JP2006210070A - 燃料電池システム及び燃料電池の状態診断方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池の状態診断方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 より簡単に精度よく発電性能を診断することのできる燃料電池システム及びその状態診断方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池スタックのセル電圧を測定し(ステップS5)、測定したセル電圧に基づきフラッディングを診断する(ステップS7)。フラッディングの診断期間中(ステップS1:YES)は、燃料電池スタックの出力条件を一定に保持する(ステップS3)。フラッディングが診断された場合(ステップS7:YES)には、反応ガスの供給状態を変化させる等、フラッディング対策を講じる(ステップS9)。
【選択図】 図2

Description

本発明は、燃料電池に反応ガスを供給して発電する燃料電池システム及び燃料電池の状態診断方法に関し、特に、発電性能の診断精度向上に有効な技術に関する。
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセル(燃料電池)をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。かかる電気化学反応によってセル内には水が生成され、この生成水がセル内に過量に溜まるフラッディングを生じると、発電効率が低下したり、セル電圧が低下する。特許文献1には、セル電圧を測定し、電圧の振動に基づき発電性能を診断する技術が開示されている。
特開2004−127915号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、複数のセルからなるセルグループ毎に出力電圧を計測した後、計測した出力電圧(以下、セル電圧)の経時変化を非振動成分と振動成分とに分解し、これら両成分に基づいて発電性能を診断するものであるから、診断ロジックが複雑になるという課題がある。
また、セル電圧の振動は、フラッディングなどに起因して生じているものと予想されているが、特許文献1では、セル電圧の振幅が小さい程、フラッディングが生じていると診断する構成であるため、発電条件の変化等、フラッディング以外の要因によるものをフラッディングと誤診する虞がある。
そこで、本発明は、より簡単に精度よく発電性能を診断することのできる燃料電池システム及びその状態診断方法の提供を目的とする。
本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池に接続された電気負荷での消費電力を制御する消費電力制御手段と、前記燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段によって測定されたセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する状態診断手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記消費電力制御手段は、前記発電性能を診断する期間にわたり、前記燃料電池からの出力を一定とする。
このような構成によれば、発電性能の診断中は、燃料電池からの出力を一定にした状態でセル電圧を測定しているので、発電性能の診断に用いられる測定セル電圧への、燃料電池出力の変化に由来する電圧振動成分の混入は抑制される。
本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池への反応ガス供給量を制御するガス供給量制御手段と、前記燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段によって測定されたセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する状態診断手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記ガス供給量制御手段は、前記発電性能を診断する期間にわたり、前記燃料電池への反応ガス供給量を一定とする。
このような構成によれば、発電性能の診断中は、出力電圧に影響を及ぼす反応ガス供給量を一定にした状態でセル電圧を測定しているので、発電性能診断に用いられる測定セル電圧への、反応ガス供給量の変化に由来する電圧振動成分の混入は抑制される。
ところで、本発明の発明者は、燃料電池内の含水量分布について鋭意研究を続けた結果、燃料電池においては、総マイナス側に向かって含水量が増加する傾向にあることを見出した。このような知見に基づいてなされた本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段によって測定されたセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する状態診断手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記状態診断手段は、総マイナス側付近の燃料電池のみのセル電圧の振動に基づき、前記発電性能を診断する。
このような構成によれば、複数の燃料電池を積層してなる燃料電池スタック、あるいは複数の燃料電池が直列に接続された回路において、例えば発電性能低下の一要因と予想されているフラッディングの発生し易い燃料電池に対してのみ選択的に診断が行われるので、全てのセル電圧を測定する必要がなく、特にフラッディングの診断をより一層簡単に行うことが可能となる。
