JP2005209456A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電流検出手段を用いずに運転条件が変動しても正しく燃料電池の発電状態を判定可能な運転監視装置を提供する。
【解決手段】 単セルを積層して構成される燃料電池（１０）の運転監視装置であって、単セル（Ｃｎ）に設けられた複数の測定点における電圧を検出する電圧検出手段（Ｐ１〜１０）、燃料電池（１０）に供給する各単セルの発電量を制御する制御装置（２０）を備え、制御部（２０）は、各測定点に設けられた電圧検出手段（Ｐ１〜１０）からの検出電圧に基づいて燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特にガスの供給不足に伴う発電状態の変化を監視する運転監視装置に関する。

従来、燃料電池の発電状態の監視方法として、特開平９―２５９９１３号公報には、するために、単セルの平面方向の電流分布を検出する直流電流検出手段を設け、検出された電流分布と予め設定した基準電流の許容範囲とを比較することが考案されていた（特許文献１）。同様の技術が、特開平９―２２３５１２号公報にも開示されている（特許文献２）。
特開平９―２５９９１３号公報 特開平９―２２３５１２号公報

しかし、燃料電池はその性質上、セル面各所における抵抗値が一様でない。このため上記公知技術では、運転条件の変化に応じて基準電流が変動し正しく電流の比較が行えないことが考えられた。

また電流を測定する電流検出手段を積層されていく単セル内に配置することは一般に困難であった。

そこで本発明は、電流検出手段を用いずに運転条件が変動しても正しく燃料電池の発電状態を判定可能な運転監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、単セルを積層して構成される燃料電池の運転監視装置であって、単セルに設けられた複数の測定点における電圧を検出する電圧検出手段と、各測定点に設けられた電圧検出手段からの検出電圧に基づいて燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。

単セルに設けられるガス流路には燃料となるガス（例えば酸素を含む空気および水素）が流れているが、このガスの流量が相対的に小さくなる部分があると期待されたとおりの電気化学反応が生ぜず、ガス流量の阻害されている部分の起電力が少なくなる傾向にある。上記構成によれば、複数の測定点において電圧が検出されるのでこの検出電圧を監視すれば充分なガスの供給が行われているか、すなわち燃料電池の発電状態が異常であるか否かが判定できるのである。

具体的には、電圧検出手段を少なくとも単セルにおけるガス流路の入口付近と出口付近とに設け、ガス流路の入口付近で検出された電圧とガス流路の出口付近で検出された電圧とを比較して燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定することが考えられる。ガス流量が十分でないと、ガス流路の入口付近ではガスが消費されることなく最初に供給されるために期待通り発電されるがガス流路の出口付近ではガスの流量が十分でなくなり発電量が落ちる。このため入口付近における検出電圧と出口付近における検出電圧とを比べれば、全体的に充分なガスが供給されているか否かが判定できるのである。

ここで、例えば単セルに設けられた各測定点で検出された電圧の分布に基づいて当該単セルの発電状態が異常であるか否かを判断することが考えられる。単セルにおいてガス流路の各測定点における検出電圧の分布が、総てのガス流路に充分なガス流量が確保されているか否かを示しているからである。検出電圧のバラツキが無ければよく、検出電圧の差が相対的に大きい場合にはガス流量が足りないと判定することができる。

または、電圧検出手段を互いに近傍に位置する単セルの各々に設け、近傍に位置する単セルに設けられた電圧検出手段により検出された電圧の分布に基づいて燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定してもよい。一つの単セルの発電量、起電力が落ちると、その単セルの近傍に位置している単セルの起電力が上昇することが知られている。このため、ある単セルに設けられた電圧検出手段の検出した検出電圧が相対的に大きい場合にはその単セルに近傍に位置する単セルにおけるガス流量が少なく充分な起電力が確保できていないこと判定することができるのである。

ここで「近傍に位置する単セル」とは直接接している単セルである必要はなく、一つあるいは複数の単セルを間に介している場合も含む。起電力が上昇する現象は直接接触していない、間に１以上の単セルを介した単セルにも及ぼされるからである。例えば１０個の単セルを間に介している場合にも単セルの起電力変動が及ぼされる場合もある。

