JP2004241201A

JP2004241201A - Apparatus and method for estimating state of fuel cell

Info

Publication number: JP2004241201A
Application number: JP2003027376A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Eimiya; 清美永宮; Masahiko Hibino; 雅彦日比野; Akihiro Ueda; 晃宏上田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】燃料電池の状態を一般に取得する物理量に基づいて推定することができる。
【解決手段】すべての単電池の電圧Ｖの標準偏差δを求め、そのδが閾値δｔｈｒを超えるか否かを判定し（Ｓ１１０）、δが閾値δｔｈｒを超えたときには、燃料電池３０の温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えるか否かを判定する（Ｓ１３０）。そして、Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えなかったときには、最も電圧の低い単電池３１の電圧Ｖの傾きＤを求めてその傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るか否かを判定し（Ｓ１４０）、傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るときつまり電圧Ｖが急激に低下しているときには、フラッディング状態であると推定する（Ｓ１６０）。一方、傾きＤが閾値Ｄｔｈｒ以上のときつまり電圧Ｖが緩やかに低下しているときには、ＣＯ被毒状態であると推定する（Ｓ１７０）。
【選択図】図７A state of a fuel cell can be estimated based on a physical quantity generally acquired.
A standard deviation δ of voltages V of all cells is determined, and it is determined whether the δ exceeds a threshold δthr (S110). When δ exceeds a threshold δthr, the temperature T of the fuel cell 30 is determined. Is greater than or equal to the threshold value Tthr (S130). When T does not exceed the threshold value Tthr, a slope D of the voltage V of the cell 31 having the lowest voltage is obtained, and it is determined whether or not the slope D falls below the threshold value Dthr (S140). When the voltage is lower than Dthr, that is, when the voltage V is sharply reduced, it is estimated that a flooding state is present (S160). On the other hand, when the slope D is equal to or larger than the threshold value Dthr, that is, when the voltage V is gradually decreasing, it is estimated that the vehicle is in the CO poisoning state (S170).
[Selection diagram] FIG.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単電池が複数積層された燃料電池の状態を推定する状態推定装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、燃料電池の運転状態を推定する装置としては、特許文献１，２に開示されているものが知られている。特許文献１の装置では、燃料ガス中に含有する一酸化炭素（ＣＯ）により触媒電極が受ける被毒を軽減することを目的として、ＣＯ濃度検出手段によって検出したＣＯ濃度が許容値を超えた場合に被毒の度合いを軽減させる措置を採っている。つまり、ＣＯ濃度が許容値を超えるときには触媒電極が被毒しやすい状態であると推定して、被毒軽減策を採っている。また、特許文献２の装置では、燃料電池の温度が高温になると固体電解質膜の水分が放出されて抵抗が大きくなることに着目し、燃料電池から排出された酸化ガスの温度が８０℃を超えるときにはカソードへの送風量を大きくしている。つまり、燃料電池から排出される酸化ガスの温度が高いときには固体電解質膜が過剰に乾燥した状態（ドライアップ状態）であると推定して、カソードを冷却している。
【０００３】
しかしながら、特許文献１ではＣＯ濃度を検出する専用の検出器が必要となるため、装置構成が複雑になるという問題があった。また、特許文献２では温度のみに基づいてドライアップ状態の推定を行っているため、推定精度が必ずしも高くないという問題があった。なお、本出願人は、特許文献３において触媒電極の被毒を正確に検出できる装置を提案しているが、これは今回の発明とは別の技術思想である。
【０００４】
本発明は上述した課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の状態を一般に取得する物理量に基づいて推定することができる燃料電池の状態推定装置及びその方法を提供することを目的の一つとする。また、燃料電池の状態を精度よく推定することができる燃料電池の状態推定装置及びその方法を提供することを目的の一つとする。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２２３８５６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３２２８９号公報
【特許文献３】
特開平８−３１４４２号公報
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の燃料電池の状態推定装置及びその方法は、上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１は、一対の電極で固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の状態を推定する状態推定装置であって、
前記単電池又は前記単電池を複数積層した単電池積層体の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記単電池又は前記単電池を複数積層した単電池積層体の温度を測定する温度測定手段と、
前記電圧測定手段によって測定された測定電圧、前記温度測定手段によって測定された測定温度、及び時間に対する前記測定電圧の傾きに基づいて、前記燃料電池の状態を推定する状態推定手段と
を備えたものである。
【０００８】
本発明の状態推定装置では、単電池又は単電池積層体の電圧、単電池又は単電池積層体の温度、及び時間に対する単電池又は単電池積層体の電圧の傾きが、燃料電池の状態と密接に関連していることから、これらのパラメータに基づいて燃料電池の状態を推定する。また、電圧や温度は燃料電池を運転する際に一般に取得される物理量である。したがって、燃料電池の状態を一般に取得する物理量に基づいて推定することができる。ここで、「単電池積層体」とは、単電池を２以上積層した単電池モジュールであり、電圧を測定する単電池積層体と温度を測定する単電池積層体とは同じであってもよいし異なっていてもよい。
【０００９】
本発明の状態推定装置において、前記状態推定手段は、前記電極に担持された触媒が被毒された状態であるか、前記燃料電池がフラッディング状態であるか、前記燃料電池がドライアップ状態であるかを推定してもよい。触媒被毒状態、フラッディング状態及びドライアップ状態は上述した測定電圧、測定温度及び時間に対する測定電圧の傾きと密接に関連していることから、これらに基づいて精度よく各状態を推定することができる。
【００１０】
本発明の状態推定装置において、前記状態推定手段は、前記測定電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ前記測定温度が予め定められた低温範囲に入りしかも時間に対する前記測定電圧の傾きが予め定められた被毒推定用の緩慢範囲に入るときには、前記電極に担持された触媒が被毒されていると推定してもよい。こうすれば、触媒被毒の原因となる不純物ガス（例えばＣＯ）の濃度を検出しなくても、触媒が被毒されているか否かを推定することができる。このように推定するのは、触媒被毒は低温の場合に発生しやすいという知見や、触媒被毒状態では時間に対する測定電圧が緩やかに下降するという知見に基づいている。この態様を採用した場合において、前記測定電圧の傾きが前記被毒推定用の緩慢範囲に入るか否かの判定は、複数の前記単電池又は複数の前記単電池積層体の電圧を測定したときの測定電圧のうち最低電圧の時間に対する傾きが前記被毒推定用の緩慢範囲に入るか否かによって行われてもよい。こうすれば、全測定電圧の傾きについて判定を行う必要がないため、迅速に判定することができる。ここで、「低温範囲」や「被毒推定用の緩慢範囲」は、例えば予め燃料電池を運転する際に強制的に触媒被毒の状態を作り出し、そのときに取得した温度や電圧の傾きに基づいて経験的に定めてもよい。
【００１１】
本発明の状態推定装置において、前記状態推定手段は、前記測定電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ前記測定温度が予め定められた高温範囲に入りしかも時間に対する前記測定電圧の傾きが予め定められたドライアップ推定用の緩慢範囲に入るときには、前記燃料電池がドライアップ状態であると推定してもよい。こうすれば、温度だけでドライアップ状態か否かを推定する場合に比べて精度よく推定することができる。このように推定するのは、ドライアップは高温の場合に発生しやすいという知見や、ドライアップ状態では時間に対する測定電圧が緩やかに下降するという知見に基づいている。この態様を採用した場合において、前記測定電圧の傾きが前記被毒推定用の緩慢範囲に入るか否かの判定は、複数の前記単電池又は複数の前記単電池積層体の電圧を測定したときの測定電圧のうち最低電圧の時間に対する傾きの絶対値が最大のものが前記被毒推定用の緩慢範囲に入るか否かによって行われてもよい。こうすれば、全測定電圧の傾きについて判定を行う必要がないため、迅速に判定することができる。ここで、「高温範囲」や「ドライアップ推定用の緩慢範囲」は、例えば予め燃料電池を運転する際に強制的にドライアップ状態を作り出し、そのときに取得した温度や電圧の傾きに基づいて経験的に定めてもよい。また、「ドライアップ推定用の緩慢範囲」は、上述の「被毒推定用の緩慢範囲」と同じであってもよいし異なっていてもよい。
【００１２】
本発明の状態推定装置において、前記測定電圧が前記不適正電圧範囲に入ったか否かの判定は、複数の前記単電池又は複数の前記単電池積層体の電圧を測定したときの電圧のバラツキが予め定められた許容範囲を脱したか否かによって行われてもよい。測定電圧が不適正電圧範囲に入ったか否かは、測定電圧が適正な状態では取り得ない電圧範囲に入ったか否かによって判定してもよいが、複数の測定電圧のバラツキが許容範囲を脱したか否かによって判定してもよい。例えば、複数の測定電圧のバラツキのパラメータとしては、例えば標準偏差であってもよいし、測定電圧の最大値と最小値との差分であってもよい。
【００１３】
本発明の状態推定装置において、前記状態推定手段は、前記測定電圧の傾きが予め定められたフラッディング推定用の急峻範囲に入るときには、前記燃料電池がフラッディング状態であると推定してもよい。このように推定するのは、フラッディング状態では、測定電圧の傾きが急激に落ち込むという知見に基づいている。この態様を採用した場合において、前記測定電圧の傾きが前記フラッディング推定用の急峻範囲に入るか否かの判定は、複数の前記単電池又は複数の前記単電池積層体の電圧を測定したときの測定電圧のうち最低電圧の時間に対する傾きが前記フラッディング推定用の急峻範囲に入るか否かによって行われてもよい。こうすれば、全測定電圧の傾きについて判定を行う必要がないため、迅速に判定することができる。ここで、「フラッディング推定用の急峻範囲」は、例えば予め燃料電池を運転する際に強制的にフラッディング状態を作り出し、そのときに取得した電圧の傾きに基づいて経験的に定めてもよい。
【００１４】
本発明の状態推定装置において、前記温度測定手段は、前記燃料電池の温度を測定する手段であって前記燃料電池を冷却する冷却水の入口温度と出口温度との平均値を前記燃料電池の温度として出力してもよい。こうすれば、比較的簡単に燃料電池の温度を測定することができる。
【００１５】
本発明は、一対の電極で固体電解質膜を挟み込んだ構成を有する単電池が複数積層された燃料電池の状態を推定する状態推定方法であって、
（ａ）前記単電池又は前記単電池を複数積層した単電池積層体の電圧を測定するステップと、
（ｂ）前記単電池又は前記単電池を複数積層した単電池積層体の温度を測定するステップと、
（ｃ）前記ステップ（ａ）で測定された測定電圧、前記ステップ（ｂ）で測定された測定温度、及び時間に対する前記測定電圧の傾きに基づいて、前記燃料電池の状態を推定するステップと
を含むものとしてもよい。
【００１６】
この状態推定方法では、単電池又は単電池積層体の電圧、単電池又は単電池積層体の温度、及び時間に対する単電池又は単電池積層体の電圧の傾きが、燃料電池の状態と密接に関連していることから、これらのパラメータに基づいて燃料電池の状態を推定する。また、電圧や温度は、燃料電池を運転する際に一般に取得される物理量である。したがって、燃料電池の状態を一般に取得する物理量に基づいて推定することができる。
【００１７】
本発明の状態推定方法において、前記ステップ（ｃ）では、前記電極に担持された触媒が被毒された状態であるか、前記燃料電池がフラッディング状態であるか、前記燃料電池がドライアップ状態であるかを推定してもよい。触媒被毒状態、フラッディング状態及びドライアップ状態は上述した測定電圧、測定温度及び時間に対する測定電圧の傾きと密接に関連していることから、これらに基づいて精度よく各状態を推定することができる。
【００１８】
本発明の状態推定方法において、前記ステップ（ｃ）では、前記測定電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ前記測定温度が予め定められた低温範囲に入りしかも時間に対する前記測定電圧の傾きが予め定められた被毒推定用の緩慢範囲に入るときには、前記電極に担持された触媒が被毒されていると推定してもよい。こうすれば、触媒被毒の原因となる不純物ガス（例えばＣＯ）の濃度を検出しなくても、触媒が被毒されているか否かを推定することができる。
【００１９】
本発明の状態推定方法において、前記ステップ（ｃ）では、前記測定電圧が予め定められた不適正電圧範囲に入り且つ前記測定温度が予め定められた高温範囲に入りしかも時間に対する前記測定電圧の傾きが予め定められたドライアップ推定用の緩慢範囲に入るときには、前記燃料電池がドライアップ状態であると推定してもよい。こうすれば、温度だけでドライアップ状態か否かを推定する場合に比べて精度よく推定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は、本発明の状態推定装置として機能する燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図示するように、燃料電池システム２０は、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２と、この燃料ガス供給装置２２から供給される燃料ガス（ここでは水素リッチガス）を加湿する燃料ガス加湿器２３と、酸素を含有する酸化ガス（ここでは空気）を供給する酸化ガス供給装置２４と、この酸化ガス供給装置２４から供給される酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿器２５と、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却装置５０と、燃料電池システム２０の運転をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００２１】
燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する燃料ガスを供給する装置であり、ここでは、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質部２２ａと、改質部２２ａで生成された水素リッチガスに含まれるＣＯをＣＯ_２にシフトさせるシフト反応部２２ｂとで構成されている。改質部２２ａでは、改質反応により水素が生成するほか副反応によりＣＯが生成するため、改質部２２ａで生成された水素リッチガスにはＣＯが含まれる。ＣＯはアノード側の触媒を被毒しその性能を著しく低下させるので、改質部２２ａの下流にシフト反応部２２ｂを配置し、このシフト反応部２２ｂで、ＣＯをＣＯ_２にシフトさせることにより、燃料ガス供給装置２２から供給される水素リッチガスに含まれるＣＯ濃度を数ｐｐｍ程度にまで低減させている。酸化ガス供給装置２４は、酸素を含有する酸化ガスを供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプとしてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置２２および酸化ガス供給装置２４は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されるようになっている。
【００２２】
燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化させて燃料ガスや酸化ガスに供給する加湿器である。この燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの加湿量や酸化ガスの加湿量が制御されるようになっている。
【００２３】
燃料電池３０は、単電池３１を複数（例えば数百個）積層して構成される固体高分子型の燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン伝導性の膜体である固体電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で固体電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００２４】
