JP2023107380A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スタックにおける冷却水が意図せず不足する状態で発電が開始されたときでも、かかる異常を検知し、スタックの過昇温を回避できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されたスタックと、複数の燃料電池セルのそれぞれの電圧を検出する電圧センサと、制御装置と、を備えている。制御装置は、複数の燃料電池セルのうち閾値割合以上の個数の燃料電池セルの電圧が閾値電圧以下である状態が閾値時間以上継続したことに基づいて、スタックの冷却異常を判定する。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数の燃料電池セル（以下、単に、セルともいう。）を積層して電気的に直列に接続したスタックを備えている。スタックを構成する個々のセルでは、水素ガスと酸化性ガスである空気とを反応させることにより発電する。燃料電池の発電を制御する燃料電池システムでは、セルの電圧をモニタし、例えば、セル電圧が所定の負電圧以下の場合には、電流量を減少させる制御を行って健全な発電を確保している（特許文献１）。

特開２０１８－４５８７６号公報

燃料電池においては、セル電圧は、種々の状況で低下してしまうことがある。例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）では、発電中の燃料ガスである水素の欠乏によってセル電圧が低下することや、発電中に冷却水が漏れ出して冷却が不十分となってセル電圧が低下することがある。こうした状況では、セル電圧が大きく負電圧まで低下する。このため、大きく低下した所定の負電圧を閾値電圧として設定することで、こうした異常を検知する。

一方、発電当初からスタックの冷却水が不足している状態では、大きく電圧が低下しないまま発電が継続されてしまうことがあることがわかった。さらに、発電に伴う発熱によってスタックが昇温され続け、過昇温に至ってしまうおそれがあることがわかった。

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムにおいて、例えば、スタックにおける冷却水が意図せず不足する状態で発電が開始されたときでも、かかる異常を検知し、スタックの過昇温を回避できる技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されたスタックと、複数の燃料電池セルのそれぞれの電圧を検出する電圧センサと、制御装置と、を備えている。制御装置は、複数の燃料電池セルのうち閾値割合以上の個数の燃料電池セルの電圧が閾値電圧以下である状態が閾値時間以上継続したことに基づいて、スタックの冷却異常を判定する。

こうすることで、冷却水などの冷却媒体の不足する状況下で発電が開始されたことを検知し、スタックの過昇温を回避できる。

また、複数の燃料電池セルのうち閾値割合以上の個数の燃料電池セルの電圧が閾値電圧以下の状態が、閾値時間以上継続したことに基づいて、スタックの冷却異常を判定するため、水素の欠乏によるスタックの過昇温やスタックの発電運転中における冷却水の不足とは異なる態様の電圧低下を検知して、スタックの過昇温をより確実に回避することができる。

燃料電池システムにおけるスタック発電開始時におけるスタックの電圧低下態様の一例を示す図である。 燃料電池システムにおけるスタックの発電運転中の水素欠乏による電圧低下態様の一例を示す図（ａ）と、スタックの発電運転中の冷却不足によるスタックの電圧低下態様の一例を示す図（ｂ）である。 燃料電池システムにおけるスタックの過昇温判定プロセスの一例を示す図である。

本開示の燃料電池システムの一実施形態において、前記閾値電圧は、０Ｖよりも高い電圧である。こうすることで、水素欠乏による燃料電池セルの電圧低下などとより確実に区別できる。

なお、本明細書において、数値に関して「以上」と記載するとき、当該数値を超える態様を包含している。例えば、「１００以上」と記載するとき、「１００以上」の場合のほか、「１００を超える（超）」場合を含んでいる。また、本明細書において、数値に関して、「以下」と記載するとき、当該数値より小さい態様を包含している。例えば、「１００以下」と記載するとき、「１００以下」の場合のほか、「１００より小さい（未満）」場合を含んでいる。

以下、本明細書に開示される燃料電池システムによるスタックの発電運転について適宜図面を参照して説明する。

以下に説明する燃料電池システムは、車両に搭載される燃料電池システムであり、例えば、昇圧コンバータ及びモータに電気的に接続され、これらの駆動源として機能するように構成されている。燃料電池システムは、図示はしないが、多数の燃料電池セルを直列に積層したスタックと、燃料ガスである水素の水素タンク、水素のインジェクタ、水素ポンプと、水素流路、排気排水部などからなる水素供給系と、酸化性ガスである空気を供給する空気供給系と、ラジエータ、冷却水ポンプ、冷却水流路などからなる冷却系と、を備えている。燃料電池システムは、従来公知であり、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を初めとする種々の燃料電池を含むシステムであってもよい。