例えば、各電圧測定手段により検出された電圧のバラツキが所定値より大きい場合に燃料電池の発電状態が異常であると判定することが可能である。ガス流路の一部に流量不足の部分があるとその付近で検出される電圧がガスの不足の程度に応じて低くなり、他の測定点における電圧との比較においてバラツキが生じるからである。

また、本発明では、燃料電池に供給するガスの流量を制御するガス供給手段に対し、当該燃料電池の発電状態が異常であると判定した場合にガスの流量を上昇させることが考えられる。ガス流量を上昇させれば単セルのガス流路における各所のガス流量が上昇するので、発電力不足となっていた部位の起電力を回復させることができるからである。

さらに、本発明では、当該燃料電池の発電状態が異常であると判定した場合には、燃料電池の負荷を減少させるようにしてもよい。ガス流量を上昇させることの他に、消費電流を抑えるように負荷を減少させれば、相対的に起電力が低下していた部位の電圧も上昇し異常が回避されるようになるからである。

以上本発明によれば、各測定点の検出電圧に基づいて燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定するので、電流検出手段を用いずに運転条件が変動しても正しく燃料電池の発電状態を判定することが可能となる。

次に、本発明の好適な実施形態を図面を参照して説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、電気自動車等に利用される燃料電池スタックの単セル上に設定された複数の測定点における電圧を検出しその分布に基づいて発電状態を監視するものである。

図１に本燃料電池システムの燃料電池スタック周辺図を示す。図１は燃料電池スタックの一部のみを示すものである。また当該システムは本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。

図１に示すように、当該燃料電池システムは、複数の単セルＣｎ（ｎ＝１〜Ｎ（スタック数）、以下任意の単セルという意味でｎ番目の単セルＣｎを代表させる。）から構成される燃料電池スタック１０、当該燃料電池スタック１０に燃料ガスである水素ガスを供給する水素ガス供給路１０１、燃料電池スタック１０からの水素ガス排出路、酸素源である空気を供給する空気供給路１１０、燃料電池スタック１０からの空気排出路１１２、及び当該システムを制御する制御部２０を備えている。

水素ガス供給路１０１上には燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力を定める圧力調整弁１０２、燃料ガスの供給を遮断する遮断弁１０３、及び燃料電池スタック１０の水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ１０４を備える。水素排出路１０５には燃料ガスの排出を遮断する遮断弁１０６を備える。水素ガス供給路１０１に供給される水素の供給源（図示無し）に限定はないが、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク等が挙げられる。

水素ガス供給系統において、水素供給源からの水素ガスは、調整弁１０２によって定められる圧力で下流に放出される。燃料電池スタック１０に対する水素ガス流量（圧力）を増加させたい場合には当該調整弁１０２によって水素供給圧力が上昇されるようになっている。遮断弁１０３及び１０６は、燃料電池システムの発電停止時や間欠動作時に遮断され、運転時は開放されるようになっている。水素ガス排出路１０５の下流には図示しないが、必要に応じて、発生した水分を分離する気液分離器や水素ガスを希釈する希釈器、消音器等を配置される。循環型の水素ガス供給路を構成する場合には水素ポンプによって排出された水素ガスの一部を水素ガス供給路１０１に戻すように構成してもよい。

空気供給路１１０には取り入れられた空気を圧縮し高圧化して供給するコンプレッサ１１１が設けられている。空気は電気自動車であればラジエタ経由でエアクリーナ（図示無し）等から取り入れるように構成できる。コンプレッサ１１１は、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従った流量や圧力となるように空気量や空気圧を変更するようになっている。なお、空気供給路１１０には、図示しないが必要に応じて加湿器を備え、空気排出路１１２は、水素オフガスを希釈するための希釈器に連結される。

その他、燃料電池スタック１０には、図示しない冷却系統として、ラジエタやファン、冷却ポンプを備える。

制御部２０はＥＣＵ（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、当該システムを本発明の運転監視装置として動作させることが可能になっている。

さて、燃料電池スタック１０は、個々が発電体である単セルＣｎを複数積層して構成されるものである。単セルＣｎは、燃料電池の方式により種々の構造が考えられる。例えば、固体酸化物形燃料電池であれば、ジルコニア等の電解質をランタンマンガナイト等の空気極とニッケル等の燃料極との間に挟み込んだものが基本構造となる。溶融炭酸塩形燃料電池であれば、炭酸塩をＬｉＡｌＯ₂等の保持材にしみこませた電解質板を燃料極と空気極との間に挟み込んだもの、リン酸形燃料電池であれば、リン酸を電解質として燃料極と空気極との間に挟み込んだもの、高分子電解質形燃料電池であれば、フッ素系イオン交換膜等の高分子電解質含んだ電解質膜を燃料極と空気極との間に挟み込んだ構造を備える。

