JP2019079631A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池における金属リチウムの析出を防止する。【解決手段】リチウムイオン電池を含む燃料電池システムであって、リチウムイオン電池における金属リチウムの析出防止のための、充電電流の電流閾値を決定し（Ｓ１２）、燃料電池のインピーダンス計測における交流信号が重畳された状態でのリチウムイオン電池の充電電流が、決定された電流閾値を超える場合にインピーダンス計測を中止する（Ｓ１３，Ｓ１４）。【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン電池を含む燃料電池システムに関する。

水素と酸素（空気）との反応を利用して発電を行う燃料電池では、反応によって水が生成する。そこで、０℃以下の低温状態では、水分が凍結するなどの問題が生じる。このため、燃料電池内に残留する水分を測定する必要がある。水分と燃料電池の内部抵抗の間には相関があり、内部抵抗を測定することで水分を推定している。そして、内部抵抗の測定には、燃料電池の出力端に交流信号を印加して、電圧、電流変化から燃料電池のインピーダンスを求める交流インピーダンス法が利用される。

ここで、燃料電池を搭載する燃料電池車などにおいては、燃料電池の電圧制御や、各種車載機器の駆動のために二次電池が搭載される。このようなシステムでは、燃料電池と二次電池がＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される。このため、交流インピーダンス法によりインピーダンスを測定する場合に、印加する交流信号に対応した電圧変化（交流成分）が燃料電池の出力に現れるとともに、二次電池の出力にも現れる。

特許文献１では、二次電池の電圧変化の極小値が低くなりすぎた場合には、二次電池に悪影響を生じるため、その場合には交流インピーダンス法によるインピーダンス測定を中止する。

特開２００８−３００１７７号公報

ここで、二次電池としてリチウムイオン電池を採用した場合には、交流インピーダンス法の実施による悪影響は上述のものに限られず、さらなる悪影響を抑制することが求められる。

本発明は、リチウムイオン電池を含む燃料電池システムであって、リチウムイオン電池における金属リチウムの析出防止のための、充電電流の電流閾値を決定し、燃料電池のインピーダンス計測における交流信号が重畳された状態でのリチウムイオン電池の充電電流が、決定された電流閾値を超える場合にインピーダンス計測を中止する。

また、電流閾値は、リチウムイオン電池の温度に基づいて決定することが好適である。

また、電池電流は交流信号による変動（交流成分）の影響を受けない平均的なものとし、電流閾値は金属リチウムが析出するおそれのある上限電流から交流成分による増加分（振幅の半分）を加算した値にすることが好適である。

本発明によれば、交流インピーダンス法によるインピーダンス計測によってリチウムイオン電池において金属リチウムが析出するのを防止することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 実施形態におけるインピーダンス計測実施の際の処理を示すフローチャートである。 交流信号重畳、およびその影響の状態を示す図である。 図３の具体例における各部のタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「全体構成」
図１には、実施形態に係る燃料電池システムの全体構成が示してある。燃料電池１０は、複数の燃料電池セルが積層されたスタックで構成され、例えば燃料ガスとして水素ガスが陰極室に循環され、酸化ガスとして空気が陽極室に循環される。そして、陽極室と陰極室とを仕切る電解質膜を移動イオン（Ｈ^＋）が通過して、陽極、陰極において水素の酸化反応が進むことで電力が発生する。

燃料電池１０の出力端には、高圧出力端１２が接続されており、ここから駆動用モータなどに電力が供給される。また、燃料電池１０の出力端には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の一次側が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の二次側には、リチウムイオン電池１６の出力端が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、燃料電池１０の出力電圧を制御するとともに、リチウムイオン電池１６への充電を制御する。

また、リチウムイオン電池１６の出力端には、低圧出力端１８が接続されており、各種車載機器にここから電力が供給される。

リチウムイオン電池１６には、その温度を計測する温度計２２が設けられている。温度計２２は、リチウムイオン電池１６の内部の温度を検出することが好適であるが、ケースなどを計測してもよく、また雰囲気温度で代用してもよい。

燃料電池の出力電圧は電圧計２４、出力電流は電流計２６で計測される。さらにリチウムイオン電池１６の充放電電流は電流計２８で計測される。これら温度計２２、電圧計２４、電流計２６，２８で計測された計測値は制御部３０に供給される。

制御部３０は、このシステムの動作を制御するものであり、燃料電池１０への燃料ガスや酸化ガスの流量も制御するが、燃料電池１０のインピーダンス計測を制御する。

燃料電池１０（特に、電解質膜）の含水量と、燃料電池１０のインピーダンスには所定の相関がある。そこで、燃料電池１０についての水分の計測が必要になった場合には、制御部３０が電圧重畳部３２に計測指令を送り、電圧重畳部３２が燃料電池１０の出力に所定の交流電圧の交流信号を印加する。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、燃料電池１０の出力電圧を制御することができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が燃料電池の出力電圧に交流信号を重畳することができる。そこで、電圧重畳部３２を特別設けず、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が電圧重畳部３２の機能を担うことが好適である。

