JP5055696B2

JP5055696B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5055696B2
Application number: JP2004372036A
Authority: JP
Inventors: 敬介鈴木; 伸孝高橋; 誠加藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: JP2006179338A

Description

本発明は、燃料電池セルのセル電圧を監視する燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、複数の単セルで構成された燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックが複数のセル群（クラスター）に分かれ、各セル群の電圧を認識して比較する手法が記載されている。セル群を構成する単セルの枚数が異なるセル群がある場合に、枚数の少ないセル群のセル群電圧は、不足した枚数に燃料電池スタック全体の平均セル電圧を乗算した値を加えることで補正していた。例えば、他のセル群に比べて単セルの枚数がＮ枚少ないセル群では、実際に検出されたセル群電圧をＶｓ、平均セル電圧をＶａとすると、補正後のセル群電圧Ｖは、次式で与えられていた。

（数１）
Ｖ＝Ｖｓ＋Ｎ×Ｖａ
このようにして、単セルの枚数が他と比べて少ないセル群のセル群電圧を補正した後、燃料電池スタックの各セル群のセル群電圧を監視比較していた。
特許第０３４２９４７８号

セル群の電圧を監視することで、単セルのセル電圧の低下を検出する場合に、通常はセル群を構成する枚数が少ない方が特定のセル電圧の低下を精度よく検出することができる。しかしならが、上記従来の手法にあって、単セルの枚数が不足しているセル群で行われていた上述した補正は、特定のセルの電圧が低下したとしてもその検出精度を低下させる補正処理となっていた。このため、セル電圧の異常を精度よく検出することが困難になるとという問題点があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セル電圧の異常を精度よく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にある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、複数枚のセルが積層されてなる燃料電池スタックで、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックを構成するセルの内、１又は複数枚のセルが積層されてなる複数のセル群のそれぞれのセル群電圧を検出するセル群電圧検出手段と、前記それぞれのセル群のセルの枚数を算出するセル群セル枚数演算手段と、前記燃料電池スタックを構成する複数のセルの基準となる基準セル電圧を、前記セル群電圧検出手段で検出した複数のセル群電圧から算出する基準セル電圧演算手段と、前記セル群セル枚数演算手段で算出したセル枚数から予め設定された所定値を減算した値と、前記基準セル電圧演算手段で算出された基準セル電圧との積を算出し、前記セル群電圧検出手段で検出されたセル群電圧から前記算出した積を減算し、減算結果を対応するセル群のセル電圧パラメータとするセル電圧パラメータ演算手段と、前記セル電圧パラメータ演算手段で演算されたセル電圧パラメータが、所定電圧より低い場合にセル電圧が低下したことを検出するセル電圧低下検出手段と、前記セル群電圧検出手段で検出されたセル群電圧のばらつきを検出するセル群電圧ばらつき検出手段とを備え、前記セル群電圧ばらつき検出手段で検出されたセル群電圧のばらつきが所定のばらつきより大きい場合、セル電圧の低下が検出されやすくなるように、前記セル群電圧検出手段で検出した複数のセル群電圧の平均値から所定以上乖離したセル群電圧以外のセル群電圧から前記基準セル電圧を算出するか、または、前記セル群電圧ばらつき検出手段で検出されたセル群電圧のばらつきが小さいほどセル電圧の低下が検出されにくくなるように前記所定電圧を小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、セル群の電圧しか検出できないような場合であっても、所定の枚数のセル電圧が低下していることを精度よく検出することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の燃料電池システムの特徴を実現するための要部を示すブロック図であり、図２は本発明の燃料電池システムの他の特徴を実現するための要部を示すブロック図である。

図１において、本発明の燃料電池システムの要部は、セル群電圧検出手段１０１、各セル群セル枚数演算手段１０２、基準セル電圧演算手段１０３、セル電圧パラメータ演算手段１０４を備えている。なお、本発明の燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックは、積層された複数のセルで構成され、複数のセルは複数のセル群に分けられ、各セル群は１または複数のセルで構成されているものとする。

セル群電圧検出手段１０１は、セル群の電圧を検出する手段である。各セル群セル枚数演算手段は、各セル群のセルの枚数を演算する手段である。基準セル電圧演算手段１０３は、基準となるセル電圧を演算する手段である。

