JP4600642B2 - 燃料電池スタックの異常判定装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池スタックの発電異常を判定する異常判定装置に関し、特に、発電異常の度合いを適正に判定するための改良技術に関する。

燃料電池はセルを直列に積層したスタック構造を備えており、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化ガスの電気化学反応を利用して電力発電を行っている。電池反応では水分が生成されるため、水分の凝縮などにより、セルの有効電極面積が減少し、各セルに燃料ガスが均等に供給されなくなるおそれがある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じて電流密度が不均一になり、出力低下が生じるとともに、最も電圧の低いセルが０Ｖ以下まで到達して過放電するおそれがある。過放電の状態で電流を流し続けると、電解質膜が破損する可能性があるため、事前に燃料電池スタックの発電異常を判定する必要がある。燃料電池スタックの発電異常を判定するための手段として、特開２００３−２９７４０７号公報には、燃料電池スタックを構成する各々のセルについてセル電圧と複数の基準電圧とを比較し、各々のセルの発電異常を早期に判定する技術が提案されている。
特開２００３−２９７４０７号公報

しかし、従来ではセル電圧と基準電圧との単純比較で発電異常を判定しているため、どの程度の異常電流がどの程度の時間流れているのか、つまり、発電異常の度合いがどの程度であるかを正確に判定することができなかった。

そこで、本発明は燃料電池スタックの発電異常の度合いを適正に判定できる異常判定装置を提案することを課題とする。

本発明の異常判定装置は、複数のセルを積層して成る燃料電池スタックの発電異常を判定する装置であって、セル電圧が所定の閾値電圧以下に低下したか否かを１次判定する１次判定手段と、１次判定においてセル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味したセルの出力積算値に基づいて発電異常の度合いを２次判定する２次判定手段とを備える。セル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味したセルの出力積算値に基づいて発電異常の度合いを判定することにより、発電異常の適正な判定が可能になる。

ここで、２次判定に用いられるセルの出力積算値としては、例えば、１次判定においてセル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間にわたってセル電流を積分した積算電流値が望ましい。積算電流値を用いることにより発電異常時に流れたセル電流の大きさとその継続時間を異常判定に反映させることができるため、どの程度の異常状態がどの程度継続したかを把握することが可能となり、発電異常の度合いを適正に判定することができる。

この他に、２次判定に用いられるセルの出力積算値としては、例えば、１次判定においてセル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間にわたってセル電圧を積分した積算電圧値でもよい。積算電圧値を用いることにより発電異常の程度とその継続時間を異常判定に反映させることができるため、どの程度の異常状態がどの程度継続したかを把握することが可能となり、発電異常の度合いを適正に判定することができる。

本発明の異常判定装置は、上述の構成に加えて、２次判定に基づいて燃料電池スタックの出力制限又は運転停止を制御する制御手段を更に備える構成としてもよい。かかる構成により発電異常による燃料電池スタックの破損を回避できる。

本発明によれば、セル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味したセルの出力積算値に基づいて発電異常の度合いを判定することにより、発電異常の適正な判定が可能になる。

本実施形態の異常判定装置は、複数のセルを積層して成る燃料電池スタックの発電異常を判定する装置であって、セル電圧が所定の閾値電圧以下に低下したか否かを１次判定する１次判定手段と、１次判定においてセル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味したセルの出力積算値（積算電流値又は積算電圧値）に基づいて発電異常の度合いを２次判定する２次判定手段とを備える。セル電圧が閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味したセルの出力積算値に基づいて発電異常の度合いを判定することにより、どの程度の異常状態がどの程度継続したかを把握することが可能となり、発電異常の度合いを適正に判定することができる。

図１は本実施例の異常判定装置を備えた燃料電池システム１０の主要構成図である。燃料電池システム１０は、主として、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれアノード極とカソード極を対向配置し更にその外側を一対のセパレータで挟持してなるセルを所定数直列に接続して成る燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０のアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５１と、燃料電池スタック２０のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置５２と、燃料電池スタック２０を構成する各セルの出力電圧（セル電圧）を検出するセル電圧検出手段４１と、燃料電池スタック２０の出力電流（セル電流）を検出するセル電流検出手段４２と、システム制御を行う制御部３０を備えて構成されている。

