JP2006156010A - 燃料電池の監視装置および監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セル群の電圧を正確に比較できる燃料電池の監視装置を提供すること。
【解決手段】 燃料電池の監視装置３０は、アノード電極とカソード電極とを有するセルが複数直列に接続された燃料電池を監視する。この監視装置３０は、セルのうち２つを１つのセル群とし、これらセル群毎に電圧を検出する電圧検出部３１と、各セル群の検出値同士を比較して、セル群のうち電圧が特異な特異セル群を特定する比較部３２１と、前記セル群の検出値および前記特異セル群の検出値を正規化する正規化部３２２と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、陽極と陰極とを有するセルが複数直列に接続された燃料電池の監視装置および監視方法に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、例えば、複数のセルが積層されたスタック構造である。ここで、セルは、それぞれ、固体高分子電解質膜、および、この電解質膜の両側に配設されたアノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）を有する膜電極構造体（ＭＥＡ）と、この膜電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備える。

この燃料電池のアノード電極にガス燃料（例えば、水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、上述した燃料電池では、自動車を駆動するのに十分な電力を得るため、各セルの発電状況を監視することが重要である。そこで、以下のような燃料電池の性能監視方法が提案されている（特許文献１参照）。

この性能監視方法では、まず、複数の直列に接続された燃料電池を少なくとも２つの群に分割し、各群の電圧を測定した後、これら測定された電圧を正規化する。次に、これら正規化した値を所定の基準値と比較したり、あるいは、正規化した値同士を比較したりする。これにより、セル群毎に危険レベルを判断できる。
特表平５−５０２９３号公報

しかしながら、上述した性能監視方法では、セル群の電圧を正規化する際、計算上の誤差が生じるため、測定された電圧を正確に比較することは困難である、という問題がある。

したがって、本発明は、セル群の電圧を正確に比較できる燃料電池の監視装置および監視方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る燃料電池の監視装置（例えば、実施の形態における監視装置３０）は、陽極（例えば、実施の形態におけるアノード電極）と陰極（例えば、実施の形態におけるカソード電極）とを有するセル（例えば、実施の形態におけるセル２）が複数直列に接続された燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）を監視する燃料電池の監視装置であって、前記セルのうち２つ以上を１つのセル群（例えば、実施の形態におけるセル群４０ａ、４０ｂ）とし、これらセル群毎に電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施の形態における電圧検出部３１）と、前記各セル群の検出値同士を比較して、前記セル群のうち電圧が特異な特異セル群を特定する特定手段（例えば、実施の形態における比較部３２１）と、前記セル群の検出値および前記特異セル群の検出値を正規化する正規化手段（例えば、実施の形態における正規化部３２２）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、まず、電圧検出手段において、セル群毎に電圧を検出する。次に、特定手段において、この検出されたセル群の検出値同士を比較して、電圧が特異な特異セル群を特定する。続いて、正規化手段で、セル群の検出値および特異セル群の検出値を正規化する。したがって、検出値同士を比較した後に、これら検出値を正規化したので、セル群の電圧を正確に比較できる。

請求項２に係る燃料電池の監視装置は、請求項１に記載の燃料電池の監視装置において、前記特異セル群の検出値と基準値とを比較して、前記燃料電池の危険レベルを判断する危険レベル判断手段（例えば、実施の形態における燃料電池制御部３２３）をさらに備えることを特徴とする。

従来の性能監視方法では、セル群の電圧を測定した後、正規化してから比較しているため、正規化の計算にかかる時間の分だけ、セル群の危険レベルを判断する処理が負担となる、という問題がある。しかしながら、この発明によれば、特異セル群の検出値を、正規化せずに基準値と比較して、危険レベルを判断したので、セル群の危険レベルを判断する処理を軽減できる。

請求項３に係る燃料電池の監視方法は、陽極と陰極とを有するセルが複数直列に接続された燃料電池の監視方法であって、前記セルのうち２つ以上を１つのセル群とし、これらセル群毎に電圧を検出する手順と、これらセル群の検出値同士を比較して、前記セル群のうち電圧が特異な特異セル群を特定する手順と、前記セル群の検出値および前記特異セル群の検出値を正規化する手順と、を備えることを特徴とする。この発明によれば、検出値同士を比較した後に、これら検出値を正規化したので、セル群の電圧を正確に比較できる。

