JP2008021611A - Voltage measuring system and method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池において、最低単位セル電圧を検出するための燃料電池の電圧測定システム及び電圧測定方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell voltage measurement system and a voltage measurement method for detecting a minimum unit cell voltage in a fuel cell in which a plurality of unit cells are electrically connected in series.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備え、複数の前記単位セルが電気的に直列に積層されることにより、スタック化された燃料電池(燃料電池スタックともいう)が構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. An electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane includes a unit cell sandwiched between separators, and a plurality of the unit cells are electrically stacked in series. Thus, a stacked fuel cell (also referred to as a fuel cell stack) is configured.
ところで、この種の燃料電池では、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。いずれかの単位セルの発電性能が低下すると、この単位セルの電圧(最低単位セル電圧)に基づいた制御が必要になるからである。このため、通常、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置(セル電圧モニタ)に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。 By the way, in this type of fuel cell, it is necessary to detect whether each unit cell has a desired power generation performance. This is because if the power generation performance of any unit cell is reduced, control based on the voltage of the unit cell (minimum unit cell voltage) is required. For this reason, usually, an operation of detecting a cell voltage for each unit cell during power generation by connecting a cell voltage terminal provided in the separator to a voltage detection device (cell voltage monitor) is performed.
しかしながら、例えば、車載用として使用される燃料電池では、数十〜数百の単位セルを積層しており、全ての単位セル毎にセル電圧を検出することは、現実的ではない。そこで、特許文献1に開示されている燃料電池の性能監視方法及び装置が知られている。
However, for example, in a fuel cell used for in-vehicle use, several tens to several hundreds of unit cells are stacked, and it is not realistic to detect a cell voltage for every unit cell. Therefore, a fuel cell performance monitoring method and apparatus disclosed in
この特許文献1では、図7に示すように、20個の燃料電池1a〜1tが電気的に直列に接続されたスタック2を備えるとともに、それぞれ5つの燃料電池1a〜1e、1f〜1j、1k〜1o及び1p〜1tで構成される4つの群1〜群4に分割されている。各群1〜群4の出力電圧を測定するために、それぞれ独立した電圧測定ユニットV1〜V4を設けている。
In
電圧測定ユニットV1は、群1を構成する5つの直列接続された燃料電池1a〜1eから発生される電圧を測定し、電圧測定ユニットV2は、群2を構成する燃料電池1f〜1jによって発生される電圧を測定し、電圧測定ユニットV3は、群3を構成する燃料電池1k〜1oによって発生される電圧を測定し、さらに、電圧測定ユニットV4は、群4を構成する燃料電池1p〜1tによって発生される電圧を測定している。
The voltage measuring unit V1 measures the voltage generated from the five series-connected
上記のスタック2では、例えば、前記スタック2内の燃料電池1a〜1tの合計電圧(すなわち、群1〜群4の電圧の和)を、群の数で除算した結果を群基準電圧として使用している。
In the
次いで、電圧測定ユニットV1で得られる燃料電池1a〜1eの電圧が群基準電圧と比較され、さらに、電圧測定ユニットV2、V3及びV4の順に、これらで検出される各電圧が群基準電圧と比較されている。
Next, the voltages of the
しかしながら、上記の特許文献1では、群基準電圧との比較によって、例えば、群2の電圧低下が検出されても、燃料電池1f〜1kの最低単位セル電圧を正確に算出することができないという問題がある。
However, in the above-mentioned
具体的に、燃料電池1fのセル電圧が0.2Vであり、その他の燃料電池1g〜1jのセル電圧が0.6Vである場合、スタック2全体の保護制御を行うために設定される最低単位セル電圧は、正規化された単位セル電圧であって、(0.2V+0.6V×4)/5=0.52Vとなる。
Specifically, when the cell voltage of the fuel cell 1f is 0.2V and the cell voltages of the other fuel cells 1g to 1j are 0.6V, the minimum unit set for performing protection control of the
従って、実際の最低単位セル電圧(0.2V)に近い値を設定することができず、実際の最低単位セル電圧に基づいた適正な制御が遂行されないという問題がある。これにより、スタック全体は、実際の最低単位セル電圧よりも高圧側で制御されてしまい、燃料電池1fを保護することができないというおそれがある。 Accordingly, there is a problem that a value close to the actual minimum unit cell voltage (0.2V) cannot be set, and proper control based on the actual minimum unit cell voltage is not performed. As a result, the entire stack is controlled on the higher voltage side than the actual minimum unit cell voltage, and the fuel cell 1f may not be protected.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、実際の最低単位セル電圧に近似した値を容易且つ確実に算出することができ、燃料電池全体の適正な制御が良好に遂行され、信頼性及び耐久性を向上させることが可能な燃料電池の電圧測定システム及び電圧測定方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can easily and reliably calculate a value approximating the actual minimum unit cell voltage, so that proper control of the entire fuel cell can be performed satisfactorily, and reliability It is another object of the present invention to provide a voltage measuring system and a voltage measuring method for a fuel cell capable of improving durability.
