JP6131930B2 - 発電監視装置、燃料電池システムおよび発電監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池による発電の監視に関する。

燃料電池スタックを構成する複数セル毎の電圧を測定し、発電状況を監視するものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１３−６９４８９号公報

上記先行技術の場合、複数セル毎の電圧を測定しているので、１つずつのセルの電圧を正確に把握することは難しい。よって、このような手法の場合、複数セルのうちの一部のセルに負電圧が発生していることを看過する虞がある。負電圧の発生は、セルの劣化に繋がるので、適切に検出することが好ましい。本願発明は、上記先行技術を踏まえ、複数セル毎の電圧に基づき発電状況を監視する手法においても、負電圧の発生を検出することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、発電監視装置が提供される。この発電監視装置は；燃料電池に含まれる複数のセルによるセル電圧の合計値を取得する取得部と；前記合計値が前記複数のセルの一部に負電圧が発生している可能性を示す場合、前記複数の燃料電池セルに対するアノードガスの流量を増大させる増大部と；前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたかを、前記アノードガスの流量の増大後における前記合計値に基づき判定する判定部とを備える。この形態によれば、複数のセルの一部に負電圧が発生していたかを、複数のセルによるセル電圧の合計値に基づき判定できる。

（２）上記形態において、前記判定部は、前記アノードガスの流量の増大後、前記合計値が基準電圧値以上に達した場合、前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたと判定してもよい。この形態によれば、基準値との比較を用いるので、判定を容易に実行できる。

（３）上記形態において、前記判定部は、前記アノードガスの流量の増大後、所定時間経過しても前記合計値が所定電圧値に達しなかった場合、前記複数のセルの何れにも負電圧は発生していなかったと判定してもよい。この形態によれば、負電圧が発生していなかったことが判定できる。

（４）上記形態において、前記判定部は、前記アノードガスの流量の増大後、前記複数のセルの一部のセル電圧がゼロであることが推測される場合、前記複数のセルの何れにも負電圧は発生していなかったと判定してもよい。この形態によれば、負電圧が発生していなかったことが判定できる。

（５）上記形態において、前記増大部は、前記判定部による判定がなされた後、前記アノードガスの流量を通常値に戻してもよい。この形態によれば、燃費の悪化を抑制できる。

（６）上記形態において、前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたと判定された頻度が所定頻度以上の場合、前記燃料電池による発電電力を制限してもよい。この形態によれば、負電圧によるセルの劣化を抑制できる。

（７）上記形態において、前記合計値が閾値電圧未満の場合、前記燃料電池による発電を制限してもよい。この形態によれば、出力制限を適切に実行できる。

（８）上記形態において、前記燃料電池による発電電流が所定値以上の場合、前記燃料電池による発電を制限してもよい。この形態によれば、セルの劣化を抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、発電制御方法や、この方法を実現するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。

燃料電池システムの概略構成図。 セルモニタがセルに接続される様子を示す図。 測定電圧とセル電圧との関係を示す棒グラフ。 発電監視処理を示すフローチャート。 水素欠乏及びエア欠乏が進行した場合におけるセル電圧の変化を示すグラフ。 判定処理を示すフローチャート。

図１は、自動車に搭載される燃料電池システム２０の概略構成を示す。燃料電池システム２０は、アノード系５０と、カソード系６０と、制御部８０と、セルモニタ８５と、冷却系９０と、燃料電池１００とを備える。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数（例えば４００枚）のセル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０とが、この順に積層されたスタック構造を有する。

アノード系５０は、水素タンク５１と、タンクバルブ５２と、レギュレータ５３と、配管５４と、排出制御弁５６と、排出配管５７と、循環ポンプ５８とを備える。水素タンク５１に貯蔵された水素は、タンクバルブ５２、レギュレータ５３及び配管５４を介して、燃料電池１００のアノードに供給される。

