(57)【要約】      （修正有）【課題】電池の運転状態を適切に制御できる電池制御装置および電池制御方法を提供する。【解決手段】計測装置６は、燃料電池セル１の運転状態を示す計測値を取得する。格納部には、計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データが格納される。演算部は、格納部に格納された統計的データに基づいて、計測装置６により取得される計測値を目標値に近づけるために適切な運転パラメータを演算する。制御部は、演算部により得られた運転パラメータに従って燃料電池セル１を制御する。【選択図】図１
2010146792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の運転状態を制御する電池制御装置において、
電池の運転状態を示す計測値を取得する計測値取得手段と、
前記計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データを格納する格納手段と、
前記格納手段に格納された前記統計的データに基づいて、前記計測値取得手段により取得される計測値を目標値に近づけるために適切な前記運転パラメータを演算する演算手段と、
前記演算手段により得られた前記運転パラメータに従って前記電池を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする電池制御装置。
【請求項２】
前記計測値は前記電池の出力電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電池制御装置。
【請求項３】
前記運転パラメータとして、温度、露点、ガス流量、圧力、相対温度のいずれかを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の電池制御装置。
【請求項４】
電池の運転状態を制御する電池制御方法において、
電池の運転状態を示す計測値を取得するステップと、
前記計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データに基づいて、前記計測値を取得するステップにより取得される計測値を目標値に近づけるために適切な前記運転パラメータを演算するステップと、
前記演算するステップにより得られた前記運転パラメータに従って前記電池を制御するステップと、
を備えることを特徴とする電池制御方法。
【請求項５】
前記電池を対象とする実験により、前記計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す前記統計的データを予め取得するステップを備えることを特徴とする請求項４に記載の電池制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の運転状態を制御する電池制御装置および電池制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解膜を挟んでカソードおよびアノードを対向した配置した燃料電池が知られている。カソードおよびアノードには、それぞれ燃料ガスを供給するガス流路が形成されカソードおよびアノードに所定のガスを供給することで発電を行う。
【特許文献１】特開２００３−５９５１７号公報
【特許文献２】特開２００７−５３０１３号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池本来の性能を発揮させるためには、燃料電池内部に三相界面を安定的に形成するなどして、燃料電池の運転状態を適切に制御する必要がある。そのためには、温度、圧力、相対湿度等の個々の運転パラメータをリアルタイムに制御することが要求される。しかし、燃料電池内部の状態と、運転パラメータとの間には複雑な相関があるため、燃料電池内部の状態を意図通りに制御することは極めて困難である。
【０００４】
本発明の目的は、電池の運転状態を適切に制御できる電池制御装置および電池制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電池制御装置は、電池の運転状態を制御する電池制御装置において、電池の運転状態を示す計測値を取得する計測値取得手段と、前記計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データを格納する格納手段と、前記格納手段に格納された前記統計的データに基づいて、前記計測値取得手段により取得される計測値を目標値に近づけるために適切な前記運転パラメータを演算する演算手段と、前記演算手段により得られた前記運転パラメータに従って前記電池を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
この電池制御装置によれば、計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データに基づいて、計測値を目標値に近づけるために適切な運転パラメータを演算するので、電池の運転状態を適切に制御できる。
【０００６】
前記計測値は前記電池の出力電圧であってもよい。
【０００７】
