JP2009212000A - 燃料電池セルの面内電流分布推定システム及び推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの面内電流分布を高い精度で推定しつつ、演算処理に要する負荷は軽減できるようにする。
【解決手段】燃料電池セルの面内を互いに並列接続された複数の回路要素に分割したと仮定し、そのときの各回路要素における電流−電圧特性と水素濃度との関係をマップ化して記憶しておく。燃料電池セルの面内電流分布を推定するときには、各回路要素における水素濃度を取得し、取得した水素濃度を前記マップに照らして各回路要素の電流−電圧特性を特定する。また、燃料電池セルのセル電圧Ｖを取得する。そして、各回路要素の電流−電圧特性にセル電圧Ｖを当てはめることで各回路要素に流れる電流ｉ１〜ｉ５を推定する。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池セルの面内電流分布推定システム及び推定方法に関し、特に、燃料電池セルの面内を複数の回路要素に見立てて各回路要素を流れる電流を推定することによって面内電流分布を推定するシステム及び方法に関する。

燃料ガスの欠乏に起因して生じる触媒のカーボン腐食は、燃料電池セルの耐久性を低下させる深刻な現象である。これを防止する方法としては、燃料電池セルの面内電流分布を計測し、その計測結果をシステムの制御に反映させるのが有効である。しかし、燃料電池セルの面内電流分布を実際に計測しようとすると、多数の電流センサをセル面に沿って配置せねばならない。通常、燃料電池セルは多数枚積層されて燃料電池スタックとして使用されるものであるから、システム全体としてのコストは多大なものになってしまう。

下記の非特許文献には、燃料電池セルにおけるカーボン腐食の数学モデルについて記載されている。ここに記載されたモデルは、燃料電池セルの面内のガス状態と、面内で起きる反応との関係を各種の理論式で表したものであり、それら理論式を演算することで発電電流やカーボン酸化電流を算出できるようになっている。この文献には、アノード側ガス流路の流れ方向に沿って燃料ガス濃度に分布をもたせ、そのときに生じるガスの流れ方向の電流分布を上記モデルを用いてシミュレーションした結果も記載されている。

この文献に記載されているモデルを用いれば、電流センサを用いなくとも、燃料電池セルの面内電流分布を正確に推定することができると考えられる。

Jeremy P. Meyers and Robert M. Darling, Model of Carbon Corrosion in PEM Fuel Cells, J. Electrochem. Soc., Volume 153, Issue 8, pp. A1432-A1442 (2006)

上記文献に記載されたモデルは各種の理論式からなるものであるため、システムの演算処理装置には理論式の演算に伴う負荷が掛かることになる。その負荷は、電流分布の分解能を高くするほど、また、演算周期を短くするほど大きくなる。演算処理装置は、その他にも複数のジョブを処理しているため、一つのジョブに要する演算負荷はできる限り抑えたい。

しかし、カーボン腐食の発生を未然に防止するためには、推定する面内電流分布の分解能は高いほうが望ましい。また、面内電流分布を左右する燃料ガス濃度の分布は燃料電池セルの運転状態に応じて変化することから、高い精度で面内電流分布を推定するためには演算周期は短く設定しておくのが望ましい。したがって、上記文献に記載されたモデルを用いて面内電流分布の推定を行う場合には、推定精度と引き換えに演算負荷が高くなってしまうことは避けられなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池セルの面内電流分布を高い精度で推定しつつ、演算処理に要する負荷は軽減できるようにした面内電流分布推定システム及び推定方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池セルの面内電流分布を推定するシステムであって、
燃料電池セルの面内を、仮想的に、互いに並列接続された複数の回路要素に分割する仮想分割手段と、
前記回路要素における電流−電圧特性と燃料ガス濃度との関係を定めたマップを記憶する記憶手段と、
各回路要素における燃料ガス濃度を取得する燃料ガス濃度取得手段と、
各回路要素の電流−電圧特性を、当該回路要素における燃料ガス濃度を前記マップに照らして特定する電流−電圧特性特定手段と、
前記燃料電池セルのセル電圧を取得する電圧取得手段と、
各回路要素に流れる電流を、当該回路要素の電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて推定する電流推定手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記電流推定手段は、負電流が流れている回路要素については、予め設定されているカーボン酸化電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて負電流に占めるカーボン酸化電流を推定する
ことを特徴としている。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池セルの面内電流分布を推定する方法であって、
燃料電池セルの面内を互いに並列接続された複数の回路要素に分割したときの、前記回路要素における電流−電圧特性と燃料ガス濃度との関係を定めたマップを予め用意しておくステップと、
各回路要素における燃料ガス濃度を取得するステップと、
各回路要素の電流−電圧特性を、当該回路要素における燃料ガス濃度を前記マップに照らして特定するステップと、
前記燃料電池セルのセル電圧を取得するステップと、
各回路要素に流れる電流を、当該回路要素の電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて推定するステップと、
を含むことを特徴としている。

