure P1, and the relative humidity RH estimated in step S30. In particular, in the present embodiment, as can be clearly understood from the equation (2), by multiplying the saturated water vapor pressure Psat by the relative humidity RH, the actual fuel cell stack 1 with respect to the water vapor fraction c. The humidity inside is reliably reflected. Therefore, the water vapor fraction c can be calculated with high accuracy.

したがって、本実施形態では、式(1)〜式(3)に基づき、水素分率a、すなわち水素濃度CRHを演算することができる。   Therefore, in the present embodiment, the hydrogen fraction a, that is, the hydrogen concentration CRH can be calculated based on the equations (1) to (3).

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the hydrogen concentration estimation method for a fuel cell according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池として燃料電池スタック1を有する燃料電池システム100におけるアノードガス循環流路35内のアノードガス温度T、アノードガス循環流路35内に設けられる循環ポンプ37の入口と出口の差圧ΔP、及び循環ポンプ37の回転数Nを取得し(図5のステップS10)、差圧ΔPからアノードガス循環流路35の圧力損失特性M1及び循環ポンプの圧力−流量特性M2に基づいてアノードガス循環流路35内のガス密度ρを推定する(図5のステップS20)。さらに、この燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池スタック1内の相対湿度RHを推定し(図5のステップS30)、アノードガス温度T、差圧ΔP、及びガス密度ρに基づき、相対湿度RHを用いて水素濃度を演算する(図5のステップS40)。   In the fuel cell hydrogen concentration estimation method according to the present embodiment, the anode gas temperature T in the anode gas circulation channel 35 and the anode gas circulation channel 35 are provided in the fuel cell system 100 having the fuel cell stack 1 as a fuel cell. The pressure difference ΔP between the inlet and outlet of the circulation pump 37 and the rotation speed N of the circulation pump 37 are acquired (step S10 in FIG. 5), and the pressure loss characteristic M1 of the anode gas circulation passage 35 and the circulation pump are obtained from the difference pressure ΔP. The gas density ρ in the anode gas circulation passage 35 is estimated based on the pressure-flow rate characteristic M2 (step S20 in FIG. 5). Further, in this method for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell, the relative humidity RH in the fuel cell stack 1 is estimated (step S30 in FIG. 5), and the relative humidity is determined based on the anode gas temperature T, the differential pressure ΔP, and the gas density ρ. The hydrogen concentration is calculated using RH (step S40 in FIG. 5).

なお、本実施形態では、コントローラ6が、燃料電池スタック1を有する燃料電池システム100におけるアノードガス循環流路35内のアノードガス温度Tを取得する温度取得装置40と、循環ポンプ37の入口と出口の差圧ΔPを取得する差圧取得装置41と、循環ポンプ37の回転数Nを取得する回転数取得装置42と、アノードガス循環流路35の圧力損失特性を記憶する圧力損失特性記憶装置M1と、循環ポンプ37の圧力−流量特性を記憶する圧力−流量特性記憶装置M2と、差圧ΔPからアノードガス循環流路35の圧力損失特性M1及び前記循環ポンプの圧力−流量特性M2に基づいてアノードガス循環流路35内のガス密度ρを推定するガス密度推定装置44と、燃料電池スタック1の相対湿度RHを推定する相対湿度推定装置45と、アノードガス温度T、差圧ΔP、及びガス密度ρに基づき、相対湿度RHを用いて水素濃度CRHを演算する水素濃度演算装置46として機能する。   In the present embodiment, the controller 6 acquires the anode gas temperature T in the anode gas circulation passage 35 in the fuel cell system 100 having the fuel cell stack 1, and the inlet and outlet of the circulation pump 37. The differential pressure acquisition device 41 that acquires the differential pressure ΔP of the pressure, the rotational speed acquisition device 42 that acquires the rotational speed N of the circulation pump 37, and the pressure loss characteristic storage device M1 that stores the pressure loss characteristics of the anode gas circulation passage 35. A pressure-flow rate characteristic storage device M2 for storing the pressure-flow rate characteristic of the circulation pump 37, a pressure loss characteristic M1 of the anode gas circulation passage 35 based on the differential pressure ΔP, and a pressure-flow rate characteristic M2 of the circulation pump. A gas density estimation device 44 for estimating the gas density ρ in the anode gas circulation flow path 35 and a relative humidity estimation for estimating the relative humidity RH of the fuel cell stack 1 A location 45, the anode gas temperature T, the differential pressure [Delta] P, and on the basis of the gas density [rho, functions as a hydrogen concentration calculating unit 46 for calculating the hydrogen concentration CRH using RH relative humidity.

本実施形態によれば、アノードガス循環流路35内のアノードガス温度T、循環ポンプ37の差圧ΔP、循環ポンプ37の回転数、圧力損失特性M1及び循環ポンプの圧力−流量特性M2から定まるガス密度ρに基づいて水素濃度を推定するにあたり、相対湿度RHを用いる。したがって、水素濃度CRHの推定において、アノードガス循環流路35内における水蒸気分率を飽和水蒸気分率と仮定する粗い近似を行うことなく、燃料電池スタック1内の実際の湿度の影響を考慮してより現実の挙動に合致した推定を行うことができるので、より高精度な水素濃度CRHを得ることができる。   According to this embodiment, it is determined from the anode gas temperature T in the anode gas circulation passage 35, the differential pressure ΔP of the circulation pump 37, the rotational speed of the circulation pump 37, the pressure loss characteristic M1, and the pressure-flow characteristic M2 of the circulation pump. In estimating the hydrogen concentration based on the gas density ρ, the relative humidity RH is used. Therefore, in the estimation of the hydrogen concentration CRH, the influence of the actual humidity in the fuel cell stack 1 is taken into consideration without performing a rough approximation assuming that the water vapor fraction in the anode gas circulation passage 35 is the saturated water vapor fraction. Since it is possible to perform an estimation that matches the actual behavior, a more accurate hydrogen concentration CRH can be obtained.

また、本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池の内部インピーダンスZを計測し、内部インピーダンスZに基づいて相対湿度RHを求める。特に、本実施形態では、インピーダンス計測装置5が内部インピーダンスZを計測し、相対湿度推定装置45が内部インピーダンスZに基づいて相対湿度RHを求める(図5のステップS30)。これにより、予め定められている内部インピーダンスZと相対湿度RHの関係を用いて、相対湿度RHを容易に求めることができる。   Further, in the fuel cell hydrogen concentration estimation method according to the present embodiment, the internal impedance Z of the fuel cell is measured, and the relative humidity RH is obtained based on the internal impedance Z. In particular, in the present embodiment, the impedance measuring device 5 measures the internal impedance Z, and the relative humidity estimating device 45 obtains the relative humidity RH based on the internal impedance Z (step S30 in FIG. 5). Thereby, the relative humidity RH can be easily obtained using the predetermined relationship between the internal impedance Z and the relative humidity RH.

特に、本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、内部インピーダンスZは、HFR取得用の高周波数帯の周波数ωHを用いて計測した高周波数インピーダンス(HFR値)である。すなわち、インピーダンス計測装置5は、内部インピーダンスZを、HFR取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する。このように、燃料電池スタック1内の湿潤度と強く相関しているHFR値を相対湿度RHの算出に用いることで、当該相対湿度RHをより高精度に求めることができる。   In particular, in the method for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell according to the present embodiment, the internal impedance Z is a high frequency impedance (HFR value) measured using the frequency ωH in the high frequency band for obtaining the HFR. That is, the impedance measuring device 5 measures the internal impedance Z using the frequency in the frequency band for obtaining the HFR. Thus, the relative humidity RH can be obtained with higher accuracy by using the HFR value strongly correlated with the wetness in the fuel cell stack 1 for the calculation of the relative humidity RH.

(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。以下に示す各実施形態では前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment will be described. In each of the embodiments described below, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and redundant descriptions are omitted as appropriate.

本実施形態では、上記図5のステップS30において、相対湿度RHを求めるにあたり、上記HFR値に代えて、燃料電池スタック1を構成する燃料電池セルの触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗Rionを用いる。以下では、アイオノマ抵抗Rionの算出方法について説明する。   In this embodiment, in determining the relative humidity RH in step S30 of FIG. 5, the ionomer resistance Rion derived from the electrolyte component in the catalyst layer of the fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is used instead of the HFR value. Is used. Below, the calculation method of ionoma resistance Rion is demonstrated.

図9は、本実施形態にかかる燃料電池スタック1の内部インピーダンスZのナイキスト線図である。特に、図9では、所定の簡易等価回路に燃料電池スタック1の状態量(反応抵抗値及び電気二重層容量値)の計測値を当てはめて定まるインピーダンス曲線(等価回路インピーダンス曲線C1とも記載する)、及び予め所定条件の下で測定された内部インピーダンスの実測値に基づくインピーダンス曲線(実測インピーダンス曲線C2とも記載する)が示されている。   FIG. 9 is a Nyquist diagram of the internal impedance Z of the fuel cell stack 1 according to the present embodiment. In particular, in FIG. 9, an impedance curve (also referred to as an equivalent circuit impedance curve C1) determined by applying measured values of state quantities (reaction resistance value and electric double layer capacity value) of the fuel cell stack 1 to a predetermined simple equivalent circuit, In addition, an impedance curve (also referred to as an actual impedance curve C2) based on an actual measurement value of internal impedance measured in advance under a predetermined condition is shown.

なお、図においては、等価回路インピーダンス曲線C1を破線、及び実測インピーダンス曲線C2を実線で示す。ここで、各インピーダンス曲線は、図面の簡略化のため一部分のみしか示していない。   In the figure, the equivalent circuit impedance curve C1 is indicated by a broken line, and the actually measured impedance curve C2 is indicated by a solid line. Here, only a part of each impedance curve is shown for simplification of the drawing.

図10は、燃料電池スタック1の簡易等価回路の一例を示す。図示のように、簡易等価回路では、燃料電池スタック1の電解質膜抵抗成分、電極(カソード極及びアノード極)における反応抵抗、及び電極の電気二重層容量成分が含まれている。当該簡易等価回路に基づいて得られる内部インピーダンスZの式は、

Figure 2017084452
となる。 FIG. 10 shows an example of a simple equivalent circuit of the fuel cell stack 1. As shown in the figure, the simplified equivalent circuit includes an electrolyte membrane resistance component of the fuel cell stack 1, a reaction resistance at the electrodes (cathode electrode and anode electrode), and an electric double layer capacitance component of the electrode. The expression of the internal impedance Z obtained based on the simple equivalent circuit is
Figure 2017084452
It becomes.

