JP3915569B2

JP3915569B2 - Fuel cell failure determination apparatus and method

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Publication number: JP3915569B2
Application number: JP2002087284A
Authority: JP
Inventors: 晃宏上田; 正明山岡; 清美永宮
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003282115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に不具合があるか否かを判定するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池が不具合を有しているか否かを判定する方法として、燃料電池で発電を行なわせて、実際に使用される状態に近い状態で不都合が生じるかどうかによって判定する方法がある。燃料電池が不具合を有している場合には、発電を行なわせたときに、望ましくない程度に電圧が低下してしまうといった問題が生じることにより、上記判定を行なうことができる。
【０００３】
このような不具合の判定方法として、燃料電池に供給されたガスのうちで電気化学反応に利用されたガスの割合であるガス利用率を、限界値近くにまで大きくして、そのときの電圧変化を測定する方法が提案されている（例えば特開平８−７９１１号公報等）。このような方法によれば、ガス利用率を大きくするのに伴って出力電圧が低下する際に、電圧変化が設定値を超えることによって、燃料電池が不具合を有すると判断される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように燃料電池の電圧変化によって不具合の有無を判定する場合には、実際に望ましくない程度に出力電圧が低下することによって始めて、不具合があると判定できる。そのため、不具合があると判定されるときには、電圧低下に伴って燃料電池が劣化してしまうおそれがあった。
【０００５】
また、このように実際に発電を行なう場合には、発電に伴って生じる不測の状態に起因して、本来構造的には不具合のない燃料電池においても、充分な発電性能が得られなくなる場合がある。例えば、燃料電池内部の温度やガス湿度が変化すると、これに伴って燃料電池内部に凝縮水が生じてガス流路を塞ぎ、電池性能を低下させてしまうことがある。このような燃料電池を用いて発電を行なうと、望ましくない程度に出力電圧が低下して、本来不具合のない燃料電池であっても、不具合があると判定されてしまうことになる。そして、このように望ましくない程度に電圧が低下することによって、本来不具合のない燃料電池を劣化させてしてしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池における不具合の有無を判定する際に、望ましくない程度に出力電圧を低下させることなく、上記判定を行なう技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、直列に接続した複数のセルを有する燃料電池の不具合判定装置であって、
電気化学反応に供するためのガスを燃料電池に供給するガス供給部と、
前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を検出するガス流量検出部と、
前記燃料電池を構成する各々の前記セルの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が所定の目標電圧以上となるように、前記燃料電池の目標電流を設定する目標電流設定部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部を有し、前記燃料電池が前記目標電流を出力するように負荷条件を制御する出力制御部と、
前記ガス流量検出部が検出したガス流量から得られる電流の最大値として算出される理論最大電流と、前記電流検出部が検出した前記出力電流とに基づいて、前記燃料電池におけるガス利用率を算出する利用率算出部と、
前記利用率算出部が算出した前記ガス利用率が所定の基準値以下の時に、前記燃料電池において不具合があると判定する判定部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池の不具合判定装置では、燃料電池において不具合がある場合には、燃料電池を構成する各々のセルの出力電圧はより低くなろうとするが、この出力電圧が所定の目標電圧以上となるように、燃料電池の目標電流が設定される。そして、このような目標電流が燃料電池から出力されるように、負荷条件が制御され、このときのガス利用率に基づいて、燃料電池における不具合の有無が判定される。
【０００９】
このような燃料電池の不具合判定装置によれば、燃料電池を構成する各々のセルの出力電圧を望ましくない程度に低下させることなく、燃料電池における不具合の有無を判定することができる。そのため、燃料電池における不具合の有無を判定する際に、燃料電池を構成する各々のセルの出力電圧が低下することによって、燃料電池が劣化してしまうことがない。なお、ガス利用率とは、燃料電池に供給されたガスのうちで電気化学反応に利用されたガスの割合のことである。この値は、例えば、供給ガスが１００％の効率で電気化学反応に利用されたと仮定したときに得られる電流に対する、実際の出力電流の割合として求めることができる。
【００１０】
ここで、出力電圧検出部が検出した前記出力電圧が前記目標電圧以上となるように前記目標電流を設定するとは、実際には、出力電圧が目標電圧を下回ることがあっても良い。出力電圧が目標電圧以上となるように目標電流を設定する動作は、出力電圧が目標電圧を下回った場合に、この出力電圧を目標電圧以上にしようとする動作を含むものとする。
【００１１】
本発明の燃料電池の不具合判定装置において、
前記出力電圧検出部は、各々の前記セルの出力電圧のうちの最低値である最低セル電圧を検出し、
前記目標電流設定部は、前記最低セル電圧と前記目標電圧との差に基づいて、前記目標電流を補正することとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、燃料電池を構成する複数のセルの内、いずれか一つでも不具合を有している場合には、その不具合が最低セル電圧の低下として現われる。このような場合には、最低セル電圧が目標電圧以上となるように目標電流を設定することで、ガス利用率が低下するため、直ちに、いずれかのセルにおいて不具合があると判定することができる。
【００１３】
このような燃料電池の不具合判定装置において、
前記目標電流設定部は、前記最低セル電圧が、前記所定の目標電圧により近づくように、前記目標電流を設定することとしても良い。
【００１４】
このような場合には、燃料電池の最低セル電圧が目標電圧よりも高いときには、最低セル電圧を目標電圧に近づけるために、より大きな目標電流が設定される。そのため、最低セル電圧が目標電圧よりも高いときには、ガス利用率がより高くなるように制御が行なわれる。
【００１５】
本発明の燃料電池の不具合判定装置において、
前記目標電流設定部は、前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、前記理論最大電流を補正して前記目標電流を設定することとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、供給ガス量に応じて、燃料電池の出力電流を制御することができる。
【００１７】
また、本発明の不具合判定装置において、
前記目標電流設定部は、前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、現在の出力電流を補正して前記目標電流を設定することとしても良い。
【００１８】
このように、現在の出力電流を補正して、検出した出力電圧が目標電圧以上となるように目標電流を設定する動作を繰り返すことにより、燃料電池の出力電圧が望ましくない程度に低下しない状態を常に保つことができる。
【００１９】
本発明の不具合判定装置において、
前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部をさらに備え、
前記ガス供給部は、
前記燃料電池に供給する前記ガスの流量を変動させる流量調節部と、
前記燃料電池に供給する前記ガスの湿度を調節するガス湿度調節部と
を備えることとしても良い。
【００２０】
このような構成とすれば、燃料電池の内部温度と供給ガスの湿度とについて、特定の条件を設定した上で、供給ガス量を変動させた状態での不具合の判定を行なうことができる。
【００２１】
また、本発明の不具合判定装置において、前記判定部は、前記ガス利用率が所定の基準値以下の時に、不具合があると判断することとしても良い。このような構成とすれば、画一的な判断基準で、燃料電池における不具合の有無を判定することができる。
【００２２】
さらに、本発明の不具合判定装置において、
前記利用率算出部は、所定の時間、算出した前記ガス利用率を積算する利用率積算部を備え、
