JP5126565B2 - 燃料電池及びその寿命評価方法並びに燃料電池システム - Google Patents

燃料電池及びその寿命評価方法並びに燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池及びその寿命評価方法並びに燃料電池システムに関する。
現在、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギを電気エネルギとして直接取り出すことのできる燃料電池や、この燃料電池を備えた車両等の開発が進められている。かかる燃料電池は消耗品であり、運転時間の経過に伴い次第に劣化する。このため、近年においては、燃料電池の開放起電力やIV特性に基づいて、燃料電池の寿命を判定する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−248764号公報
しかし、前記特許文献1に記載された技術においては、現時点における発電状態から寿命を判定するため、寿命診断の精度が不充分であった。また、燃料電池を再利用する際においても、具体的な使用履歴が分からないために使用可能か否かの判定を行うことが困難であるという問題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の寿命診断の精度を高めることが可能な燃料電池の寿命評価方法と、高精度な寿命診断や再利用の判定が可能な燃料電池及びこの燃料電池を備える燃料電池システムと、を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池の寿命評価方法は、燃料電池の運転履歴情報を蓄積する情報蓄積工程と、運転履歴情報に基づいて燃料電池の寿命診断を行う寿命診断工程と、を含むものである。
かかる方法によれば、燃料電池の運転履歴情報(燃料電池の過去における使用状態に関する情報)に基づいた高精度な寿命診断が可能となるため、使用中においては、燃料電池の交換時期をユーザが的確に判断することが可能となる。また、燃料電池を再利用する場合には、運転履歴情報に基づいて再使用の可否を判定することが可能となる。
前記寿命評価方法において、情報蓄積工程は、燃料電池の出力電圧の履歴情報(例えば、燃料電池の出力電圧毎に設定された重み付けに係る値を加算して得た値)を運転履歴情報として蓄積する出力電圧履歴情報蓄積工程を含むことができる。このようにすることにより、燃料電池の出力電圧の履歴情報に基づいて寿命を判定することができる。例えば、燃料電池においては高出力の運転が行われるほど劣化が早いため、高出力運転を続けた場合には、低出力運転を続けた場合よりも寿命が短縮されるものと判定することが可能となる。
また、前記寿命評価方法において、情報蓄積工程は、燃料電池を構成する各セルにおけるセル電圧の低下回数(例えば、セル電圧が所定の閾値以下となった回数)の履歴情報を運転履歴情報として蓄積するセル履歴情報蓄積工程を含むことができる。このようにすることにより、燃料電池のトータル電圧としては所定の出力を得られるが燃料電池を構成する一部のセルに劣化が進み十分な電圧を得ることができない場合において、一部のセルの電圧低下が所定回数以上となった場合に燃料電池の寿命を終えたものと判定することが可能となる。
また、前記寿命評価方法において、情報蓄積工程は、燃料電池の高出力運転の頻度の履歴情報(例えば、燃料電池の出力電圧毎に設定された重み付けに係る値を加算して得た値と、使用時間に係る値と、の差又は比に係る情報)を運転履歴情報として蓄積する高出力運転情報蓄積工程を含むことができる。このようにすることにより、燃料電池が高出力運転を短期間のうちに頻繁に行った場合には、寿命が低下するものと判定することが可能となる。
また、本発明に係る燃料電池は、反応ガスを用いた電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、自己の運転履歴情報を記憶する記憶手段を備えるものである。
かかる構成によれば、燃料電池が自己の運転履歴情報を記憶する記憶手段を備えているので、燃料電池を再利用する際に記憶手段に記憶される運転履歴情報を参照して、高精度な寿命診断を行うことができるとともに、再利用に適しているか否かの判定を行うことができる。
前記燃料電池において、記憶手段に記憶される運転履歴情報としては、燃料電池の出力電圧の履歴情報、燃料電池を構成する各セルにおけるセル電圧の低下回数の履歴情報、燃料電池の高出力運転の頻度の履歴情報、等を採用することができる。
また、前記燃料電池において、記憶手段として不揮発メモリを採用することが好ましい。このようにすることにより、燃料電池をシステムから回収して再利用する際に運転履歴情報が失われる可能性を低減させることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池と、前記燃料電池の寿命に応じて所定の警告を出力する警告出力手段と、を備えるものである。
かかる構成を採用することにより、所定の警告(例えばランプ点灯)に基づいてユーザが燃料電池の交換の時期を知ることができる。
