JP2010108645A

JP2010108645A - 燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法

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Publication number: JP2010108645A
Application number: JP2008277213A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Araki; 康荒木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: JP5343509B2; DE112009002499B4; CN102171879A; CA2740572C; CN102171879B; CA2740572A1; WO2010049788A1; DE112009002499T5; US20110200902A1

Abstract

【課題】異常が生じているまたは異常が生じつつあるセルを容易に判別することができる燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システム（１００）は、１以上のセル（１１）を含む複数のセル群が積層された燃料電池スタック（１０）と、複数のセル群各々のセル群電圧を検出する電圧検出手段（４１）と、複数のセル群のうち判定対象とするセル群のセル群電圧が複数のセル群のうち少なくとも２以上からなる母集団のセル郡電圧の平均値および標準偏差に基づいて得られる判定電圧以下であるか否かを判定する判定手段（５２）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）が、セパレータによって挟持された構造を有している。

この燃料電池の状態は、運転条件等に応じて変化する。そこで、複数の燃料電池を積層させた燃料電池スタックにおいて、セル群ごとに測定したセル群電圧の低下を監視する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１７９３３８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、正常セルと異常セルとの判別が困難である。

本発明は、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセルを容易に判別することができる燃料電池システムおよび燃料電池の状態検知方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、１以上のセルを含む複数のセル群が積層された燃料電池スタックと、複数のセル群各々のセル群電圧を検出する電圧検出手段と、複数のセル群のうち判定対象とするセル群のセル群電圧が複数のセル群のうち少なくとも２以上からなる母集団のセル郡電圧の平均値および標準偏差に基づいて得られる判定電圧以下であるか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、判定対象とするセル群が、燃料電池スタックに含まれる母集団から偏っているか否かが判定される。この場合、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセル群を容易に判別することができる。

判定対象とするセル群は、複数のセル群のうち平均以下のセル群電圧を有するセル群の中から選択されてもよい。この場合、燃料電池スタックに含まれる母集団から低電圧側に偏っているセル群を検出することができる。それにより、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセル群をより容易に判別することができる。判定対象とするセル群は、複数のセル群のうち、最も低いセル群電圧を有するセル群であってもよい。

母集団は、判定対象とするセル群を含まなくてもよい。この場合、母集団の信頼性を向上させることができる。判定電圧は、母集団のセル群電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限であってもよい。この場合、燃料電池スタックに含まれる母集団から低電圧側に偏っているセル群を検出することができる。

判定手段は、母集団から、所定のセル群電圧以下のセル群を除外してもよい。この場合、母集団の信頼性を向上させることができる。判定手段は、母集団のセル郡電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限以下のセル群電圧を有するセル群を、母集団から除外してもよい。この場合、母集団の信頼性を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池の状態検知方法は、１以上のセルを含む複数のセル群が積層された燃料電池スタックにおいて複数のセル群各々のセル群電圧を検出する電圧検出ステップと、複数のセル群のうち判定対象とするセル群のセル群電圧が複数のセル群のうち少なくとも２以上からなる母集団のセル郡電圧の平均値および標準偏差に基づいて得られる判定電圧以下であるか否かを判定する判定ステップと、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池の状態検知方法においては、判定対象とするセル群が、燃料電池スタックに含まれる母集団から偏っているか否かが判定される。この場合、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセル群を容易に判別することができる。

判定手段ステップにおいて、母集団から、所定のセル群電圧以下のセル群を除外してもよい。この場合、母集団の信頼性を向上させることができる。判定ステップにおいて、母集団のセル郡電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限以下のセル群電圧を有するセル群を、母集団から除外してもよい。この場合、母集団の信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセルを容易に判別することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池システム１００の全体構成を説明するための模式図である。図１（ｂ）は、後述するセル１１の模式的断面図である。図１（ａ）を参照して、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、燃料ガス供給手段２０、酸化剤ガス供給手段３０、電圧検出手段４１、電流検出手段４２および処理部５０等を備える。

