JP2021111438A - 積層された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの劣化度合いの推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの劣化度合いを推定できる技術を提供する。【解決手段】積層された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの劣化度合いの推定方法は、複数の燃料電池のうち少なくとも１つの燃料電池におけるアノードとカソードとのうちの少なくとも一方の電極の燃料電池スタックの電位に関する電位関連値を計測する計測工程と、予め定められた範囲を超える電位関連値の変動回数を記憶する記憶工程と、変動回数を利用して劣化度合いを推定する推定工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、積層された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの劣化度合いの推定方法に関する。

車両に搭載されたバッテリの劣化度合いの推定方法として、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１には、イオン濃度の偏りの変化でバッテリの劣化度合いを評価する技術が記載されている。

特開２０１６−８８７３号公報

積層された複数の燃料電池を有する燃料電池を電力源としてトラクションモータを駆動させて走行する燃料電池車両が知られている。燃料電池車両における燃料電池スタックの劣化度合いは、特許文献１のようにイオン濃度の偏りの変化を用いて推定することが困難である。そのため、燃料電池スタックの劣化度合いを推定できる技術が望まれていた。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、積層された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの劣化度合いの推定方法が提供される。この推定方法は、前記複数の燃料電池のうち少なくとも１つの燃料電池におけるアノードとカソードとのうちの少なくとも一方の電極の電位に関する電位関連値を計測する計測工程と、予め定められた範囲を超える前記電位関連値の変動回数を記憶する記憶工程と、前記変動回数を利用して前記劣化度合いを推定する推定工程と、を備える。この形態の推定方法によれば、電位関連値の変動回数を利用して劣化度合いを推定できる。また、電位関連値は電位と関連するため、予め定められた範囲を超える電位関連値の変動が生じる場合、範囲を超える電位の変動が生じている可能性が高い。このような範囲を超える電位の変動が複数の燃料電池のうち少なくとも１つの燃料電池において生じれば生じるほど、燃料電池の劣化が進むこととなる。このため、本形態によれば、燃料電池スタックの劣化度合いを精度良く推定できる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料電池スタックの劣化度合いを推定する制御装置等の態様で実現することが可能である。

劣化度合い推定処理を実行する制御装置の概略構成を示すブロック図である。 劣化度合い推定処理の手順の一例を表すフローチャートである。 記憶工程の詳細手順の一例を表すフローチャートである。 電位関連値の変動の一例のグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、本開示における燃料電池スタックの劣化度合いの推定方法の一実施形態としての劣化度合い推定処理を実行する制御装置１００の概略構成を示すブロック図である。制御装置１００は後述する劣化度合い推定処理を実行することにより、燃料電池スタック２００の劣化度合いを推定する。本実施形態において、燃料電池スタック２００は、燃料電池システムの一部として用いられる。かかる燃料電池システムは、例えばトラクションモータに電力を供給する電力源として車両に搭載されて用いられる。

燃料電池システムは、アノード側ガス供給排出機構と、カソード側ガス供給排出機構と、冷却媒体供給排出機構と、二次電池と、を備える。アノード側ガス供給排出機構は、燃料電池スタック２００にアノードガスを供給し、また、燃料電池スタック２００からアノードオフガスを排出する。カソード側ガス供給排出機構は、燃料電池スタック２００にカソードガスを供給し、また、燃料電池スタック２００からカソードオフガスを排出する。冷却媒体供給排出機構は、燃料電池スタック２００に冷却媒体を供給し、また、燃料電池スタック２００から冷却媒体を排出する。二次電池は、例えば、リチウムイオン電池であり、燃料電池スタック２００と共にトラクションモータの電力源として機能する。本実施形態では、制御装置１００は、燃料電池システムの制御部としても機能する。すなわち、制御装置１００は、燃料電池システムが備える上述の各機構を制御する。具体的には、例えば、制御装置１００は、カソードとしての空気を供給するためのエアコンプレッサや、アノードガス及びカソードガスの供給路や排出路に設けられた各種弁や燃料電池スタック２００からの出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ等を制御する。

燃料電池スタック２００は、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池スタック２００は、燃料電池２０２を複数積層した積層体２０１を有する。燃料電池２０２は、単セルとも呼ばれ、単体でも発電可能な発電要素に該当する。本実施形態において、燃料電池２０２は、電解質膜と両極の触媒層と両極のガス拡散層とからなるＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）を、一対のセパレータで挟持した構成を有する。積層体２０１の積層方向の両端には、積層体２０１から近い順にターミナルプレート絶縁プレート、締結プレートが配置され、これらのプレート群により挟持される。なお、図１では、図示の便宜上これらのプレート群は省略されている。ターミナルプレートは、積層体２０１から電力を取り出すために用いられる。絶縁プレートは、積層体２０１を他の部材（例えば締結プレートや、燃料電池スタック２００が取り付けられる車両のボディ）から電気的に絶縁する。締結プレートは、積層体２０１に所望の面圧が掛かるように、例えば、締結シャフトとナットによって、互いに締結される。

