JP4497812B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、燃料電池システムに関し、特にたとえば固体高分子電解質膜を介して対向配置された１対の電極を備えるセルを複数積層した燃料電池の、複数のセル間のブロック電圧が所定の閾値を超えているとき正常を判定するブロック電圧検出回路を設けて、故障したセルまたは異常セルの有無を検出する、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池においては、従来、その燃料電池の全体から出力される総電圧を測定することにより故障や異常の有無を検出していた。しかしながら、この方法では、総電圧を測定するだけであるので、電圧が異常に低下した故障セルを特定することができなかった。この故障セルを特定するためには、全てのセルの電圧を個別に測定しなければならず、この場合、検出回路が複雑化してそのコストが上昇してしまう。
【０００３】
そこで、本件出願人はたとえば特許文献１によって、このような不都合を解消して、より安価な構成で故障セルを特定することができる、検出方法を提案した。この方法では、燃料電池のブロック（複数セルの直列）毎に出力電圧（ブロック電圧）を閾値と比較し、ブロック電圧が閾値未満のときそのブロックに故障セルがあると判定するもので、全セルのセル電圧を検出する場合に比べてはるかに安価である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３５３８０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示した方法では、燃料電池の特性からして不十分であった。詳しく説明すると、燃料電池は、それぞれの出力特性（Ｖ−Ｉ特性）におけるＩ値によってＶ値がかなり大きく変動するという特性を有する。そのため、特許文献１のように１つの基準値だけで判断すると、誤検出を生じる。
【０００６】
具体的な例で、たとえば４セル直列ブロックの電圧（ブロック電圧）がたとえば１．６Ｖの基準値（閾値）未満であるときにはそのセルブロックに少なくとも１つの故障セルがあるとする場合を想定する。この場合、出力電流（Ｉ）値が中程度以上であれば、誤検出は生じない。ところが、Ｉ値が小さいときには、各セルの出力電圧（Ｖ）値が上昇し、故障セルがあってもブロック電圧が１．６Ｖを超えることがある。このときには、Ｖ値が基準値以上であるので、電圧検出回路は異常信号を出力することがない。したがって、誤検出が生じる。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、故障セルを確実に検出することができる、燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
この発明は、第１複数のセルを積層した燃料電池と、前記第１複数のセルのうち、前記第１複数より少ない第２複数のセルで構成されたセルブロックと、前記セルブロックのブロック電圧値を検出する複数のブロック電圧検出回路と、前記燃料電池の出力電流値を検出する電流検出回路とを備え、各ブロック電圧検出回路は、抵抗値が異なる各抵抗と、各抵抗によって設定され、異なる電圧値からなる各閾値を有し、前記電流検出回路によって検出される燃料電池の出力電流値が小さいほど大きな値の閾値を有するブロック電圧検出回路において、当該ブロック電圧検出回路が、セルブロックのブロック電圧と閾値とを比較し、ブロック電圧が閾値未満のとき、故障セルありの信号を出力することを特徴とする、燃料電池システムである。
【０００９】
【作用】
燃料電池の出力特性における電流を基準としてたとえば３つの領域、小電流領域，中電流領域および大電流領域に区分し、各区分毎に電圧検出回路を設ける。小電流領域，中電流領域および大電流領域の順に電圧基準値ないし閾値を大きくく設定する。そして、各領域においてブロック電圧が閾値未満のとき、そのセルブロックには少なくとも１つの故障セルがあると判定する。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、出力電流値に応じた複数の領域に区分し、各区分毎に電圧検出回路を設けかつそれぞれの閾値を異ならせたので、出力電流の変化に応じて出力電圧が変化しても、確実に故障セルを検出することができる。
