JP6504466B2 - 水素欠乏判断方法及び水素欠乏判断装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素欠乏判断方法及び水素欠乏判断装置に関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池が実用化されている。燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギを電気エネルギに直接変換する発電システムである。燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極（アノード電極及びカソード電極）によって挟持してなる膜・電極アセンブリを有しており、各電極は、電気化学反応を促進させる触媒層を有している。

このような燃料電池においては、発電中にアノード電極で水素が欠乏すると触媒が劣化するため、燃料電池内部の水素欠乏の有無を判断するための手段（手法）が必要となる。近年においては、燃料電池のインピーダンス円弧と燃料電池内部の水素濃度との相関関係を利用することにより、測定したインピーダンス円弧が相対的に大きいときに水素濃度を相対的に低く推定する水素濃度推定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１０／１２８５５５号パンフレット

ところで、燃料電池内部における水素欠乏に起因して負電位が発生した場合には、セル電圧（燃料電池を構成する複数のセル群の電圧）の変化量よりも低周波インピーダンスの変化量の方が大きいことが知られており、この関係を用いて燃料電池内部の水素欠乏の有無を監視する手法が検討されている。このような手法を採用すると、同時に監視するセルの枚数を増加させることはできるものの、計測レンジが大きくなることに起因した計測誤差（個体に依存するオフセット誤差）による影響も大きくなり、計測精度が低下するという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、計測精度を低下させることなく、同時に監視するセルの枚数を増加させることができる水素欠乏判断方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る方法は、複数のセル群を有する燃料電池の水素欠乏判断方法であって、燃料電池から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態におけるインピーダンスの値を基準値として記憶する基準値記憶工程と、セル群の電圧と燃料電池の電流とに基づいてインピーダンスを算出する算出工程と、前記算出工程で得た算出値を基準値に基づいて補正することによりインピーダンスの補正値を算出する補正値算出工程と、補正値が所定の閾値を超えた場合に水素欠乏が発生しているものと判定する判定工程と、を含むものである。

また、本発明に係る装置は、複数のセル群を有する燃料電池の水素欠乏判断装置であって、燃料電池から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態におけるインピーダンスの値を基準値として記憶する基準値記憶部と、セル群の電圧と燃料電池の電流とに基づいてインピーダンスを算出する算出部と、前記算出部で得た算出値を基準値に基づいて補正することによりインピーダンスの補正値を算出する補正値算出部と、補正値が所定の閾値を超えた場合に水素欠乏が発生しているものと判定する判定部と、を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、インピーダンスを用いて水素欠乏の有無を判断できるため、同時に監視するセルの枚数を増加させることができる。また、水素欠乏が発生しない状態（燃料電池から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態）におけるインピーダンスの値を基準値として記憶し、この基準値を用いてインピーダンスの算出値を補正した補正値と、所定の閾値と、を比較して水素欠乏が発生したか否かを判定することができる。このため、計測レンジが大きくなることに起因した計測誤差（個体に依存するオフセット誤差）を低減させることができる。従って、計測精度を低下させることなく、同時に監視するセルの枚数を増加させることが可能となる。

本発明に係る方法における補正値算出工程では、インピーダンスの名目値から基準値を減じた値を算出値に加算することにより補正値を算出することができる。

本発明に係る装置において、インピーダンスの名目値から基準値を減じた値を算出値に加算することにより補正値を算出する補正値算出部を採用することができる。

本発明によれば、計測精度を低下させることなく、同時に監視するセルの枚数を増加させることができる水素欠乏判断方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラの機能的構成を説明するためのブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの水素欠乏判断方法を説明するためのフローチャートである。

以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。燃料電池システム１０は、例えば移動体としての燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０と、を備えている。

燃料電池２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２０では、アノード電極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂ → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池２０を構成するセルは、高分子電解質膜と、アノード電極と、カソード電極と、セパレータと、から構成されている。アノード電極及びカソード電極は、高分子電解質膜を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成している。セパレータは、ガス不透過の導電性部材から構成され、アノード電極及びカソード電極を両側から挟みつつ、アノード電極及びカソード電極との間に各々燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成している。

アノード電極及びカソード電極は、各々、触媒層と、ガス拡散層と、を有している。触媒層は、触媒として機能する例えば白金系の貴金属粒子を担持した触媒担持カーボンと、高分子電解質と、を有している。貴金属粒子の白金系の材料として、例えば金属触媒（Ｐｔ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕ等）を用いることができる。触媒担持カーボンとしては、例えばカーボンブラックを用いることができる。高分子電解質としては、プロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いることができる。ガス拡散層は、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持ち、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー又はカーボンフェルトにより形成されている。

高分子電解質膜は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜、アノード電極及びカソード電極によって膜−電極アセンブリが形成されている。