燃料電池スタック１０は、１または複数のセル１１が積層されたセル群が１または複数積層された構造を有する。図１（ｂ）を参照して、セル１１は、膜−電極接合体１１０がセパレータ１２０およびセパレータ１３０によって挟持された構造を有する。膜−電極接合体１１０は、電解質膜１１１のセパレータ１２０側にアノード触媒層１１２およびガス拡散層１１３が順に接合され、電解質膜１１１のセパレータ１３０側にカソード触媒層１１４およびガス拡散層１１５が順に接合された構造を有する。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。

アノード触媒層１１２は、触媒を担持する導電性材料、プロトン伝導性電解質等から構成される。アノード触媒層１１２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層１１２は、白金担持カーボン、パーフルオロスルフォン酸型ポリマー等を含む。ガス拡散層１１３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。

カソード触媒層１１４は、触媒を担持する導電性材料、プロトン伝導性電解質等から構成される。カソード触媒層１１４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層１１４は、白金担持カーボン、パーフルオロスルフォン酸型ポリマー等を含む。ガス拡散層１１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。

セパレータ１２０，１３０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１２０の膜−電極接合体１１０側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路１２１が形成されている。セパレータ１３０の膜−電極接合体１１０側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路１３１が形成されている。例えば、燃料ガス流路１２１および酸化剤ガス流路１３１は、セパレータの表面に形成された凹部からなる。

燃料ガス供給手段２０は、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口を介して燃料ガス流路１２１に、水素を含有する燃料ガスを供給する装置である。燃料ガス供給手段２０は、例えば、水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段３０は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口を介して酸化剤ガス流路１３１に、酸素を含有する酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガス供給手段３０は、エアポンプ等からなる。

電圧検出手段４１は、各セル群のセル群電圧を検出し、その検出結果を後述する制御手段５１に与える。電流検出手段４２は、燃料電池スタック１０の発電電流を検出し、その検出結果を制御手段５１に与える。電流検出手段４２の検出結果を各セル１１の発電領域の面積で除することによって、発電電流密度が得られる。したがって、電流検出手段４２は、発電電流密度検出手段としても機能する。

処理部５０は、制御手段５１および判定手段５２を含む。処理部５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。処理部５０のＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって、制御手段５１および判定手段５２が実現される。制御手段５１は、燃料電池システム１００の各部を制御する。判定手段５２は、電圧検出手段４１および電流検出手段４２の検出結果に基づいて、燃料電池スタック１０の状態を判定する。

続いて、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照しつつ、通常発電時の燃料電池システム１００の動作について説明する。まず、制御手段５１は、燃料ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する。この燃料ガスは、ガス拡散層１１３を透過してアノード触媒層１１２に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１１１を伝導してカソード触媒層１１４に到達する。

また、制御手段５１は、酸化剤ガス流路１３１に酸化剤ガスが供給されるように、酸化剤ガス供給手段３０を制御する。この酸化剤ガスは、ガス拡散層１１５を透過してカソード触媒層１１４に到達する。カソード触媒層１１４においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに、水が生成される。生成された水は、酸化剤ガス流路１３１を通って排出される。

図２は、電圧検出手段４１による検出結果の一例を説明するための図である。図２において、横軸は各セル群であり、縦軸はセル群電圧である。各セル群のセル枚数は、特に限定されるものではないが、本実施例においては１０枚程度である。図２を参照して、各セル群Ｇ１〜ＧＮのセル群電圧Ｖ_Ｇ１〜Ｖ_ＧＮは、所定のばらつきを有する。このばらつきは、各セルへの反応ガスの拡散のばらつき等に起因する。

反応ガス欠が生じている、または、反応ガス欠が生じつつあるセル群においては、セル群電圧が低下する傾向がある。そこで、判定手段５２は、判定対象セル群のセル群電圧が、所定の複数のセル群からなる母集団のセル群電圧の平均値および標準偏差に基づいて得られる判定電圧以下であるか否かを判定する。判定手段５２は、判定対象セル群のセル群電圧が判定電圧の下限以下であれば、そのセル群に異常が生じているまたは異常が生じつつあると判定する。この場合、早期の対策を講じることが可能となる。

