JP5779952B2

JP5779952B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5779952B2
Application number: JP2011089209A
Authority: JP
Inventors: 信也坂口; 伊豆原　英嗣; 英嗣伊豆原; 末松　啓吾; 啓吾末松
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: JP2012221878A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。

従来、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して燃料電池に所定の周波数の交流を印加し、当該交流を印加した時のセル毎の電圧変化を測定してセル毎の内部抵抗を測定し、その内部抵抗とリアクタンスからセル毎の異常を検知する燃料電池診断装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３３２７０２号公報

ところで、燃料電池のＩＶ特性はリニア（直線的）ではないため、上記特許文献１に記載の燃料電池診断装置において、同じ電圧値の交流信号を印加したとしても、低負荷では電流振幅が小さくなり、高負荷では電流振幅が大きくなる。このため、燃料電池において必要のない電力まで発電してしまい、効率低下や電力制御の煩雑化を招いている。

また、燃料電池の局所の電流を測定する場合には、上記特許文献１に記載の燃料電池診断装置ではスタック全体で電流振幅が変化するため、測定したい局所の電流値が小さくなりすぎて測定できない虞がある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の負荷にかかわらず、確実に燃料電池の内部抵抗を測定可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料電池（１）に所定の周波数の交流信号を印加する交流信号印加手段（３）と、セル（１０）の面内の局所部位を流れる出力電流を検出する電流検出手段（５１）と、燃料電池（１）の出力電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、交流信号印加手段（３）にて交流信号を印加したときに検出された交流の出力電流および出力電圧に基づいて内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段（５３）と、出力電流と出力電圧との関係を示す電流・電圧特性における、検出された出力電流および出力電圧の動作点での傾きが大きくなるに伴って、交流信号印加手段（３）にて印加する交流信号の振幅電圧を大きくするように、交流信号印加手段（３）にて印加する交流信号の振幅電圧を決定する振幅電圧決定手段（６００）とを備えることを特徴としている。

このように、電流・電圧特性（ＩＶ特性）における、検出された出力電流および出力電圧の動作点での傾きが大きくなるに伴って、交流信号印加手段（３）にて印加する交流信号の振幅電圧を大きくすることで、交流信号印加手段（３）にて交流信号を印加した際の出力電流の電流振幅を一定にすることができる。このため、燃料電池（１）の負荷にかかわらず、確実に燃料電池（１）の内部抵抗を測定することが可能となる。

また、請求項１に記載の発明では、電流検出手段（５１）は、セル（１０）の面内の局所部位を流れる電流を検出することを特徴としている。

これによれば、燃料電池（１）における内部抵抗を算出したい局所部位の電流・電圧特性に基づいて交流信号印加手段（３）にて印加する交流信号の振幅電圧を決定することができる。このため、交流信号印加手段（３）にて交流信号を印加した際に、内部抵抗を算出したい部位の電流振幅を一定にすることができるので、より確実に燃料電池（１）の内部抵抗を測定することが可能となる。

また、請求項１に記載の発明では、振幅電圧決定手段（６００）は、交流信号印加手段（３）にて印加する交流信号の電流振幅が予め設定された所定範囲の値となるように、交流信号の振幅電圧を決定し、所定範囲は、燃料電池（１）の局所部位の面積が大きくなるに伴って交流信号印加手段（３）にて印加する交流信号の電流振幅が小さくなるように設定されていることを特徴としている。

これによれば、電流振幅を必要最小限にすることができ、余分な電力の出し入れがなくなるため、システムを効率よく作動させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、交流信号印加手段（３）は、燃料電池（１）に複数の周波数の交流信号を同時に印加することを特徴としている。

これによれば、燃料電池（１）の電解質膜の乾燥や電気化学反応に必要な酸化剤ガス不足、燃料ガス不足を同時に測定することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、交流信号印加手段（３）は、燃料電池（１）に１つの周波数の交流信号を印加してもよい。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、電圧検出手段（５２）は、燃料電池（１）、１つのセル（１０）毎、複数のセル（１０）毎、または燃料電池（１）の局所部位の電圧を検出してもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。セル１０の模式図である。インピーダンス測定装置５０の模式図である。制御装置６０にて実行される燃料電池１の内部水分量制御処理を示すフローチャートである。燃料電池１のＩＶ特性を示す特性図である。セル１０の内部水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。セル１０の等価回路を示す回路図である。図７の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合のセル１０のインピーダンスを複素平面上に表示した特性図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図８に基づいて説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図であり、図２は、本実施形態のセル１０の模式図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。