請求項４に係る燃料電池の監視方法は、請求項３に記載の燃料電池の監視方法において、前記特異セル群の検出値と基準値とを比較して、前記燃料電池の危険レベルを判断する手順をさらに備えることを特徴とする。この発明によれば、特異セル群の検出値と基準値とを、正規化せずに比較して、危険レベルを判断したので、セル群の危険レベルを判断する処理を軽減できる。

請求項１、請求項３に係る発明によれば、セル群の電圧を正確に比較できる。請求項２、請求項４に係る発明によれば、セル群の危険レベルを判断する処理を軽減できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る監視装置３０が適用された燃料電池の監視システム１０のブロック図である。燃料電池の監視システム１０は、燃料電池１と、この燃料電池１に水素や空気を供給する供給装置２０と、この供給装置２０を制御する監視装置３０とを有する。

図２は、燃料電池１の概略断面図である。燃料電池１は、図２に示すように、セル２がｎ個（例えば２２０個）積層されたスタック構造である。各セル２は、膜電極構造体（ＭＥＡ）３と、この膜電極構造体３を挟持する一対のセパレータ４、５とを備える。

上述のセル２は、図２に示すように、第１のセル２ａ、第２のセル２ｂ、および第３のセル２ｃの３種類がある。具体的には、第１のセル２ａ（２）は、陽極としてのアノード電極（図示せず）側のセパレータ４に電圧測定用の端子６を有する。第２のセル２ｂ（２）は、陰極としてのカソード電極（図示せず）側のセパレータ５に電圧測定用の端子７を有する。第３のセル２ｃ（２）は、セパレータ４、５のいずれにも端子を有していない。

燃料電池１の中央から＋極側には、第１のセル２ａおよび第３のセル２ｃが交互に積層され、中央から−極側には、第２のセル２ｂおよび第３のセル２ｃが交互に積層される。ここで、セル２のうち２つを１つのセル群とする。具体的には、中央から＋極側に配置された第１のセル２ａおよび第３のセル２ｃをセル群４０ａとし、中央から−極側に配置された第２のセル２ｂおよび第３のセル２ｃをセル群４０ｂとする。

このとき、積層方向に隣り合うセル２ａ、２ｃおよびセル２ｂ、２ｃ同士の互いに対向する電極同士は同電位となっている。具体的には、例えば、＋極側の端部に位置する第１のセル２ａのカソード電極の電位は、これに隣り合う第３のセル２ｃのアノード電極の電位と同電位になっている。

図１に戻って、供給装置２０は、セル２のカソード電極側に酸素を含む空気を供給するコンプレッサ２１と、セル２のアノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２３とを含んで構成される。

コンプレッサ２１は、酸化剤ガス供給管２４を介して、燃料電池１のセパレータ５に形成された酸化剤ガス通路（図示せず）に接続されている。また、燃料電池１の酸化剤ガス通路には、酸化剤ガス排出管２５が接続され、この酸化剤ガス排出管２５の先端には、燃料電池１のカソード電極側の内圧を調整する背圧弁２６が設けられている。

水素タンク２２は、燃料ガス供給管２７を介して、燃料電池１のセパレータ４に形成された燃料ガス通路（図示せず）に接続されている。また、燃料電池１の燃料ガス通路には、燃料ガス排出管２８が接続され、この燃料ガス排出管２８は、先端に設けられたパージ弁２９で閉鎖されている。エゼクタ２３は、燃料ガス供給管２７の途中に設けられ、燃料ガス排出管２８に流れた水素ガスを燃料ガス供給管２７に還流する。

図３は、監視装置３０のブロック図である。監視装置３０は、電圧検出手段としての電圧検出部３１、演算部３２、および記憶部３３を有する。

電圧検出部３１は、セル群４０ａ、４０ｂ毎に電圧を検出する。具体的には、電圧検出部３１は、複数のコネクタ８、９を備えており、コネクタ８は、第１のセル２ａの端子６に接続され、コネクタ９は、第２のセル２ｂの端子７に接続される。燃料電池１の中央より＋極側では、互いに隣り合う第１のセル２ａのアノード電極の電位差を求めることにより、セル群４０ａの電圧を検出し、中央より−極側では、互いに隣り合う第２のセル２ｂのカソード電極の電位差を求めることにより、セル群４０ｂの電圧を検出する。