燃料電池３０には、燃料電池３０を構成する各単電池３１から出力される電圧Ｖを検出する電圧計４０、燃料電池３０から出力される電流Ｉを検出する電流計４２、燃料ガスおよび酸化ガスのガス圧Ｐを検出する圧力センサ４６などが取り付けられている。これらのセンサは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されている。
【００２５】
燃料電池３０の燃料ガスおよび酸化ガスの排出管には、それぞれ圧力調節バルブ２７，２８が取り付けられており、燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧を調節できるようになっている。なお、圧力調節バルブ２７，２８の各アクチュエータは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０による駆動制御を受ける。
【００２６】
冷却装置５０は、燃料電池３０内部に形成された冷却水流路とこの冷却水流路に対して冷却水を給排する循環管路とからなる冷却水管路５２と、冷却水管路５２に取り付けられ外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器５６と、冷却水を循環管路に循環させる冷却水用ポンプ５４と、冷却水管路５２の燃料電池３０の入口付近における冷却水の温度を検出する入口温度センサ５７と、冷却水管路５２の燃料電池３０の出口付近における冷却水の温度を検出する出口温度センサ５８とを備える。冷却水用ポンプ５４と各温度センサ５７，５８は信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、燃料電池３０の冷却の制御が電子制御ユニット６０によって行なわれるようになっている。即ち、各温度センサ５７，５８により検出される冷却水の温度の平均値を燃料電池３０の温度Ｔとみなし、この温度Ｔに基づいて冷却水用ポンプ５４が駆動され、冷却水の循環流量の制御がなされるのである。
【００２７】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット６０には、図示しない流量計や温度計などからの燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量や温度，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス供給装置２４の運転状態，電圧計４０からの燃料電池３０から出力される電圧Ｖ，電流計４２からの燃料電池３０から出力される電流Ｉ，圧力センサ４６からの燃料電池３０の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐ，冷却水の入口温度センサ５７及び出口温度センサ５８からの冷却水の温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４への駆動信号，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５への駆動信号，冷却水用ポンプ５４への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２８】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０につき、ＣＯ被毒、ドライアップ、フラッディングの各状態を強制的に作り出し、負荷電流一定で定常運転したときに燃料電池３０を構成する各単電池３１の出力電圧Ｖを測定した。その結果を図３〜図５に示す。なお、測定は１ｓｅｃごとに行った。また、「ＣＯ被毒」とは、ＣＯによってアノード３３側の触媒が被毒することをいう。
【００２９】
ＣＯ被毒状態は、通常よりも冷却装置５０による冷却を十分行い燃料電池全体の温度を下げると共に燃料ガスにＣＯを混入させてアノード３３側の触媒の活性点にＣＯを吸着させることにより、強制的に実現させた。図３は、このときの各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化（図３（ａ）参照）と、すべての単電池３１の出力電圧Ｖから算出した標準偏差の時間変化（図３（ｂ）参照）と、図３（ａ）における最低ラインにおける電圧の傾きの時間変化（図３（ｃ）参照）を表したものである。なお、「最低ライン」とは、すべての単電池３１の出力電圧Ｖのうち最低電圧の時間変化を表すラインを意味する（以下同じ）。図３から、ＣＯ被毒状態になると、時間の経過に伴い各単電池３１の出力電圧Ｖは緩やかに落ち込んだ。また、各単電池３１の出力電圧Ｖの落ち込みの度合いが一様でないため、時間の経過に伴い次第に標準偏差が大きくなった。更に、最低ラインにおける電圧の傾きは、負の値になるもののあまり大きな絶対値にならずに推移した。なお、測定電圧Ｖの傾きとしては、今回の測定電圧Ｖから前回の測定電圧Ｖを減算した値ΔＶ（電圧Ｖは１ｓｅｃごとに測定されるためΔＶは実質的にΔＶ／Δｔと同じ）を用いてもよいし、連続して出力電圧Ｖを測定する場合には時間微分ｄＶ／ｄｔを用いてもよい（以下同じ）。
【００３０】
フラッディング状態は、通常よりも加湿量を増やすと共に冷却装置５０による冷却を十分行い燃料電池全体の温度を下げることにより、強制的に実現させた。図４は、このときの各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化（図４（ａ）参照）と、すべての単電池３１の出力電圧Ｖから算出した標準偏差の時間変化（図４（ｂ）参照）と、図４（ａ）における最低ラインにおける電圧の傾きの時間変化（図４（ｃ）参照）を表したものである。図４から、フラッディング状態になると、実際にフラッディングが発生した単電池３１の出力電圧Ｖは経時に伴い急激に落ち込むもののマイナス領域まで落ち込むことはなく、その後直ちに上昇するというシャープな形状のピークが幾つか観察された。これは、単電池３１のセパレータ３５の流路３６，３７に水が溜まることで出力電圧Ｖが落ち込んだ後、その水がガスに持ち去られることで出力電圧Ｖが高くなったものと思われる。なお、フラッディングが発生していない単電池３１については、測定電圧Ｖの落ち込みは殆ど見られなかった。また、実際にフラッディングが発生した単電池３１の電圧Ｖのピークが現れるのに連動して、全出力電圧Ｖの標準偏差にもピークが現れた。更に、最低ラインにおける出力電圧Ｖの傾きは、出力電圧Ｖが極小値に向かって落ち込むにつれて出力電圧Ｖの傾きは負の値で絶対値が次第に大きくなり、出力電圧Ｖが極小値から元の値に戻るにつれて出力電圧Ｖの傾きは正の値で絶対値が絶対値が次第に小さくなった。このときの傾きは、ドライアップ状態やＣＯ被毒状態では取り得ないほど大きな絶対値をもつ負の値になった。
【００３１】
ドライアップ状態は、通常よりも加湿量を減らすと共に冷却装置５０による冷却を抑えて燃料電池全体の温度を上げることにより、強制的に実現させた。図５は、このときの各単電池３１の出力電圧Ｖの時間変化（図５（ａ）参照）と、すべての単電池３１の出力電圧Ｖから算出した標準偏差の時間変化（図５（ｂ）参照）と、図５（ａ）における最低ラインにおける電圧の傾きの時間変化（図５（ｃ）参照）を表したものである。図５から、ドライアップ状態になると、各単電池３１の出力電圧Ｖは緩やかに落ち込んだ。また、各単電池３１の出力電圧Ｖの落ち込みの度合いが一様でないため、時間の経過に伴い次第に標準偏差が大きくなった。更に、最低ラインにおける電圧の傾きは、負の値になるもののあまり大きな絶対値にならずに推移した。
【００３２】
以上のことから、全出力電圧Ｖの標準偏差δがある値以下であれば全出力電圧Ｖのバラツキが小さく燃料電池３０は適正な状態で運転されているとみなし、その値を超えるときには全出力電圧Ｖのバラツキが大きく燃料電池３０は不適正な状態で運転されているとみなすことが可能であり、そのような値を経験的に求めて閾値δｔｈｒとする。図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）には、このようにして求めた閾値δｔｈｒを示した。また、出力電圧Ｖの時間変化の最低ラインの傾きＤがある負の値以上であればつまり出力電圧Ｖが緩やかに低下していればフラッディング状態ではないとみなし、その負の値を下回っていればつまり出力電圧Ｖが急激に低下していればフラッディング状態が発生しているとみなすことが可能であり、そのような負の値を経験的に求めて閾値Ｄｔｈｒとする。図３（ｃ）、図４（ｂ）及び図５（ｃ）には、このようにして求めた閾値Ｄｔｈｒを示した。但し、フラッディング状態のときには、標準偏差δが閾値δｔｈｒを超えた時点で最低ラインにおける電圧Ｖの傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回っているように両閾値δｔｈｒ，Ｄｔｈｒを設定した。
【００３３】
ところで、ＣＯ被毒の程度は触媒へのＣＯの吸着量に依存しており、ＣＯの吸着量はｅｘｐ（Ｅ／ＲＴ）（但し、Ｅは吸着熱、Ｒは気体定数、Ｔは温度）に比例し、燃料電池３０の温度が低いほど吸着量が増大する傾向にある（図６参照）。つまり、燃料電池３０の温度が高いときには吸着量が小さいためＣＯ被毒は起こりにくいのに対して、温度が低いときには吸着量が大きいためＣＯ被毒が起こりやすい。このため、燃料電池３０の温度がある温度より高ければＣＯ被毒は発生していないものとみなし、その温度より低ければＣＯ被毒が発生しているおそれがあるとみることが可能であり、そのような温度を経験的に求めて閾値Ｔ１ｔｈｒとする。一方、ドライアップ状態は飽和水蒸気圧に依存しており、温度が低いときには飽和水蒸気圧が低いため固体電解質膜３２が乾燥しにくいのに対して、温度が高いときには飽和水蒸気圧が高いため固体電解質膜３２が乾燥しやすい。このため、燃料電池３０の温度がある温度より低ければドライアップ状態ではないとみなし、その温度より高ければドライアップ状態が発生しているおそれがあるとみることが可能であり、そのような温度を経験的に求めて閾値Ｔ２ｔｈｒとする。本実施形態では、閾値Ｔ１ｔｈｒと閾値Ｔ２ｔｈｒとが同じとなるような経験値を求め、これを閾値Ｔｔｈｒとした。なお、フラッディング状態は、燃料電池３０の温度が高温であっても低温であっても起こり得るものとした。
【００３４】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池３０の状態推定処理について説明する。図７は燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される状態推定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【００３５】
まず、状態推定処理ルーチンについて説明する。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間（例えば１ｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず各単電池３１の電圧計４０から電圧Ｖを取得すると共に冷却水の入口温度センサ５７及び出口温度センサ５８からの温度の平均値を求めてその平均値を燃料電池３０の温度Ｔとする（ステップＳ１００）。続いて、ステップＳ１００で取得したすべての単電池３１の電圧Ｖの標準偏差δを求め、その標準偏差δが予め定めた閾値δｔｈｒを超えるか否かを判定し（ステップＳ１１０）、標準偏差δが閾値δｔｈｒを超えないときつまり各単電池３１の電圧Ｖのバラツキが小さいときには、燃料電池３０の状態を適正状態であると推定し（ステップＳ１２０）、このルーチンを終了する。一方、標準偏差δが閾値δｔｈｒを超えたときつまり各単電池３１の電圧Ｖのバラツキが大きいときには、燃料電池３０は不適正状態であるとみなし、続いて燃料電池３０の温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。
【００３６】
そして、温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えていなかったときには、続いて最も電圧の低い単電池３１の電圧Ｖの傾きＤを求めてその傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るか否かを判定し（ステップＳ１４０）、傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るときつまり電圧Ｖが急激に低下しているときには、燃料電池３０の状態をフラッディング状態であると推定し（ステップＳ１６０）、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ１４０において傾きＤが閾値Ｄｔｈｒ以上のときつまり電圧Ｖが緩やかに低下しているときには、燃料電池３０の状態をＣＯ被毒状態であると推定し（ステップＳ１７０）、このルーチンを終了する。
【００３７】
一方、ステップＳ１３０で温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えていたときには、続いて最も電圧の低い単電池３１の電圧Ｖの傾きＤを求めてその傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るか否かを判定し（ステップＳ１５０）、傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るときつまり電圧Ｖが急激に低下しているときには、燃料電池３０の状態をフラッディング状態であると推定し（ステップＳ１６０）、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ１５０において傾きＤが閾値Ｄｔｈｒ以上のときつまり電圧Ｖが緩やかに低下しているときには、燃料電池３０の状態をドライアップ状態であると推定し（ステップＳ１８０）、このルーチンを終了する。
【００３８】
そして、上述した状態推定処理ルーチンの終了後、ＣＰＵ６２は、各ステップＳ１２０，Ｓ１６０〜Ｓ１８０で推定した状態を図示しないディスプレイに出力したり図示しないプリンタで印刷したりしてもよい。あるいは、推定した状態に基づいて燃料電池３０の運転条件を変更してもよい。例えば、ドライアップ状態のときには、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を増やしたり冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を多くして燃料電池全体の温度を低くしてもよく、フラッディング状態のときには、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を減らしたり冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を少なくして燃料電池全体の温度を高くしたり圧力調節バルブ２７，２８を操作してガス圧を一旦高くしたあと抜くことで流路３６，３７内の水滴を吹き飛ばすようにしてもよい。また、ＣＯ被毒状態のときには、冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４の吐出量を少なくして燃料電池全体の温度を高くすることで触媒へのＣＯ吸着量を少なくしたり燃料ガス供給装置２２のシフト反応部２２ｂにおけるＣＯの酸化反応を促進させたり（例えば空気量を増やす）してもよい。なお、これらの操作に代えて又はこれらに加えて負荷電流を下げてもよい。
【００３９】
以上詳述した燃料電池システム２０によれば、単電池３１の電圧Ｖや燃料電池３０の温度Ｔは燃料電池３０を運転する際に一般に取得される物理量であるから、特別な物理量を取得することなく燃料電池３０の状態を推定することができる。また、ＣＯ被毒状態、フラッディング状態及びドライアップ状態は複数の単電池３１の電圧Ｖ、燃料電池３０の温度Ｔ及び時間に対する測定電圧Ｖの傾きＤと密接に関連していることから、これらに基づいて精度よく各状態を推定することができる。
【００４０】
更に、すべての単電池３１の電圧Ｖの標準偏差δが閾値δｔｈｒを超え且つ燃料電池３０の温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒ以下でありしかも複数の単電池３１のうち最低ラインの電圧Ｖの傾きＤが閾値Ｄｔｈｒ以上のときには、アノード３３に担持された触媒が被毒されていると推定するため、触媒被毒の原因となるＣＯ濃度を検出しなくても、触媒が被毒されているか否かを推定することができる。更にまた、すべての単電池３１の電圧Ｖの標準偏差が閾値δｔｈｒを超え且つ燃料電池３０の温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒ以上でありしかも複数の単電池３１のうち最低ラインの電圧Ｖの傾きＤが閾値Ｄｔｈｒ以上のときには、燃料電池３０がドライアップ状態であると推定するため、温度だけでドライアップ状態か否かを推定する場合に比べて精度よく推定することができる。そしてまた、すべての単電池３１の電圧Ｖの標準偏差が閾値δｔｈｒを超え且つ複数の単電池３１のうち最低ラインの電圧Ｖの傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回ったときには、燃料電池３０がフラッディング状態であると推定するため、フラッディング状態をドライアップ状態や触媒被毒状態と適切に区別して推定できる。そして更にまた、ステップＳ１４０，，Ｓ１５０では、全単電池３１の電圧Ｖの傾きＤについて判定を行うのではなく複数の単電池３１のうち最低ラインの電圧Ｖの傾きＤについて判定を行うため、迅速に判定することができる。
【００４１】
なお、本発明は上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００４２】
例えば、上述した実施形態では、標準偏差δ、温度Ｔ、傾きＤの順に判定を行ったが、この順序を入れ替えて判定してもよい。図８にその一例を示す。この図８の状態推定処理ルーチンにおいて、ステップＳ１１０で標準偏差δが閾値δｔｈｒを超えていたとき、最も電圧の低い単電池３１の電圧Ｖの傾きＤを求めてその傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るか否かを判定し（ステップＳ１１２）、傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回るときには、燃料電池３０の状態をフラッディング状態であると推定し（ステップＳ１６０）、傾きＤが閾値Ｄｔｈｒ以上のときには続いて燃料電池３０の温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えるか否かを判定する（ステップＳ１１４）。そして、温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えなかったときには、燃料電池３０の状態をＣＯ被毒状態であると推定し（ステップＳ１７０）、温度Ｔが閾値Ｔｔｈｒを超えたときには、燃料電池３０の状態をドライアップ状態と推定し（ステップＳ１８０）、ステップＳ１６０〜Ｓ１８０の処理のあと、このルーチンを終了するようにしてもよい。この場合も上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【００４３】