本発明は、複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池と、前記燃料電池を、2以上の前記単位セルを含む少なくとも2つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する群電圧測定装置と、前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する平均単位セル電圧算出装置と、前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する最低群電圧検出装置と、最低群電圧−平均単位セル電圧×(群の単位セル数−1)=最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する最低単位セル電圧決定装置とを備えている。 The present invention divides a fuel cell in which a plurality of unit cells are electrically connected in series, and the fuel cell into at least two groups including two or more unit cells, and the divided voltages for each group A group voltage measuring device that measures the group voltage, an average unit cell voltage calculating device that calculates an average unit cell voltage by dividing the total voltage of the entire fuel cell by the total number of unit cells, and each of the groups The lowest group cell voltage is calculated from the lowest group voltage detection device for detecting the lowest group voltage and the lowest group voltage-average unit cell voltage × (number of unit cells in group-1) = lowest unit cell voltage. A minimum unit cell voltage determining device.
また、群は、2つの単位セルを含むことが好ましい。最低単位セル電圧決定装置の演算処理が一挙に簡素化されるからである。 The group preferably includes two unit cells. This is because the arithmetic processing of the lowest unit cell voltage determination device is simplified at once.
さらに、本発明は、複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池を、2以上の前記単位セルを含む少なくとも2つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する工程と、前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する工程と、前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する工程と、最低群電圧−平均単位セル電圧×(群の単位セル数−1)=最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する工程とを有している。 Further, according to the present invention, a fuel cell in which a plurality of unit cells are electrically connected in series is divided into at least two groups including two or more unit cells, and a group is a voltage for each divided group. A step of measuring a voltage; a step of calculating an average unit cell voltage by dividing the total voltage of the entire fuel cell by the total number of unit cells; and detecting the lowest group voltage among the group voltages of each group And a step of calculating the lowest unit cell voltage from the lowest group voltage−average unit cell voltage × (number of unit cells in group−1) = lowest unit cell voltage.
本発明では、最低群電圧、平均単位セル電圧及び群の単位セル数に基づいて、最低単位セル電圧が算出されるため、実際の最低単位セル電圧に近似した値を容易且つ確実に算出することができる。これにより、燃料電池全体の適正な制御が良好に遂行され、出力制御等の保護動作が確実に行われて信頼性及び耐久性を向上させることが可能になる。 In the present invention, since the lowest unit cell voltage is calculated based on the lowest group voltage, the average unit cell voltage, and the number of unit cells in the group, it is possible to easily and reliably calculate a value that approximates the actual lowest unit cell voltage. Can do. As a result, proper control of the entire fuel cell can be satisfactorily performed, and a protective operation such as output control can be reliably performed to improve reliability and durability.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電圧測定システム10の概略構成説明図であり、図2は、前記電圧測定システム10の要部概略説明図である。