演算部３２は、セル群４０ａ、４０ｂの検出値同士を比較して、セル群４０ａ、４０ｂのうち検出値が特異な特異セル群を特定する特定手段としての比較部３２１と、セル群４０ａ、４０ｂの検出値および特異セル群の検出値を正規化する正規化手段としての正規化部３２２と、特異セル群の検出値と基準値とを比較して、燃料電池１の危険レベルを判断し、これら危険レベルに応じて、燃料電池１を制御する危険レベル判断手段としての燃料電池制御部３２３とを備える。

比較部３２１は、電圧検出部３１から検出値を受け取るたびに、受け取った検出値とＶＬＯＷとを比較して、低い方の値をＶＬＯＷとし、検出値とＶＨＩＧＨとを比較して、高い方の値をＶＨＩＧＨとする。また、この比較部３２１は、セル群４０ａ、４０ｂのうちＶＬＯＷが検出されたセル群を、特異セル群とし、さらに、最終的なＶＬＯＷをＷＯＲＳＴとし、最終的なＶＨＩＧＨをＢＥＳＴとする。

正規化部３２２は、ＷＯＲＳＴ、ＢＥＳＴに加え、全てのＶＬＯＷ、および検出値を正規化する。すなわち、これらの値を、セル群４０ａ、４０ｂを構成するセル２の数で除算する。

燃料電池制御部３２３では、ＶＬＯＷを３種類の基準値と比較して、危険レベルを判断し、この危険レベルに応じて、ＶＬＯＷが検出されたセル群４０ａ、４０ｂを制御する。具体的には、燃料電池制御部３２３は、コンプレッサ２１、背圧弁２６、およびパージ弁２９を制御する。

ここで、危険レベルを判断するための３種類の基準値は、単一のセルの基準値を２倍して算出された値であり、第３の基準値、第２の基準値、第１の基準値の順に高くなる。また、電圧が第３の基準値未満である場合を、危険レベル３とし、第３の基準値以上第２の基準値未満である場合を、危険レベル２とする。電圧が第２の基準値以上第１の基準値未満である場合を、危険レベル１とし、第１の基準値以上である場合を、危険レベル０とする。つまり、危険レベルは、レベル０が最も低く、レベル３が最も高い。燃料電池制御部３２３では、これらの危険レベル０〜３に応じて、セル群４０ａ、４０ｂに対する制御内容が異なっている。

燃料電池の監視システム１０の動作について説明する。燃料電池１においては、燃料ガス通路を通してアノード電極に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、酸化剤ガス通路を通してカソード電極に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給する。すると、アノード電極の触媒層（図示せず）で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜（図示せず）を介してカソード電極側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。この際、水素イオン、電子、および酸素が反応して水が生成される。

次に、監視装置３０の動作について、図４を参照しながら説明する。まず、電圧検出部３１でセル群４０ａ、４０ｂの電圧を一端側から順に検出する。例えば、ここでは、＋極側から検出する（ＳＴ１）。

次に、演算部３２の比較部３２１で、電圧検出部３１からの検出値を受け取り、この検出値とＶＬＯＷおよびＶＨＩＧＨとを比較して、ＶＬＯＷおよびＶＨＩＧＨを算出する（ＳＴ２）。なお、最初は、ＶＬＯＷ、ＶＨＩＧＨが存在しないので、２つの検出値同士を比較して、低い方の値をＶＬＯＷ、高い方の値をＶＨＩＧＨとする。また、セル群４０ａ、４０ｂのうちこのＶＬＯＷが検出されたセル群を、特異セル群とする。

続いて、燃料電池制御部３２３でＶＬＯＷに基づいて燃料電池１の制御を行う（ＳＴ３）。以下、このＳＴ３における具体的な手順について、図５を参照しながら説明する。まず、ＶＬＯＷが第３の基準値以上か否かを判定する（ＳＴ３１）。ＶＬＯＷが第３の基準値以上ではないと判定された場合には、ＶＬＯＷが検出された特異セル群を、危険レベル３として制御を行う（ＳＴ３２）。一方、ＶＬＯＷが第３の基準値以上であると判定された場合には、ＳＴ３３に移る。