また、第４の発明は、第３の発明において、
負電流が流れている回路要素について、予め設定されているカーボン酸化電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて、負電流に占めるカーボン酸化電流を特定するステップ、
をさらに含むことを特徴としている。

第１の発明によれば、燃料電池セルの面内が、仮想的に、互いに並列接続された複数の回路要素に分割され、その回路要素の電流−電圧特性が予め用意されたマップに燃料ガス濃度と関係付けて記憶されている。したがって、各回路要素に流れる電流を推定するには、当該回路要素における燃料ガス濃度を取得し、取得した燃料ガス濃度をマップに照らして電流−電圧特性を特定するだけでよい。これにより、面内電流分布の推定のための演算処理に要する負荷は低く抑えられる。

第２の発明によれば、負電流が流れている回路要素については、予め用意されたカーボン酸化電流−電圧特性にセル電圧を照合するだけで負電流に占めるカーボン酸化電流を推定することができる。これにより、カーボン酸化電流の推定のための演算処理に要する負荷は低く抑えられる。

第３の発明によれば、各回路要素における燃料ガス濃度を予め用意されたマップに照らして各回路要素の電流−電圧特性を特定し、それとセル電圧とに基づいて各回路要素に流れる電流を推定することにより、面内電流分布の推定に要する負荷を低く抑えることができる。

第４の発明によれば、カーボン酸化電流−電圧特性を予め用意しておき、それとセル電圧とに基づいて負電流が流れている回路要素に流れるカーボン酸化電流を推定することにより、カーボン酸化電流の推定に要する負荷を低く抑えることができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

図１は、本発明の実施の形態のＦＣシステムの構成を説明するための図である。図１に示すＦＣシステムは、積層された複数の燃料電池セル１０からなる燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は複数のシステム補器４を介してＥＣＵ６によって制御される。システム補器４には、空気を燃料電池スタック２のカソードに供給するコンプレッサ、その空気を加湿する加湿器、カソードからのオフガスの通路に配置された背圧調整バルブ、水素ガスのアノードへの供給圧を調整する供給圧調整バルブ、アノードからのオフガス通路に配置された排気バルブ等の機器が含まれる。

ＦＣシステムには、燃料電池スタック２の運転状態を取得するための複数のセンサ８が設けられている。センサ８には、燃料電池スタック２に繋がる空気の供給通路に設けられた圧力計及び露点計、空気オフガスの排出通路に設けられた圧力計、水素の供給通路に設けられた圧力計及び露点計、水素オフガスの排出通路に設けられた圧力計、そして、冷却水の排出通路に配置された温度計等が含まれる。ＥＣＵ６は、各種センサ８の出力から個々の燃料電池セル１０の内部におけるガス状態を取得し、その情報に基づいて個々の燃料電池セル１０における面内の電流分布を推定している。

ＥＣＵ６は燃料電池セル１０の面内電流分布の推定に等価回路モデルを使用する。図２はこの等価回路モデルについて説明するための図である。

まず、図２の（Ａ）には、燃料電池セル１０の構成を示している。燃料電池セル１０は、図２の紙面奥行き方向に広がりを有する板状の構造物である。燃料電池セル１０の内部には、電解質膜をアノード触媒とカソード触媒とで挟んで形成された膜電極接合体２０が備えられている。膜電極接合体２０は一対のセパレータ２２，２４によって両側を挟まれている。膜電極接合体２０のカソード側には、酸素を含む酸化ガス（本実施形態では空気とする）を面内に流通させるためのガス流路２６が形成されている。また、アノード側には、燃料ガス（本実施形態では水素とする）を面内に流通させるためのガス流路２８が形成されている。なお、図に示す燃料電池セル１０は、カソード側ガスとアノード側ガスとが対向して流れるカウンターフロー型になっているが、本発明はカソード側ガスとアノード側ガスとが並行して流れるコフロー型の燃料電池セルにも適用することができる。

燃料電池セル１０のモデル化では、まず、図２の（Ｂ）に示すように、燃料電池セル１０を反応ガスの流路に沿って複数個の小セル１１，１２，１３，１４，１５に仮想的に分割する。ここでは５つの小セルに分割しているが、これは説明を簡単にするためであって、実際にはより多数の小セルに分割する。各小セル１１〜１５は、電気的に並列接続されているものとする。