図１に示すように、燃料電池２０には、燃料電池２０を構成する複数のセル群の電圧を検出するための電圧センサ７１と、燃料電池２０の電流を検出するための電流センサ７２と、が取り付けられている。電圧センサ７１及び電流センサ７２で検出された電圧及び電流は、後述するインピーダンスの算出に用いられる。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード電極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３３と、燃料電池２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４と、を有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１と、が設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池２０からの酸化オフガスの排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、が設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０のアノード電極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に還流させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６と、を有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２０に供給される。

循環通路４４には、排気排水通路４６が分岐接続されており、排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ３が配設されている。排気排水弁Ｈ３は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するものである。

排気排水弁Ｈ３を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、図示していない希釈器によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、バッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、補機類５５と、を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池２０が発電した直流電力又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能と、を有する。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファ、等として機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ５３は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータや、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ３２、インジェクタ４２、循環ポンプ４５、ラジエータ、冷却水循環ポンプ等）を総称するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや車速センサから出力される車速信号ＶＣ等に基づいて、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

補機電力には、車載補機類（エアコンプレッサ３２、循環ポンプ４５、冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。

コントローラ６０は、燃料電池２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池２０の運転動作点（出力電圧、出力電流）を制御する。

燃料電池システム１０の運転時には、燃料電池２０において、上述の（１）式に示すように、アノード電極で生成された水素イオンが電解質膜を透過してカソード電極に移動し、カソード電極に移動した水素イオンは、上述の（２）式に示すように、カソード電極に供給されている酸化ガス中の酸素と電気化学反応を起こし、酸素の還元反応を生じさせ、水を生成する。

また、コントローラ６０は、燃料電池２０の水素欠乏を判断するように機能する。すなわち、コントローラ６０は、本発明における水素欠乏判断装置に相当するものである。図２は、水素欠乏判断装置として機能するコントローラ６０の構成を説明するためのブロック図である。

コントローラ６０は、燃料電池２０から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態（水素欠乏が発生しない基準状態）におけるインピーダンスの値を基準値αとして記憶する基準値記憶部６１を有している。コントローラ６０は、燃料ガス供給系４０に設けられた各種弁を制御することにより、水素欠乏が発生しない基準状態を作り出す。すなわち、コントローラ６０は、排気排水弁Ｈ３を制御することにより、排気排水通路４６及び循環通路４４を介して燃料電池２０から水素オフガスや水分を排出するとともに、遮断弁Ｈ１、レギュレータＨ２及びインジェクタ４２を制御することにより、燃料ガス通路４３を介して燃料電池２０に水素ガスを供給し、かつ、エアコンプレッサ３２を制御することにより、酸化ガス通路３３を介して燃料電池２０に酸化ガスを供給する。そして、コントローラ６０は、この基準状態において電圧センサ７１及び電流センサ７２で検出された電圧及び電流に基づいて燃料電池２０のインピーダンスを算出し、この算出した値を基準値αとして記憶するようにする。基準値記憶部６１としては、ＥＥＰＲＯＭ等を採用することができる。

また、コントローラ６０は、燃料電池システム１０の通常運転時において、燃料電池２０を構成する複数のセル群の電圧と、燃料電池２０の電流と、に基づいてインピーダンスの算出値βを算出する算出部６２を有している。燃料電池システム１０の通常運転時においては、燃料ガス供給源４１から燃料ガスが燃料ガス通路４３を介して燃料電池２０のアノード電極に供給されるとともに、酸化ガスが酸化ガス通路３３を介して燃料電池２０のカソード電極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池２０から引き出すべき電力（要求電力）がコントローラ６０で演算され、その発電量に応じた量の燃料ガス及び酸化ガスが燃料電池２０内に供給される。コントローラ６０は、この通常運転時において電圧センサ７１及び電流センサ７２で検出された電圧及び電流に基づいて、燃料電池２０のインピーダンス（算出値β）を算出するようにする。

また、コントローラ６０は、通常運転において算出したインピーダンスの算出値βを、基準状態において算出したインピーダンスの基準値αに基づいて補正することにより、インピーダンスの補正値γを算出する補正値算出部６３を有している。本実施形態における補正値算出部６３は、インピーダンスの名目値α₀から基準値αを減じた値を算出値βに加算することにより、補正値γを算出するようにしている。すなわち、補正値γは、式「γ＝β＋（α₀−α）」により算出される。なお、名目値α₀は、設計上想定される水素が欠乏していない状態におけるインピーダンスの値である。例えばこのとき、電流１Ａ／ｃｍ²、電圧０．８Ｖである。これに対し、基準値αは、基準状態を実際に作り出した場合における燃料電池２０のインピーダンスの値であり、このときの出力電圧は必ずしも一定ではない（例えば０．８〜１．２Ｖ）。

また、コントローラ６０は、インピーダンスの補正値γが所定の閾値を超えた場合に水素欠乏が発生しているものと判定する判定部６４を有している。ここで使用される閾値は、燃料電池２０の保護要件に応じて適宜設定することができる。