上記各構成において、測定されたセル電圧の周波数成分とその割合とに基づき、前記発電性能を診断してもよい。
例えば、測定電圧の時系列関数(時間的変動)をフーリエ変換やウェーブレット変換等の変換手法を用いて周波数域関数に変換し、かかる周波数域関数において、所定周波数またはその近傍に所定強度以上のピークが検知された場合は発電性能の低下(例えば、フラッディングの発生)と診断される。このような構成によれば、測定電圧の経時変化を非振動成分と振動成分とに分解する必要がなく、診断ロジックが簡素になる。また、所定周波数強度のピーク値を基準に発電性能が診断されるので、発電性能の診断精度も向上する。
上記各構成において、前記発電性能の低下が予想あるいは診断された場合に、反応ガスの供給状態を変化させてもよい。
例えば、カソードへの反応ガス(酸化ガス)供給系については、反応ガスの供給量や脈動供給頻度を増やすことによって、カソードからの生成水排出を促進する。また、カソードオフガスを利用して反応ガスを加湿する加湿器を備えた燃料電池システムにおいては、反応ガスに加湿器をバイパスさせることによって、未加湿の反応ガスをセルに供給する。
また、アノードへの反応ガス(燃料ガス)供給系についても、反応ガスの供給量やパージ頻度を増やすことによって、カソード側からアノード側に拡散した水の排出を促進する。いずれにしても、カソードにおける生成水およびアノードにおける拡散水の排出が促進されるので、発電性能低下の一要因と予想されているフラッディングの未然防止あるいは解消が可能となる。
以上のとおり、これらカソードへの反応ガス供給系およびアノードへの反応ガス供給系のいずれにおいても、セルに供給される反応ガスの状態を変化させることによって、セル外への生成水及び拡散水の排出が促進されるので、特にフラッディングの未然防止あるいは解消が可能となる。
上記各構成において、前記燃料電池を冷却する冷却系と、該冷却系による冷却能を制御する冷却能制御手段とを備え、該冷却能制御手段は、前記発電性能の低下が予想あるいは診断された場合に冷却能を低減させてもよい。
このような構成によれば、例えば発電性能低下の一要因と予想されているフラッディングの発生が予想あるいは診断されると、スタック冷却能の低減に伴いスタック温度が上昇し、セル内の飽和水蒸気量が増える。その結果、セル内に存在する水(生成水、拡散水)が水蒸気としてセル外に排出される量も増え、特にフラッディングの未然防止あるいは解消が可能となる。
本発明に係る燃料電池システムの状態診断方法は、反応ガスが供給されて発電する燃料電池のセル電圧を測定し、測定したセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する燃料電池の状態診断方法であって、前記燃料電池の出力条件を一定としながら前記発電性能を診断する。
このような構成によれば、例えば電気負荷での消費電力や反応ガス供給量等のような、燃料電池の出力電圧に影響を及ぼす条件を一定にした状態でセル電圧を測定しているので、発電性能の診断に用いられる測定セル電圧への、該性能診断に不適切な要因に由来する電圧振動成分の混入を抑制することが可能となる。
本発明によれば、少なくとも発電性能の診断期間中は、燃料電池の出力電圧あるいはそれに影響を及ぼす条件を一定にした状態でセル電圧を測定するので、発電性能の診断に不適切な要因に由来するセル電圧の振動を抑制し得て、より簡単かつ精度良く、燃料電池の発電性能を診断することができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システムを示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用が可能である。
同図に示すように、酸化ガス(反応ガス)としての例えば空気(外気)は、空気供給路71を介して燃料電池20のカソード入口側に供給される。空気供給路71には空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、供給空気圧を検出する圧力センサP4及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。コンプレッサA3は、制御部50に制御されるコンプレッサモータMによって駆動される。
燃料電池20から排出される空気オフガスは排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、圧力調整弁A4及び加湿器A21の熱交換器が設けられている。圧力センサP1は燃料電池20のカソード側出口近傍に設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20のカソード出口側の圧力を調整することにより、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
圧力センサP4及びP1の検出信号は制御部50に送られる。制御部50は、コンプレッサA3及び圧力調整弁A4を調整することによって燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
燃料ガス(反応ガス)としての例えば水素ガスは、水素供給源30から燃料供給路74を介して燃料電池20のアノード入口側に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
