(57)【要約】【課題】燃料電池の性能劣化および異常の予測装置および予測方法を提供する。【解決手段】予測装置は、上流および下流電圧監視ユニットと、データ処理ユニットと、システム制御ユニットとを含む。上流および下流電圧監視ユニットにより、各単電池の上流電圧および下流電圧を同期に監視する。監視した各単電池の上流および下流電圧に基づいて、データ処理ユニットにより各単電池の上流電圧と下流電圧の差動電圧を取得する。差動電圧に応じて、システム制御ユニットは、燃料電池に対し異常予測の補正制御を行う。【選択図】図１
2014116288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池異常の予測装置であって、前記燃料電池が、少なくとも１つの単電池を含み、
前記単電池のそれぞれに対応し、前記各単電池の上流電圧を同期に監視する上流電圧監視ユニットと、
前記単電池のそれぞれに対応し、前記各単電池の下流電圧を同期に監視する下流電圧監視ユニットと、
前記上流電圧監視ユニットおよび前記下流電圧監視ユニットによって送信された前記上流電圧および前記下流電圧の電圧信号を受信して、前記各単電池の前記上流電圧と前記下流電圧の差動電圧を取得するデータ処理ユニットと、
前記差動電圧に基づいて、前記燃料電池に対し異常予測の補正制御を行うシステム制御ユニットと
を含む燃料電池異常の予測装置。
【請求項２】
前記上流電圧監視ユニットが、上流電圧計を含み、前記下流電圧監視ユニットが、下流電圧計を含む請求項１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項３】
前記上流電圧監視ユニットおよび前記下流電圧監視ユニットが、アノード電圧計である請求項１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項４】
前記上流電圧監視ユニットおよび前記下流電圧監視ユニットが、カソード電圧計である請求項１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項５】
前記単電池が、
膜／電極接合体と、
燃料を運ぶためのアノード流路を含むアノード流路板と、
酸化剤を運ぶためのカソード流路を含むカソード流路板と、
前記膜／電極接合体と前記アノード流路板の間に設置されたアノードガス拡散層と、
前記膜／電極接合体と前記カソード流路板の間に設置されたカソードガス拡散層と
を含む請求項１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項６】
前記燃料電池が、さらに、
各単電池の前記アノード流路の入口に接続された燃料導入マニホールドと、
各単電池の前記アノード流路の出口に接続された燃料排出マニホールドと、
各単電池の前記カソード流路の入口に接続された酸化剤導入マニホールドと、
各単電池の前記カソード流路の出口に接続された酸化剤排出マニホールドと
を含む請求項５に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項７】
前記データ処理ユニットが、データ取得ユニットと、データ操作ユニットとを含む請求項１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項８】
前記差動電圧および許容差に基づいて、前記燃料電池に対し前記異常予測の補正制御を行う請求項１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項９】
前記異常予測の補正制御が、さらに、前記差動電圧が前記許容差の下限よりも低い時に不適切な水制御の補正を行うことを含む請求項８に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項１０】
前記不適切な水制御の補正が、相対湿度を上げる、前記燃料電池の温度を下げる、およびストイキオメトリーを減らす措置のうちの少なくとも１つである請求項９に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項１１】
前記異常予測の補正制御が、さらに、前記差動電圧が前記許容差の上限よりも高い時に不適切なストイキオメトリー制御の補正を行うことを含む請求項８に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項１２】
前記不適切なストイキオメトリー制御の補正が、ストイキオメトリーを増やす、前記燃料電池の出力電力を減らす、前記燃料電池の温度を上げる、相対湿度を下げる措置のうちの少なくとも１つである請求項１１に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項１３】
前記異常予測の補正制御が、さらに、前記差動電圧が前記許容差の上限よりも高く、瞬間的なピークが出現した時に、液体水氾濫の補正を行うことを含む請求項８に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項１４】
前記液体水氾濫の補正が、前記単電池に燃料および酸化剤を供給して液体水を排出することを含む請求項１３に記載の燃料電池異常の予測装置。
【請求項１５】
燃料電池異常の予測方法であって、前記燃料電池が、少なくとも１つの単電池を含み、
前記単電池のそれぞれの上流電圧および下流電圧を測定して、前記上流電圧と前記下流電圧の差動電圧を取得することと、
前記差動電圧が許容差内にあるかどうかを判断し、前記差動電圧が前記許容差を超過している時に補正を行うことと
を含む燃料電池異常の予測方法。
【請求項１６】
前記上流電圧および前記下流電圧を測定する前記ステップが、上流電圧計および下流電圧計を用いて、前記各単電池の前記上流電圧および前記下流電圧をそれぞれ測定することを含む請求項１５に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項１７】
前記上流電圧および前記下流電圧を測定する前記ステップが、アノード電圧計を用いて、前記各単電池のアノードの前記上流電圧および前記下流電圧を測定することを含む請求項１５に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項１８】
前記上流電圧および前記下流電圧を測定する前記ステップが、カソード電圧計を用いて、前記各単電池のカソードの前記上流電圧および前記下流電圧を測定することを含む請求項１５に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項１９】
前記補正が、前記差動電圧が前記許容差の下限よりも低い時に不適切な水制御の補正を行うことを含む請求項１５に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項２０】