前記判定部は、前記利用率積算部が積算したガス利用率に基づいて、前記燃料電池における不具合の有無を判定することとしても良い。
【００２３】
設定した目標電流を燃料電池が出力するように制御する場合には、このような制御の動作において遅れが生じることが考えられる。この制御動作の遅れのように、燃料電池の不具合とは関わりのない原因によって、ガス利用率が一時的に低下することも考えられる。上記のような構成とすれば、積算したガス利用率を用いるため、燃料電池の不具合以外の原因による一時的なガス利用率の変動の影響を受けずに、判定を行なうことができる。
【００２４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の不具合判定方法などの形態で実現することが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．燃料電池４０の出力電流制御：
Ｃ．不具合判定の動作：
Ｄ．変形例：
【００２６】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池４０と、冷却部４４と、燃料ガス供給部１２０と、酸化ガス供給部１３０とを備えている。また、上記燃料電池４０における不具合の有無を判定するために、燃料電池システム１０と共に、出力調整部４６と、制御部５０とが設けられている。
【００２７】
燃料電池４０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有している。本実施例では、燃料電池４０として、固体高分子型燃料電池を用いたが、他種の燃料電池を用いることとしても良い。この燃料電池４０には、各単セルの電圧を測定するためのセル電圧センサ４２が設けられている。
【００２８】
冷却部４４は、燃料電池４０を冷却するための冷却水を、燃料電池４０との間で循環させるための装置である。燃料電池４０において電気化学反応が進行する際には、この反応に伴って熱が生じるため、本実施例では、冷却部４４を用いて冷却水を循環させて燃料電池４０を冷却し、燃料電池４０の運転温度を所定の範囲に保っている。冷却水は、冷却水流路４５によって、燃料電池４０の内部と冷却部４４との間を循環するように導かれる。そして、燃料電池４０の内部において燃料電池４０と熱交換することで昇温する動作と、冷却部４４において降温される動作とを繰り返す。冷却部４４は、このように冷却水を循環させるためのポンプと、冷却水を降温させるためのラジエータとを備えている（図示せず）。冷却部４４では、上記ラジエータによって降温させる冷却水の量と、燃料電池４０内に供給する冷却水の流量とを制御することによって、燃料電池４０の内部温度が所望の温度となるように調節する。
【００２９】
燃料ガス供給部１２０は、燃料ガス供給源２０と燃料ガス用配管２１とを有しており、燃料電池４０内部の燃料ガス流路に、水素を含有する燃料ガスを供給する。本実施例では、燃料ガスとして水素ガスを用いており、燃料ガス供給源２０としては、水素ボンベを用いることとした。あるいは、水素吸蔵合金を備え、この水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵する水素タンクを用いることとしても良い。また、燃料ガスとして改質ガスを用い、燃料ガス供給源２０は、炭化水素などの燃料から得られる改質ガスを供給する装置とすることも可能である。燃料ガス用配管２１には、圧力調整弁２２と、ガスフローメータ２４と、加湿部２６と、圧力センサ２８とが設けられている。
【００３０】
加湿部２６は、燃料ガス用配管２１を流れる水素を、燃料電池４０に供給するのに先立って、所望の湿度にまで加湿するための装置である。本実施例の加湿部２６は、上記水素の流路と、この水素を加湿するための温水の流路とを、水蒸気透過性を備える中空子膜によって隔てた構造を有している。水素の流量や、温水の温度を制御することによって、所望の湿度に水素を加湿することが可能となる。
【００３１】
酸化ガス供給部１３０は、ブロワ３０と酸化ガス用配管３１とを有しており、燃料電池４０内部の酸化ガス流路に、酸化ガスとして空気を供給する。酸化ガス用配管３１には、燃料ガス用配管２１と同様に、圧力調整弁３２と、ガスフローメータ３４と、加湿部３６と、圧力センサ３８とが設けられている。
【００３２】
出力調整部４６は、大きさを調節可能な負荷を備えており、燃料電池４０の両端子に接続している。また、出力調整部４６と燃料電池４０の端子とを接続する配線４７には、燃料電池４０の出力電流を測定する電流計４８が設けられている。このような構成とすることで、出力調整部４６は、内部に備える負荷の大きさを調節しつつ燃料電池４０に電圧を印加して、燃料電池４０から出力させる電流の大きさが所望の値となるように制御する。
【００３３】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部５０は、既述したセル電圧センサ４２や、ガスフローメータ２４，３４や、圧力センサ２８，３８による検出信号を取得する。また、冷却部４４や圧力調整弁２２，３２、加湿部２６，３６やブロワ３０、あるいは出力調整部４６などに駆動信号を出力する。
【００３４】
Ｂ．燃料電池４０の出力電流制御：
図２は、燃料電池４０の出力電流制御の構成を示すブロック図である。制御部５０は、電流値算出部５２と、第１の減算器５４と、第２の減算器５６と、ＰＩ補償部５８とを有している。
【００３５】
図３は、燃料電池４０の出力電流を制御するために実行されるＦＣ電流制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池４０の運転を行なう際に、制御部５０において所定の時間ごとに実行される。本ルーチンが実行されると、電流値算出部５２が、ガスフローメータ２４，３４が検出したガス流量を取得して（ステップＳ１００）、燃料電池４０が理論的に出力可能な理論最大電流Ｉ_maxを算出する（ステップＳ１１０）。理論最大電流Ｉ_maxの算出方法を以下に説明する。
【００３６】
Ｈ₂→ ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→ Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→ Ｈ₂Ｏ …（３）
【００３７】
上記（１）式は燃料電池４０のアノードで進行する反応を、（２）式はカソードで進行する反応を表わし、燃料電池４０全体では（３）式の反応が進行する。ここで、上記した各電極で進行する反応と、ガスフローメータ２４，３４が検出したガス量とから、各電極における理論最大電流（アノードにおける理論最大電流Ｉ_Hと、カソードにおける理論最大電流Ｉ_AIR）とを求める。ここで、各電極における理論最大電流とは、それぞれの電極に供給されるガスが１００％の効率で電気化学反応に利用されたと仮定したときに得られる電流を、上記（１）、（２）式に基づいて算出した電流である。この各電極における理論最大電流を求める式を以下に示す。
【００３８】
Ｉ_H＝ｆ_H×（２Ｆ／６０） …（４）
Ｉ_AIR＝ｆ_AIR×（４Ｆ／６０）×（２１／１００） …（５）
ただし、ｆ_Hは水素流量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、
ｆ_AIRは空気流量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、
Ｆは、ファラデー常数、
を表わし、空気中の酸素の割合を２１％とした。
【００３９】
実際に出力される電流は、燃料ガスと酸化ガスとのうち、より少ない方の流量によって定まるため、燃料電池４０によって出力可能な理論最大値Ｉ_maxとしては、上記Ｉ_HおよびＩ_AIRのうちの小さい方の値が選択される。すなわち、
Ｉ_H＞Ｉ_AIRの時、Ｉ_max＝Ｉ_AIR、
Ｉ_H≦Ｉ_AIRの時、Ｉ_max＝Ｉ_Hとなる。
【００４０】
理論最大電流Ｉ_maxを算出すると、次に電流値算出部５２は、この理論最大電流Ｉ_maxに基づいて、第１の目標電流Ｉ_fcrを算出する（ステップＳ１２０）。第１の目標電流Ｉ_fcrは、上記理論最大電流Ｉ_maxに対して、予め定めた所定の安全係数を乗じることによって求める。理論最大電流Ｉ_maxは、既述したように、供給ガスが１００％の効率で電気化学反応に利用されたと仮定したときに得られる電流であるが、現実には、１００％の効率で発電が行なわれることはない。そのため、理論最大電流Ｉ_maxを燃料電池４０から出力させようとすると、急激な電圧低下などの不都合が生じるおそれがある。安全係数は、燃料電池４０においてこのような不都合を生じることなく発電を行なうことができるように、燃料電池４０の性能に対してある程度の余裕をもって予め設定されている。安全係数は、例えば、７０〜９０％の範囲内で定めることができる。
【００４１】
次に、セル電圧センサ４２から、各セル電圧の内の最低値（最低セル電圧Ｖ_min）を、取得する（ステップＳ１３０）。そして、この最低セル電圧Ｖ_minと、予め定めた所定の目標電圧Ｖ_thとの差に基づいて、上記第１の目標電流Ｉ_fcrを補正して、第２の目標電流Ｉ_fcr'を算出する（ステップＳ１４０）。なお、目標電圧Ｖ_thの値は、不都合を生じることなく燃料電池４０が発電を行なうときの最低セル電圧の目標値として、予め設定され、制御部５０内に記憶されている。この目標電圧Ｖ_thの値は、例えば、単セルにおいて不都合が発生している可能性があると判断される電圧値よりも充分に高い値、あるいは、燃料電池４０が安定して発電を行なうことができる望ましい電圧値として定めることができる。