制御装置１００は、積層体２０１を構成する燃料電池２０２と電気的に接続されている。本実施形態では、各燃料電池２０２が有するセパレータに端子が設けられており、かかる端子と制御装置１００が有する端子とがケーブルにより互いに接続されている。制御装置１００は、少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）によって構成される。制御装置１００は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって、計測部１０と記憶部２０と推定部３０として機能する。なお、制御装置１００の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。

計測部１０は、電位関連値を計測する。「電位関連値」とは、燃料電池スタック２００を構成する複数の燃料電池２０２のうちの少なくとも１つの燃料電池２０２におけるアノードとカソードとのうちの少なくとも一方の電極の電位と関連する値を意味する。本実施形態において、電位関連値は、各燃料電池２０２のアノード電位とカソード電位との差であるセル電圧の平均値である。計測部１０は、各セル電圧を検出し、検出された各セル電圧の平均値を求めることにより、電位関連値を計測する。計測部１０は、計測した電位関連値を記憶部２０に送信する。

記憶部２０は、計測部１０が計測した電位関連値の変動回数を記憶する。本実施形態において、「電位関連値の変動」とは、電位関連値が予め定められた範囲（以下「正常範囲」ともいう）を超える変動、より具体的には、正常範囲内の値から正常範囲外の値となることを意味する。詳細については後述する。記憶部２０は、例えば、磁気ディスクドライブ方式のハードディスクドライブ（ＨＤＤ）やフラッシュＲＯＭに記憶する。記憶部２０は、予め定められた期間、例えば過去１年分等の電位関連値の変動回数を記憶してもよく、燃料電池システムの出荷時から継続して電位関連値の変動回数を記憶してもよい。なお、予め定められた期間の経過後に、記憶されている電位関連値の変動回数をリセットし、次の期間における電位関連値の変動回数を記憶するようにしてもよい。

推定部３０は、記憶部２０に記憶された電位関連値の変動回数を利用して、燃料電池スタック２００の劣化度合いを推定する。例えば、推定部３０は、電位関連値の変動回数と燃料電池スタック２００の劣化度合いとの関係が予め定義されたマップや関数に基づき、推定することができる。推定部３０は、電位関連値の変動回数が多いほど、燃料電池スタック２００が劣化していると推定する。

燃料電池スタック２００の劣化とは、燃料電池２０２の構成要素、例えば、触媒層の劣化等を意味し、また、かかる劣化に伴う燃料電池２０２の発電性能の劣化を意味する。セル電圧の平均値が正常範囲を超える場合、各燃料電池２０２において、正常範囲を超える電位の変動が生じている可能性が高い、例えば、カソード電位が非常に高くなり、ＯＣＶ（開回路電圧）が非常に高くなるような現象が生じる場合がある。この場合、触媒層に含まれる触媒が溶出して触媒層が劣化し、燃料電池２０２の発電性能が劣化するおそれがある。

図２は、劣化度合い推定処理の手順の一例を表すフローチャートである。劣化度合い推定処理は、燃料電池スタック２００の劣化度合いを推定する処理である。この処理は、例えば、燃料電池システムに対する推定要求信号を検出したときに制御装置１００によって行われる。燃料電池システムに対する推定要求は、例えば、燃料電池システムのメンテナンス時にユーザによって予め定められた操作がされたときに検出される。また、この処理は、予め定められた周期で自動的に行われてもよい。

まず、計測部１０は、ステップＳ１００の計測工程において、燃料電池スタック２００の電位に関する電位関連値を計測する。次に、記憶部２０は、ステップＳ１１０の記憶工程において、ステップＳ１００で計測した電位関連値の変動回数を記憶する。記憶工程の詳細手順は後述する。最後に、推定部３０は、ステップＳ１２０の推定工程において、ステップＳ１１０で記憶した変動回数を利用して、燃料電池スタック２００の劣化度合いを推定する。この推定工程では、例えば、出荷時からの合計変動回数に対して複数の閾値を設けておき、また、閾値と閾値とに挟まれた範囲毎に劣化度合いのレベルを設けておき、変動回数がどのレベルに属するか判断することにより、劣化度合いを推定してもよい。劣化度合いのレベルとしては、例えば、「低」「中」「高」の３つのレベルに分けてもよい。なお、３つに限らず任意の数のレベルに分けてもよい。