【００１１】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１２】
【実施例】
図１を参照し、この実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、その燃料電池１２からの出力を受ける負荷１４とを含む。
【００１３】
なお、この実施例では、燃料電池１２として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いるが、必ずしもこのタイプの燃料電池に限らず、他のタイプたとえば固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などにもこの発明が適用できることを予め指摘しておく。
【００１４】
実施例に用いる固体高分子型燃料電池１２は、よく知られているように、セル（単電池）が複数直列に積層されたモジュールとして構成され、各セルは、高分子イオン交換膜などの固体高分子電解質膜の相対向面にそれぞれ接合された１対の電極、アノードおよびカソードを含み、このアノードおよびカソード内で、電気化学反応が生じ、発電が行われる。ただし、この発電原理はよく知られており、上述の特許文献などにも詳しく説明されているので、ここでは、燃料電池１２に関してこれ以上の説明は省略する。
【００１５】
燃料電池１２から負荷１４への出力経路には電流検出回路１６が設けられ、この電流検出回路１６によって検出した電流値がデータとしてコンピュータ１８の１つの入力ポートに入力される。このコンピュータ１８は、燃料電池１２の燃料や空気あるいは水などの制御のためのコンピュータと同じであってもよいし、そのような制御用コンピュータとは別のコンピュータであってもよい。
【００１６】
燃料電池１２内の任意数の直列セル毎に、複数（実施例では３つ）の電圧検出回路が設けられる。ただし、図１では、煩雑を避けるために、１つのセルブロックに設けられた電圧検出回路２０Ａ，２０Ｂおよび２０Ｃだけを図示するが、すべてのセルブロックに同じように３つの電圧検出回路が設けられることに留意されたい。
【００１７】
電圧検出回路２０Ａ，２０Ｂおよび２０Ｃはそれぞれ同じセルブロックのセル間電圧（ブロック電圧）を検出するためのものである。ここでは、電圧検出回路２０Ａが他を代表して説明される。電圧検出回路２０Ｂおよび２０Ｃは、この電圧検出回路２０Ａと同様の構成を有するものであるので、図１で参照符号末尾にＢまたはＣを付して図示することによって、重複する説明は省略する。
【００１８】
燃料電池１２中の１つのセルブロックの両端に、抵抗２２Ａ，発光ダイオード（ＬＥＤ）２４Ａおよびダイオード２６Ａの直列回路が接続される。ＬＥＤ２４Ａは、フォトトランジスタ２８Ａとともにフォトカプラ３０Ａを構成する。フォトトランジスタ２８Ａのコレクタはたとえば５Ｖの正電位に接続され、エミッタはアースされる。フォトトランジスタ２８Ａのコレクタはさらに、トランジス３２Ａのベースに接続される。このトランジスタ３２Ａのエミッタはアースされ、コレクタは、ＬＥＤ３４Ａを介して、たとえば５Ｖの正電位に接続される。そして、トランジス３２Ａのコレクタは、さらに、ダイオード３６Ａを介して、コンピュータ１８の対応の入力ポートに接続される。
【００１９】
電圧検出回路２０Ａ，２０Ｂおよび２０Ｃでは、それぞれ、図２に示す電圧値ＶＡ，ＶＢおよびＶＣが閾値または基準値として設定されている。ただし、図２は図１実施例の燃料電池１２のＶ−Ｉ特性（出力特性）を示し、横軸が電流（Ｉ）値を、縦軸が電圧（Ｖ）値をそれぞれ示す。図２に示すように、この実施例では、電圧値ＶＡは、小電流領域（図２の電流〜Ｉ１の領域）のための閾値または基準値であり、同様に、電圧値ＶＢは、中電流領域（図２の電流Ｉ１〜Ｉ２の領域）のための閾値または基準値であり、電圧値ＶＣは、大電流領域（図２の電流Ｉ２〜の領域）のための閾値または基準値である。このような異なる閾値ＶＡ，ＶＢおよびＶＣは、それぞれ、抵抗２２Ａ，２２Ｂおよび２２Ｃで設定される。
