JP4720105B2 - 燃料電池診断装置及び燃料電池診断方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池診断装置及び燃料電池診断方法に関し、特に、燃料電池スタックの電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを有する燃料電池システムに対する燃料電池診断装置及び燃料電池診断方法に関する。

従来から、燃料電池の内部抵抗装置として、分散型電力供給装置などの据置き型燃料電池システムのセルモジュール毎又はセル毎に交流インピーダンス測定装置を設け、特定周波数の交流を印加した時の交流インピーダンス（内部抵抗）を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３６７６５０号公報

しかしながら、上記の従来技術は、据置き型燃料電池システムへの適用を前提としたものであり、車両用のような省スペース型の燃料電池システムへの適用を考慮したものではない。したがって、省スペース型の燃料電池システムに対して特許文献１の技術を適用した場合、セルモジュール毎又はセル毎に内部抵抗測定装置を設けることになり、システム全体を小型化する必要があるにも関わらず、システムが大型化してしまい、レイアウト的に非常に不利である。

本発明の第１の特徴は、複数のセル等を備える燃料電池スタックの電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを有する燃料電池システムに対する燃料電池診断装置であって、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して燃料電池スタックに所定の周波数の交流を印加する手段と、所定の周波数の交流を印加した時のセル等毎の電圧変化を測定してセル等毎の内部抵抗を測定する手段と、内部抵抗及びそれにリアクタンスからセル等毎の異常を検知する手段とを有することを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、複数のセル等を備える燃料電池スタックの電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを有する燃料電池システムに対する燃料電池診断方法であって、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して燃料電池スタックに所定の周波数の交流を印加する段階と、所定の周波数の交流を印加した時のセル等毎の電圧変化を測定してセル等毎の内部抵抗を測定する段階と、内部抵抗及びそれに含まれるリアクタンスからセル等毎の異常を検知する段階とを有する燃料電池診断方法であることを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池システム全体の小型化が可能な燃料電池診断装置及び燃料電池診断方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池診断装置は、複数のセル又はセルモジュールを備える燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧する電流制御器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２とを少なくとも有する車両用燃料電池システムに対して適用される。ＤＣ／ＣＤコンバータ２は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧し、補助電源（高電圧バッテリ）８等への供給電圧を調節する。

燃料電池診断装置は、このような車両用燃料電池システムが有するＤＣ／ＤＣコンバータ２を使用して燃料電池スタック１に所定の周波数で交流を印加し、その時のセル毎又はセルモジュール毎に生じる電圧変化を測定して内部抵抗を測定し、得られた内部抵抗（交流インピーダンス）及びリアクタンスから燃料電池スタック１の異常を検知する。

具体的には、燃料電池診断装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を使用して燃料電池スタック１に所定の周波数の交流を印加する交流印加手段と、所定の周波数の交流を印加した時のセル毎またはセルモジュール毎の電圧変化を測定してセル毎またはセルモジュール毎の内部抵抗を測定するセル電圧検出手段３（以後、「セル電圧検出装置」という）と、内部抵抗及び内部抵抗に含まれるリアクタンスからセル毎またはセルモジュール毎の異常を検知する異常検知手段とを有する。ここで、「異常検知手段」は、後述する電子制御装置（ＥＣＵ）４の一部分を成している。また、車両用燃料電池システムが備えるＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池診断装置の「交流印加手段」として燃料電池スタック１に所定の周波数の交流を印加する。

燃料電池スタック１は、アノード極に供給される燃料ガスとカソード極に供給される酸化剤ガスを反応させて電力を発生させる燃料電池セル（以後、「セル」という）又はセルモジュールを積層してなる。燃料電池スタック１へ供給される酸化剤ガス（空気）は、フィルタによりゴミやオイルミスト等の不純物が取り去れた後、エアーコンプレッサ１４により所望の圧力まで昇圧される。そして、エアーコンプレッサ１４の下流で冷却器１５により燃料電池スタック１の運転適正温度まで冷却される。その後、酸化剤ガスは、冷却器１５の下流でカソード加湿器１６により加湿されて、燃料電池スタック１のカソード極へ供給される。カソード加湿器１６と燃料電池スタック１間の酸化剤ガスの圧力は圧力センサ１７により測定される。なお、エアーコンプレッサ１４は、所定のモータ１８の動作により酸化剤ガスを昇圧する。