セル電圧パラメータ演算手段１０４は、セル群電圧検出手段１０１で検出されたセル群電圧、各セル群セル枚数演算手段１０２で演算された各セル群のセルの枚数、ならびに基準セル電圧演算手段１０３で演算された基準となるセル電圧とに基づいて、各セル群に対応したセル電圧パラメータを演算する。すなわち、セル電圧パラメータ演算手段１０４は、セル電圧パラメータをＶｃｅｌｌ、セル群のセル群電圧をＶｇｒ、基準セル電圧をＶｓｔｄ、セル群を構成するセルの枚数をＮとすると、次式にしたがってセル電圧パラメータＶｃｅｌｌを算出する。

（数２）
Ｖｃｅｌｌ＝Ｖｇｒ−（Ｎ−１）×Ｖｇｒ
このようにして演算されたセル電圧パラメータＶｃｅｌｌに基づいて、セル電圧の低下を検出する手段で後述するようにしてセル電圧の低下を判断する。

次に、図２において、本発明の燃料電池システムの他の要部の特徴とするところは、図１に示す要部に加えて、セル群電圧ばらつき検出手段１０５とセル電圧低下検出手段１０６を備えている。

セル群電圧ばらつき検出手段１０５は、セル群電圧検出手段１０１で検出されたセル群電圧と、各セル群セル枚数演算手段１０２で演算された各セル群のセルの枚数とに基づいて、セル群電圧間のばらつきを検出する手段である。セル電圧低下検出手段１０６は、セル電圧パラメータ演算手段１０４で演算されたセル電圧パラメータと、セル群電圧ばらつき検出手段１０５で検出されたセル群電圧間のばらつきとに基づいて、特定のセル群のセル電圧が低下したことを検出する手段である。

図３に例えば５つの各セル群（１番セル群〜５番セル群）におけるセル電圧とセル群電圧の様子を示す。図３において、各セルのセル電圧は図３に示すようにばらつきがあり、システムのハードウェアの構成上などから、各セルのセル電圧を検出できず、セル群電圧しか検出できない場合がある。このような場合には、各セル群では、セル電圧の総和（図３の棒グラフの総和）としてセル群電圧を検出する。また、図３の１番セル群のように、他のセル群（２番セル群〜５番セル群）とセルの枚数が異なるセル群がある場合もある。すなわち、１番セル群は３枚のセルから構成されているのに対して、２〜５番セル群は４枚のセルで構成されている。

次に、図３と同様なセル電圧とセル群電圧を示す図４を参照して、図３に示すセル電圧とセル群電圧に対して、本発明を適用しない場合、例えば先の特許文献１に記載された手法を用いてセル群電圧を補正して、セル電圧の低下を検出する手法を説明する。

図４において、他のセル群（２〜５番セル群）に対してセルの枚数が少ない１番セル群では、従来の手法を採用すると図４の破線の高さで示す平均セル電圧を加えて補正し、他のセル群と比較できるようにする。このような補正を行った場合には、各セル群のセル群電圧をセル枚数の４で割ってセル電圧相当に換算すると、各セル群での平均セル電圧は図４の□で示す程度の値となる。この結果、図４の１番セル群や４番セル群のように、セル電圧の低下を判断するセル電圧低下しきい値を下回っているセル電圧があるにもかかわらず、いずれのセル群にあっても□で示す平均セル電圧はセル電圧低下しきい値を下回っていない、という結果になってしまう。これにより、セル電圧の低下を精度よく検出できない。

これに対して、図５を参照して本発明を適用した場合を説明する。本発明では、図１または図２に示す手段を用いて先の（数２）で示す演算式にしたがってセル電圧パラメータを算出している。各セル群で算出したセル電圧パラメータは、図５の○に示す程度の値ととなる。すなわち、セル電圧低下しきい値を下回っているセル電圧がある１番セル群ならびに４番セル群のセル電圧パラメータはセル電圧低下しきい値を下回っているのに対して、セル電圧低下しきい値を下回っているセル電圧がない２番セル群、３番セル群ならびに５番セル群のセル電圧パラメータはセル電圧低下しきい値を下回っていない。

