JP4715117B2

JP4715117B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4715117B2
Application number: JP2004202902A
Authority: JP
Inventors: 孝年増井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006024494A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開２００３−１８７８４２号公報に記載されているように、燃料電池スタックの各セルのセル電圧を測定し、測定したセル電圧中の最低値に基づいて燃料電池が出力可能な最大電力を算出し、燃料電池負荷を最大電力以内に収めるように制御する技術が知られている。

特開２００３−１８７８４２号公報特開２００３−３４６８４９号公報特開２００２−１６４０６８号公報特開平９−２４５８２６号公報特開２０００−２０８１６１号公報

しかしながら、最低セル電圧値は燃料電池負荷による影響を大きく受け、燃料電池負荷に応じて変動する。このため、上述した従来の技術のように最低セル電圧値のみに基づいて制御を行うと、必要以上に出力可能な最大電力値を抑えてしまう虞がある。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の負荷変動による影響を最小限に抑えることで、燃料電池の状態を正確に判定することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と、前記燃料電池を構成する複数のセルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記燃料電池の負荷に応じて変動する前記セル電圧の最大値から前記セル電圧の最小値を減算して得られた偏差を、該セル電圧の最大値で除算して得られた偏差率に基づいて、燃料電池の状態を判定する状態判定手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記状態判定手段は、前記偏差率が予め定められた第１判定しきい値よりも大きい場合に、前記燃料電池に異常が生じていると判定することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記燃料電池の負荷を調整する負荷調整手段を更に備え、前記負荷調整手段は、前記偏差率が前記第１判定しきい値より大きいほど、前記燃料電池の負荷を小さくすることを特徴とする。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記燃料電池による発電を停止する発電停止手段を更に備え、前記発電停止手段は、前記偏差率が前記第１判定しきい値よりも大きい第２判定しきい値を超えた場合に発電を停止することを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記状態判定手段は、前記偏差率に基づく仮判定を所定回数繰り返した結果に基づいて、最終的な判定を行うことを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、所定時間の間、仮判定の結果が一定していない場合は、仮判定積算値をリセットすることを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記状態判定手段は、前記偏差率から算出された移動平均値に基づいて判定を行うことを特徴とする。

第８の発明は、第１〜第７の発明のいずれかにおいて、前記状態判定手段は、予め定められた所定の運転条件では、前記偏差率に基づく判定を回避することを特徴とする。

第９の発明は、第１〜第８の発明のいずれかにおいて、前記状態判定手段は前記偏差率に基づいて前記燃料電池に異常が生じているか否かを判定し、前記状態判定手段により前記燃料電池に異常が生じていると判定された場合に、前記偏差に基づいて前記燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段を更に備えたことを特徴とする。

第１０の発明は、第９の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記偏差が予め定められた湿潤状態判定しきい値よりも小さい場合に、前記燃料電池が湿潤不足であると判定することを特徴とする。

第１１の発明は、第１０の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記偏差が前記湿潤状態判定しきい値又は前記湿潤状態判定しきい値よりも大きい湿潤過剰判定しきい値よりも大きい場合に、前記燃料電池が湿潤過剰であると判定することを特徴とする。

第１２の発明は、第９〜第１１の発明のいずれかにおいて、前記湿潤状態判定手段により前記燃料電池が湿潤不足又は湿潤過剰と判定された場合にのみ、前記燃料電池の湿潤状態を変更する湿潤状態変更手段を更に備えることを特徴とする。

第１３の発明は、第９〜第１２の発明のいずれかにおいて、前記湿潤状態判定手段は、前記偏差に基づく仮判定を所定回数繰り返した結果に基づいて、最終的な判定を行うことを特徴とする。

第１４の発明は、第１３の発明において、所定時間の間、仮判定の結果が一定していない場合は、仮判定積算値をリセットすることを特徴とする。

第１５の発明は、第９〜第１４の発明のいずれかにおいて、前記湿潤状態判定手段は、前記偏差から算出された移動平均値に基づいて前記燃料電池の湿潤状態を判定することを特徴とする。

第１６の発明は、第９〜第１５の発明のいずれかにおいて、前記湿潤状態判定手段は、予め定められた所定の運転条件では、前記偏差に基づく前記燃料電池の湿潤状態の判定を回避することを特徴とする。

第１の発明によれば、セル電圧の分布状態に基づいて燃料電池の状態を判定する際に、セル電圧の最大値からセル電圧の最小値を減算して得られた偏差を、セル電圧の最大値で除算して得られた偏差率に基づいて判定を行うため、燃料電池の負荷に応じて変動するセル電圧の最大値を考慮して判定を行うことができる。従って、燃料電池の負荷が判定に与える影響を排除することが可能となり、燃料電池の状態の判定を高い精度で行うことが可能となる。