【００２０】
たとえば、小電流領域においてブロック電圧が閾値ＶＡを超えているとき、ダイオード２６Ａがオンし、フォトカプラ３０Ａを構成するＬＥＤ２４Ａおよびダイオード２６Ａを通って電流が流れる。したがって、ＬＥＤ２４Ａが発光する。ＬＥＤ２４Ａの発光に応じてフォトトランジスタ２８Ａがオンとなる。したがって、トランジスタ３２Ａのベース電位が「０」（アース）となり、トランジスタ３２Ａがオフとなる。したがって、ＬＥＤ３４Ａがオフし、ダイオード３６Ａからコンピュータ１８には、正常信号、たとえば「０」が入力される。
【００２１】
この小電流領域においてブロック電圧が閾値ＶＡ未満に低下したときには、ダイオード２６Ａがオフとなり、フォトカプラ３０Ａを構成するＬＥＤ２４Ａは発光しない。そのため、フォトトランジスタ２８Ａがオフとなり、トランジスタ３２Ａのベース電位が正電圧となり、トランジスタ３２Ａがオンする。したがって、ＬＥＤ３４Ａに電流が流れるとともに、ダイオード３６Ａからコンピュータ１８には、異常信号、たとえば「１」が入力される。
このように、異常時にＬＥＤ３４Ａ（３４Ｂ，３４Ｃ）に電流が流れ、それが発光するので、このＬＥＤは異常報知用ＬＥＤである。
【００２２】
そして、上述の閾値ＶＡは抵抗２２Ａによって設定できる。したがって、ＶＡ＞ＶＢ＞ＶＣのように、電流が相対的に大きい領域のための電圧検出回路の閾値が小さくなるように、換言すれば、電流が相対的に小さい領域のための電圧検出回路の閾値が大きくなるように、閾値設定用抵抗２２Ａ，２２Ｂおよび２２Ｃの抵抗値を設定する。
【００２３】
コンピュータ１８では、上述のようにして電圧検出回路２２から与えられる信号（異常信号または正常信号）によって、図３のようにして、図１の燃料電池システム１０における燃料電池１２のセル故障の有無を判定する。
【００２４】
図３の最初のステップＳ１で、コンピュータ１８は、電流検出回路１６からのデータ（または信号）によって、出力電流Ｉ＜基準電流Ｉ１かどうか、つまり、小電流領域かどうか、判断する。このステップＳ１で“ＹＥＳ”が得られると、続くステップＳ３において、コンピュータ１８は、そのとき電圧検出回路２０Ａから異常信号（「１」）が入力されているかどうか、つまり、出力電圧Ｖ＜基準電圧ＶＡであるかどうか判断する。このステップＳ３で“ＹＥＳ”が判断されるということは、当該セルブロックにおける出力電圧が、小電流領域における閾値ＶＡ未満となったことを意味し、この場合、コンピュータ０１８は、故障セルありの判断をし、視覚的、聴覚的、あるいはそれらの複合で、何らかの警報を発した後終了する。
【００２５】
ただし、ステップＳ３で“ＮＯ”が判断されたときには、電圧検出回路２０Ａから正常常信号（「０」）が入力されているのであり、この場合には、プロセスは、ステップＳ１に戻って故障検出動作を実行する。
【００２６】
そして、ステップＳ１で“ＮＯ”が判断されたとき、すなわちそのときの電流値が小電流領域内のものではないとき、ステップＳ５において、Ｉ＜Ｉ２かどうか、つまり中電流領域かどうかを判断する。このステップＳ５１で“ＹＥＳ”が得られると、続くステップＳ７において、コンピュータ１８は、そのとき電圧検出回路２０Ｂから異常信号が入力されているかどうか、つまり、Ｖ＜ＶＢであるかどうか判断する。このステップＳ７で“ＹＥＳ”が判断されるということは、当該セルブロックにおける出力電圧が、中電流領域における閾値ＶＢ未満となったことを意味する。したがって、コンピュータ０１８は、故障セルありの判断をし、何らかの警報を発した後終了する。
【００２７】
