JP2015165453A - 燃料電池の異常検知装置及びその方法並びに燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の異常検知精度を向上させることを目的とする。【解決手段】異常検知装置１は、複数のセルスタックを有する燃料電池カートリッジの所定の位置の温度を代表温度Ｔとして取得する温度取得部１１と、燃料電池カートリッジの出力電流Ｉｏｕｔを検出する電流検出部１２と、燃料電池カートリッジの出力電圧Ｖｏｕｔを検出する電圧検出部１３と、燃料電池カートリッジの代表温度Ｔに応じて設定された情報を用いて、電流検出部１２によって検出された出力電流Ｉｏｕｔに対応する燃料電池カートリッジの電圧予測値Ｖｒｅｆを取得する電圧予測値取得部１４と、電圧予測値Ｖｒｅｆと電圧検出部１３によって検出された出力電圧Ｖｏｕｔとを用いて異常判定を行う異常判定部１５とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の異常検知を行う燃料電池の異常検知装置及びその方法に関するものである。

従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の劣化検知方法として、例えば、特許文献１に開示される方法が提案されている。特許文献１には、燃料電池スタックの温度を検出し、この検出温度から平均温度を算出し、平均温度と検出温度との乖離温度を算出し、この乖離温度を考慮して燃料電池セルスタックの現時点の平均温度を算出し、算出した現時点の平均温度から現スタック内部抵抗を算出し、内部抵抗に基づいて燃料電池セルスタックの理論上のスタック電圧を算出し、算出した理論スタック電圧と検出電圧とに基づいて、燃料電池セルスタックの劣化指標を算出することが開示されている。

特開２０１１−２１０６８２号公報

燃料電池セルスタックには、その形状や、配置位置により温度分布が発生している。したがって、上記特許文献１に開示されているように、初期状態からの乖離温度を考慮して平均温度を算出する方法では、十分な精度の理論上のスタック電圧が得られない可能性がある。理論上のスタック電圧の精度低下は、劣化検知や異常検知の精度低下を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の異常検知精度を向上させることのできる異常検知装置及びその方法並びに燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、複数のセルスタックを有する燃料電池カートリッジの所定の位置の温度を代表温度として取得する温度取得手段と、前記燃料電池カートリッジの出力電流を検出する電流検出手段と、前記燃料電池カートリッジの出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池カートリッジの代表温度に応じて設定された情報を用いて、前記電流検出手段によって検出された前記燃料電池カートリッジの出力電流に対応する前記燃料電池カートリッジの電圧予測値を取得する電圧予測値取得手段と、前記電圧予測値取得手段によって取得された前記燃料電池カートリッジの電圧予測値と前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池カートリッジの出力電圧とを用いて異常判定を行う異常判定手段とを具備する燃料電池の異常検知装置である。

上記燃料電池の異常検知装置によれば、燃料電池カートリッジの代表温度に応じて設定された情報を用いて、温度取得手段によって取得された燃料電池カートリッジの代表温度及び電流検出手段によって検出された燃料電池カートリッジの出力電流に対応する燃料電池カートリッジ電圧予測値が取得される。このように、燃料電池カートリッジの代表温度に応じて設定された情報を用いることにより、温度分布を考慮した電圧予測値を取得することが可能となる。そして、温度分布を考慮した電圧予測値を用いて異常判定を行うので、異常判定の精度を向上させることが可能となる。
ここで、上記「情報」は、燃料電池カートリッジの代表温度及び出力電流をパラメータとして含み、該代表温度と出力電流とから電圧予測値を一意的に特定する情報（例えば、テーブル、関数等）である。例えば、燃料電池カートリッジの代表温度毎に、燃料電池カートリッジの出力電流と燃料電池カートリッジの電圧予測値とを関連付けたテーブルまたは関数を前記情報として備えており、燃料電池カートリッジの代表温度に対応するテーブルまたは関数を用いて、電流検出手段によって検出された出力電流により特定される電圧予測値を得ることとしてもよい。

上記燃料電池の異常検知装置において、前記温度取得手段は、前記燃料電池カートリッジの外面の空気温度を計測する複数の温度計測手段を備え、前記温度計測手段は前記セルスタックの軸方向の温度分布において最も高温となる領域に設置されていることが好ましい。