各小セル１１〜１５に流れる電流を推定することは、燃料電池セル１０の面内電流分布を推定することに等しい。ここで、各小セル１１〜１５を流れる電流の向きや大きさを決める主要なパラメータの一つがアノードの水素濃度である。水素濃度は小セル１１〜１５間で必ずしも一様ではない。例えば、システムの起動時には、アノード側ガス流路２８に溜まった不活性ガスを水素に置き換える処理が行われる。このとき、水素への置き換えは上流側から順に進むため、下流側の小セルまで水素が届くには時間を要する。図２の（Ｂ）には、小セル１１〜１５における水素濃度分布の一例を示している。この例の場合、上流側の小セル１１，１２，１３では正常な発電反応が起きる。しかし、下流側の小セル１４，１５では水素不足によって正常な発電反応ではなく、異常反応である触媒のカーボン腐食が起きる可能性がある。

図２の（Ｃ）に示す電気回路は、各小セル１１〜１５を等価な回路要素に置き換えたもの、すなわち、燃料電池セル１０の等価回路モデルである。ここで用いる回路要素は電圧源と抵抗体である。図２の（Ｂ）に示す例では、正常な発電反応が起きる小セル１１，１２，１３はそれぞれ電圧源Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３で表すことができる。一方、正常な発電反応が起きない小セル１４，１５はそれぞれ抵抗体Ｒ４，Ｒ５で表すことができる。各小セル１１〜１５は隣接する小セルと抵抗ｒによって並列接続されている。この抵抗ｒはセパレータ２２，２４が有する抵抗に相当する。

図２の（Ｃ）に示す等価回路モデルでは、電圧源Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３にはそれぞれ順方向の電流ｉ１，ｉ２，ｉ３が流れる。一方、抵抗体Ｒ４，Ｒ５には逆方向の電流ｉ４，ｉ５が流れる。ここでは、アノード側からカソード側へ流れる電流を順方向の電流とする。各小セル１１〜１５が電圧源と抵抗体のいずれの回路要素になるか、また、どれだけの電流が流れるかは、各小セル１１〜１５のアノードの水素濃度によって決まる。

図３は、等価回路モデルで用いる各回路要素の電流−電圧特性と、アノードの水素濃度との関係を示す図である。図３に示すように、水素濃度がある濃度よりも高いときには、各回路要素は電圧の低下に伴って電流値が上昇するような電流−電圧特性を示す。電圧源Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の電流−電圧特性がそれにあたる。アノードの水素濃度が高い電圧源ほど、同電圧に対する電流値はより大きな値を示す。一方、水素濃度がある濃度よりも低いときには、各回路要素は電圧の上昇に伴って大きな負電流を発生させるような電流−電圧特性を示す。抵抗体Ｒ４，Ｒ５の電流−電圧特性がそれにあたる。このとき発生する負電流は、水分解による水分解電流と、触媒のカーボン酸化に伴うカーボン酸化電流との総和である。

図３に示す電流−電圧特性と水素濃度との関係はマップ化されてＥＣＵ６に記憶されている。ただし、図３では電流−電圧特性を示す曲線（以下、電流−電圧曲線）が４本引かれているが、マップではより多くの電流−電圧曲線が水素濃度に関連付けて引かれている。マップのデータは、実際に実験を行って得たものでもよく、前述の非特許文献に記載されているような理論式を演算して得たものでもよい。

ＥＣＵ６は、各小セル１１〜１５の水素濃度を取得し、取得した水素濃度に基づいて各小セル１１〜１５の等価回路要素の電流−電圧曲線を特定する。本実施の形態では、各小セル１１〜１５の水素濃度をシミュレーションによって計算する。例えばシステムの起動時であれば、アノード側ガス流路の上流に位置する小セルから順に水素が充填されていくことから、起動後の経過時間によって各小セル１１〜１５の水素濃度を推定することができる。

ＥＣＵ６は、燃料電池セル１０のセル電圧Ｖを取得する。本実施の形態では、セパレータ２２，２４が有する抵抗は無視できるほど小さいとみなし、図２の（Ｃ）に示す等価回路モデルにおける抵抗ｒをゼロと仮定する。この場合、並列接続された何れの回路要素にも等しくセル電圧Ｖがかかることになる。図４に示すように、水素濃度から特定した各回路要素の電流−電圧曲線にセル電圧Ｖを当てはめることで、各回路要素に流れる電流ｉ１〜ｉ５を求めることができる。また、これら電流ｉ１〜ｉ５の総和を計算することで、燃料電池セル１０としての出力電流Ｉを求めることができる。

なお、取得するセル電圧Ｖは実際値でも仮定値でもよい。電圧計によって計測した実際値であるならば、電流ｉ１〜ｉ５は各セル１１〜１５に実際に流れているであろう電流である。一方、セル電圧Ｖが仮定値（例えば将来の目標値）であるならば、電流ｉ１〜ｉ５は各セル１１〜１５に流れるであろう予想電流となる。また、マップに示す各回路要素の電流−電圧曲線を合算することで、燃料電池セル１０全体としての電流−電圧曲線を得ることができる。これによれば、出力電流Ｉの計測値がある場合、若しくは、出力電流Ｉが仮定されている場合には、出力電流Ｉをセル全体の電流−電圧曲線に当てはめることで、セル電圧Ｖを得ることができる。