したがって、本発明で採用したセル電圧パラメータを算出することで、セル電圧の低下を精度よく検出することが可能となる。

図１は上記本発明の手法を採用した実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に対して燃料ガスの水素ガスを供給、排出する水素系の構成として、水素タンク２、水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５、水素循環装置７、圧力センサ６ａ、パージ弁８、排水素処理装置９を備え、燃料電池スタック１に対して酸化剤ガスの空気を供給、排出する空気系の構成として、コンプレッサ１０、加湿装置１１、圧力センサ６ｂ、空気調圧弁１２を備え、燃料電池スタック１の発電で生じた熱を冷媒で除去する冷却系の構成として、冷却水ポンプ１３、温度センサ１４，１５、三方弁１６、ラジエタ１７、ラジエタファン１８を備えている。また、このシステムは、出力取出し装置２０、電圧センサ２１、ならびにコントローラ３０を備えている。

燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成され、複数のセルはセル群に分けられる。燃料電池スタック１は、アノード極に燃料ガスの水素が、カソード極に酸化剤ガスの空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

（化１）
アノード（水素）極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード（酸素）極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
アノード極への水素供給は水素タンク２から水素タンク元弁３、ならびに減圧弁４、水素供給弁５を介してなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池スタック１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。燃料電池スタック１に供給される水素の圧力は、燃料電池スタック１の水素入口側に設けられた圧力センサ６ａで検出される。

アノード極の水素圧力は、圧力センサ６ａで検出された水素圧力をコントローラ３０に読み込み、コントローラ３０により水素供給弁５を駆動制御することによって制御される。水素圧力を一定に制御することによって、燃料電池スタック１が消費した分だけの水素が水素タンク２から供給されて補われる。

燃料電池スタック１から排出された未使用の水素は、循環路を介して水素循環装置７により燃料電池スタック１の水素入口側に循環され、水素タンク２から供給された水素と混合されて燃料電池スタック１に供給される。パージ弁８は、水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出制御する。排出された窒素を含む水素混合ガスは排水素処理装置９で希釈される。パージ弁８は、燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす際に開弁される。また、パージ弁８は、燃料電池スタック１の劣化を防止するために、システム起動時および停止時にカソード極の空気を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換させる際に閉弁される。排水素処理装置９は、パージ弁８を介して排出された水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈してシステム外へ排気するか、あるいは水素と空気を反応させて燃焼させることで排出水素濃度を下げた後排気する。

カソード極への空気は、コンプレッサ１０により圧縮され、加湿装置１１で加湿された後供給され、カソード極の空気圧は空気調圧弁１２の弁開度に基づいて制御される。燃料電池スタック１に供給される空気の圧力は、燃料電池スタック１の空気入口側に設けられた圧力センサ６ｂで検出される。カソード極の空気圧は、圧力センサ６ｂで検出された空気圧力をコントローラ３０に読み込み、コントローラ３０で空気調圧弁１２を駆動制御することによって制御される。

燃料電池スタック１に供給される空気の空気圧、ならびに水素の水素圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、燃料電池スタック１の電解質膜やセパレータに歪みを生じないように予め設定された所定の差圧に、コントローラ３０の制御の下に管理される。

燃料電池スタック１を冷却する冷媒となる冷却液は、冷却水ポンプ１３により燃料電池スタック１へ供給される。冷却液は燃料電池スタック１やラジエタ１７、又はラジエタ１７を迂回してラジエタバイパス方向に循環する。三方弁１６は、冷却液温度を調整するために、コントローラ３０の制御の下で冷却液をラジエタ１７側又はラジエタバイパス側に選択的に分流させる。三方弁１６をラジエタ１７側に切り替えるだけでは冷却液を所望の温度に冷やせないときにはラジエタファン１８も駆動する。

燃料電池スタック１の冷却水流路の入口側には温度センサ１４が設けられ、この温度センサ１４で燃料電池スタック１に供給される冷却液の温度が検出される。また、燃料電池スタック１の冷却水流路の出口側には温度センサ１５が設けられ、この温度センサ１５で燃料電池スタック１から排出される冷却液の温度が検出される。