【００４２】
ステップＳ１４０において、第１の目標電流Ｉ_fcrを補正して第２の目標電流Ｉ_fcr'を算出する際には、まず、図２に示した第２の減算器５６が、上記所定の目標電圧Ｖ_thから最低セル電圧Ｖ_minを減算して、差分ΔＶ（＝Ｖ_th−Ｖ_min）を求める。そして、第２の減算器５６から与えられた差分ΔＶを用い、ＰＩ補償部５８が、以下の（６）式に従って電流補正量Ｉ_cを算出する。
【００４３】
Ｉｃ＝Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΣΔＶ …（６）
【００４４】
ここで、Ｋｐ，Ｋｉは所定の係数であり、Σは一定周期毎に累算する演算を表わす演算子である。この（６）式からも理解できるように、ＰＩ補償部５８は、電圧の差分ΔＶに対していわゆる比例補償と積分補償とを行なっている。この電流補正量Ｉｃは、第１の減算器５４において第１の目標電流Ｉ_fcrから減算され、この結果、以下の（７）式で与えられる補正後の第２の目標電流Ｉ_fcr'が得られる。
【００４５】
Ｉ_fcr'＝Ｉ_fcr−Ｋｐ×ΔＶ−Ｋｉ×ΣΔＶ …（７）
【００４６】
第２の目標電流Ｉ_fcr'が得られると、これを出力調整部４６に出力して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。出力調整部４６は、既述したように、燃料電池４０の出力電流が第２の目標電流Ｉ_fcr'となるように、抵抗の大きさを調節して燃料電池４０に電圧を印可する。
【００４７】
すべてのセルが正常に動作して、最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thよりも大きいときには、これらの差分ΔＶ（＝Ｖ_th−Ｖ_min）は負の値をとる。したがって、このときには補正後の第２の目標電流Ｉ_fcr'は、元の第１の目標電流Ｉ_fcrよりも大きくなる。最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thよりも大きいときには、燃料電池４０の出力電流をより大きくしても差し支えないものとして、このような補正が行なわれる。これに対して、一つのセルでも不具合が発生していると、電圧の差分ΔＶが正の値になり、補正後のの目標電流Ｉ_fcr'は元の第１の目標電流Ｉ_fcrよりも小さくなる。最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thよりも小さいときには、このまま最低セル電圧が低下して燃料電池４０において不都合が生じてしまわないように、燃料電池４０の出力電流をより小さくして、最低セル電圧を上昇させるための補正が行なわれる。このような動作を繰り返すことによって、最低セル電圧を目標電圧に近づけるように制御が行なわれる。
【００４８】
図４は、燃料電池４０に供給するガスの流量を変動させつつ既述した制御を行なったときに、最低セル電圧（Ｖ_min）と燃料電池４０の出力電流（Ｉｔ）とが変動する様子の一例を表わす図である。上記のような制御を行なうことで、最低セル電圧（Ｖ_min）は、目標電圧の近傍の値を取るように制御される。燃料電池４０の出力電流は、目標電流がガス流量に基づいて設定されるため、ガス流量の変動に伴って変動するが、その変動の程度は、最低セル電圧に応じて補正されたものとなる。
【００４９】
Ｃ．不具合判定の動作：
図１に示した燃料電池システム１０を用いて、燃料電池４０に不具合があるか否かを判定するために行なう動作を以下に説明する。本実施例では、燃料電池４０の内部温度と燃料電池４０に供給するガスの湿度との異なる複数の運転条件下において、燃料電池４０に供給するガス量を変動させつつ、燃料電池４０における不具合の有無の判定を行なっている。
【００５０】
図５は、燃料電池４０に不具合があるか否かを判定する際に、燃料電池システム１０において実行される工程を表わす説明図である。不具合の有無を判定する際には、まず、燃料電池４０の内部温度および燃料電池４０に供給するガスの湿度を設定する（ステップＳ２００）。本実施例では、燃料電池４０の内部温度および燃料電池４０に供給するガスの湿度に関する条件は、その都度外部から入力することとした。既述したように、燃料電池４０の内部温度は、冷却部４４によって設定温度に調節され、供給ガス量の湿度は、加湿部２６，３６によって設定した湿度に調節される。
【００５１】
燃料電池４０の内部温度および燃料電池４０に供給するガスの湿度が、設定した条件で安定すると、次に、燃料電池４０に対して、ガス量を変動させながら燃料ガス（水素）および酸化ガス（空気）の供給を開始する（ステップＳ２１０）。このように供給ガス量を変動させるために、例えば、ガス量変動のパターンを予め制御部５０内に記憶しておくことができる。この場合には、この記憶した情報とガスフローメータ２４，３４の検出信号に基づいて、ブロワ３０や圧力調整弁２２，３２に対して駆動信号を出力すれば、所望のパターンでガス流量を変動させることができる。
【００５２】
このようにガスの供給を開始すると、既述したように最低セル電圧Ｖ_minを目標電圧Ｖ_thに近づける制御を行ないつつ、供給ガス量に応じた電流を燃料電池４０から出力させる（ステップＳ２２０）。これによって、図４に示したように、最低セル電圧Ｖ_minは目標電圧Ｖ_thに近い値をとると共に、供給ガス流量に応じて燃料電池４０の出力電流Ｉｔが変動する状態となる。
【００５３】
このように供給ガス量と最低セル電圧Ｖ_minに基づいて燃料電池４０の出力電流を制御する運転を行ないつつ、同時にガス利用率の算出を行なう（ステップＳ２３０）。ガス利用率とは、燃料電池に供給されたガスのうちで電気化学反応に利用されたガスの割合のことである。具体的には、供給されたガスが１００％の効率で発電に利用されたと仮定したときの理論的な出力電流量に対する実際に出力された電流量の割合として算出される。ガス利用率Ｇを算出するための式を以下に（８）式として示す。
【００５４】
Ｇ＝Ｉｔ／Ｉ_max …（８）
【００５５】
なお、Ｉ_maxは、既述したように、アノードにおける理論最大電流Ｉ_Hと、カソードにおける理論最大電流Ｉ_AIRとのうちの、小さい方を指す。このように、燃料電池４０において発電を行なわせつつガス利用率Ｇの算出を継続して行ない、算出したガス利用率Ｇに基づいて、燃料電池４０における不具合の有無を判定する（ステップＳ２４０）。不具合の有無の判定は、上記のように供給ガス量を変動させながら燃料電池４０に発電を行なわせる間に、ガス利用率Ｇが、予め設定した基準値を下回ることがあるかどうかによって判断する。
【００５６】
燃料電池４０においていずれかの単セルにおいて不具合が生じると、その単セルにおいて電圧低下が起こるため、これによって最低セル電圧Ｖ_minが低下する。本実施例では、最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thに近づくように制御が行なわれるため、上記のように不具合に起因して最低セル電圧Ｖ_minが低下を始めると、出力電流Ｉｔがより低くなるように、目標電流を設定する際に補正が行なわれる。このように、供給ガス量に対して燃料電池４０の出力電流をより小さくすると、ガス利用率Ｇは、より低くなる。ガス利用率Ｇの基準値は、充分な性能を有する燃料電池において確保されるべきガス利用率の値として設定されており、ガス利用率Ｇがこれを下回ったときに、燃料電池４０に不具合が生じていると判断される。
【００５７】
本実施例では、このように、供給ガス量を変動させながら上記出力電流の制御を行ない、ガス利用率Ｇを算出する動作を、ステップＳ２００の条件を変えながら複数回行なって、最終的に燃料電池４０における不具合の有無を判定することとした。
【００５８】
以上のように構成された本実施例における燃料電池の不具合判定方法によれば、燃料電池が発電を行なう際に、望ましくない程度に出力電圧が低下してしまう状態にすることなく、燃料電池が不具合を有するか否かを判定することができる。燃料電池を構成する単セルにおいて電圧が大きく低下すると、例えば、アノード側に供給された水素が電解質膜を透過してカソード側に移動するという現象が起こるおそれがある。このような現象が起きると、カソード側で望ましくない燃焼反応が起こり、燃料電池が劣化する場合がある。本実施例のように、最低セル電圧Ｖ_minが低下しすぎないように制御しつつガス利用率Ｇを算出することで、燃料電池が劣化するおそれがない状態で、不具合の有無の判定を行なうことができる。このような不具合の有無の判定方法は、例えば、製造した燃料電池の良、不良を判定する際に用いることができる。
【００５９】