第２の発明によれば、燃料電池に異常が生じている場合は、セル電圧の最大値と最小値との乖離が大きくなり、この結果、偏差率が大きくなるため、偏差率が予め定められた第１判定しきい値よりも大きい場合は燃料電池に異常が生じていると判定することができる。

第３の発明によれば、偏差率が第１判定しきい値よりも大きいほど燃料電池の負荷を小さくするようにしたため、燃料電池に異常が発生している場合であっても、極力発電量を確保しつつ発電を維持することができる。また、燃料電池に異常が発生している場合に負荷を小さくすることで、燃料電池が故障してしまうことを回避できる。

第４の発明によれば、偏差率が第１判定しきい値よりも大きい第２判定しきい値を超えた場合に発電を停止するため、燃料電池が故障してしまうことを回避できる。

第５の発明によれば、偏差率に基づく仮判定を所定回数繰り返した結果に基づいて、最終的な判定を行うため、誤判定が行われることを回避できる。

第６の発明によれば、仮判定の結果が一定していない場合は、仮判定積算値をリセットするようにしたため、仮判定の結果に基づいて誤判定が行われることを回避できる。

第７の発明によれば、偏差率から移動平均値を算出するようにしたため、移動平均値の変動を最小限に抑えることができる。従って、偏差率に基づく異常判定の精度をより高めることが可能となる。

第８の発明によれば、予め定められた所定の運転条件では、偏差率に基づく判定を回避するようにしたため、誤判定が生じ易い運転条件での判定を回避できる。

第９の発明によれば、燃料電池に異常が生じていると判定された場合に、上記偏差に基づいて燃料電池の湿潤状態を判定することができるため、異常原因を特定することにより適切な処置を行うことができる。

第１０の発明によれば、湿潤状態判定しきい値を予め設定しておくことで、上記偏差が湿潤状態判定しきい値よりも小さい場合は燃料電池が湿潤不足であると判定することができる。

第１１の発明によれば、湿潤状態判定しきい値又は湿潤状態判定しきい値よりも大きい湿潤過剰判定しきい値を予め設定しておくことで、上記偏差が湿潤状態判定しきい値又は湿潤過剰判定しきい値よりも大きい場合は燃料電池が湿潤過剰であると判定することができる。

第１２の発明によれば、燃料電池が湿潤不足又は湿潤過剰と判定された場合にのみ、燃料電池の湿潤状態を変更するため、燃料電池の湿潤状態を正常状態に復帰させることができ、燃料電池の状態を正常状態に回復させることができる。また、湿潤不足又は湿潤過剰と判定された場合のみ湿潤状態変更措置を行うことで、燃料電池の湿潤状態が適正値から外れることを抑止できる。

第１３の発明によれば、上記偏差に基づく仮判定を所定回数繰り返した結果に基づいて、最終的な判定を行うため、誤判定が行われることを回避できる。

第１４の発明によれば、所定時間の間、仮判定の結果が一定していない場合は、仮判定積算値をリセットするようにしたため、仮判定の結果に基づいて誤判定が行われることを回避できる。

第１５の発明によれば、上記偏差から移動平均値を算出するようにしたため、移動平均値の変動を最小限に抑えることができる。従って、上記偏差に基づく判定の精度をより高めることが可能となる。

第１６の発明によれば、予め定められた所定の運転条件では、上記偏差に基づく判定を回避するようにしたため、誤判定が生じ易い運転条件での判定を回避できる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。

燃料電池１２は、各単位セルの電圧を計測するセル電圧計測手段１２ａ、各単位セルを流れる電流を計測する電流計測手段１２ｂ、を有している。セル電圧計測手段１２ａによれば、燃料電池１２が備える各単位セルの電圧を個々に計測することができる。従って、計測した値からセル最大電圧値とセル最小電圧値を求めることが可能である。

図１に示すように、燃料電池１２には、ＦＣ加湿量調整手段１６、ＦＣ負荷調整手段１８を介して制御装置１４が接続されている。制御装置１４は、偏差率算出手段１４ａ、偏差算出手段１４ｂ、セル状態判定手段１４ｃ、電池負荷判別手段１４ｄ、最大許容負荷算出手段１４ｅ、を有して構成されている。