燃料供給路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する水素供給バルブH100、その下流のガス圧力を検出する圧力センサP6、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、その下流のガス圧力を検出する圧力センサP9、燃料電池20のアノード側入口と燃料供給路74間を開閉するFC入口弁H21、及び燃料電池20のアノード入口側ガス圧力を検出する圧力センサP5が設けられている。圧力センサP5、P6及びP9の検出信号は制御部50に供給される。
燃料電池20で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路75に排出され、燃料供給路74の調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池20と水素循環路75を連通/遮断するFC出口弁H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離器H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、水素オフガスを加圧する水素ポンプH50及び逆止弁H52が設けられている。
FC入口弁H21及びFC出口弁H22は燃料電池のアノード側を閉鎖する。温度センサT31の検出信号は制御部50に供給される。水素ポンプH50は、制御部50に制御される水素ポンプモータMによって駆動される。水素オフガスは燃料供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。逆止弁H52は燃料供給路74の水素ガスが水素循環路75側に逆流することを防止する。各種の弁H100、H21、H22は制御部50からの信号で駆動される。
水素循環路75は、パージ弁H51を介してパージ流路76によって排気路72に接続される。排出制御弁H51は電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出(パージ)する。
燃料電池20は、燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。セルは、MEA(膜−電極接合体)と、MEAを挟持する一対のセパレータとを備えて構成され、全体として積層形態を有している。MEAは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜を両面から挟んだ一対の電極(アノードおよびカソード)とで構成されている。
各セルにはセル電圧モニタ(電圧測定手段)11からの測定端子が接続されていて、各セルのセル電圧を測定できるようになっている。セル電圧モニタ11の検出信号は、制御部50に供給される。
図3は、セル電圧モニタ11から制御部50への出力を模式的に示した図であり、同図に示すように、制御部50へはセル電圧の経時変化、つまり、セル電圧の振動が時系列関数として入力される。なお、図3(a)は通常発電時の状態、(b)はフラッディング発生前の状態、つまり、フラッディングの発生を予想することができる状態、(c)はフラッディング発生時の状態を示している。制御部50の詳細については後述する。
燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータ(電気負荷)13を駆動するインバータ12と、コンプレッサモータMや水素ポンプモータMなどの各種の補機類を駆動する補機インバータ(図示略)と、二次電池への充電や二次電池からの上記モータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータ(図示略)などが備えられている。
制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成され、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
制御部50は、所定のタイミングにて実施されるフラッディングの診断(時系列的に変化する燃料電池の発電性能の診断)期間中は、燃料電池スタック20の出力条件を一定に制御する。一定にする出力条件には、例えば、燃料電池スタック20にインバータ12を介して接続された駆動モータ13の消費電力、燃料電池スタック20に補機インバータを介して接続されたコンプレッサモータMや水素ポンプモータM等の補機消費電力、燃料電池スタック20への空気供給量及び/又は水素供給量等がある。
また制御部50は、セル電圧モニタ11にて測定されたセル電圧の振動に基づきフラッディングを診断し、フラッディングの発生を予想あるいは診断した場合は、フラッディングの未然防止あるいはフラッディングを解消すべく、所定の処理を実行する。フラッディングの発生が予想される場合としては、例えば、低負荷運転が長時間続いた場合や、外気温が低く燃料電池スタック20の外表面が冷え易い状態にある場合等がある。
フラッディングの診断では、まず、セル電圧モニタ11より入力されたセル電圧の時系列関数を、例えばフーリエ変換やウェーブレット変換等の変換手法を用いて、図4に示すような周波数域関数に変換し、例えば同図の(b)に示すように、所定周波数Hzまたはその近傍に所定強度Ps以上のピークを検知した場合に、フラッディングと診断する。
