(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の出力低下が電解質膜の乾燥が原因であるか否かを正確に判断する。【解決手段】セル部の抵抗値の時間変化を算出するセル抵抗時間変化算出手段と、電極での化学反応にともなって生じるセル部の電圧値の低下の大きさを表す活性化過電圧とに基づいて算出された、電極における反応物質の供給や反応生成物の除去が追いつかなくなることにより化学反応が阻害されることによる電圧値の低下の大きさを表す濃度過電圧の時間変化を算出する濃度過電圧時間変化算出手段と、セル抵抗時間変化算出手段によって算出されたセル部の抵抗値の時間変化の絶対値、且つ、濃度過電圧時間変化算出手段によって算出された濃度過電圧の時間変化の絶対値に基づいて、電解質膜が乾燥により異常であるか否かを判断する異常判断手段と、を備える。【選択図】図２
2010198825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極が配設され、燃料ガスと酸化ガスの化学反応により発電するセル部と、
前記セル部の抵抗値の時間変化を算出するセル抵抗時間変化算出手段と、
前記セル部の電圧値が燃料電池の累積発電時間に応じて補正されたＩＲ補正電圧と、前記電極での化学反応にともなって生じる前記セル部の電圧値の低下の大きさを表す活性化過電圧とに基づいて算出された、前記電極における反応物質の供給や反応生成物の除去が追いつかなくなることにより化学反応が阻害されることによる電圧値の低下の大きさを表す濃度過電圧の時間変化を算出する濃度過電圧時間変化算出手段と、
前記セル抵抗時間変化算出手段によって算出された前記セル部の抵抗値の時間変化の絶対値、且つ、前記濃度過電圧時間変化算出手段によって算出された前記濃度過電圧の時間変化の絶対値に基づいて、前記電解質膜が乾燥により異常であるか否かを判断する異常判断手段と、
を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであるため、環境に対する影響が極めて少ない。そのため、燃料電池は、発電用、低公害の自動車用電源等の様々な用途に期待されている。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜の乾燥により電解質膜への反応ガスの拡散性が低下することによって、燃料電池の出力が極度に低下する。従って、燃料電池の極度の出力低下を避けるために、加湿制御を行う技術が開示されている（特許文献１から６を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８８６６５
【特許文献２】特開２００８−１０３１９８
【特許文献３】特開２００６−１１４４４０
【特許文献４】特開２００２−３５２８２７
【特許文献５】特開２００６−３２４０６６
【特許文献６】特開２００３−０９２１２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術では、電解質膜の乾燥による燃料電池の極度の出力低下を避けるために、加湿制御が行われている。しかし、燃料電池の出力低下の原因は、電解質膜の乾燥以外にもあり、他の原因との区別をすることができないという問題があった。そこで、本発明は、燃料電池の出力低下が電解質膜の乾燥が原因であるか否かを正確に判断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、異常判断手段が、セル部の抵抗値の時間変化の絶対値、且つ、濃度過電圧の時間変化の絶対値の変化に基づいて、電解質膜が乾燥により異常であるか否かを判断する点を工夫した。これにより、正確に電解質膜の乾燥を判断する燃料電池システムを提供することが可能である。
【０００７】
詳細には、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の両面に電極が配設され、燃料ガスと酸化ガスの化学反応により発電するセル部と、前記セル部の抵抗値の時間変化を算出するセル抵抗時間変化算出手段と、前記セル部の電圧値が燃料電池の累積発電時間に応じて補正されたＩＲ補正電圧と、前記電極での化学反応にともなって生じる前記セル部の電圧値の低下の大きさを表す活性化過電圧とに基づいて算出された、前記電極における反応物質の供給や反応生成物の除去が追いつかなくなることにより化学反応が阻害されることによる電圧値の低下の大きさを表す濃度過電圧の時間変化を算出する濃度過電圧時間変化算出手段と、前記セル抵抗時間変化算出手段によって算出された前記セル部の抵抗値の時間変化の絶対値、且つ、前記濃度過電圧時間変化算出手段によって算出された前記濃度過電圧の時間変化の絶対値に基づいて、前記電解質膜が乾燥により異常であるか否かを判断する異常判断手段と、を備える。