ただし、ωは周波数、Rmemは電解質膜抵抗値、Ractは反応抵抗値、Cdlは電気二重層容量、及びjは虚数単位を意味する。   However, ω means frequency, Rmem means electrolyte membrane resistance value, Ract means reaction resistance value, Cdl means electric double layer capacity, and j means imaginary unit.

ここで、内部インピーダンス計測装置5は、所定の低周波数帯に属する2つの周波数ω1、ω2において内部インピーダンスZ(ω1)及びZ(ω2)を計測する。そして、コントローラ6の相対湿度推定装置45は、これらの周波数ω1、ω2及び内部インピーダンスZ(ω1)及びZ(ω2)を上記式(4)に適用して反応抵抗値Ract及び電気二重層容量値Cdlを得る。   Here, the internal impedance measuring device 5 measures the internal impedances Z (ω1) and Z (ω2) at two frequencies ω1 and ω2 belonging to a predetermined low frequency band. Then, the relative humidity estimating device 45 of the controller 6 applies these frequencies ω1 and ω2 and the internal impedances Z (ω1) and Z (ω2) to the above equation (4), thereby reacting resistance value Ract and electric double layer capacitance value. Obtain Cdl.

具体的には、反応抵抗値Ract及び電気二重層容量値Cdlについては、上記2点の周波数ω1及びω2におけるインピーダンス計測値Z(ω1)及びZ(ω2)を式(4)に代入し、得られた式を実部と虚部に分離してなる4つの式から、電気二重層容量値Cdl、反応抵抗Ract、及び電解質膜抵抗値Rmemを求めることで得られる。   Specifically, for the reaction resistance value Ract and the electric double layer capacitance value Cdl, the impedance measurement values Z (ω1) and Z (ω2) at the two frequencies ω1 and ω2 are substituted into the equation (4) to obtain It is obtained by obtaining the electric double layer capacitance value Cdl, the reaction resistance Ract, and the electrolyte membrane resistance value Rmem from four expressions obtained by separating the obtained expression into a real part and an imaginary part.

このように求めた反応抵抗値Ract及び電気二重層容量値Cdlを式(4)に適用すると、図10の破線に示す円弧状形状の等価回路インピーダンス曲線C1が得られる。   When the reaction resistance value Ract and the electric double layer capacitance value Cdl thus obtained are applied to the equation (4), an arc-shaped equivalent circuit impedance curve C1 shown by a broken line in FIG. 10 is obtained.

一方、実測インピーダンス曲線C2は、燃料電池スタック1に対し、複数の周波数においてインピーダンス計測を行い、得られた複数のインピーダンス計測値を複素平面上にプロットして描いた曲線である。なお、この実測インピーダンス曲線C2は、通常、多数の周波数における内部インピーダンスの計測値を必要とするため、燃料電池スタック1を車載した状態で作成することは難しい。したがって、この実測インピーダンス曲線C2としては、例えば燃料電池スタック1と同種の燃料電池スタックに対して予め実験的にインピーダンス計測を行うことで作成したデータを用いる。ここで、十分大きな周波数ωHにおける内部インピーダンスの計測値(図では曲線C2と実軸との交点)がHFR値である。   On the other hand, the measured impedance curve C2 is a curve drawn by plotting a plurality of measured impedance values on the complex plane by measuring the impedance of the fuel cell stack 1 at a plurality of frequencies. In addition, since this measured impedance curve C2 usually requires measured values of internal impedance at a large number of frequencies, it is difficult to create the fuel cell stack 1 in a state where it is mounted on the vehicle. Therefore, as the measured impedance curve C2, for example, data created by experimentally measuring impedance in advance for a fuel cell stack of the same type as the fuel cell stack 1 is used. Here, the measured value of the internal impedance at a sufficiently large frequency ωH (the intersection of the curve C2 and the real axis in the figure) is the HFR value.

実測インピーダンス曲線C2は、相対的に低周波数の円弧領域においては、上記等価回路インピーダンス曲線C1に略一致している。しかしながら、実測インピーダンス曲線C2は、相対的に高周波数の非円弧領域L1においては、直線状部分を形成しており、等価回路インピーダンス曲線C1からずれている。   The actually measured impedance curve C2 substantially coincides with the equivalent circuit impedance curve C1 in a relatively low-frequency arc region. However, the measured impedance curve C2 forms a linear portion in the relatively high frequency non-arc region L1, and deviates from the equivalent circuit impedance curve C1.

このような非円弧領域L1が形成される理由として、上述のように簡易等価回路に基づいて設定された等価回路インピーダンス曲線C1では、燃料電池セルの厚さ方向における分布に基づくアイオノマ抵抗の影響が考慮されていないため、当該アイオノマ抵抗の影響に起因する誤差が高周波数の領域において大きくなったために生じたものである。   The reason why such a non-arc region L1 is formed is that, in the equivalent circuit impedance curve C1 set based on the simple equivalent circuit as described above, the influence of the ionomer resistance based on the distribution in the thickness direction of the fuel cell is present. This is because the error due to the effect of the ionomer resistance is increased in the high frequency region because it is not taken into consideration.

以上のことから、周波数ωを最も大きくした実軸上の部分において、等価回路インピーダンス曲線C1と実軸との交点の値である電解質膜抵抗値Rmemと実測インピーダンス曲線C2と実軸との交点の値であるHFR値との差をとることで、アイオノマ抵抗値Rionを求めることができる。このようにして求められたアイオノマ抵抗値Rionは、バルク抵抗や接触抵抗等の電子輸送抵抗成分が含まれておらず、HFR値と比較して燃料電池スタック1の相対湿度RHに対する感度がより高くなる。すなわち、このアイオノマ抵抗値Rionを相対湿度RHの算出に用いることで、得られる相対湿度RHがより高精度となる。   From the above, in the portion on the real axis where the frequency ω is maximized, the electrolyte membrane resistance value Rmem, which is the value of the intersection of the equivalent circuit impedance curve C1 and the real axis, and the intersection of the measured impedance curve C2 and the real axis. By taking the difference from the HFR value, which is a value, the ionomer resistance value Rion can be obtained. The ionomer resistance value Rion thus determined does not include electron transport resistance components such as bulk resistance and contact resistance, and is more sensitive to the relative humidity RH of the fuel cell stack 1 than the HFR value. Become. That is, by using the ionomer resistance value Rion for calculating the relative humidity RH, the obtained relative humidity RH becomes more accurate.

図11には、アイオノマ抵抗値Rionと燃料電池スタック1の内部の相対湿度RHの関係を示すアイオノマ抵抗値−相対湿度マップを表す。なお、このアイオノマ抵抗値−相対湿度マップは、予め相対湿度推定装置45に記憶されている。図示のように、アイオノマ抵抗値Rionと相対湿度RHは、アイオノマ抵抗値Rionが増加するほど相対湿度RHが減少し、アイオノマ抵抗値Rionが定まれば相対湿度RHが一意に定まる関係にある。したがって、相対湿度推定装置45は、算出されたアイオノマ抵抗値RionからこのHFR−相対湿度マップに基づき、相対湿度RHを算出することができる。   FIG. 11 shows an ionomer resistance value-relative humidity map showing the relationship between the ionomer resistance value Rion and the relative humidity RH inside the fuel cell stack 1. The ionomer resistance value-relative humidity map is stored in the relative humidity estimation device 45 in advance. As shown in the figure, the ionomer resistance value Rion and the relative humidity RH have a relationship in which the relative humidity RH decreases as the ionomer resistance value Rion increases, and the relative humidity RH is uniquely determined when the ionomer resistance value Rion is determined. Therefore, the relative humidity estimating device 45 can calculate the relative humidity RH from the calculated ionomer resistance value Rion based on this HFR-relative humidity map.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the hydrogen concentration estimation method for a fuel cell according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、内部インピーダンスZから燃料電池スタック1の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗値Rionを算出し、アイオノマ抵抗値Rionに基づいて相対湿度RHを求める。すなわち、本実施形態では、コントローラ6の相対湿度推定装置45が、インピーダンス計測装置により計測された内部インピーダンスZから燃料電池スタック1の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗Rionを算出するアイオノマ抵抗算出装置として機能し、さらに、コントローラ6の相対湿度推定装置が、アイオノマ抵抗Rionに基づいて相対湿度RHを求める。   In the fuel cell hydrogen concentration estimation method according to this embodiment, the ionomer resistance value Rion derived from the electrolyte component in the catalyst layer of the fuel cell stack 1 is calculated from the internal impedance Z, and the relative humidity RH is calculated based on the ionomer resistance value Rion. Ask for. That is, in the present embodiment, the relative humidity estimation device 45 of the controller 6 calculates the ionomer resistance Rion derived from the electrolyte component in the catalyst layer of the fuel cell stack 1 from the internal impedance Z measured by the impedance measuring device. Further, the relative humidity estimation device of the controller 6 obtains the relative humidity RH based on the ionomer resistance Rion.

このように、燃料電池スタック1の相対湿度RHに対してより高い感度を持つアイオノマ抵抗値Rionを用いて、当該相対湿度RHを算出することで、より高精度の相対湿度RHの推定値を得ることができる。したがって、この高精度の相対湿度RHに基づいて算出される水素濃度CRHの精度もより向上されることとなる。   As described above, by calculating the relative humidity RH using the ionomer resistance value Rion having higher sensitivity with respect to the relative humidity RH of the fuel cell stack 1, a more accurate estimated value of the relative humidity RH is obtained. be able to. Therefore, the accuracy of the hydrogen concentration CRH calculated based on the high-accuracy relative humidity RH is further improved.

(第3実施形態)
以下、第3実施形態について説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described.

本実施形態では、上記図5のステップS30において、相対湿度RHを求めるにあたり、上記HFR値に代えて、燃料電池スタック1の電気二重層容量値Cdlを用いる。以下では、電気二重層容量値Cdlの算出方法について説明する。   In the present embodiment, in obtaining the relative humidity RH in step S30 of FIG. 5, the electric double layer capacity value Cdl of the fuel cell stack 1 is used instead of the HFR value. Hereinafter, a method for calculating the electric double layer capacitance value Cdl will be described.