なお、上記のように種々の条件で実際に燃料電池による発電を行ないながら不具合を判定しようとする場合には、燃料電池そのものに構造的な不具合がない場合であっても、一部の単セルにおいて発電状態が不良となる場合がある。例えば、内部温度の変更やガス湿度の変更、あるいはガス流量を変動させながらガスを供給する等の一連の動作には、ある程度の時間を要するため、このような動作を行なう間に、一部の単セルにおいて凝縮水が生じることがある。凝縮水が生じると、この凝縮水がガス流路を塞ぐことによって、一部の単セルにおいて電池性能が急激に低下してしまうことがある。このような場合にも、本実施例では、最低セル電圧Ｖ_minが低下しすぎないように制御するため、本来構造的に不具合がない燃料電池を、不具合判定の過程において電圧低下に起因して劣化させてしまうことがない。
【００６０】
また、不具合判定のための測定の動作を、本実施例のように供給ガスの流量を変動させつつ行なう場合には、供給ガス量の異なる複数の条件下で別々に測定を行なう場合に比べて、不具合判定に要する時間を短縮できるという効果を奏する。供給ガス量を所定の値に安定させるのにはある程度の時間を要するが、供給ガス量を変動させつつ測定を行なう場合には、このような供給ガス量を安定化させるための時間が不要となる。また、供給ガス量が異なる広い範囲において、連続的に判定のための動作を行なうことができる。特に、燃料電池を実際に電源として用いる場合には、供給ガス量が変動することが多いため、このような判定方法は、実際の運転状態に近い状態で不具合を判定できることとなり、より望ましい評価方法といえる。
【００６１】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６２】
Ｄ１．変形例１：
既述した実施例では、図３のステップＳ１１０で算出した理論最大電流Ｉ_maxに対して所定の安全係数を乗じて、第１の目標電流Ｉ_fcrを算出したが、安全係数を乗じることなく、理論最大電流Ｉ_maxを第１の目標電流Ｉ_fcrとして設定しても良い。このように設定すると、供給ガス量に対して出力電流が大きすぎる状態となるため、最低セル電圧Ｖ_minは低下を始めるが、最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thを下回ることで、第２の目標電流Ｉ_fcr'をより低く設定する制御が行なわれる。このように、最低セル電圧Ｖ_minを目標電圧Ｖ_thに近づける制御が行なわれることにより、実施例と同様に、ガス利用率を算出することで不具合の有無を判定する動作を行なうことができる。
【００６３】
Ｄ２．変形例２：
また、毎回、ガス流量に基づいて理論最大電流Ｉ_maxを算出して第１の目標電流Ｉ_fcrを設定する代わりに（図３のステップＳ１００〜Ｓ１２０）、現在の燃料電池４０の出力電流を検出して、これを第１の目標電流Ｉ_fcrとしても良い。すなわち、図３のステップＳ１５０で第２の目標電流Ｉ_fcr'を出力調整部４６に出力したときの燃料電池４０の出力電流Ｉｔを読み込んで、次回に目標電流を設定する際には、この出力電流Ｉｔを、第１の目標電流Ｉ_fcrとして設定することとしても良い。このような動作によっても、最低セル電圧Ｖ_minを目標電圧Ｖ_thに近づける同様の制御を行なうことができる。ただし、このような制御を行なう場合、燃料電池４０における発電を開始するために、最初に燃料電池４０の目標電流を設定するときには、実施例と同様に供給ガス量から第１の目標電流Ｉ_fcrを設定する動作を行なうこととすればよい。
【００６４】
Ｄ３．変形例３：
また、上記実施例では、最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thに近づくように制御を行なったが、単に最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_th以上となるように制御することとしても良い。すなわち、最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_thを越える場合には、最低セル電圧Ｖ_minを低下させために目標電流値をより高く設定する補正は行なわないこととしても良い。最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_th以上の場合に、上記補正を行なわないと、補正を行なう場合に比べてガス利用率Ｇは低下することになる。しかしながら、実施例のように、供給ガス量から算出される理論最大電流Ｉ_maxに対して安全係数を乗じて第１の目標電流Ｉ_fcrを設定する場合には、充分なガス利用率が確保されることになる。そのため、最低セル電圧Ｖ_minが目標電圧Ｖ_th以上の場合には、上記補正を行なわずに第１の目標電流Ｉ_fcrをそのまま燃料電池の目標電流として出力制御を行ない、ガス利用率Ｇを算出して不具合の有無の判定を行なっても差し支えない。
【００６５】
Ｄ４．変形例４：
燃料電池の不具合を判定する際には、燃料電池４０において発電を行なわせつつガス利用率Ｇの算出を継続して行ない、その都度、ガス利用率Ｇと基準値とを比較することとしても良いし、算出したガス利用率Ｇを所定の時間積算した値と基準値とを比較することとしても良い。算出したガス利用率Ｇを用いて、その都度判定を行なう場合には、限られた条件下で不具合が発生する場合にも、このような不具合の存在することを判定することができる。これに対して、算出したガス利用率Ｇを積算した値を用いる場合には、燃料電池の不具合以外の原因による一時的なガス利用率の変動の影響を受けずに、判定を行なうことができる。例えば、設定した目標電流を燃料電池が出力するように制御する場合には、このような制御の動作において遅れが生じることが考えられる。この制御動作の遅れのように、燃料電池の不具合とは関わりのない原因によってガス利用率が一時的に低下する場合に、このような影響を除いて判断を行なうことが可能となる。なお、算出したガス利用率Ｇを所定時間積算した値を用いる代わりに、所定時間の間に算出されたガス利用率Ｇの平均値を用いて判定することとしても良い。
【００６６】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、最低セル電圧Ｖ_minを目標電圧Ｖ_thに近づけるように出力電流を制御しつつガス利用率Ｇを算出する際に、供給ガス量を変動させたが、他の条件を変動させることとしても良い。例えば、供給ガス量を一定にして、燃料電池の内部温度、あるいは供給ガスの湿度を変動させることとしてもよい。このような場合にも、いずれかの条件下で電池性能が低下する場合には、最低セル電圧Ｖ_minを目標電圧Ｖ_thに近づけるために第２の目標電流Ｉ_fcr'をより低く設定することになるため、ガス利用率Ｇの低下によって、不具合があると判定することができる。
【００６７】
Ｄ６．変形例６：
また、本発明は、製造した燃料電池の良、不良を判定する際に用いることができるほかに、使用中の燃料電池の劣化状態を判定するために用いることができる。燃料電池を用いて発電を行なう際に、供給ガス量に基づいて発電量（出力電流）を設定すると共に、最低セル電圧が望ましくない程度に低下しないように（所定の目標電圧以上となるように）制御する場合には、ガス利用率を算出することによって、燃料電池の劣化状態を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池４０の出力電流制御の構成を示すブロック図である。
【図３】ＦＣ電流制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】供給ガス量を変動させたときに、最低セル電圧および出力電流が変動する様子を表わす図である。
【図５】燃料電池４０に不具合があるか否かを判定する際に行なう工程を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２０…燃料ガス供給源
２１…燃料ガス用配管
２２，３２…圧力調整弁
２４，３４…ガスフローメータ
２６，３６…加湿部
２８，３８…圧力センサ
３０…ブロワ
３１…酸化ガス用配管
４０…燃料電池
４２…セル電圧センサ
４４…冷却部
４５…冷却水流路
４６…出力調整部
４７…配線
４８…電流計
５０…制御部
５２…電流値算出部
５４…第１の減算器
５６…第２の減算器
５８…ＰＩ補償部
１２０…燃料ガス供給部
１３０…酸化ガス供給部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and a method for determining whether or not a fuel cell is defective.
[0002]
[Prior art]
As a method of determining whether or not a fuel cell has a defect, there is a method of determining whether or not a problem occurs in a state close to a state where the fuel cell is actually used by generating power in the fuel cell. If the fuel cell has a problem, the above determination can be made by causing a problem that the voltage drops undesirably when power generation is performed.