ただし、ステップＳ７で“ＮＯ”が判断されたときには、電圧検出回路２０Ａおよび２０Ｂから正常常信号が入力されているのであり、この場合には、プロセスは、ステップＳ１に戻って故障検出動作を実行する。
【００２８】
上述のステップＳ５で“ＮＯ”が判断されたときには、そのときの出力電流値が小電流領域内のものでもなく中電流領域のものでもなく、したがって、大電流領域の出力電流値であるとして、ステップＳ９において、コンピュータ１８は、そのとき電圧検出回路２０Ｃから異常信号が入力されているかどうか、つまり、Ｖ＜ＶＣであるかどうか判断する。このステップＳ９で“ＹＥＳ”が判断されるということは、当該セルブロックにおける出力電圧が、大電流領域における閾値ＶＣ未満となったことを意味する。したがって、コンピュータ０１８は、故障セルありの判断をし、警報を発した後終了する。
【００２９】
ただし、ステップＳ９で“ＮＯ”が判断されたときには、３つの電圧検出回路２０Ａ−２０Ｃからすべて正常信号が入力されているのであり、この場合には、プロセスはステップＳ１に戻って、コンピュータ１８は故障検出動作を実行する。
【００３０】
このようにして、この実施例では、各電流領域に相当する電圧検出回路のいずれかから異常信号が得られたときに「故障セルあり」と判定するようにした。しかしながら、閾値の設定の仕方によっては、異なる判定がされる場合がある。たとえば３つの電圧検出回路の特定の２つが過小電圧を検出したときに「故障セルあり」とする場合や、３つの電圧検出回路のすべてが過小電圧を検出したときに「故障セルあり」とする場合などが容易に考えられる。つまり、この発明は、電流領域を２つ以上設定し、各電流領域毎にブロック電圧検出回路を設け、それぞれの電圧検出基準値または閾値を互いに異ならせて設定することに意味があり、図３のような故障判定アルゴリズムは単なる一例である。
【００３１】
さらに、ブロック電圧検出回路が最低２つあれば異なる電圧領域毎にブロック図電圧を検出することができる。したがって、この発明は、２以上のブロック電圧検出回路を設け、それぞれの閾値を異ならせようにした燃料電池システムであり、図３またはそれに類似するまたは相当するアルゴリズムに従って故障セルありを検出する。
【００３２】
さらに、ブロック電圧検出回路の図１に示す具体的な回路構成もまた単なる例示であり、ブロック電圧が所定の閾値未満かそれ以上かを検出できるものであれば、回路構成のいかんを問わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す回路図である。
【図２】図１実施例での小電流領域，中電流領域および大電流領域を示す出力特性図である。
【図３】図１実施例におけるコンピュータによる故障判定動作の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０ …燃料電池システム
１２ …燃料電池
１４ …負荷
１６ …電流検出回路
１８ …コンピュータ
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ …ブロック電圧検出回路
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ …閾値設定用抵抗

Claims (1)

1. 第１複数のセルを積層した燃料電池と、
   前記第１複数のセルのうち、前記第１複数より少ない第２複数のセルで構成されたセルブロックと、
   前記セルブロックのブロック電圧値を検出する複数のブロック電圧検出回路と、
   前記燃料電池の出力電流値を検出する電流検出回路とを備え、
   各ブロック電圧検出回路は、抵抗値が異なる各抵抗と、各抵抗によって設定され、異なる電圧値からなる各閾値を有し、
   前記電流検出回路によって検出される燃料電池の出力電流値が小さいほど大きな値の閾値を有するブロック電圧検出回路において、
   当該ブロック電圧検出回路が、セルブロックのブロック電圧と閾値とを比較し、ブロック電圧が閾値未満のとき、故障セルありの信号を出力することを特徴とする、燃料電池システム。

Images