本発明に係る燃料電池の寿命評価方法によれば、燃料電池の運転履歴情報に基づいた高精度な寿命診断が可能となるため、使用中においては燃料電池の交換時期をユーザが的確に判断することが可能となり、燃料電池を再利用する場合には運転履歴情報に基づいて再使用の可否を判定することが可能となる。また、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池が自己の運転履歴情報を記憶する記憶手段を備えているので、燃料電池を再利用する際に記憶手段に記憶される運転履歴情報を参照して、高精度な寿命診断を行うことが可能となるとともに、再利用に適しているか否かの判定を行うことが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
まず、図1を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池本体20aを備えた燃料電池20を中心として構成され、燃料電池20に燃料ガスとしての水素ガスを供給するため水素供給源30、燃料電池20に酸化ガスとしての空気を供給するコンプレッサ40、システム全体を統合制御する制御部50、燃料電池20の寿命に応じて所定の警告表示を行うための図示されていない表示装置、等を備えて構成されている。
燃料電池本体20aは、燃料電池セル(単電池)を所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20内には、図1に示すように、燃料電池本体20aを構成する各セルのセル電圧を監視するセル電圧モニタ21が設けられている。セル電圧モニタ21は、記憶手段としての不揮発性メモリ21aを備える。燃料電池20により発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットには、車両の駆動モータを駆動するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータ等の各種補機類を駆動するインバータ、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うDC‐DCコンバータ、等が備えられている。
燃料電池20のセル電圧モニタ21の不揮発性メモリ21aには、複数のカウンタ(履歴カウンタCh、電圧低下カウンタCl、時間カウンタCt)及び複数のフラグ(点検要求フラグBi、セル電圧低下履歴フラグBl、高出力履歴フラグBh)を記憶するための領域が確保されている。初期状態では各カウンタはゼロであり、フラグはオフである。また、セル電圧モニタ21には、後述する履歴カウンタ閾値(C1、C2)、電圧低下カウンタ閾値(C3、C4)、時間カウンタ閾値(C5)、パラメータ(A、B)、換算マップ等が記憶されている。セル電圧モニタ21は、燃料電池20の運転中において、所定のサンプリング間隔で(例えば50ms毎に)、燃料電池20の履歴蓄積処理を行う。かかる履歴蓄積処理については、後に詳述する。
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から燃料供給路74を介して燃料電池本体20aの水素供給口に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であってもよい。
燃料供給路74には、水素供給源30から水素を供給し又は供給を停止する遮断弁(水素供給バルブ)H100、水素供給源30からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサP6、燃料電池本体20aへの水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、水素調圧弁H9の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサP9、燃料電池本体20aの水素供給口と燃料供給路74間を開閉する遮断弁(FC入口弁)H21及び水素ガスの燃料電池本体20aの入口圧力を検出する圧力センサP5が設けられている。水素調圧弁H9としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアに調整される弁であっても良い。圧力センサP5、P6、P9の図示しない検出信号は、制御部50に供給される。
燃料電池本体20aで消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路75に排出され、燃料供給路74の調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池本体20aと循環路75を連通/遮断する遮断弁(FC出口弁)H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離器H42、回収した生成水を循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、水素オフガスを加圧する水素ポンプH50及び逆止弁H52が設けられている。遮断弁H21、H22は、燃料電池本体20aのアノード側を閉鎖する。温度センサT31の図示しない検出信号は、制御部50に供給される。水素ポンプH50は、制御部50によって動作が制御される。水素オフガスは、燃料供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池本体20aに供給されて再利用される。逆止弁H52は、燃料供給路74の水素ガスが水素循環路75側に逆流することを防止する。遮断弁H100、H21、H22は、制御部50からの信号で駆動される。
