JP2007080708A - 電池電源の劣化診断方式 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と蓄電池の双方の劣化診断を容易、且つ正確に行うことができる劣化診断方法を提供することが望まれており、この要望に応える為に、燃料電池と蓄電池の双方を測定して診断を行えば良いが、測定装置が燃料電池用と蓄電池用にそれぞれ個別に必要となり測定装置が増えると共にコストが高くなる。そこで、１台の内部抵抗測定装置により燃料電池と蓄電池の双方の劣化診断を容易に、且つ正確に行うことができる劣化診断方法を提供する。
【解決手段】燃料電池と蓄電池とを併用する電池電源の劣化診断方式において、燃料電池と蓄電池の内部抵抗測定を交流四端子法を用いて１台の測定装置で行い、該内部抵抗値により燃料電池と蓄電池の劣化診断をする。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池と蓄電池とを併用して用いる電池電源の劣化診断方式に関するものである。

従来、効率的なエネルギー利用の視点から、水素と酸素（空気）の反応により水と電気が発生することを利用した燃料電池が注目されている。しかし、燃料電池のみで発電させようとした場合、燃料電池は外部負荷の出力変動に対して出力応答が悪いため、例えば無停電電源装置のような瞬時に電力の供給を要するものへの導入は困難であった。そこで、燃料電池と蓄電池を組み合わせて併用することにより、電池電源の給電能力を安定させる事が行われている。また、燃料電池と併用される蓄電池は、燃料電池の起動のみでなく燃料電池起動時に空気を取り込むポンプブロアなどの補器類への電力供給にも使用される。

しかし、燃料電池は長時間連続運転を行うと早期劣化に至ることが確認されている。例えば、燃料極と空気極とこれらの間に配設された高分子電解質膜とを有する固体高分子形燃料電池の主な劣化要因として、水の供給不足による高分子電解質膜のイオン伝導性の低下による特性の低下が挙げられる。逆に、水の供給過多によって空気極側でガス拡散に必要な細孔の閉塞（フラッディングと呼ばれる）を生じやすく、酸素の拡散阻害による特性の劣化が挙げられる。また、長時間高温で連続運転することで白金触媒の粒子が大きくなり、反応効率が低下し、触媒の劣化による性能低下も挙げられる。

また、蓄電池においても突入成分の大きな負荷や大型モーターなどのように大きな始動電流を必要とするものでは、蓄電池の負担が大きくなり早期寿命低下となることがある。

これら燃料電池や蓄電池の性能低下や劣化を評価する方法として、燃料電池のＩ−Ｖ特性の悪化チェック、発電電流と発電電圧から求めた内部抵抗過大チェック、ガス圧力・温度等の変化による電圧・電流の過大の影響のチェック等により劣化診断する方法（特許文献１）や、燃料電池に併設された蓄電池のＯＣＶ−ＳＯＣの関係から検出した充電状態値と充放電電流を積算して求めた充電状態値を比較して劣化診断する方法（特許文献２）等が行われている。
また、鉛蓄電池の内部抵抗値を交流電源を用いて求めて鉛蓄電池の劣化診断をする方法（特許文献３）が知られている。
また、燃料電池の交流インピーダンスを求めて燃料電池の劣化診断をする方法（特許文献４）が知られている。

特開２００４−１７９００３号公報 特開２００３−１３２９６０号公報 特開２００２−３３４７２５号公報 特開２００２−３６７６５０号公報

しかしながら、特許文献１記載の劣化診断方法では、燃料電池の発電電流と発電電圧から求めた内部抵抗の測定により劣化を診断するものである。特許文献２記載の劣化診断方法では、蓄電池のＳＯＣを検出し劣化を診断するものである。特許文献３記載の劣化診断法では、交流電源により内部抵抗を測定して劣化を診断するものである。特許文献４は交流インピーダンスにより燃料電池の劣化を診断するものである。
この様に、各特許文献に記載の方法は、それぞれ異なり、燃料電池または蓄電池のどちらか一方の劣化診断を行うことはあっても、双方の劣化診断を行うものではなく、診断を行っていない方（前者では蓄電池、後者では燃料電池）の劣化を知ることは出来なかった。