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムのセル部は、電解質膜の両面に電極が配設され、燃料ガスと酸化ガスの化学反応により発電する。従って、本発明に係る燃料電池システムは、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであり、環境に対する影響が極めて少ない。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムのセル抵抗時間変化算出手段は、上述したセル部の抵抗値の時間変化を算出する。尚、セル部の抵抗値が時間変化に伴って増加しない場合は、生成水が過多となるフラッディングによってセル部の電圧が降下した状態である。
【００１０】
ＩＲ補正電圧は、セル部の電圧値が燃料電池の累積発電時間に応じて補正された値である。また、活性化過電圧は、電解質膜の両面に配置された電極での化学反応にともなって生じるセル部の電圧値の低下の大きさを表す。更に、濃度過電圧は、ＩＲ補正電圧と、活性化過電圧に基づいて算出される。尚、濃度過電圧は、電極における反応物質の供給や反応生成物の除去が追いつかなくなることにより化学反応が阻害されることによる電圧値の低下の大きさを表す。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムの濃度過電圧時間変化算出手段は、濃度過電圧の時間変化を算出する。尚、濃度過電圧が時間に伴って増加する場合は、電極における反応物質の供給や反応生成物の除去が追いつかなくなることにより化学反応が阻害されることによる電圧値の低下が大きい場合であり、電解質膜の乾燥によってセル部の電圧が降下した状態である。また、濃度過電圧が時間に伴って増加せず、濃度過電圧が一定である場合は、接触抵抗の増加によってセル部の電圧が降下した状態である。
【００１２】
ここで、本発明に係る燃料電池システムの異常判断手段は、セル抵抗時間変化算出手段によって算出されたセル部の抵抗値の時間変化の絶対値、且つ、濃度過電圧傾き算出手段によって算出された濃度過電圧の時間変化の絶対値に基づいて、電解質膜が乾燥により異常であるか否かを判断する。尚、異常判断手段は、燃料電池が発電中であっても、異常を判断することが可能である。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の出力低下が電解質膜の乾燥が原因であるか否かを正確に判断することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の出力低下が電解質膜の乾燥が原因であるか否かを正確に判断することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける制御手段の制御フロー図である。
【図３】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの活性化過電圧と電流密度の関係を表すグラフである。
【図４】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける、燃料電池の接触抵抗が増加している場合のセル電圧とセル抵抗の経時変化を表すグラフである。
【図５】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける、セル部の電解質膜が乾燥している場合のセル電圧とセル抵抗の経時変化を表すグラフである。
【図６】本発明の実施例２に係る燃料電池システムにおける制御手段の制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００について、図面に基づいて説明する。以下に示す実施例は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
＜燃料電池システムの構成＞
本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００の各構成について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、移動体である車両の駆動装置である駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）６に対して電力を供給する供給源として、船舶やロボット等の車両以外の移動体での電力供給源として、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対する電力供給源として採用が可能である。