以下、具体的な例について説明する。まず、判定手段５２は、燃料電池スタック１０に含まれる複数のセル群から２以上のセル群を選択して統計母集団とする。この統計母集団は、燃料電池スタック１０のうちいずれの２以上のセル群であってもよい。ただし、セル群電圧が相対的に低下しているセル群を検出する観点からすれば、統計母集団に含まれるセル群は、できるだけ高いセル群電圧を有していることが好ましい。

したがって、統計母集団は、最も低いセル群電圧を有しているセル群を除いて選択された複数のセル群から構成されていてもよく、平均セル群電圧以上のセル群電圧を有するセル群から構成されていてもよく、最も高いセル群電圧を有しているセル群からセル群電圧の高い順に所定数のセル群を含んでいてもよい。本実施例においては、一例として、燃料電池スタック１０のうち最も低いセル群電圧を有しているセル群を除いたものを統計母集団とする。

判定対象セル群は、燃料電池スタック１０のいずれのセル群であってもよい。ただし、セル群電圧が相対的に低下しているセル群を検出する観点からすれば、判定対象セル群は、低いセル群電圧を有していることが好ましい。例えば、判定対象セル群は、燃料電池スタック１０を構成するセル群の平均セル群電圧以下のセル群電圧を有するセル群であることが好ましい。本実施例においては、一例として、最も低いセル群電圧を有するセル群を判定対象セル群とする。

次に、判定手段５２は、統計母集団の各セル群電圧の平均値Ｘおよび標準偏差σを求める。判定手段５２は、この平均値Ｘおよび標準偏差σを用いて図３のような正規分布曲線を求める。判定手段５２は、平均値Ｘから所定範囲（例えば、標準偏差σの数倍）の分布範囲の下限を判定電圧Ｖｄとして定義する。次に、判定手段５２は、判定対象セル群のセル群電圧が判定電圧Ｖｄ以下であれば判定対象セル群に異常が生じているまたは異常が生じつつあると判定する。なお、平均値Ｘからの範囲と危険率との関係を表１に示す。本実施例においては、上記の正規分布曲線において、平均値Ｘから３σを差し引いた値を判定電圧Ｖｄとする。

図４は、判定対象セル群に異常が生じているか否かを判定するためのフローチャートの一例である。図４を参照して、電圧検出手段４１は、各セル群のセル群電圧を検出する（ステップＳ１）。次に、判定手段５２は、判定対象セル群を選択する（ステップＳ２）。図４のフローチャートにおいては、判定手段５２は、最もセル群電圧の低いセル群を判定対象セル群として選択する。次いで、判定手段５２は、判定対象セル群のセル群電圧をＶ_ｍｉｎに代入する（ステップＳ３）。

次に、判定手段５２は、統計母集団を構成するセル群を決定する（ステップＳ４）。図４のフローチャートにおいては、判定手段５２は、最もセル群電圧の低いセル群以外のセル群を統計母集団とする。次いで、判定手段５２は、統計母集団からセル群電圧の平均値Ｘおよび標準偏差σを算出する（ステップＳ５）。次に、判定手段５２は、判定電圧Ｖｄを算出する（ステップＳ６）。図４のフローチャートにおいては、平均値Ｘから３σを差し引いた値を判定電圧Ｖｄとする。

次に、判定手段５２は、Ｖ_ｍｉｎが判定電圧Ｖｄよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７においてＶ_ｍｉｎが判定電圧Ｖｄよりも大きいと判定された場合、フローチャートの実行は終了する。ステップＳ７においてＶ_ｍｉｎが判定電圧Ｖｄよりも大きいと判定されなかった場合、制御手段５１は、判定対象セル群に異常が生じているまたは異常が生じつつあると判定し、判定対象セル群の回復制御を行う（ステップＳ８）。その後、フローチャートの実行は終了する。

図４のフローチャートによれば、統計母集団の正規分布から偏ったセル郡を検出することができる。それにより、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセル郡を検出することができる。

ここで、セルごとにセル電圧を検出する場合と、セル群ごとにセル群電圧を検出する場合との比較について説明する。図５は、セルごとのセル電圧を検出した場合の標準偏差と、セル群電圧をセル数で除した場合の標準偏差との関係を説明するための図である。図５において、横軸は各セル群電圧検出時のセル群電圧標準偏差であり、縦軸は（１０セルからなるセル群電圧／１セル群のセル数）の電圧標準偏差である。図５においては、４００セルを対象としている。