当該実施形態では特に電気自動車の発電源として適する高分子電解質形燃料電池を利用するものとし、単セルＣｎとして、高分子電解質膜が中央に位置しその両側に多孔質支持層に触媒を担持させた触媒電極が形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）構造を備えるものとする。この単セルは、燃料ガスである水素ガスを流通させる水素流路が形成されたセパレータと、空気を流通させる空気流路が形成されたセパレータとの間に挟まれて構成されている。

図２は当該単セルＣｎの空気極側セパレータの平面図である。当該空気極側に設けられる上記セパレータの空気流路によって、図に示すような空気流路方向Ｆairに空気が順に流れるようになっている。

図３は当該単セルＣｎの燃料極側セパレータの平面図である。燃料極側に設けられるセパレータの水素流路によって、図に示すような水素流路方向Ｆｈに水素ガスが順に流れていくようになっている。

当該単セルに空気と水素ガスが供給されることにより、陰極（カソード）である燃料極側では式（１）のような反応を、陽極（アノード）である空気極側では式（２）のような反応を生じさせて両電極間に起電力を生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ- …（１）
２Ｈ⁺＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
本実施形態では、単セルＣｎ上の電圧分布を測定するため、図２及び図３に示すように、単セルＣｎのセパレータ周囲に複数の測定点Ｐ１〜Ｐ１０を設け、それぞれの測定点において基準電位からの電位を測定するための電圧センサを空気極及び燃料極のそれぞれに設けてある。この電圧センサの検出信号は制御部２０に供給されるようになっている。

次に本実施形態１における運転制御方法を説明する。
図６に空気極側における空気流量が不足した場合の電圧分布を示す。図６は、ｎ番目の単セルＣｎで空気流量が不足しており、その単セルＣｎに隣接する単セルＣｎ−１やＣｎ＋１では空気流量が不足することなく流通している場合を示している。

図６に示すように、空気不足が発生している単セルＣｎでは、三角印でプロットされた電圧分布から判るように、空気流路出口付近の測定点Ｐ５とその近傍の測定点Ｐ６及びＰ７における電圧が相対的に低くなっている。つまり各測定点の電圧の分布を測定することで、空気流量の不足を特定することができる。本実施形態１ではこの電圧分布を測定することにより、空気流量不足を検出する。

図４は空気極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートである。まず制御部２０は、測定対象となる単セルＣｎに設けられた電圧センサからの検出信号を取り入れて図２に示されるような各測定点Ｐ１〜Ｐ１０における電圧を測定する（Ｓ１）。そして各測定点のうち空気流路の入口付近に設けられた測定点の電圧が空気流路の出口付近に設けられた測定点の電圧より高いか否かを判定する（Ｓ２）。

その結果、空気流路の入口付近に設けられた測定点と出口付近に設けられた測定点とで検出電圧に差が無い場合には（Ｓ２：ＮＯ）、発電状態が正常であると判定できるので、引き続き電圧測定を繰り返す（Ｓ１〜）。

一方、空気流路の入口付近に設けられた測定点の検出電圧より出口付近に設けられた測定点の検出電圧が低い場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、空気の流量不足が生じており、発電状態が異常である可能性が高い。例えば図２において空気流路の入口付近に設けられた測定点Ｐ１の電圧は０．５８Ｖであるところ、出口付近に設けられた測定点Ｐ１０の電圧は０．４２Ｖであり前者が高いので、発電状態の異常が推定できる。

そこで、制御部２０は、さらに各測定点Ｐ１〜Ｐ１０における検出電圧から平均検出電圧を計算し（Ｓ３）、出口付近の測定点における検出電圧とこの平均検出電圧との差分ΔＶを計算し（Ｓ４）、この差分ΔＶが所定のしきい値Ｖ１以上であるか否かを判定する（Ｓ５）。このしきい値Ｖ１は、出口付近における空気量不足による急激な起電力低下を識別可能な値に選択される。その結果、この差分ΔＶがしきい値Ｖ１より小さい場合には（Ｓ５：ＮＯ）、電圧降下の程度が激しくなく、電圧低下が空気不足によるものではないため異常状態とは言えないと判断し、そのまま電圧測定に移行する（Ｓ１〜）。