[0003]
As a method for determining such a problem, the gas utilization rate, which is the ratio of the gas used for the electrochemical reaction among the gas supplied to the fuel cell, is increased to near the limit value, and the voltage change at that time Has been proposed (for example, JP-A-8-7911). According to such a method, when the output voltage decreases as the gas utilization rate increases, it is determined that the fuel cell has a problem because the voltage change exceeds the set value.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the presence or absence of a defect is determined based on a change in the voltage of the fuel cell, it can be determined that there is a defect only when the output voltage actually decreases to an undesirable level. Therefore, when it is determined that there is a problem, the fuel cell may be deteriorated as the voltage decreases.
[0005]
Further, when power is actually generated in this way, sufficient power generation performance may not be obtained even in a fuel cell that is not structurally inherently defective due to an unexpected state that occurs with power generation. is there. For example, when the temperature and gas humidity inside the fuel cell change, condensate water is generated inside the fuel cell, thereby closing the gas flow path and reducing the cell performance. When power generation is performed using such a fuel cell, the output voltage decreases to an undesired degree, and it is determined that there is a problem even if the fuel cell does not have a problem. In addition, such an undesired voltage drop may deteriorate a fuel cell that does not have a problem.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and provides a technique for performing the above determination without undesirably reducing the output voltage when determining whether or not there is a malfunction in the fuel cell. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above object, the present invention is a failure determination device for a fuel cell having a plurality of cells connected in series,
A gas supply unit for supplying a fuel cell with a gas for use in an electrochemical reaction;
A gas flow rate detection unit for detecting a flow rate of the gas supplied to the fuel cell;
The fuel cell Each of the cells comprising An output voltage detector for detecting the output voltage of
A target current setting unit for setting a target current of the fuel cell so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than a predetermined target voltage;
An output control unit that controls a load condition so that the fuel cell outputs the target current; and a current detection unit that detects an output current of the fuel cell.
Based on the theoretical maximum current calculated as the maximum value of the current obtained from the gas flow detected by the gas flow detector and the output current detected by the current detector, the gas utilization rate in the fuel cell is calculated. A utilization rate calculator to
The gas utilization rate calculated by the utilization rate calculation unit When the fuel cell has a malfunction when Judgment part to judge
It is a summary to provide.
[0008]
In the fuel cell failure determination device of the present invention, if there is a failure in the fuel cell, the fuel cell Each cell comprising The target current of the fuel cell is set so that the output voltage becomes equal to or higher than a predetermined target voltage. Then, the load condition is controlled so that such a target current is output from the fuel cell, and based on the gas utilization rate at this time, the presence or absence of a malfunction in the fuel cell is determined.
[0009]
According to such a fuel cell malfunction determination device, the fuel cell Each cell comprising It is possible to determine whether or not there is a malfunction in the fuel cell without undesirably reducing the output voltage of the fuel cell. Therefore, when determining the presence or absence of defects in the fuel cell, the fuel cell Each cell comprising As a result, the fuel cell does not deteriorate. The gas utilization rate is the ratio of the gas used for the electrochemical reaction among the gases supplied to the fuel cell. This value can be determined, for example, as the ratio of the actual output current to the current obtained when it is assumed that the feed gas was utilized for the electrochemical reaction with 100% efficiency.
[0010]
Here, setting the target current so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than the target voltage may actually result in the output voltage being lower than the target voltage. The operation for setting the target current so that the output voltage becomes equal to or higher than the target voltage includes an operation for making the output voltage higher than the target voltage when the output voltage falls below the target voltage.
[0011]
In the fuel cell malfunction determination device of the present invention,
The output voltage detector is Each said Detect the lowest cell voltage that is the lowest value of the cell output voltage,
The target current setting unit may correct the target current based on a difference between the lowest cell voltage and the target voltage.
[0012]
With such a configuration, if any one of the plurality of cells constituting the fuel cell has a problem, the problem appears as a decrease in the minimum cell voltage. In such a case, by setting the target current so that the minimum cell voltage becomes equal to or higher than the target voltage, the gas utilization rate decreases, so it can be immediately determined that there is a problem in any cell. .
[0013]
In such a fuel cell malfunction determination device,
The target current setting unit may set the target current so that the minimum cell voltage approaches the predetermined target voltage.
[0014]
In such a case, when the minimum cell voltage of the fuel cell is higher than the target voltage, a larger target current is set in order to bring the minimum cell voltage closer to the target voltage. Therefore, when the lowest cell voltage is higher than the target voltage, control is performed so that the gas utilization rate becomes higher.
[0015]
In the fuel cell malfunction determination device of the present invention,
The target current setting unit may correct the theoretical maximum current and set the target current so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than the target voltage.
[0016]
With such a configuration, the output current of the fuel cell can be controlled in accordance with the amount of supplied gas.
[0017]
Moreover, in the defect determination device of the present invention,
The target current setting unit may correct the current output current and set the target current so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than the target voltage.
[0018]
In this way, by correcting the current output current and repeating the operation of setting the target current so that the detected output voltage is equal to or higher than the target voltage, the state in which the output voltage of the fuel cell does not decrease undesirably is obtained. Can always keep.
[0019]
In the defect determination device of the present invention,
A temperature control unit for adjusting the internal temperature of the fuel cell;
The gas supply unit
A flow rate controller for varying the flow rate of the gas supplied to the fuel cell;
A gas humidity adjusting unit for adjusting the humidity of the gas supplied to the fuel cell;
It is good also as providing.
[0020]
With such a configuration, it is possible to determine a problem in a state where the amount of supplied gas is changed after setting specific conditions for the internal temperature of the fuel cell and the humidity of the supplied gas.
[0021]
Moreover, the malfunction determination apparatus of this invention WHEREIN: The said determination part is good also as determining that there exists a malfunction when the said gas utilization rate is below a predetermined reference value. With such a configuration, it is possible to determine whether or not there is a malfunction in the fuel cell based on uniform determination criteria.
[0022]
Furthermore, in the defect determination device of the present invention,
The utilization rate calculation unit includes a utilization rate integration unit that integrates the calculated gas utilization rate for a predetermined time,
The determination unit may determine whether there is a malfunction in the fuel cell based on the gas utilization rate accumulated by the utilization rate accumulation unit.
[0023]
When control is performed so that the fuel cell outputs the set target current, it is considered that a delay occurs in the operation of such control. It is also conceivable that the gas utilization rate temporarily decreases due to a cause not related to the malfunction of the fuel cell, such as the delay in the control operation. With the above configuration, since the integrated gas utilization rate is used, the determination can be made without being affected by temporary fluctuations in the gas utilization rate due to causes other than the malfunction of the fuel cell.
[0024]
The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in a form such as a fuel cell failure determination method.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Output current control of the fuel cell 40:
C. Defect judgment operation:
D. Variation:
[0026]
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell system 10. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 40, a cooling unit 44, a fuel gas supply unit 120, and an oxidizing gas supply unit 130. In addition, in order to determine whether or not there is a malfunction in the fuel cell 40, an output adjustment unit 46 and a control unit 50 are provided along with the fuel cell system 10.
[0027]
The fuel cell 40 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. In the present embodiment, the polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 40, but another type of fuel cell may be used. The fuel cell 40 is provided with a cell voltage sensor 42 for measuring the voltage of each single cell.
[0028]
The cooling unit 44 is a device for circulating cooling water for cooling the fuel cell 40 with the fuel cell 40. When an electrochemical reaction proceeds in the fuel cell 40, heat is generated along with this reaction. In this embodiment, the cooling water is circulated using the cooling unit 44 to cool the fuel cell 40, and the fuel cell The operating temperature of 40 is maintained within a predetermined range. The cooling water is guided by the cooling water channel 45 so as to circulate between the inside of the fuel cell 40 and the cooling unit 44. Then, the operation of raising the temperature by exchanging heat with the fuel cell 40 inside the fuel cell 40 and the operation of lowering the temperature by the cooling unit 44 are repeated. The cooling unit 44 includes a pump for circulating the cooling water and a radiator for lowering the temperature of the cooling water (not shown). The cooling unit 44 adjusts the internal temperature of the fuel cell 40 to a desired temperature by controlling the amount of cooling water to be cooled by the radiator and the flow rate of the cooling water supplied into the fuel cell 40. .