アノードオフガス（生成水を含む）は、排出制御弁５６が開弁している場合、排出配管５７から排出される。循環ポンプ５８は、アノードオフガスを配管５４に再び流入させる。

カソード系６０は、配管６１と、エアコンプレッサ６２と、排出配管６３とを備える。エアコンプレッサ６２は、大気から吸引したエアを圧縮し、配管６１を介して燃料電池１００のカソードに供給する。カソードオフガス（生成水を含む）は、排出配管５７を介して大気に排出される。

冷却系９０は、ウォーターポンプ９１と、配管９２と、配管９３と、ラジエータ９４とを備える。水などの冷却媒体は、ウォーターポンプ９１によって、配管９２と、燃料電池１００と、配管９３と、ラジエータ９４とを循環する。燃料電池１００の廃熱がラジエータ９４において大気に放出されることによって、燃料電池１００が冷却される。

制御部８０は、先述した各種動作を統括制御したり、統括制御に必要な情報を取得したりすることによって、燃料電池１００による発電を制御する。セルモニタ８５は、セル１４０の発電状況を取得し、制御部８０に入力する。

図２は、セルモニタ８５がセル１４０に接続される様子を示す。セルモニタ８５は、各セルグループについてのセル電圧の合計値を測定する。本実施形態におけるセルグループは、隣接する２つのセル１４０によって構成される。このような構成によるセルモニタ８５は、セル１４０毎に電圧を測定する構成に比べ、安価に製造できる。以下、上記の合計値を測定電圧という。測定電圧の取得は、負電圧が発生しているセル１４０の検出を目的の一つとしている。負電圧が発生したセル１４０は、劣化が進行するからである。

しかし、測定電圧は、２つのセル１４０それぞれによるセル電圧を合計した値であるので、それぞれのセル電圧を測定電圧から正確に把握することは難しい。例えば測定電圧が０．６Ｖの場合、セル電圧が０．３Ｖずつであるのか、１Ｖと−０．４Ｖとであるのか、或いは他の数値の組み合わせであるのかを判別することは難しい。

但し、セル電圧の上限値を利用すれば、負電圧が発生しているか否かを推測することはできる。本実施形態ではセル電圧の上限値を固定値（例えば１．０Ｖ）と見なし、以下、この固定値を第２電圧Ｖ２と呼ぶ。第２電圧Ｖ２は、セル１４０の電流−電圧特性に基づき定められている。

図３は、測定電圧とセル電圧との関係を説明するための棒グラフである。図３の（Ａ）は、測定電圧ＶＡが第２電圧Ｖ２を超えている場合を例示する。この場合は、セル電圧ＶＡ１，ＶＡ２は両方とも正電圧であることが把握できる。

一方、図３の（Ｂ），（Ｃ）に示された測定電圧ＶＢ，ＶＣのように負の値であれば、負電圧の発生が直ちに把握できる。図３の（Ｂ）はセル電圧ＶＢ１，ＶＢ２が両方とも負電圧の場合、（Ｃ）はセル電圧ＶＣ１が正電圧、セル電圧ＶＣ２が負電圧の場合を例示する。以下、このような判断のために基準となる値を第１電圧Ｖ１と呼ぶ。本実施形態では、第１電圧Ｖ１はゼロＶである。

図３の（Ｄ），（Ｅ）は、測定電圧ＶＤ，ＶＥが第１電圧Ｖ１以上第２電圧Ｖ２未満の場合を例示する。このような場合は、負電圧が発生しているか否かは、測定電圧からは把握できない。つまり、図３の（Ｄ）に示すようにセル電圧ＶＤ１，ＶＤ２の両方ともが正電圧である可能性がある一方、図３の（Ｅ）に示すようにセル電圧ＶＥ１が正電圧であるものの、セル電圧Ｖ２が負電圧である可能性がある。

