JP2007157414A - 燃料電池システムと燃料電池の含水量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のドライアップを抑制することのできる燃料電池システムと燃料電池の含水量測定方法を提供する。
【解決手段】燃料電池２のインピーダンスを測定し、燃料電池２のインピーダンスと含水量との対応を示すマップを参照して、燃料電池２のインピーダンスの測定値に基づいて燃料電池２内の含水量を推定し、燃料電池２のインピーダンスの測定値が、マップ上のインピーダンスと含水量との間に相関があると認められる領域に含まれる場合、含水量の推定値を「０」に補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のインピーダンスから含水量を測定可能な燃料電池システムと燃料電池の含水量測定方法に関する。

反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの分野において、燃料電池のインピーダンスを測定し、あらかじめ用意されているインピーダンスと含水量との対応を示すマップを参照して、燃料電池内の含水量を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

インピーダンスの測定値が所定値以下である場合、すなわち上記マップ上でインピーダンスの測定値に対応する含水量が別の所定値よりも大きい場合は、燃料電池内がフラッディング状態（過度に湿潤した状態）にあると判定され、燃料電池内を乾燥させる処理が行われる。
特開２００４−２４１２３６号公報

ところで、上記のように燃料電池のインピーダンスと含水量との対応を示すマップを参照し、インピーダンスの測定値に基づいて燃料電池内の含水量を推定した場合、実際よりも含水量を多く推定してしまう、言い換えれば、フラッディング状態にあると誤って判定してしまうことがあり、実際には必要のない乾燥処理を行ってドライアップ（過度に乾燥した状態）を招く可能性がある。

本発明の目的は、燃料電池のドライアップを抑制することのできる燃料電池システムと燃料電池の含水量測定方法を提供することである。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記燃料電池のインピーダンスと前記燃料電池内の含水量との対応を示すマップと、前記燃料電池のインピーダンスの測定値とに基づいて、前記含水量を推定する含水量推定手段と、前記燃料電池のインピーダンスの測定値が、前記マップ上の前記インピーダンスと前記含水量との間に相関があると認められる領域に含まれる場合、前記含水量の推定値を「０」に補正する含水量補正手段と、を備える。

燃料電池の含水量が実際よりも多く推定された場合には、燃料電池内の水分を減少させる乾燥処理が実施されることがある。しかしながら、上記のように構成された燃料電池システムによれば、含水量の推定値が「０」に補正されることにより、燃料電池には水分が含まれていない、すなわち非常に乾燥した状態にあるとみなすことができ、不要あるいは過度の乾燥処理を回避することが可能となる。したがって、燃料電池内を必要以上に乾燥させてしまうことはない。

本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の出力電圧を測定する電圧測定手段と、前記燃料電池のインピーダンスの測定値が、前記マップ上の前記インピーダンスと前記含水量との間に相関があると認められない領域に含まれ、かつ前記出力電圧の測定値が所定値以下である場合に、前記燃料電池内がフラッディング状態にあるとみなすフラッディング判定手段と、を備えていてもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池がフラッディング状態にあるとみなされた場合に、当該燃料電池に乾燥処理を施して前記含水量を減少させてもよい。

燃料電池内の含水量がある量以上になると、燃料電池のインピーダンスにほとんど変化が見られなくなる。このような傾向の見られる領域が、「インピーダンスと含水量との間に相関があると認められない領域」に相当する。そこで、上記のように構成された燃料電池システムによれば、インピーダンスの測定値が上記の「相関があると認められない領域」に含まれ、かつ燃料電池の出力電圧の測定値が所定値以下である場合には、燃料電池内がフラッディング状態にあるとみなし、乾燥処理を施して含水量を減少させる。これにより、含水量を適切な量に保つことができる。その結果、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。