ＦＣ加湿量調整手段１６は、燃料電池１２への加湿量を調整し、燃料電池１２内の湿潤状態を最適に保つ機能を有している。ＦＣ加湿量調整手段１６は、燃料電池１２へ供給するガスを加湿する加湿器を含み、加湿器からガスへの水分供給量を調整することで、燃料電池１２内の湿潤状態を最適に調整する。また、ＦＣ加湿量調整手段１６は、燃料電池１２内の加湿量が多くなった場合は、燃料電池１２へ供給するガス量を一時的に増加し、燃料電池１２内の水分をガス流によって排出する。

ＦＣ負荷調整手段１８は、燃料電池１２に要求される負荷を調整する機能を有している。具体的には、ＦＣ負荷調整手段１８は、燃料電池システム１０に要求される負荷と燃料電池１２の最大許容負荷を比較し、燃料電池システム１０に要求されている負荷のうち、燃料電池１２が負担する分の負荷をＦＣ発電要求負荷として設定する。

図１に示すように、燃料電池システム１０はバッテリー２０を備えている。燃料電池システム１０に要求される負荷の全てを燃料電池１２から供給することができない場合は、バッテリー２０から不足分が供給される。

燃料電池１２のセル電圧計測手段１２ａで計測された各単位セルの電圧値は、制御装置１４へ送られる。制御装置１４では、偏差算出手段１２ａによって単位セルの電圧値の最大値と最小値の偏差が算出される。すなわち、偏差は以下の（１）式から算出される。
偏差＝セル最大電圧値(max)−セル最小電圧値(min) ・・・（１）

ここで、セル最大電圧値を出力している単位セルは、電圧値が高いため、セルに異常が生じておらず、ほぼ理想的な状態で運転されていると判断できる。一方、（１）式から算出された偏差が大きい場合は、セル最大電圧値とセル最小電圧値の乖離が大きいため、セル最小電圧値を出力している単位セルに何らかの異常が生じていると判断できる。従って、偏差と所定のしきい値を比較し、偏差がしきい値よりも大きい場合は、燃料電池１２に異常が生じているものと判断できる。

ところで、燃料電池１２の負荷が大きく、燃料電池１２に要求される電力が大きい場合は、負荷の大きさに応じてセル電圧値（特にセル最大電圧値）が低下するため、低負荷の場合に比べて偏差が小さくなる場合がある。従って、偏差と所定のしきい値を比較して異常判定を行った場合、高負荷の場合は異常が判定されない場合であっても、低負荷になると異常判定がされる場合がある。なお、ここで燃料電池１２の負荷が大きい場合とは、燃料電池１２から出力される電力値が大きい場合、燃料電池１２を流れる電流値が大きい場合、ＦＣ負荷調整手段１８によって設定されたＦＣ発電要求負荷が大きい場合、などが該当する。

このため、本実施形態では、制御装置１４の偏差率算出手段１４ａにおいて、（１）式から求めた偏差をセル最大電圧値で除算して偏差率を算出するようにしている。すなわち、偏差率は以下の（２）式から算出される。
偏差率＝偏差／セル最大電圧値(max)
＝（セル最大電圧値(max)−セル最小電圧値(min)）／セル最大電圧値(max)・・・（２）

上述したようにセル最大電圧値は燃料電池１２の負荷に応じて低下し、偏差も燃料電池１２の負荷の増加に応じて低下するため、偏差をセル最大電圧値で除算することで求まる偏差率は、燃料電池１２の負荷による影響が排除されている。従って、偏差率に基づいて判定を行うことで、燃料電池１２の負荷の大小に影響を受けることがなく、正確な異常判定が可能となる。セル電圧値のみに基づいて異常判定を行う場合は、高負荷の場合にセル電圧値が低下するため、燃料電池１２が正常であっても異常判定が出され、燃料電池１２の出力を必要以上に抑える制御が行われる場合があるが、本実施形態によれば燃料電池１２の状態を正確に把握できるため、燃料電池１２の状態に応じた最大限の出力を発揮させることができる。

なお、燃料電池１２の負荷による影響を排除するため、負荷に応じて変動する他のパラメータで偏差を除算しても良い。例えば、セル最小電圧値(min)、セル電圧の平均値、燃料電池１２から流れる電流値、アクセル開度等のパラメータは燃料電池１２の負荷に応じて変動するため、これらのパラメータで偏差を除算しても良い。

燃料電池１２の異常判定は、制御装置１４におけるセル状態判定手段１４ｃで行われる。セル状態判定手段１４ｃでは、判定のためのしきい値と偏差率とを比較し、偏差率がしきい値未満の場合は燃料電池１２が正常に動作しているものと判定する。一方、偏差率がしきい値以上の場合は、燃料電池１２に異常が生じているものと判定する。