燃料電池システムは、セルモニタを備えている。セルモニタは、所定の複数個のセル毎に設置されている。例えば、４つのセルに対して一つのセルモニタが電気的に直列に接続されている。セルモニタは、直列的に接続された複数のセルの電圧を測定する電圧計を備えている。セルモニタは、４つのセルにおける電圧を検知し、検知した電圧を４で除することで個々のセル電圧を計測する。

燃料電池システムは、制御装置を備えている。制御装置は、少なくとも一つのプロセッサとメモリとを備える、いわゆるコンピュータとして構成されている。制御装置は、水素供給系のインジェクタ、ポンプ、冷却水循環系のポンプ、空気供給系のエアコンプレッサなどのほか、各種バルブと接続されており、これらを制御する。また、制御装置は、セルモニタからの電圧値を随時取得し、この電圧値から個々のセルの電圧を取得し、メモリに格納する。

メモリには、燃料電池システムの発電開始時に実行するプログラムが格納されている。このプログラムは、スタックの発電開始時において、スタックの冷却異常又はスタックの過昇温の予兆を判定するためのプログラムである。

メモリには、かかるプログラムに関連して、スタックの発電開始時における、例えば冷却水の入れ忘れなどによって生じるセルの電圧低下を検知するために規定した電圧（閾値電圧）と当該電圧以下の状態が継続する時間（閾値時間）を予め保持している。プロセッサがプログラムを実行して、閾値電圧以下となる期間が、閾値時間以上となるとき、プロセッサは、スタックの冷却異常を肯定する判定を行うことができるようになっている。

図１に、スタックの発電開始時から、冷却水の入れ忘れなどによって冷却水が不足ないし枯渇している異常事象に伴うセル電圧低下態様の一例を示す。図１に示すように、この態様では、発電運転開始から、しばらくすると、セル電圧は低下し始め、その後、０電圧近傍の電圧（図中、電圧Ｂ、閾値電圧）を概ね維持して一定期間（図中、時間Ａ、閾値時間）維持する。か

時間Ａにおけるセル電圧の上限値は、より具体的には、０Ｖを越える電圧であって、例えば、０．２Ｖ、また例えば、０．１Ｖである。また、時間Ａにおけるセル電圧は下限値を設定することができる。下限値は、例えば、－０．３Ｖであり、また例えば、－０．２Ｖであり、また例えば、－０．１Ｖである。以上のことから一定期間維持される電圧の範囲は、例えば、－０．２Ｖ以上０．２Ｖ以下であり、また例えば、－０．２Ｖ以上０．１Ｖ以下であり、また例えば、－０．１Ｖ以上０．１Ｖ以下などである。

図１から明らかなように、この電圧低下態様については、スタックの発電開始から一定期間、セル電圧をモニタすることで、冷却異常を検知することができる。

また、スタックの発電開始時から冷却水が不足ないし枯渇する事象では、概してスタックを構成するセルのうち多くのセルにおいて冷却水が全体的に不足している。メモリには、こうした事象によって生じるセル電圧低下を検知するために規定した電圧低下を呈するセルの割合（全セル数に対する電圧低下しているセルの個数（閾値個数）の割合）を保持している。この割合は、本明細書に開示する閾値割合の一例である。閾値割合又は閾値個数を設定することで、プロセッサがプログラムを実行して、電圧低下を呈するセルの個数が、閾値割合以上又は閾値個数以上であるとき、プロセッサはスタックの冷却異常を肯定する判定を正確に行うことができる。

また、図２には、他の異常事象によるセル電圧の低下態様を、発電開始時に冷却水が不足するセル電圧低下態様と比較して示す。図２（ａ）は、水素欠乏による電圧低下態様の一例である。この場合、セルの電圧は、水素欠乏が発生すると速やかに低下し、その後、しばらくの期間（図中の時間Ｃ）０Ｖ近傍を維持するが、その後急激に低下する。ここで、時間Ｃは、発電開始時に冷却水が不足ときの０Ｖ近傍における電圧維持時間である時間Ａよりも短い。また、図２（ｂ）は、発電運転中に冷却水が漏れるなどによる冷却水不足による電圧低下態様の一例である。この場合、セルの電圧は、冷却水が不足し始めてから、電圧が一定の期間を経ることなく急激に低下する。このように、水素欠乏や冷却水漏れは、スタックの発電開始当初からの冷却水不足とは異なる電圧低下態様を示す。