このように、セルスタックの軸方向の温度分布において、最も高温となる領域、換言すると、温度変化が最も大きい領域に温度計測手段を設けるので、温度の計測感度の比較的高い位置に温度計測手段を設けることが可能となる。これにより、比較的高い精度で温度を計測することが可能となり、電圧予測値の精度を向上させることが可能となる。上記「温度計測手段は前記セルスタックの軸方向の温度分布において最も高温となる領域」とは、例えば、セルスタックの軸方向の温度分布においてピーク値をとる位置を中心として設定される所定の範囲をいう。

上記燃料電池の異常検知装置において、前記温度取得手段は、前記燃料電池カートリッジの外面の空気温度を計測する温度計測手段と、前記温度計測手段によって検出された空気温度から前記セルスタックの表面温度を推定し、推定した前記表面温度を前記代表温度とする温度推定手段とを備えていてもよい。

このようにすることで、空気温度からセルスタックの表面温度を容易に得ることが可能となる。

上記燃料電池の異常検知装置において、前記温度推定手段は、前記電流検出手段によって検出された出力電流に応じた補正値を用いて、前記表面温度を推定することとしてもよい。
出力電流に応じて空気温度とセルスタックの表面温度との差が変化するので、出力電流に応じた補正を行うことで、セルスタックの表面温度の推定精度向上が期待できる。

上記燃料電池の異常検知装置において、前記電圧予測値は、例えば、前記セルスタックの軸方向に沿って複数の区分に分割したときの各区分における区分代表温度と前記出力電流値とから各区分における電圧予測値を取得し、取得した電圧予測値を足し合わせた値に設定されている。
より具体的には、上記燃料電池の異常検知装置において、所定の代表温度と所定の出力電流とで特定される電圧予測値は、例えば、前記所定の代表温度及び前記所定の出力電流値に設定したときの前記燃料電池カートリッジの温度分布を取得し、前記温度分布を前記セルスタックの軸方向に沿って複数の区分に分割したときの各区分における区分代表温度と前記出力電流値とから各区分における電圧予測値を取得し、取得した電圧予測値を足し合わせた値に設定されている。
上記区分代表温度は、例えば、実機値またはシミュレーションで得た温度を用いることが可能である。

本発明の第２態様は、上記燃料電池の異常検知装置を備える燃料電池システムである。
上記燃料電池システムにおいて、発電負荷の上昇時において、前記燃料電池の異常検知装置によって異常判定がされた場合に、前記発電負荷の上昇速度を基準より遅くするまたは前記発電負荷の上昇を一時停止し、前記電圧予測値と前記出力電圧との差が許容範囲内となった場合に、前記発電負荷の上昇速度を基準より速くするまたは前記発電負荷の上昇を再開させることとしてもよい。
このように発電負荷の上昇速度を制御することにより、燃料電池を劣化・損傷させることなく、所望の負荷まで負荷を上昇させることが可能となる。

本発明の第３態様は、複数のセルスタックを有する燃料電池カートリッジの所定の位置の温度を代表温度として取得する温度取得工程と、前記燃料電池カートリッジの出力電流を検出する電流検出工程と、前記燃料電池カートリッジの出力電圧を検出する電圧検出工程と、前記燃料電池カートリッジの代表温度と前記燃料電池カートリッジの出力電流とから前記燃料電池カートリッジの電圧予測値を一意的に特定するための情報を予め記憶する工程と、前記温度取得工程において取得された前記燃料電池カートリッジの代表温度及び前記電流検出工程において検出された前記燃料電池カートリッジの出力電流に対応する前記燃料電池カートリッジの電圧予測値を前記情報を用いて取得する電圧予測値取得工程と、前記電圧予測値取得工程において取得された前記燃料電池カートリッジの電圧予測値と前記電圧検出工程によって検出された前記燃料電池カートリッジの出力電圧とを用いて異常判定を行う異常判定工程とを有する燃料電池の異常検知方法である。