ところが差分ΔＶがしきい値Ｖ１以上である場合には（Ｓ５：ＹＥＳ）、電圧分布上、電圧降下率が大きく、空気不足が生じていると考えられるため、制御部２０は異常状態と判断し、当該異常状態を是正するための処理をする（Ｓ６）。このような処理は例えばコンプレッサ１１１に制御信号を出力し空気流量を上昇させるような処理である。このような処理をすることにより空気流量が増加し、電圧降下が是正される。

なお、上記処理では、出口付近の検出電圧が入口付近の検出電圧より低かった場合にさらに平均検出電圧との差分がしきい値以上であるか否かを検査することにより、より正確に空気不足であることを検出するようにしていたが、出口付近の検出電圧と入口付近の検出電圧との比較のみで、空気流量不足と判定してもよい。

同様の検出方法が燃料極側でも実施される。図７に燃料極側における水素ガス流量が不足した場合の電圧分布を示す。図７は、ｎ番目の単セルＣｎで水素ガス流量が不足しており、その単セルＣｎに隣接する単セルＣｎ−１やＣｎ＋１では水素ガス流量が不足することなく流通している場合を示している。

図７に示すように、水素ガス流量不足が発生している単セルＣｎでは、三角印でプロットされた電圧分布から判るように、水素ガス流路出口付近の測定点Ｐ１０とその近傍の測定点Ｐ１における電圧が相対的に低くなっている。つまり各測定点の電圧の分布を測定することで、水素ガス流量の不足を特定することができる。図５に示すフローチャートではこの電圧分布を測定することにより、水素ガス流量不足を検出する。

図５は燃料極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートである。空気極側と同様の処理が逐一実行される。すなわち、制御部２０は、図３に示すような測定点における、測定対象となる単セルＣｎの水素極側に設けられた電圧センサからの検出信号を取り入れる（Ｓ１１）。そして各測定点のうち水素ガス流路の入口付近に設けられた測定点の電圧が水素ガス流路の出口付近に設けられた測定点の電圧より高いか否かを判定する（Ｓ１２）。

その結果、水素ガス流路の入口付近に設けられた測定点と出口付近に設けられた測定点とで検出電圧に差が無い場合には（Ｓ１２：ＮＯ）、発電状態が正常であると判定するが、水素ガス流路の入口付近に設けられた測定点の検出電圧より出口付近に設けられた測定点の検出電圧が低い場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、水素ガスの流量不足が生じており、発電状態が異常である可能性が高い。例えば図３において水素ガス流路の入口付近に設けられた測定点Ｐ８の電圧は０．５７Ｖであるところ、出口付近に設けられた測定点Ｐ１０の電圧は０．３Ｖであり前者が高いので、発電状態の異常が推定できる。

そこで、制御部２０は、さらに各測定点Ｐ１〜Ｐ１０における検出電圧から平均検出電圧を計算し（Ｓ１３）、出口付近の測定点における検出電圧とこの平均検出電圧との差分ΔＶを計算し（Ｓ１４）、この差分ΔＶが所定のしきい値Ｖ２以上であるか否かを判定する（Ｓ１５）。このしきい値Ｖ２は、出口付近における水素ガス量不足による急激な起電力低下を識別可能な値に選択される。その結果、この差分ΔＶがしきい値Ｖ２より小さい場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、電圧降下の程度が激しくなく、電圧低下が水素ガス不足によるものではないため異常状態とは言えないと判断し、そのまま電圧測定に移行する（Ｓ１１〜）。

ところが差分ΔＶがしきい値Ｖ２以上である場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、電圧分布上、電圧降下率が大きく、水素ガス不足が生じていると考えられるため、制御部２０は異常状態と判断し、当該異常状態を是正するための処理をする（Ｓ１６）。このような処理は例えば調整弁１０２を制御して水素ガスの供給圧力を上げたり、循環系を採用しているのであれば水素ポンプの回転数を上げたりする処理である。さらに、この水素ガス流量による発電電力でまかなえる程度に燃料電池システムの負荷を落とすことでも起電力を回復させることができる。このような処理をすることにより電圧降下が是正される。