図５のように、各セル群電圧検出時のセル群電圧標準偏差と、（１０セルからなるセル群電圧／１セル群のセル数）の電圧標準偏差とは、ほぼ等しくなることがわかる。したがって、各セルごとにセル電圧を検出しなくても、セル群ごとにセル群電圧を検出することによって、各セル群に対して判定を行うことができる。セル群ごとにセル群電圧を検出することにより、電圧検出装置数を低減させることができる。その結果、低コスト化を図ることができる。

判定手段５２は、異常が生じているまたは異常が生じつつあるセル群を統計母集団から除外してもよい。この場合、経時変化等によってセル群電圧のばらつきが大きくなる場合であっても、判定対象セル群に対する判定精度の劣化を抑制することができる。例えば、判定手段５２は、図４のフローチャートで判定対象セル群のセル群電圧が判定電圧Ｖｄ以下であると判定された場合、次回のフローチャート実行時に、この判定対象セル群を統計母集団から除外してもよい。

また、判定手段５２は、判定電圧Ｖｄよりも低いセル群電圧を有する他のセル群を統計母集団から除外してもよい。判定電圧Ｖｄよりも低いセル群電圧を含めて平均値Ｘおよび標準偏差σを求めると、図６（ａ）のように正規分布曲線の幅が拡大する傾向にある。そこで、判定電圧Ｖｄよりも低いセル群電圧を有する他のセル群を統計母集団から除外することによって、図６（ｂ）のように正規分布曲線の幅を縮小することができる。この場合、判定対象セル群に対する判定精度の劣化を抑制することができる。

また、判定手段５２は、発電電流密度の増減に対するセル群電圧の変化において、変極点が現れるセル群を統計母集団から除外してもよい。この場合、酸素欠、水素欠等が生じているセル群を統計母集団から除外することができる。例えば、図７（ａ）に描かれるように、正常なセルにおいては、電流密度の増加に対してセル群電圧が線形に低下する傾向にある。これに対して、反応ガス欠等の不具合が生じているセルにおいては、電流密度の増加に対するセル群電圧の低下幅が大きくなるとともに、所定の電流密度以上になった場合にセル群電圧の低下幅が小さくなる。このように電流密度に対するセル群電圧の傾きが変化する点が変極点である。この変極点が検出されれば、セル群に反応ガス欠等の不具合が生じていると判定することができる。

図７（ｂ）は、電流密度と乖離率との関係を示す図である。図７（ｂ）のように、反応ガスが正常な範囲内でばらつく場合には、電流密度の増加とともに乖離率も増加する。これに比較して、反応ガス欠等が生じているセル群においては、電流密度の増加とともに基準電圧からの乖離率も増加し、所定の値を境に乖離率が低下し始める。この値が変極点として検出される。なお、乖離率は、下記式（１）のように定義することができる。
乖離率＝（基準電圧−対象セル群のセル群電圧）／基準電圧×１００％（１）

図８は、統計母集団を構成するセル群を変更する際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。図８を参照して、判定手段５２は、水素欠等の反応ガス欠が生じているセル群が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１においては、例えば、判定手段５２は、図７（ａ）または図７（ｂ）のように発電電流密度の増減に対するセル群電圧の変化に変極点が現れるセル群が検出されたか否かを判定する。

ステップＳ１１において反応ガス欠等が生じているセル群が検出された場合、当該セル群を統計母集団から除外する（ステップＳ１２）。その後、判定手段５２は、フローチャートの実行を終了する。図８のフローチャートによれば、反応ガス欠等が生じているセル群を統計母集団から除外することができる。それにより、判定対象セル群に対する判定精度が向上する。