冷却水の温度は、温度センサ１４，１５で検出された冷却水温度をコントローラ３０に読み込み、コントローラ３０により三方弁１６とラジエタファン１８を駆動制御することによって調整される。

出力取出し装置２０は、燃料電池スタック１の発電で得られた出力（電流あるいは電力）を、燃料電池スタック１から取り出し制御する。出力取出し装置２０は、燃料電池スタック１から取り出した出力を、負荷となる例えば車両を駆動するモータ（図示しない）に供給する。出力取出し装置２０は、システムの起動、停止時に燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ２１で検出された電圧および経過時間に基づいて、燃料電池スタック１から出力を取り出し、カソード極の酸素を消費させる。

コントローラ３０は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ３０は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明するセル電圧の低下の判断処理を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。したがって、コントローラ３０は、先の図１または図２に示す手段を実現する機能を備えている。また、コントローラ３０は、燃料電池スタック１を構成する各セル群のセル群電圧を読み取る。

次に、図７〜図９のフローチャートを参照して、この実施例１の動作処理を説明する。図７はこの実施例１ならびに以下に説明する実施例２〜４に共通する基本処理の手順を示すフローチャートである。

図７において、この基本処理は所定時間毎、例えば１０［ｍｓ］毎に実行される。先ず、燃料電池スタック１の各セル群のセル群電圧Ｖｇｒ（ｉ，ｉはセル群番号）を検出し（ステップＳ７０１）、各セル群のセル枚数Ｎｃｅｌｌ（ｉ）をコントローラ３０に読み込む（ステップＳ７０２）。続いて、基準セル電圧（Ｖｓｔｄ）を演算し（ステップＳ７０３）、演算で得られた基準セル電圧を用いてセル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）を次式に基づいて算出する（ステップＳ７０４）。

（数３）
Ｖｃｅｌｌ（ｉ）＝Ｖｇｒ（ｉ）−Ｖｓｔｄ×［Ｎｃｅｌｌ（ｉ）−１］
演算後、算出したセル電圧パラメータに基づいてセル電圧の低下を判断して（ステップＳ７０５）、一連の処理を終了する。

図８に図７のステップＳ７０３に示す処理の具体的な処理手順を示す。図８において、先ず、セル群電圧Ｖｇｒ（ｉ）のセル群数（ｍ）での総和（ＶＴ）を求める。例えば図３に示すように、燃料電池スタックで５つのセル群を有する場合には、１番セル群のセル群電圧Ｖｇｒ（１）〜５番セル群のセル群電圧Ｖｇｒ（５）の総和を求める。続いて、セル枚数Ｎｃｅｌｌ（ｉ）のセル群数での総和（ＮＴ）、すなわち燃料電池スタックのセル枚数の総和を求める。例えば図３に示すように、燃料電池スタックで５つのセル群を有し、１番セル群のセル枚数は３枚、他のセル群のセル枚数は４枚である場合には、セル枚数Ｎｃｅｌｌ（ｉ）のセル群数での総和は１９枚となる。そして、ＶＴをＮＴで除算し、全セルでの平均セル電圧を演算し、それを基準セル電圧Ｖｓｔｄとし、一連の処理を終了する（ステップＳ８０１）。

ここでは、セル群電圧の総和によって燃料電池スタックの総電圧を求めているが、燃料電池スタックの総電圧を直接求めて、ステップＳ８０１での演算のＶＴに用いてもよい。

図９に図７のステップＳ７０５に示す処理の具体的な処理手順を示す。図９において、先ずセル電圧の低下を判断するしきい値βを読み込み（ステップＳ９０１）、続いてこのしきい値βと先のステップＳ７０３で求めた基準セル電圧Ｖｓｔｄとの積（Ｖｓｔｄ×βを求め、この積の値と先のステップＳ７０４で求めたセル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）とを比較する（ステップＳ９０２）。ここで、しきい値βは、例えば図１０に示すようにセル電流に対するテーブル値などによって予め設定するものである。

図９に戻って、比較結果において、セル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）が、しきい値βと基準セル電圧Ｖｓｔｄとの積よりも小さい場合は、時間をカウントするカウンタで時間のカウントアップを始め（ステップＳ９０３）、所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ９０４）。所定時間が経過した場合には、セル電圧が低下しているものと推定判断し、セル電圧低下判断のフラグＦｌａｇ＿ｃｅｌｌを１として（ステップＳ９０５）、一連の処理を終了する。