前記運転パラメータとして、温度、露点、ガス流量、圧力、相対温度のいずれかを用いてもよい。
【０００８】
本発明の電池制御方法は、電池の運転状態を制御する電池制御方法において、電池の運転状態を示す計測値を取得するステップと、前記計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データに基づいて、前記計測値を取得するステップにより取得される計測値を目標値に近づけるために適切な前記運転パラメータを演算するステップと、前記演算するステップにより得られた前記運転パラメータに従って前記電池を制御するステップと、を備えることを特徴とする。
この電池制御方法によれば、計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データに基づいて、計測値を目標値に近づけるために適切な運転パラメータを演算するので、電池の運転状態を適切に制御できる。
【０００９】
前記電池を対象とする実験により、前記計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す前記統計的データを予め取得するステップを備えてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電池制御装置によれば、計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データに基づいて、計測値を目標値に近づけるために適切な運転パラメータを演算するので、電池の運転状態を適切に制御できる。
【００１１】
本発明の電池制御方法によれば、計測値の変化方向と運転パラメータの変化方向との関係を示す統計的データに基づいて、計測値を目標値に近づけるために適切な運転パラメータを演算するので、電池の運転状態を適切に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による電池制御装置の一実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態の電池制御装置の構成を示すブロック図、図２はその制御系の構成を示す制御ブロック図である。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池セル１は、それぞれガス流路が形成されたカソード１１およびアノード１２を、固体電解質膜１３を介して積層することで構成される。カソード１１には、カソード１１の一部を分割して形成された参照電極１１ａが、アノード１２には、アノード１２の一部を分割して形成された参照電極１２ａが、それぞれ含まれている。カソード１１およびアノード１２間には負荷１０が接続されるが、参照電極１１ａおよび参照電極１２ａからは電流が引き出されない。
【００１５】
図１に示すように、ガス供給源２１からのガスは、加湿器２３を介してカソード１１に供給される。ガス供給源２１の出口近傍にはバルブ３１が、加湿器２３からカソード１１に至る管路２５にはバルブ３２が、カソード１１からの排出管路にはバルブ３３が、それぞれ設けられている。
【００１６】
一方、ガス供給源２２からのガスは、加湿器２４を介してアノード１２に供給される。ガス供給源２２の出口近傍にはバルブ３４が、加湿器２４からアノード１２に至る管路２６にはバルブ３５が、アノード１２からの排出管路にはバルブ３６が、それぞれ設けられている。
【００１７】
また、管路２５の近傍には管路２５を加熱するためのヒータ４１が、管路２６の近傍には管路２６を加熱するためのヒータ４２が、燃料電池セル１の近傍には燃料電池セル１を加熱するためのヒータ４３が、それぞれ設けられている。
【００１８】
また、管路２５の近傍には、管路２５内部のガスの湿度および温度を計測するための露点計５１および温度計５３が設けられ、管路２６の近傍には、管路２６内部のガスの湿度および温度を計測するための露点計５２および温度計５４が設けられている。さらに、燃料電池セル１の近傍には、燃料電池セル１の温度を計測するための温度計５５が設けられている。
【００１９】
図１に示すように、カソード１１およびアノード１２には計測装置６が接続されている。
【００２０】
図２に示すように、計測装置６により得られた計測値は演算部８１に入力される。演算部８１は、計測装置６からの計測値を目標値に近づけるような制御値を算出し、制御部７に与える。格納部８２には演算部８１での演算に必要な制御指標を示すテーブルが格納されている。格納部８２に格納されるテーブルについてはさらに後述する。
【００２１】
また、露点計５１、露点計５２、温度計５３および温度計５４からの計測値は制御部７に与えられ、加湿器２３、加湿器２４、バルブ３１〜３６およびヒータ４１〜４３は制御部７により制御される。
【００２２】
制御部７は、演算部８１から与えられた制御値に従って、加湿器２３、加湿器２４、バルブ３１〜３６およびヒータ４１〜４３を介して、計測装置６からの計測値を目標値に近づけるような制御を実行する。制御の具体的内容については後述する。
【００２３】
次に、制御指標を示すテーブルの作成例について説明する。
【００２４】