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a
図2に示すように、電圧測定システム10は、複数、例えば、10個の単位セル12a〜12jが電気的に直列に接続される燃料電池14を備える。なお、実際上、車載型燃料電池では、数十〜数百の単位セルが電気的に直列に接続されているが、説明の簡素化を図るため、便宜的に10個の単位セル12a〜12jを有する燃料電池14を採用する。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池14は、それぞれ2以上、例えば、2つの単位セル12aと12b、12cと12d、12eと12f、12gと12h及び12iと12jを含む少なくとも2つ、例えば、5つの群16a〜16eに分割される。燃料電池14には、分割された各群16a〜16e毎の電圧である群電圧(Vass)を測定するための第1セル電圧モニタ(群電圧測定装置)18a〜第5セル電圧モニタ(群電圧測定装置)18eが接続される。
The
第1セル電圧モニタ18a〜第5セル電圧モニタ18eは、制御部20に接続される。制御部20は、燃料電池14全体の総電圧(Vall)を単位セル12a〜12jの総数で除算することにより、平均単位セル電圧(Vav)を算出する平均単位セル電圧算出装置(回路)22と、各群16a〜16eの群電圧(Vass)の中、最低群電圧(Vasslow)を検出する最低群電圧検出装置(回路)24と、最低群電圧(Vasslow)−平均単位セル電圧(Vuav)×(群の単位セル数−1)=最低単位セル電圧(Vulow)から前記最低単位セル電圧(Vulow)を算出する最低単位セル電圧決定装置(回路)26とを備える。
The first cell voltage monitor 18 a to the fifth
図1に示すように、単位セル12a〜12jは、それぞれ電解質膜・電極構造体28を備える。この電解質膜・電極構造体28は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜30と、前記固体高分子電解質膜30を挟持するアノード側電極32及びカソード側電極34とを有する。電解質膜・電極構造体28は、図示しないセパレータ間に介装されて矢印A方向に積層される。
As shown in FIG. 1, each of the
燃料電池14には、燃料ガス供給装置36と、酸化剤ガス供給装置38とが設けられる。燃料ガス供給装置36は、制御部20に接続される水素供給部40を備え、この水素供給部40から導出される水素は、水素供給路42を通って各電解質膜・電極構造体28を構成するアノード側電極32に供給される。アノード側電極32の排出側には、水素排出路44が接続されるとともに、前記水素排出路44にパージ弁46が配設される。パージ弁46は、制御部20により開閉制御される。
The
酸化剤ガス供給装置38は、制御部20に接続されるエアコンプレッサ48を備え、このエアコンプレッサ48から導出される空気は、空気供給路50を通って各電解質膜・電極構造体28を構成するカソード側電極34に供給される。カソード側電極34の排出側には、空気排出路52が接続されるとともに、前記空気排出路52に圧力調整弁54が配設される。圧力調整弁54は、制御部20により開度制御される。
The oxidant
燃料電池14には、例えば、走行用モータ等の負荷56が接続されており、前記燃料電池14の発電により得られる電流が前記負荷56に供給される。なお、燃料電池14には、図示しないが、冷却媒体を循環供給するための冷却媒体供給装置が設けられる。
For example, a
このように構成される電圧測定システム10の動作について、本発明の電圧測定方法との関連で、図3に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
The operation of the
先ず、制御部20を介して燃料ガス供給装置36及び酸化剤ガス供給装置38が駆動される。燃料ガス供給装置36では、水素供給部40から水素供給路42に水素が導出され、この水素は、燃料電池14を構成する各電解質膜・電極構造体28のアノード側電極32に供給された後、水素排出路44に排出される。
First, the fuel
一方、酸化剤ガス供給装置38では、エアコンプレッサ48から空気供給路50に空気が導出されると、この空気は、各電解質膜・電極構造体28のカソード側電極34に供給された後、空気排出路52に排出される。従って、各電解質膜・電極構造体28では、アノード側電極32に供給される燃料ガス(水素)と、カソード側電極34に供給される酸化剤ガス(酸素)とが、図示しない電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
On the other hand, in the oxidant
このため、図2に示すように、燃料電池14を構成する単位セル12a〜12jで発電され、第1セル電圧モニタ18a〜第5セル電圧モニタ18eを介して各群16a〜16eの群電圧(Vass)が算出される(図3中、ステップS1)。
Therefore, as shown in FIG. 2, power is generated in the
第1セル電圧モニタ18a〜第5セル電圧モニタ18eは、制御部20に接続されており、これらにより測定された群電圧(Vass)は、最低群電圧検出装置24に送られる。この最低群電圧検出装置24では、全ての群電圧(Vass)の中、最も電圧が低い最低群電圧(Vasslow)が検出される(ステップS2)。
The first cell voltage monitor 18 a to the fifth cell voltage monitor 18 e are connected to the
また、各群16a〜16eの群電圧(Vass)は、平均単位セル電圧算出装置22に送られる。この平均単位セル電圧算出装置22では、各群16a〜16eの群電圧(Vass)を総和した燃料電池14全体の総電圧(Vall)を単位セル総数(10)で除算することにより、平均単位セル電圧(Vav)が算出される(ステップS3)。
The group voltage (Vass) of each
次いで、最低単位セル電圧決定装置26では、最低群電圧(Vasslow)−平均単位セル電圧(Vuav)×(群の単位セル数−1)=最低単位セル電圧(Vulow)から前記最低単位セル電圧(Vulow)が算出される(ステップS4)。
Next, in the lowest unit cell
ここで、第1の実施形態では、各群16a〜16eの各単位セル数が2つであり、実質的に、最低単位セル電圧決定装置26では、最低群電圧(Vasslow)−平均単位セル電圧(Vuav)=最低単位セル電圧(Vulow)から前記最低単位セル電圧(Vulow)が算出される。
Here, in the first embodiment, the number of unit cells in each of the