一方、セル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）が、しきい値βと基準セル電圧Ｖｓｔｄとの積よりも小さいと判断されなかった場合には、時間をカウントするカウンタをリセットし（ステップＳ９０６）、セル電圧は低下していないないものと推定判断し、セル電圧低下判断なしとしてＦｌａｇ＿ｃｅｌｌを０とし（ステップＳ９０７）、一連の処理を終了する。また、先のステップＳ９０４で所定時間が経過していない場合でも、ステップＳ９０７の処理を行い、セル電圧低下判断なしとしてＦｌａｇ＿ｃｅｌｌを０とし、一連の処理を終了する。

このように、上記実施例１においては、セル群電圧のみしか検出できない場合でも、特定のセル群、すなわち特定の枚数のセルのセル電圧が、低下したことを精度よく検出することが可能となる。

全セル群電圧の総和を全セル枚数で除算することによって求めた全セルの平均セル電圧を基準セル電圧とすることで、基準セル電圧を容易に演算することが可能となり、かつセル電圧の低下を精度よく演算することができる。

先の（数３）で示す算出式を用いてセル電圧パラメータを算出する際に、セル群のうち１枚のセルのみが電圧低下を起こしているとものと仮定する手法を採用することで、セル電圧の低下を確実に検出することができる。

セル群は、複数枚のセルが積層されて構成されたものだけではなく、単セルで構成されているものも含めることで、セル群が複数枚のセルから構成されているものと、単セルで構成されているものの両方が混在していても、セル電圧の低下を精度よく検出することができる。

次に、図１１に示すフローチャートを参照して、本発明の実施例２について説明する。この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１の図７のステップＳ７０３を、図８に示す処理で求めることに代えて、予め求めてある燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性に基づいて、図１１に示す手順にしたがって基準セル電圧を求めるようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

図１１において、先ずコントローラ３０によって燃料電池スタック１の実電流Ｉｓｔを検出し（ステップＳ１１０１）、予め求めてある燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性を参照し検出された実電流Ｉｓｔに基づいて、燃料電池スタック１の総電圧の推定値Ｖｓｔａｃｋを演算する（ステップＳ１１０２）。続いて、総電圧の推定値Ｖｓｔａｃｋを燃料電池スタック１の総セル数で除算し、その結果を基準セル電圧Ｖｓｔｄとして求め（ステップＳ１１０３）、一連の処理を終了する。

このように、上記実施例２においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性と燃料電池スタック１の実電流に基づいて求めたセル電圧推定値を基準セル電圧とすることで、基準セル電圧を容易に演算することが可能となる。

次に、図１２に示すフローチャートを参照して、本発明の実施例３について説明する。この実施例３の特徴とするところは、先の実施例１の図７のステップＳ７０３を、図８に示す処理で求めることに代えて、図１２に示す手順にしたがってセル群電圧のばらつきの傾向を求め、ばらつきの大きさによって基準セル電圧の演算方法を変えるようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

図１２において、先ず各セル群毎に、そのセル群での平均セル電圧Ｖｇｒａｖｅ（ｉ）を演算する（ステップＳ１２０１）。この平均セル電圧は、セル群電圧Ｖｇｒ（ｉ）をセルの枚数Ｎ（ｉ）で除算して求める。その後、例えばｉ番目のセル群については、このｉ番目のセル群に隣接する前後の２セル群（（ｉ−２）番目，（ｉ−１）番目，（ｉ＋１）番目，（ｉ＋２）番目）でのセル群の平均セル電圧Ｖｇｒａｖｅ（ｉ−２），Ｖｇｒａｖｅ（ｉ−１），Ｖｇｒａｖｅ（ｉ＋１），Ｖｇｒａｖｅ（ｉ＋２）と合わせ、その５つのセル群でのばらつきを表すばらつきパラメータＰｃ（ｉ）を従来公知の手法を用いて演算し、それぞれのセル群の平均セル電圧がどの程度ばらついているかを検証する（ステップＳ１２０２）。