最初に、燃料電池セル１の運転に関連する要因を列挙して実験計画（直交表）を作成する。図３（ａ）は、３要因２水準の実験計画の例を示している。ここでは、負荷電流Ｉ（Ａ）における運転パラメータとして、因子Ａ：セル温度、因子Ｂ：露点、因子Ｃ：ガス流量を選択している。因子Ａ，Ｂ，Ｃの設定値は、制御指標の線形性を確保するために、微調整の域を逸脱しない値とする。すなわち、２水準での値を２水準間で制御指標の線形性が保たれる範囲とする。
【００２５】
次に、試験条件（試験条件１〜８）を切り替えつつ、燃料電池セル１を用いた測定を繰り返すことで、平均セル電圧を取得する。図３（ｂ）は測定を繰り返すことにより得られた平均セル電圧ｘ１〜ｘ８の値を示している。平均セル電圧ｘ１〜ｘ８を構成するデータ成分の中に等分散性のないものは棄却し、再データを取得するか、欠測値と判断できる場合には、Ｆｉｓｈｅｒ−Ｙａｔｅｓ近似法など公知の方法により代用値を算出して用いればよい。
【００２６】
次に、公知の方法により分散分析とＦ検定を行う。図３（ｃ）は分散分析表を示している。ここでは、主要因は有意の如何に関わらずプールしない方法をとっている。
【００２７】
次に、各試験条件（試験条件１〜８）に対し、公知の方法により点推定値を求める。図３（ｄ）は試験条件ごとの点推定値（Ｘ１〜Ｘ８）を示している。以下に点推定式の計算式を示す。
【００２８】
【数１】
2010146792.tif 000003
【００２９】
次に、点推定値同士の減算によって、制御指標を求める。図３（ｅ）は制御指標を示している。このような制御指標は、以下のような計算により得られる。
（１）Aのみを、水準1から水準2へ変更したときの変化量 A(1→2) は、X5-X1から求まる。
（２）Aのみを、水準2から水準1へ変更したときの変化量A(2→1)=‐A(1→2)である。
（３）Bのみを、水準1から水準2へ変更したときの変化量 B(1→2)は、X3-X1から求まる。
（４）Bのみを、水準2から水準1へ変更したときの変化量B(2→1)=‐B(1→2)である。
（５）Cのみを、水準1から水準2へ変更したときの変化量 C(1→2)は、X2-X1から求まる。
（６）Cのみを、水準2から水準1へ変更したときの変化量C(2→1)=‐C(1→2)である。
（７）AとBを同時に、水準1から水準2へ変更したときの変化量 AB(1→2) は、X7-X1から求まる。
（８）AとBを同時に、水準2から水準1へ変更したときの変化量AB(2→1)=‐AB(1→2)である。
（９）AとCを同時に、水準1から水準2へ変更したときの変化量 AC(1→2) は、X6-X1から求まる。
（１０）AとCを同時に、水準2から水準1へ変更したときの変化量AC(2→1)=‐AC(1→2)である。
（１１）BとCを同時に、水準1から水準2へ変更したときの変化量 BC(1→2) は、X4-X1から求まる。
（１２）BとCを同時に、水準2から水準1へ変更したときの変化量BC(2→1)=‐BC(1→2)である。
【００３０】
以上のような手順で求めた制御指標（図３（ｅ））を示すテーブル群を格納部８２に格納することで、計測装置６からの計測値を目標値に近づけるような制御が可能となる。目標値としては、例えば、燃料電池セル１内部において理想的な三相界面が形成される状態に対応する値などが選択される。
【００３１】
次に、負荷１０に電流を供給する電源として動作中の燃料電池１を制御する動作について説明する。図４（ａ）は、制御部７における制御手順を示すブロック図である。
【００３２】
図４（ａ）のステップＳ１では、計測装置６を介して燃料電池セル１の出力電圧であるセル電圧Ｘ´を取得する。
【００３３】
次に、ステップＳ２では、セル電圧Ｘ´と目標値ｍとを比較し、セル電圧Ｘ´が目標値ｍに一致するか否か判断する。ここでは、例えば、Δratio＝セル電圧Ｘ´／目標値ｍ−１とし、閾値（正数）を「ｋ」とするとき、演算部８１において、
−ｋ＜Δratio＜ｋ
が成立するか否かを判断してもよい。なお、閾値ｋの値として、燃料電池セルの変更を含むシステム変更等に応じて任意の値を選択できる。
【００３４】
ステップＳ２の判断が肯定されればステップＳ１へ戻り、判断が否定されればステップＳ３へ進む。
【００３５】
ステップＳ３では、必要なテーブルを格納部８２から読み込み、演算部８１において適切な運転パラメータの調整方法を抽出し、これを制御部７に与える。制御部７は演算部８１からの指示に従って、加湿器２３、加湿器２４、バルブ３１〜３６およびヒータ４１〜４３を介して、計測装置６からの計測値を目標値に近づけるような制御を実行する。
【００３６】
例えば、目標値ｍ＝０．５５４（Ｖ）であり、セル電圧Ｘ´＝０．５３０（Ｖ）という値が得られた場合、現在のΔratioの値は４．３３％となる。この場合、制御指標（図３（ｅ））を示すテーブルからΔratioを０に近づけ得るパターンを抽出する。
【００３７】
図４（ｂ）は、図３（ｅ）に示す制御指標を実行した場合における実行後のセル電圧（Ｘ´＋要因効果）およびΔratioの予測値（Δratio＊）を示している。図４（ｂ）に示すように、要因Ａを水準２→１（セル温度を３℃上昇）の方向に調整すると、Δratio＝０．２２％にまで縮小できることが期待されるので、この場合には、要因Ａを水準２→１の方向に調整する指示が演算部８１から制御部７に与えられる。なお、制御指標の中にΔratioを０に近づけ得るパターンがない場合には、現在の運転パラメータを維持する旨の指示が制御部７に与えられる。