なお、上記処理において、ステップＳ１２のみで水素ガス流量不足を判定してもよい点は空気極の場合（図４）と同様である。

以上、本実施形態１によれば、比較的設置が楽な電圧センサにより空気流量や水素ガス流量の不足が測定でき、発電状態を監視することができるので低コストで容易に発電状態の監視が行える。

また本実施形態１によれば、空気流路や燃料ガス流路の出口と入口付近の電圧を比較するだけでなく、平均検出電圧との比較により異常状態であるか否かを判定しているので、全体制御によって発電電圧を制限され各単セルの起電力が少なくなる等、運転条件の変動が発生する場合にも、特定のセルにおける極端な空気流量や水素ガス流量の不足を検出可能である。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、単セルの電圧分布に基づいてその単セルに隣接する単セルにおける発電状態を検出するものである。本実施形態２における燃料電池システムの構造は実施形態１と同様（図１等）である。

次に本実施形態２における運転制御方法を説明する。
ｎ番目の単セルＣｎで空気流量が不足している場合、その単セルＣｎに隣接する単セルＣｎ−１やＣｎ＋１では、単セルＣｎにおける電圧降下とは異なる現象が起きる。すなわち、図６に示すように、単セルＣｎに隣接する単セルＣｎ−１やＣｎ＋１では、四角印や丸印でプロットされた電圧分布から判るように、単セルＣｎにおいて起電力低下が生じている測定点に対応する測定点においては、反対に起電力が上昇するという現象が起きている。本実施形態２ではこの現象を利用し、ある単セルの電圧が上昇している場合にそれに隣接する単セルにおいて空気流量不足が起きているものと判断する。

図８は空気極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートである。まず制御部２０は、ある単セルの各測定点Ｐ１〜Ｐ１０に設けられた電圧センサからの検出信号を取り入れて電圧分布を測定する（Ｓ２１）。そして各測定点のうち空気流路の入口付近に設けられた測定点の電圧が空気流路の出口付近に設けられた測定点の電圧より高いか否かを判定する（Ｓ２２）。もしも入口付近における検出電圧が出口付近における検出電圧以上であるなら（Ｓ２２：ＹＥＳ）、少なくとも隣接する単セルの発電状態は正常であると判定する。一方、空気流路の出口付近に設けられた測定点の検出電圧が入口付近に設けられた測定点の検出電圧以上である場合には（Ｓ２２：ＮＯ）、隣接する単セルで空気の流量不足が生じていると推定できる。

そこで、制御部２０は、さらに当該単セルの各測定点Ｐ１〜Ｐ１０における検出電圧から平均検出電圧を計算し（Ｓ２３）、出口付近の測定点における検出電圧とこの平均検出電圧との差分ΔＶを計算し（Ｓ２４）、この差分ΔＶが所定のしきい値Ｖ３以上であるか否かを判定する（Ｓ２５）。このしきい値Ｖ３は、隣接する単セルにおける空気量不足による起電力上昇を識別可能な値に選択される。その結果、この差分ΔＶがしきい値Ｖ３より小さい場合には（Ｓ２５：ＮＯ）、隣接する単セルの電圧上昇の程度が激しくなく隣接する単セルが異常状態であるとは言えないと判断し、そのまま電圧測定に移行する（Ｓ２１〜）。

ところが差分ΔＶがしきい値Ｖ３以上である場合には（Ｓ２５：ＹＥＳ）、隣接する単セルにおいて空気不足が生じていると考えられるため、制御部２０は異常状態と判断し、隣接する単セルの異常状態を是正するための処理をする（Ｓ２６）。このような処理は例えばコンプレッサ１１１に制御信号を出力し空気流量を上昇させるような処理である。単セルごとに個別に空気流通を制御可能に構成されている場合には隣接する単セルの空気流量を制御する。このような処理をすることにより空気流量が増加し、電圧降下が是正される。

なお、上記処理では、出口付近の検出電圧が入口付近の検出電圧以上であった場合にさらに平均検出電圧との差分がしきい値以上であるか否かを検査することにより、より正確に隣接する単セルの空気不足を検出するようにしていたが、出口付近の検出電圧と入口付近の検出電圧との比較のみで、隣接する単セルの空気流量不足と判定してもよい。