なお、インピーダンスと含水量との間に相関がある場合の一例としては、これらの関係を示す直線または曲線の傾きが所定の閾値以上、言い換えれば、含水量の単位変化量に対するインピーダンスの変化量（変化率）が所定値以上である場合をいう。ここで、曲線の傾きとは、当該曲線に対する接線の傾き（例えば、図２の符号θ参照）をいう。

本発明によれば、燃料電池のドライアップを抑制して燃料電池を健全な状態に保つことができる。また、本発明によれば、燃料電池の含水量を適切な量に保つことによって燃料電池の発電効率を高く維持することができる。

本発明の燃料電池システムの燃料電池システムの第１の実施形態を、図１および図２に示して説明する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、図１に示すように、水素ガスを貯蔵する水素タンク１と、最小発電単位であるセル（単電池）の積層体を備えた燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガス（空気）を供給するコンプレッサ３と、酸化ガスを加湿する加湿器４と、燃料電池２から排出された水素ガスのオフガス（水素オフガス）を燃料電池２に戻すポンプ５と、システム１００内の各種機器の動作を制御する制御装置２０とを備えている。

燃料電池２には、燃料電池２によって発電された電力を蓄える蓄電池６と、燃料電池２によって発電された電力または蓄電池６に蓄えられた電力によって駆動するモータ７とが接続されている。

水素タンク１と燃料電池２の水素ガスマニホールド（図示略）の入口との間には、燃料電池２に水素ガスを供給する配管８が設けられている。配管８には、水素タンク１と燃料電池２との間を連通あるいは遮断する遮断弁ＳＶと、水素タンク１から供給される水素ガスの圧力を調節するレギュレータＲＧとが設けられている。なお、これら遮断弁ＳＶとレギュレータＲＧは、複数設けられていてもよい。

大気に連通する吸気部９と燃料電池２の酸化ガスマニホールド（図示略）の入口との間には、燃料電池２に酸化ガス（空気）が流通する配管１０が設けられている。配管１０には、上記コンプレッサ３と加湿器４とが設けられている。燃料電池２の水素ガスマニホールド（図示略）の出口には、電気化学反応後の水素オフガスが流通する配管１１の一端が接続されている。

配管１１には、上記ポンプ５が設けられている。燃料電池２の酸化ガスマニホールド（図示略）の出口には、電気化学反応後に残った余剰ガス、および電気化学反応によって発生した水が流通する配管１２の一端が接続されている。配管１１の他端および配管１２の他端は１本に集結されている。

冷媒供給系１３と燃料電池２の冷媒マニホールド（図示略）の入口との間には、燃料電池２に冷媒を供給する配管１４が設けられている。燃料電池２の冷媒マニホールド（図示略）の出口と冷媒供給系１３には、燃料電池２を冷却した冷媒が流通する配管１５が設けられている。冷媒は、配管１４，１５を介して冷媒供給系１３と燃料電池２との間を循環する。

燃料電池２には、セルまたはセル積層体の交流インピーダンス（以下、単に「燃料電池２のインピーダンス」ということがある。）を測定するインピーダンス測定器（インピーダンス測定手段）１７と、１つのセル又は複数のセルの出力電圧（以下、単に「セルの出力電圧」ということがある。）を測定するセルモニタ（電圧測定手段）１８と、が設けられている。

制御装置２０は、図示しないコンピュータシステムによって構成されている。このコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インターフェイスおよびディスプレイ等を備え、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御信号が実現される。

制御装置２０のＲＯＭには、燃料電池２のインピーダンスと含水量との対応を示すマップ（図２のグラフに相当する）が記録されている。このマップ上には、燃料電池２のインピーダンスと含水量との間に相関があると認められる領域（図２中の領域Ａ）と、相関があると認められない領域（図２中の領域Ｂ）とが、マップ曲線Ｌに対する接線？の傾きθを閾値として、定義（画定）されている。