まず、燃料電池システムは、図１に示すように、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、図示しない車両走行用電動モータ等の各種電気負荷２０１や二次電池２０２に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。

より具体的には、燃料電池１は、基本単位となる電池セル１０（以下、単にセル１０と記載する）が複数個、電気的に直列に接続されて構成されたものである。換言すれば、燃料電池１は、複数のセル１０が積層配置されて構成されている。

図２に示すように、各セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１０１ａの両側面に一対の電極１０１ｂ、１０１ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１０１と、この膜電極接合体１０１を狭持する一対のセパレータ１０２、１０３で構成されている。

一対のセパレータ１０２、１０３は、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、アノード電極１０１ｂと対向する面に水素が流れる水素流路（図示略）が形成され、カソード電極１０１ｃと対向する面に空気が流れる空気流路（図示略）が形成されている。

各セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。

（負極側：アノード電極）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側：カソード電極）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１と二次電池２０２とは、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ３は、燃料電池１から二次電池２０２、あるいは二次電池２０２から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。

また、各セル１０のうち、交流インピーダンスの測定対象となるセル１０には、インピーダンス測定装置５０が接続されている。このインピーダンス測定装置５０については後述する。

燃料電池１のカソード電極１０１ｃ側には、酸化剤ガスである空気（酸素）を燃料電池１に供給するための空気供給配管２０、並びに、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外気へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。

空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する酸化剤ガス側のガス供給手段が構成される。

燃料電池１のアノード電極１０１ｂ側には、燃料ガスである水素を燃料電池１に供給するための水素供給配管３０、アノード側に溜まった生成水を微量な水素とともに燃料電池１から外気へ排出するための水素排出配管３１が接続されている。

水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所定の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。

水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１０１ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１０１ｂ側には、カソード電極１０１ｃ側から各セル１０の電解質膜１０１ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。

ところで、燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１には、燃料電池１を冷却するための冷却水回路４０が接続されている。この冷却水回路４０には、燃料電池１に冷却水（熱媒体）を循環させるウォータポンプ４１、電動ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。

さらに、冷却水回路４０には、冷却水を、ラジエータ４３を迂回するように流すバイパス流路４４が設けられている。冷却水回路４０とバイパス流路４４との合流点には、バイパス流路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。この流路切替弁４５の弁開度が調整されることによって、冷却水回路４０の冷却能力が調整される。

また、冷却水回路４０の燃料電池１の出口側付近には、燃料電池１から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１の温度を間接的に検出することができる。なお、この温度センサ４６の検出信号は、後述する制御装置６０に入力される。

燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）６０が設けられている。この制御装置６０は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

具体的には、制御装置６０の入力側には、温度センサ４６の検出信号等以外に、車室内に設けられた車両起動スイッチ６０ａの操作信号等が入力される。なお、車両起動スイッチ６０ａは、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。

一方、出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の各種電気式アクチュエータ等が接続されている。

次に、本実施形態のインピーダンス測定装置５０について図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態のインピーダンス測定装置５０の模式図である。本実施形態のインピーダンス測定装置５０は、図３に示すように、電流測定装置５１、電圧センサ５２、上述のＤＣ−ＤＣコンバータ３、信号処理回路５３、上述の制御装置６０を備えて構成されている。

電流測定装置５１は、セル面内の局所電流を検出する局所電流測定装置であって、インピーダンスを測定するセル１０における局所部位（本実施形態では、空気出口部付近）から出力される出力電流を検出する電流検出手段を構成している。

本実施形態の電流測定装置５１は、測定対象となるセル１０に隣接して配置された板状部材を備え、当該セル１０を流れる局所電流を検出可能に構成されている。電流測定装置５１としては、例えば、板状部材におけるセル１０における測定対象部位に対応する局所部位に溝部を形成し、当該溝部に電流センサを配置して構成することができる。なお、電流センサは、シャント抵抗、ホールＩＣ等を利用した周知のセンサを用いることができる。

電圧センサ５２は、セル１０から出力される出力電圧（本実施形態では、空気出口部付近の一対の電極１０１ｂ、１０１ｃ間の電位差）を検出する電圧検出手段である。

電流測定装置５１および電圧センサ５２それぞれは、信号処理回路５３に接続されており、電流測定装置５１および電圧センサ５２の各検出信号が信号処理回路５３に出力されるように構成されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、上述のように、二次電池２０２および燃料電池１の双方向に電力を伝達可能なものであり、本実施形態では、燃料電池１に所定の周波数の交流を印加する交流信号印加手段を構成している。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、燃料電池１に複数の周波数の交流信号を同時に印加するように構成されていてもよいし、燃料電池１に１つの周波数の交流信号を印加するように構成されていてもよい。