さらに、ステップS5に進んで、上記の算出された最低単位セル電圧(Vulow)に基づいて、例えば、燃料電池14の出力制限やエア増量又は減量、増圧又は減圧、水素増量又は減量、増圧又は減圧、アイドル停止判断等の各種スタック保護制御が実施される。
Further, the process proceeds to step S5, and based on the calculated minimum unit cell voltage (Vlow), for example, output limitation of the
この場合、第1の実施形態では、最低群電圧(Vasslow)及び平均単位セル電圧(Vuav)に基づいて、最低単位セル電圧(Vulow)が算出されている。このため、実際の最低単位セル電圧(Vulow)に近似した値を容易且つ確実に算出することができる。 In this case, in the first embodiment, the lowest unit cell voltage (Vlow) is calculated based on the lowest group voltage (Vasslow) and the average unit cell voltage (Vuav). Therefore, a value approximate to the actual minimum unit cell voltage (Vlow) can be easily and reliably calculated.
具体的には、図4に示すように、例えば、単位セル12dの出力電圧が0.2Vに低下していると、群16bに接続された第2セル電圧モニタ18bを介して最低群電圧(Vasslow)=0.8Vが検出される。一方、燃料電池14全体の総電圧(Vall)=5.6Vが得られ、この総電圧(Vall)が単位セル総数(10)で除算されると、平均単位セル電圧(Vuav)=0.56Vが算出される。次に、最低群電圧(Vasslow)=0.8Vから平均単位セル電圧(Vuav)=0.56Vを減ずることにより、最低単位セル電圧(Vulow)=0.24Vが算出される。
Specifically, as shown in FIG. 4, for example, when the output voltage of the
これに対して、第1セル電圧モニタ18a〜第5セル電圧モニタ18eにより検出されたそれぞれの群電圧(Vass)を単位セル12a〜12j毎の電圧に正規化すると、単位セル12a、12b、12e〜12jでは、それぞれ1.2V/2=0.6Vとなる一方、単位セル12c、12dでは、0.8V/2=0.4Vとなる。従って、最低単位セル電圧(Vulow)=0.4Vとなってしまう。
On the other hand, when the respective group voltages (Vass) detected by the first cell voltage monitor 18a to the fifth
従って、第1の実施形態では、実際の最低単位セル電圧(Vulow)=0.2Vに近似した値(0.24V)が得られ、従来の正規化する方式に比べて、高精度な最低単位セル電圧(Vulow)の算出処理が遂行される。これにより、燃料電池14全体の適正な制御が良好に遂行され、出力制限等の保護動作が確実に行われて、前記燃料電池14の信頼性及び耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
Therefore, in the first embodiment, a value (0.24V) approximate to the actual minimum unit cell voltage (Vulow) = 0.2V is obtained, and the minimum unit is more accurate than the conventional normalization method. A cell voltage (Vlow) calculation process is performed. As a result, proper control of the
図5は、本発明の第2の実施形態に係る電圧測定システム60の要部概略説明図である。なお、第1の実施形態に係る電圧測定システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of a main part of a
電圧測定システム60は、複数、例えば、20個の単位セル12a〜12tが電気的に直列に接続される燃料電池62を備える。燃料電池62は、2以上、例えば、それぞれ4つの単位セル12a〜12d、12e〜12h、12i〜12l、12m〜12p、12q〜12tを含む5つの群64a〜64eに分割される。
The
燃料電池62には、分割された各群64a〜64e毎の電圧である群電圧(Vass)を算出するための第1セル電圧モニタ(群電圧測定装置)66a〜第5セル電圧モニタ(群電圧測定装置)66eが接続される。
The
このように構成される電圧測定システム60は、図6に示すフローチャートに沿って動作する。
The
単位セル12a〜12tから発生する電圧を具体的に例示して、以下に説明すると、前記単位セル12a〜12tの中、例えば、単位セル12eの電圧が0.2Vであって、他の単位セル12a〜12d、12f〜12tの電圧が0.6Vである。
The voltage generated from the
先ず、各群64a〜64eの群電圧(Vass)が算出された後(ステップS11)、最低群電圧(Vasslow)=2.0Vが検出される(ステップS12)。そして、ステップS13に進んで、燃料電池62全体の総電圧(Vall)2.4V×4+2.0V=11.6Vが算出され、この総電圧11.6Vが単位セル数である20により除算されて、最低単位セル電圧(Vulow)=0.58Vが算出される。
First, after the group voltage (Vass) of each of the groups 64a to 64e is calculated (step S11), the lowest group voltage (Vasslow) = 2.0V is detected (step S12). In step S13, the total voltage (Vall) of the
さらに、ステップS14に進み、最低群電圧(Vasslow)−(平均単位セル電圧(Vuav)×(群の単位セル数−1)=2.0V−0.58V×3=0.26V、すなわち、最低単位セル電圧(Vulow)が算出される。次いで、上記の最低単位セル電圧(Vulow)=0.26Vに基づいて、各種スタック保護制御が実施される(ステップS15)。 In step S14, the lowest group voltage (Vasslow) − (average unit cell voltage (Vuav) × (number of unit cells in group−1) = 2.0V−0.58V × 3 = 0.26V, that is, the lowest The unit cell voltage (Vulow) is calculated, and various stack protection controls are performed based on the lowest unit cell voltage (Vulow) = 0.26 V (step S15).
