JP2005108673A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 セル電圧のデータからより具体的に燃料電池の状態を推定して燃料電池の運転を行うことを可能とした燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して得られた制御指標に基づいて上記燃料電池の運転パラメータを調整する燃料電池システムにおいて、上記制御指標が上記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度であることを特徴とする。セルのフラッデイング及びドライアウト状態を歪度の数値によって推定することが可能となり、電解質膜の適切な水分管理を行うことが出来る。
【選択図】 図３

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池セル群の出力電圧分布の調整に関する。

燃料電池は燃料極と空気極との間に電解質部を挟んだセル（単位電池）を所要数積層して構成されている。例えば、車載用として用いられる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ:Polymer Electrolyte Fuel Cell）では高分子膜を単セルの電解質部として使用する。この高分子膜が十分な水素イオン（プロトン）の導電性を確保するためには高分子膜中に保水することが不可欠であるが、水素イオンはいわゆる電気浸透によって水素極から酸素極に水を持ち去る。それにより、燃料極側の電極や高分子膜が乾燥して高抵抗となってセル電圧が低下する。従って、各セルの電極や高分子膜への加湿による水分含有量の管理が必要となる。また、セル内で水素と酸素が結合して生ずる水がセル内部に溜まってガス流路を詰まらせ（フラッディング）、ガスの供給不足を招いてセル電圧を低下させる。

このようにセルの水分の管理が適切に行われないと、セル電圧の低下、セル電圧のバラツキ等の原因となる。

そこで、例えば、特開２００３−５９５１７号公報に記載の発明では、燃料電池の各セルのセル電圧のデータを集め、セル電圧分布のばらつきの指標となる標準偏差（分散δ）に基づき負荷電流、ガス供給流量等の運転パラメータ（制御量）を調節し、セル電圧のバラツキが少なくなるように制御することを提案している。
特開２００３−５９５１７号公報

しかしながら、標準偏差は平均値と測定値との差の２乗で計算されるので、全て正の値（絶対値）として出力される。差分（ずれ）の正負の情報が失われ、測定値が平均値からどの方向にばらついてるのかが不明である。従って、セル電圧分布が正規分布からずれるているような場合（セル電圧分布の非対称性）や、平均値から離間した測定値（異常値）が存在するように場合には、上述した統計的処理に基づく制御では適切な結果をもたらさない場合も考えられる。

よって、本発明はセル電圧のデータからより具体的に燃料電池の状態を推定して燃料電池の運転を行うことを可能とした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本発明の燃料電池システムは、複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して得られた制御指標に基づいて上記燃料電池の運転パラメータを調整する燃料電池システムにおいて、上記制御指標が上記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度であることを特徴とする。

かかる構成とすることによって、セル電圧の歪度から燃料電池内の水分（湿度）等の状態を判別し、その状態に対応して運転パラメータを調整することが可能となる。

また、上記運転パラメータが上記燃料電池の負荷電流、供給ガス量、冷却状態のうち少なくともいずれかである。それにより、燃料電池内の水分（湿度）等の状態を変えることが可能となる。

また、本発明の燃料電池システムは、複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して燃料電池の運転状態を検出する燃料電池において、上記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度からセルの異常の種類を推定する手段を備えることを特徴とする。

かかる構成とすることによって、燃料電池の異常状態を判別し適切な対応をとることを可能とする。

また、本発明の燃料電池システムは、複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して燃料電池の運転状態を検出する燃料電池において、上記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度からセルの水分状態を推定する推定手段を備えることを特徴とする。

かかる構成とすることによってセル電圧分布の歪み度からセルの水分状態を推定して燃料電池のセルを適切な水分状態に維持することが可能となる。

本発明によれば、基本セル出力電圧分布の歪度に基づいて燃料電池の運転状態の推定を行うので、セル電圧分布の対称性の乱れ（非対称）として出現する異常を効果的に検出することが出来る。例えば、セルの電解質膜部における水の溢れ（水分過剰）、電解質膜の乾燥（水分不足）などによるセルの異常を推定し、これを適切に修正することが可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。

図５は、燃料電池の各セルの出力電圧の分布（セル電圧分布）示すグラフである。同図において横軸はセル電圧を、縦軸はサンプル数を示している。図中には、標準状態の特性例が実線で示され、電解質膜近傍の水分過剰（フラッディング）状態の特性例が一点鎖線で示され、また、電解質膜の乾燥（ドライアウト）状態の特性例が点線で示されている。これら、３つの特性は相互間を比較し易くするために各特性の平均値でそれぞれの特性を正規化したもので示されている。