また、このマップ上には、含水量に基づいて燃料電池２がフラッディング状態にあると認められる領域（図２中のＣ）と、同じく含水量に基づいて燃料電池２がドライアップ状態にあると認められる領域（図２中のＤ）とが、フラッディング判定閾値Ｕとドライアップ判定閾値Ｌとによって、定義（画定）されている。

また、制御装置２０には、含水量推定器（含水量推定手段）２１としての機能と、含水量補正器（含水量補正手段）２２としての機能とが付与されている。

含水量推定器２１は、ＲＯＭに記録された上記マップを参照し、燃料電池２のインピーダンスの測定値に基づいて燃料電池２内の含水量を推定する。含水量補正器２２は、燃料電池２のインピーダンスの測定値が、上記マップ上の領域Ａに含まれる場合、含水量の推定値を「０」に補正する。

次に、上記のように構成された燃料電池システム１００における燃料電池２の含水量推定について説明する。

含水量推定器２１が、図２のグラフに相当する上記マップを参照し、燃料電池２のインピーダンスの測定値に基づいて、燃料電池２内の含水量が所定の値（図２中の値Ｕ）以上であると推定すると（すなわち、フラッディング状態にあると推定すると）、制御装置２０は、燃料電池２内の水分を減少させる所定の乾燥処理を実施する。この乾燥処理としては、例えば、加湿器４による酸化ガスの加湿量を通常よりも少なくする、又は、冷媒供給系１３による冷媒の供給量を少なくする、又は、これらを同時に実施する等がある。

以上とは逆に、含水量推定器２１が、上記マップを参照し、燃料電池２のインピーダンスの測定値に基づいて、燃料電池２内の含水量が所定の値（図２中の値Ｌ）以下であると推定すると（すなわち、ドライアップ状態にあると推定すると）、制御装置２０は、例えば加湿器４による酸化ガスの加湿量を通常よりも多くする、又は、冷媒供給系１３による冷媒の供給量を多くする、又は、これらを同時に実施する等して、燃料電池２内の水分を増加させる。

さらに、含水量補正器２２は、燃料電池２のインピーダンスの測定値が、上記マップ上の領域Ａに含まれる場合には、含水量の推定値を「０」に補正する。

上記のように構成された燃料電池システム１００によれば、燃料電池２の含水量が実際よりも多く推定され得る状況であっても、含水量の推定値を強制的に「０」に補正することにより、燃料電池２に水分が含まれていないとみなすことができるので、燃料電池２に対する不要な乾燥処理あるいは過度の乾燥処理を回避することが可能となる。したがって、燃料電池２のドライアップを抑制することができる。

次に、本発明の燃料電池システムの第２の実施形態を、図３および図４に示して説明する。なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システム１００に具備される制御装置２０には、図３に示すように、含水量推定器２１、含水量補正器２２としての機能の他に、フラッディング判定器（フラッディング判定手段）２３としての機能も付与されている。フラッディング判定器２３は、燃料電池２のインピーダンスの測定値が、上記マップ上の領域Ｂに含まれ、かつセルの出力電圧の測定値が所定の閾値以下である場合に、フラッディング状態にあると判定する。

次に、上記のように構成された燃料電池システム１００の制御について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、制御装置２０は、セルモニタ１８の測定結果に基づいて、セルの出力電圧が所定の閾値以下であるか否かを判定する。また、インピーダンス測定器１７の測定結果に基づいて、燃料電池のインピーダンスが所定の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１）。

セルの出力電圧が所定の閾値以下であって、かつ燃料電池のインピーダンスが所定の閾値（図２中の値Ｐ）以下である場合、すなわち燃料電池２のインピーダンスと含水量との相関が認められない領域Ｂに含まれる場合、制御装置２０のフラッディング判定器２３は、燃料電池２がフラッディング状態にあると判定する。

ステップＳ１において燃料電池２がフラッディング状態にあると判定されると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御装置２０は、例えば上記第１の実施形態と同様の所定の乾燥処理を実施する（ステップＳ２）。これに対し、ステップＳ１において燃料電池２がフラッディング状態にないと判定されると（ステップＳ１：ＮＯ）、制御装置２０は図４の処理を終了する。