プロセッサが実行するプログラムは、こうした他事象によるセル電圧低下とは区別可能な閾値電圧及び閾値時間を備えている。閾値電圧又はその範囲は、特に限定するものではなく、検証実験やシミュレーション等により適宜決定されるが、例えば、記述のとおりのように、０．２Ｖ以下、また例えば、０．１Ｖ以下などである。また、閾値時間も、特に限定されるものではなく、検証実験やシミュレーション等に基づき適宜設定される。さらに、閾値割合又は閾値個数も、特に限定されるものではなく、検証実験やシミュレーション等に基づき適宜設定される。また、プロセッサが実行するプログラムは、スタックの発電運転開始から一定期間実施されればよく、一定期間経過後には、終了してもよい。このプログラムのためのセル電圧のモニタ期間も、特に限定されるものではなく、検証実験やシミュレーション等に基づき適宜設定される。特に限定するものではないが、モニタ時間は、例えば、５分～数十分、また例えば、１０分以内程度である。

燃料電池システムは、このほか、セルのインピーダンスを測定するインピーダンスセンサ、種々の温度計などを適宜備えることができる。

次に、図３を参照して、燃料電池システムが行う、スタックを構成するセルの電圧に基づく、冷却異常ないし過昇温の予兆を判定するプロセスについて説明する。図３に示すフローは、制御装置のプロセッサが、スタックの発電開始時に実行するプロセスの一例である。

プロセッサは、セルモニタから取得した複数セルの電圧値から、個々のセルの電圧を取得し、予め設定された閾値電圧（０．１Ｖ）以下であるセルの個数（枚数）が閾値割合（閾値個数）以上であるという条件（以下、この条件を閾値電圧／閾値個数条件という。）を充足しているか否かを判定する（ステップＳ１００）。閾値電圧／閾値個数条件を充足しないときには、このプロセスを終了する。

閾値電圧／閾値個数条件を充足しているとき、プロセッサは、別にこの条件充足状態の継続時間の計測を開始する（ステップＳ１１０）。そして、さらに、プロセッサは、閾値電圧／閾値個数条件を充足しているかどうかを判定し（ステップＳ１２０）、充足しているときには、条件充足の継続時間が閾値時間に到達したかどうかを判定し（ステップＳ１３０）、閾値時間に到達していないときには、ステップＳ１２０に戻って閾値電圧／閾値個数条件を充足しているかどうかの判定を繰り返す。

プロセッサは、条件充足状態の継続時間が閾値時間に到達したかどうかを判定し（ステップＳ１３０）、閾値時間に到達したときには、スタックの発電開始時からの冷却水不足による冷却異常ないし過昇温の予兆を肯定する判定を行い（ステップＳ１４０）、このプロセスを終了する。なお、プロセッサは、スタックの冷却異常／過昇温予兆の判定に基づき、スタックの発電停止やアラームなど予め設定された処理を実施する。以上のプロセスは、スタックの発電開始から一定期間、すなわち、当初からの冷却水不足による冷却異常の検知可能性がなくなるとされる期間が経過するまでは、繰り返し実施される。そして、プロセスは、その後、終了される。

以上説明したように、燃料電池システムによれば、スタックの発電運転開始当初から冷却水が不足しているときのセル電圧の低下を特異的に検知し、スタックの冷却異常若しくは過昇温又はその予兆を判定することができる。このため、スタックの異常昇温を回避するとともにスタックの健全な冷却と発電を実現することができる。

また、燃料電池システムによれば、スタック発電当初からの水不足を、水素欠乏や運転中における冷却水不足と区別して検知できるため、冷却水を充填することで異常事象を解消できることも同時に把握できるし、それにより速やかこうした事象の解決が可能となっている。

また、燃料電池システムによれば、閾値電圧、閾値時間及び閾値割合（閾値個数）を設置したため、より確実にスタック発電運転当初からの水不足による電圧低下を特異的にかつ速やかに検出することができる。また、閾値電圧を、０．１Ｖなどと正の電圧に設定したため、発電中などの水素欠乏や冷却水不足による、負電圧側への電圧低下態様と、効果的に（例えば、速やかに、また例えば簡易に、また例えば確実に）区別できる。

なお、以上説明した燃料電池システムにおいては、車両に搭載するものとしたが、これに限定するものではなく、定置型の燃料電池システムにも適用できる。以上説明した燃料電池システムでは、セルの電圧を、複数個数のセル毎に設置したモニタで一括検出するものとしたが、これに限定するものではなく、個々のセル毎に電圧計を設置してもよい。また、スタックを構成する全てのセルの電圧を取得することに限定するものではなく、スタックを代表できる適切な複数個数のセルにつき電圧を取得するようにしてもよい。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (2)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池セルが積層されたスタックと、
   前記複数の燃料電池セルのそれぞれの電圧を検出する電圧センサと、
   制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記複数の燃料電池セルのうち閾値割合以上の個数の燃料電池セルの電圧が閾値電圧以下である状態が閾値時間以上継続したことに基づいて、前記スタックの冷却異常を判定する、システム。
2. 前記閾値電圧は、０Ｖよりも高い電圧である、請求項１に記載の燃料電池システム。
   

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