燃料電池１２に異常が生じていると判定された場合、燃料電池１２に高負荷をかけ続けると、電圧値の低いセルでは抵抗値が大きいため、発熱が生じて燃料電池１２が故障する場合がある。このため本実施形態では、偏差率に基づいて異常判定が出された場合は燃料電池１２への負荷を低減するようにしている。これにより、燃料電池１２に故障が発生することを未然に防ぐことができ、燃料電池１２の信頼性を高めることが可能となる。なお、燃料電池１２の負荷を低減させた場合、システム全体の出力を低下させないために、バッテリーへの負荷を増加させることが好適である。

具体的には、制御装置１４の最大許容ＦＣ負荷算出手段１４ｅにおいて、偏差率が大きい場合ほど燃料電池１２の最大許容負荷を小さく設定する。そして、ＦＣ負荷調整手段１８により、燃料電池１２を最大許容負荷以下で運転するように制御が行われる。これにより、以降の低負荷運転で偏差率を適正な値に回復させることができ、故障の発生を抑止できる。従って、燃料電池１２を安定して運転することが可能となる。

一方、燃料電池１２が正常であると判定された場合は、燃料電池１２の負荷を増加させることが可能となる。従って、正常判定が成された場合は、最大許容ＦＣ負荷算出手段１４ｅにより、燃料電池１２の最大許容負荷を増加させることが好適である。このように、偏差率に応じて最大許容負荷を可変することで、燃料電池１２の状態に応じて発電を行うことが可能となり、燃料電池１２を最適に制御することができる。

負荷変動が異常判定に与える影響を更に抑えるためには、負荷の大きさに応じて判定のためのしきい値を変動させることが好適である。具体的には、燃料電池１２への負荷が大きいほど、偏差率を判定するためのしきい値を小さくするようにする。これにより、燃料電池１２の負荷が大きい場合ほど異常判定の応答性を高めることができ、燃料電池１２の異常を早期に判定することができる。

また、異常判定の精度をより向上させるためには、偏差率を判定するためのしきい値として、異なる複数のしきい値を設定しておくことが好適である。この場合、偏差率が最大のしきい値を超えた場合は、燃料電池１２の異常のレベルが高いと判断し、燃料電池１２の運転を停止する。

一方、偏差率が最大のしきい値未満の場合は、異常のレベルが比較的低いため、偏差率と他のしきい値との大小関係に応じてセル電圧の回復措置を段階的に行うようにする。セル電圧回復措置としては、例えば上述したような燃料電池１２への負荷を低減させる措置、または後述する燃料電池１２内の湿潤状態を最適にする措置等を行う。この場合、偏差率と他のしきい値とを比較した結果に基づいて、偏差率が大きいほどセル電圧の回復措置を多く行うようにする。例えば、回復措置として燃料電池１２の負荷を低減させる場合は、偏差率が大きいほど負荷を低減させるようにする。これにより、異常レベルに応じた最適なセル電圧回復措置を行うことができる。

次に、セル電圧回復措置として、燃料電池１２内の湿潤状態を最適にする方法を説明する。燃料電池１２の異常が判定された場合、その原因として燃料電池１２内部の湿潤状態が適正でないことが想定できる。このため、本実施形態では、燃料電池１２の異常が判定された場合に、燃料電池１２の湿潤状態を判定するようにしている。

例えば、燃料電池１２内において、加湿過剰によって電解質膜と隣接して設けられたガス供給路の一部が水分で覆われた場合、電解質膜側へのガスの供給に支障が生じるため、一部のセルで電圧が低下する。この場合、セル最小電圧値が低下し、正常セルと異常セルの電圧値の乖離が大きくなる。

また、燃料電池１２内において、加湿不足によって電解質膜と隣接して設けられたガス流路が乾燥した場合、電解質膜でのプロトンの移動に支障が生じる。この場合、セル最小電圧値は大きく低下しないが、セル最大電圧値が低下する。従って、正常セルと異常セルの電圧値の乖離は小さくなる。

このように、セル最大電圧値とセル最小電圧値との偏差は、燃料電池１２の湿潤状態に応じて変動する。従って、（１）式から算出した偏差に基づいて燃料電池１２内の湿潤状態を判定することができる。

図２は、偏差率に基づいて燃料電池１２の異常判定を行い、更に偏差に基づいて燃料電池１２の湿潤状態を判定する方法を示す模式図である。図２において、縦軸は偏差を、横軸は偏差率を示している。燃料電池１２に異常が発生している場合、（１）式、（２）式から偏差及び偏差率を算出して図２上にプロットしていくと、偏差率、偏差は時間の経過とともに増加し、例えば特性１、特性２、特性３のような推移が得られる。