なお、図4(a)は、通常発電時におけるセル電圧の時系列関数を周波数域関数に変換したものであり、上記所定周波数Hzまたはその近傍に所定強度Ps以上のピークが検知されないことを示している。
以上より、本実施形態の制御部50は、燃料電池スタック20に接続された電気負荷(駆動モータ13等)の消費電力を一定に制御する消費電力制御手段としての機能と、セル電圧モニタ(セル電圧測定手段)11によって測定された電圧の振動に基づきフラッディングを診断する状態診断手段としての機能と、燃料電池スタック20への反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)供給量を一定に制御するガス供給量制御手段としての機能を兼ね備えている。
図2は、制御部50によるフラッディング診断の内容、言い換えれば、本発明に係る燃料電池システムの状態診断方法の一実施の形態を記述したフローチャートである。
この制御部50が実行する主制御プログラムの中で、所定のイベント発生時にこのフローチャートに示すルーチンが呼び出されると、まず、フラッディング診断中であるかどうかが判定され(ステップS1)、フラッディング診断中でない場合(ステップS1:NO)は、ステップS3以降の処理をスキップし、処理は主制御プログラムに戻る。
一方、フラッディング診断中である場合(ステップS1:YES)は、フラッディング以外の要因によるセル電圧の振動を抑制する処理を実行する(ステップS3)。具体的には、燃料電池スタック20の出力条件を一定に保持すべく、例えば、駆動モータ13の消費電力、コンプレッサモータMや水素ポンプモータM等の補機消費電力、燃料電池スタック20への空気供給量及び水素供給量が一定となるように制御する。
しかる後、セル電圧モニタ11にてセル電圧を測定し(ステップS5)、制御部50はその測定結果を用いてフラッディングを診断する(ステップS7)。具体的には、セル電圧モニタ11より入力されたセル電圧の時系列関数をフーリエ変換によって周波数域関数に変換し、該変換結果より所定周波数Hzまたはその近傍に所定強度Ps以上のピークを検知した場合(図4(b)参照)は、フラッディングが発生していると診断する。
ステップS5,S7においては、電気負荷での消費電力(電気負荷への供給電力)や反応ガス供給量のように、フラッディング以外の要因で燃料電池スタック20の出力電圧に影響を及ぼす条件を一定(不変)にした状態でセル電圧を測定し、該セル電圧を用いてフラッディングを診断しているので、フラッディング以外の要因に由来するセル電圧の振動を抑制し得て、フラッディングを精度良く診断することが可能になっている。
ステップS7において、フラッディングの発生を検知した場合(ステップS7:YES)には、ステップS9にて所定のフラッディング対策を実行する。具体的には、酸化ガスの供給量や脈動供給頻度を増やすことによって、カソードからの生成水排出を促進したり、燃料ガスの供給量やパージ頻度を増やすことによって、カソード側からアノード側に移動した拡散水の排出を促進する。
一方、ステップS7の判定において、セル電圧を時系列関数から周波数域関数に変換した結果からは、所定周波数Hzまたはその近傍に所定強度Ps以上のピークを検知することができなかった場合(図4(a)参照)には、フラッディングが発生していないと診断し(ステップS7:NO)、ステップS9の処理をスキップし、処理は主制御プログラムに戻る。
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システム及びその状態診断方法は、少なくともフラッディングの診断期間中は、出力電圧に影響を及ぼす条件を一定にした状態でセル電圧を測定し、フラッディング以外の要因による電圧の振動を抑制した上でフラッディングの診断を行うようにしたので、より簡単かつ精度良くフラッディングを診断することができる。
<第2実施形態>
図1では図示を省略しているが、同図に示す燃料電池システムには、図5に示すように、燃料電池スタック20を冷却する冷却路(冷却系)73が設けられている。この冷却路73には、燃料電池20から排水される冷却水の温度を検出する温度センサT1、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータC2、冷却水を加圧して循環させるポンプC1及び燃料電池20に供給される冷却水の温度を検出する温度センサT2が設けられている。ラジエータC2にはモータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。
制御部50は、この冷却路73を流通する冷媒(冷却水)による燃料電池スタック20の冷却能を制御することにより、図2のステップS9におけるフラッディング対策を実施してもよい。具体的には、フラッディングの発生が予想あるいは診断された場合に、ポンプC1を駆動するモータの回転数を下げて冷却水循環量を減らす、又は/及び冷却ファンC13の回転数を下げて冷却(熱交換)量を減らすことにより、冷媒による燃料電池スタック20の冷却能を低減させる。
このような構成によれば、フラッディングの発生が予想あるいは診断されると、スタック冷却能の低減に伴いスタック温度が上昇し、セル内の飽和水蒸気量が増える。その結果、セル内に存在する水(生成水、拡散水)が水蒸気としてセル外に排出される量も増え、フラッディングの未然防止あるいは解消が可能となる。
<他の実施形態>