同様の検出方法が燃料極側でも実施される。すなわち、図７に示すように、単セルＣｎに隣接する単セルＣｎ−１やＣｎ＋１では、四角印や丸印でプロットされた電圧分布から判るように、水素ガス不足が生じている場合にも、単セルＣｎにおいて起電力低下が生じている測定点に対応する測定点においては、反対に起電力が上昇するという現象が起きている。

図９は燃料極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートである。まず制御部２０は、ある単セルの燃料極側に設けられた各測定点Ｐ１〜Ｐ１０に設けられた電圧センサからの検出信号を取り入れて電圧分布を測定する（Ｓ３１）。そして各測定点のうち水素ガス流路の入口付近に設けられた測定点の電圧が水素ガス流路の出口付近に設けられた測定点の電圧より高いか否かを判定する（Ｓ３２）。もしも入口付近における検出電圧が出口付近における検出電圧以上であるなら（Ｓ３２：ＹＥＳ）、少なくとも隣接する単セルの発電状態は正常であると判定する。一方、水素ガス流路の出口付近に設けられた測定点の検出電圧が入口付近に設けられた測定点の検出電圧以上である場合には（Ｓ３２：ＮＯ）、隣接する単セルで水素ガスの流量不足が生じていると推定できる。

そこで、制御部２０は、さらに当該単セルの各測定点Ｐ１〜Ｐ１０における検出電圧から平均検出電圧を計算し（Ｓ３３）、出口付近の測定点における検出電圧とこの平均検出電圧との差分ΔＶを計算し（Ｓ３４）、この差分ΔＶが所定のしきい値Ｖ４以上であるか否かを判定する（Ｓ３５）。このしきい値Ｖ４は、隣接する単セルにおける水素ガス量不足による起電力上昇を識別可能な値に選択される。その結果、この差分ΔＶがしきい値Ｖ４より小さい場合には（Ｓ３５：ＮＯ）、隣接する単セルの電圧上昇の程度が激しくなく隣接する単セルが異常状態であるとは言えないと判断し、そのまま電圧測定に移行する（Ｓ３１〜）。

一方、差分ΔＶがしきい値Ｖ４以上である場合には（Ｓ３５：ＹＥＳ）、隣接する単セルにおいて水素ガス不足が生じていると考えられるため、制御部２０は異常状態と判断し、隣接する単セルの異常状態を是正するための処理をする（Ｓ３６）。このような処理は例えばコンプレッサ１１１に制御信号を出力し水素ガス流量を上昇させるような処理である。単セルごとに個別に水素ガス流通を制御可能に構成されている場合には隣接する単セルの水素ガス流量を制御する。このような処理をすることにより水素ガス流量が増加し、電圧降下が是正される。このような処理は例えば調整弁１０２を制御して水素ガスの供給圧力を上げたり、循環系を採用しているのであれば水素ポンプの回転数を上げたりする処理である。さらに、この水素ガス流量による発電電力でまかなえる程度に燃料電池システムの負荷を落とすことでも起電力を回復させることができる。このような処理をすることにより電圧降下が是正される。

なお、上記処理において、ステップＳ３２のみで隣接する単セルの水素ガス流量不足を判定してもよい点は空気極の場合（図８）と同様である。

また隣接する単セルの空気流量不足や水素ガス流量不足による当該単セルの電圧上昇は、直接的に接触している単セル間のみならず、間に１以上の単セルが介挿されている場合にも発生することが知られているため、数セルおきに電圧センサを設けるようにしてもよい。例えば１０セルごとに電圧センサを設けても電圧変動を検出できる場合がある。

以上、本実施形態２によれば、上記実施形態１と同様の効果を、隣接する単セルの電圧分布を検出することによっても知ることができる。したがって、燃料電池スタックにおいて総ての単セルに電圧センサを設けることは必要ではなく、一つおき、またはそれ以上の単セルを介して電圧検出する単セルを設けることで全体的な異常検出が行えることになり、処理量を減少させコストを下げることができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、上記実施形態１における当該単セルの発電状態の監視と実施形態２における隣接する単セルの発電状態の監視とを併用したものである。本実施形態３における燃料電池システムの構造は実施形態１と同様（図１等）である。