このような背景の下、燃料電池と蓄電池の双方の劣化診断を容易、且つ正確に行うことができる劣化診断方法を提供することが望まれている。
この要望に応える為に、燃料電池と蓄電池の双方を測定して診断を行えば良いが、測定装置が燃料電池用と蓄電池用にそれぞれ個別に必要となり測定装置が増えると共にコストが高くなる。

本発明は、燃料電池と蓄電池とを併用する電池電源の劣化診断方式において、燃料電池と蓄電池の内部抵抗測定を交流四端子法を用いて１台の測定装置で行い、この内部抵抗値により燃料電池と蓄電池の劣化診断をすることを特徴とするものである。

この場合に、燃料電池の内部抵抗と蓄電池の内部抵抗がほぼ等しくなるようにして用いることが好ましく、特に燃料電池と蓄電池の内部抵抗はそれぞれ単セルの内部抵抗であることを特徴とするものである。

また、内部抵抗の測定は燃料電池と蓄電池の合成抵抗または／およびスイッチの切替により行うことを特徴とするものである。
更に、燃料電池は電流と電圧を測定して、内部抵抗値とＩ−Ｖ特性により燃料電池の劣化診断をすることを特徴とするものである。

本発明では１台の内部抵抗測定装置により燃料電池と蓄電池の双方の劣化診断を行うものであるから、測定装置が減り小型化が図れ、またコストを安くすることが出来る。更に、抵抗値の近似する単セルの内部抵抗を測定することで、測定精度が良くなる。
また、合成抵抗の測定やスイッチの切替により内部抵抗の測定を行うことで、より一層装置を削減し得るものである。

本発明の実施形態を、図１〜図５より説明する。

図１は、本発明の実施形態の劣化診断方式を説明する概略図である。１は燃料電池部であり、多数の単セルがスタックされた燃料電池本体１１と制御部１２とから構成されている。制御部１２は圧力調整器１２１、加湿器１２２、流量測定器１２３とから構成されている。２は外部負荷および燃料電池本体１１起動のための蓄電池で、例えば複数個直並列接続された制御弁式鉛蓄電池ある。７は計測判定部で、燃料電池本体１１と蓄電池２の双方の内部抵抗を測定する１台の内部抵抗測定装置７１、燃料電池本体１１の電流・電圧を測定する電流・電圧測定装置７２、燃料電池本体１１のガス圧力測定装置７３および劣化判定装置７４からなり総合的に診断を行う判定装置であり、運転制御部８によって燃料電池本体１１の運転制御を行う。

燃料電池部１は、矢示１１１の供給路に従い燃料ガスである水素ガスが圧力調整器１２１で加圧され加湿器１２２で加湿され、流量測定機器１２３を介して燃料電池本体１１に供給される。この燃料ガス１１１は加湿器１２２および流量測定器１２３により一定に供給されている。一方酸化剤ガスとしての空気が矢示１１２の供給路で供給されることにより発電が行われる。空気はポンプブロア等により強制的に供給しても良いし、単に空気取入口を形成して自然吸気としても良い。

電池電源である燃料電池本体１１および蓄電池２の劣化診断は以下の通り行う。
（内部抵抗測定・劣化診断方法）
内部抵抗の測定は１台の内部抵抗測定装置７１により行う。この内部抵抗測定装置７１は、交流電流を各電池の極板間に印加しその結果から内部抵抗を測定するものである。更に具体的には、内部抵抗測定装置７１内にはある１つ若しくは複数の周波数で一定の電流を流す交流電流源と電圧計が内蔵されており、交流四端子法を用いて測定を行うものである。

図２に示す通り、燃料電池本体１１および蓄電池２を並列接続しこれに一定の交流電流を印加してその時の点Ａ、Ｂ間の電圧を測定して合成抵抗値を測定するか、又は図示の如く切替スイッチａ1〜ａ３を介在させて燃料電池本体および蓄電池各々に交流電流を印加して内部抵抗値を測定しても良い。内部抵抗値は、燃料電池も蓄電池もいずれも、新しく劣化していない場合抵抗値は小さく、劣化すると大きくなる。なお、この際測定すべき各電池の内部抵抗に大きな違いがあると測定誤差が生じやすいので、出来るだけ抵抗値を揃えるのが好ましい。例えば蓄電池が制御弁式鉛蓄電池で、燃料電池が固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である場合、各々１個の単セルの内部抵抗を測定する様にすることが望ましく、この用にすることで、測定すべき内部抵抗の範囲は数ｍΩ〜数十ｍΩとすることが出来る。