上記各実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、燃料電池スタック20の一部のセルのセル電圧、あるいは燃料電池スタック20の総電圧の振動に基づいて、フラッディングの診断を行うようにしてもよい。
その一例として、フラッディングの診断を燃料電池スタック20のうち総マイナス側付近のみのセルのセル電圧の振動に基づき行うようにした場合には、相対的にフラッディングの発生し易いセルに対してのみ選択的に診断が行われる結果、全てのセルについて電圧を測定する必要がなくなり、フラッディングの診断をより一層簡単に行うことができる。
また、フラッディング対策としては、上記の他に、加湿器A21をバイパスさせることによって未加湿の酸化ガスを燃料電池スタック20に供給する構成としてもよい。このような構成によれば、セル内への水分の持ち込みを抑制することができる一方で、セル外への水分の持ち去りを促進することもできるので、フラッディングの未然防止または解消が可能となる。
さらに、上記実施形態では、時系列的に変化する発電性能の診断例として、フラッディングを診断しているが、フラッディング以外の要因によってもセル電圧は振動するので、本発明はフラッディング以外の状態を診断する際にも適用可能である。
また、本発明の燃料電池は、上記実施形態のような燃料電池スタック20に限らず、単セルや、複数の単セルが直列に接続された回路構成のものでもよい。
本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を示す概略構成図。 フラッディング診断処理の内容を示すフローチャート。 セル電圧の時系列変化を示す図であって、(a)は通常時、(b)はフラッディング発生前、(c)はフラッディング発生時の状態を示している。 セル電圧の周波数成分と強度との関係を示す図であって、(a)は通常時、(b)はフラッディング発生時の状態を示している。 本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態を示す概略構成図。
符号の説明
1…セル、2…MEA(膜−電極接合体)、3a,3b…セパレータ、100…電位差変更手段、101…バッテリ(外部電源)、110…制御部、111…セル電圧監視部

Claims (7)

  1. 反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池に接続された電気負荷での消費電力を制御する消費電力制御手段と、前記燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段によって測定されたセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する状態診断手段と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記消費電力制御手段は、前記発電性能を診断する期間にわたり、前記燃料電池からの出力を一定とする燃料電池システム。
  2. 反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池への反応ガス供給量を制御するガス供給量制御手段と、前記燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段によって測定されたセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する状態診断手段と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記ガス供給量制御手段は、前記発電性能を診断する期間にわたり、前記燃料電池への反応ガス供給量を一定とする燃料電池システム。
  3. 反応ガスが供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池のセル電圧を測定する電圧測定手段と、該電圧測定手段によって測定されたセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する状態診断手段と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記状態診断手段は、総マイナス側付近の燃料電池のみのセル電圧の振動に基づき、前記発電性能を診断する燃料電池システム。
  4. 前記状態診断手段は、測定されたセル電圧の周波数成分とその割合とに基づき、前記発電性能を診断する請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記発電性能の低下が予想あるいは診断された場合に、反応ガスの供給状態を変化させる請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池を冷却する冷却系と、該冷却系による冷却能を制御する冷却能制御手段とを備え、
    該冷却能制御手段は、前記発電性能の低下が予想あるいは診断された場合に冷却能を低減させる請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 反応ガスが供給されて発電する燃料電池のセル電圧を測定し、測定したセル電圧の振動に基づき、時系列的に変化する燃料電池の発電性能を診断する燃料電池の状態診断方法であって、
    前記燃料電池の出力条件を一定としながら前記発電性能を診断する燃料電池の状態診断方法。
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