図３は、ステップＳ１１０における記憶工程の詳細手順の一例を表すフローチャートである。まず、記憶部２０は、ステップＳ１１１において、計測部１０が計測した電位関連値が予め定められた範囲内の値から範囲外の値に変化したか否かを判定する。より具体的には、電位関連値が、第１閾値未満かつ第２閾値よりも大きいという範囲である、正常範囲内の値から、正常範囲外の値、すなわち第１閾値以上または第２閾値以下になったか否かを判定する。上述の第１閾値および第２閾値は、燃料電池スタック２００が大きく劣化しておらず、正常に動作している場合における電位関連値の範囲を予めシミュレーションや実験を行って特定することにより、定めることができる。電位関連値が正常範囲内の値から正常範囲外の値に変化しない場合、つまり、電位関連値が変化しない場合や、正常範囲内において電位関連値が変化した場合、正常範囲外において電位関連値が変化した場合、正常範囲外の値から正常範囲内の値に電位関連値が変化した場合、記憶部２０は、記憶処理を終了する。一方、電位関連値が正常範囲外の値に変化した場合、記憶部２０は、ステップＳ１１２に進み、記憶されている変動回数を更新し、記憶処理を終了する。

図４は、電位関連値の変動の一例のグラフである。このグラフの縦軸は電位関連値を示し、横軸は時間を示している。例えば、燃料電池システムにおける２次電池等のバッテリの充電量が所定値以上であって、燃料電池スタック２００の発電量を抑制したい場合、電位関連値は第１閾値ｔｈ１以上となる。また、例えば、燃料電池スタック２００が出力不足である場合、電位関連値は第２閾値Ｔｈ２以下となる。図４に示す例では、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３において、電位関連値が正常範囲内から正常範囲外へと変化する。従って、電位関連値の変動回数は３回である。

以上で説明した本実施形態の燃料電池スタック２００の劣化度合いの推定方法（劣化度合い推定処理）によれば、推定部３０は、記憶部２０に記憶された燃料電池スタック２００の電位に関する電位関連値の変動回数を利用して劣化度合いを推定できる。電位関連値、すなわちセル電圧は、各燃料電池２０２の両極の電位と関連するため、正常範囲を超えるセル電圧の変動が生じる場合、正常範囲を超える電位の変動が生じている可能性は高い。このような正常範囲を超える電位の変動が複数の燃料電池２０２の少なくとも一部において生じれば生じるほど、燃料電池スタック２００の劣化は進むことになる。このため、本実施形態の劣化度合い推定処理によれば、燃料電池スタックの劣化度合いを精度良く推定できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した実施形態において、推定部３０は、電位関連値の変動の度合いを利用して、燃料電池スタック２００の劣化度合いを推定してもよい。例えば、電位関連値が予め定められた範囲を大きく超えた値である場合、電位関連値が予め定められた範囲を小さい超えた値である場合よりも、劣化の度合いが大きいと推定されるよう重み付けを行ってもよい。

（Ｂ２）上述した実施形態において、制御装置１００は、推定部３０の推定した燃料電池スタック２００の劣化度合いに応じて、燃料電池車両の推奨運転方法を通知してもよい。例えば、燃料電池スタック２００が劣化していると推定した場合、急なアクセル操作を抑制するよう通知する。

（Ｂ３）上述した実施形態において、計測部１０は、各燃料電池２０２の電圧である各セル電圧を検出し、検出した各セル電圧の平均値を求める事により、電位関連値を計測した。この代わりに、計測部１０は、検出した燃料電池スタック２００の両端電位を燃料電池２０２の数で除算した値を電位関連値としてもよい。また、計測部１０は、各燃料電池２０２の連続したｎ枚１組（ｎは１以上の整数）をセルグループとして、各セルグループについての電圧を検出し、これらを積算してグループ数で除算した値を電位関連値としてもよい。

（Ｂ４）上述した実施形態において、電位関連値は、各セル電圧の平均値であったが、この代わりに、各セル電圧のうちの最大値または最小値を、電位関連値としてもよい。また、各燃料電池２０２のカソード電位の平均値や最大値、最小値を電位関連値としてもよく、各セル電圧の合計値、つまり、燃料電池スタック２００の全体電圧（両極のターミナルプレート間の電圧）を、電位関連値としてもよい。また、燃料電池スタック２００のカソード側の電位を、電位関連値としてもよい。

（Ｂ５）上述した実施形態において、制御装置１００は、燃料電池システムの制御装置１００としても機能していたが、燃料電池システムの機能部として機能しなくてもよい。かかる構成においては、燃料電池システムは、制御装置１００とは別に制御装置１００を備える。また、制御装置１００は、ＥＣＵにより構成されていたが、ＥＣＵに限らず、任意の種類のコンピュータにより構成されてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…計測部、２０…記憶部、３０…推定部、１００…制御装置、２００…燃料電池スタック、２０１…積層体、２０２…燃料電池

Claims (1)

1. 積層された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの劣化度合いの推定方法であって、
   前記複数の燃料電池のうち少なくとも１つの燃料電池におけるアノードとカソードとのうちの少なくとも一方の電極の電位に関する電位関連値を計測する計測工程と、
   予め定められた範囲を超える前記電位関連値の変動回数を記憶する記憶工程と、
   前記変動回数を利用して前記劣化度合いを推定する推定工程と、を備える、推定方法。

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