図12は、カソード極の反応抵抗値Ract,cの算出の流れを示すフローチャートである。   FIG. 12 is a flowchart showing a flow of calculation of the reaction resistance value Ract, c of the cathode electrode.

ステップS31において、コントローラ6は、図13Aに示す燃料電池スタック1の等価回路モデルを設定する。本実施形態では、この等価回路には、アノード極の反応抵抗値Ract,a及び電気二重層容量値Cdl,a、カソード極の反応抵抗値Ract,c及び電気二重層容量値Cdl,c、並びに電解質膜抵抗値Rmemが含まれている。   In step S31, the controller 6 sets an equivalent circuit model of the fuel cell stack 1 shown in FIG. 13A. In this embodiment, the equivalent circuit includes a reaction resistance value Ract, a and electric double layer capacitance value Cdl, a of the anode electrode, a reaction resistance value Ract, c and electric double layer capacitance value Cdl, c of the cathode electrode, and The electrolyte membrane resistance value Rmem is included.

ここで、アノード極の反応抵抗値Ract,aは、アノード極におけるアノードガスの反応に応じて増減し、例えばアノードガスが不足している等の当該反応の進行が円滑に行われない要因で反応抵抗値Ract,aは上昇する。したがって、アノード極に十分な量のアノードガスが供給されており、水素が不足していない状態では、アノード極の反応抵抗値Ract,aの値は、カソード極の反応抵抗値Ract,cに比べて小さい。したがって、アノード極の反応抵抗成分は無視することができる。   Here, the reaction resistance value Ract, a of the anode electrode increases or decreases according to the reaction of the anode gas at the anode electrode, and the reaction proceeds due to a factor that the reaction does not proceed smoothly, for example, the anode gas is insufficient. The resistance value Ract, a increases. Therefore, when a sufficient amount of anode gas is supplied to the anode electrode and hydrogen is not insufficient, the reaction resistance value Ract, a of the anode electrode is larger than the reaction resistance value Ract, c of the cathode electrode. Small. Therefore, the reaction resistance component of the anode electrode can be ignored.

さらに、アノード極の電気二重層容量値Cdl,aは、燃料電池スタック1においてアノード極が有する電気容量を表すようにモデル化したものである。従って、電気二重層容量値Cdl,aはアノード極を構成する材料や大きさ等の種々の要素に基づいて決定されることとなる。ここで、アノード極の電気二重層容量値Cdl,aは、カソード極の電気二重層容量値Cdl,cと比べて低周波数(数百Hz以下)に対する感度が低いことが知られている。特に、本実施形態において想定される上記特定周波数帯に属する周波数においては、電気二重層容量値Cdl,cの内部インピーダンスの値に対する寄与は非常に小さい。したがって、アノード極の電気二重層容量成分は無視することができる。   Furthermore, the electric double layer capacity value Cdl, a of the anode electrode is modeled to represent the electric capacity of the anode electrode in the fuel cell stack 1. Therefore, the electric double layer capacitance value Cdl, a is determined based on various factors such as the material and size of the anode electrode. Here, it is known that the electric double layer capacitance value Cdl, a of the anode electrode is less sensitive to a low frequency (several hundred Hz or less) than the electric double layer capacitance value Cdl, c of the cathode electrode. In particular, in the frequency belonging to the specific frequency band assumed in the present embodiment, the contribution of the electric double layer capacitance value Cdl, c to the value of the internal impedance is very small. Therefore, the electric double layer capacity component of the anode can be ignored.

このように、アノード極の反応抵抗成分及びアノード極の電気二重層容量成分を無視することができるので、燃料電池スタック1の等価回路モデルは、実質的に図13Bに示すような、カソード極の反応抵抗値Ract,c、電気二重層容量値Cdl,c、及び電解質膜抵抗値Rmemのみが含まれる回路とみなすことができる。   Thus, since the reaction resistance component of the anode electrode and the electric double layer capacity component of the anode electrode can be ignored, the equivalent circuit model of the fuel cell stack 1 is substantially the same as that of the cathode electrode as shown in FIG. 13B. It can be regarded as a circuit including only the reaction resistance value Ract, c, the electric double layer capacitance value Cdl, c, and the electrolyte membrane resistance value Rmem.

したがって、以下では符号の簡略化のため、カソード極の反応抵抗値Ract,cの符号を単に「Ract」と記載し、カソード極の電気二重層容量値Cdl,cの符号を単に「Cdl」と記載する。   Therefore, in the following, for simplification of the sign, the sign of the reaction resistance value Ract, c of the cathode electrode is simply described as “Ract”, and the sign of the electric double layer capacitance value Cdl, c of the cathode electrode is simply “Cdl”. Describe.

図12に戻り、ステップS32において、コントローラ6の相対湿度推定装置45は、図13Bに示す等価回路に基づき、内部インピーダンスZの式を設定する。したがって得られる内部インピーダンスZの式は、上記式(4)と一致する。   Returning to FIG. 12, in step S <b> 32, the relative humidity estimation device 45 of the controller 6 sets an expression of the internal impedance Z based on the equivalent circuit shown in FIG. 13B. Therefore, the equation of the internal impedance Z obtained is in agreement with the above equation (4).

ステップS33において、相対湿度推定装置45は、上記式(4)の虚部Zimを抽出する。虚部Zimは以下のとおりである。   In step S33, the relative humidity estimation device 45 extracts the imaginary part Zim of the above equation (4). The imaginary part Zim is as follows.

Figure 2017084452
Figure 2017084452

ステップS34において、相対湿度推定装置45は、抽出した内部インピーダンスの虚部Zimから、カソード極の電気二重層容量値Cdlを演算する。具体的には、上記式(5)に対して、周波数ω1及びω2(数Hz〜数十Hz)、及びこれら周波数ω1及びω2に基づきインピーダンス計測装置5が計測した内部インピーダンスZの虚部Zim(ω1)及びZim(ω2)を代入し、未知数をCdl及びRactをする2つの方程式を得てこれを解いて電気二重層容量値Cdlを求める。   In step S34, the relative humidity estimation device 45 calculates the electric double layer capacitance value Cdl of the cathode electrode from the extracted imaginary part Zim of the internal impedance. Specifically, with respect to the above equation (5), the frequencies ω1 and ω2 (several Hz to several tens of Hz), and the imaginary part Zim of the internal impedance Z measured by the impedance measuring device 5 based on these frequencies ω1 and ω2 ( Substituting ω1) and Zim (ω2), obtain two equations for Cdl and Ract as unknowns, and solve them to obtain the electric double layer capacitance value Cdl.

特に、上記式(5)は、下記の式(6)のように変形することができる。   In particular, the above formula (5) can be transformed into the following formula (6).

Figure 2017084452
Figure 2017084452

したがって、縦軸が−1/ωZim、横軸が1/ω2である座標平面上において、2つの周波数ω1及びω2とインピーダンスの虚部Zim(ω1)及びZim(ω2)をプロットして直線を描き、この直線の切片を求めれば、この切片がCdlに等しくなる。これにより、カソード極の電気二重層容量値Cdlを容易に算出することができる。 Therefore, on the coordinate plane in which the vertical axis is −1 / ωZim and the horizontal axis is 1 / ω 2 , the two frequencies ω1 and ω2 and the imaginary part Zim (ω1) and Zim (ω2) of the impedance are plotted to form a straight line. Drawing and finding the intercept of this straight line makes this intercept equal to Cdl. Thereby, the electric double layer capacitance value Cdl of the cathode electrode can be easily calculated.

図14には、燃料電池スタック1の相対湿度RHとカソード極の電気二重層容量値Cdlの関係を示す相対湿度−電気二重層容量値マップを表す。なお、この相対湿度−電気二重層容量値マップは、予め相対湿度推定装置45に記憶されている。図示のように、カソード極の電気二重層容量値Cdlと相対湿度RHは、電気二重層容量値Cdlが増加するほど相対湿度RHが増加し、電気二重層容量値Cdlが定まれば相対湿度RHが一意に定まる関係にある。したがって、相対湿度推定装置45は、算出された電気二重層容量値Cdlからこの電気二重層容量値−相対湿度マップに基づき、相対湿度RHを算出する。特に、燃料電池スタック1の電極材料にケッチェンブラック等の非晶質炭素材料を用いると、電気二重層容量値Cdlと相対湿度RHの相関がより明確に現れる。   FIG. 14 shows a relative humidity-electric double layer capacity value map showing the relationship between the relative humidity RH of the fuel cell stack 1 and the electric double layer capacity value Cdl of the cathode electrode. This relative humidity-electric double layer capacitance value map is stored in advance in the relative humidity estimation device 45. As shown in the drawing, the electric double layer capacitance value Cdl and the relative humidity RH of the cathode electrode increase as the electric double layer capacitance value Cdl increases, and if the electric double layer capacitance value Cdl is determined, the relative humidity RH. Is uniquely determined. Accordingly, the relative humidity estimation device 45 calculates the relative humidity RH from the calculated electric double layer capacitance value Cdl based on the electric double layer capacitance value-relative humidity map. In particular, when an amorphous carbon material such as ketjen black is used as the electrode material of the fuel cell stack 1, the correlation between the electric double layer capacitance value Cdl and the relative humidity RH appears more clearly.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the hydrogen concentration estimation method for a fuel cell according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、内部インピーダンスZから燃料電池スタック1の電気二重層容量値Cdlを算出し、電気二重層容量値Cdlに基づいて前記相対湿度を求める。すなわち、本実施形態では、コントローラ6の相対湿度推定装置45が、インピーダンス計測装置により計測された内部インピーダンスZから燃料電池スタック1の電気二重層容量値Cdlを算出する電気二重層容量値装置として機能し、さらに、コントローラ6の相対湿度推定装置が、電気二重層容量値Cdlに基づいて相対湿度RHを求める。   In the fuel cell hydrogen concentration estimation method according to the present embodiment, the electric double layer capacity value Cdl of the fuel cell stack 1 is calculated from the internal impedance Z, and the relative humidity is obtained based on the electric double layer capacity value Cdl. That is, in the present embodiment, the relative humidity estimation device 45 of the controller 6 functions as an electric double layer capacitance value device that calculates the electric double layer capacitance value Cdl of the fuel cell stack 1 from the internal impedance Z measured by the impedance measurement device. Furthermore, the relative humidity estimation device of the controller 6 obtains the relative humidity RH based on the electric double layer capacitance value Cdl.