また、上述した実施形態では、燃料電池３０を構成するすべての単電池３１の電圧Ｖを測定したが、燃料電池３０を構成する単電池３１の中から幾つかの単電池３１を選んでそれらの単電池３１の電圧を測定し、それらの測定電圧を用いて標準偏差δや傾きＤを求めて判定を行ってもよい。あるいは、幾つかの単電池３１を積層して単電池モジュールとし、複数の単電池モジュールの電圧を測定しそれらの測定電圧を用いて標準偏差δや傾きＤを求めて判定を行ってもよい。
【００４４】
更に、上述した実施形態では、燃料電池全体の温度Ｔに基づいて判定を行ったが、すべての単電池３１の温度を測定し単電池３１ごとにその温度が閾値Ｔｔｈｒを超えるか否かの判定を行ってもよい。あるいは、幾つかの単電池３１を積層して単電池モジュールとし、１又は複数の単電池モジュールの温度を測定しその温度を用いて閾値Ｔｔｈｒとの比較を行ってもよい。
【００４５】
更にまた、上述した実施形態では、電圧Ｖの傾きＤが閾値Ｄｔｈｒを下回ったときフラッディング状態であると判定したが、フラッディング状態のときにはドライアップ状態やＣＯ被毒状態のときと比べて傾きＤが比較的大きな正の値を取るため、傾きＤが所定の正の値を超えたときにフラッディング状態であると判定してもよい。
【００４６】
そしてまた、上述した燃料電池システム２０は、燃料電池車に適用してもよいし、コジェネレーションシステムに適用してもよいし、その他どのような用途に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】燃料電池３０を構成する単電池３１の断面図である。
【図３】触媒のＣＯ被毒時の特性を表すグラフである。
【図４】フラッディング状態の特性を表すグラフである。
【図５】ドライアップ状態の特性を表すグラフである。
【図６】温度に対するＣＯ吸着量のグラフである。
【図７】状態推定処理ルーチンのフローチャートである。
【図８】他の状態推定処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
２０燃料電池システム、２２燃料ガス供給装置、２２ａ改質部、２２ｂシフト反応部、２３燃料ガス加湿器、２４酸化ガス供給装置、２５酸化ガス加湿器、２６水タンク、２７，２８圧力調節バルブ、３０燃料電池、３１単電池、３２固体電解質膜、３３アノード、３４カソード、３５セパレータ、３６，３７流路、４０電圧計、４２電流計、４６圧力センサ、５０冷却装置、５２冷却水管路、５４冷却水用ポンプ、５６熱交換器、５７入口温度センサ、５８出口温度センサ、６０電子制御ユニット、６２ＣＰＵ、６４ＲＯＭ、６６ＲＡＭ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a state estimating apparatus for estimating a state of a fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked, and a method therefor.
[0002]
Problems to be solved by the prior art and the invention
Conventionally, as an apparatus for estimating the operating state of a fuel cell, those disclosed in Patent Documents 1 and 2 are known. In the device of Patent Document 1, in order to reduce the poisoning of the catalyst electrode by carbon monoxide (CO) contained in the fuel gas, when the CO concentration detected by the CO concentration detecting means exceeds an allowable value. Measures have been taken to reduce the degree of poisoning. That is, when the CO concentration exceeds the allowable value, it is estimated that the catalyst electrode is in a state of being easily poisoned, and a poisoning reducing measure is taken. Also, in the device of Patent Document 2, attention is paid to the fact that when the temperature of the fuel cell becomes high, the moisture of the solid electrolyte membrane is released and the resistance increases, and the temperature of the oxidizing gas discharged from the fuel cell exceeds 80 ° C. At times, the amount of air blown to the cathode is increased. That is, when the temperature of the oxidizing gas discharged from the fuel cell is high, it is estimated that the solid electrolyte membrane is in an excessively dry state (dry-up state), and the cathode is cooled.
[0003]
However, in Patent Literature 1, a dedicated detector for detecting the CO concentration is required, so that there is a problem that the device configuration is complicated. Further, in Patent Literature 2, since the dry-up state is estimated based only on the temperature, there is a problem that the estimation accuracy is not always high. In addition, the present applicant has proposed a device capable of accurately detecting poisoning of a catalyst electrode in Patent Document 3, but this is a different technical idea from the present invention.
[0004]
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide an apparatus and a method for estimating a state of a fuel cell that can estimate a state of the fuel cell based on a physical quantity that is generally acquired. . Another object of the present invention is to provide a fuel cell state estimating apparatus and method capable of accurately estimating the state of a fuel cell.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-223856
[Patent Document 2]
JP 2001-332289 A
[Patent Document 3]
JP-A-8-31442
[0006]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
The fuel cell state estimating apparatus and method of the present invention employs the following means to achieve at least one of the above objects.
[0007]
A first aspect of the present invention is a state estimation device that estimates a state of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having a configuration in which a solid electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes are stacked.
Voltage measuring means for measuring the voltage of the unit cell or a unit cell stack in which a plurality of the unit cells are stacked,
Temperature measurement means for measuring the temperature of the unit cell or a unit cell stack in which the unit cells are stacked in plurality,
State estimating means for estimating the state of the fuel cell based on a measured voltage measured by the voltage measuring means, a measured temperature measured by the temperature measuring means, and a slope of the measured voltage with respect to time;
It is provided with.
[0008]
In the state estimation device of the present invention, the slope of the voltage of the unit cell or the unit cell stack with respect to the voltage of the unit cell or the unit cell stack, the temperature of the unit cell or the unit cell stack, and the time is closely related to the state of the fuel cell. Therefore, the state of the fuel cell is estimated based on these parameters. Further, the voltage and the temperature are physical quantities generally obtained when operating the fuel cell. Therefore, the state of the fuel cell can be estimated based on the physical quantity that is generally acquired. Here, the “unit cell stack” is a unit cell module in which two or more unit cells are stacked, and the unit cell stack for measuring the voltage and the unit cell stack for measuring the temperature may be the same. And may be different.
[0009]
In the state estimating device of the present invention, the state estimating means is in a state where the catalyst carried on the electrode is poisoned, the fuel cell is in a flooding state, or the fuel cell is in a dry-up state. May be estimated. Since the catalyst poisoning state, the flooding state, and the dry-up state are closely related to the above-described measured voltage, the measured temperature, and the slope of the measured voltage with respect to time, it is possible to accurately estimate each state based on these. .
[0010]
In the state estimating device of the present invention, the state estimating means may be configured such that the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined low temperature range, and the slope of the measured voltage with respect to time is When entering a predetermined slow range for poison estimation, it may be estimated that the catalyst carried on the electrode is poisoned. This makes it possible to estimate whether or not the catalyst is poisoned without detecting the concentration of the impurity gas (for example, CO) that causes catalyst poisoning. This estimation is based on the knowledge that catalyst poisoning is likely to occur at low temperatures and the knowledge that the measured voltage with respect to time drops slowly in the catalyst poisoned state. In the case of adopting this aspect, the determination as to whether or not the slope of the measured voltage falls within the slowness range for the poisoning estimation is performed when the voltage of the plurality of single cells or the plurality of single cell stacks is measured. May be determined depending on whether or not the slope of the minimum voltage among the measured voltages in the above-mentioned measurement voltage falls within the slow range for the poisoning estimation. In this case, it is not necessary to determine the slope of all the measured voltages, so that the determination can be made quickly. Here, the "low temperature range" and the "slow range for poisoning estimation" are, for example, forcibly creating a state of catalyst poisoning when the fuel cell is operated in advance, and the slope of the temperature or voltage acquired at that time. It may be determined empirically based on this.
[0011]