図２に示すように、偏差率には、異常を判定するためのしきい値Ｔが設定されている。先ず、偏差率に基づく異常判定が行われ、偏差率がＴ以上の場合は燃料電池１２に異常が生じている旨の判定が行われる。図２の例では、特性１、特性２、特性３のいずれにおいても偏差率がしきい値Ｔよりも大きくなるため、異常判定が行われる。

異常判定が行われた場合に燃料電池１２内の湿潤状態を判定するため、偏差には２つのしきい値Ｔ１，Ｔ２が設定されている。しきい値Ｔ１は加湿不足を判定するためのしきい値であって、偏差がＴ１未満の場合は燃料電池１２における加湿が不足している旨の判定が行われる。図２の特性３では、偏差率がＴよりも大きい場合に偏差がしきい値Ｔ１に到達していない。従って、特性３の燃料電池１２では加湿が不足しており、加湿不足に起因して燃料電池１２に異常が生じていると判断できる。

また、しきい値Ｔ２は加湿過剰を判定するためのしきい値であって、偏差がＴ２より大きい場合は燃料電池１２における加湿が過剰である旨の判定が行われる。図２の特性１では、偏差率がＴよりも大きい場合に偏差がしきい値Ｔ２を超えている。従って、特性３の燃料電池１２では加湿が過剰であり、加湿過剰に起因して燃料電池１２に異常が生じていると判断できる。

加湿不足判定が行われた場合は、ＦＣ負荷調整手段１８により燃料電池１２に要求される負荷が低減される。また、ＦＣ加湿量調整手段１６により、燃料電池１２内の加湿量を増加させる制御が行われる。例えば、燃料電池１２への供給ガスに対して加湿器等から与える水分量を増大させる制御が行われる。

加湿過剰判定が行われた場合は、ＦＣ負荷調整手段１８により燃料電池１２に要求される負荷が低減される。また、ＦＣ加湿量調整手段１６により、燃料電池１２内の加湿量を減少させる制御が行われる。例えば、例えば、燃料電池１２への供給ガス量を一時的に増加して、ガス流によって燃料電池１２内部の流路内に溜まった水分を外部へ排出するようにする。

また、偏差がＴ１以上であり、かつＴ２以下の場合は、異常が燃料電池１２内の湿潤状態に起因するものではないと判断できる。図２の特性２では、偏差率がＴよりも大きい場合に、偏差がしきい値Ｔ１以上であり、かつＴ２以下となっている。この場合は、ＦＣ加湿量調整手段１６による湿潤状態の調整を行うことなく、燃料電池１２の負荷を低減する処理のみを行う。

このように、偏差に基づいて燃料電池１２の湿潤状態を判定し、判定結果に基づいて燃料電池１２の負荷、湿潤状態を調整することで、燃料電池１２内を最適な湿潤状態に保つことが可能となる。

次に、図３のフローチャートに基づいて、本実施形態における処理の手順について説明する。図３の処理は、所定時間間隔毎に行われるものである。先ず、ステップＳ１では、各単位セルのセル電圧を取得する。次のステップＳ２では、取得したセル電圧に基づいてセル電圧最大値(max)、セル電圧最小値(min)を求める。次のステップＳ３では、ステップＳ２で求めたセル電圧最大値(max)、セル電圧最小値(min)に基づいて、偏差ｄおよび偏差率ｓを算出する。この際、偏差ｄは（１）式から、偏差率ｓは（２）式から算出する。

次のステップＳ４では、ステップＳ２で求めたセル電圧最小値(min)と異常判定のための最小電圧しきい値とを比較し、セル電圧最小値(min)＜最小電圧しきい値であるか否かを判定する。ステップＳ４でセル電圧最小値＜最小電圧しきい値の場合は、セル最小電圧が著しく低下しているため、セル最小電圧が検出されるセルにおいて抵抗値が上昇していることが想定される。このとき、燃料電池１２の運転を継続すると、発熱によって故障が発生する場合がある。従って、この場合はステップＳ１６へ進み、燃料電池１２の運転を停止する。一方、ステップＳ４でセル電圧最小値≧最小電圧しきい値の場合は、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、ステップＳ３で求めた偏差率ｓと停止判定しきい値とを比較する。ここで、停止判定しきい値は、燃料電池１２に異常が生じており、即座に運転を停止したほうが良い場合に、偏差率ｓに基づいて燃料電池１２を停止するか否かを判定するためのしきい値である。停止判定しきい値は、後述する異常判定しきい値よりも大きな値に設定されている。ステップＳ５で偏差率ｓ＞停止判定しきい値の場合は、ステップＳ１６へ進み、燃料電池１２の運転を停止する。一方、ステップＳ５で偏差率ｓ≦停止判定しきい値の場合は、ステップＳ６へ進む。