同図より、セルの電解質膜が乾き状態や水分過剰状態になるとセルの電圧がばらつき、セル電圧分布の裾野が広がる。また、正規分布からずれて平均値を中心とする分布特性の対称性が低下する。過剰な水によってガスの供給路が遮断されるとセル電圧が大きく低下して平均値から下方に離間した位置に極大値を発生する。また、セルの電解質膜が乾き状態や水分過剰状態になるとスタックの出力低下やリークも生じやすくなる。

本発明の実施例においては、燃料電池セルのセル電圧分布の統計的処理によって与えられる値に平均値から離間したデータの影響を相対的に大きく反映させる。また、平均値から離間したデータの平均値からの離間方向を当該値に反映させる。このために、統計的処理にセル電圧分布の平均値と当該測定値との差の３乗値（歪度）を導入している。それにより、セル電圧分布の非対称性（あるいは対称性の悪さ）や、測定値の平均値からの離間度を当該数値により反映させる。この数値に応じて燃料電池システムの運転パラメータ（負荷電流、供給ガス量、冷却状態等）を調整し、当該数値が所定範囲内に収まるようにする。

それにより、平均値より下方に離間した部分に発生するフラッディングによる異常値や、電解質膜等の水分加減によるセル電圧分布のピーク特性のシフト等を「当該数値」によって推定可能とする。このような推定結果に基づいて燃料電池システムの制御を行うことによって適正な燃料電池の運転を行う。

図１は、本発明の第１の実施例の燃料電池システムの構成を概略的に説明する説明図である。

同図において、燃料電池システムは空気供給系１０、燃料供給系２０、燃料電池３０、冷却系４０、制御系５０等によって構成される。空気供給系１０は、エアフィルタ１１、コンプレッサ１２、加湿器１３、遮断弁１４、圧力センサ１５、圧力調整弁１６、温度センサ１７等からなる。空気供給系１０は、外気を濾過して加湿し、適切な圧力・流量で酸化ガスとして燃料電池３０に供給する。

燃料供給系２０は、水素タンクや燃料改質器等の水素供給源２１、圧力調整弁２２、圧力センサ２３、温度センサ２４、遮断弁２５、気水分離器２６、水素ポンプ２７、遮断弁２８、逆止弁２９等によって構成される。燃料供給系２０は、水素ガス（あるいは水素リッチガス）を適切な圧力・流量で燃料ガスとして燃料電池３０に供給する。また、燃料供給系２０は、燃料電池３０の遮断弁２５から排出された水素オフガス（残留水素を含むガス）から水分を除去して燃料電池３０に再供給する。また、水素オフガスは遮断弁２８によって間欠的に図示しない排気通路に排気される。なお、燃料改質器がある場合は水素オフガスを燃焼燃料として燃料改質器に戻す。

燃料電池３０は高分子電解質膜型の燃料電池であり、単位セルを複数積層して構成される。例えば、単位セルを数十〜数１００枚積層して所要の電圧を得ている。各セルの出力電圧はセル電圧モニタ３１によって検出され、制御部５０に送られる。

冷却系４０は、ラジエータ４１、ウオータポンプ４２、温度センサ４３及び４４等によって構成される。冷却系４０は各セルに冷却水を循環して適切な動作温度になるように調整する。

上述した、圧力センサ１５及び２３の各出力、温度センサ１７、２４、４３及び４４の各出力は制御部５０に供給される。

制御部５０は制御用コンピュータシステムによって構成され、図示しない動作指令信号、要求負荷、各圧力センサの出力、各温度センサの出力、セル電圧モニタ３１の出力等に基づいてコンプレッサ１２、ポンプ２７及び４２、開閉弁１４、２５、２８、圧力調整弁１６及び２５２等を適切に制御して燃料電池システムの運転制御を行う。

図２は、制御部５０の制御動作（統計処理モード）を説明するフローチャートである。

制御部５０は、図示しない燃料電池運転の制御プログラムを実行することによって要求負荷に応じて燃料電池３０への供給水素ガス量及び供給空気ガス量を設定して所要の電力を発生する。また、間欠的に水素オフガスを燃料電池３０から排気通路に排出して水素オフガスの循環による出力低下を回復させる。制御部は所定の周期毎に発生する割り込み処理あるいはイベントの発生によって以下に説明する統計処理ルーチンを実行する。