水素循環路75は、排出制御弁(パージ弁)H51を介して、パージ流路76によって排気路72に接続される。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出(パージ)する。このパージ動作を間欠的に行うことにより、水素オフガスの循環が繰り返されるため、燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増加してセル電圧が低下することを防止することができる。
酸化ガスとしての空気(外気)は、空気供給路71を介して燃料電池本体20aの空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサ40、供給空気圧を検出する圧力センサP4及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。コンプレッサ40は、モータによって駆動される。モータは、後述の制御部50によって駆動制御される。なお、エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示しないエアフローメータ(流量計)が設けられる。
燃料電池本体20aから排出される空気オフガスは、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、圧力調整弁A4及び加湿器A21の熱交換器が設けられている。圧力センサP1は、燃料電池本体20aの空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁(減圧弁)A4は、燃料電池本体20aへの供給空気の圧力(空気圧)を設定する調圧器として機能する。圧力センサP4、P1の検出信号は、制御部50に送られる。制御部50は、コンプレッサ40及び圧力調整弁A4を調整することにより、燃料電池本体20aへの供給空気圧や供給空気流量を設定する。
燃料電池本体20aの冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられる。冷却路73には、燃料電池本体20aから排水される冷却水の温度を検出する温度センサT1、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、冷却水を加圧して循環させるポンプC1及び燃料電池本体20aに供給される冷却水の温度を検出する温度センサT2が設けられている。ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。
制御部50は、図示していない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム1の各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類を制御して燃料電池20の発電(出力電圧)を制御する。なお、本実施形態においては、制御部50として、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイ等で構成されたコンピュータを採用している。
表示装置は、燃料電池車両の車内に設けられており、燃料電池20の交換が必要である場合(後述するステップST5及び/又はステップST8でフラグがONとなった場合)に、セル電圧モニタ21から送出される信号により所定の警告ランプを点灯させて、燃料電池20の交換が必要であることを運転者に促すものである。すなわち、セル電圧モニタ21及び表示装置は、本発明における警告表示手段の一実施形態を構成する。
次に、図2及び図3を用いて、燃料電池20に設けられたセル電圧モニタ21による履歴蓄積処理について説明する。本履歴蓄積処理は、出力電圧の累積、セルの電圧低下回数及び高出力運転の頻度を監視し、その状態に応じて所定のフラグを立てる処理である。
図2に示すように、セル電圧モニタ21の電源が投入されると(ステップST1)、セル電圧モニタ21は、まず各セル電圧の合計であるトータル電圧を算出する(ステップST2)。そして、履歴カウンタChに加算する加算値を、トータル電圧に基づいて、図3に示した換算マップから得る。換算マップは、セル電圧モニタ21に予め記憶されているものとする。図3に示すように、トータル電圧が0〜100Vの場合には加算値は0、トータル電圧が100〜200Vの場合には加算値は0.5、トータル電圧が200〜300Vの場合には加算値3、トータル電圧が300〜400Vの場合には加算値2、トータル電圧が400以上の場合には加算値1となる。このようにして得た加算値を、不揮発性メモリ21aの履歴カウンタChに加算する(ステップST3)。
ステップST3は、燃料電池20の出力電圧の履歴情報を運転履歴情報として蓄積するものであり、本発明における出力電圧履歴情報蓄積工程の一実施形態に相当する。また、本実施形態においては、換算マップにおける各加算値(重み付けに係る値)を、高出力運転(例えば200〜400Vでの運転)において大きい値に設定している。これにより、高出力運転の機会が多い場合には履歴カウンタChが速く上昇することとなる。
次いで、セル電圧モニタ21は、履歴カウンタChと履歴カウンタ閾値C1とを比較する(ステップST4)。そして、履歴カウンタChが履歴カウンタ閾値C1よりも大きいと判定した場合には、高出力運転のために寿命が低下したものと判定し、ステップST5において点検要求フラグBiをONとし、後述するステップST12へ進む。