【００３８】
ステップＳ３における処理の後、ステップＳ１へ戻る。
【００３９】
このような処理を繰り返すことにより、セル電圧Ｘ´を目標値ｍに近づけるような制御が継続的に実行される。
【００４０】
以上のように、本実施形態の電池制御装置によれば、統計的データに基づいて、セル電圧を目標値に近づけるように常に運転パラメータを調整しているので、運転パラメータを正確かつ的確に調整できる。
【００４１】
上記実施形態では、燃料電池の制御について例示したが、電池の種類はこれに限定されない。
【００４２】
また、制御の対象となる因子は電池の出力電圧に限らない。例えば、各電極の過電圧、開回路電圧（ＯＣＶ）などでもよい。図１に示すように、上記実施形態では、カソードおよびアノードを分割することで参照電極１１ａおよび参照電極１２ａを形成しているため、これらの参照電極１１ａまたは参照電極１２ａの電位を基準とすることで、容易に過電圧や開回路電圧を取得でき、これらの電圧値を目標値に近づける制御を実行することも可能である。参照電極を用いた過電圧等の取得方法については、特開２００８―２０４８３１号公報等に開示されている。
【００４３】
また、電池の運転中に調整できるパラメータであれば、制御の対象とすることができ、例えば、負荷電流、相対湿度、圧力などを目標値に近づけるように制御してもよい。
【００４４】
さらに、制御の対象となる因子を複数設けることもできる。
【００４５】
調整の対象となる運転パラメータの数を４個以上としてもよい。例えば、Ｌ１６、Ｌ６４、Ｌ２７、Ｌ８１などの実験を計画することで、電池の出力電圧等に影響を与える多くの運転パラメータを調整対象とすることができ、誤差の少ない確実な内部状態の制御が可能となる。例えば、負荷電流や圧力、相対湿度、セル温度、露点、湿度などを運転パラメータとすることができる。
【００４６】
実験の規模を問題としないのであれば、調整因子数や水準数を増やした多元配置の解析から制御指標を獲得してもよい。
【００４７】
上記実施形態では、制御指標として点推定結果を用いたが、正負または大小を持つ値（情報）であれば広く指標として使用できる。例えば、試験条件ごとの平均値やメジアン、要因ごとの水準平均値、水準ごとの要因効果値などを使用できる。
【００４８】
目標値の設定方法は適宜選択できる。例えば、燃料電池等の内部状態の再現のために、目標値を母平均値としてもよい。また、目標値をメジアンとしてもよい。また、目標値を最大値や最小値としてもよい。このような方法は、系の再現性や計測の信頼性よりも、高出力運転や低燃費運転、安全運転、あるいは長時間連続運転等に適した制御を優先する場合に適合する。
【００４９】
また、目標値の定め方として、電池の劣化を極力減らすような運転条件や、安定した出力を得る運転条件を得るような方法としてもよい。
【００５０】
本発明を電池のメンテナンスに応用することもできる。使用履歴により電池の劣化過程は多様である。このため、メンテナンスのための持ち込まれた電池に対して、制御指標を獲得するための実験を実施し、例えば、安定出力が得られる運転条件となるような制御指標に変更することにより、劣化過程の電池に見合った制御状態を確保することができる。制御指標を変更することにより、電池の稼動による劣化を最小限に抑制することも可能となる。
【００５１】
また、本発明は、稼動中の電池の制御への適用だけでなく、電池を計測するに際して、電池の運転状態を適切に保持するための制御にも適用可能である。
【００５２】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、電池の運転状態を制御する電池制御装置および電池制御方法に対し、広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】一実施形態の電池制御装置の構成を示すブロック図。
【図２】制御系の構成を示す制御ブロック図。
【図３】統計的データの取得方法を示す図であり、（ａ）は３要因２水準の実験計画の例を示す図、（ｂ）は測定を繰り返すことにより得られた平均セル電圧の値を示す図、（ｃ）は分散分析表を示す図、（ｄ）は試験条件ごとの点推定値を示す図、（ｅ）は制御指標を示す図。
【図４】制御部における制御方法を示す図であり、（ａ）は制御部における制御手順を示すブロック図、（ｂ）は制御指標実行後のセル電圧およびΔratioの予測値を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１      燃料電池セル（電池）
６      計測装置（計測値取得手段）
７      制御部（制御手段）
８１    演算部（演算手段）
８２    格納部（格納手段）
【図１】
2010146792.tif 000004
【図２】
2010146792.tif 000005
【図３】
2010146792.tif 000006
【図４】
2010146792.tif 000007