合成抵抗による劣化診断方法は、燃料電池本体１１と蓄電池２が１種類の場合は、前記したように流した交流電流の値と電圧計で測定した電圧より算出した。また、蓄電池２が２種類以上を用いる場合においても有効である。例えば蓄電池２を鉛蓄電池２１とリチウムイオン電池２２としたとき、初めにスイッチａ１とａ２を閉じる、スイッチａ３を開くことで燃料電池スタックと鉛蓄電池の合成抵抗により劣化診断を行い、次にａ１とａ２を開く、スイッチａ３閉じることでリチウムイオン電池の劣化診断を単独で行い３種類の電池の劣化診断を２回で行うことが可能である。更に、電池の種類が増えた場合には診断回数を低減でき、電池の種類（ｎ）が偶数個の場合ｎ／２、奇数個の場合ｎ＋１／２でそれぞれ診断を行うことが可能である。

（燃料電池のＩ−Ｖ測定・劣化診断方法）
図３は燃料電池のＩ−Ｖ特性曲線である。縦軸は燃料電池本体の電圧、横軸は電流を示す。図示される様に流れる電流が大きくなるに従い電圧は低下することが分かる。図中実線は使用初期即ち新しいＰＥＦＣの特性曲線、点線は長期使用により劣化した時の特性曲線である。図からも明らかな如く、劣化により同一の電流でも電圧が大きく低下する。この特性を利用し劣化判断することが出来る。本実施例では使用初期、即ち実線の値より３０％低下した値を劣化の基準値とした。
この状態を計測すべく、電流・電圧測定装置７２を用いて燃料電池本体の電流と電圧を測定した。この電流・電圧測定装置７２は電流計と電圧計とから構成されている。

しかしながら、図４に示す通り、このＩ−Ｖ特性は燃料電池本体に供給される燃料ガスの供給圧力により影響される。実線で示される特性曲線は通常のガス圧時のものであるが、このガス圧が低下すると点線で示される特性曲線の様に電流が大きくなるに従い電圧の低下度合いが大きくなる。
従って、Ｉ−Ｖ特性により劣化を判定する場合はそのガス圧も計測し、所定範囲の圧力より低下している場合に、圧力を所定範囲内に戻してもＩ−Ｖ特性が回復しないことを確認して劣化を判定することが好ましい。
このガス圧は圧力センサーからなるガス圧測定装置７３で測定し、その結果により劣化判定装置７４を介して運転制御部８によって、圧力制御が可能な圧力調整器１２１を用いて徐々に入力信号を変化させて適切な圧力に調整する様にした。
なお、合成抵抗を測定した場合、燃料電池のＩ−Ｖ特性を用いた劣化診断と組み合わせることにより、燃料電池と蓄電池のどれが劣化しているかを容易に判断することができる。

次に図５を参照して、劣化判定装置７４が行う燃料電池本体１１と蓄電池２の劣化診断をフローチャートで説明する。本発明では、予め基準となる燃料電池および蓄電池の内部抵抗の正常値の範囲、燃料電池の劣化の基準となるＩ−Ｖ特性（図３参照）、燃料電池スタック１１の燃料ガス供給路の末端位置の必要最低圧力およびガス供給の最大供給圧力を決めておく。内部抵抗の正常値の範囲は使用初期の内部抵抗値の所定倍 （２〜３倍） の値以下を正常値の範囲とした。Ｉ−Ｖ特性は使用初期におけるＩ−Ｖ特性を測定し、これより３０％低下した値、即ち、ある特定の電流においてその電圧が使用初期の値の７０％となる値を基準値とした。更に、燃料電池スタックの燃料ガスの運転時圧力を燃料ガス供給路の末端付近の圧力とし、イオン交換膜が耐えられる限界の圧力を最大供給圧力とした。