ここで、例えば、群64bを構成する単位セル12e〜12hを正規化すると、2.0V÷4=0.5Vとなり、最低単位セル電圧(Vulow)=0.5Vとなり、実際の値0.2Vに比べて相当に大きくなってしまう。
Here, for example, when the
従って、第2の実施形態では、実際の値2.2Vに近似した最低単位セル電圧(Vulow)=0.26Vが得られ、燃料電池62全体の適正な保護制御が良好に遂行され、信頼性及び耐久性の向上を図ることができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, in the second embodiment, the minimum unit cell voltage (Vulow) = 0.26 V approximate to the actual value of 2.2 V is obtained, and proper protection control of the
10、60…電圧測定システム 12a〜12t…単位セル
14、62…燃料電池 16a〜16e、64a〜64e…群
18a〜18e、66a〜66e…セル電圧モニタ
20…制御部 22…平均単位セル電圧算出装置
24…最低群電圧検出装置 26…最低単位セル電圧決定装置
28…電解質膜・電極構造体 30…固体高分子電解質膜
32…アノード側電極 34…カソード側電極
36…燃料ガス供給装置 38…酸化剤ガス供給装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池を、2以上の前記単位セルを含む少なくとも2つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する群電圧測定装置と、
前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する平均単位セル電圧算出装置と、
前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する最低群電圧検出装置と、
最低群電圧−平均単位セル電圧×(群の単位セル数−1)=最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する最低単位セル電圧決定装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池の電圧測定システム。 A fuel cell in which a plurality of unit cells are electrically connected in series;
A group voltage measuring device that divides the fuel cell into at least two groups including two or more unit cells, and measures a group voltage that is a voltage for each of the divided groups;
An average unit cell voltage calculation device for calculating an average unit cell voltage by dividing the total voltage of the entire fuel cell by the total number of unit cells;
Among the group voltages of each group, the lowest group voltage detection device for detecting the lowest group voltage,
Lowest group voltage-average unit cell voltage × (number of unit cells in group−1) = lowest unit cell voltage determination device for calculating the lowest unit cell voltage from lowest unit cell voltage
A voltage measurement system for a fuel cell, comprising:
前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する工程と、
前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する工程と、
最低群電圧−平均単位セル電圧×(群の単位セル数−1)=最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の電圧測定方法。 Dividing a fuel cell in which a plurality of unit cells are electrically connected in series into at least two groups including two or more unit cells, and measuring a group voltage that is a voltage for each divided group; ,
Calculating an average unit cell voltage by dividing the total voltage of the entire fuel cell by the total number of unit cells;
Detecting the lowest group voltage among the group voltages of each group;
Calculating the lowest unit cell voltage from the lowest group voltage−average unit cell voltage × (number of unit cells in group−1) = lowest unit cell voltage;
A method for measuring a voltage of a fuel cell, comprising:
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2006
- 2006-07-14 JP JP2006194399A patent/JP2008021611A/en active Pending
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