[0029]
The fuel gas supply unit 120 includes a fuel gas supply source 20 and a fuel gas pipe 21, and supplies a fuel gas containing hydrogen to a fuel gas passage inside the fuel cell 40. In this embodiment, hydrogen gas is used as the fuel gas, and a hydrogen cylinder is used as the fuel gas supply source 20. Alternatively, a hydrogen storage alloy is provided, This It is good also as using the hydrogen tank which stores hydrogen by making it store in this hydrogen storage alloy. Further, it is possible to use a reformed gas as the fuel gas, and the fuel gas supply source 20 may be a device that supplies a reformed gas obtained from a fuel such as hydrocarbon. The fuel gas pipe 21 is provided with a pressure regulating valve 22, a gas flow meter 24, a humidifying unit 26, and a pressure sensor 28.
[0030]
The humidifier 26 is a device for humidifying the hydrogen flowing through the fuel gas pipe 21 to a desired humidity prior to supplying the fuel cell 40 with hydrogen. The humidifying unit 26 of the present embodiment has a structure in which the hydrogen flow channel and the hot water flow channel for humidifying the hydrogen are separated by a hollow membrane having water vapor permeability. By controlling the flow rate of hydrogen and the temperature of hot water, it is possible to humidify hydrogen to a desired humidity.
[0031]
The oxidizing gas supply unit 130 includes a blower 30 and an oxidizing gas pipe 31, and supplies air as an oxidizing gas to the oxidizing gas flow path inside the fuel cell 40. Similar to the fuel gas pipe 21, the oxidizing gas pipe 31 is provided with a pressure regulating valve 32, a gas flow meter 34, a humidifying unit 36, and a pressure sensor 38.
[0032]
The output adjustment unit 46 includes a load whose size can be adjusted, and is connected to both terminals of the fuel cell 40. In addition, an ammeter 48 that measures the output current of the fuel cell 40 is provided in the wiring 47 that connects the output adjustment unit 46 and the terminal of the fuel cell 40. With this configuration, the output adjustment unit 46 applies a voltage to the fuel cell 40 while adjusting the size of the load provided therein, and the magnitude of the current output from the fuel cell 40 is a desired value. Control to be
[0033]
The control unit 50 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, and controls necessary for executing various arithmetic processes by the CPU. A ROM in which programs and control data are stored in advance, a RAM in which various data necessary for performing various arithmetic processes in the CPU are temporarily read and written, an input / output port for inputting and outputting various signals, and the like . The control unit 50 acquires detection signals from the cell voltage sensor 42, the gas flow meters 24 and 34, and the pressure sensors 28 and 38 described above. Further, a drive signal is output to the cooling unit 44, the pressure adjusting valves 22, 32, the humidifying units 26, 36, the blower 30, or the output adjusting unit 46.
[0034]
B. Output current control of the fuel cell 40:
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the output current control of the fuel cell 40. The control unit 50 includes a current value calculation unit 52, a first subtracter 54, a second subtracter 56, and a PI compensation unit 58.
[0035]
FIG. 3 is a flowchart showing an FC current control processing routine executed for controlling the output current of fuel cell 40. This routine is executed at predetermined time intervals in the control unit 50 when the fuel cell 40 is operated. When this routine is executed, the current value calculation unit 52 acquires the gas flow rate detected by the gas flow meters 24 and 34 (step S100), and the theoretical maximum current I that the fuel cell 40 can theoretically output is obtained. _max Is calculated (step S110). Theoretical maximum current I _max The calculation method of will be described below.
[0036]
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ... (1)
(1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O ... (2)
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O ... (3)
[0037]
The above equation (1) represents the reaction that proceeds at the anode of the fuel cell 40, the equation (2) represents the reaction that proceeds at the cathode, and the reaction of the equation (3) proceeds throughout the fuel cell 40. Here, the theoretical maximum current at each electrode (theoretical maximum current I at the anode I) is calculated from the reaction proceeding at each electrode and the gas amounts detected by the gas flow meters 24 and 34. _H And the theoretical maximum current I at the cathode _AIR ) And ask. Here, the theoretical maximum current in each electrode refers to the current obtained when it is assumed that the gas supplied to each electrode is used for an electrochemical reaction with 100% efficiency (1), (2) The current is calculated based on the equation. An equation for obtaining the theoretical maximum current in each electrode is shown below.
[0038]
I _H = F _H × (2F / 60) (4)
I _AIR = F _AIR × (4F / 60) × (21/100) (5)
Where f _H Is the hydrogen flow rate (mol / min),
f _AIR Is the air flow rate (mol / min),
F is the Faraday constant,
And the proportion of oxygen in the air was 21%.
[0039]
Since the actual output current is determined by the smaller flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas, the theoretical maximum value I that can be output by the fuel cell 40 is shown. _max As the above I _H And I _AIR The smaller of the values is selected. That is,
I _H > I _AIR When I _max = I _AIR ,
I _H ≦ I _AIR When I _max = I _H It becomes.
[0040]
Theoretical maximum current I _max Next, the current value calculation unit 52 calculates the theoretical maximum current I. _max Based on the first target current I _fcr Is calculated (step S120). First target current I _fcr Is the above theoretical maximum current I _max Is obtained by multiplying a predetermined predetermined safety factor. Theoretical maximum current I _max As described above, this is a current obtained when it is assumed that the supplied gas is used for an electrochemical reaction with 100% efficiency. However, in reality, power generation is not performed with 100% efficiency. . Therefore, the theoretical maximum current I _max If an attempt is made to output from the fuel cell 40, there is a risk of inconvenience such as a rapid voltage drop. The safety factor is set in advance with a certain margin for the performance of the fuel cell 40 so that the fuel cell 40 can generate power without causing such inconvenience. The safety factor can be determined within a range of 70 to 90%, for example.
[0041]
Next, from the cell voltage sensor 42, the lowest value of the cell voltages (minimum cell voltage V _min ) Is acquired (step S130). And this minimum cell voltage V _min And a predetermined target voltage V _th On the basis of the difference between the first target current I _fcr To correct the second target current I _{fcr '} Is calculated (step S140). The target voltage V _th Is preset as a target value of the minimum cell voltage when the fuel cell 40 generates power without causing any inconvenience, and is stored in the control unit 50. This target voltage V _th For example, the value of Convenient It can be determined as a value that is sufficiently higher than a voltage value that is determined to be possibly generated, or a desirable voltage value that allows the fuel cell 40 to stably generate power.
[0042]
In step S140, the first target current I _fcr To correct the second target current I _{fcr '} 2 is calculated, first, the second subtractor 56 shown in FIG. _th To the lowest cell voltage V _min Is subtracted and the difference ΔV (= V _th -V _min ) Then, using the difference ΔV given from the second subtracter 56, the PI compensation unit 58 uses the current correction amount I according to the following equation (6). _c Is calculated.
[0043]
Ic = Kp × ΔV + Ki × ΣΔV (6)
[0044]
Here, Kp and Ki are predetermined coefficients, and Σ is an operator representing an operation to be accumulated at a constant period. As can be understood from the equation (6), the PI compensation unit 58 performs so-called proportional compensation and integral compensation for the voltage difference ΔV. This current correction amount Ic is the first target current I in the first subtractor 54. _fcr As a result, the corrected second target current I is given by the following equation (7). _{fcr '} Is obtained.
[0045]
I _{fcr '} = I _fcr −Kp × ΔV−Ki × ΣΔV (7)
[0046]
Second target current I _{fcr '} Is output to the output adjustment unit 46 (step S150), and this routine is terminated. As described above, the output adjustment unit 46 determines that the output current of the fuel cell 40 is the second target current I. _{fcr '} Thus, the voltage is applied to the fuel cell 40 by adjusting the magnitude of the resistance.