このように、燃料電池１２の異常判定を行う前に、ステップＳ４，Ｓ５において、燃料電池１２を停止するか否かの判定が行われる。これにより、セル電圧最小値(min)、偏差率ｓの値が標準値から著しく乖離している場合は、異常判定を行うことなく燃料電池１２の運転を停止することで、燃料電池１２が故障してしまうことを未然に防ぐことができる。

ステップＳ６では、ＦＣ最大許容電力（最大許容負荷）の補正値を算出する。ここで、補正値は、偏差ｄに基づいて定められる。上述したように偏差ｄは燃料電池１２の湿潤状態と相関があるため、偏差ｄに基づいて補正値を定めることで、湿潤状態に応じた補正値を算出することができる。ここでは、偏差ｄと補正値との関係を規定したマップから補正値がマップ算出される。ＦＣ最大許容電力を増量補正する場合は補正値の値が正の値に設定され、ＦＣ最大許容電力を減量補正する場合は補正値の値が負の値に設定される。

次のステップＳ７では、ＦＣ最大許容電力を算出する。ここでは、前回のルーチンで求めたＦＣ最大許容電力にステップＳ６で求めた補正値を加算することで、最新のＦＣ最大許容電力を算出する。そして、後のステップＳ１３〜Ｓ１５で説明するように、ステップＳ７で算出されたＦＣ最大許容電力に基づいて、燃料電池１２に要求される電力（ＦＣ発電要求電力）が決定され、ＦＣ発電要求電力に基づいて燃料電池１２が運転される。

次のステップＳ８では、ステップＳ３で求めた偏差率ｓに基づいて燃料電池１２の異常判定を行う。ここでは、偏差率ｓが異常判定のしきい値Ｔよりも小さいか否かを判定する。偏差率ｓ＜異常判定しきい値Ｔの場合は、セル電圧最大値(max)とセル電圧最小値(min)の乖離が小さいため、燃料電池１２のセルに異常が発生していないと判断できる。従って、この場合は燃料電池１２を通常に運転することができ、ステップＳ１３以降でＦＣ発電要求電力を決定する処理を行う。一方、偏差率ｓ≧ＦＣ異常判定しきい値Ｔの場合は、セル電圧最大値(max)とセル電圧最小値(min)の乖離が大きく、燃料電池１２に異常が生じていると判断できるため、ステップＳ９以降の処理へ進み、燃料電池１２に生じている異常を軽減する処理、主として燃料電池１２の湿潤状態を最適にする処理を行う。

ステップＳ９では、偏差ｓが加湿不足判定しきい値Ｔ１よりも小さいか否かを判定する。すなわち、ここでは偏差ｓ＜Ｔ１であるか否かを判定する。偏差ｓ＜Ｔ１の場合は、燃料電池１２内で加湿が不足しているため、ステップＳ１０へ進み、燃料電池１２への加湿量を増大する処理を行う。ステップＳ１０の処理後はステップＳ１１へ進む。一方、ステップＳ９で偏差ｓ≧Ｔ１の場合は、燃料電池１２内が加湿不足の状態ではないため、ステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１では、偏差ｓが加湿過剰判定しきい値Ｔ２よりも大きいか否かを判定する。すなわち、ここでは偏差ｓ＞Ｔ２であるか否かを判定する。偏差ｓ＞Ｔ２の場合は、燃料電池１２内で加湿が過剰であるため、ステップＳ１２へ進み、燃料電池１２内の加湿量を減少させる処理を行う。ステップＳ１２の処理後はステップＳ１３へ進む。一方、ステップＳ１１で偏差ｓ≦Ｔ２の場合は、燃料電池１２内で加湿が過剰ではないため、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３以降では、ＦＣ発電要求負荷（ＦＣ発電要求電力）を決定する処理を行う。すなわち、ステップＳ１３では、燃料電池システム１０に要求されている電力（システム要求ＦＣ発電電力）が燃料電池１２が発電可能な許容電力を超えているか否かを判定するため、ＦＣ最大許容電力＞システム要求ＦＣ発電電力であるか否かを判定する。