燃料電池スタック１へ供給される燃料ガス（水素ガス）は、水素タンク９から供給され、熱交換器１０で所定の温度へ調整され、エゼクタ１１により燃料電池スタック１から排出された燃料ガスと混合される。その後、燃料ガスは、アノード加湿器７により加湿されて、燃料電池スタック１のアノード極へ供給される。燃料電池スタック１から排出された燃料ガスは、背圧制御弁により所定の圧力に調整され、エゼクタ１１又は装置外部へ導かれる。酸素センサ１３は、装置外部へ排出される燃料ガス内の酸素濃度を検出する。

燃料電池スタック１には、温度センサ２１、セル電圧検出装置３、貯留タンク１２及びＤＣ／ＤＣコンバータ２が接続されている。温度センサ２１は、燃料電池スタック１内の温度を測定する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は補助電源８に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２、補助電源８、大気圧センサ２０、背圧制御弁６、圧力センサ１７、セル電圧検出装置３及び出力制御器１９は、それぞれ電子制御装置（ＥＣＵ）４に接続され、ＥＣＵ４は、各構成要素の動作を制御している。ＥＣＵ４の一部分は、上述した「異常検知手段」をなしている。燃料電池スタック１は、ＥＣＵ４の制御の元、車両に搭載された主負荷の一例としての駆動用モータ５へ電力を供給する。

図２は、図１の燃料電池システムのうち燃料電池診断装置にかかわる部分を示す。燃料電池スタック１はｎ個のセル又はセルモジュールＣ１〜Ｃｎを備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧し、補助電源（高電圧バッテリ）８への供給電圧を調節する。補助電源８は、直列に接続された複数の電源からなる。実施の形態においてＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池スタック１に所定の周波数の交流を印加する。そして、セル電圧検出装置３は、その時のセル毎又はセルモジュール毎に生じる電圧変化を測定して内部抵抗を測定する。具体的には、次に示すように、燃料電池スタック１へ印加する交流の周波数を変化させ、その時のセル毎又はセルモジュール毎に生じる応答電流と応答電圧の変化から内部抵抗（交流インピーダンス）を求める。

一般的に、燃料電池スタック１を含む燃料電池に交流電流または交流電圧を印加した際の燃料電池スタック１の応答電圧Ｅ、応答電流Ｉ、インピーダンスＺはそれぞれ（１）式〜（３）式で表せる。

Ｅ＝Ｅ₀ expｊ(ωｔ＋Φ) ・・・（１）
Ｉ＝Ｉ₀ expｊωｔ ・・・（２）
Ｚ＝Ｅ／Ｉ＝(Ｅ₀／Ｉ₀) expｊΦ ・・・（３）

ここで、ωは角周波数[Ｈｚ]を示し（ω＝２πν）、Φは初期位相を示す。また（３）式は、Ｒ、Ｌ、Ｃ直列回路におけるインピーダンスＺとして（４）式で示される。

Ｚ＝Ｒ＋ｊχ ・・・（４）

ここで、Ｚはインピーダンス[Ω]を示し、Ｒは抵抗[Ω]（実数部分）を示し、χはリアクタンス（虚数部分）を示し、χ＝(ωＬ−１／ωＣ)である。Ｌは、インダクタンス成分[Ｈ]を示し、インダクタンス成分Ｌが存在すると応答電流Ｉと応答電圧Ｅの位相差が生じる。したがって、周波数の変化により応答電流Ｉと応答電圧Ｅの位相にずれが生じ、リアクタンス成分χが変化する。応答電流Ｉと応答電圧Ｅの位相差がない時、リアクタンス成分χが０となる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、内部抵抗を測定している時に、印加する交流の周波数を複数の特定周波数帯で定期的に切り替える。例えば、図３（ａ）に示すように、燃料電池スタック１へ、周波数が１０ｋＨｚの交流電圧又は交流電流を印加する。この時、応答電流Ｉ及び応答電圧Ｅに位相差はない。その後、図３（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１へ印加する交流電圧又は交流電流の周波数を、例えば、１Ｈｚに変更する。この時、応答電流Ｉに位相差はないが、応答電圧Ｅには位相差（位相遅れ）が生じる。