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。この燃料電池システム１００は、セル部５が積層された固体高分子型の燃料電池１を有し、燃料としての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１のアノードに水素供給路１８を介して燃料を供給する高圧水素タンク９が設けられている。この高圧水素タンク９には、その内圧を調整するための調整弁１０が設けられ、また高圧水素タンク９から水素供給路１８への供給は、供給バルブ１１の開閉に従って行われる。
【００１８】
そして、燃料電池１のアノードに供給された水素は、後述するカソードへの供給酸化剤との電気化学反応に供されることで、該燃料電池での発電が行われる。その後、燃料電池１のアノードから排出されるアノードオフガスは、オフガス排出路１４に送り込まれ、その一部は減圧装置２０を経て外部へ排気される。また、このアノードオフガスには供給された水素であって燃料電池１での電気化学反応に供される使用されなかった水素が含まれているため、これを効率的に使用するために、バイパス路１７が、オフガス排出路１４から水素供給路１８に向かって分岐して設けられている。このバイパス路１７にはポンプ１６が設置されており、これによりバイパス路１７を流れる水素を含むオフガスの流量が調整される。
【００１９】
次に、燃料電池１のカソードには、酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ１２が設けられている。コンプレッサ１２によって圧縮空気が空気供給路１３を介して、燃料電池１へ供給される。そして、上記供給された水素とこの圧縮空気中の酸素が燃料電池１の電解質膜を介して電気化学反応を起こすことで、発電が行われる。以下に、その電気化学反応の反応式を示す。
（アノード）：２Ｈ2  →  ４Ｈ+＋４ｅ-
（カソード）：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ
【００２０】
このようにカソード側では、発電のための電気化学反応において水が生成され、これを以下では単に「生成水」と呼ぶ。カソードからのオフガスは、オフガス排出路２１に送り込まれ、その一部は減圧装置１５を経て外部に排気される。また、このカソード側のオフガスには、上記生成水が含まれる。
【００２１】
加湿装置１９は、ＥＣＵ８と接続されており、燃料電池１の電解質膜を、良好な発電のために湿潤させる。また、電圧センサ２、抵抗センサ３、及び荷重計４はセル部５に設けられ、ＥＣＵ８と接続されている。電圧センサ２はセル部５の電圧を測定し、抵抗センサ３はセル抵抗の抵抗値を測定し、荷重計４はセル部５を締結する荷重を測定する。
【００２２】
このように構成される燃料電池システム１００には、システム全体の運転制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）８が備えられている。ＥＣＵ８は、図示しない出力要求受付部（燃料電池システム１００が車両に搭載される場合には、アクセルペダルの開度を検知する開度センサがこれに相当する。）が受け付けた出力要求に基づいて、燃料電池出力を制御するべく、コンプレッサ１２による圧縮空気の供給や、高圧水素タンク９からの水素の供給が制御される。そして、ＥＣＵ８は、電圧センサ２、抵抗センサ３、及び荷重計４からデータを取得し、燃料電池１の出力低下が電解質膜の乾燥が原因であるか否かを正確に
判断し、電解質膜の乾燥が原因であった場合のみ加湿装置１が加湿する加湿制御を行う。尚、ＥＣＵ８によってプログラムが実行されることで、上記制御が行われる。以下、ＥＣＵ８によって行われる異常判断及び加湿制御について、図２に基づいて説明する。
【００２３】
先ず、ステップＳ１０１では、電圧センサ２によって測定されたセル部の電圧（以下、単に「セル電圧」という。）の電圧値が降下したか否かを検知する。セル電圧の電圧値の降下の検知が完了するとステップＳ１０２へ進む。
【００２４】
ステップＳ１０２は、電流センサ７において測定されたモータ６の電流値である負荷電流が変化したか否かを検知する。負荷電流が変化した場合はステップＳ１０３へ進み、負荷電流が変化していない場合はステップＳ１０５へ進む。
【００２５】
ステップＳ１０３は、ステップＳ１０２において負荷電流が変化したと検知した後に、電圧センサ２によって測定されたセル電圧の電圧値が降下したことを検知するか否かを検知する。セル電圧の電圧値が降下していないと検知した場合はステップＳ１０４へ進み、セル電圧の電圧値が降下したと検知した場合はステップＳ１０５へ進む。