これにより、HFR値やアイオノマ抵抗値Rion以外にも、燃料電池スタック1の相対湿度RHを算出する方法を提供することができるので、燃料電池スタック1の運転条件等に応じて、HFR値やアイオノマ抵抗値Rionよりも電気二重層容量値Cdlを求めることが容易である状況下において、相対湿度RHを求めることができる。   Thereby, in addition to the HFR value and the ionomer resistance value Rion, a method for calculating the relative humidity RH of the fuel cell stack 1 can be provided, so that the HFR value and ionomer can be determined according to the operating conditions of the fuel cell stack 1 and the like. The relative humidity RH can be obtained in a situation where it is easier to obtain the electric double layer capacitance value Cdl than the resistance value Rion.

なお、本実施形態において、カソード極の電気二重層容量値Cdlを用いて相対湿度RHを求めたが、例えばアノード極の電気二重層容量値も考慮して、燃料電池スタック1全体の電気二重層容量と相対湿度RHの関係から相対湿度RHを求めるようにしても良い。   In the present embodiment, the relative humidity RH is obtained using the electric double layer capacity value Cdl of the cathode electrode. For example, the electric double layer capacity of the entire fuel cell stack 1 is also taken into account in consideration of the electric double layer capacity value of the anode electrode. The relative humidity RH may be obtained from the relationship between the capacity and the relative humidity RH.

(第4実施形態)
以下、第4実施形態について説明する。本実施形態では、水素濃度CRHの推定にあたり、燃料電池スタック1内に液水が存在するかどうかを判定し、液水が存在する場合には上述の水素濃度CRHの演算を行わないようにする。燃料電池スタック1内に液水が一定以上存在する場合には、アノードガス循環流路35の圧力損失特性が大きく変動するため、当該圧力損失特性は、上述の圧力損失特性マップM1にしたがわなくなる。したがって、この場合には推定される水素濃度CRHに大きな誤差が含まれる可能性があるので、水素濃度CRHの演算を行わず、水素濃度CRHとして他の推定値を用いる。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment will be described below. In the present embodiment, in estimating the hydrogen concentration CRH, it is determined whether or not liquid water is present in the fuel cell stack 1, and if liquid water is present, the above-described calculation of the hydrogen concentration CRH is not performed. . When liquid water is present in the fuel cell stack 1 in a certain amount or more, the pressure loss characteristic of the anode gas circulation passage 35 varies greatly, so that the pressure loss characteristic does not conform to the pressure loss characteristic map M1 described above. Accordingly, in this case, there is a possibility that a large error is included in the estimated hydrogen concentration CRH, so that the hydrogen concentration CRH is not calculated and another estimated value is used as the hydrogen concentration CRH.

なお、以下では、「燃料電池スタック1内に液水が存在する」とは、アノードガス循環流路35の圧力損失特性に変動を与える程度の量で燃料電池スタック1内に液水が存在することを意味し、当該圧力損失特性に影響を与えない程度の少量の液水が存在する場合は含まない。   Hereinafter, “liquid water is present in the fuel cell stack 1” means that the liquid water is present in the fuel cell stack 1 in such an amount as to change the pressure loss characteristics of the anode gas circulation passage 35. This does not include the case where there is a small amount of liquid water that does not affect the pressure loss characteristics.

図15は、本実施形態による水素濃度の推定の流れを説明するフローチャートを示す。   FIG. 15 is a flowchart illustrating the flow of estimating the hydrogen concentration according to this embodiment.

図示のように、ステップS50において、図5のステップS10と同様に、コントローラ6の温度取得装置40が、アノードガス温度Tを取得し、差圧取得装置41が差圧ΔPを取得し、回転数取得装置42が回転数Nを取得する。本実施形態では、特に、コントローラ6の差圧取得装置41が、ポンプ入口側圧力センサ36及びポンプ出口側圧力センサ38からポンプ入口側圧力検出値及びポンプ出口側圧力検出値を所定時間dtごとに取得して、当該所定時間dtごとのポンプ差圧ΔPを算出する。   As shown in the figure, in step S50, as in step S10 of FIG. 5, the temperature acquisition device 40 of the controller 6 acquires the anode gas temperature T, the differential pressure acquisition device 41 acquires the differential pressure ΔP, and the rotational speed. The acquisition device 42 acquires the rotation speed N. In the present embodiment, in particular, the differential pressure acquisition device 41 of the controller 6 obtains the pump inlet side pressure detection value and the pump outlet side pressure detection value from the pump inlet side pressure sensor 36 and the pump outlet side pressure sensor 38 every predetermined time dt. The pump differential pressure ΔP is calculated every predetermined time dt.

ステップS51において、差圧取得装置41は、所定時間dtごとのポンプ差圧ΔPの変動を算出する。具体的には、ある時刻tにおけるポンプ差圧ΔP(t)と、時刻t+dtにおけるポンプ差圧ΔP(t+dt)の差の絶対値|ΔP(t+dt)−ΔP(t)|を差圧変動δPとして算出する。   In step S51, the differential pressure acquisition device 41 calculates the fluctuation of the pump differential pressure ΔP every predetermined time dt. Specifically, the absolute value | ΔP (t + dt) −ΔP (t) | of the difference between the pump differential pressure ΔP (t) at a certain time t and the pump differential pressure ΔP (t + dt) at the time t + dt is defined as the differential pressure fluctuation δP. calculate.

ステップS52において、コントローラ6は、差圧変動δPが所定値よりも大きいか否かを判定する。差圧変動δPが所定値よりも大きいと判定されると、ステップS53に進み、コントローラ6は燃料電池スタック1内に液水が存在すると判断する。一方で、差圧変動δPが所定値以下であると判定されると、ステップS54に進み、コントローラ6は燃料電池スタック1内に液水が存在しないと判断する。   In step S52, the controller 6 determines whether or not the differential pressure fluctuation δP is larger than a predetermined value. If it is determined that the differential pressure fluctuation δP is greater than the predetermined value, the process proceeds to step S53, and the controller 6 determines that liquid water is present in the fuel cell stack 1. On the other hand, when it is determined that the differential pressure fluctuation δP is equal to or less than the predetermined value, the process proceeds to step S54, and the controller 6 determines that there is no liquid water in the fuel cell stack 1.

図16は、燃料電池スタック1内に液水が存在する場合におけるポンプ差圧ΔPの変動を概略的に表すグラフを示している。図示のように、燃料電池スタック1内に液水が存在する場合には、ポンプ差圧ΔPが大きく振動することとなる。したがって、この場合、差圧変動δPの値も大きくなり、上記所定値より大きくなる。なお、この所定値は、燃料電池スタック1内に液水が存在しない状態では差圧変動δPが到達し得ないと考えられる値として、予め実験等により定められる値である。   FIG. 16 is a graph schematically showing the fluctuation of the pump differential pressure ΔP when liquid water is present in the fuel cell stack 1. As shown in the figure, when liquid water is present in the fuel cell stack 1, the pump differential pressure ΔP vibrates greatly. Therefore, in this case, the value of the differential pressure fluctuation δP also increases and becomes larger than the predetermined value. Note that this predetermined value is a value determined in advance by experiments or the like as a value that the differential pressure fluctuation δP cannot reach in the state where no liquid water exists in the fuel cell stack 1.

図15に戻り、ステップS53において燃料電池スタック1内に液水が存在すると判断されると、ステップS55において、コントローラ6により液水存在時処理として水素濃度CRHの推定値として前回の推定値が設定される。すなわち、燃料電池スタック1内に液水が存在する場合には、上述したアノードガス循環流路35の圧力損失特性の変化により、図5のステップS40における水素濃度CRHの演算の精度が保てないので、燃料電池スタック1内に液水が存在しない状態で推定された前回の水素濃度CRHを、水素濃度CRHの推定値として設定する。   Returning to FIG. 15, if it is determined in step S53 that liquid water is present in the fuel cell stack 1, the controller 6 sets the previous estimated value as the estimated value of the hydrogen concentration CRH in step S55 as the liquid water presence process. Is done. That is, when liquid water is present in the fuel cell stack 1, the accuracy of the calculation of the hydrogen concentration CRH in step S40 of FIG. 5 cannot be maintained due to the change in the pressure loss characteristic of the anode gas circulation passage 35 described above. Therefore, the previous hydrogen concentration CRH estimated in a state where no liquid water is present in the fuel cell stack 1 is set as an estimated value of the hydrogen concentration CRH.

一方、ステップS54のように燃料電池スタック1内に液水が存在しないと判断された場合には、ステップS56において、図5のステップS40と同様に水素濃度CRHの演算を行い、得られた値を水素濃度CRHの推定値とする。   On the other hand, when it is determined that there is no liquid water in the fuel cell stack 1 as in step S54, the hydrogen concentration CRH is calculated in step S56 as in step S40 of FIG. Is the estimated value of the hydrogen concentration CRH.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the hydrogen concentration estimation method for a fuel cell according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、燃料電池スタック1内に液水が存在するか否かを判断し、燃料電池スタック1内に液水が存在すると判断した場合、液水存在時処理(図15のステップS55)を行う。すなわち、本実施形態では、コントローラ6が、燃料電池スタック1内に液水が存在するか否かを判断する液水存在判断装置と、燃料電池スタック1内に液水が存在すると判断した場合、所定の液水存在時処理を行う液水存在時処理装置として機能する。   In the method for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell according to the present embodiment, it is determined whether or not liquid water exists in the fuel cell stack 1. If it is determined that liquid water exists in the fuel cell stack 1, Time processing (step S55 in FIG. 15) is performed. That is, in the present embodiment, when the controller 6 determines that liquid water is present in the fuel cell stack 1 and the liquid water presence determination device that determines whether liquid water is present in the fuel cell stack 1, It functions as a liquid water presence treatment device that performs a predetermined liquid water presence treatment.