ある特定周波数帯において内部抵抗（交流インピーダンス）が所定の許容範囲から外れた場合、故障が発生したものとして、そのセル番号、故障が発生した周波数帯を検知する。「所定の許容範囲」は、実験的に求めても理論的に求めても構わない。

図４に示すように、燃料電池スタック１を構成するｋ番目のセルＣｋの等価回路は、並列に接続された容量成分Ｃ_D及びセルの導体部分の抵抗成分Ｚctkと、これに直列に接続された抵抗成分ＺΩkとを有する。ｋは１〜ｎの任意の自然数を示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２が切り替える交流の周波数は、図５に示すような特定周波数帯に属することが望ましい。即ち、交流の周波数は、５〜１０ｋＨｚ、２０〜４０Ｈｚ、０．０１〜１Ｈｚの各周波数帯に属する任意の周波数であることが望ましい。５〜１０ｋＨｚの周波数帯においては、セルの導体部分の抵抗成分ＺΩkを測定できる。２０〜４０Ｈｚの周波数帯においては、電気化学的反応に伴う抵抗成分Ｚctkを測定できる。０．０１〜１Ｈｚの周波数帯においては、拡散抵抗物質の移動に伴う抵抗成分Ｚ_Dkを測定できる。抵抗成分ＺΩkが増加した場合、燃料電池スタック１が備える電解質膜又はバスバ電極などの故障が推定される。抵抗成分Ｚctkが増加した場合、燃料電池スタック１が備えるアノード電極又はカソード電極或いは触媒等の電極反応促進材の故障が推定される。抵抗成分Ｚ_Dkが増加した場合、燃料電池スタック１の導入部分の故障が推定される。抵抗成分Ｚ_Dは、図１の背圧制御弁６の操作により生成水を排水する操作（パージ）により改善可能であり、抵抗成分Ｚ_Dの故障を検知した場合、パージするなどの解決策が必要である。

図６を参照して、図１の燃料電池システム及び燃料電池診断装置の動作を説明する。

（イ）Ｓ０１段階において、イグニッションスイッチをオン状態とする。Ｓ０２段階において、燃料電池スタック１が発電を開始する。Ｓ０３段階においてＥＣＵ４は、空気流量ＱＮが所定の基準値ＱＮ１と実質的に同じであることを確認する。

（ロ）その後、Ｓ０４段階において、燃料電池スタック１の温度Ｔが所定の基準範囲（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）であるか否かを確認する。Ｓ０５段階において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を交流インピーダンス測定モードに切り替える。即ち、上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を、燃料電池スタック１に所定の周波数の交流を印加し、また印加する交流の周波数を複数の特定周波数帯で定期的に切り替えることができる動作モードに切り替える。

（ハ）Ｓ０６段階において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池スタック１へ、周波数が１０ｋＨｚの交流電圧又は交流電流を印加し、セル電圧検出装置３は、応答電流Ｉ及び応答電圧Ｅを測定し、交流インピーダンスを測定する。Ｓ０７段階において、セル電圧検出装置３は、セル毎のインピーダンスＺΩ1、・・・、ＺΩnを算出する。

（ニ）Ｓ０８段階において、ＥＣＵ４は、ＺΩ1、・・・、ＺΩnのそれぞれが異常検出値ＺΩ0よりも小さいか否か判断する。Ｓ０９段階において、異常検出値ＺΩ0以上である抵抗成分ＺΩkは、対応するセルの電解質膜に異常があると判定され、セル番号ｋが検出される。

（ホ）Ｓ１０段階において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池スタック１へ、周波数が２０Ｈｚの交流電圧又は交流電流を印加し、セル電圧検出装置３は、応答電流Ｉ及び応答電圧Ｅを測定し、交流インピーダンスを測定する。Ｓ１１段階において、セル電圧検出装置３は、セル毎のインピーダンスＺct1、・・・、Ｚctnを算出する。