次に、図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の水素欠乏判断方法について説明する。

まず、燃料電池システム１０のコントローラ６０は、燃料電池２０から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態（基準状態）におけるインピーダンスの値を基準値αとして記憶する（基準値記憶工程：Ｓ１）。次いで、コントローラ６０は、燃料電池システム１０の通常運転時において、燃料電池２０を構成する複数のセル群の電圧と、燃料電池２０の電流と、に基づいてインピーダンスの算出値βを算出する（算出工程：Ｓ２）。

次いで、コントローラ６０は、算出工程Ｓ２で算出した算出値βを、基準値記憶工程Ｓ１で記憶した基準値αに基づいて補正することにより、インピーダンスの補正値γを算出する（補正値算出工程：Ｓ３）。この際、コントローラ６０は、既に述べた算出式「γ＝β＋（α₀−α）」を用いてインピーダンスの補正値γを算出する。続いて、コントローラ６０は、補正値算出工程Ｓ３で算出した補正値γを所定の閾値と比較し（比較工程：Ｓ４）、補正値γが閾値を超えた場合に水素欠乏が発生しているものと判定する（判定工程：Ｓ５）。コントローラ６０は、水素欠乏が発生しているものと判定した場合に、所定の表示部を用いて音声や画像等でユーザにその旨を報知することもできる。

以上説明した実施形態に係るコントローラ６０においては、インピーダンスを用いて水素欠乏の有無を判断できるため、同時に監視するセルの枚数を増加させることができる。また、水素欠乏が発生しない状態（燃料電池２０から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態）におけるインピーダンスの値を基準値αとして記憶し、この基準値αを用いてインピーダンスの算出値を補正した補正値γと、所定の閾値と、を比較して水素欠乏が発生したか否かを判定することができる。このため、計測レンジが大きくなることに起因した計測誤差（個体に依存するオフセット誤差）を低減させることができる。従って、計測精度を低下させることなく、同時に監視するセルの枚数を増加させることが可能となる。

なお、本実施形態においては、インピーダンスの名目値α₀を用いて算出した補正値γを採用した例を示したが、補正値はこれに限られるものではない。例えば、インピーダンスの算出値βから単純に基準値αを減じることにより算出した補正値γ´（＝β―α）を採用し、この補正値γ´を新たな閾値（例えば名目値α₀を考慮して設定した閾値）と比較することにより水素欠乏の有無を判定することもできる。

また、本実施形態においては、水素欠乏が発生しない基準状態におけるインピーダンスの値（基準値α）を用いて算出値βを補正した例を示したが、さらに他のパラメータを参照して算出値βを補正することもできる。例えば、出荷時における計測系のばらつきを測定し、この測定結果に基づいて作成した補正マップを記憶部（例えばＥＥＰＲＯＭ）に記憶させておき、この補正マップを参照して算出値βを補正してもよい。

また、本実施形態においては、移動体として「燃料電池車両」を例示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

２０…燃料電池
６０…コントローラ（水素欠乏判断装置）
６１…基準値記憶部
６２…算出部
６３…補正値算出部
６４…判定部
Ｓ１…基準値記憶工程
Ｓ２…算出工程
Ｓ３…補正値算出工程
Ｓ５…判定工程

Claims (2)

1. 複数のセル群を有する燃料電池の水素欠乏判断方法であって、
   前記燃料電池から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態におけるインピーダンスの値を基準値として記憶する基準値記憶工程と、
   前記セル群の電圧と前記燃料電池の電流とに基づいてインピーダンスを算出する算出工程と、
   前記算出工程で得た算出値を前記基準値に基づいて補正することによりインピーダンスの補正値を算出する補正値算出工程と、
   前記補正値が所定の閾値を超えた場合に水素欠乏が発生しているものと判定する判定工程と、
   を含み、前記補正値は、次式
   γ＝β＋（α0−α）
   により算出され、ここで、γは前記補正値、βは前記算出値、α0は設計上想定される水素が欠乏していない状態における前記燃料電池のインピーダンスの値、αは前記基準値である、水素欠乏判断方法。
2. 複数のセル群を有する燃料電池の水素欠乏判断装置であって、
   前記燃料電池から水素オフガスを排出しかつ水素ガス及び酸化ガスを供給した状態におけるインピーダンスの値を基準値として記憶する基準値記憶部と、
   前記セル群の電圧と前記燃料電池の電流とに基づいてインピーダンスを算出する算出部と、
   前記算出部で得た算出値を前記基準値に基づいて補正することによりインピーダンスの補正値を算出する補正値算出部と、
   前記補正値が所定の閾値を超えた場合に水素欠乏が発生しているものと判定する判定部と、
   を備え、前記補正値は、次式
   γ＝β＋（α0−α）
   により算出され、ここで、γは前記補正値、βは前記算出値、α0は設計上想定される水素が欠乏していない状態における前記燃料電池のインピーダンスの値、αは前記基準値である、水素欠乏判断装置。