In the state estimating device of the present invention, the state estimating means includes a step of setting the measured voltage to be in a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature to be in a predetermined high temperature range, and the slope of the measured voltage with respect to time is small. When the fuel cell enters a predetermined slow-down range for dry-up estimation, it may be estimated that the fuel cell is in a dry-up state. In this case, the estimation can be performed with higher accuracy than in the case where the dry-up state is estimated only by the temperature. This estimation is based on the knowledge that dry-up is likely to occur at high temperatures and the knowledge that the measured voltage with respect to time gradually decreases in the dry-up state. In the case of adopting this aspect, the determination as to whether or not the slope of the measured voltage falls within the slowness range for the poisoning estimation is performed when the voltage of the plurality of single cells or the plurality of single cell stacks is measured. The measurement may be performed based on whether the absolute value of the gradient of the minimum voltage with respect to time among the measured voltages falls within the slow range for the poisoning estimation. In this case, it is not necessary to determine the slope of all the measured voltages, so that the determination can be made quickly. Here, the “high temperature range” and the “slow range for dry-up estimation” are, for example, forcibly creating a dry-up state when operating the fuel cell in advance, and based on the temperature and voltage gradients acquired at that time. It may be determined empirically. The “slow range for dry-up estimation” may be the same as or different from the “slow range for poison estimation” described above.
[0012]
In the state estimation device of the present invention, the determination as to whether or not the measured voltage is within the inappropriate voltage range is based on a variation in voltage when measuring the voltage of the plurality of single cells or the plurality of single cell stacks. The determination may be performed based on whether or not a predetermined allowable range has been exceeded. Whether the measured voltage has entered the improper voltage range may be determined based on whether or not the measured voltage has entered a voltage range that cannot be obtained in an appropriate state, but variations in a plurality of measured voltages have fallen out of the allowable range. Alternatively, the determination may be made based on whether or not. For example, the parameter of the variation of the plurality of measurement voltages may be, for example, a standard deviation or a difference between the maximum value and the minimum value of the measurement voltage.
[0013]
In the state estimating device of the present invention, the state estimating means may estimate that the fuel cell is in a flooding state when the slope of the measured voltage falls within a predetermined steep range for flooding estimation. This estimation is based on the finding that the slope of the measured voltage drops sharply in the flooding state. In the case of employing this aspect, the determination as to whether or not the slope of the measured voltage falls within the steep range for the flooding estimation is performed when measuring the voltage of a plurality of the unit cells or a plurality of the unit cell stacks. The determination may be made based on whether or not the slope of the measured voltage with respect to the time of the lowest voltage falls within the steep range for the flooding estimation. In this case, it is not necessary to determine the slope of all the measured voltages, so that the determination can be made quickly. Here, the “steep range for flooding estimation” may be empirically determined based on, for example, a forcible flooding state created beforehand when the fuel cell is operated, and a voltage gradient acquired at that time.
[0014]
In the state estimating device of the present invention, the temperature measuring means is means for measuring the temperature of the fuel cell, and calculates an average value of an inlet temperature and an outlet temperature of cooling water for cooling the fuel cell. May be output. This makes it possible to relatively easily measure the temperature of the fuel cell.
[0015]
The present invention is a state estimation method for estimating a state of a fuel cell in which a plurality of unit cells having a configuration in which a solid electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes are stacked,
(A) measuring a voltage of the unit cell or a unit cell stack in which a plurality of the unit cells are stacked;
(B) measuring the temperature of the unit cell or a unit cell stack in which a plurality of the unit cells are stacked;
(C) estimating the state of the fuel cell based on the measured voltage measured in step (a), the measured temperature measured in step (b), and the slope of the measured voltage with respect to time;
May be included.
[0016]
In this state estimation method, the voltage of the cell or the unit cell stack, the temperature of the unit cell or the unit cell stack, and the slope of the voltage of the unit cell or the unit cell stack with respect to time are closely related to the state of the fuel cell. Therefore, the state of the fuel cell is estimated based on these parameters. Further, the voltage and the temperature are physical quantities generally obtained when operating the fuel cell. Therefore, the state of the fuel cell can be estimated based on the physical quantity that is generally acquired.
[0017]
In the state estimating method of the present invention, in the step (c), the catalyst carried on the electrode is in a poisoned state, the fuel cell is in a flooding state, or the fuel cell is in a dry-up state. It may be estimated that there is. Since the catalyst poisoning state, the flooding state, and the dry-up state are closely related to the above-described measured voltage, the measured temperature, and the slope of the measured voltage with respect to time, it is possible to accurately estimate each state based on these. .
[0018]
In the state estimating method of the present invention, in the step (c), the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined low temperature range, and the slope of the measured voltage with respect to time. May be estimated to be poisoned when the catalyst carried on the electrode is within a predetermined range for the poisoning estimation. This makes it possible to estimate whether or not the catalyst is poisoned without detecting the concentration of the impurity gas (for example, CO) that causes catalyst poisoning.
[0019]
In the state estimating method of the present invention, in the step (c), the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined high temperature range, and the slope of the measured voltage with respect to time. May be in a dry-up state when the fuel cell enters a predetermined slow-down range for dry-up estimation. In this case, the estimation can be performed with higher accuracy than in the case where the dry-up state is estimated only by the temperature.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system that functions as the state estimation device of the present invention. As shown, the fuel cell system 20 includes a fuel gas supply device 22 that supplies a fuel gas containing hydrogen, and a fuel gas that humidifies the fuel gas (here, a hydrogen-rich gas) supplied from the fuel gas supply device 22. A humidifier 23, an oxidizing gas supply device 24 for supplying an oxidizing gas (here, air) containing oxygen, an oxidizing gas humidifier 25 for humidifying the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supplying device 24, and a fuel gas The fuel cell system includes a polymer electrolyte fuel cell 30 that receives power from the fuel cell and an oxidizing gas to generate power, a cooling device 50 that cools the fuel cell 30, and an electronic control unit 60 that controls the operation of the fuel cell system 20.
[0021]