信号処理回路５３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて任意の周波数の交流が印加された際の電流測定装置５１および電圧センサ５２から出力される各検出信号に基づいて、セル１０の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段（内部抵抗算出手段）を構成している。また、信号処理回路５３は、制御装置６０に接続されており、信号処理回路５３にて算出した内部インピーダンスの算出結果が制御装置６０に出力されるように構成されている。

制御装置６０は、上述のように、各種入力信号に基づいて各種演算処理を実行するもので、本実施形態では、内部インピーダンスに基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて印加する交流信号の振幅電圧を決定する決定処理を行う。ここで、制御装置６０におけるＤＣ−ＤＣコンバータ３にて印加する交流信号の振幅電圧を決定する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を振幅電圧決定手段６００とする。

次に、本実施形態の制御装置６０が実行する燃料電池１の内部水分量制御処理について図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態の制御装置６０にて実行される燃料電池１の内部水分量制御処理を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１では、セル１０の局所電流およびセル１０から出力される出力電圧に基づいて現在の動作点を計測する。続いて、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で計測した動作点が予め定めた許容範囲内であるか否かを判定する。

ステップＳ１２にて動作点が許容範囲外であると判定された場合は、燃料電池システムに異常が発生している可能性があるため、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１２にて動作点が許容範囲内であると判定された場合は、燃料電池システムに異常が発生していないとして、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、予め調査しておいたセル１０のＩＶ特性のマップから、ステップＳ１１で計測した動作点におけるＩＶ特性の勾配を算出し、ステップＳ１４へ進む。なお、図５は燃料電池１のＩＶ特性を示す特性図である。

ステップＳ１４では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３によって予め定めた所定の電流が振幅として振れるように、上述したＩＶ特性のマップおよびステップＳ１３で算出したＩＶ特性の勾配に基づいて振幅電圧を算出する。具体的には、ＩＶ特性の勾配が大きくなるに伴って、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて印加する交流信号の振幅電圧を大きくする。

より具体的には、図５に示すように、現在の動作点がＡ点である場合、ＩＶ特性の勾配が大きいので、所定の電流Ｉ１を振幅として振るためには高い電圧（以下、第１電圧Ｖ１という）を印加する必要がある。一方、現在の動作点がＢ点である場合、Ａ点に比べてＩＶ特性の勾配が小さいので、所定の電流Ｉ１を振幅として振るためには、第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２を印加すればよい。

ここで、所定の電流Ｉ１は、電流測定装置５１で測定する燃料電池１の局所部位の面積に基づいて設定される。より詳細には、電流測定装置５１で測定する燃料電池１の局所部位の面積が大きくなるに伴って、所定の電流Ｉ１が小さくなるように設定される。ただし、燃料電池１の局所部位の電流値を正確に測定するために、電流測定装置５１で測定する局所部位１箇所当たり０．０２Ａ以上は必要となる。

続くステップＳ１５では、ステップＳ１４にて算出した振幅電圧の交流をＤＣ−ＤＣコンバータ３によって燃料電池１に印加し、ステップＳ１６へ進む。

ステップＳ１６では、ステップＳ１５にて燃料電池１に交流を印加している際に、電圧センサ５２で電圧値を測定するとともに、電流測定装置５１で電流値を測定し、電圧センサ５２で測定した電圧値の変化と電流測定装置５１で測定した電流値の変化からセル１０の交流インピーダンスを計算する。燃料電池１に交流を印加したときの交流インピーダンスはセル１０の内部抵抗にほぼ等しいため、セル１０の交流インピーダンスを燃料電池１の内部抵抗として扱うことができる。

図６は、セル１０の内部水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。図６に示すように、セル１０の内部水分量と内部抵抗とは相関関係がある。すなわち、セル１０内の水分が不足すると電解質膜の水分量が減少し、電解質膜の導電率が低下する。この結果、電解質膜の抵抗が増大することとなる。従って、電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合には電解質膜の水分量が不足していると判断することができる。また、水分が過剰になると電極の反応抵抗が増加する。このため、電極の反応抵抗が第２の所定抵抗値を超えている場合には、電解質膜の水分過剰と判断することができる。それら以外の場合には電解質膜の水分量が適正であると判断することができる。

ところで、セル１０の電圧降下は、（１）電気化学反応による反応抵抗、（２）セル１０の電解質膜抵抗によって生じる。従って、これらの中から交流インピーダンス法により反応抵抗と電解質膜抵抗を測定することで、燃料電池の水分量を検出することが可能となる。

