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公開番号2025014137
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-30
出願番号2023116396
出願日2023-07-18
発明の名称燃料電池の評価システムおよび方法ならびに燃料電池の制御システムおよび方法ならびに燃料電池システムならびにプログラム
出願人国立大学法人筑波大学,日置電機株式会社
代理人個人
主分類H01M 8/04537 20160101AFI20250123BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】Cole-Coleプロットと同等の精度を保持したまま、燃料電池の各分極をリアルタイムにかつ定量的に評価することができ、それによって燃料電池を評価することができる燃料電池の評価システム、その評価結果に基づいて燃料電池を制御することができる燃料電池の制御システムおよび燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池の評価システムは、固体電解質を用いた燃料電池の運転中に固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより燃料電池の抵抗分極を算出し、算出された抵抗分極に基づいて燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して燃料電池の評価を行う。燃料電池の制御システムおよび燃料電池システムは、算出された抵抗分極に基づいて燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して燃料電池の制御を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
固体電解質を用いた燃料電池の運転中に固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該算出された抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して上記燃料電池の評価を行う燃料電池の評価システム。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
上記固定周波数は上記燃料電池のインピーダンスを測定することにより得られるＣｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットの軌跡が実軸と交わる点における周波数である請求項１記載の燃料電池の評価システム。
【請求項３】
上記固定周波数は１ｋＨｚである請求項２記載の燃料電池の評価システム。
【請求項４】
上記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置と、
上記燃料電池に上記固定周波数の高周波電流または高周波電圧を供給する電源と、
を有し、
上記燃料電池の運転中に上記電源により上記固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加して上記インピーダンス測定装置によりインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該算出された抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出し、当該算出された抵抗分極、活性化分極および濃度分極に基づいて上記燃料電池の評価を行う請求項１～３のいずれか一項記載の燃料電池の評価システム。
【請求項５】
上記算出された抵抗分極と予め決められた第１の基準値との大小関係を判定し、上記算出された濃度分極と予め決められた第２の基準値との大小関係を判定し、上記算出された活性化分極と予め決められた第３の基準値との大小関係を判定する請求項４記載の燃料電池の評価システム。
【請求項６】
固体電解質を用いた燃料電池の運転中に固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該算出された抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して上記燃料電池の評価を行う燃料電池の評価方法。
【請求項７】
上記燃料電池の運転中に上記燃料電池の電圧を予め決められた時間間隔で測定するステップと、
上記時間間隔で測定された上記燃料電池の電圧と予め決められた基準電圧との大小関係を判定するステップと、
上記燃料電池の電圧が上記基準電圧より低いと判定されたときは上記固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出するステップと、
上記算出された抵抗分極と予め決められた第１の基準値との大小関係を判定するステップと、
上記算出された濃度分極と予め決められた第２の基準値との大小関係を判定するステップと、
上記算出された活性化分極と予め決められた第３の基準値との大小関係を判定するステップと、
を有する請求項６記載の燃料電池の評価方法。
【請求項８】
固体電解質を用いた燃料電池の運転中に固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該算出された抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して上記燃料電池の制御を行う燃料電池の制御システム。
【請求項９】
上記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置と、
上記燃料電池に上記固定周波数の高周波電流または高周波電圧を供給する電源と、
を有し、
上記燃料電池の運転中に上記電源により上記固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加して上記インピーダンス測定装置によりインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該算出された抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出し、当該算出された抵抗分極、活性化分極および濃度分極に基づいて上記燃料電池の制御を行う請求項８記載の燃料電池の制御システム。