一方、ステップST4において履歴カウンタChが履歴カウンタ閾値C1以下であると判定した場合には、セル電圧モニタ21は、トータル電圧がV1以上であり、かつ、一つ以上のセル電圧がV2以下の場合に、不揮発性メモリ21aの電圧低下カウンタClを上昇させる(ステップST6)。V1及びV2は予め設定された所定電圧である。トータル電圧がV1を超えることにより燃料電池20が運転状態にあることを判断し、セル電圧がV2以下であることにより、そのセルが劣化により電圧低下を起こしていることを判定する。ステップST6は、燃料電池20を構成する各セルにおけるセル電圧の低下回数の履歴情報を運転履歴情報として蓄積するものであり、本発明におけるセル履歴情報蓄積工程の一実施形態に相当する。
次いで、セル電圧モニタ21は、電圧低下カウンタClと電圧低下カウンタ閾値C3とを比較する(ステップST7)。そして、電圧低下カウンタClが電圧低下カウンタ閾値C3よりも大きい場合には、劣化が進んで寿命が低下したと判定し、ステップST8においてセル電圧低下履歴フラグBlをONとし、後述するステップST12へ進む。
一方、ステップST7において電圧低下カウンタClが電圧低下カウンタ閾値C3以下であると判定した場合には、セル電圧モニタ21は、不揮発性メモリ21aの時間カウンタCtを所定量アップし、履歴カウンタChと時間カウンタCtとの差及び比に係る情報(高出力運転の頻度の履歴情報)を算出する(ステップST9)。時間カウンタCtは、燃料電池20の累積稼働時間(使用時間に係る値)を示す。そして、セル電圧モニタ21は、以下の条件を満たすか否かを判定し(ステップST10)、いずれかの条件が満たされた場合に、ステップST11において高出力履歴フラグBhをONとする。
Ch−Ct>A、Ch/Ct>B
ここで、A及びBは予め設定されたパラメータである。これらの条件は高出力運転の頻度を示すものであり、短時間に高出力運転が続いた場合に、高出力履歴フラグBhがONとなる。ステップST9は、燃料電池20の高出力運転の頻度の履歴情報を運転履歴情報として蓄積するものであり、本発明における高出力運転情報蓄積工程の一実施形態を構成する。
セル電圧モニタ21は、ステップST5及び/又はステップST8でフラグがONとなった場合に、車内における表示装置にて警告ランプを点灯し、燃料電池20の交換が必要であることを運転者に促す(ステップST12)。セル電圧モニタ21は、以上の処理を所定のサンプリング間隔で繰返す。以上説明した履歴蓄積処理は、本発明における情報蓄積工程の一実施形態を構成する。
続いて、図4を用いて、燃料電池車両(燃料電池システム1)から燃料電池20を回収して再利用する際における燃料電池20の寿命診断処理について説明する。
ユーザは、セル電圧モニタ21に備えられた不揮発性メモリ21aを読み出し、燃料電池20の運転履歴情報に基づいて再使用に適しているか否かを判定する。具体的には、図4に示すように、ステップST13において、履歴カウンタCh、電圧低下カウンタCl、時間カウンタCt、点検要求フラグBi、セル電圧低下履歴フラグBl、高出力履歴フラグBhを読み込む。そして、ステップST14において、以下の条件を判定し、全ての条件を満たしている場合に、燃料電池20は再使用に適していると判定し(ステップST15)、少なくとも一つの条件を満たしていない場合には、燃料電池20は再使用に適していないものと判定する(ステップST16)。
Ch<C2、Cl<C4、Ct<C5、Bi=OFF、Bl=OFF、Bh=OFF
ここで、C2、C4、C5は、各々、履歴カウンタ閾値、電圧低下カウンタ閾値、時間カウンタ閾値である。これらは再使用に適しているか否かを判定するための閾値であり、運転中に用いられる履歴カウンタ閾値C1及び電圧低下カウンタ閾値C3とは異なる値が与えられる。Ch<C2を満たしていないことにより、過去において高出力運転が再利用に適さない程度頻繁に行われたものと判定し、Cl<C4を満たしていないことにより、セルの劣化が再利用に適さない程度進んでいるものと判定する。また、Ct<C5を満たしていないことにより、累積運転時間が長く再利用に適していないものと判定する。以上説明した寿命診断処理は、本発明における寿命診断工程の一実施形態に相当する。また、セル電圧モニタ21による履歴蓄積処理と、前記した寿命診断処理と、によって本発明に係る寿命評価方法の一実施形態が構成されることとなる。
以上説明した実施形態に係る寿命評価方法においては、燃料電池20の運転履歴情報(燃料電池20の過去における使用状態に関する情報)に基づいた高精度な寿命診断が可能となるため、使用中においては、燃料電池20の交換時期をユーザが的確に判断することが可能となる。また、燃料電池20を再利用する場合には、運転履歴情報に基づいて再使用の可否を判定することが可能となる。
また、以上説明した実施形態に係る寿命評価方法においては、燃料電池20の出力電圧の履歴情報を運転履歴情報として蓄積する(ステップST3)ので、燃料電池20の出力電圧の履歴情報に基づいて寿命を判定することができる。例えば、燃料電池20においては高出力の運転が行われるほど劣化が早いため、高出力運転を続けた場合には、低出力運転を続けた場合よりも寿命が短縮されるものと判定することが可能となる。なお、本実施形態においては、換算マップを用いて、出力電圧に応じた重み付けを行いながら履歴情報を蓄積しているので、高出力運転に係る情報を的確に得ることが可能となる。