次に、図７、図８に基づいて、交流インピーダンス法による反応抵抗と電解質膜抵抗の測定方法について説明する。

図７はセル１０の等価回路を示す回路図である。図７の等価回路におけるＲ１は電解質膜の抵抗に相当し、Ｒ２は反応抵抗に相当している。図７の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。

図８は、図７の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合のセル１０のインピーダンスを複素平面上に表示した特性図である。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスは、図８におけるＲ１となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図８に示すような半円を描く。

これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、セル１０の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。

続くステップＳ１７では、Ｓ１６にて算出されたインピーダンスに基づいて燃料電池１の内部水分量の制御を行い、ステップＳ１１へ戻る。具体的には、空気ポンプ２２による燃料電池１への空気供給量の調整や空気調圧弁２３による燃料電池１への空気供給圧力の調整を行うことで、燃料電池１内での水分蒸発量を調整して内部水分量を制御することができる。

本実施形態の燃料電池システムでは、制御ステップＳ１４にて説明したように、ＩＶ特性の勾配が大きくなるに伴って、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて印加する交流信号の振幅電圧を大きくしている。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて交流信号を印加した際の出力電流の電流振幅を一定にすることができるので、燃料電池１の負荷にかかわらず、確実に燃料電池１の内部抵抗を測定することが可能となる。

また、電流測定装置５１を、燃料電池１の局所部位を流れる電流を検出するように構成することで、燃料電池１における内部抵抗を算出したい局所部位のＩＶ特性に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ３にて印加する交流信号の振幅電圧を決定することができる。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ３にて交流信号を印加した際に、内部抵抗を算出したい部位の電流振幅を一定にすることができるので、より確実に燃料電池１の内部抵抗を測定することが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、電流測定装置５１を、インピーダンスを測定するセル１０における空気出口部付近から出力される出力電流を検出するように構成した例について説明したが、これに限らず、空気入口部付近または水素出口部付近から出力される出力電流を検出するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、電圧センサ５２を、セル１０における空気出口部付近の一対の電極１０１ｂ、１０１ｃ間の電位差を検出するように構成した例について説明したが、これに限らず、燃料電池１の出力電圧を検出するように構成してもよいし、１つのセル１０毎若しくは複数のセル１０からなるセルモジュール毎の電圧を検出するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、セル面内の局所電流を検出する電流測定装置５１を設けて、この電流測定装置５１により検出された局所電流値に基づいて燃料電池１の局所部位の交流インピーダンス（内部抵抗）を算出した例について説明したが、これに限らず、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサを設けて、この電流センサにより検出された電流値に基づいて燃料電池の交流インピーダンスを算出してもよい。

１燃料電池
３ＤＣ−ＤＣコンバータ（交流信号印加手段）
１０セル
５１電流測定装置（電流検出手段）
５２電圧センサ（電圧検出手段）
６００振幅電圧決定手段

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０）を有して構成された燃料電池（１）に適用される燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１）に所定の周波数の交流信号を印加する交流信号印加手段（３）と、
前記セル（１０）の面内の局所部位を流れる出力電流を検出する電流検出手段（５１）と、
前記燃料電池（１）の出力電圧を検出する電圧検出手段（５２）と、
前記交流信号印加手段（３）にて前記交流信号を印加したときに検出された交流の前記出力電流および前記出力電圧に基づいて内部抵抗を算出する内部抵抗算出手段（５３）と、
前記出力電流と前記出力電圧との関係を示す電流・電圧特性における、前記検出された前記出力電流および前記出力電圧の動作点での傾きが大きくなるに伴って、前記交流信号印加手段（３）にて印加する前記交流信号の振幅電圧を大きくするように、前記交流信号印加手段（３）にて印加する前記交流信号の振幅電圧を決定する振幅電圧決定手段（６００）とを備え、
前記振幅電圧決定手段（６００）は、前記交流信号印加手段（３）にて印加する前記交流信号の電流振幅が予め設定された所定範囲の値となるように、前記交流信号の振幅電圧を決定し、前記所定範囲は、前記局所部位の面積が大きくなるに伴って前記交流信号印加手段（３）にて印加する前記交流信号の電流振幅が小さくなるように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記交流信号印加手段（３）は、前記燃料電池（１）に複数の周波数の交流信号を同時に印加することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記交流信号印加手段（３）は、前記燃料電池（１）に１つの周波数の交流信号を印加することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記電圧検出手段（５２）は、前記燃料電池（１）、１つの前記セル（１０）毎、複数の前記セル（１０）毎、または前記燃料電池（１）の局所部位の電圧を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。