【請求項１０】
固体電解質を用いた燃料電池の運転中に固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して上記燃料電池の制御を行う燃料電池の制御方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の評価システムおよび方法ならびに燃料電池の制御システムおよび方法ならびに燃料電池システムならびにプログラムに関し、特に、例えば固体高分子形燃料電池等の固体電解質を用いた燃料電池に適用して好適なものである。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電圧は分極によって決定される。分極は活性化分極、抵抗分極および濃度分極（拡散分極とも呼ばれる）の三つに分類される。活性化分極は、アノードにおける水素の酸化およびカソードにおける酸素の還元の際にイオンになる反応を進めるために活性化エネルギーが消費されることにより生じる電圧降下である。抵抗分極は、電解質膜、電極、セパレータ等における電子やイオンの移動に対する抵抗により生じる電圧降下であり、電流に比例して増加する。濃度分極は、燃料電池の反応によって電極近傍では水素や酸素の濃度が低下し、これらの物質を電極へ補給する速度や生成物の散逸速度の影響により生じる電圧降下であり、特に、燃料を多く消費する高電流域で支配的である。燃料電池の電流－電圧曲線（性能曲線）とこれらの活性化分極、抵抗分極および濃度分極との関係を図１７に示す。
【０００３】
分極の低減策としては次のような対策がある。すなわち、活性化分極増大時であれば、活性化エネルギーを低下させるために燃料電池の温度を上昇させたり、抵抗分極増大時であれば、電解質膜が乾燥状態であるため加湿したり、濃度分極増大時であれば、反応ガスの流量を増加させたりする。したがって、分極を評価し、それを燃料電池の運転にフィードバックして制御に利用することができれば、燃料電池の安定稼働につながる。
【０００４】
燃料電池の分極評価方法としては、図１８に示すような、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ法）によるＣｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットが一般的である。Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットでは、低周波数から高周波数までの周波数の電流を燃料電池に印加し、それにより得られるインピーダンスを複素平面（横軸が実数部（Ｒｅ）、縦軸が虚数部（Ｉｍ））上にプロットする。しかし、特に低周波数の電流を印加してインピーダンスを測定するため、一連の測定に時間がかかるのが難点であった。一方、特許文献１には、燃料電池セルが出力する電流に関する電流指標および電圧に関する電圧指標を取得し、電流指標を複数のモデルに適用して複数の分極を導出し、前記電圧に関する電圧指標が閾値未満である場合に、前記複数の分極のそれぞれに対して設定された基準分極のそれぞれと、前記複数の分極のそれぞれとを比較して、比較結果に基づいて、燃料電池セルが出力する電圧値を上昇させるための手法を導出する技術が提案されている。特許文献１によれば、燃料電池の運転中の計測は可能であるが、Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットと同等の精度を保持したまま、分極の計測を行うことは難しい。
【０００５】
特許文献２には、燃料電池から得られる電流および電圧を所定時間だけ計測して特定周波数成分を検出し、物質移動抵抗（濃度分極に対応）を検出する技術が記載されている。また、特許文献３には、燃料電池の各単セルに高周波（例えば、数ｋＨｚ～数ＭＨｚ）の交流を印加してインピーダンスの直列抵抗成分を計測し、燃料電池内の水分量を判別して運転の制御を行う技術が提案されている。しかし、特許文献２、３とも、単一の分極を評価するものに過ぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２２－８２０９９号公報
特開２０２３－３９４８６号公報
特開２０１６－９５９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明が解決しようとする課題は、Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットと同等の精度を保持したまま、燃料電池の各分極をリアルタイムにかつ定量的に評価することができ、それによって燃料電池を評価することができる燃料電池の評価システムおよび方法ならびに燃料電池の評価方法のプログラムを提供することである。
【０００８】
この発明が解決しようとする他の課題は、Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットと同等の精度を保持したまま、燃料電池の各分極をリアルタイムにかつ定量的に評価することができ、その結果に基づいて燃料電池を制御することができ、ひいては燃料電池の安定稼働を実現することができる燃料電池の制御システムおよび方法ならびに燃料電池の制御方法のプログラムを提供することである。
【０００９】
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、Ｃｏｌｅ－Ｃｏｌｅプロットと同等の精度を保持したまま、燃料電池の各分極をリアルタイムにかつ定量的に評価することができ、その結果に基づいて燃料電池を制御することができ、ひいては燃料電池の安定稼働を実現することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明は、
固体電解質を用いた燃料電池の運転中に固定周波数の高周波電流または高周波電圧を印加してインピーダンスを測定することにより上記燃料電池の抵抗分極を算出し、当該算出された抵抗分極に基づいて上記燃料電池の活性化分極および濃度分極を算出して上記燃料電池の評価を行う燃料電池の評価システムである。
（【００１１】以降は省略されています）

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