また、判定手段５２は、カソードオフガスまたはアノードオフガス中の成分濃度に応じて、特定のセル群を統計母集団から除外してもよい。例えば、判定手段５２は、カソードオフガスから基準値を超える水素が検出されるセル群、カソードオフガスから基準値を超えるＣＯまたはＣＯ_２が検出されるセル群を統計母集団から除外してもよい。また、判定手段５２は、アノードオフガスから基準値を超えるＯ_２が検出されるセル群、アノードオフガスから基準値を超えるＣＯまたはＣＯ_２が検出されるセル群を統計母集団から除外してもよい。この場合、判定対象セル群に対する判定精度が向上する。

さらに、判定手段５２は、正規分布の歪度√ｂ_１の絶対値が所定値（例えば、１．５）よりも小さい場合に、統計母集団を構成するセル群数を増加させてもよい。この場合、統計母集団が正規分布を構成しやすくなる。なお、歪度√ｂ_１は下記式（１）のように定義される。
√ｂ_１＝（Σ（Ｘｉ−Ｘ）^３／ｎ・σ^３（１）
Ｘｉ：各セル群のセル群電圧
ｎ：データ数

以上のように、統計母集団を構成するセル群を変更することによって、統計母集団の信頼性を向上させることができる。また、経時変化等によって燃料電池スタック１０の状態が変化した場合においても、統計母集団の信頼性を維持することができる。その結果、判定対象セル群に対する判定精度が向上する。

実施例１に係る燃料電池システムを説明するための図である。電圧検出手段による検出結果の一例を説明するための図である。セル群電圧の正規分布曲線を説明するための図である。判定対象セル群に異常が生じているか否かを判定するためのフローチャートの一例である。セルごとのセル群電圧を検出した場合の標準偏差と、セル群電圧をセル数で除した場合の標準偏差との関係を説明するための図である。セル群電圧の正規分布曲線を説明するための図である。電流密度変化に対するセル群電圧の変極点を説明するための図である。統計母集団を構成するセル群を変更する際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。

符号の説明

１０燃料電池スタック
１１セル
２０燃料ガス供給手段
３０酸化剤ガス供給手段
４１電圧検出手段
４２電流検出手段
５１制御手段
５２判定手段
１００燃料電池システム

Claims

１以上のセルを含む複数のセル群が積層された燃料電池スタックと、
前記複数のセル群各々のセル群電圧を検出する電圧検出手段と、
前記複数のセル群のうち判定対象とするセル群のセル群電圧が、前記複数のセル群のうち少なくとも２以上からなる母集団のセル郡電圧の平均値および標準偏差に基づいて得られる判定電圧以下であるか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記判定対象とするセル群は、前記複数のセル群のうち平均以下のセル群電圧を有するセル群の中から選択されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記判定対象とするセル群は、前記複数のセル群のうち、最も低いセル群電圧を有するセル群であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記母集団は、前記判定対象とするセル群を含まないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記判定電圧は、前記母集団のセル群電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記判定手段は、前記母集団から、所定のセル群電圧以下のセル群を除外することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記判定手段は、前記母集団のセル郡電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限以下のセル群電圧を有するセル群を、前記母集団から除外することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
１以上のセルを含む複数のセル群が積層された燃料電池スタックにおいて、前記複数のセル群各々のセル群電圧を検出する電圧検出ステップと、
前記複数のセル群のうち判定対象とするセル群のセル群電圧が、前記複数のセル群のうち少なくとも２以上からなる母集団のセル郡電圧の平均値および標準偏差に基づいて得られる判定電圧以下であるか否かを判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の状態検知方法。
前記判定対象とするセル群は、前記複数のセル群のうち平均以下のセル群電圧を有するセル群の中から選択されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の状態検知方法。
前記判定対象とするセル群は、前記複数のセル群のうち、最も低いセル群電圧を有するセル群であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の状態検知方法。
前記母集団は、前記判定対象とするセル群を含まないことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池の状態検知方法。
前記判定電圧は、前記母集団のセル群電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の燃料電池の状態検知方法。
前記判定手段ステップにおいて、前記母集団から、所定のセル群電圧以下のセル群を除外することを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の燃料電池の状態検知方法。
前記判定ステップにおいて、前記母集団のセル郡電圧の正規分布において平均値から所定の範囲の下限以下のセル群電圧を有するセル群を、前記母集団から除外することを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の燃料電池の状態検知方法。