The fuel gas supply device 22 is a device that supplies a fuel gas containing hydrogen. In this example, the fuel gas supply device 22 includes a reforming unit 22a that reforms a hydrocarbon-based fuel such as methanol or methane to generate a hydrogen-rich gas, and a reforming unit 22a. Contained in the hydrogen-rich gas generated in the quality part 22a is converted to CO ₂ And a shift reaction unit 22b for shifting to a shift position. In the reforming unit 22a, hydrogen is generated by the reforming reaction and CO is generated by a side reaction, so that the hydrogen-rich gas generated by the reforming unit 22a contains CO. Since CO poisons the catalyst on the anode side and significantly lowers its performance, a shift reaction unit 22b is disposed downstream of the reforming unit 22a, and CO is converted into CO by the shift reaction unit 22b. ₂ The CO concentration contained in the hydrogen-rich gas supplied from the fuel gas supply device 22 is reduced to about several ppm. The oxidizing gas supply device 24 is a device that supplies an oxidizing gas containing oxygen, and may be an air pump that simply supplies air or an oxidizing gas storage tank that stores an oxidizing gas other than air. The fuel gas supply device 22 and the oxidizing gas supply device 24 are connected to the electronic control unit 60 via signal lines, and the electronic control unit 60 controls the supply amount of the fuel gas and the supply amount of the oxidizing gas. Has become.
[0022]
The fuel gas humidifier 23 and the oxidizing gas humidifier 25 are humidifiers that vaporize the water pumped from the water tank 26 and supply the gas to the fuel gas and the oxidizing gas. The fuel gas humidifier 23 and the oxidizing gas humidifier 25 are connected to an electronic control unit 60 by a signal line, and the electronic control unit 60 controls the humidification amount of the fuel gas and the humidification amount of the oxidizing gas. ing.
[0023]
The fuel cell 30 is a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of (for example, several hundred) unit cells 31. FIG. 2 shows a schematic configuration of the cell 31 constituting the fuel cell 30. As shown in the figure, the unit cell 31 is composed of a solid electrolyte membrane 32 which is a proton conductive membrane formed of a polymer material such as a fluorine-based resin, and a catalyst of platinum or an alloy composed of platinum and another metal. The anode 33 and the cathode 34 as gas diffusion electrodes constituting a sandwich structure by sandwiching the solid electrolyte membrane 32 on the surface formed by the filled carbon cloth and into which the catalyst is kneaded, and the anode while sandwiching the sandwich structure from both sides. The fuel cell and the cathode 34 form flow paths 36 and 37 for the fuel gas and the oxidizing gas, and are constituted by two separators 35 forming a partition between the adjacent unit cells 31.
[0024]
The fuel cell 30 includes a voltmeter 40 for detecting a voltage V output from each cell 31 constituting the fuel cell 30, an ammeter 42 for detecting a current I output from the fuel cell 30, a fuel gas and an oxidizing gas. A pressure sensor 46 for detecting the gas pressure P is mounted. These sensors are connected to the electronic control unit 60 by signal lines.
[0025]
Pressure control valves 27 and 28 are attached to the fuel gas and oxidizing gas discharge pipes of the fuel cell 30, respectively, so that the gas pressure of the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel cell 30 can be adjusted. The actuators of the pressure control valves 27 and 28 are connected to the electronic control unit 60 via signal lines, and are driven and controlled by the electronic control unit 60.
[0026]
The cooling device 50 includes a cooling water channel 52 formed of a cooling water channel formed inside the fuel cell 30 and a circulation channel for supplying and discharging cooling water to and from the cooling water channel, and an outside air attached to the cooling water channel 52. A heat exchanger 56 for cooling the cooling water by heat exchange with the cooling water pump 54 for circulating the cooling water through the circulation pipe, and detecting the temperature of the cooling water near the inlet of the fuel cell 30 in the cooling water pipe 52. And an outlet temperature sensor 58 for detecting the temperature of the cooling water near the outlet of the fuel cell 30 in the cooling water pipe 52. The cooling water pump 54 and each of the temperature sensors 57 and 58 are connected to the electronic control unit 60 by a signal line, and the cooling of the fuel cell 30 is controlled by the electronic control unit 60. That is, the average value of the temperature of the cooling water detected by each of the temperature sensors 57 and 58 is regarded as the temperature T of the fuel cell 30, and the cooling water pump 54 is driven based on the temperature T to determine the circulation flow rate of the cooling water. Control is done.
[0027]
The electronic control unit 60 is configured as a one-chip microprocessor mainly including a CPU 62, and includes a ROM 64 storing a processing program, a RAM 66 storing data temporarily, an input / output port (not shown), Is provided. In the electronic control unit 60, the supply amount and temperature of the fuel gas and the oxidizing gas supplied from the fuel gas supply device 22 and the oxidizing gas supply device 24 from a flow meter and a thermometer (not shown), the fuel gas humidifier 23, Operating state of the oxidizing gas supply device 24, voltage V output from the fuel cell 30 from the voltmeter 40, current I output from the fuel cell 30 from the ammeter 42, fuel gas of the fuel cell 30 from the pressure sensor 46 , The gas pressure P of the oxidizing gas, the temperature of the cooling water from the cooling water inlet temperature sensor 57 and the cooling water temperature sensor 58, etc. are input via the input port. In addition, from the electronic control unit 60, a driving signal to the fuel gas supply device 22 and the oxidizing gas supply device 24, a driving signal to the fuel gas humidifier 23 and the oxidizing gas humidifier 25, and a driving signal to the cooling water pump 54. Are output via the output port.
[0028]
Next, with respect to the fuel cell system 20 configured as described above, each state of CO poisoning, dry-up, and flooding is forcibly created, and each of the cells 31 constituting the fuel cell 30 when the fuel cell 30 is steadily operated at a constant load current. The output voltage V was measured. The results are shown in FIGS. In addition, the measurement was performed every 1 second. "CO poisoning" means that the catalyst on the anode 33 side is poisoned by CO.
[0029]
The CO poisoning state is forcibly performed by cooling the cooling device 50 more sufficiently than usual to lower the temperature of the entire fuel cell and mixing CO into the fuel gas to adsorb CO at the active point of the catalyst on the anode 33 side. Was realized. FIG. 3 shows the time change of the output voltage V of each cell 31 at this time (see FIG. 3A) and the time change of the standard deviation calculated from the output voltage V of all the cells 31 (FIG. 3B 3) and a time change of the voltage gradient at the lowest line in FIG. 3A (see FIG. 3C). Note that the “lowest line” means a line representing the time change of the lowest voltage among the output voltages V of all the cells 31 (the same applies hereinafter). As shown in FIG. 3, when the CO poisoning state was reached, the output voltage V of each cell 31 gradually dropped with time. Further, since the degree of the drop of the output voltage V of each unit cell 31 is not uniform, the standard deviation gradually increases with time. Further, the slope of the voltage at the lowest line was negative, but not so large as an absolute value. As the slope of the measurement voltage V, a value ΔV obtained by subtracting the previous measurement voltage V from the current measurement voltage V (ΔV is substantially the same as ΔV / Δt because the voltage V is measured every 1 sec) is used. Alternatively, when the output voltage V is continuously measured, the time derivative dV / dt may be used (the same applies hereinafter).
[0030]