ステップＳ１３でＦＣ最大許容電力＞システム要求ＦＣ発電電力の場合は、ステップＳ１４へ進む。この場合、システム要求ＦＣ発電電力がＦＣ最大許容電力未満であるため、燃料電池システム１０に要求されている電力をそのまま燃料電池１２に要求することができる。従って、ステップＳ１４では、ＦＣ発電要求電力をシステム要求発電電力と等しい値に設定する。ステップＳ１４の後は、今回のルーチンの処理を終了する(RETURN)。

一方、ステップＳ１３でＦＣ最大許容電力≦システム要求ＦＣ発電電力の場合は、ステップＳ１５へ進む。この場合、システム要求ＦＣ発電電力がＦＣ最大許容電力以上であるため、燃料電池システム１０に要求されている電力をそのまま燃料電池１２に要求することはできない。従って、ステップＳ１５では、ＦＣ発電要求電力をＦＣ最大許容電力に設定する。これにより、燃料電池１２から出力される電力がＦＣ最大許容電力を超えない範囲で燃料電池１２を運転することができる。なお、システム要求ＦＣ電力のうち、燃料電池１２から出力することができない分については、バッテリーから出力する。ステップＳ１５の後は、今回のルーチンの処理を終了する(RETURN)。

なお、ステップＳ１３，Ｓ１５において、ＦＣ最大許容電力は、ステップＳ７で設定された値である、ＦＣ最大許容電力の値は図３の処理が行われる毎にステップＳ７で更新される。

図３の処理によれば、偏差率ｓが異常判定しきい値Ｔ以上であり、燃料電池１２に異常が生じていることが判定された場合は、ステップＳ９〜Ｓ１２の処理によって燃料電池１２の湿潤状態を最適に調整することができる。また、燃料電池１２の異常が湿潤状態に起因するものではない場合、または燃料電池１２に異常が生じていない場合は、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理によって燃料電池１２に要求される電力が最適な値に設定される。従って、図３の処理によれば、燃料電池１２に異常が生じている場合は、湿潤状態を最適に調整する処理、または燃料電池１２に要求される電力を最適値に設定する処理、を行うことで、燃料電池１２の状態を最適に制御できる。

次に、偏差率に基づいて上述の判定を行う場合に、判定の精度を高める方法について説明する。燃料電池１２の運転状態、負荷が変動した場合、応答性などの要因から偏差率の値が過渡的に変動する場合がある。図４は、偏差率の値が過渡的に変動する様子を示す模式図である。

偏差率に基づいて燃料電池１２の異常判定を行う場合に、偏差率が過渡的に変動していると誤判定をしてしまう場合がある。例えば、図４中の時刻ｔ１からｔ２までの間のように、偏差率が変動する場合、判定のしきい値をＴとすると、燃料電池１２の正常／異常状態に変化がない場合であっても、時刻ｔ１では正常判定がされ、時刻ｔ２では異常判定がされることになる。

このため、本実施形態では、図４の時刻ｔ２の時点で異常判定を行う場合に、時刻ｔ２以前の偏差率の値を用いて時刻ｔ２における偏差率の値の重み付けを行い、負荷変動が偏差率の値に与える影響を最小限に抑えるようにしている。

例えば、時刻ｔ１における偏差率の値をｓ１、時刻ｔ２における偏差率の値をｓ２とした場合、以下の（３）式の演算を行って、重み付け処理を行った後の時刻ｔ２における偏差率（以下、移動平均値という）を算出する。ここで、ａ，ｂは重み付け係数であって、例えばａ＝０．８、ｂ＝０．２に設定する。
時刻ｔ２における移動平均値＝ｓ１・ａ＋ｓ２・ｂ・・・（３）

（３）式の演算によれば、時刻ｔ１からｔ２までの間における偏差率の増加分の一部のみが重み付け後の移動平均値に反映されるため、偏差率の変動が判定に与える影響を最小限に抑えることができる。従って、偏差率に基づく異常判定の精度をより高めることが可能となる。

図２で説明したように偏差に基づいて湿潤状態を判定する場合も、同様にして重み付けを行うことで、偏差の値が過渡的に変動した場合であっても正確に湿潤状態を判定することができる。

また、判定の精度を高めるため、偏差率、偏差に基づく仮判定を所定の回数だけ行い、仮判定の結果から最終判定結果を得るようにしても良い。例えば、所定の回数だけ仮判定を行い、一定以上の割合の回数において異常判定がされた場合に、最終的に燃料電池１２に異常が発生していると判定しても良い。