図４は、発電監視処理を示すフローチャートである。発電監視処理は、測定電圧から得られる情報に基づき負電圧に対処するための処理であり、燃料電池１００による発電中、制御部８０によって繰り返し実行される。

まず、全てのセルグループの測定電圧が第２電圧Ｖ２以上かを判定する（ステップＳ２００）。少なくとも一部のセルグループの測定電圧が第２電圧Ｖ２未満の場合（ステップＳ２００、ＮＯ）、全てのセルグループの測定電圧が第１電圧Ｖ１以上かを判定する（ステップＳ３００）。少なくとも一部のセルグループの測定電圧が第１電圧Ｖ１未満の場合（ステップＳ３００、ＮＯ）、そのセルグループに水素欠乏が発生していると判定する（ステップＳ５１０）。

図５は、水素欠乏が発生した場合と、エア欠乏が発生した場合とについて、セル電圧の変化を概略的に示すグラフである。水素欠乏とは、セル１４０における正常な発電反応に必要な量よりも水素が欠乏した状態を意味する。エア欠乏とは、セル１４０における正常な発電反応に必要な量よりも酸素が欠乏した状態を意味する。水素欠乏が進行すると、図５に示すように、負電圧を発生させる。これに対してエア欠乏が進行しても、ゼロＶが維持されるだけで、負電圧を発生させることはない。よって、負電圧が確認されれば、水素欠乏であると判定できる。

続いて、現在時刻を記憶する（ステップＳ５１５）。この記憶は、後述するステップＳ４００及びステップＳ５００のために実行する。その後、アノード系５０の機器を制御し、水素の流量を増大させ（ステップＳ５２０）、続いて出力制限を実施する（ステップＳ５３０）。具体的には、燃料電池１００による発電電力が上限値を超えないように制限する。この上限値は、通常時において設定される上限値よりも低い値である。これらの措置によって、負電圧によるセル１４０の劣化を抑制する。水素の流量の増大は、燃費の悪化を抑制するために、所定時間後に終える。その後、発電監視処理を終える。

一方、全てのセルグループの測定電圧が第１電圧Ｖ１以上の場合（ステップＳ３００、ＹＥＳ）、１トリップ中における水素欠乏の発生回数がＭ回（Ｍは任意の自然数）以上かを判定する（ステップＳ４００）。１トリップとは、燃料電池が起動してから停止するまでの期間のことである。この判定には、先述したステップＳ５１５と、後述するステップＳ７５５とによる記憶を利用する。

１トリップ中における水素欠乏の発生回数がＭ回未満の場合（ステップＳ４００、ＮＯ）、直近所定時間における水素欠乏の発生回数がＮ回（ＮはＭ未満の自然数）以上かを判定する（ステップＳ５００）。直近所定時間における水素欠乏の発生回数がＮ回未満の場合（ステップＳ５００、ＮＯ）、燃料電池１００による発電の電流値が所定値（例えば５０Ａ）未満であるかを判定する（ステップＳ５０５）。電流値が所定値未満の場合（ステップＳ５０５、ＹＥＳ）、判定処理を実行する（ステップＳ７００）。

図６は、判定処理を示すフローチャートである。まず、水素の流量を増大させる（ステップＳ７１０）。続いて、全てのセルグループの測定電圧が第２電圧Ｖ２以上に達したかを判定する（ステップＳ７２０）。全てのセルグループの測定電圧が第２電圧Ｖ２以上になった場合（ステップＳ７２０、ＹＥＳ）、ステップＳ３００の時点で水素欠乏が発生していたと判定する（ステップＳ７５０）。水素欠乏は、水素ガスの供給不足やフラッディング等によって引き起こされることが多い。これらの原因は、水素流量の増大によって解消することが多い。よって、ステップＳ７５０では、上記のように判定する。