なお、ここで、「液水存在時処理」とは、本実施形態のように、水素濃度CRHとしてその前回推定値を設定する処理(図15のステップS55)の他にも、水素濃度CRHの演算を断念する処理や水素濃度CRHの予測値を水素濃度CRHの推定値として設定する処理等の任意の処理が含まれる。   Here, the “process when liquid water is present” means that the hydrogen concentration CRH is not limited to the process of setting the previous estimated value as the hydrogen concentration CRH (step S55 in FIG. 15) as in the present embodiment. Arbitrary processes such as a process of giving up the calculation and a process of setting a predicted value of the hydrogen concentration CRH as an estimated value of the hydrogen concentration CRH are included.

これにより、燃料電池スタック1内に液水が存在する場合において、アノードガス循環流路35の圧力損失特性が大きく変動している状況下における水素濃度CRHの演算を行わないようにして、誤差が大きい水素濃度CRHの推定値を得ることが防止される。   As a result, when liquid water is present in the fuel cell stack 1, the calculation of the hydrogen concentration CRH is not performed in a situation where the pressure loss characteristic of the anode gas circulation passage 35 is greatly fluctuating, and an error is caused. Obtaining an estimate of a high hydrogen concentration CRH is prevented.

特に、本実施形態では、燃料電池スタック1内に液水が存在する場合においては、水素濃度CRHの推定値として、当該液水が存在しない状態で推定された水素濃度CRHを設定することで、燃料電池スタック1内に液水が存在する状況下でも水素濃度CRHの推定を継続することができる。   In particular, in the present embodiment, when liquid water is present in the fuel cell stack 1, by setting the hydrogen concentration CRH estimated in the absence of the liquid water as the estimated value of the hydrogen concentration CRH, The estimation of the hydrogen concentration CRH can be continued even in a situation where liquid water is present in the fuel cell stack 1.

(第5実施形態)
以下、第5実施形態について説明する。なお、第4実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a fifth embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to 4th Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

本実施形態では、上述した液水存在時処理として、循環ポンプ37の回転数を上昇させることで燃料電池スタック1内及びアノードガス循環流路35内の液水を飛ばす処理を行いその後、燃料電池スタック1内の水素濃度CRHの演算を行う。   In the present embodiment, as the above-described process in the presence of liquid water, the process of flying the liquid water in the fuel cell stack 1 and the anode gas circulation channel 35 is performed by increasing the number of revolutions of the circulation pump 37, and then the fuel cell The hydrogen concentration CRH in the stack 1 is calculated.

図17は、本実施形態による液水存在時処理の流れを説明するフローチャートを示す。なお、本フローチャートに示される処理は、図15に示すステップS55の液水存在時処理の一態様であるから、ステップS50〜ステップS53の処理が行われていることが前提である。   FIG. 17 is a flowchart for explaining the flow of processing when liquid water is present according to the present embodiment. In addition, since the process shown by this flowchart is an aspect of the process at the time of liquid water presence of step S55 shown in FIG. 15, it is a premise that the process of step S50-step S53 is performed.

図示のように、ステップS60において、コントローラ6は、循環ポンプ37の回転数を上昇させて、循環ポンプ37を「高回転運転」にする。ここで、循環ポンプ37を高回転とすることで、燃料電池スタック1内及びアノードガス循環流路35内の液水を飛ばして、それらの水分含有量を低下させる。なお、以下では、この循環ポンプ37の回転数を上昇させた「高回転運転」に対して、循環ポンプ37の回転数を上昇させる前の回転数による運転を「通常回転運転」と称する。   As shown in the figure, in step S60, the controller 6 increases the number of revolutions of the circulation pump 37 to make the circulation pump 37 "high-speed operation". Here, by setting the circulation pump 37 at a high speed, liquid water in the fuel cell stack 1 and the anode gas circulation passage 35 is blown off, and the water content thereof is reduced. In the following, with respect to the “high rotation operation” in which the rotation speed of the circulation pump 37 is increased, the operation at the rotation speed before the rotation speed of the circulation pump 37 is increased is referred to as “normal rotation operation”.

ステップS61において、コントローラ6は、上記高回転運転状態で水素濃度CRHを計算する。具体的には、コントローラ6は、上記図5のステップS40で説明した方法と同様の方法で水素濃度CRHを計算する。以下では、計算された水素濃度CRHを「高回転時水素濃度CRH1」とも記載する。   In step S61, the controller 6 calculates the hydrogen concentration CRH in the high rotation operation state. Specifically, the controller 6 calculates the hydrogen concentration CRH by a method similar to the method described in step S40 of FIG. Hereinafter, the calculated hydrogen concentration CRH is also referred to as “high rotation hydrogen concentration CRH1”.

ステップS62において、コントローラ6は、差圧変動δPが所定値よりも小さいか否かを判定する。なお、差圧変動δPは上記図15のステップS51で説明した方法と同様の方法で算出する。また、所定値は、燃料電池スタック1内に液水が存在しない状態では差圧変動δPが到達し得ないと考えられる値として、予め実験等により定められる値である。   In step S62, the controller 6 determines whether or not the differential pressure fluctuation δP is smaller than a predetermined value. The differential pressure fluctuation δP is calculated by a method similar to the method described in step S51 of FIG. The predetermined value is a value determined in advance by experiments or the like as a value considered that the differential pressure fluctuation δP cannot reach when there is no liquid water in the fuel cell stack 1.

差圧変動δPが所定値以上であると判定されると、循環ポンプ37の高回転運転が維持される。一方で、差圧変動δPが所定値より小さいと判定されると、ステップS63に進む。   When it is determined that the differential pressure fluctuation δP is equal to or greater than the predetermined value, the high speed operation of the circulation pump 37 is maintained. On the other hand, if it is determined that the differential pressure fluctuation δP is smaller than the predetermined value, the process proceeds to step S63.

ステップS63において、コントローラ6は、循環ポンプ37の回転数を減少させて通常回転運転に戻す。   In step S63, the controller 6 decreases the rotation speed of the circulation pump 37 and returns to the normal rotation operation.

ステップS64において、コントローラ6は、上記通常回転運転状態で水素濃度CRHを計算する。具体的には、コントローラ6は、上記図5のステップS40で説明した方法と同様の方法で水素濃度CRHを計算する。以下では、通常回転運転状態で計算された水素濃度CRHを「通常回転水素濃度CRH2」とも記載する。   In step S64, the controller 6 calculates the hydrogen concentration CRH in the normal rotation operation state. Specifically, the controller 6 calculates the hydrogen concentration CRH by a method similar to the method described in step S40 of FIG. Hereinafter, the hydrogen concentration CRH calculated in the normal rotation operation state is also referred to as “normal rotation hydrogen concentration CRH2”.

ステップS65において、コントローラ6は、高回転時水素濃度CRH1−通常回転水素濃度CRH2が所定値と比較して小さいか否かを判定する。この所定値は、高回転時水素濃度CRH1と通常回転水素濃度CRH2が計測誤差等の要素を考慮して実質的に同一であるかどうかの観点から定められるものであり、比較的ゼロに近い値である。   In step S65, the controller 6 determines whether or not the high rotation hydrogen concentration CRH1-normal rotation hydrogen concentration CRH2 is smaller than a predetermined value. This predetermined value is determined from the viewpoint of whether the high rotation hydrogen concentration CRH1 and the normal rotation hydrogen concentration CRH2 are substantially the same in consideration of factors such as measurement errors, and is a value that is relatively close to zero. It is.

したがって、高回転時水素濃度CRH1−通常回転水素濃度CRH2が所定値以上であると判定されると、燃料電池スタック1内及びアノードガス循環流路35内にまだ、アノードガス循環流路35の圧力損失特性に影響を与える程度の液水が残っているものとして、ステップS60に戻り、再び循環ポンプ37が高回転運転とされる。   Therefore, when it is determined that the high rotation hydrogen concentration CRH1 and the normal rotation hydrogen concentration CRH2 are equal to or higher than a predetermined value, the pressure of the anode gas circulation channel 35 is still in the fuel cell stack 1 and the anode gas circulation channel 35. Assuming that the liquid water that affects the loss characteristics remains, the process returns to step S60, and the circulation pump 37 is again operated at a high speed.

一方で、高回転時水素濃度CRH1−通常回転水素濃度CRH2が所定値未満であると判定されると、燃料電池スタック1内及びアノードガス循環流路35内の液水は、アノードガス循環流路35の圧力損失特性に影響を与えない程度に減少したものとして、ステップS66に進む。   On the other hand, if it is determined that the high rotation hydrogen concentration CRH1 and the normal rotation hydrogen concentration CRH2 are less than the predetermined value, the liquid water in the fuel cell stack 1 and the anode gas circulation channel 35 is supplied to the anode gas circulation channel. Assuming that the pressure loss has been reduced to an extent that does not affect the pressure loss characteristics of 35, the process proceeds to step S66.

ステップS66において、コントローラ6は、上記ステップS65において高回転時水素濃度CRH1−通常回転水素濃度CRH2が所定値未満である状態が継続している時間が、所定時間を経過したか否かを判定する。   In step S66, the controller 6 determines whether or not the time during which the high rotation hydrogen concentration CRH1-normal rotation hydrogen concentration CRH2 continues to be less than the predetermined value in step S65 has passed the predetermined time. .

ここで、所定時間は、計測誤差等の要因によって高回転時水素濃度CRH1−通常回転水素濃度CRH2が一時的に所定値未満となることで、実際には燃料電池スタック1内及びアノードガス循環流路35内の液水が十分に減少していないにもかかわらず、液水が存在しなくなったと誤判定されることを防止するために設定される時間である。   Here, the predetermined time is that the high rotation hydrogen concentration CRH1 to the normal rotation hydrogen concentration CRH2 temporarily becomes less than a predetermined value due to factors such as measurement errors. This time is set to prevent erroneous determination that liquid water is no longer present, even though the liquid water in the passage 35 is not sufficiently reduced.

したがって、コントローラ6は、上記所定時間が経過していないと判定すると、ステップS65における高回転時水素濃度CRH1−通常回転水素濃度CRH2が所定値未満であるとした判定は、計測誤差等による誤判定であると判断し、ステップS60以降の処理を行う。   Therefore, if the controller 6 determines that the predetermined time has not elapsed, the determination that the high rotation hydrogen concentration CRH1−the normal rotation hydrogen concentration CRH2 in step S65 is less than the predetermined value is an erroneous determination due to a measurement error or the like. Therefore, the process from step S60 is performed.