次に本実施形態３における運転制御方法を説明する。当該実施形態３では、上記実施形態１及び２における処理を統合し、電圧分布において電圧降下が観察されれば当該単セルの発電異常と判断し、電圧上昇が観察されれば当該単セルに隣接する単セルにおいて発電異常が発生していると判断するものである。

図１０は空気極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートであり、図１１は燃料極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートである。当該単セルＣｎの各測定点の電圧を測定し、平均検出電圧との差分ΔＶを計算するまでは、上記実施形態と同様に行うことができる（Ｓ４１〜Ｓ４３，Ｓ５１〜５３）。

そしてまず制御部２０は、この差分ΔＶが実施形態１における空気極側におけるしきい値Ｖ１であるか（Ｓ４４），燃料極側におけるしきい値Ｖ２以上であるかを調べ（Ｓ５５）、しきい値以上である場合には（ＹＥＳ）当該単セルＣｎにおいて空気流量または水素ガス流量の不足が生じているものとし、それを是正する処理を上記と同様に実施する（Ｓ４５、Ｓ５５）。

一方、上記差分ΔＶが上記しきい値以上でない場合（ＮＯ）、今度はこの差分ΔＶが実施形態１における空気極側におけるしきい値Ｖ３であるか（Ｓ４６），燃料極側におけるしきい値Ｖ４以上であるかを調べる（Ｓ５６）。そしてこの差分ΔＶがこれらしきい値以上である場合には（ＹＥＳ）当該単セルＣｎに隣接する単セルにおいて空気流量または水素ガス流量の不足が生じているものとし、それを是正する処理を上記と同様に実施する（Ｓ４７、Ｓ５７）。

以上、本実施形態３によれば、ある単セルの電圧分布を測定することにより、当該単セルにおける発電状態の異常や当該単セルに直接的にまたは間接的に隣接する単セルにおける発電状態の異常をともに検出して対処することができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４は、ある単セルにおける検出電圧とそれに隣接する単セルの電圧分布とに基づいて発電状態を監視するものである。本実施形態４における燃料電池システムの構造は実施形態１と同様（図１等）である。本発明においては、隣接する単セル間（間に１以上の単セルが介挿されていてもよい）にそれぞれ電圧センサが設けられているものとする。

次に本実施形態４における運転制御方法を説明する。
図１２は空気極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートであり、図１３は燃料極側に設けられた電圧センサによる運転制御方法を説明するフローチャートである。

まず制御部２０は、ある単セルＣｎにおける出口付近に設けられた測定点（例えばＰ５）における電圧を検出する（Ｓ６１、Ｓ７１）。次いで、制御部２０は、その単セルＣｎに隣接する単セルＣｎ−１またはＣｎ＋１における各測定点Ｐ１〜Ｐ１０の電圧を検出しその平均検出電圧を計算する（Ｓ６２、Ｓ７２）。そして単セルＣｎにおける出口付近における検出電圧と隣接する単セルＣｎ−１またはＣｎ＋１における平均検出電圧との差分ΔＶを計算する（Ｓ６３、Ｓ７３）。

そして単セルＣｎの出口付近に設けられた測定点の検出電圧と隣接する単セルＣｎ−１またはＣｎ＋１における平均検出電圧との差分ΔＶを所定のしきい値Ｖ５やＶ６と比較する（Ｓ６４、Ｓ７４）。その結果、この差分ΔＶが所定のしきい値Ｖ５やＶ６以上である場合（ＹＥＳ）、空気極側では空気流量が低下していると判断し空気流量の増加処理を行い（Ｓ６５）、燃料極側では水素ガス流量が低下していると判断して水素ガス流量の増加処理または負荷の制限処理を行う（Ｓ７５）。

以上の実施形態から判るように、当該単セルに空気不足や水素ガス不足が生じている場合には検出電圧が低下し、隣接する単セルに空気不足が発生している場合には検出電圧が増加する。特定の単セルに空気不足や水素ガス不足が発生している場合には、当該単セルの出口付近の検出電圧は低くなる一方、これに隣接する単セルの平均検出電圧は上昇する。

本実施形態４によれば、このように相反する方向に変化する検出電圧双方の差分を求めるので、空気不足や水素ガス不足による電圧変動をより明確により、大きな電圧差として検出することができ、僅かな流量不足でも正確に判定することができるようになる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して利用することが可能である。例えば、上記電圧センサは平均的に設ける必要はなく、特定の箇所にのみ設けてもよい。例えば最も電圧変動が顕著になるのは流路の出口付近であるため、流路の入口と出口に設けておけば、電圧変動を検出可能である。