本発明によれば、燃料電池の異常検知精度を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面図を示した図である。 本発明の一実施形態に係る異常検知装置の概略構成を示した図である。 図３に示した温度計測部の設置位置の一例を示した図である。 ＳＯＦＣカートリッジの温度分布について説明するための図である。 温度分布考慮形ＩＶ特性の一例を示した図である。 セルスタック単体について示した図である。 セルスタック単体の温度毎のＩＶ特性の一例を示した図である。 温度分布考慮形ＩＶ特性の作成手順を説明するための図である。 温度分布考慮形ＩＶ特性の作成手順を説明するための図である。 表示画面例を示した図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の異常検知装置及びその方法並びに燃料電池システムについて、図を参照して説明する。また、以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。

まず、本実施形態に係る燃料電池システムの構成要素であるＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて図１及び図２を参照して説明する。なお、本実施形態では、円筒形のセルスタックを例示して説明するが、セルスタックの形状はこの限りでなく、例えば平板形のセルスタック等であってもよい。図１は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す図であり、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面図を示す図である。

図１に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０１は、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５、燃料ガス供給管２０７、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ、燃料ガス排出管２０９、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａ、酸化性ガス供給管（不図示）、酸化性ガス供給枝管（不図示）、酸化性ガス排出管（不図示）、及び複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）を備える。

燃料ガス供給管２０７は、不図示の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。燃料ガス供給部は、例えば、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する。燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させる。

燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。燃料ガス排出管２０９は、一部が圧力容器２０５の外部に配置されており、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導く。

圧力容器２０５は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ以上約１ＭＰａ以下、内部の温度が大気温度以上約５５０℃以下で運用され、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。

図１では、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について示しているが、この例に限られず、例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様としてもよい。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示すように、複数のセルスタック１０１、発電室２１５、燃料ガス供給室２１７、燃料ガス排出室２１９、酸化性ガス供給室２２１、酸化性ガス排出室２２３、上部管板２２５ａ、下部管板２２５ｂ、上部断熱体２２７ａ、及び下部断熱体２２７ｂを有する。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図２のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、必ずしもこの限りでなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の軸方向（長手方向）と直交する方向へ流れるようにしてもよい。

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部１０１ａが、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放されるように配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給管枝２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部１０１ｂが、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。

酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部支持体２２７ｂとに囲まれた領域である。酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されており、不図示の酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導く。

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、不図示の酸化性ガス排出枝管と連通されており、発電室２１５から後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない第３酸化性ガス排出枝管２０９ｂに導くものである。

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部１０１ａをシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部１０１ｂをシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。

上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。

上述のように、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料からなる上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。

上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造によれば、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１７によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。

次に、本実施形態に係る燃料電池スタックの異常検知装置について、図３〜図１１を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係る異常検知装置の概略構成を示した図である。図３に示すように、異常検知装置１は、温度取得部１１、電流検出部１２、電圧検出部１３、電圧予測値取得部１４、及び異常判定部１５を主な構成として備えている。
温度取得部１１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の所定の位置の温度を代表温度として取得する。例えば、温度取得部１１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外面の空気温度Ｔａを計測する複数の温度計測部２１と、温度計測部２１によって計測された空気温度Ｔａから平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅを算出する平均空気温度算出部２２と、平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅをセルスタックの表面温度に変換して代表温度Ｔを得る温度推定部２３とを備えている。温度計測部２１は、例えば、空気温度Ｔａとして空気流路壁面温度を計測することとしてもよい。

ここで、各温度計測部２１は、図４に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を構成するセルスタックの軸方向（燃料ガスの主流流れ方向）において、図２における端部１０１ａと１０１ｂの中間部に設置されることが好ましい。これは、図５に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１の軸方向において温度分布を有しているため、軸方向において異なる位置に温度計測部２１を設置してしまうと、温度分布の影響を受けて電圧計測精度が低下するからである。また、図５に示す温度分布から中間部がセルスタック１０１の軸方向の温度分布で最も高温になる領域だからであり、後述する電圧計測精度を向上させることができるからである。