一方で、コントローラ6は、上記所定時間が経過したと判定すると、ステップS67に進む。   On the other hand, when determining that the predetermined time has elapsed, the controller 6 proceeds to step S67.

ステップS67において、コントローラ6は、通常回転水素濃度CRH2を、現在の水素濃度CRHの推定値として設定する。なお、高回転時水素濃度CRH1を現在の水素濃度CRHの推定値として設定しても良い。   In step S67, the controller 6 sets the normal rotation hydrogen concentration CRH2 as an estimated value of the current hydrogen concentration CRH. The high rotation hydrogen concentration CRH1 may be set as an estimated value of the current hydrogen concentration CRH.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the hydrogen concentration estimation method for a fuel cell according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池の水素濃度推定方法では、液水存在時処理(図15のステップS55)が、循環ポンプ37の回転数を増加させた高回転運転を行う高回転運転ステップ(図17のステップS60)と、高回転運転時における水素濃度(高回転時水素濃度CRH1)の演算を行う高回転運転時演算ステップ(図17のステップS61)と、循環ポンプ37における差圧変動δPが所定値未満となった後に、循環ポンプ37の回転数を減少させて通常回転運転を行う通常回転運転ステップ(図17のステップS63)と、通常回転運転時における水素濃度(通常回転水素濃度CRH2)の演算を行う通常回転運転時演算ステップ(図17のステップS64)と、高回転時水素濃度CRH1と通常回転水素濃度CRH2が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定ステップ(図17のステップS65)と、当該判定ステップで一致すると判定された場合には、通常回転水素濃度CRH2又は高回転時水素濃度CRH1を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理ステップ、上記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、高回転運転時演算ステップ、通常回転運転ステップ、通常回転運転時演算ステップ、及び判定ステップを行う不一致判定処理ステップと、を含む。   In the method for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell according to the present embodiment, the process when liquid water is present (step S55 in FIG. 15) performs a high-speed operation step (FIG. 17) in which a high-speed operation is performed by increasing the rotational speed of the circulation pump 37. Step S60), a high-rotation operation calculation step (step S61 in FIG. 17) for calculating the hydrogen concentration (high-rotation hydrogen concentration CRH1) during the high-rotation operation, and a differential pressure fluctuation δP in the circulation pump 37 is predetermined. After becoming less than the value, the normal rotation operation step (step S63 in FIG. 17) in which the rotation speed of the circulation pump 37 is decreased to perform the normal rotation operation, and the hydrogen concentration during the normal rotation operation (normal rotation hydrogen concentration CRH2). The normal rotation operation calculation step (step S64 in FIG. 17) for performing the calculation, and the high rotation hydrogen concentration CRH1 and the normal rotation hydrogen concentration CRH2 are actual for a predetermined time. When the determination step (step S65 in FIG. 17) for determining whether or not they coincide with each other and the determination step determines that they coincide with each other, the normal rotation hydrogen concentration CRH2 or the high rotation hydrogen concentration CRH1 is The coincidence determination processing step that is set as the estimated value of the current hydrogen concentration, when it is determined that they do not coincide in the determination step, the high-rotation operation time calculation step, the normal rotation operation step, the normal rotation operation time calculation step, And a mismatch determination processing step for performing a determination step.

特に、本実施形態では、第4実施形態で説明した液水存在判断装置としてのコントローラ6が、循環ポンプ37の回転数を増加させた高回転運転を実行する高回転運転実行部と、高回転運転時における高回転時水素濃度CRH1の演算を実行する高回転運転時演算実行部と、循環ポンプ37における差圧変動δPが所定値未満となった後に、循環ポンプ37の回転数を減少させて通常回転運転を実行する通常回転運転実行部と、通常回転運転時における通常回転水素濃度CRH2の演算を実行する通常回転運転時演算実行部と、高回転時水素濃度CRH1と通常回転水素濃度CRH2が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定部と、当該判定ステップで一致すると判定された場合には、通常回転水素濃度CRH2又は高回転時水素濃度CRH1を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理部と、上記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、高回転運転時演算ステップ、通常回転運転ステップ、通常回転運転時演算ステップ、及び判定ステップを行う不一致判定処理部として機能する。   In particular, in this embodiment, the controller 6 serving as the liquid water presence determination device described in the fourth embodiment includes a high rotation operation execution unit that executes a high rotation operation in which the number of rotations of the circulation pump 37 is increased, and a high rotation speed. A high-rotation operation calculation execution unit that calculates the high-revolution hydrogen concentration CRH1 during operation, and after the differential pressure fluctuation δP in the circulation pump 37 becomes less than a predetermined value, the rotation speed of the circulation pump 37 is decreased. The normal rotation operation execution unit that executes normal rotation operation, the normal rotation operation calculation execution unit that executes calculation of the normal rotation hydrogen concentration CRH2 during normal rotation operation, the high rotation hydrogen concentration CRH1 and the normal rotation hydrogen concentration CRH2 A determination unit that determines whether or not they substantially match each other for a predetermined time, and a normal rotation hydrogen concentration CRH2 or a high When it is determined that the coincidence determination processing unit that sets the current hydrogen concentration CRH1 as the estimated value of the current hydrogen concentration does not coincide with the determination step, the high-rotation operation time calculation step, the normal rotation operation step, It functions as a non-coincidence determination processing unit that performs a calculation step during normal rotation operation and a determination step.

これにより、燃料電池スタック1内に液水が存在する場合において、循環ポンプ37の回転数を増加させた高回転運転を行うことで燃料電池スタック1内の液水を飛ばすことができる。特に、本実施形態では、高回転時水素濃度CRH1と通常回転水素濃度CRH2が実質的に一致する状態となるまで、上記高回転運転が繰り返されることとなる。したがって、燃料電池スタック1内に液水が存在しない状態となってから、水素濃度CRHの推定を行うことができるので、アノードガス循環流路35の圧力損失特性が大きく変動した状態で水素濃度CRHの推定を実行することによる、推定誤差の発生をより確実に防止することができる。   Thereby, when liquid water exists in the fuel cell stack 1, the liquid water in the fuel cell stack 1 can be blown by performing a high rotation operation in which the rotation speed of the circulation pump 37 is increased. In particular, in the present embodiment, the high rotation operation is repeated until the high rotation hydrogen concentration CRH1 and the normal rotation hydrogen concentration CRH2 substantially coincide with each other. Accordingly, since the hydrogen concentration CRH can be estimated after the liquid water does not exist in the fuel cell stack 1, the hydrogen concentration CRH can be obtained in a state where the pressure loss characteristic of the anode gas circulation passage 35 has greatly fluctuated. It is possible to more reliably prevent the occurrence of an estimation error by executing the estimation.

(第6実施形態)
以下、第6の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
(Sixth embodiment)
The sixth embodiment will be described below. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element similar to the element of embodiment already demonstrated.

本実施形態では、燃料電池スタック1の内部インピーダンスの計測にあたり、出力電流I及び出力電圧Vに交流信号を重畳する構成に代えて、燃料電池スタック1に所定の計測用電流源から電流Iを供給し、当該供給電流Iと出力される出力電圧Vとに基づいて内部インピーダンスZ=V/Iを算出するいわゆる励起電流印加法が行われる。   In this embodiment, when measuring the internal impedance of the fuel cell stack 1, the current I is supplied to the fuel cell stack 1 from a predetermined measurement current source instead of a configuration in which an AC signal is superimposed on the output current I and the output voltage V. Then, a so-called excitation current application method for calculating the internal impedance Z = V / I based on the supply current I and the output voltage V to be output is performed.

図18は、本実施形態に係るインピーダンス計測装置5の概略構成に示したブロック図である。   FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of the impedance measuring apparatus 5 according to the present embodiment.

図示のように、インピーダンス計測装置5は、燃料電池スタック1の正極端子(カソード極側端子)1B及び負極端子(アノード極側端子)1Aの他に、中途端子1Cに接続されている。なお、中途端子1Cに接続された部分は図に示すようにアースされている。   As illustrated, the impedance measuring device 5 is connected to the intermediate terminal 1C in addition to the positive electrode terminal (cathode electrode side terminal) 1B and the negative electrode terminal (anode electrode side terminal) 1A of the fuel cell stack 1. The part connected to the midway terminal 1C is grounded as shown in the figure.

そして、インピーダンス計測装置5は、中途端子1Cに対する正極端子1Bの正極側交流電位差V1を検出する正極側電圧検出センサ210と、中途端子1Cに対する負極端子1Aの負極側交流電位差V2を検出する負極側電圧検出センサ212と、を有している。   The impedance measuring device 5 includes a positive-side voltage detection sensor 210 that detects the positive-side AC potential difference V1 of the positive-electrode terminal 1B with respect to the intermediate terminal 1C, and a negative-electrode side that detects the negative-side AC potential difference V2 of the negative-electrode terminal 1A with respect to the intermediate terminal 1C. Voltage detection sensor 212.

さらに、インピーダンス計測装置5は、正極端子1Bと中途端子1Cからなる回路に交流電流I1を印加する正極側交流電源部214と、負極端子1Aと中途端子1Cからなる回路に交流電流I2を印加する負極側交流電源部216と、これら交流電流I1及び交流電流I2の振幅や位相を調整するコントローラ218と、正極側交流電位差V1、V2及び交流電流I1、I2に基づいて燃料電池スタック1の内部インピーダンスZの演算を行う演算部220と、を有している。   Further, the impedance measuring device 5 applies an alternating current I2 to a circuit including the positive electrode side AC power supply unit 214 that applies an alternating current I1 to a circuit including the positive electrode terminal 1B and the intermediate terminal 1C, and a circuit including the negative electrode terminal 1A and the intermediate terminal 1C. The internal impedance of the fuel cell stack 1 based on the negative side AC power supply unit 216, the controller 218 that adjusts the amplitude and phase of the AC current I1 and AC current I2, and the positive side AC potential differences V1 and V2 and the AC currents I1 and I2 And an operation unit 220 that performs an operation of Z.