また、上記実施形態２〜４では隣接する単セル間で単セルの検出電圧値または単セルの電圧分布を比較する場合を示したが、これに限定されない。異常検出対象である単セルに隣接するだけではなく、間にセルを介しているような場合にも適用可能である。すなわち、検出対象となる単セルの近傍に位置する一つの単セルや近傍に位置する複数の単セル（例えば１０個の単セル）と、異常検出対象となる単セルとの間で、電圧（または電圧分布）を比較してもよい。また近傍に位置する複数の単セルの電圧平均値や電圧分布のばらつきと異常検出対象の単セルとを比較してもよい。
例えば、図１４では、互いに近傍に位置する単セルＣｎ＋ｍ（ｍ＝０、ｘ、２ｘ、３ｘ…）に電圧センサが設けられておりそれらの検出電圧が制御部２０に入力されている。それぞれの単セルで検出される電圧値や電圧分布を監視していれば、その分布によりセンサが設けられている単セルのいずれか、または、それらセンサが設けられている単セルの間に介挿されている単セルにおいて流量不足が生じているかを判定できる。

本実施形態に係る燃料電池システムのブロック図。 単セルにおける空気流路における電圧センサの配置を説明する図。 単セルにおける水素ガス流路における電圧センサの配置を説明する図。 本実施形態１に係る空気流量制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態１に係る水素流量制御方法を説明するフローチャート。 単セルおよびそれに隣接する単セルにおける空気不足時の電圧分布図。 単セルおよびそれに隣接する単セルにおける水素不足時の電圧分布図。 本実施形態２に係る空気流量制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態２に係る水素流量制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態３に係る空気流量制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態３に係る水素流量制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態４に係る空気流量制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態４に係る水素流量制御方法を説明するフローチャート。 変形例に係る、電圧センサが設けられた互いに近傍に位置する単セルの配置説明図。

符号の説明

Ｃｎ…単セル、Ｃｎ−１，Ｃｎ＋１、Ｃｎ＋ｘ…隣接する単セル、Ｐ１〜Ｐ１０…測定点、Ｆair…空気流路方向、Ｆｈ…水素流路方向、１０…燃料電池スタック、２０…制御部、１０１…水素ガス供給路、１０２…圧力調整弁、１０３、１０６…遮断弁、１０４…圧力センサ、１０５…水素ガス排出路、１１０…空気供給路、１１１…コンプレッサ、１１２…空気排出路、

Claims (7)

1. 単セルを積層して構成される燃料電池の運転監視装置であって、
   前記単セルに設けられた複数の測定点における電圧を検出する電圧検出手段と、
   各前記測定点に設けられた前記電圧検出手段からの検出電圧に基づいて前記燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする運転監視装置。
2. 前記電圧検出手段は、少なくとも前記単セルにおけるガス流路の入口付近と出口付近とに設けられ、
   前記判定手段は、前記ガス流路の入口付近で検出された電圧と前記ガス流路の出口付近で検出された電圧とを比較して前記燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定する、請求項１に記載の運転監視装置。
3. 前記単セルに設けられた各前記測定点で検出された電圧の分布に基づいて当該単セルの発電状態が異常であるか否かを判断する、請求項１または２に記載の運転監視装置。
4. 前記電圧検出手段が、互いに近傍に位置する前記単セルの各々に設けられており、
   前記判定手段は、前記近傍に位置する単セルに設けられた前記電圧検出手段により検出された電圧の分布に基づいて前記燃料電池の発電状態が異常であるか否かを判定する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の運転監視装置。
5. 前記判定手段は、各前記電圧測定手段により検出された電圧のバラツキが所定値より大きい場合に前記燃料電池の発電状態が異常であると判定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の運転監視装置。
6. 前記燃料電池に供給するガスの流量を制御するガス供給手段をさらに備え、
   前記ガス供給手段は、当該燃料電池の発電状態が異常であると判定された場合には、前記ガスの流量を上昇させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の運転監視装置。
7. 前記判定手段は、当該燃料電池の発電状態が異常であると判定した場合には、前記燃料電池の負荷を減少させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の運転監視装置。
   
   

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