その後、現在時刻を記憶する（ステップＳ７５５）。続いて、所定時間後に水素の流量を通常値に戻して（ステップＳ７６０）、判定処理を終える。これに伴い、発電監視処理を終える。出力制限を実行しないのは、ステップＳ３００の時点では負電圧が発生していた可能性があるものの、ステップＳ７５０の時点では負電圧は発生していないはずだからである。

一方、少なくとも一部のセルグループの測定電圧が第２電圧Ｖ２未満の場合（ステップＳ７２０、ＮＯ）、それらセルグループの全てについて、１つのセル１４０のセル電圧がゼロＶ付近（例えば０±０．０２Ｖ）である状態が、所定時間、継続していると推測されるかを判定する（ステップＳ７３０）。ステップＳ７３０の判定は、例えば、測定電圧が第２電圧Ｖ２より僅かに低い値を維持している場合、或いは、測定電圧が第２電圧Ｖ２より少々低いものの、水素流量の増大のタイミングとは関係なく、セル電圧の降下が止まった場合などが挙げられる。このような場合は、エア欠乏の可能性が高い。

一方、１つのセル１４０のセル電圧がゼロＶ付近である状態が、所定時間、継続しているとは推測されない場合（ステップＳ７３０、ＮＯ）、タイムアウトしたかを判定する（ステップＳ７４０）。具体的には、ステップＳ７１０における水素の流量を増大させた時点を起点として経過した時間が所定時間に達した場合に、タイムアウトしたと判定する。ステップＳ７４０での所定時間は、ステップＳ７３０での所定時間よりも長い。

タイムアウトしていない場合（ステップＳ７４０、ＮＯ）、ステップＳ７２０に戻り、先述した判定を繰り返す。タイムアウトした場合（ステップＳ７４０、ＹＥＳ）、及び、一方のセル１４０のセル電圧がゼロＶ付近である状態が、所定時間、継続したと推測される場合（ステップＳ７３０、ＹＥＳ）、ステップＳ３００の時点でエア欠乏が発生していたと判定し（ステップＳ７７０）、水素流量を通常値に戻し（ステップＳ８３０）、所定時間待機後（ステップＳ８４０）、判定処理を終える。これに伴い、発電監視処理を終える。

上記のように直ちに水素流量を戻すのは、エア欠乏時は水素流量の増大が不要だからである。所定時間待機するのは、次のループとしての発電監視処理を開始するタイミングを遅らせて、判定処理を直ちに実行することを回避するためである。本実施形態では、先述したようにエア欠乏が発生しても放置するので、ステップＳ８３０の時点では第１電圧Ｖ１≦測定電圧＜第２電圧Ｖ２である可能性が高い。よって、次のループとしての発電監視処理を実行すれば、判定処理を実行することになる。しかし、エア欠乏と判定した直後は、判定処理は不要なので、燃費の悪化を抑制するため、上記のように所定時間の間隔を空ける。

なお、先述したように、エア欠乏が発生したセル１４０のセル電圧はゼロＶになる。このように、一部のセル１４０の発電が停止しても、他のセル１４０による発電で要求電力が賄える場合が多い。よって、本実施形態では、エア欠乏が発生しても、エアの流量増大等の処置を実施せずに放置する。

発電監視処理を繰り返し実行すると、測定電圧が第２電圧Ｖ２未満（ステップＳ２００、ＮＯ）且つ第１電圧Ｖ１以上（ステップＳ３００、ＹＥＳ）の場合に、１トリップ中における水素欠乏の発生回数がＭ回以上に達したり（ステップＳ４００、ＹＥＳ）、直近所定時間における水素欠乏の発生回数がＮ回以上に達したりする（ステップＳ５００、ＹＥＳ）ときがある。このようなときは、判定処理を実行せずに、先述したステップＳ５１０〜Ｓ５３０を実行する。頻繁に水素欠乏が発生した後、再度、測定電圧が低下した場合、その原因が水素欠乏である可能性が高いからである。さらに、このように水素欠乏が頻発した場合、水素流量の増大に加え、安全のため出力制限を実施する（ステップＳ５３０）。