温度推定部２３は、電流検出部１２によって検出された出力電流Ｉｏｕｔに応じた補正値を用いて空気温度を補正することにより、セルスタックの表面温度を推定し、代表温度Ｔを得る。例えば、温度推定部２３は、出力電流Ｉｏｕｔが所定値以下の場合には、平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅをセルスタックの表面温度とみなし、平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅを代表温度Ｔとする。また、出力電流Ｉｏｕｔが所定値を超える場合には、平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅに所定の補正値を加えた値を代表温度Ｔとする。なお、補正値については、出力電流、セルスタック表面温度、空気温度の関係をシミュレーションなどを行うことにより取得し、この結果から適宜決定すればよい。

電流検出部１２は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の出力電流Ｉｏｕｔを検出する。電圧検出部１３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の出力電圧Ｖｏｕｔを検出する。

電圧予測値取得部１４は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を構成するセルスタック１０１の軸線方向における温度分布を考慮して作成された温度分布考慮形ＩＶ特性を有している。具体的には、図６に示すように、温度分布考慮形ＩＶ特性は、出力電流Ｉｏｕｔと電圧予測値Ｖｒｅｆとが関連付けられた情報であり、代表温度Ｔの温度区分に対応付けられて複数設けられている。図６においてＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は温度区分の代表温度であり、各温度の高低はＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４である。図６では、代表温度Ｔについて３つの温度区分に区分された場合を例示しているが、区分数については特に限定されず、より細かい区分に分けてもよい。図６において、横軸は出力電流Ｉｏｕｔ、縦軸は電圧予測値Ｖｒｅｆである。温度分布考慮形ＩＶ特性は、例えば、出力電流をパラメータとする関数として表される。このとき、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の燃料利用率、空気利用率は所定の一定値を用いて求めたものである。また、出力電流Ｉが変化すれば代表温度Ｔも変化するが、その影響は少ないものとしてＩＶ特性を求める。

電圧予測値取得部１４は、複数の温度分布考慮形ＩＶ特性の中から、温度取得部１１によって取得された代表温度Ｔに対応する温度分布考慮形ＩＶ特性を用いて、出力電流検出部１２によって検出された出力電流Ｉｏｕｔに対応する電圧予測値Ｖｒｅｆを取得する。例えば、温度取得部１１によって取得された代表温度ＴがＴ３≦Ｔ＜Ｔ４であり、出力電流Ｉｏｕｔの値がαであった場合、図６に示すように電圧予測値βを取得する。
なお、温度分布考慮形ＩＶ特性の作成方法については、後述する。

異常判定部１５は、電圧予測値取得部１４によって取得された電圧予測値Ｖｒｅｆと、電圧検出部１４によって検出された出力電圧Ｖｏｕｔとを比較することにより異常判定を行う。例えば、電圧予測値Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔとの差が予め設定されている許容範囲外である場合に異常と判定して、その旨を出力する。

次に、上記温度考慮形ＩＶ特性の作成手順について説明する。
まず、図７に示すようなセルスタック単体について、温度毎のＩＶ特性を得る。このとき、セルスタック１０１の軸線方向における温度は均一とする。図８に、セルスタック単体の温度毎のＩＶ特性の一例を示す。上記温度毎のＩＶ特性は、試験を行うことにより取得してもよいし、シミュレーションにより取得してもよい。

次に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の温度分布を得る。具体的には、セルスタックの軸方向における所定位置の温度である代表温度（例えば、セルスタック中間部の温度）と出力電流との組み合わせを複数の組み合わせに変化させたときの温度分布を取得する。例えば、出力電流をＩ＝Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、・・・Iｎと変化させ、代表温度をＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｎと変化させたときのそれぞれの組み合わせにおける温度分布を取得する。ここで、セルスタックの軸方向における温度分布は、実機を用いた代表温度と出力電流が近い条件にある試験により計測して実測値を取得してもよいし、シミュレーションにより取得することとしてもよい。

次に、各温度分布について予測電圧値を取得する。まず、図９に示すように、温度分布をセルスタックの軸方向において複数の区分Ｓ１〜Ｓｎに分割する。このとき、セルスタック１０１を構成する燃料電池セル１０５の位置に対応するように区分してもよい。
次に、各区分における区分代表温度を得る。これは、例えば、前述の実測値やシミュレーションによる温度分布を用いて取得することができる。区分代表温度は、例えば、各区分に対応する最高温度でもよいし、平均温度でもよい。