そして内部抵抗測定装置７１と電流・電圧測定装置７２で被計測単セルの内部抵抗と電圧・電流を計測し、圧力測定装置７３で末端位置のガス圧力を測定し、その値が劣化判定装置７４に入力されると、燃料電池末端位置のガス圧力が最低必要圧力より高いか否かを判断し、高い場合は次に電流に対する電圧が劣化基準を上回るか否かを判断し、上回る場合は、内部抵抗値が正常値の範囲か否かを判断し、正常値の範囲の場合は燃料電池と蓄電池からなる電池電源は正常と判断する。

一方、ガス圧力が最低必要圧力より低い場合、燃料電池の電圧が劣化基準値或いはそれを下回る場合および内部抵抗が正常値の範囲外である場合のいずれかである場合は、燃料ガスの供給圧力が限界圧力である最大供給圧力であるか否かを判断し、最大供給圧力でない場合は所定の値だけ圧力を上げて、再び圧力と電圧と内部抵抗を計測判断し、いずれも正常の場合は燃料ガスの供給圧力をこのまま固定する。電圧と内部抵抗が正常値の範囲内とならない場合は、再び所定の値だけ圧力を上げ計測判断を行い正常値の範囲内と成るまで繰り返す。最大供給圧力に上げても電圧が低いか内部抵抗が範囲外である場合は劣化と判断する。ここで、圧力の所定値は０.１〜１０ｋＰａの範囲内から所望の値を選択するものとする。
なお、基準となる内部抵抗の正常値の範囲は合成抵抗値で定めても良いことは勿論である。

図６および図７に本発明の劣化診断方式の実施例を示す。

図６に第一の実施例として、劣化診断装置を備えた燃料電池部１と蓄電池２とを備える分散電源システムを示す。本発明で用いた燃料電池部１は、定格運転１２Ｖ／１２Ｗ（連続運転時８Ｗ）の固体高分子型燃料電池である。蓄電池２は、制御弁式鉛蓄電池で、定格電圧２Ｖの単セルからなるものを６個直列に接続した。この分散電源システムは、燃料電池本体１１と制御部１２からなる燃料電池部１と蓄電池２と太陽電池２３を備え、該太陽電池２３で発電された電力は、インバータ５で整流され負荷６に供給する。また、余剰電力は売電されるのではなく、太陽電池２３とインバータ５間に挿入された充・放電装置４を介して蓄電池２に貯蔵する。日没後や日射量が不十分で太陽電池２３のみで負荷６に電力を供給できない場合、蓄電池２の電力により負荷６に電力を供給する。また、蓄電池２の残量（容量）が減少してきた場合、燃料電池本体１１を蓄電池２の電力を用いて起動させ、スイッチａを閉成して燃料電池本体１１より負荷６への電力供給を開始する。燃料電池本体１１の発電は、燃料ガスを加湿器１２２で加湿し、圧力調整器１２１で所定の圧力に調整する。そして、流量測定装置を通り、流量が測定され、燃料電池本体１１に供給される。なお、本発明において燃料ガスには水素ガスを用い、酸化剤ガスは空気を自然吸気されるようにした。

この様にした分散電源システムにおいて、燃料電池本体１１の燃料ガス供給路の末端に位置する単セルを選びこれに内部抵抗測定装置を接続した。また、任意の単セルからなる１個の蓄電池２にも接続した。
更に、燃料電池の出力端に電流・電圧測定装置を接続し、燃料電池の燃料ガス供給路の末端に位置する場所にガス圧力測定装置を接続し、更にこれら各測定装置を劣化判定装置に接続した。図中７はこれら各種装置からなる計測判定部である。
更にこの計測判定部７の劣化判定装置を運転制御部８に接続し、該運転制御部８を燃料電池の制御部１２の圧力調整器に接続した。
そして、分散電源システムの運用開始時燃料電池と蓄電池の合成内部抵抗を測定して、その合成抵抗値を初期値とし、更に使用前に求めた燃料電池の基準のＩ−Ｖ特性と、燃料電池の燃料ガスの最大供給圧力として０．０８ＭＰａを設定し、図５に示したフローチャートにより劣化判定を行った。判定結果劣化状態になった場合は計測判定部７に接続された警報器（図示せず）により警報する様にした。