さらに、燃料電池１００による発電の電流値が所定値以上の場合も（ステップＳ５０５、ＮＯ）、判定処理を実行せずに、先述したステップＳ５１０〜Ｓ５３０を実行する。電流値が大きい場合に、もし水素欠乏が発生していると、セル１４０の劣化が短時間で進行してしまうからである。そこで、安全のために、電流値が所定値以上の場合は水素欠乏であると見なす。

全てのセルグループの測定電圧が第２電圧Ｖ２以上の場合（ステップＳ２００、ＹＥＳ）、出力制限を解除して（ステップＳ２１０）、発電監視処理を終える。なお、出力制限がされていない場合、ステップＳ２１０はスキップされる。

本実施形態によれば、セルグループ毎の電圧を測定する構成によって製造コストを低減しつつ、各セル１４０において発生する水素欠乏を検出できる。これによって、必要以上に出力制限を実施しなくても済むようになる。つまり、測定電圧のみで水素欠乏を監視する場合、測定電圧＜第２電圧Ｖ２の場合に出力制限を実施すれば、セル１４０の劣化を抑制することはできる。しかし、この手法の場合、出力制限を頻繁に実施することに繋がり、ドライブフィーリング等に悪影響を与えることがある。これに対して本実施形態の場合、第１電圧Ｖ１≦測定電圧＜第２電圧Ｖ２の場合に、エア欠乏と判定すれば、出力制限を回避できる。さらに、水素流量の増大によって測定電圧が回復した場合についても、水素欠乏を解消しつつ、出力制限を回避できる。

但し、本実施形態においても負電圧の可能性がある場合には、出力制限を実施する。具体的には、先述したように、水素欠乏が頻発する場合には、判定処理を実施することなく、出力制限を実施する。これによって、セル１４０の劣化が抑制される。

また、水素流量の増大を過剰に実施することを回避している。つまり、エア欠乏と判定されれば、水素流量の増大は不要なので、直ちに元の流量に戻す。また、水素欠乏の場合にも、所定時間経過後には元の流量に戻す。これらの措置によって、燃費の悪化を抑制している。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

水素欠乏と判定された場合でも、水素流量の増大を直ちに元に戻してもよい。このようにすれば、燃費の悪化を抑制できる。この場合は、測定電圧が回復しないときは、出力制限を実施してもよい。

第１電圧は、ゼロＶより高い値でも、低い値でもよい。例えばゼロＶより高い値であれば、水素欠乏が発生する前に水素流量を増量することになるので、負電圧が発生を未然に防止できる。

第２電圧は、セル電圧の上限値より高い値でも、低い値でもよい。例えば、セル電圧の上限値より高い値の場合、「負電圧が発生している可能性がある」と判定される場合が多くなるので、負電圧の発生をより防止できる。

第２電圧は、変動値でもよい。例えば、セルグループによる総電圧を測定し、そのセルグループに含まれるセルの数で除算した平均電圧としてもよい。

セルグループを構成するセルの数は、複数であればいくつでもよい。
セルグループを構成しないセルを含んでもよい。つまり、１つのセル毎に電圧が測定されるものが含まれてもよい。
セルグループを構成するセルの数は、統一されていなくてもよい。
電圧が測定されないセルが含まれていてもよい。

水素欠乏かエア欠乏かの判定は、実施形態のものに限られない。よりセルの劣化を抑制する場合には、水素欠乏と判定されることがより多くなるように、エア欠乏である可能性が相当程度高い場合以外は、水素欠乏と判定してもよい。例えば、水素流量の増大に対し、測定電圧が殆ど反応しない場合にエア欠乏と判定し、それ以外は水素欠乏と判定してもよい。