ＳＴ３３では、ＶＬＯＷが第２の基準値以上か否かを判定する。ＶＬＯＷが第２の基準値以上ではないと判定された場合には、ＶＬＯＷが検出された特異セル群を、危険レベル２として制御を行う（ＳＴ３４）。一方、ＶＬＯＷが第２の基準値以上であると判定された場合には、ＳＴ３５に進む。ＳＴ３５では、ＶＬＯＷが第１の基準値以上か否かを判定する。ＶＬＯＷが第１の基準値以上ではないと判定された場合には、ＶＬＯＷが検出された特異セル群を、危険レベル１として制御を行う（ＳＴ３６）。一方、ＶＬＯＷが第１の基準値以上であると判定された場合には、危険レベル０として制御を行う。

以上のＳＴ１〜ＳＴ３を繰り返す。これにより、燃料電池１の電圧を検出するたびにＶＬＯＷを算出し、このＶＬＯＷに基づいて燃料電池１を制御する。つまり、燃料電池１の一端側から他端側に至るまで、全てのセル群４０ａ、４０ｂの電圧を順次検出しながら、同時に、ＶＬＯＷを次々と算出して、燃料電池１を制御する。

次に、比較部３２１で、最終的なＶＬＯＷをＷＯＲＳＴとし、最終的なＶＨＩＧＨをＢＥＳＴとし（ＳＴ４）、正規化部３２２で、ＷＯＲＳＴ、ＢＥＳＴ、全てのＶＬＯＷ、および検出値を正規化する（ＳＴ５）。そして、ＳＴ５において正規化した値を記憶部３３に格納する（ＳＴ６）。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。監視装置３０に電圧検出部３１、演算部３２、および記憶部３３を設けたので、この監視装置１０は、以下のように動作する。まず、電圧検出部３１において、セル群４０ａ、４０ｂ毎に電圧を検出する。次に、比較部３２１において、この検出されたセル群４０ａ、４０ｂの検出値同士を比較して、電圧が特異な特異セル群を特定する。続いて、正規化部３２２で、セル群４０ａ、４０ｂの検出値および特異セル群の検出値を正規化する。したがって、検出値同士を比較した後に、これら検出値を正規化したので、セル群４０ａ、４０ｂの電圧を正確に比較できる。

監視装置１０に燃料電池制御部３２３を設けたので、特異セル群の検出値を正規化せずに第１〜第３の基準値と比較して、危険レベルを判断したので、セル群４０ａ、４０ｂの危険レベルを判断する処理を軽減できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、本実施形態では、セル２のうち２つを１つのセル群４０ａ、４０ｂとしたが、これに限らず、３つ以上のセル２を１つのセル群としてもよい。

本発明の一実施形態に係る監視装置が適用された燃料電池の監視システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池の概略断面図である。 前記実施形態に係る監視装置のブロック図である。 前記実施形態に係る監視装置のフローチャートである。 前記実施形態に係る監視装置を構成する危険レベル判断手段のフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２、２ａ、２ｂ、２ｃ… セル
４０ａ、４０ｂ…セル群
３０…監視装置
３１…電圧検出部（電圧検出手段）
３２１…比較部（特定手段）
３２２…正規化部（正規化手段）
３２３…燃料電池制御部（危険レベル判断手段）

Claims (4)

1. 陽極と陰極とを有するセルが複数直列に接続された燃料電池を監視する燃料電池の監視装置であって、
   前記セルのうち２つ以上を１つのセル群とし、これらセル群毎に電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記各セル群の検出値同士を比較して、前記セル群のうち電圧が特異な特異セル群を特定する特定手段と、
   前記セル群の検出値および前記特異セル群の検出値を正規化する正規化手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の監視装置。
2. 前記特異セル群の検出値と基準値とを比較して、前記燃料電池の危険レベルを判断する危険レベル判断手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の監視装置。
3. 陽極と陰極とを有するセルが複数直列に接続された燃料電池の監視方法であって、
   前記セルのうち２つ以上を１つのセル群とし、これらセル群毎に電圧を検出する手順と、
   これらセル群の検出値同士を比較して、前記セル群のうち電圧が特異な特異セル群を特定する手順と、
   前記セル群の検出値および前記特異セル群の検出値を正規化する手順と、を備えることを特徴とする燃料電池の監視方法。
4. 前記特異セル群の検出値と基準値とを比較して、前記燃料電池の危険レベルを判断する手順をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の監視方法。
   

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