【００２６】
ステップＳ１０４は、ステップＳ１０３においてセル電圧の電圧値が降下していないと検知した場合は、負荷電流の変化によってセル電圧の電圧値が降下したと判断する。
【００２７】
ステップＳ１０５は、セル抵抗の傾きを時間t1における抵抗R1と、時間t2における抵抗R2とから算出し、セル抵抗の傾きの絶対値が正であるか否かを判断する。尚、ＥＣＵ８が、セル部５の抵抗値の時間変化を算出するために、セル抵抗の傾きを算出することが、本発明の燃料電池システム１００が備えるセル抵抗時間変化算出手段に想到する。セル抵抗の傾きの絶対値が正でないと判断した場合は、ステップＳ１０６へ進み、セル抵抗の傾きの絶対値が正であると判断した場合は、ステップＳ１０７とステップＳ１０８へ進む。
【００２８】
ステップＳ１０６は、ステップＳ１０５においてセル抵抗の傾きの絶対値が正でないと判断した場合は、フラッディングによってセル電圧の電圧値が降下したと判断する。
【００２９】
ステップＳ１０７は、電圧センサ２によって測定されたセル電圧の電圧値から、抵抗センサ３によって測定されたセル抵抗の抵抗値と電流センサ７によって測定されたモータ６の電流値である負荷電流の積の値を除くことによって、ＩＲ補正電圧を算出する。ＩＲ補正電圧の算出が完了すると、ステップＳ１０９へ進む。
【００３０】
ステップＳ１０８は、負荷電流における電気化学反応を起こすための活性化過電圧の値を算出する。活性化過電圧は、以下に示す（１）式と、電流センサ７によって測定された負荷電流によって算出される。尚、図３は、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００の負荷電流の電流密度と活性化過電圧の関係を表すグラフである。活性化過電圧の算出が完了すると、ステップＳ１０９へ進む。
【００３１】
【数１】
2010198825.tif 000003
（式中、ηactは活性化過電圧、Ｒは気体定数、Ｔは温度、αは移動係数、ｎは電気化学
反応中の電子の個数、Ｆはファラデー定数、iは電流密度、i0は交換電流密度である）
【００３２】
ステップＳ１０９は、電極における反応物質の供給や反応生成物の除去が追いつかなくなることにより化学反応が阻害されることによる電圧値の低下の大きさを表す濃度過電圧
を算出する。濃度過電圧は、以下に示す（２）式によって算出される。濃度過電圧は、負荷をかけていない状態の電池電圧であるＯＣＶから、ＩＲ補正電圧と、ステップＳ１０９で算出された活性化過電圧の和の値を除くことによって、濃度過電圧を算出する。尚、ＩＲ補正電圧は、電圧センサ２によって測定されたセル電圧の電圧値から、抵抗センサ３によって測定されたセル抵抗の抵抗値と電流センサ７によって測定されたモータ６の電流値の積の値を除くことによって算出する。濃度過電圧の算出が完了すると、ステップＳ１１０へ進む。
【００３３】
【数２】
2010198825.tif 000004
（式中、ηcocは活性化過電圧、ＯＣＶは負荷をかけていない状態の電池電圧、ηactは活性化過電圧）
【００３４】
ステップＳ１１０は、濃度過電圧の傾きを、図４及び図５に示すセル電圧の経時変化において、時間t1における電圧ηcoc1と、時間t2における電圧ηcoc2から算出し、濃度過電圧の傾きの絶対値が正であるか否かを判断する。尚、ＥＣＵ８が、濃度過電圧の時間変化を算出することが、本発明の燃料電池システム１００が備える濃度過電圧時間変化算出手段に相当する。濃度過電圧の傾きの絶対値が正でないと判断した場合は、ステップＳ１１１へ進み、濃度過電圧の傾きの絶対値が正であると判断した場合は、ステップＳ１１２へ進む。
【００３５】
ステップＳ１１１は、ステップＳ１１０において濃度過電圧の傾きの絶対値が正でないと判断した場合は、接触抵抗増加によってセル電圧の電圧値が降下したと判断する。
【００３６】
ステップＳ１１２は、ステップＳ１１０において濃度過電圧の傾きの絶対値が正であると判断した場合は、セル部５の電解質膜の乾燥によってセル電圧の電圧値が降下したと判断する。尚、ＥＣＵ８が、電解質膜が乾燥により異常であるか否かの判断を行うことが、本発明の燃料電池システム１００が備える異常判断手段に相当する。電解質膜の乾燥であるという判断が完了するとステップＳ１１３へ進む。
【００３７】
ステップＳ１１３は、セル部５の電解質膜を加湿するように加湿装置１９へ指示を出す。
【００３８】