（ヘ）Ｓ１２段階において、ＥＣＵ４は、Ｚct1、・・・、Ｚctnのそれぞれが異常検出値Ｚct0よりも小さいか否か判断する。Ｓ１３段階において、異常検出値Ｚct0以上である抵抗成分Ｚctkは、対応するセルのアノード電極又はカソード電極に異常があると判定され、セル番号ｋが検出される。

（ト）Ｓ１４段階において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池スタック１へ、周波数が１Ｈｚの交流電圧又は交流電流を印加し、セル電圧検出装置３は、応答電流Ｉ及び応答電圧Ｅを測定し、交流インピーダンスを測定する。Ｓ１５段階において、セル電圧検出装置３は、セル毎のインピーダンスＺ_D1、・・・、Ｚ_Dnを算出する。

（チ）Ｓ１６段階において、ＥＣＵ４は、Ｚ_D1、・・・、Ｚ_Dnのそれぞれが異常検出値Ｚ_D0よりも小さいか否か判断する。Ｓ１７段階において、異常検出値Ｚ_D0以上である抵抗成分Ｚ_Dkは、対応するセルのアノード電極又はカソード電極に異常があると判定され、セル番号ｋが検出される。

（リ）Ｓ１８段階において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を交流インピーダンス測定モードとは異なる通常制御モードに切り替えて、燃料電池診断装置の動作は終了する。

以上説明したように、車両用燃料電池システムが備えるＤＣ／ＤＣコンバータ２を使用して、燃料電池スタック１に所定の周波数で交流を重畳し、その時のセル毎、またはセルモジュール毎に電圧変化を測定して内部抵抗を測定し、得られたインピーダンス及びリアクタンスから燃料電池の異常検知を行う。これにより、セル毎またはセルモジュール毎に、別途、交流インピーダンス（内部抵抗）測定装置を設ける必要がなくなり、システム全体を小型化することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、内部抵抗測定時に、幾つかの特定周波数帯に属する任意の周波数で定期的にスイッチング周波数を変更することにより、幾つかの特定周波数帯で内部抵抗を測定することにより、抵抗増加の要因を推定することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、セル電圧検出装置３は、車両用燃料電池システムを搭載する車両のイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）がオンされた後から燃料電池スタック１が車両に搭載された主負荷（駆動用モータ５など）へ電力を供給し始める状態（Ｒｅａｄｙ状態）までの間、又はイグニッションスイッチがオフされた後から燃料電池スタック１が発電を停止するまでの間に、内部抵抗を測定することが望ましい。燃料電池スタック１は、走行時においてＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して駆動用モータ５などの主負荷へ電力を供給する。そのため、内部抵抗測定時の電流を任意に変化させることができないからである。

また、イグニッションスイッチがオンされた後の内部抵抗測定による診断結果に基づいて、燃料電池スタック１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量、燃料電池スタック１内での燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御する背圧制御弁の開度、及び燃料電池スタックが備える電解質膜を加湿する加湿水の水圧が補正されることが望ましい。即ち、ＩＧＮオン時の交流インピーダンス測定による診断結果に基づいて、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給流量、燃料ガスの燃料電池スタック１内の圧力を制御する背圧制御弁６、及び電解質膜の湿潤に用いる水圧などを補正する。これにより、アノード電極、カソード電極や電解質膜の劣化による燃料電池性能の低下を抑制することができる。

更に、セル電圧検出装置３は、燃料電池スタック１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量が所定流量と実質的に一致した時に、内部抵抗を測定する。即ち、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量がそれぞれ所定流量と略一致した時に交流を測定する。これにより、燃料電池スタック１の発電状態を制御し、異常判断基準値との比較が可能となり、その精度を向上させることができる。

更に、セル電圧検出装置３は、燃料電池スタック１の温度が所定範囲内にある時に、内部抵抗を測定する。即ち、燃料電池スタック１の温度が所定範囲にある時に内部抵抗を測定する。これにより、燃料電池スタック１の発電状態を制御し、異常判断基準値との比較が可能となり、その精度を向上させる。