制御部３０は、例えば車両の運転停止時において、凍結防止のために燃料電池１０について乾燥処理を行うか否かを判断するために、燃料電池１０のインピーダンス計測を指令する。しかし、このインピーダンス計測がリチウムイオン電池１６に悪影響を及ぼすと判断された場合には、インピーダンス計測を中止する。そして、燃料電池１０の制御によって、インピーダンス計測が可能になった状態でこれを行う。また、上述のようなタイミングでは、インピーダンス計測を行うことなく燃料電池１０の乾燥処理を実施してもよい。

「インピーダンス計測時の処理」
図２に、制御部３０における、燃料電池１０のインピーダンス計測の際の処理フローチャートを示す。

計測タイミングになった場合には、まず温度計２２からの電池温度、電流計２８からの電池電流値（充電電流値）を取得する（Ｓ１１）。そして、取得した温度から、リチウムイオン電池１６において、金属リチウムが析出しないための電池電流（実際には電流密度であるが、電極面積は一定であり、電流量としてよい）を算出し、これに基づいてインピーダンス計測を中止する充電電流の電流閾値を算出する（Ｓ１２）。

ここで、この電流閾値について説明する。まず、リチウムイオン電池１６において、金属リチウムが電極に析出するのは、通常の電池反応可能な充電電流（上限電流）より大きな充電電流が流れる場合である。この上限電流（電流密度）は、温度によって異なる。これは、温度が低くなるとイオンの移動がし難くなり上限電流が小さくなるからである。

そこで、実験などによって、温度と、上限電流の関係を予め調べておき、電池電流（充電電流）を上限電流以下に制限することが行われる。例えば、制御部３０は、表１に示すように、温度と電流閾値の関係をマップとして持っておく。

これにより、温度計２２の計測結果から、金属リチウムを析出させないための上限電流が決定できる。なお、電流の符号のマイナスは、充電電流を意味する。

ここで、インピーダンス計測を行う場合には、燃料電池１０の出力電圧に交流成分を重畳する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４における１次側電圧である燃料電池出力電圧についての指令（燃料電池出力指令）として、図３（ａ）のような指令値を出力する。これによって、燃料電池１０の出力電圧は、図３（ｂ）のように変動し、電池電圧も図３（ｃ）のように変動する。

そして、電池電圧の変動に伴い、電池電流も図３（ｄ）に示すように変動する。ここで、電流計２８は、交流信号による変動に追従せず、平滑した値を出力するものとする。これによって、ノイズなどの影響を除去することができる。電流計２８の計測結果を、リチウムイオン電池１６の充放電量の管理などに用いるためには、このような電流計２８の方が適しており、交流成分に追従する必要はない。そこで、交流成分のない平均電流が電流計２８の出力となる。

また、インピーダンス計測を行っていないときにも、金属リチウムの析出を防止するための上限電流は計算しておき、これに基づき電流計２８で検出した電池電流が上限電流を超えないように制御することが好適である。

一方、最大電流が、電池において金属リチウムが電極に析出する電流値（上限電流）を超えることで、金属リチウムが析出する。そこで、上限電流からインピーダンス計測の際の交流成分による増加分（振幅の１／２）であるΔＩを減算した値を電流閾値として設定する。

なお、電流計２８として、交流成分に追従するものを使用することもできる。この場合には、検出電流値として、最大値を保持（ピークホールド）し、上限電流をそのまま電流閾値とする。

電流閾値が決定された場合には、電流計２８で検出した電流値（電池電流値）が電流閾値以下かを判定する（Ｓ１３）。この判定でＮＯであると、インピーダンス計測を行うと、電池に金属リチウムが析出するおそれがあるので、インピーダンス計測の中止を要求する（Ｓ１４）。これによって、インピーダンス計測は中止される。一方、Ｓ１３の判定結果がＹＥＳであれば、インピーダンス計測を行っても問題ないので、インピーダンス計測の中止の指令は送出せずにこの処理を終了する。このため、インピーダンス計測が実施される。

図４には、図３の処理の具体例が示されている。電池温度は、当初−３０℃であり、途中で−２５℃に変化する。これによって、電流閾値は−３０℃に対応する値から−２５℃に対応する値に変更される。

電池電流が下降（充電電流が増加）し、電流閾値を下回ると、中止要求がハイレベル（中止要求を出力）になる。そして、電池電流が電流閾値以上になると復帰カウンタがカウントを開始する。そして、カウントアップした時に、中止要求がローレベル（中止要求出力停止）になる。このように、カウンタを用いてカウントすることで、中止、復帰がハンチングすることを防止することができる。

１０ 燃料電池、１２高圧出力端、１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ リチウムイオン電池、１８ 低圧出力端、２２ 温度計、２４ 電圧計、２６，２８ 電流計、３０ 制御部、３２ 電圧重畳部。

Claims (1)

1. リチウムイオン電池を含む燃料電池システムであって、
   リチウムイオン電池における金属リチウムの析出防止のための、充電電流の電流閾値を決定し、
   燃料電池のインピーダンス計測における交流信号が重畳された状態でのリチウムイオン電池の充電電流が、決定された電流閾値を超える場合にインピーダンス計測を中止する、
   燃料電池システム。
   

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