また、ＥＣＵ６には、カーボン酸化電流−電圧特性を定めたマップが記憶されている。図５に破線で示す曲線がカーボン酸化電流−電圧特性を示す曲線である。このマップのデータは、実際に実験を行って得たものでもよく、前述の非特許文献に記載されているような理論式を演算して得たものでもよい。図５に示すカーボン酸化電流−電圧曲線にセル電圧Ｖを当てはめることで、抵抗体Ｒ４，Ｒ５に流れるカーボン酸化電流ｉＣを求めることができる。なお、抵抗体Ｒ４，Ｒ５に流れている電流ｉ４，ｉ５とカーボン酸化電流ｉＣとの差は水電解による負電流である。

以上説明したように、本実施の形態では、燃料電池セル１０の面内が、仮想的に、互いに並列接続された複数の回路要素に分割され、その回路要素の電流−電圧特性が予め用意されたマップに水素濃度と関係付けて記憶されている。したがって、各回路要素に流れる電流を推定するには、各回路要素における水素濃度を取得し、取得した水素濃度をマップに照らして電流−電圧特性を特定するだけでよい。これにより面内電流分布の推定のために要するＥＣＵ６の演算負荷を低く抑えることができる。

また、本実施の形態では、カーボン酸化電流−電圧特性が予め用意されてマップに記憶されている。したがって、面内に流れているカーボン酸化電流を推定するには、カーボン酸化電流−電圧特性にセル電圧を照合するだけでカーボン酸化電流を推定することができる。これにより、カーボン酸化電流の推定のため要するＥＣＵ６の演算負荷を低く抑えることができる。

本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態ではセパレータの抵抗を無視して抵抗ｒをゼロと仮定したが、セパレータの抵抗に相当する値を抵抗ｒに代入してもよい。これによれば、各回路要素に流れる電流をより正確に求めることができる。

本発明の実施の形態のＦＣシステムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態で燃料電池セルの面内電流分布の推定に使用する等価回路モデルについて説明するための図である。 電流−電圧特性と水素濃度との関係を定めたマップを示す図である。 図３に示すマップから各回路要素に流れる電流を推定する方法について説明するための図である。 カーボン酸化電流−電圧特性を定めたマップを示す図である。

符号の説明

２ 燃料電池スタック
４ ＦＣシステム補器
６ ＥＣＵ
８ センサ
１０ 燃料電池セル
１１，１２，１３，１４，１５ 小セル
２０ 膜電極接合体
２２，２４ セパレータ
２６ カソード側ガス流路
２８ アノード側ガス流路
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３ 電圧源（回路要素）
Ｒ４，Ｒ５ 抵抗体（回路要素）

Claims (4)

1. 燃料電池セルの面内を、仮想的に、互いに並列接続された複数の回路要素に分割する仮想分割手段と、
   前記回路要素における電流−電圧特性と燃料ガス濃度との関係を定めたマップを記憶する記憶手段と、
   各回路要素における燃料ガス濃度を取得する燃料ガス濃度取得手段と、
   各回路要素の電流−電圧特性を、当該回路要素における燃料ガス濃度を前記マップに照らして特定する電流−電圧特性特定手段と、
   前記燃料電池セルのセル電圧を取得する電圧取得手段と、
   各回路要素に流れる電流を、当該回路要素の電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて推定する電流推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池セルの面内電流分布推定システム。
2. 前記電流推定手段は、負電流が流れている回路要素については、予め設定されているカーボン酸化電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて負電流に占めるカーボン酸化電流を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルの面内電流分布推定システム。
3. 燃料電池セルの面内を互いに並列接続された複数の回路要素に分割したときの、前記回路要素における電流−電圧特性と燃料ガス濃度との関係を定めたマップを予め用意しておくステップと、
   各回路要素における燃料ガス濃度を取得するステップと、
   各回路要素の電流−電圧特性を、当該回路要素における燃料ガス濃度を前記マップに照らして特定するステップと、
   前記燃料電池セルのセル電圧を取得するステップと、
   各回路要素に流れる電流を、当該回路要素の電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて推定するステップと、
   を含むことを特徴とする燃料電池セルの面内電流分布推定方法。
4. 負電流が流れている回路要素について、予め設定されているカーボン酸化電流−電圧特性とセル電圧とに基づいて、負電流に占めるカーボン酸化電流を特定するステップ、
   をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池セルの面内電流分布推定方法。

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