更に、本発明に係わる燃料電池診断装置及び方法は、車両用の燃料電池システムに限らず、その他の省スペース型の燃料電池システムに適用することができ、顕著な効果を奏する。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその燃料電池診断装置を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムのうち燃料電池診断装置にかかわる部分を示すブロック図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、燃料電池スタック１へ交流を印加した時のセル毎又はセルモジュール毎に生じる応答電流と応答電圧の例を示すグラフである。 燃料電池スタックを構成するセルの等価回路を示す回路図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータが切り替える交流の周波数が属する特定周波数帯の例を示す表である。 図１の燃料電池システム及び燃料電池診断装置の動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３…セル電圧検出手段（セル電圧検出装置）
４…ＥＣＵ（電子制御装置）
５…駆動用モータ
６…背圧制御弁
７…アノード加湿器
８…補助電源
９…水素タンク
１０…熱交換器
１１…エゼクタ
１２…貯留タンク
１３…酸素センサ
１４…エアーコンプレッサ
１５…冷却器
１６…カソード加湿器
１７…圧力センサ
１８…モータ
１９…出力制御器
２０…大気圧センサ
２１…温度センサ
χ…リアクタンス成分
Ｃ_D…容量成分
Ｃ１〜Ｃｎ…セル又はセルモジュール
Ｅ…応答電圧
Ｉ…応答電流
Ｌ…インダクタンス成分
Ｔ…温度
Ｚ_Dk、Ｚctk、ＺΩk…抵抗成分
Ｚ…インピーダンス
ｋ…セル番号

Claims (7)

1. 複数のセル又はセルモジュールを備える燃料電池スタックの電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを有する燃料電池システムに対する燃料電池診断装置であって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して前記燃料電池スタックに所定の周波数の交流を印加する交流印加手段と、
   前記所定の周波数の交流を印加した時のセル毎またはセルモジュール毎の電圧変化を測定して前記セル毎またはセルモジュール毎の内部抵抗を測定するセル電圧検出手段と、
   前記内部抵抗及び前記内部抵抗に含まれるリアクタンスから前記セル毎またはセルモジュール毎の異常を検知する異常検知手段
   とを有することを特徴とする燃料電池診断装置。
2. 前記内部抵抗を測定している時に、前記交流印加手段は、印加する交流の周波数を複数の特定周波数帯で切り替えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池診断装置。
3. 前記セル電圧検出手段は、前記車両用燃料電池システムを搭載する車両のイグニッションスイッチがオンされた後から前記燃料電池スタックが前記車両に搭載された主負荷へ電力を供給し始めるまでの間、又は前記イグニッションスイッチがオフされた後から前記燃料電池スタックが発電を停止するまでの間に、前記内部抵抗を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池診断装置。
4. 前記イグニッションスイッチがオンされた後の内部抵抗測定による診断結果に基づいて、前記燃料電池スタックへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量、前記燃料電池スタック内での前記燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御する背圧制御弁の開度、及び前記燃料電池スタックが備える電解質膜を加湿する加湿水の水圧が補正されることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の燃料電池診断装置。
5. 前記セル電圧検出手段は、前記燃料電池スタックへの前記燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量が所定流量と実質的に一致した時に、前記内部抵抗を測定することを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池診断装置。
6. 前記セル電圧検出手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定範囲内にある時に、前記内部抵抗を測定することを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の燃料電池診断装置。
7. 複数のセル又はセルモジュールを備える燃料電池スタックの電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを有する燃料電池システムに対する燃料電池診断方法であって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して前記燃料電池スタックに所定の周波数の交流を印加し、
   前記所定の周波数の交流を印加した時のセル毎またはセルモジュール毎の電圧変化を測定して前記セル毎またはセルモジュール毎の内部抵抗を測定し、
   前記内部抵抗及び前記内部抵抗に含まれるリアクタンスから前記セル毎またはセルモジュール毎の異常を検知する
   ことを特徴とする燃料電池診断方法。

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