まず、制御部５０は、燃料電池３０の各単位セルの出力電圧（セル電圧）データを読取る（Ｓ１０２）。読取ったセル電圧のデータからセル電圧の分散（あるいは標準偏差）を計算する。分散Ｖは各データｘ_ｉと平均ｘ_ｍとの差Δｘの２乗の平均値（Ｖ＝Σ_ｎΔｘ_ｉ ^２／ｎ）である。ここで、ｎはデータ数であり、Σ_ｎは１〜ｎ個のデータについて累積値を求めることを意味する。また、標準偏差σは分散Ｖの平方根として求められる。分散Ｖ（あるいは標準偏差）はセル電圧全体の測定結果が平均のところに集まっているか、散らばっているかを表す指標である。分散Ｖが小さいほどデータは平均のところにまとまっており、分散Ｖが大きいほどデータは平均から散らばっている（Ｓ１０４）。

計算された分散Ｖが設計上の基準値よりも大きいかどうかを判断する（Ｓ１０６）。大きくないときには、セル電圧の分布は正常であると判断し（Ｓ１０６；ＮＯ）、燃料電池の運転状態を示す状態フラグを「正常」に設定する（Ｓ１０８）。その後、元の処理に戻る（Ｓ１２６）。

分散Ｖが設計上の基準値よりも大きいときには（Ｓ１０６；ＹＥＳ）、歪度を計算する。
歪度Ｓは、Ｓ＝（１/ｎ）Σ_ｎ（ｘ_ｉ−ｘ_ｍ）^３/σ^３ として計算される。この歪度はセル電圧分布の平均値を中心とする非対称の度合いをある程度表す尺度となる。歪度は正負いずれの値もとりうる。歪度が「正」の値となる分布の例としては、セル電圧分布が単峰型の分布で峰が左方に寄り、分布の右側の裾野が長くなった形が挙げられる。セルの電解質膜に供給される水分が不足し、電解質膜のイオン伝導度が低下してセルの性能を低下させる（ドライアウト）と、このような分布になる。歪度が「負」の値となる分布の例としては、セル電圧分布が単峰型の分布で峰が右方に寄り、分布の左側の裾野が長くなった形が挙げられる。電解質膜付近での水分が過多になり、ガスの拡散を阻害したり、水分がガス流路を閉じてガスの供給を妨げてセルの性能を低下させる（フラッディング）と、このような分布傾向になる。電解質膜が歪度が「０」に近い値となる例としては、セル電圧分布が平均の回りに対称形に近い形である場合があげられる。このように、歪度の「正」、「負」の符号は分布の傾向を示し、値は歪みの程度を示す指標となる。尤も、セル電圧分布が対称形の場合には歪度は「０」になるが、対称でない分布でも「０」になる形はあるので、予め分散による異常チェック（ステップ１０６）も加えて推定の確実を図っている（Ｓ１１０）。

得られた歪度が基準値Ｃ１よりも大きいかどうかを判別する（Ｓ１１２）。基準値Ｃ１は、燃料電池の機種毎に設定されるが、例えば、−２〜４に設定される。歪度がこの値よりも大きい場合には（Ｓ１１２；ＮＯ）、制御部５０はセルの電解質膜が乾き状態（ドライアウト）にあると判定し、燃料電池の運転状態を示す状態フラグを「ドライアウト」に設定する。電解質膜に水分を保持するべく圧力調整弁１４を調節して空気ガスのガス圧を下げ、エア流量をｋ３だけ減らす（Ｓ１１６）。それにより、生成水の持ち去りを減らして電解質膜に水分を補う。その後、元の処理に戻る（Ｓ１２６）。

分散が大きく（Ｓ１０６）、得られた歪度が基準値Ｃ１よりも小さい場合には（Ｓ１１２；ＹＥＳ）、制御部５０はセルの電解質膜がフラッティング状態にあると判定し、燃料電池の運転状態を示す状態フラグを「フラッディング」に設定する（Ｓ１１８）。

更に、フラッデイングの程度を判別するべく、歪度が基準値Ｃ２よりも小さいかどうかを判別する。基準値Ｃ２も、燃料電池の機種毎に設定されるが、例えば、「−５」に設定される。歪度が負で値が基準値Ｃ２よりも小さいときには（Ｓ１２０；ＹＥＳ）、圧力調整弁１４を調整して空気極に供給される空気ガスをｋ１だけ増加させる。それにより、セル内の過剰な水分を除去する（Ｓ１２２）。その後、元の処理に戻る（Ｓ１２６）。

歪度が負で値がＣ２よりも大きいときには（Ｓ１２０；ＮＯ）、圧力調整弁１４を調整して空気極に供給される空気ガスをｋ１よりも大きいｋ２だけ増加させる。それにより、セル内の過剰な水分をより早期に除去する（Ｓ１２４）。その後、元の処理に戻る（Ｓ１２６）。