或いは、出力制限の回避や、燃費の悪化の抑制を優先する場合には、エア欠乏と判定されることがより多くなるように、水素欠乏である可能性が相当程度高い場合以外は、エア欠乏と判定してもよい。例えば、水素流量の増大に対し、直ちに測定電圧が回復した場合は水素欠乏と判定し、それ以外はエア欠乏と判定してもよい。

出力制限を実施するか否かの決定において、電流値を考慮しなくてもよい。
測定電圧の取得、水素流量の増大、判定処理（負電圧が発生しているか否かの判定）は、別々のＥＣＵによって実行されてもよい。

ステップＳ５００の判定における所定時間は可変でもよい。つまり、いつの時点まで遡って水素欠乏の判定回数を数えるかを、状況に応じて変化させてもよい。例えば、燃料電池システムの通算運転時間が長くなり、セルの劣化が心配される場合は、上記の所定時間を長くして、出力制限が実施されやすくなるようにしてもよい。

燃料電池の用途は、自動車用でなくてもよい。例えば、他の輸送用機器（二輪車、電車など）に搭載されものでもよいし、据え置きの発電用でもよい。

２０…燃料電池システム
５０…アノード系
５１…水素タンク
５２…タンクバルブ
５３…レギュレータ
５４…配管
５６…排出制御弁
５７…排出配管
５８…循環ポンプ
６０…カソード系
６１…配管
６２…エアコンプレッサ
６３…排出配管
８０…制御部
８５…セルモニタ
９０…冷却系
９１…ウォーターポンプ
９２…配管
９３…配管
９４…ラジエータ
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…セル

Claims (10)

1. 燃料電池に含まれる複数のセルによるセル電圧の合計値を取得する取得部と、
   前記合計値が前記複数のセルの一部に負電圧が発生している可能性を示す場合、前記複数の燃料電池セルに対するアノードガスの流量を増大させる増大部と、
   前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたかを、前記アノードガスの流量の増大後における前記合計値に基づき判定する判定部と
   を備える発電監視装置。
2. 前記判定部は、前記アノードガスの流量の増大後、前記合計値が基準電圧値以上に達した場合、前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたと判定する
   請求項１に記載の発電監視装置。
3. 前記判定部は、前記アノードガスの流量の増大後、所定時間経過しても前記合計値が所定電圧値に達しなかった場合、前記複数のセルの何れにも負電圧は発生していなかったと判定する
   請求項１又は請求項２に記載の発電監視装置。
4. 前記判定部は、前記アノードガスの流量の増大後、前記複数のセルの一部のセル電圧がゼロであることが推測される場合、前記複数のセルの何れにも負電圧は発生していなかったと判定する
   請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の発電監視装置。
5. 前記増大部は、前記判定部による判定がなされた後、前記アノードガスの流量を通常値に戻す
   請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の発電監視装置。
6. 前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたと判定された頻度が所定頻度以上の場合、前記燃料電池による発電を制限する
   請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の発電監視装置。
7. 前記合計値が閾値電圧未満の場合、前記燃料電池による発電を制限する
   請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の発電監視装置。
8. 前記燃料電池による発電電流が所定値以上の場合、前記燃料電池による発電を制限する
   請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の発電監視装置。
9. 燃料電池と、
   前記燃料電池に含まれる複数のセルによるセル電圧の合計値を取得する取得部と、
   前記合計値が前記複数のセルの一部に負電圧が発生している可能性を示す場合、前記複数の燃料電池セルに対するアノードガスの流量を増大させる増大部と、
   前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたかを、前記アノードガスの流量の増大後における前記合計値に基づき判定する判定部と
   を備える燃料電池システム。
10. 燃料電池に含まれる複数のセルによるセル電圧の合計値が、前記複数のセルの一部に負電圧が発生している可能性を示す場合、前記複数の燃料電池セルに対するアノードガスの流量を増大させ、
    前記複数のセルの一部に負電圧が発生していたかを、前記アノードガスの流量の増大後における前記合計値に基づき判定する
    発電監視方法。

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