次に、各区分における区分代表温度と、当該温度分布が得られた時の出力電流とから決定される電圧予測値を、事前に得ておいたセルスタック単体の温度毎のＩＶ特性（図８参照）から取得する。具体的には、区分代表温度に対応するＩＶ特性を用いて、出力電流に対応する電圧予測値を取得する。これにより、各区分における電圧予測値を得ることができる。そして、各区分における電圧予測値を足し合わせることで、当該温度分布に対する電圧予測値が得られる。換言すると、当該温度分布が得られたときの代表温度および出力電流に対応する電圧予測値が得られる。

このようにして、各温度分布について電圧予測値が求まると、図１０に示すように、同じ代表温度のときの出力電流と電圧予測値との関係を電流−電圧座標にプロットし、このプロットを近似曲線で結ぶことによりＩＶ特性を得る。この作業を代表温度毎に行うことで、各代表温度に対応する温度分布考慮形ＩＶ特性が作成される。ここで、図６の説明にて記述したように、出力電流ＩがＩｍに変化すると代表温度Ｔも変化するが、変化後の代表温度Ｔｍもほぼ代表温度Ｔに近いとしてＩＶ特性を得る。

次に、本実施形態に係る燃料電池の異常検知装置及びその方法における異常検知の処理手順について、図３を参照して説明する。
複数の温度計測部２１によりＳＯＦＣカートリッジ２０３の外面の空気温度Ｔａが計測され、この平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅが平均空気温度算出部２２により算出される。平均空気温度Ｔａ＿ａｖｅは、温度推定部２３においてセル表面の温度に変換され、代表温度Ｔとして電圧予測値取得部１４に出力される。電圧予測値取得部１４では、代表温度Ｔに対応する温度分布考慮形ＩＶ特性を用いて、出力電流検出部１２によって検出された出力電流Ｉｏｕｔに対応する電圧予測値Ｖｒｅｆが取得される。電圧予測値Ｖｒｅｆは異常判定部１５に出力され、電圧検出部１３によって検出された出力電圧との比較により、異常判定が行われる。

異常判定部１５によって異常であると判定された場合には、例えば、燃料電池システムにおいて、警告を出したり、負荷を低下させたりする制御が行われる。また、起動時などの負荷上げ時においては、基準となる負荷上げ速度より速めると、出力電圧Ｖと電圧予測値Ｖｒｅｆとが乖離してしまうという現象が生ずる。したがって、例えば、燃料電池システムの起動時においては、出力電圧Ｖと電圧予測値Ｖｒｅｆとの差が予め設定されている許容範囲内となるように、負荷上げの速度を調整するとよい。例えば、出力電圧Ｖと電圧予測値Ｖｒｅｆとの差が許容範囲を外れた場合には、負荷上げ速度を遅くしたり、負荷上げを一旦停止したりする。そして、出力電圧Ｖと電圧予測値Ｖｒｅｆとの差が許容範囲内となった場合に、負荷上げ速度を速めたり、負荷上げを再開させたりする。このような制御を行うことにより、燃料電池セル１０５を劣化・損傷させることなく、安全にかつ速やかに定格負荷まで負荷を上昇させることが可能となる。ここで基準となる負荷上げ速度は、セルスタックの温度分布が所定の温度範囲内になるように設定された速度であって、セルスタックの形状により最適な速度が設定されることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池の異常検知装置及びその方法並びに燃料電池システムによれば、セルスタックの軸方向における温度分布を考慮して作成された温度分布考慮形ＩＶ特性を用いて、温度取得部１１により取得された燃料電池カートリッジ２０３の代表温度Ｔ及び電流検出部１２により検出された燃料電池カートリッジ２０３の出力電流Ｉｏｕｔから電圧予測値Ｖｒｅｆが得られる。このように、予めセルスタックの軸方向における温度分布が考慮された温度分布考慮形ＩＶ特性を用いて電圧予測値Ｖｒｅｆを取得するので、電圧予測値の精度を向上させることができ、異常判定の精度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態に係る燃料電池システムは、表示部を更に有していてもよい。具体的には、図１１に示すように、上記温度取得部１１によって取得された代表温度Ｔに対応する温度分布考慮形ＩＶ特性と、電圧検出部１３によって検出された出力電圧とが同一グラフ上に表示された表示画面を表示部に表示させる。このような構成によれば、表示部に現在の出力電圧と電圧予測値とが比較されて表示されるので、作業員は、電圧予測値に対する現在の出力電圧の状況を容易に把握することが可能となる。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。