The flooding state was forcibly realized by increasing the humidification amount more than usual and sufficiently cooling by the cooling device 50 to lower the temperature of the entire fuel cell. FIG. 4 shows a time change of the output voltage V of each cell 31 at this time (see FIG. 4A) and a time change of the standard deviation calculated from the output voltages V of all the cells 31 (FIG. 4B )) And the time change of the voltage gradient at the lowest line in FIG. 4A (see FIG. 4C). From FIG. 4, when the flooding state occurs, the output voltage V of the unit cell 31 in which the flooding actually occurs drops sharply with time, but does not fall to the minus region, but immediately rises immediately thereafter. Was observed. This is presumably because the output voltage V dropped due to the accumulation of water in the flow paths 36 and 37 of the separator 35 of the unit cell 31, and then the output voltage V was increased due to the water being carried away by the gas. It should be noted that almost no drop in the measured voltage V was observed for the unit cells 31 in which no flooding occurred. Further, in conjunction with the appearance of the peak of the voltage V of the unit cell 31 where the flooding actually occurred, the peak also appeared in the standard deviation of the total output voltage V. Further, the slope of the output voltage V at the lowest line is such that as the output voltage V decreases toward the minimum value, the slope of the output voltage V becomes a negative value and the absolute value gradually increases, and the output voltage V changes from the minimum value to the original value. The slope of the output voltage V becomes a positive value and the absolute value gradually decreases as the value returns to. The slope at this time was a negative value having an absolute value that was too large to be obtained in the dry-up state or the CO poisoning state.
[0031]
The dry-up state was forcibly realized by lowering the humidification amount than usual and suppressing the cooling by the cooling device 50 to increase the temperature of the entire fuel cell. FIG. 5 shows the change over time of the output voltage V of each cell 31 at this time (see FIG. 5A) and the change over time of the standard deviation calculated from the output voltages V of all the cells 31 (FIG. 5B 5) and the time change of the voltage gradient at the lowest line in FIG. 5 (a) (see FIG. 5 (c)). As shown in FIG. 5, in the dry-up state, the output voltage V of each cell 31 gradually dropped. Further, since the degree of the drop of the output voltage V of each unit cell 31 is not uniform, the standard deviation gradually increases with time. Further, the slope of the voltage at the lowest line was negative, but not so large as an absolute value.
[0032]
From the above, if the standard deviation δ of the total output voltage V is less than a certain value, it is considered that the variation of the total output voltage V is small and the fuel cell 30 is operated in an appropriate state. It is possible to consider that the fuel cell 30 is operating in an improper state because the voltage V has a large variation, and such a value is empirically determined to be the threshold value δthr. 3 (b), 4 (b) and 5 (b) show the threshold values δthr obtained in this manner. Further, if the slope D of the lowest line of the time change of the output voltage V is equal to or more than a certain negative value, that is, if the output voltage V is gradually decreasing, it is regarded that a flooding state is not present, and if the output voltage V is lower than the negative value. In other words, if the output voltage V drops rapidly, it can be considered that a flooding state has occurred, and such a negative value is empirically obtained and set as the threshold value Dthr. FIGS. 3C, 4B and 5C show the threshold values Dthr obtained in this manner. However, in the flooding state, the two thresholds δthr and Dthr are set such that the slope D of the voltage V on the lowest line falls below the threshold Dthr when the standard deviation δ exceeds the threshold δthr.
[0033]
By the way, the degree of CO poisoning depends on the amount of CO adsorbed on the catalyst, and the amount of CO adsorbed depends on exp (E / RT) (where E is heat of adsorption, R is gas constant, and T is temperature). In proportion, the amount of adsorption tends to increase as the temperature of the fuel cell 30 decreases (see FIG. 6). In other words, when the temperature of the fuel cell 30 is high, the amount of adsorption is small and CO poisoning is unlikely to occur, whereas when the temperature is low, the amount of adsorption is large and CO poisoning is likely to occur. Therefore, if the temperature of the fuel cell 30 is higher than a certain temperature, it is considered that CO poisoning has not occurred, and if the temperature is lower than that temperature, it is possible that CO poisoning may have occurred, Such a temperature is empirically obtained and set as a threshold T1thr. On the other hand, the dry-up state depends on the saturated steam pressure, and when the temperature is low, the saturated steam pressure is low, so that the solid electrolyte membrane 32 is difficult to dry. The film 32 is easy to dry. For this reason, if the temperature of the fuel cell 30 is lower than a certain temperature, it is considered that the fuel cell 30 is not in the dry-up state, and if the temperature is higher than that temperature, it can be considered that the dry-up state may have occurred. Is empirically obtained and set as a threshold value T2thr. In the present embodiment, an empirical value that makes the threshold value T1thr and the threshold value T2thr the same is obtained, and is set as the threshold value Tthr. Note that the flooding state can occur regardless of whether the temperature of the fuel cell 30 is high or low.
[0034]
Next, the operation of the fuel cell system 20 configured as described above, in particular, the state estimation processing of the fuel cell 30 will be described. FIG. 7 is a flowchart showing an example of a state estimation processing routine executed by the electronic control unit 60 of the fuel cell system 20.
[0035]
First, the state estimation processing routine will be described. This routine is repeatedly executed every predetermined time (for example, 1 sec) from immediately after the start of the fuel cell system 20 until its operation is stopped. When this routine is executed, the CPU 62 first obtains the voltage V from the voltmeter 40 of each cell 31 and obtains the average value of the temperatures from the inlet water temperature sensor 57 and the outlet temperature sensor 58 of the cooling water to obtain the average value. The value is set as the temperature T of the fuel cell 30 (step S100). Subsequently, the standard deviation δ of the voltages V of all the cells 31 obtained in step S100 is obtained, and it is determined whether or not the standard deviation δ exceeds a predetermined threshold δthr (step S110). When the difference does not exceed the threshold value δthr, that is, when the variation of the voltage V of each unit cell 31 is small, it is estimated that the state of the fuel cell 30 is in an appropriate state (step S120), and this routine ends. On the other hand, when the standard deviation δ exceeds the threshold value δthr, that is, when the variation of the voltage V of each cell 31 is large, the fuel cell 30 is considered to be in an improper state, and subsequently, the temperature T of the fuel cell 30 decreases the threshold value Tthr. It is determined whether or not it exceeds (step S130).
[0036]
If the temperature T has not exceeded the threshold value Tthr, then the slope D of the voltage V of the unit cell 31 having the lowest voltage is determined, and it is determined whether or not the slope D falls below the threshold value Dthr (step S140). When the gradient D is smaller than the threshold value Dthr, that is, when the voltage V is sharply reduced, the state of the fuel cell 30 is estimated to be in a flooding state (step S160), and this routine is terminated. On the other hand, when the slope D is equal to or greater than the threshold value Dthr in step S140, that is, when the voltage V is gradually decreasing, it is estimated that the state of the fuel cell 30 is the CO poisoning state (step S170), and this routine ends. .
[0037]
On the other hand, when the temperature T has exceeded the threshold value Tthr in step S130, subsequently, the gradient D of the voltage V of the unit cell 31 having the lowest voltage is obtained, and it is determined whether or not the gradient D falls below the threshold value Dthr (step S130). (S150), when the slope D is less than the threshold value Dthr, that is, when the voltage V is sharply reduced, it is estimated that the state of the fuel cell 30 is a flooding state (step S160), and this routine ends. On the other hand, when the slope D is equal to or larger than the threshold value Dthr in step S150, that is, when the voltage V is gradually decreasing, it is estimated that the state of the fuel cell 30 is in the dry-up state (step S180), and this routine ends.