このようにして、ステップＳ１００〜Ｓ１２６を周期的に繰り返すことによってセル電圧の統計処理に基づく燃料電池の運転調整が行われ、セル電圧が可及的に基準状態に維持される。

図３は、本発明の第２の実施例を示している。同図において図２と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

上述した第１の実施例ではセル電圧の調整に空気極のエア流量を調整したが、第２の実施例では燃料電池の運転温度によってセルの水分の乾き加減、濡れ加減を調整している。

すなわち、制御部５０は上記ステップＳ１１６、Ｓ１２２、Ｓ１２４における空気極のエア調整に代えて冷却系のウオータポンプ４２の流量を変えてセルから奪う熱量を調整する。除去熱量は温度センサ４３と４４の温度差と冷却水の流量によって求められる。

例えば、ステップ１２２ｂ及び１２４ｂでは冷却水の流量を減らすことによってセルの温度を上昇させ、電解質膜を乾かして過剰な水分を減らす。また、ステップ１１６ｂでは、冷却水の流量を増加してセルの温度を下降させ、電解質膜の乾きを抑制して生成水や空気ガス中の加湿水を電解質膜内に保つようにする。

このように構成した場合にも、第１の実施例と同様の効果を得ることが可能となる。

図３は、本発明の第３の実施例を示している。同図において図２と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

第３の実施例では、上述した歪度に基づく空気極の空気ガス調整（第１の実施例）及び燃料電池の温度調整（第２の実施例）を同時に行っている。すなわち、第３の実施例のステップ１１６ｃにおいては、空気極への空気ガスの供給量の減少と共に燃料電池への冷却水量を増加させてセル温度を下げる。それにより、電解質膜の保水をより素早く回復する。図る。ステップ１２２ｃ及び１２４ｃにおいては空気極への空気ガスの供給量の増加と共に燃料電池への冷却水量を減少してセル温度を上げる。ステップ１２４ｃにおいては、ステップ１２２ｃよりも空気ガスの供給量及び冷却水量の増加分をより大きくする。

このようにして、歪度に基づいて燃料電池の運転状態を推定することによって高分子電解質膜型燃料電池において重要な水分管理を効果的に行うことが可能となる。

なお、上述した実施例ではセル電圧の統計処理結果に基づいて燃料電池の運転パラメータのうち供給ガス量及び燃料電池温度のうち少なくともいずれかを制御する例を示したが、他の運転パラメータ、例えば負荷電流を加減して供給ガス量を調整し、生成水の量を調整することとしても良い。また、燃料電池３０内のガスを強制的に排出するパージ動作などを組み合わせても良い。

また、上述した実施例では、歪度をセル電圧の平均値と当該測定値との差の３乗値としたがこれに限定されるものではなく、セル分布の非対称性（あるいは対称性の悪さ）を表すことができる算出法ならそれ等を使用することが出来る。例えば、セル電圧の平均値と当該測定値との差の５乗値等も使用可能である。

図１は本発明の実施例の構成を示す説明図である。 図２は第１の実施例の制御部の動作を説明するフローチャートである。 図３は第２の実施例の制御部の動作を説明するフローチャートである。 図４は第３の実施例の制御部の動作を説明するフローチャートである。 図５は燃料電池セル電圧の分布を説明する説明図である。

符号の説明

１０ エア供給系、１１ エアフィルタ、１２ コンプレッサ、１３ 加湿器、１４ 遮断弁、１５ 圧力センサ、１６ 圧力調整弁、１７ 温度センサ、２０ 燃料供給系、２１ 水素供給源、２２ 圧力調整弁、２３ 圧力センサ、２４ 温度センサ、３０ 燃料電池、３１ セル電圧モニタ、４０ 冷却系、４１ ラジエータ、４２ ウオータポンプ、
４３ 温度センサ、４４ 温度センサ、５０ 制御部

Claims (4)

1. 複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して得られた制御指標に基づいて前記燃料電池の運転パラメータを調整する燃料電池システムであって、
   前記制御指標が前記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記運転パラメータが前記燃料電池の負荷電流、供給ガス量、冷却状態のうち少なくともいずれかである請求項１記載の燃料電池システム。
3. 複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して燃料電池の運転状態を検出する燃料電池であって、
   前記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度からセルの異常の種類を推定する手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 複数の基本セルからなる燃料電池のセル電圧を統計的に処理して燃料電池の運転状態を検出する燃料電池であって、
   前記複数の基本セルのセル電圧分布の歪度からセルの水分状態を推定する推定手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。