次に、ばらつきパラメータＰｃ（ｉ）が予め設定された所定のしきい値αよりも小さいか否かを判別する（ステップＳ１２０３）。判別の結果、小さい場合には、前後のセル群を併せた５つのセル群の平均セル電圧を演算し、その演算結果を基準セル電圧Ｖｓｔｄとし（ステップＳ１２０４）、一連の処理を終了する。

一方、ばらつきパラメータＰｃ（ｉ）が所定のしきい値αよりも小さいと判別されなかった場合には、５つのセル群の各平均セル電圧のうち、５つの平均値から所定以上乖離した値は異常値と見なして除き、残りのセル群の平均セル電圧の平均値を演算し、その演算結果を基準セル電圧Ｖｓｔｄとし（ステップＳ１２０５）、一連の処理を終了する。

上記一連の処理において、ステップＳ１２０５での演算は、例えば図４での１番セル群や４番セル群のセル群の平均セル電圧を除外して、平均値を演算する処理を意味する。また、ステップＳ１２０２では、セル群の平均セル電圧のばらつきを演算するパラメータとして分散値を用いたが、これはｉ番セル群の前後２つを併せた５つの値の平均値、またはいずれか１つのセル群の平均セル電圧に対するｉ番セル群の平均セル電圧の偏差（電圧差）として演算してもよい。また、ばらつきを求めるにあたって、この実施例３では５つのセル群での分散を演算したが、セル群の数はこれに限ることはなく、適宜任意の値に選択されるものである。

このように、上記実施例３においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、分散によってセル群の平均セル電圧のばらつきを容易に求めることができるので、容易にセル電圧低下の誤検出を防止することができる。

電圧差によってセル群の平均セル電圧のばらつきを容易に求めることができるので、容易にセル電圧低下の誤検出を防止することができる。

所定の複数セル群における、各セル群の平均セル電圧の平均値を基準セル電圧とすることにより、容易に基準セル電圧を演算することができる。また、セル群電圧がセルの積層方向にしたがって緩やかに増減している場合でも、セル電圧低下の誤検出の可能性を下げながら、セル電圧の低下を精度よく検出することができる。

次に、図１３に示すフローチャートを参照して、本発明の実施例４について説明する。この実施例４の特徴とするところは、先の実施例１の図７のステップＳ７０５を、図９に示す処理で実行することに代えて、先ずしきい値βを補正するしきい値補正係数Ｓを求め、この補正係数Ｓを用いて補正されたしきい値βにより図１３に示す手順にしたがってセル電圧の低下を検出するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

図１３において、先ずセル電圧の低下を判断するしきい値βを読み込む（ステップＳ１３０１）。続いて、図１２のステップＳ１２０１、１２０２と同様にしてセル電圧のばらつきを表すばらつきパラメータＰｃ（ｉ）を演算する（ステップＳ１３０２）。引き続き、ばらつきパラメータＰｃ（ｉ）を用いて、図１４に示すようなテーブルに基づいてしきい値補正係数Ｓを演算する（ステップＳ１３０３）。その後、しきい値βとしきい値補正係数Ｓと基準セル電圧Ｖｓｔｄとの積を求め、この積とセル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）とを比較する（ステップＳ１３０４）。ここで、しきい値βは、例えば図１０に示すようにセル電流に対するテーブル値などによって予め設定するものである。

図９に戻って、比較結果において、セル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）が、先に求めたしきい値βと基準セル電圧Ｖｓｔｄとしきい値補正係数Ｓとの積よりも小さい場合は、時間をカウントするカウンタで時間のカウントアップを始め（ステップＳ１３０５）、その後所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０６）。所定時間が経過した場合には、セル電圧が低下しているものと推定判断し、セル電圧低下判断のフラグＦｌａｇ＿ｃｅｌｌを１として（ステップＳ１３０７）、一連の処理を終了する。

一方、セル電圧パラメータＶｃｅｌｌ（ｉ）が、先の積よりも小さいと判断されなかった場合には、時間をカウントするカウンタをリセットし（ステップＳ１３０８）、セル電圧は低下していないないものと推定判断し、セル電圧低下判断なしとしてＦｌａｇ＿ｃｅｌｌを０とし（ステップＳ１３０９）、一連の処理を終了する。また、先のステップＳ１３０６で所定時間が経過していない場合でも、ステップＳ１３０９の処理を行い、セル電圧低下判断なしとしてＦｌａｇ＿ｃｅｌｌを０とし、一連の処理を終了する。