本実施形態では、コントローラ218は、正極側交流電位差V1と負極側交流電位差V2が等しくなるように、交流電流I1と交流電流I2の振幅及び位相を調節する。なお、このコントローラ218は、図1に示すコントローラ6により構成されても良い。   In the present embodiment, the controller 218 adjusts the amplitude and phase of the alternating current I1 and the alternating current I2 so that the positive AC potential difference V1 and the negative AC potential difference V2 are equal. The controller 218 may be configured by the controller 6 shown in FIG.

また、演算部220は、図示しないAD変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含み、正極側交流電位差V1を交流電流I1で除して、中途端子1Cから正極端子1Bまでの内部インピーダンスZ1を算出し、負極側交流電位差V2を交流電流I2で除して、中途端子1Cから負極端子1Aまでの内部インピーダンスZ2を算出する。さらに、演算部220は、内部インピーダンスZ1と内部インピーダンスZ2の和をとることで、燃料電池スタック1の全内部インピーダンスZを算出する。   The arithmetic unit 220 includes hardware such as an A / D converter and a microcomputer chip (not shown) and a software configuration such as a program for calculating impedance, and the positive terminal AC potential difference V1 is divided by the AC current I1, and the halfway terminal 1C Is calculated by dividing the negative side AC potential difference V2 by the alternating current I2 to calculate the internal impedance Z2 from the intermediate terminal 1C to the negative terminal 1A. Further, the calculation unit 220 calculates the total internal impedance Z of the fuel cell stack 1 by taking the sum of the internal impedance Z1 and the internal impedance Z2.

上記した本実施形態に係る燃料電池の状態推定方法によれば、以下の効果を得ることができる。   According to the fuel cell state estimation method according to the above-described embodiment, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池の状態推定方法では、インピーダンス計測装置5のコントローラ218は、積層電池として構成された燃料電池スタック1に交流電流I1,I2を出力し、燃料電池スタック1の正極端子1Bの電位から中途端子1Cの電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差V1と、燃料電池スタック1の負極端子1Aの電位から中途端子1Cの電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差V2と、に基づいて交流電流I1,I2を調整し、調整された交流電流I1及びI2、正極側交流電位差V1及び負極側交流電位差V2に基づいて燃料電池スタック1の内部インピーダンスZを演算する。   In the fuel cell state estimation method according to the present embodiment, the controller 218 of the impedance measuring device 5 outputs the alternating currents I1 and I2 to the fuel cell stack 1 configured as a laminated battery, and the positive terminal 1B of the fuel cell stack 1 The positive side AC potential difference V1 which is a potential difference obtained by subtracting the potential of the intermediate terminal 1C from the potential of the negative electrode, and the negative side alternating current which is a potential difference obtained by subtracting the potential of the intermediate terminal 1C from the potential of the negative electrode terminal 1A of the fuel cell stack 1 The alternating currents I1 and I2 are adjusted based on the potential difference V2, and the internal impedance Z of the fuel cell stack 1 is calculated based on the adjusted alternating currents I1 and I2, the positive side AC potential difference V1 and the negative side AC potential difference V2. .

特に、コントローラ218は、燃料電池スタック1の正極側の正極側交流電位差V1が負極側の負極側交流電位差V2と実質的に一致するように、正極側交流電源部214により印加される交流電流I1及び負極側交流電源部216により印加される交流電流I2の振幅及び位相を調節する。これにより、正極側交流電位差V1と負極側交流電位差V2とが等しくなるので、正極端子1Bと負極端子1Aが実質的に等電位となる。したがって、インピーダンス計測のための交流電流I1、I2が走行モータ等の負荷に流れることが防止されるので、燃料電池スタック1による発電によるインピーダンス計測への影響が防止される。   In particular, the controller 218 detects the alternating current I1 applied by the positive AC power supply unit 214 so that the positive AC potential difference V1 on the positive electrode side of the fuel cell stack 1 substantially matches the negative AC potential difference V2 on the negative electrode side. And the amplitude and phase of the alternating current I2 applied by the negative-side AC power supply unit 216 are adjusted. Thereby, since the positive electrode side AC potential difference V1 and the negative electrode side AC potential difference V2 become equal, the positive electrode terminal 1B and the negative electrode terminal 1A become substantially equipotential. Therefore, since the alternating currents I1 and I2 for impedance measurement are prevented from flowing to a load such as a traveling motor, the influence of the power generation by the fuel cell stack 1 on the impedance measurement is prevented.

また、燃料電池スタック1が発電状態の下で内部インピーダンスの計測を実行する場合、当該発電により生じた電圧に計測用交流電位が重畳されることとなるので、正極側交流電位差V1及び負極側交流電位差V2の値自体が大きくなるが、正極側交流電位差V1及び負極側交流電位差V2の位相や振幅自体が変わるわけではないので、燃料電池スタック1が発電状態ではない場合と同様に高精度に内部インピーダンスZを計測することができる。   Further, when the fuel cell stack 1 performs measurement of internal impedance under the power generation state, the measurement AC potential is superimposed on the voltage generated by the power generation, so that the positive-side AC potential difference V1 and the negative-side AC Although the value of the potential difference V2 itself increases, the phase and amplitude itself of the positive-side AC potential difference V1 and the negative-side AC potential difference V2 do not change. Impedance Z can be measured.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.

1 燃料電池スタック
1A 負極端子
1B 正極端子
1C 中途端子
6 コントローラ
35 アノードガス循環流路
36 ポンプ入口側圧力センサ
37 循環ポンプ
37a 回転数センサ
38 ポンプ出口側圧力センサ
39 温度センサ
40 温度取得装置
41 差圧取得装置
42 回転数取得装置
43 データ記憶部
44 ガス密度推定装置
45 相対湿度推定装置
100 燃料電池システム
210 正極側電圧検出センサ
212 負極側電圧検出センサ
214 正極側交流電源部
216 負極側交流電源部
218 コントローラ
220 演算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 1A Negative electrode terminal 1B Positive electrode terminal 1C Midway terminal 6 Controller 35 Anode gas circulation flow path 36 Pump inlet side pressure sensor 37 Circulation pump 37a Rotational speed sensor 38 Pump outlet side pressure sensor 39 Temperature sensor 40 Temperature acquisition device 41 Differential pressure Acquisition device 42 Rotational speed acquisition device 43 Data storage unit 44 Gas density estimation device 45 Relative humidity estimation device 100 Fuel cell system 210 Positive electrode side voltage detection sensor 212 Negative electrode side voltage detection sensor 214 Positive electrode side AC power supply unit 216 Negative electrode side AC power supply unit 218 Controller 220 arithmetic unit

Claims (16)

燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度、前記アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧、及び前記循環ポンプの回転数を取得し、
前記差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び前記循環ポンプの圧力−流量特性に基づいて前記アノードガス循環流路内のガス密度を推定し、
前記燃料電池内の相対湿度を推定し、
前記アノードガス温度、前記差圧、及び前記ガス密度に基づき、前記相対湿度を用いて前記水素濃度を演算する燃料電池の水素濃度推定方法。
Obtaining an anode gas temperature in an anode gas circulation channel in a fuel cell system having a fuel cell, a differential pressure between an inlet and an outlet of a circulation pump provided in the anode gas circulation channel, and a rotation speed of the circulation pump;
Based on the pressure loss characteristic of the anode gas circulation channel and the pressure-flow rate characteristic of the circulation pump from the differential pressure, the gas density in the anode gas circulation channel is estimated,
Estimating the relative humidity in the fuel cell;
A hydrogen concentration estimation method for a fuel cell, wherein the hydrogen concentration is calculated using the relative humidity based on the anode gas temperature, the differential pressure, and the gas density.
請求項1に記載の水素濃度推定方法であって、
前記燃料電池の内部インピーダンスを計測し、
前記内部インピーダンスに基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定方法。
The hydrogen concentration estimation method according to claim 1,
Measuring the internal impedance of the fuel cell;
A hydrogen concentration estimation method for obtaining the relative humidity based on the internal impedance.
請求項2に記載の水素濃度推定方法であって、
前記内部インピーダンスを、HFR取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する水素濃度推定方法。
The hydrogen concentration estimation method according to claim 2,
A hydrogen concentration estimation method for measuring the internal impedance by using a frequency in a frequency band for obtaining HFR.
請求項2に記載の水素濃度推定方法であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗を算出し、
前記アイオノマ抵抗に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定方法。
The hydrogen concentration estimation method according to claim 2,
The ionomer resistance derived from the electrolyte component in the catalyst layer of the fuel cell is calculated from the internal impedance,
A hydrogen concentration estimation method for obtaining the relative humidity based on the ionomer resistance.
請求項2に記載の水素濃度推定方法であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の電気二重層容量値を算出し、
前記電気二重層容量値に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定方法。
The hydrogen concentration estimation method according to claim 2,
Calculate the electric double layer capacity value of the fuel cell from the internal impedance,
A hydrogen concentration estimation method for obtaining the relative humidity based on the electric double layer capacity value.
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の水素濃度推定方法であって、
前記燃料電池内に液水が存在するか否かを判断し、
前記燃料電池内に液水が存在すると判断した場合、所定の液水存在時処理を行う水素濃度推定方法。
A hydrogen concentration estimation method according to any one of claims 1 to 5,
Determining whether liquid water is present in the fuel cell;
A hydrogen concentration estimation method for performing processing when a predetermined amount of liquid water is present when it is determined that liquid water is present in the fuel cell.
請求項6に記載の水素濃度推定方法であって、
前記液水存在時処理が、
前記循環ポンプの回転数を増加させた高回転運転を行う高回転運転ステップと、
前記高回転運転時における前記水素濃度の演算を行う高回転運転時演算ステップと、
前記循環ポンプにおける前記差圧の変動が所定値未満となった後に、前記循環ポンプの回転数を減少させて通常回転運転を行う通常回転運転ステップと、
前記通常回転運転時における前記水素濃度の演算を行う通常回転運転時演算ステップと、
前記高回転運転における前記水素濃度の演算値と前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップで一致すると判定された場合には、前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値又は前記高回転運転における前記水素濃度の演算値を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理ステップと、
前記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、前記高回転運転時演算ステップ、前記通常回転運転ステップ、前記通常回転運転時演算ステップ、及び前記判定ステップを行う不一致判定処理ステップと、
を含む水素濃度推定方法。
The hydrogen concentration estimation method according to claim 6,
When the liquid water is present,
A high rotation operation step of performing a high rotation operation in which the number of rotations of the circulation pump is increased;
A calculation step during high rotation operation for calculating the hydrogen concentration during the high rotation operation;
A normal rotation operation step of performing a normal rotation operation by reducing the rotation speed of the circulation pump after the fluctuation of the differential pressure in the circulation pump becomes less than a predetermined value;
A calculation step during normal rotation operation for calculating the hydrogen concentration during the normal rotation operation;
A determination step of determining whether or not the calculated value of the hydrogen concentration in the high rotation operation and the calculated value of the hydrogen concentration in the normal rotation operation substantially coincide with each other for a predetermined time;
If it is determined that the values match in the determination step, the match determination for setting the calculated value of the hydrogen concentration in the normal rotation operation or the calculated value of the hydrogen concentration in the high rotation operation as an estimated value of the current hydrogen concentration Processing steps;
When it is determined in the determination step that they do not match, again, the high rotation operation time calculation step, the normal rotation operation step, the normal rotation operation time calculation step, and the mismatch determination processing step for performing the determination step,
A hydrogen concentration estimation method including
請求項2〜請求項7の何れか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定方法において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記積層電池に交流電流を出力し、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記積層電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて前記交流電流を調整し、
前記調整された前記交流電流、前記正極側交流電位差、及び前記負極側交流電位差に基づいて前記積層電池の前記内部インピーダンスを演算する燃料電池の水素濃度推定方法。
In the hydrogen concentration estimation method for a fuel cell according to any one of claims 2 to 7,
The fuel cell is configured as a laminated battery,
Output alternating current to the laminated battery,
Obtained by subtracting the potential of the halfway portion from the positive side AC potential difference, which is a potential difference obtained by subtracting the potential of the middle portion of the multilayer battery from the positive side potential of the laminated battery, and the potential of the negative side of the laminated battery. Adjusting the alternating current based on the negative electrode AC potential difference that is a potential difference,
A method for estimating a hydrogen concentration in a fuel cell, wherein the internal impedance of the stacked battery is calculated based on the adjusted AC current, the positive-side AC potential difference, and the negative-side AC potential difference.
燃料電池を有する燃料電池システムにおけるアノードガス循環流路内のアノードガス温度を取得する温度取得装置と、
前記アノードガス循環流路内に設けられる循環ポンプの入口と出口の差圧を取得する差圧取得装置と、
前記循環ポンプの回転数を取得する回転数取得装置と、
アノードガス循環流路の圧力損失特性を記憶する圧力損失特性記憶装置と、
循環ポンプの圧力−流量特性を記憶する圧力−流量特性記憶装置と、
前記差圧からアノードガス循環流路の圧力損失特性及び前記循環ポンプの圧力−流量特性に基づいて前記アノードガス循環流路内のガス密度を推定するガス密度推定装置と、
前記燃料電池の相対湿度を推定する相対湿度推定装置と、
前記アノードガス温度、前記差圧、及び前記ガス密度に基づき、前記相対湿度を用いて前記水素濃度を演算する水素濃度演算装置と、
を有する燃料電池の水素濃度推定装置。
A temperature acquisition device for acquiring an anode gas temperature in an anode gas circulation channel in a fuel cell system having a fuel cell;
A differential pressure acquisition device for acquiring a differential pressure between an inlet and an outlet of a circulation pump provided in the anode gas circulation channel;
A rotational speed acquisition device for acquiring the rotational speed of the circulation pump;
A pressure loss characteristic storage device for storing the pressure loss characteristic of the anode gas circulation channel;
A pressure-flow characteristic storage device for storing the pressure-flow characteristic of the circulation pump;
A gas density estimation device for estimating a gas density in the anode gas circulation channel based on the pressure loss characteristic of the anode gas circulation channel and the pressure-flow rate characteristic of the circulation pump from the differential pressure;
A relative humidity estimation device for estimating the relative humidity of the fuel cell;
A hydrogen concentration calculation device for calculating the hydrogen concentration using the relative humidity based on the anode gas temperature, the differential pressure, and the gas density;
An apparatus for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell.
請求項9に記載の水素濃度推定装置であって、
前記燃料電池の内部インピーダンスを計測するインピーダンス計測装置をさらに有し、
前記相対湿度推定装置は、前記内部インピーダンスに基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定装置。
The hydrogen concentration estimation apparatus according to claim 9,
Further comprising an impedance measuring device for measuring the internal impedance of the fuel cell;
The relative humidity estimation device is a hydrogen concentration estimation device that obtains the relative humidity based on the internal impedance.
請求項10に記載の水素濃度推定装置であって、
前記インピーダンス計測装置は、
前記内部インピーダンスを、HFR取得用の周波数帯の周波数を用いて計測する水素濃度推定装置。
The hydrogen concentration estimation apparatus according to claim 10,
The impedance measuring device is
A hydrogen concentration estimation apparatus that measures the internal impedance using a frequency in a frequency band for obtaining HFR.
請求項10に記載の水素濃度推定装置であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の触媒層内における電解質成分に由来するアイオノマ抵抗を算出するアイオノマ抵抗算出装置をさらに有し、
前記相対湿度推定装置は、前記アイオノマ抵抗に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定装置。
The hydrogen concentration estimation apparatus according to claim 10,
An ionomer resistance calculating device that calculates an ionomer resistance derived from an electrolyte component in the catalyst layer of the fuel cell from the internal impedance;
The relative humidity estimation device is a hydrogen concentration estimation device that obtains the relative humidity based on the ionomer resistance.
請求項10に記載の水素濃度推定装置であって、
前記内部インピーダンスから前記燃料電池の電気二重層容量値を算出する電気二重層容量値装置をさらに有し、
前記相対湿度推定装置は、前記電気二重層容量値に基づいて前記相対湿度を求める水素濃度推定装置。
The hydrogen concentration estimation apparatus according to claim 10,
An electric double layer capacity value device for calculating an electric double layer capacity value of the fuel cell from the internal impedance;
The relative humidity estimation device is a hydrogen concentration estimation device for obtaining the relative humidity based on the electric double layer capacity value.
請求項9〜請求項13の何れか1項に記載の水素濃度推定装置であって、
前記燃料電池内に液水が存在するか否かを判断する液水存在判断装置と、
前記燃料電池内に液水が存在すると判断した場合、所定の液水存在時処理を行う液水存在時処理装置と、
を有する水素濃度推定装置。
The hydrogen concentration estimation apparatus according to any one of claims 9 to 13,
A liquid water presence determination device for determining whether liquid water is present in the fuel cell;
When it is determined that liquid water is present in the fuel cell, a liquid water presence treatment device that performs a predetermined liquid water presence treatment; and
A hydrogen concentration estimation apparatus having
請求項14に記載の水素濃度推定装置であって、
前記液水存在判断装置が、
前記循環ポンプの回転数を増加させた高回転運転を実行する高回転運転実行部と、
前記高回転運転時における前記水素濃度の演算を実行する高回転運転時演算実行部と、
前記循環ポンプにおける前記差圧の変動が所定値未満となった後に、前記循環ポンプの回転数を減少させて通常回転運転を実行する通常回転運転実行部と、
前記通常回転運転時における前記水素濃度の演算を実行する通常回転運転時演算実行部と、
前記高回転運転における前記水素濃度の演算値と前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値が所定時間の間実質的に相互に一致するか否かを判定する判定部と、
前記判定ステップで一致すると判定された場合には、前記通常回転運転における前記水素濃度の演算値又は前記高回転運転における前記水素濃度の演算値を、現在の水素濃度の推定値として設定する一致判定処理部と、
前記判定ステップで一致しないと判定された場合には、再度、前記高回転運転時演算ステップ、前記通常回転運転ステップ、前記通常回転運転時演算ステップ、及び前記判定ステップを行う不一致判定処理部と、
を有する水素濃度推定装置。
The hydrogen concentration estimation apparatus according to claim 14,
The liquid water presence determination device is
A high-speed operation execution unit for executing a high-speed operation with an increased number of rotations of the circulation pump;
A high-speed operation calculation execution unit that executes the calculation of the hydrogen concentration during the high-speed operation;
A normal rotation operation execution unit that performs normal rotation operation by reducing the rotation speed of the circulation pump after the fluctuation of the differential pressure in the circulation pump becomes less than a predetermined value;
A normal rotation operation calculation execution unit for calculating the hydrogen concentration during the normal rotation operation;
A determination unit that determines whether or not the calculated value of the hydrogen concentration in the high rotation operation and the calculated value of the hydrogen concentration in the normal rotation operation substantially coincide with each other for a predetermined time;
If it is determined that the values match in the determination step, the match determination for setting the calculated value of the hydrogen concentration in the normal rotation operation or the calculated value of the hydrogen concentration in the high rotation operation as an estimated value of the current hydrogen concentration A processing unit;
When it is determined in the determination step that they do not match, again, the high-rotation operation time calculation step, the normal rotation operation step, the normal rotation operation time calculation step, and the mismatch determination processing unit that performs the determination step;
A hydrogen concentration estimation apparatus having
請求項9〜請求項15の何れか1項に記載の燃料電池の水素濃度推定装置において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記インピーダンス計測装置は、
前記積層電池に交流電流を出力し、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記積層電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて前記交流電流を調整し、
前記調整された前記交流電流、前記正極側交流電位差、及び前記負極側交流電位差に基づいて前記積層電池の前記内部インピーダンスを演算する水素濃度推定装置。
In the fuel cell hydrogen concentration estimation apparatus according to any one of claims 9 to 15,
The fuel cell is configured as a laminated battery,
The impedance measuring device is
Output alternating current to the laminated battery,
Obtained by subtracting the potential of the halfway portion from the positive side AC potential difference, which is a potential difference obtained by subtracting the potential of the middle portion of the multilayer battery from the positive side potential of the laminated battery, and the potential of the negative side of the laminated battery. Adjusting the alternating current based on the negative electrode AC potential difference that is a potential difference,
A hydrogen concentration estimation apparatus that calculates the internal impedance of the stacked battery based on the adjusted AC current, the positive-side AC potential difference, and the negative-side AC potential difference.
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