また、以上説明した実施形態に係る寿命評価方法においては、燃料電池20を構成する各セルにおけるセル電圧の低下回数の履歴情報を運転履歴情報として蓄積する(ステップST6)ので、燃料電池20のトータル電圧としては所定の出力を得られるが一部のセルに劣化が進み十分な電圧を得ることができない場合において、一部のセルの電圧低下が所定回数以上となった場合に燃料電池20の寿命を終えたものと判定することが可能となる。
また、以上説明した実施形態に係る寿命評価方法においては、燃料電池20の高出力運転の頻度の履歴情報を運転履歴情報として蓄積する(ステップST9)ので、燃料電池20が高出力運転を短期間のうちに頻繁に行った場合には、寿命が低下するものと判定することが可能となる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池20は、自己の運転履歴情報を記憶する記憶手段(不揮発メモリ21a)を備えているので、この燃料電池20を再利用する際に記憶手段に記憶される運転履歴情報を参照して、高精度な寿命診断を行うことができるとともに、再利用に適しているか否かの判定を行うことができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池20において、記憶手段として不揮発メモリ21aを採用しているので、燃料電池20をシステムから回収して再利用する際に運転履歴情報が失われる可能性を低減させることができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池20の寿命に応じて所定の警告を出力する(警告ランプを点灯させる)警告出力手段(セル電圧モニタ21及び表示装置)を備えるため、かかる警告に基づいてユーザが燃料電池20の交換の時期を知ることができる。
なお、以上の実施形態においては、警告表示手段の一部として「表示装置」を採用した例を示したが、燃料電池20の交換が必要である場合に所定の音声を出力する「音声出力装置」を警告表示手段の一部として採用することもできる。
また、以上の実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムに本発明を適用した例を示したが、他の移動体(電車、船舶、航空機、ロボット等)に搭載される燃料電池システムにも本発明を適用することができる。また、燃料電池を建物(住宅、ビル等)用の発電設備として採用した定置用発電システムに本発明を適用することもできる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の寿命評価方法における履歴蓄積処理を説明するためのフローチャートである。 燃料電池のトータル電圧に応じた履歴の重み付けを示す換算マップの図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の寿命評価方法における寿命診断処理を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
1…燃料電池システム、20…燃料電池、21…セル電圧モニタ(警告出力手段の一部)、21a…不揮発性メモリ(記憶手段)

Claims (3)

  1. 燃料電池の運転履歴情報を蓄積する情報蓄積工程と、前記運転履歴情報に基づいて前記燃料電池の寿命診断を行う寿命診断工程と、を含む燃料電池の寿命評価方法であって、
    前記情報蓄積工程では、高出力運転において大きい重み付けを行う換算マップを用いて前記燃料電池の出力電圧毎に設定された前記換算マップの重み付けに係る値を加算することにより前記燃料電池の出力電圧の履歴情報(Ch)を数値として蓄積し、この出力電圧の履歴情報(Ch)と前記燃料電池の累積稼働時間(Ct)との差(Ch−Ct)又は比(Ch/Ct)を高出力運転の頻度の履歴情報として算出し、この算出した高出力運転の頻度の履歴情報(Ch−Ct、Ch/Ct)を前記運転履歴情報として蓄積し、
    前記寿命診断工程では、前記高出力運転の頻度の履歴情報(Ch−Ct、Ch/Ct)が予め設定されたパラメータ(A、B)を超えた場合に、前記燃料電池が再使用に適しないものと判定する、
    燃料電池の寿命評価方法。
  2. 反応ガスを用いた電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、
    高出力運転において大きい重み付けを行う換算マップを用いて蓄積された自己の出力電圧の履歴情報(Ch)と、自己の累積稼働時間(Ct)と、の差(Ch−Ct)又は比(Ch/Ct)を高出力運転の頻度の履歴情報として記憶する記憶手段を備え
    前記出力電圧の履歴情報(Ch)は、出力電圧毎に設定された前記換算マップの重み付けに係る値が加算されることにより数値として蓄積されたものである、
    燃料電池。
  3. 請求項2に記載の燃料電池と、
    前記燃料電池の前記記憶手段に記憶された前記高出力運転の頻度の履歴情報(Ch−Ct、Ch/Ct)が予め設定されたパラメータ(A、B)を超えた場合に所定の警告を出力する警告出力手段と、
    を備える、
    燃料電池システム。
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