以上により、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、簡便な方法で、且つ、燃料電池１が発電中に、セル抵抗の時間変化と濃度過電圧の時間変化により、燃料電池システム１００の異常を判断することが可能である。更に、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、電圧降下の原因、つまり燃料電池１の出力低下の原因として、負荷電流の電流変化か、フラッディングか、燃料電池１の接触抵抗増加か、セル部５の電解質膜の乾燥の何れであるかを判断することが可能である。その結果、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、セル部５の電解質膜の乾燥が生じている時のみ、加湿制御を行うことが可能である。
【実施例２】
【００３９】
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００について説明する。実施例１では、セル抵抗の時間変化と濃度過電圧の時間変化により、セル部５の電解質膜の乾燥が生じているかを判断したが、実施例２では、セル抵抗の時間変化と積層されたセル部５の締結荷重に変化があるか否かによって、セル部５の電解質膜の乾燥が生じているかを判断する。
【００４０】
＜燃料電池システムの構成＞
本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００の各構成は、実施例１に係る燃料電池システム１００の構成と同じであるが、ＥＣＵ８の制御方法が異なる。以下、実施例１に係る燃料電池システム１００との違いを中心に、ＥＣＵ８によって行われる異常判断及び加湿制御について、図６に基づいて説明する。
【００４１】
ステップＳ２０１からステップＳ２０６は、実施例１に記載ステップＳ１０１からステップＳ１０６と同様であるため、説明を省略する。
【００４２】
ステップＳ２０７は、ステップＳ２０５においてセル抵抗の傾きの絶対値が正であると判断した場合に、セル部５が複数積層されている燃料電池１の各々のセル部５を締結する荷重を測定する荷重計４から、締結荷重データを受け取る。荷重計４から締結荷重データの受け取りが完了するとステップＳ２０８へ進む。
【００４３】
ステップＳ２０８は、ステップ２０７において受け取られた締結荷重データの変化を検知する。締結荷重データの変化があると判断した場合は、ステップＳ２０９へ進み、締結荷重データの変化がないと判断した場合は、ステップＳ２１０へ進む。
【００４４】
ステップＳ２０９は、ステップＳ２０８において締結荷重の変化があると判断した場合は、接触抵抗増加によってセル電圧の電圧値が降下したと判断する。
【００４５】
ステップＳ２１０は、ステップＳ２０８において締結荷重データの変化がないと判断した場合は、セル部５の電解質膜の乾燥によってセル電圧の電圧値が降下したと判断する。電解質膜の乾燥であるという判断が完了するとステップＳ２１１へ進む。
【００４６】
ステップＳ２１１は、セル部５の電解質膜を加湿するように加湿装置１９へ指示を出す。
【００４７】
以上により、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、簡便な方法で、且つ、燃料電池１が発電中に、セル抵抗の時間変化と締結荷重の変化により、燃料電池システム１００の異常を判断することが可能である。更に、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、電圧降下の原因、つまり燃料電池１の出力低下の原因として、負荷電流の電流変化か、フラッディングか、燃料電池１の接触抵抗増加か、セル部５の電解質膜の乾燥の何れであるかを判断することが可能である。その結果、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、セル部５の電解質膜の乾燥が生じている時のみ、加湿制御を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１００・・・燃料電池システム
１・・・燃料電池
２・・・電圧センサ
３・・・抵抗センサ
４・・・荷重計
５・・・セル部
６・・・駆動モータ
７・・・電流センサ
８・・・ＥＣＵ
９・・・高圧水素タンク
１０・・・調整弁
１１・・・供給バルブ
１２・・・コンプレッサ
１３・・・空気供給路
１４・・・オフガス排出路
１５・・・減圧装置
１６・・・ポンプ
１７・・・バイパス路
１８・・・水素供給路
１９・・・加湿装置
２０・・・減圧装置
２１・・・オフガス排出路
【図１】
2010198825.tif 000005
【図２】
2010198825.tif 000006
【図３】
2010198825.tif 000007
【図４】
2010198825.tif 000008
【図５】
2010198825.tif 000009
【図６】
2010198825.tif 000010