また、この場合において、燃料電池１２の負荷に応じて仮判定を行う回数を可変させても良い。この際、燃料電池１２の負荷が大きい程、仮判定を行う回数を少なくすることが望ましい。これにより、最終的な異常判定が成されるまでの時間を短縮することができ、仮判定を複数回行った場合であっても応答性の低下を最小限に抑えることができる。

また、仮判定を複数回行う場合において、所定時間の間、同種の判定が行われない場合は、仮判定の回数をリセットするようにしても良い。例えば正常判定と異常判定が交互に繰り返される場合など判定にバラツキが生じている場合は、最終的な判定結果に誤判定が生じる場合があるため、仮判定の回数をリセットすることで誤判定がされることを回避できる。

また、システムの起動時、停止時など、偏差率、偏差にバラツキが発生し易い条件下では、判定を行わないようにすることが好適である。これにより、偏差率、偏差にバラツキが生じ易い条件下で誤判定がされることを回避できる。

以上説明したように本実施形態によれば、セル電圧最大値(max)からセル電圧最小値(min)を減算して偏差を求め、更に偏差をセル電圧最大値(max)で除算して偏差率を求めるようにしたため、偏差率から燃料電池１２の負荷による影響を排除することができる。従って、偏差率に基づいて燃料電池１２の異常判定を行うことで、燃料電池１２の負荷の変動に影響を受けることがなく、正確な異常判定が可能となる。

そして、燃料電池１２に異常が発生している場合は、燃料電池１２の湿潤状態を最適にする制御、燃料電池１２の負荷を低減する制御、などのセル電圧回復措置を行うことで、燃料電池１２を正常状態に復帰させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。偏差率に基づいて燃料電池の異常判定を行い、更に偏差に基づいて燃料電池の湿潤状態を判定する方法を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。燃料電池の運転状態に応じて偏差率が変動する様子を示す模式図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
１２ａセル電圧計測手段
１４制御装置
１４ａ偏差率算出手段
１４ｂ偏差算出手段
１４ｃセル状態判定手段
１６ＦＣ加湿量調整手段
１８ＦＣ負荷調整手段

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池を構成する複数のセルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池の負荷に応じて変動する前記セル電圧の最大値から前記セル電圧の最小値を減算して得られた偏差を、該セル電圧の最大値で除算して得られた偏差率に基づいて、燃料電池の状態を判定する状態判定手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記状態判定手段は、前記偏差率が予め定められた第１判定しきい値よりも大きい場合に、前記燃料電池に異常が生じていると判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の負荷を調整する負荷調整手段を更に備え、
前記負荷調整手段は、前記偏差率が前記第１判定しきい値より大きいほど、前記燃料電池の負荷を小さくすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池による発電を停止する発電停止手段を更に備え、
前記発電停止手段は、前記偏差率が前記第１判定しきい値よりも大きい第２判定しきい値を超えた場合に発電を停止することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
前記状態判定手段は、前記偏差率に基づく仮判定を所定回数繰り返した結果に基づいて、最終的な判定を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
所定時間の間、仮判定の結果が一定していない場合は、仮判定積算値をリセットすることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記状態判定手段は、前記偏差率から算出された移動平均値に基づいて判定を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記状態判定手段は、予め定められた所定の運転条件では、前記偏差率に基づく判定を回避することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記状態判定手段は前記偏差率に基づいて前記燃料電池に異常が生じているか否かを判定し、前記状態判定手段により前記燃料電池に異常が生じていると判定された場合に、前記偏差に基づいて前記燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記湿潤状態判定手段は、前記偏差が予め定められた湿潤状態判定しきい値よりも小さい場合に、前記燃料電池が湿潤不足であると判定することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
前記湿潤状態判定手段は、前記偏差が前記湿潤状態判定しきい値又は前記湿潤状態判定しきい値よりも大きい湿潤過剰判定しきい値よりも大きい場合に、前記燃料電池が湿潤過剰であると判定することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
前記湿潤状態判定手段により前記燃料電池が湿潤不足又は湿潤過剰と判定された場合にのみ、前記燃料電池の湿潤状態を変更する湿潤状態変更手段を更に備えることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記湿潤状態判定手段は、前記偏差に基づく仮判定を所定回数繰り返した結果に基づいて、最終的な判定を行うことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
所定時間の間、仮判定の結果が一定していない場合は、仮判定積算値をリセットすることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
前記湿潤状態判定手段は、前記偏差から算出された移動平均値に基づいて前記燃料電池の湿潤状態を判定することを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記湿潤状態判定手段は、予め定められた所定の運転条件では、前記偏差に基づく前記燃料電池の湿潤状態の判定を回避することを特徴とする請求項９〜１５のいずれかに記載の燃料電池システム。