このように、上記実施例４においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、セル群電圧が揃って低下していると推定される場合には、特定のセル電圧のみが低下している可能性は低いものと推測し、しきい値補正係数Ｓによりしきい値βをセル群電圧の低下が検出しにくくなるように補正することで、セル電圧低下の誤検出を防止することができる。

本発明の燃料電池システムの特徴を実現するための要部を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムの他の特徴を実現するための要部を示すブロック図である。各セル群におけるセル電圧とセル群電圧の様子を示す図である。本発明の特徴を適用しないセル群平均セル電圧の求め方を示す図である。本発明の特徴を適用したセル電圧パラメータの求め方を示す図である。本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の実施例１に係る処理の手順を示すフローチャートである。実施例１に係る基準セル電圧の演算手順を示すフローチャートである。実施例１に係るセル電圧低下の判断手順を示すフローチャートである。セル電圧低下しきい値とセル電流との関係を示す図である。実施例２に係る基準セル電圧の演算手順を示すフローチャートである。実施例３に係る基準セル電圧の演算手順を示すフローチャートである。実施例４に係るセル電圧低下の判断手順を示すフローチャートである。しきい値補正係数とセル電圧ばらつきパラメータとの関係を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…減圧弁
５…水素供給弁
６ａ，６ｂ…圧力センサ
７…水素循環装置
８…パージ弁
９…排水素処理装置
１０…コンプレッサ
１１…加湿装置
１２…空気調圧弁
１３…冷却水ポンプ
１４…温度センサ
１４，１５…温度センサ
１６…三方弁
１７…ラジエタ
１８…ラジエタファン
２０…出力取出し装置
２１…電圧センサ
３０…コントローラ
１０１…セル群電圧検出手段
１０２…セル群セル枚数演算手段
１０３…基準セル電圧演算手段
１０４…セル電圧パラメータ演算手段
１０５…セル群電圧ばらつき検出手段
１０６…セル電圧低下検出手段

Claims

複数枚のセルが積層されてなる燃料電池スタックで、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックを構成するセルの内、１又は複数枚のセルが積層されてなる複数のセル群のそれぞれのセル群電圧を検出するセル群電圧検出手段と、
前記それぞれのセル群のセルの枚数を算出するセル群セル枚数演算手段と、
前記燃料電池スタックを構成する複数のセルの基準となる基準セル電圧を、前記セル群電圧検出手段で検出した複数のセル群電圧から算出する基準セル電圧演算手段と、
前記セル群セル枚数演算手段で算出したセル枚数から予め設定された所定値を減算した値と、前記基準セル電圧演算手段で算出された基準セル電圧との積を算出し、前記セル群電圧検出手段で検出されたセル群電圧から前記算出した積を減算し、減算結果を対応するセル群のセル電圧パラメータとするセル電圧パラメータ演算手段と、
前記セル電圧パラメータ演算手段で演算されたセル電圧パラメータが、所定電圧より低い場合にセル電圧が低下したことを検出するセル電圧低下検出手段と、
前記セル群電圧検出手段で検出されたセル群電圧のばらつきを検出するセル群電圧ばらつき検出手段と、
を備え、
前記セル群電圧ばらつき検出手段で検出されたセル群電圧のばらつきが所定のばらつきより大きい場合、セル電圧の低下が検出されやすくなるように、前記セル群電圧検出手段で検出した複数のセル群電圧の平均値から所定以上乖離したセル群電圧以外のセル群電圧から前記基準セル電圧を算出するか、または、前記セル群電圧ばらつき検出手段で検出されたセル群電圧のばらつきが小さいほどセル電圧の低下が検出されにくくなるように前記所定電圧を小さくする
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記セル群電圧ばらつき検出手段は、セル群電圧をセル枚数で除算したセル群平均セル電圧を全セル群について演算し、所定のセル群に対して隣接する所定のセル群のセル群平均セル電圧との分散を演算して、セル群電圧のばらつきを求める
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記セル電圧パラメータ演算手段の所定値は１である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。