[0047]
All cells operate normally and the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th Is larger than the difference ΔV (= V _th -V _min ) Takes a negative value. Therefore, at this time, the corrected second target current I _{fcr '} Is the original first target current I _fcr Bigger than. Minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th If the value is larger than this, such correction is performed on the assumption that the output current of the fuel cell 40 can be increased. On the other hand, if a failure occurs in one cell, the voltage difference ΔV becomes a positive value, and the corrected target current I _{fcr '} Is the original first target current I _fcr Smaller than. Minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th In order to prevent the minimum cell voltage from decreasing and causing inconvenience in the fuel cell 40, the output current of the fuel cell 40 is reduced to make a correction for increasing the minimum cell voltage. . By repeating such an operation, control is performed so that the lowest cell voltage approaches the target voltage.
[0048]
FIG. 4 shows the minimum cell voltage (V when the control described above is performed while changing the flow rate of the gas supplied to the fuel cell 40. _min ) And the output current (It) of the fuel cell 40 vary. By performing the above control, the minimum cell voltage (V _min ) Is controlled to take a value in the vicinity of the target voltage. Since the target current is set based on the gas flow rate, the output current of the fuel cell 40 varies with the variation of the gas flow rate, but the degree of variation is corrected according to the minimum cell voltage. .
[0049]
C. Defect judgment operation:
An operation performed to determine whether or not the fuel cell 40 has a defect using the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 will be described below. In the present embodiment, the malfunction of the fuel cell 40 is changed while varying the amount of gas supplied to the fuel cell 40 under a plurality of operating conditions in which the internal temperature of the fuel cell 40 and the humidity of the gas supplied to the fuel cell 40 are different. The presence / absence is determined.
[0050]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing steps executed in the fuel cell system 10 when determining whether or not the fuel cell 40 has a problem. When determining the presence or absence of a defect, first, the internal temperature of the fuel cell 40 and the humidity of the gas supplied to the fuel cell 40 are set (step S200). In this embodiment, the conditions regarding the internal temperature of the fuel cell 40 and the humidity of the gas supplied to the fuel cell 40 are input from the outside each time. As described above, the internal temperature of the fuel cell 40 is adjusted to the set temperature by the cooling unit 44, and the humidity of the supply gas amount is adjusted to the humidity set by the humidifying units 26 and 36.
[0051]
When the internal temperature of the fuel cell 40 and the humidity of the gas supplied to the fuel cell 40 are stabilized under the set conditions, the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas ( The supply of air is started (step S210). In order to vary the supply gas amount in this way, for example, a gas amount variation pattern can be stored in the control unit 50 in advance. In this case, if a drive signal is output to the blower 30 or the pressure regulating valves 22 and 32 based on the stored information and the detection signals of the gas flow meters 24 and 34, the gas flow rate is changed in a desired pattern. Can be made.
[0052]
When the gas supply is started in this way, the minimum cell voltage V as described above. _min Is the target voltage V _th In step S220, the current corresponding to the amount of supplied gas is output from the fuel cell 40. As a result, as shown in FIG. _min Is the target voltage V _th And the output current It of the fuel cell 40 fluctuates in accordance with the supply gas flow rate.
[0053]
Thus, the amount of gas supplied and the minimum cell voltage V _min The gas utilization rate is calculated at the same time while performing the operation of controlling the output current of the fuel cell 40 based on the above (step S230). The gas utilization rate is the ratio of the gas used for the electrochemical reaction among the gases supplied to the fuel cell. Specifically, it is calculated as the ratio of the actually output current amount to the theoretical output current amount when it is assumed that the supplied gas is used for power generation with an efficiency of 100%. An equation for calculating the gas utilization rate G is shown as equation (8) below.
[0054]
G = It / I _max (8)
[0055]
I _max Is the theoretical maximum current I at the anode as described above. _H And the theoretical maximum current I at the cathode _AIR And out of small Pointing towards. In this manner, the gas utilization rate G is continuously calculated while generating power in the fuel cell 40, and based on the calculated gas utilization rate G, it is determined whether there is a malfunction in the fuel cell 40 (step S240). Whether or not there is a malfunction is determined based on whether or not the gas utilization rate G may fall below a preset reference value while causing the fuel cell 40 to generate power while varying the supply gas amount as described above. .
[0056]
If a failure occurs in any single cell in the fuel cell 40, a voltage drop occurs in that single cell. _min Decreases. In this embodiment, the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th Is controlled so as to approach the minimum cell voltage V due to the malfunction as described above. _min When the current starts to decrease, correction is performed when setting the target current so that the output current It becomes lower. Thus, if the output current of the fuel cell 40 is made smaller with respect to the supply gas amount, the gas utilization rate G becomes lower. The reference value of the gas utilization rate G is set as a value of the gas utilization rate that should be ensured in a fuel cell having sufficient performance. When the gas utilization rate G falls below this value, there is a problem with the fuel cell 40. It is determined that it has occurred.
[0057]
In this embodiment, the output current is controlled while varying the supply gas amount, and the operation of calculating the gas utilization rate G is performed a plurality of times while changing the conditions in step S200, and finally the fuel is obtained. The presence / absence of a defect in the battery 40 is determined.
[0058]
According to the failure determination method of the fuel cell in the present embodiment configured as described above, when the fuel cell generates power, the fuel cell is not put into a state where the output voltage is undesirably lowered. It can be determined whether or not there is a defect. When the voltage is greatly reduced in a single cell constituting the fuel cell, for example, a phenomenon may occur in which hydrogen supplied to the anode side passes through the electrolyte membrane and moves to the cathode side. When such a phenomenon occurs, an undesirable combustion reaction may occur on the cathode side, and the fuel cell may deteriorate. As in this embodiment, the minimum cell voltage V _min By calculating the gas utilization rate G while controlling the fuel cell so as not to decrease too much, it is possible to determine whether or not there is a malfunction in a state where there is no possibility of deterioration of the fuel cell. Such a method for determining the presence or absence of a defect can be used, for example, when determining whether a manufactured fuel cell is good or bad.
[0059]
As described above, when trying to determine a malfunction while actually generating power with a fuel cell under various conditions, even if there is no structural malfunction in the fuel cell itself, some single cells In this case, the power generation state may be poor. For example, a series of operations such as changing the internal temperature, changing the gas humidity, or supplying gas while changing the gas flow rate requires a certain amount of time. Condensate may occur in a single cell. When condensed water is generated, the condensed water may block the gas flow path, and the battery performance may be drastically deteriorated in some single cells. Even in such a case, in this embodiment, the minimum cell voltage V _min Therefore, the fuel cell, which has no inherent structural defect, is not deteriorated due to the voltage decrease in the process of determining the malfunction.
[0060]
In addition, when the measurement operation for defect determination is performed while changing the flow rate of the supply gas as in the present embodiment, compared to the case where the measurement is performed separately under a plurality of conditions with different supply gas amounts. There is an effect that the time required for the defect determination can be shortened. A certain amount of time is required to stabilize the supply gas amount to a predetermined value. However, when measuring while varying the supply gas amount, it is not necessary to stabilize the supply gas amount. Become. Moreover, the operation | movement for determination can be performed continuously in the wide range from which supply gas amount differs. In particular, when a fuel cell is actually used as a power source, the amount of supplied gas often fluctuates. Therefore, such a determination method can determine a failure in a state close to the actual operation state, and is a more desirable evaluation method. It can be said.
[0061]
D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0062]
D1. Modification 1:
In the embodiment described above, the theoretical maximum current I calculated in step S110 of FIG. _max Is multiplied by a predetermined safety factor to obtain a first target current I _fcr Calculated, but without multiplying the safety factor, the theoretical maximum current I _max To the first target current I _fcr May be set as With this setting, the output current becomes too large with respect to the supply gas amount, so the minimum cell voltage V _min Starts to decrease, but the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th Below the second target current I _{fcr '} Control is performed to set the value lower. Thus, the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th As a result of the control approaching to, an operation for determining the presence / absence of a defect can be performed by calculating the gas utilization rate, as in the embodiment.