燃料ガス供給装置５１は、例えば、水素ガスを充填する高圧水素タンク若しくは水素吸蔵タンク、又は改質原料（メタノールや天然ガス等の炭化水素系の原燃料と水）を水素リッチガスに改質する改質器等から構成される。酸化ガス供給装置５２は、例えば、大気中の酸素を圧送するエアコンプレッサ（空気圧縮機）等から構成される。制御部３０は電池運転を制御する制御手段３３として機能し、燃料電池スタック２０の発電量が要求発電量と一致するように燃料ガス供給装置５１から供給される燃料ガスの流量と、酸化ガス供給装置５２から供給される酸化ガスの流量を調整する。燃料電池スタック２０で発電された電力は負荷６０で消費される。同システム１０を燃料電池車両等の電源装置として搭載する場合、負荷６０としては、例えば、車両走行用のトラクションモータ、トラクションモータに交流電力を供給するインバータ、その他の車載補機類等が該当する。同システム１０を定置用発電装置として用いる場合、負荷６０としては、例えば、商用インバータ等が該当する。燃料電池スタック２０の電力系統には逆電流を抑制するためのダイオード６１と、燃料電池スタック２０と負荷６０との電気的接続を行うスイッチ（燃料電池出力スイッチ）６２が設置されている。

制御部３０は電池運転を制御するシステムコントローラとして機能する他、燃料電池スタック２０の発電異常を判定する判定手段３１，３２を備えた異常判定装置として機能する。１次判定手段３１はセル電圧検出手段４１によって検出されたセル電圧が所定の閾値電圧Ｖ０以下に低下したか否かを１次判定する。セル電圧検出手段４１としては、各セルの出力電圧を１セル毎に検出する手段が望ましいが、所定数セル毎にその出力電圧を検出する手段であってもよい。また、１次判定に用いられる閾値電圧Ｖ０としては、発電異常に起因するセル電圧低下を判定する目安になる電圧値であれば特に限定されるものではないが、例えば、０．３Ｖ程度が望ましい（正常発電時における各セルの出力電圧は０．６Ｖ程度である。）。図３に示すように、２次判定手段３２は１次判定においてセル電圧が閾値電圧Ｖ０以下に低下した（つまり、発電異常が生じている）と判定されてからの経過時間（異常発電時間）を加味したセル電流の時間積分値（積算電流値ＩＴ）を計算し、この積算電流値ＩＴに基づいて発電異常の度合いを２次判定する。積算電流値ＩＴの積分時間は１次判定においてセル電圧が閾値電圧Ｖ０以下に低下したと判定されてからの経過時間である。セル電流の時間積分はセル電圧が閾値電圧Ｖ０以下であることを条件として実施される。

制御手段３３は２次判定で計算した積算電流値ＩＴ（発電異常の度合い）が大きくなる程、燃料電池スタック２０の出力が抑制されるように、負荷６０の制御が実施され、それに伴って、燃料ガス供給装置５１と酸化ガス供給装置５２を制御して燃料電池スタック２０の出力制限を実施する。そして、この積算電流値ＩＴが燃料電池スタック２０の破損を招く虞のある範囲内の値になると、制御手段３３は燃料電池スタック２０への反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を停止するとともに、スイッチ６２を開いて電池運転（電力発電）を停止する。

図２は燃料電池スタックの発電異常を判定して電池運転を制御する処理ルーチンを示している。同処理ルーチンを参照しつつ、上述の説明を再述する。１次判定手段３１はセル電圧検出手段４１から出力されるセンサ信号を取得し、各々のセル電圧を監視する（Ｓ１１）。セル電圧Ｖが閾値電圧Ｖ０以上の場合は（Ｓ１２；ＮＯ）、発電状態は正常なのでＳ１１に再帰する。セル電圧Ｖが閾値電圧Ｖ０以下になると（Ｓ１２；ＹＥＳ）、発電状態は異常なので、２次判定手段３２はセル電流検出手段４２が検出したセル電流の時間積分を行う（Ｓ１３）。積算電流値ＩＴが所定値Ｗ１未満の場合には（Ｓ１４；ＮＯ）、制御手段３３は燃料電池スタック２０の出力制限を実施する（Ｓ１５）。制御部３０には積算電流値ＩＴに応じた、負荷６０の制限率や、反応ガス供給量などのマップデータが予め記憶されており、制御手段３３はこのマップデータを参照して燃料電池スタック２０の出力制限を実施する。また、積算電流値ＩＴのフィードバックによって燃料電池スタック２０の出力制限を実施してもよい。一方、積算電流値ＩＴが所定値Ｗ１以上の場合には（Ｓ１４；ＹＥＳ）、燃料電池スタック２０の破損を防止するため、制御手段３３は電池運転を停止する（Ｓ１６）。

本実施例によれば、発電異常時に流れた電流量を積分（積算）することにより発電異常時に流れたセル電流の大きさとその継続時間を異常判定に反映させることができるため、どの程度の異常状態がどの程度継続したかを把握することが可能となり、燃料電池スタック２０の異常度合いを適正に判定することができる。