１ 異常検知装置
１１ 温度取得部
１２ 電流検出部
１３ 電圧検出部
１４ 電圧予測値取得部
１５ 異常判定部
２１ 温度計測部
２２ 平均空気温度算出部
２３ 温度推定部
１０１ セルスタック
１０５ 燃料電池セル
２０３ ＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）

Claims (9)

1. 複数のセルスタックを有する燃料電池カートリッジの所定の位置の温度を代表温度として取得する温度取得手段と、
   前記燃料電池カートリッジの出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記燃料電池カートリッジの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記燃料電池カートリッジの代表温度に応じて設定された情報を用いて、前記電流検出手段によって検出された前記燃料電池カートリッジの出力電流に対応する前記燃料電池カートリッジの電圧予測値を取得する電圧予測値取得手段と、
   前記電圧予測値取得手段によって取得された前記燃料電池カートリッジの電圧予測値と前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池カートリッジの出力電圧とを用いて異常判定を行う異常判定手段と
   を具備する燃料電池の異常検知装置。
2. 前記温度取得手段は、前記燃料電池カートリッジの外面の空気温度を計測する複数の温度計測手段を備え、前記温度計測手段は前記セルスタックの軸方向の温度分布において最も高温となる領域に設置されている請求項１に記載の燃料電池の異常検知装置。
3. 前記温度取得手段は、
   前記燃料電池カートリッジの外面の空気温度を計測する温度計測手段と、
   前記温度計測手段によって検出された空気温度から前記セルスタックの表面温度を推定し、推定した前記表面温度を前記代表温度とする温度推定手段と
   を備える請求項１に記載の燃料電池の異常検知装置。
4. 前記温度推定手段は、前記電流検出手段によって検出された出力電流に応じた補正値を用いて、前記表面温度を推定する請求項３に記載の燃料電池の異常検知装置。
5. 前記電圧予測値は、
   前記セルスタックの軸方向に沿って複数の区分に分割したときの各区分における区分代表温度と前記出力電流値とから各区分における電圧予測値を取得し、
   取得した電圧予測値を足し合わせた値に設定されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の異常検知装置。
6. 前記区分代表温度は、実機値またはシミュレーションで得た温度を用いる請求項５に記載の燃料電池の異常検知装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池の異常検知装置を備える燃料電池システム。
8. 発電負荷の上昇時において、前記燃料電池の異常検知装置によって異常判定がされた場合に、前記発電負荷の上昇速度を基準より遅くするまたは前記発電負荷の上昇を一時停止し、前記電圧予測値と前記出力電圧との差が許容範囲内となった場合に、前記発電負荷の上昇速度を基準より速くするまたは前記発電負荷の上昇を再開させる請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 複数のセルスタックを有する燃料電池カートリッジの所定の位置の温度を代表温度として取得する温度取得工程と、
   前記燃料電池カートリッジの出力電流を検出する電流検出工程と、
   前記燃料電池カートリッジの出力電圧を検出する電圧検出工程と、
   前記燃料電池カートリッジの代表温度と前記燃料電池カートリッジの出力電流とから前記燃料電池カートリッジの電圧予測値を一意的に特定するための情報を予め記憶する工程と、
   前記温度取得工程において取得された前記燃料電池カートリッジの代表温度及び前記電流検出工程において検出された前記燃料電池カートリッジの出力電流に対応する前記燃料電池カートリッジの電圧予測値を前記情報を用いて取得する電圧予測値取得工程と、
   前記電圧予測値取得工程において取得された前記燃料電池カートリッジの電圧予測値と前記電圧検出工程によって検出された前記燃料電池カートリッジの出力電圧とを用いて異常判定を行う異常判定工程と
   を有する燃料電池の異常検知方法。

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