[0063]
D2. Modification 2:
Also, every time, the theoretical maximum current I based on the gas flow rate _max To calculate the first target current I _fcr (Steps S100 to S120 in FIG. 3), the current output current of the fuel cell 40 is detected, and this is detected as the first target current I. _fcr It is also good. That is, in step S150 of FIG. 3, the second target current I _{fcr '} When the output current It of the fuel cell 40 is read and the target current is set next time, the output current It is used as the first target current I. _fcr It may be set as. Even with this operation, the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th It is possible to perform the same control approaching to. However, when such control is performed, when the target current of the fuel cell 40 is first set in order to start power generation in the fuel cell 40, the first target current I is determined from the supply gas amount as in the embodiment. _fcr It is sufficient to perform an operation for setting.
[0064]
D3. Modification 3:
In the above embodiment, the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th The control is performed so as to approach to the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th It is good also as controlling so that it may become above. That is, the lowest cell voltage V _min Is the target voltage V _th Exceeds the minimum cell voltage V _min Correction for setting the target current value higher in order to reduce the value may not be performed. Minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th In the above case, if the above correction is not performed, the gas utilization rate G is reduced as compared with the case where the correction is performed. However, as in the embodiment, the theoretical maximum current I calculated from the supply gas amount _max Multiplied by the safety factor to the first target current I _fcr In this case, a sufficient gas utilization rate is ensured. Therefore, the lowest cell voltage V _min Is the target voltage V _th In the above case, the first target current I is not corrected. _fcr May be output as the target current of the fuel cell as it is, and the gas utilization rate G may be calculated to determine whether or not there is a malfunction.
[0065]
D4. Modification 4:
When determining the malfunction of the fuel cell, the gas utilization rate G may be continuously calculated while generating power in the fuel cell 40, and the gas utilization rate G may be compared with the reference value each time. Then, a value obtained by integrating the calculated gas utilization rate G for a predetermined time may be compared with a reference value. When the determination is made each time using the calculated gas utilization rate G, it can be determined that such a problem exists even if a problem occurs under limited conditions. In contrast, when a value obtained by integrating the calculated gas utilization rate G is used, the determination can be performed without being affected by a temporary variation in the gas utilization rate due to a cause other than the malfunction of the fuel cell. . For example, when control is performed so that the fuel cell outputs the set target current, it is considered that a delay occurs in the operation of such control. When the gas utilization rate temporarily decreases due to a cause that is not related to the malfunction of the fuel cell, such as the delay in the control operation, it is possible to make a determination excluding such an influence. Instead of using a value obtained by integrating the calculated gas utilization rate G for a predetermined time, the determination may be made using an average value of the gas utilization rates G calculated during a predetermined time.
[0066]
D5. Modification 5:
In the above embodiment, the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th When the gas utilization rate G is calculated while controlling the output current so as to be close to, the supply gas amount is varied, but other conditions may be varied. For example, the internal temperature of the fuel cell or the humidity of the supply gas may be varied while keeping the amount of supply gas constant. Even in such a case, if the battery performance deteriorates under any of the conditions, the minimum cell voltage V _min Is the target voltage V _th To get closer to the second target current I _{fcr '} Therefore, it can be determined that there is a problem due to a decrease in the gas utilization rate G.
[0067]
D6. Modification 6:
Further, the present invention can be used to determine whether the manufactured fuel cell is good or bad, and can be used to determine the deterioration state of the fuel cell in use. When power generation is performed using a fuel cell, the power generation amount (output current) is set based on the amount of supplied gas, and the minimum cell voltage is not lowered undesirably (so as to be equal to or higher than a predetermined target voltage). In the case of control, the deterioration state of the fuel cell can be determined by calculating the gas utilization rate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell system 10;
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of output current control of the fuel cell 40. FIG.
FIG. 3 is a flowchart showing an FC current control processing routine.
FIG. 4 is a diagram showing how the minimum cell voltage and output current fluctuate when the supply gas amount is varied.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a process performed when determining whether or not the fuel cell 40 has a problem.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell system
20 ... Fuel gas supply source
21 ... Fuel gas piping
22, 32 ... Pressure regulating valve
24, 34 ... Gas flow meter
26, 36 ... Humidifier
28, 38 ... Pressure sensor
30 ... Blower
31 ... Piping for oxidizing gas
40 ... Fuel cell
42 ... Cell voltage sensor
44 ... Cooling section
45 ... Cooling water flow path
46: Output adjustment section
47 ... Wiring
48 ... Ammeter
50. Control unit
52. Current value calculation unit
54. First subtractor
56: Second subtractor
58… PI compensation section
120 ... Fuel gas supply section
130 ... oxidizing gas supply section

Claims

A failure determination device for a fuel cell having a plurality of cells connected in series,
A gas supply unit for supplying a fuel cell with a gas for use in an electrochemical reaction;
A gas flow rate detection unit for detecting a flow rate of the gas supplied to the fuel cell;
An output voltage detector for detecting an output voltage of each of the cells constituting the fuel cell;
A target current setting unit for setting a target current of the fuel cell so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than a predetermined target voltage;
An output control unit that controls a load condition so that the fuel cell outputs the target current; and a current detection unit that detects an output current of the fuel cell.
Based on the theoretical maximum current calculated as the maximum value of the current obtained from the gas flow detected by the gas flow detector and the output current detected by the current detector, the gas utilization rate in the fuel cell is calculated. A utilization rate calculator to
A failure determination device comprising: a determination unit that determines that there is a failure in the fuel cell when the gas utilization rate calculated by the utilization rate calculation unit is equal to or less than a predetermined reference value .

A fuel cell malfunction determination device according to claim 1,
The output voltage detection unit detects the lowest cell voltage that is the lowest value of the output voltages of each of the cells,
The target current setting unit corrects the target current based on a difference between the lowest cell voltage and the target voltage.

The defect determination device according to claim 2,
The target current setting unit sets the target current so that the minimum cell voltage approaches the target voltage.

The defect determination device according to any one of claims 1 to 3,
The target determination unit sets the target current by correcting the theoretical maximum current so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than the target voltage.

The defect determination device according to any one of claims 1 to 3,
The defect determination device that corrects a current output current and sets the target current so that the output voltage detected by the output voltage detection unit is equal to or higher than the target voltage.

The defect determination device according to any one of claims 1 to 5,
A temperature control unit for adjusting the internal temperature of the fuel cell;
The gas supply unit
A flow rate controller for varying the flow rate of the gas supplied to the fuel cell;
A defect determination device comprising: a gas humidity adjusting unit that adjusts a humidity of the gas supplied to the fuel cell.

The defect determination device according to any one of claims 1 to 6 ,
The utilization rate calculation unit includes a utilization rate integration unit that integrates the calculated gas utilization rate for a predetermined time,
The determination unit determines whether there is a defect in the fuel cell based on the gas utilization rate accumulated by the utilization rate accumulation unit.

A method for determining a failure of a fuel cell having a plurality of cells connected in series,
(A) supplying a fuel cell with a gas for use in an electrochemical reaction;
(B) detecting a flow rate of gas supplied to the fuel cell;
(C) detecting an output voltage of each of the cells constituting the fuel cell;
(D) setting a target current of the fuel cell so that the output voltage detected in the step (c) is equal to or higher than a predetermined target voltage;
(E) controlling a load condition so that the fuel cell outputs the target current while detecting an output current of the fuel cell;
(F) Gas utilization in the fuel cell based on the theoretical maximum current calculated as the maximum value of the current obtained from the gas flow rate detected in the step (b) and the output current detected in the step (e) Calculating a rate;
(G) A defect determination method comprising: determining that there is a defect in the fuel cell when the gas utilization rate calculated in the step (f) is less than or equal to a predetermined reference value .

A fuel cell malfunction determination method according to claim 8 ,
The step (c) detects the lowest cell voltage that is the lowest value of the output voltages of each of the cells,
In the step (d), the target current is corrected based on a difference between the lowest cell voltage detected in the step (c) and the target voltage.

The defect determination method according to claim 8 or 9 , wherein
A defect determination method of correcting the theoretical maximum current and setting the target current so that the output voltage detected in the step (c) is equal to or higher than the target voltage.