図２は本実施例の異常判定装置を備えた燃料電池システム１１の主要構成図である。図１に付した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明を省略する。本実施例ではセル電流検出手段４２を省略し、セル電圧検出手段４１が検出したセル電圧によって、上述の１次判定と２次判定を行っている。１次判定手段３１は、実施例１と同様に、セル電圧検出手段４１によって検出されたセル電圧が所定の閾値電圧Ｖ０以下に低下したか否かを１次判定する。図６に示すように、２次判定手段３２は１次判定においてセル電圧が閾値電圧Ｖ０以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味したセル電圧の時間積分値（積算電圧値ＶＴ）を計算し、この積算電圧値ＶＴに基づいて発電異常の度合いを２次判定する。積算電圧値ＶＴの積分時間は１次判定においてセル電圧が閾値電圧Ｖ０以下に低下したと判定されてからの経過時間である。セル電圧の時間積分はセル電圧が閾値電圧Ｖ０以下であることを条件として実施される。

図５は燃料電池スタックの発電異常を判定して電池運転を制御する処理ルーチンを示している。同処理ルーチンを参照しつつ、上述の説明を再述する。１次判定手段３１はセル電圧検出手段４１から出力されるセンサ信号を取得し、各々のセル電圧を監視する（Ｓ２１）。セル電圧Ｖが閾値電圧Ｖ０以上の場合は（Ｓ２２；ＮＯ）、発電状態は正常なのでＳ２１に再帰する。セル電圧Ｖが閾値電圧Ｖ０以下になると（Ｓ２２；ＹＥＳ）、発電状態は異常なので、２次判定手段３２はセル電圧検出手段４１が検出したセル電圧の時間積分を行う（Ｓ２３）。積算電圧値ＶＴが所定値Ｗ２未満の場合には（Ｓ２４；ＮＯ）、制御手段３３は燃料電池スタック２０の出力制限を実施する（Ｓ２５）。制御部３０には積算電圧値ＶＴに応じた、負荷６０の制限率や、反応ガス供給量などのマップデータが予め記憶されており、制御手段３３はこのマップデータを参照して燃料電池スタック２０の出力制限を実施する。また、積算電圧値ＶＴのフィードバックによって燃料電池スタック２０の出力制限を実施してもよい。一方、積算電圧値ＶＴが所定値Ｗ２以上の場合には（Ｓ２４；ＹＥＳ）、燃料電池スタック２０の破損を防止するため、制御手段３３は電池運転を停止する（Ｓ２６）。

本実施例によれば、発電異常時のセル電圧を積分（積算）することにより発電異常の程度とその継続時間を異常判定に反映させることができるため、どの程度の異常状態がどの程度継続したかを把握することが可能となり、燃料電池スタック２０の異常度合いを適正に判定することができる。また、セル電流検出手段４２が不要なのでシステム構成を簡略化できる。

実施例１の燃料電池システムの主要構成図である。 実施例１の発電異常判定処理ルーチンである。 実施例１のセル電流の時間積分の説明図である。 実施例２の燃料電池システムの主要構成図である。 実施例２の発電異常判定処理ルーチンである。 実施例２のセル電圧の時間積分の説明図である。

符号の説明

１０，１１…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ３０…制御部 ３１…１次判定手段 ３２…２次判定手段 ３３…制御手段 ４１…セル電圧検出手段 ４２…セル電流検出手段 ５１…燃料ガス供給装置 ５２…酸化ガス供給装置 ６０…負荷 ６１…ダイオード ６２…スイッチ

Claims (4)

1. 複数のセルを積層して成る燃料電池スタックの発電異常を判定する装置であって、セル電圧が所定の閾値電圧以下に低下したか否かを１次判定する１次判定手段と、前記１次判定において前記セル電圧が前記閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間を加味した前記セルの出力積算値に基づいて発電異常の度合いを２次判定する２次判定手段とを備える、異常判定装置。
2. 請求項１に記載の異常判定装置であって、前記セルの出力積算値は前記１次判定において前記セル電圧が前記閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間にわたってセル電流を積分した積算電流値である、異常判定装置。
3. 請求項１に記載の異常判定装置であって、前記セルの出力積算値は前記１次判定において前記セル電圧が前記閾値電圧以下に低下したと判定されてからの経過時間にわたってセル電圧を積分した積算電圧値である、異常判定装置。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の異常判定装置であって、前記２次判定に基づいて前記燃料電池スタックの出力制限又は運転停止を制御する制御手段を更に備える、異常判定装置。

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