ステップＳ２においてある一定の条件のもとに燃料電池２の乾燥処理が行われたら、インピーダンス測定器１７の測定結果に基づいて、今度は燃料電池２のインピーダンスが所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において燃料電池２のインピーダンスが所定の閾値以上である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、制御装置２０は、含水量を「０」に補正する（ステップＳ４）。これに対し、ステップＳ３において燃料電池２のインピーダンスが所定の閾値よりも小さい場合（ステップＳ３：ＮＯ）には、制御装置２０は、ステップＳ２に戻って以降の処理を繰り返す。

ステップＳ４において含水量を強制的に「０」にする補正を行ったら、制御装置２０は図４の処理を終了する。

上記のように構成された燃料電池システム１００によれば、燃料電池２のインピーダンスの測定値が上記の「相関があると認められない領域」に含まれ、かつセルの出力電圧の測定値が所定の閾値以下である場合には、フラッディング状態にあるとみなし、所定の乾燥処理を実施して燃料電池２内の含水量を減少させている。これにより、燃料電池２内の含水量を適切な量に保つことができる。その結果、燃料電池２の発電効率を高く維持することができる。

本発明の第１の実施形態を示す図であって、燃料電池システムの概略図である。 燃料電池のインピーダンスと燃料電池内の含水量との対応を示すマップである。 本発明の第２の実施形態を示す図であって、燃料電池システムの概略図である。 第２の実施形態の燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

２…燃料電池、１７…インピーダンス測定器（インピーダンス測定手段）、１８…セルモニタ（電圧測定手段）、２０…制御装置、２１…含水量推定器（含水量推定手段）、２２…フラッディング判定器（フラッディング判定手段）、１００…燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   前記燃料電池のインピーダンスと前記燃料電池内の含水量との対応を示すマップと、前記燃料電池のインピーダンスの測定値とに基づいて、前記含水量を推定する含水量推定手段と、
   前記燃料電池のインピーダンスの測定値が、前記マップ上の前記インピーダンスと前記含水量との間に相関があると認められる領域に含まれる場合、前記含水量の推定値を「０」に補正する含水量補正手段と、を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の出力電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記燃料電池のインピーダンスの測定値が、前記マップ上の前記インピーダンスと前記含水量との間に相関があると認められない領域に含まれ、かつ前記出力電圧の測定値が所定値以下である場合に、前記燃料電池内がフラッディング状態にあるとみなすフラッディング判定手段と、を備える燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池がフラッディング状態にあるとみなされた場合に、当該燃料電池に乾燥処理を施して前記含水量を減少させる燃料電池システム。
4. 燃料電池のインピーダンスを測定する工程と、
   前記燃料電池のインピーダンスと前記燃料電池の含水量との対応を示すマップと、前記燃料電池のインピーダンスの測定値とに基づいて、前記含水量を推定する工程と、
   前記燃料電池のインピーダンスの測定値が、前記マップ上の前記インピーダンスと前記含水量との間に相関があると認められる領域に含まれる場合に、前記含水量の推定値を「０」に補正する工程と、を備える燃料電池の含水量測定方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池の含水量測定方法であって、
   前記燃料電池の出力電圧を測定する工程と、
   前記燃料電池のインピーダンスの測定値が、前記マップ上の前記インピーダンスと前記含水量との間に相関があると認められない領域に含まれ、かつ前記出力電圧の測定値が所定値以下である場合に、前記燃料電池がフラッディング状態にあるとみなす工程と、を備える燃料電池の含水量測定方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池の含水量測定方法であって、
   前記燃料電池がフラッディング状態にあるとみなされた場合に、当該燃料電池に乾燥処理を施して前記含水量を減少させる工程を備える燃料電池の含水量測定方法。
   
   

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