[0038]
Then, after the end of the above-described state estimation processing routine, the CPU 62 may output the state estimated in each of steps S120 and S160 to S180 to a display (not shown) or print it with a printer (not shown). Alternatively, the operating condition of the fuel cell 30 may be changed based on the estimated state. For example, in the dry-up state, the temperature of the entire fuel cell is lowered by increasing the humidification amount of the fuel gas humidifier 23 or the oxidizing gas humidifier 25 or increasing the discharge amount of the cooling water pump 54 of the cooling device 50. In the flooding state, the humidification amount of the fuel gas humidifier 23 or the oxidizing gas humidifier 25 may be reduced, or the discharge amount of the cooling water pump 54 of the cooling device 50 may be reduced to increase the temperature of the entire fuel cell. The water pressure in the flow paths 36 and 37 may be blown off by operating the pressure control valves 27 and 28 to increase the gas pressure once and then removing the gas pressure. In the CO poisoning state, the discharge amount of the cooling water pump 54 of the cooling device 50 is reduced to increase the temperature of the entire fuel cell, thereby reducing the amount of CO adsorbed on the catalyst and reducing the fuel gas supply device 22. May be accelerated (for example, the amount of air is increased) in the shift reaction unit 22b. The load current may be reduced instead of or in addition to these operations.
[0039]
According to the fuel cell system 20 described in detail above, the voltage V of the unit cell 31 and the temperature T of the fuel cell 30 are physical quantities generally obtained when the fuel cell 30 is operated. Thus, the state of the fuel cell 30 can be estimated. The CO poisoning state, the flooding state, and the dry-up state are closely related to the voltage V of the plurality of cells 31, the temperature T of the fuel cell 30, and the slope D of the measured voltage V with respect to time. Each state can be accurately estimated based on the state.
[0040]
Further, the standard deviation δ of the voltages V of all the cells 31 exceeds the threshold value δthr, the temperature T of the fuel cell 30 is equal to or less than the threshold value Tthr, and the slope D of the voltage V of the lowest line among the plurality of cells 31 is the threshold value. At Dthr or more, it is estimated that the catalyst carried on the anode 33 is poisoned. Therefore, it is possible to estimate whether the catalyst is poisoned without detecting the CO concentration causing the catalyst poisoning. can do. Furthermore, the standard deviation of the voltage V of all the cells 31 exceeds the threshold value δthr, the temperature T of the fuel cell 30 is equal to or higher than the threshold value Tthr, and the slope D of the voltage V of the lowest line of the plurality of cell cells 31 is equal to the threshold value. At Dthr or more, it is estimated that the fuel cell 30 is in the dry-up state, so that the estimation can be performed with higher accuracy than when estimating whether or not the fuel cell 30 is in the dry-up state only by the temperature. Further, when the standard deviation of the voltage V of all the cells 31 exceeds the threshold value δthr and the slope D of the voltage V of the lowest line of the plurality of cells 31 falls below the threshold value Dthr, the fuel cell 30 is in a flooding state. Since it is estimated that there is, the flooding state can be appropriately distinguished from the dry-up state or the catalyst poisoning state and estimated. Further, in steps S140 and S150, the determination is made not on the slope D of the voltage V of all the cells 31 but on the slope D of the voltage V of the lowest line of the plurality of cells 31. Can be determined.
[0041]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various forms as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
[0042]
For example, in the above-described embodiment, the determination is performed in the order of the standard deviation δ, the temperature T, and the gradient D, but the determination may be performed by changing this order. FIG. 8 shows an example. In the state estimation processing routine of FIG. 8, when the standard deviation δ exceeds the threshold δthr in step S110, a slope D of the voltage V of the unit cell 31 having the lowest voltage is obtained, and is the slope D less than the threshold Dthr? It is determined whether or not the fuel cell 30 is in a flooding state (step S160). If the slope D is less than the threshold Dthr, the state of the fuel cell 30 is estimated to be in a flooding state (step S160). It is determined whether or not the temperature T exceeds the threshold value Tthr (step S114). When the temperature T does not exceed the threshold value Tthr, the state of the fuel cell 30 is estimated to be a CO poisoning state (step S170). When the temperature T exceeds the threshold value Tthr, the state of the fuel cell 30 is changed to a dry state. The routine may be estimated to be in the up state (step S180), and this routine may be terminated after the processing of steps S160 to S180. In this case, the same effect as in the above-described embodiment can be obtained.
[0043]
Further, in the above-described embodiment, the voltages V of all the cells 31 constituting the fuel cell 30 were measured. However, several cells 31 were selected from the cells 31 constituting the fuel cell 30 and the cells V were selected. The determination may be performed by measuring the voltage of the cell 31 and obtaining the standard deviation δ and the slope D using the measured voltages. Alternatively, some unit cells 31 may be stacked to form a unit cell module, the voltages of the plurality of unit cells may be measured, and the standard deviation δ and the slope D may be determined using the measured voltages to make the determination.
[0044]
Further, in the above-described embodiment, the determination is made based on the temperature T of the entire fuel cell. However, the temperatures of all the cells 31 are measured, and it is determined whether or not the temperature of each of the cells 31 exceeds the threshold value Tthr. May be performed. Alternatively, some unit cells 31 may be stacked to form a unit cell module, the temperature of one or a plurality of unit cells may be measured, and the temperature may be used to compare with the threshold Tthr.
[0045]
Furthermore, in the above-described embodiment, when the slope D of the voltage V is less than the threshold value Dthr, it is determined that the flooding state is established. However, the slope D is smaller in the flooding state than in the dry-up state or the CO poisoning state. In order to take a relatively large positive value, the flooding state may be determined when the slope D exceeds a predetermined positive value.
[0046]
Further, the fuel cell system 20 described above may be applied to a fuel cell vehicle, may be applied to a cogeneration system, or may be applied to any other use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system 20.
FIG. 2 is a sectional view of a unit cell 31 constituting the fuel cell 30.
FIG. 3 is a graph showing characteristics of a catalyst at the time of CO poisoning.
FIG. 4 is a graph showing characteristics in a flooding state.
FIG. 5 is a graph showing characteristics in a dry-up state.
FIG. 6 is a graph of a CO adsorption amount with respect to a temperature.
FIG. 7 is a flowchart of a state estimation processing routine.
FIG. 8 is a flowchart of another state estimation processing routine.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 20 fuel cell system, 22 fuel gas supply device, 22a reforming unit, 22b shift reaction unit, 23 fuel gas humidifier, 24 oxidizing gas supply device, 25 oxidizing gas humidifier, 26 water tank, 27, 28 pressure control valve, Reference Signs List 30 fuel cell, 31 unit cell, 32 solid electrolyte membrane, 33 anode, 34 cathode, 35 separator, 36, 37 channel, 40 voltmeter, 42 ammeter, 46 pressure sensor, 50 cooling device, 52 cooling water line, 54 Cooling water pump, 56 heat exchanger, 57 inlet temperature sensor, 58 outlet temperature sensor, 60 electronic control unit, 62 CPU, 64 ROM, 66 RAM.