図７に第二の実施例として、車載用燃料電池等の劣化診断装置を示す。車の始動時は、リチウムイオン電池２２を使用する。まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２で所望の電圧まで（昇圧／）降圧させ、インバータ５により直流から交流に変換し走行モーター３４に電力を供給して、車を始動させる。車速がある程度まで上昇した段階で、鉛蓄電池２１またはリチウムイオン電池２２によって燃料電池本体１１を起動する。高圧水素用タンク９１から圧力調整弁９２によって所定の圧力に水素のガス圧を調整し燃料電池本体１１へ供給され、また、水素用ポンプ９３を通して水素ガスは循環される。一方、酸化剤ガス１１２は、空気圧縮器１１４を通して圧力調整器１２１に供給され、その後、燃料電池本体１１に供給される。しばらくすると、燃料電池本体１１が起動し、発電が可能となったらインバータ５を通し、走行モーター３４に電力が供給される。なお、リチウムイオン電池２２は、自動車内の補器類用モーター・電子制御機器３３の電源としても用いられる。ここでいう補器類とは、ガスを供給するためのポンプブロアなどのことであり、電子制御装置とは、回生ブレーキなどのことである。また、リチウムイオン電池２２がトラブルにより発電できなくなった場合は、バックアップ用として鉛蓄電池２１で走行モーター３４や補器類用モーター・電子制御機器３３に電力を供給する。なお、車の始動時に燃料電池本体１１や鉛蓄電池２１を使用しないのは、燃料電池は燃料電池本体が起動するまでに時間がかかり、鉛蓄電池では走行モーター等の電力供給には大電流が要求され、高率放電となり鉛蓄電池が短寿命となってしまうため、始動時はリチウムイオン電池２２から電力を供給することが好ましい。図中、３１はラジエーター、３２はモーターで、燃料電池本体１１を冷却する。

この様に、燃料電池１１とリチウムイオン電池２２と鉛蓄電池２１とからなる電池電源において、各電池の単セルを計測判定部７の内部抵抗測定装置に、図４に示す様にそれぞれスイッチを介して接続し、各スイッチを切り替えて電池の内部抵抗を測定し、更に燃料電池本体１１の電流・電圧およびガス圧を測定し、第一の実施例と同様に各電池の劣化判定を行った。

本発明の劣化診断方法は分散電源や燃料電池自動車など様々な分野で利用可能であり、燃料電池と蓄電池の双方の劣化診断を１台の内部抵抗測定装置により容易且つ正確に行うことが出来る。

本発明の実施形態の劣化診断を示す概略図。 本発明の内部抵抗測定回路。 燃料電池のＩ−Ｖ特性。 燃料電池のガス圧によるＩ−Ｖ特性。 本発明一実施形態を示す燃料電池の劣化診断のフローチャート。 本発明の第一の実施例の説明図。 本発明の他の二実施例の説明図。

符号の説明

１ 燃料電池部
１１ 燃料電池本体
２ 蓄電池
７ 計測判定部
７１ 内部抵抗測定装置
７２ 電流・電圧測定装置
７３ ガス圧測定装置
７４ 劣化判定装置
８ 運転制御部

Claims (4)

1. 燃料電池と蓄電池とを併用する電池電源の劣化診断方式において、燃料電池と蓄電池の内部抵抗測定を交流四端子法を用いて１台の測定装置で行い、該内部抵抗値により燃料電池と蓄電池の劣化診断をすることを特徴とする電池電源の劣化診断方式。
2. 燃料電池と蓄電池の内部抵抗はそれぞれ単セルの内部抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の電池電源の劣化診断方式。
3. 内部抵抗の測定は燃料電池と蓄電池の合成抵抗または／およびスイッチの切替により行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池電源の劣化診断方式。
4. 燃料電池は電流と電圧を測定して、内部抵抗値とＩ−Ｖ特性により燃料電池の劣化診断をすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池電源の劣化診断方式。