Claims

A state estimating apparatus for estimating a state of a fuel cell in which a plurality of unit cells having a configuration in which a solid electrolyte membrane is sandwiched by a pair of electrodes are stacked,
Voltage measuring means for measuring the voltage of the unit cell or a unit cell stack obtained by stacking the unit cells,
Temperature measuring means for measuring the temperature of the unit cell or a unit cell stack obtained by stacking the unit cells,
A state estimation means for estimating a state of the fuel cell based on a measured voltage measured by the voltage measurement means, a measurement temperature measured by the temperature measurement means, and a slope of the measurement voltage with respect to time; Battery state estimation device.

2. The state estimation unit according to claim 1, wherein the state estimation unit estimates whether the catalyst carried on the electrode is in a poisoned state, the fuel cell is in a flooding state, or the fuel cell is in a dry-up state. An apparatus for estimating a state of a fuel cell according to the above.

The state estimating means is for poisoning estimation in which the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined low temperature range, and the slope of the measured voltage with respect to time is predetermined. 3. The fuel cell state estimating device according to claim 1, wherein it is estimated that the catalyst carried on the electrode is poisoned when the fuel cell enters a slow range.

The determination as to whether or not the slope of the measured voltage falls within the slowness range for the poisoning estimation is performed based on the lowest voltage among the measured voltages when measuring the voltages of the plurality of cells or the plurality of cell stacks. The fuel cell state estimating device according to claim 3, wherein the determination is performed based on whether or not a slope with respect to time falls within a slow range for the poisoning estimation.

The state estimating means is for estimating a dry-up in which the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined high temperature range, and the gradient of the measured voltage with respect to time is predetermined. The fuel cell state estimating device according to any one of claims 1 to 4, wherein when the fuel cell enters a slow range, the fuel cell is estimated to be in a dry-up state.

The determination as to whether or not the slope of the measured voltage falls within the slowness range for the poisoning estimation is performed based on the lowest voltage among the measured voltages when measuring the voltages of the plurality of cells or the plurality of cell stacks. 6. The fuel cell state estimating device according to claim 5, wherein the determination is performed based on whether or not the absolute value of the gradient with respect to time that is the largest falls within the slow range for poisoning estimation.

The determination as to whether or not the measured voltage is within the inappropriate voltage range is performed by determining the variation in voltage when measuring the voltage of the plurality of single cells or the plurality of single cell stacks out of a predetermined allowable range. The fuel cell state estimating device according to any one of claims 3 to 6, which is performed depending on whether the operation has been performed.

8. The fuel cell according to claim 1, wherein the state estimating unit estimates that the fuel cell is in a flooding state when a slope of the measured voltage falls within a predetermined steep range for flooding estimation. 9. State estimation device.

The determination as to whether or not the slope of the measured voltage falls within the steep range for the flooding estimation is based on the time of the lowest voltage among the measured voltages when measuring the voltages of the plurality of single cells or the plurality of single cell stacks. 9. The fuel cell state estimating apparatus according to claim 8, wherein the determination is made based on whether or not the inclination with respect to the steepness falls within the steep range for the flooding estimation.

The temperature measuring means is means for measuring the temperature of the fuel cell, and outputs an average value of an inlet temperature and an outlet temperature of cooling water for cooling the fuel cell as a temperature of the fuel cell. The state estimation device for a fuel cell according to any one of the above.

A state estimating method for estimating a state of a fuel cell in which a plurality of unit cells each having a configuration in which a solid electrolyte membrane is interposed between a pair of electrodes are stacked,
(A) measuring a voltage of the unit cell or a unit cell stack in which a plurality of the unit cells are stacked;
(B) measuring the temperature of the unit cell or a unit cell stack in which a plurality of the unit cells are stacked;
(C) estimating the state of the fuel cell based on the measured voltage measured in step (a), the measured temperature measured in step (b), and the slope of the measured voltage with respect to time. A method for estimating the state of a fuel cell, including:

12. The method according to claim 11, wherein in the step (c), it is estimated whether the catalyst carried on the electrode is in a poisoned state, the fuel cell is in a flooding state, or the fuel cell is in a dry-up state. 3. The method for estimating a state of a fuel cell according to item 1.

In the step (c), the poisoning estimation is performed such that the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined low temperature range, and a gradient of the measured voltage with respect to time is a predetermined value. 13. The method for estimating a state of a fuel cell according to claim 11, wherein it is estimated that the catalyst carried on the electrode is poisoned when the vehicle enters a slow range.

In the step (c), the dry-up estimation is performed in which the measured voltage falls within a predetermined inappropriate voltage range and the measured temperature falls within a predetermined high temperature range, and a gradient of the measured voltage with respect to time is a predetermined value. The fuel cell state estimating method according to any one of claims 11 to 13, wherein the fuel cell is estimated to be in a dry-up state when the fuel cell enters a slow operation range.