前記不適切な水制御の補正が、相対湿度を上げる、前記燃料電池の温度を下げる、ストイキオメトリーを減らす措置のうちの少なくとも１つである請求項１９に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項２１】
前記補正が、前記差動電圧が前記許容差の上限よりも高い時に不適切なストイキオメトリー制御の補正を行うことを含む請求項１５に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項２２】
前記不適切なストイキオメトリー制御の補正が、ストイキオメトリーを増やす、前記燃料電池の出力電力を減らす、前記燃料電池の温度を上げる、相対湿度を下げる措置のうちの少なくとも１つである請求項２１に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項２３】
前記差動電圧が前記許容差の上限よりも高く、瞬間的なピークが出現した時、液体水氾濫の補正を行うことをさらに含む請求項１５に記載の燃料電池異常の予測方法。
【請求項２４】
前記液体水氾濫の補正が、前記単電池に燃料および酸化剤を供給して液体水を排出することを含む請求項２３に記載の燃料電池異常の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の性能劣化および異常の予測装置および予測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業が進歩するにつれ、石炭、石油、天然ガス等の伝統的エネルギー源の消費が継続的に上昇しているが、天然エネルギー源の蓄積には限界があるため、伝統的エネルギー源に代わる新しい代替エネルギー源を開発する必要がある。燃料電池は、重要かつ実用的な選択である。
【０００３】
簡単に説明すると、燃料電池は、基本的に、水電解の逆反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換することのできる発電装置である。プロトン交換膜燃料電池については、主に、膜／電極接合体（membrane electrode assembly, MEA）と２つの電極板で構成される。
【０００４】
ＭＥＡは、アノード（anode）とカソード（cathode）を有し、燃料（例えば、水素）は、アノードを介して伝送され、湿度を有する酸化剤（例えば、空気）は、カソードを介して伝送される。酸化反応は、アノードで起こり、還元反応は、カソードで起こる。その化学式は、以下の通りである。
【０００５】
アノード：Ｈ2 →２Ｈ+２ｅ-
カソード：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→ ２Ｈ2Ｏ
【０００６】
アノードの水素がプロトン交換膜に隣接する触媒に接触した時、水素分子は、水素イオンと電子に解離されて、電子は電気回路（electrical circuit）を流れ、水素イオンはプロトン交換膜を直接通過してアノードからカソードに到達する。カソード触媒の作用の下では、電気回路を通って到達した電子は、酸素と結合して酸素イオンを形成し、酸素イオンは、プロトン交換膜を通過する水素と結合して水分子を形成する。つまり、これが電気化学（electrochemical）の酸化還元反応プロセスであり、電気回路を介して電気が負荷に提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃料電池のコストおよび寿命は、燃料電池の商業化の主な障害であるため、まずは、水熱管理およびストイキオメトリー（stoichiometry）制御により生じるシステム問題を解決する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの実施形態は、燃料電池異常の予測装置を提供する。燃料電池は、少なくとも１つの単電池を含む。予測装置は、上流および下流電圧監視ユニットと、データ処理ユニットと、システム制御ユニットとを含む。上流および下流電圧監視ユニットは、単電池のそれぞれに対応し、各単電池の上流電圧および下流電圧を同期に監視する。データ処理ユニットは、上流電圧および下流電圧の電圧信号を受信して、各単電池の上流電圧と下流電圧の差動電圧（differential voltage, DV）を取得する。システム制御ユニットは、差動電圧に応じて、燃料電池に対し異常予測の補正制御を行う。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、燃料電池異常の予測方法を提供する。燃料電池は、少なくとも１つの単電池を含む。予測方法は、各単電池の上流電圧および下流電圧を測定して上流電圧と下流電圧の差動電圧（ＤＶ）を取得することと、差動電圧が許容差内であるかどうかを検出することと、差動電圧が許容差を超過している時に補正を行うこととを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、オンライン（on-line）、リアルタイム（real time）、その場（in-situ）、および非進入の予測を速やかに（speedily）、正確に（accurately）、鋭敏に（sensitively）、単純に（simply）、安価に（cheaply）実施することができる。
【００１１】
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池異常の予測装置の概略図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池の差動電圧（ＤＶcell）および電流（ＤＶ‐Ｉ）の曲線図である。
【図３Ａ】異なるストイキオメトリーの下で、時間とともに変化する第１実施形態の燃料電池の上流電圧Ｖusおよび下流電圧Ｖdsの曲線図である。
【図３Ｂ】時間とともに変化する図３Ａの差動電圧ＤＶcellの曲線図である。
【図４】図１の燃料電池異常の予測装置の変形例である。
【図５】図１の燃料電池異常の予測装置の別の変形例である。
【図６】異なるストイキオメトリーの下で、時間とともに変化する図４および図５の差動電圧の曲線図である。
【図７】異なる湿度の下で、時間とともに変化する第１実施形態の燃料電池の差動電圧の曲線図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池異常の予測装置の概略図である。
【図９】図８の燃料電池異常の予測方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池異常の予測装置の概略図である。
【００１４】
図１を参照すると、第１実施形態の燃料電池１００は、単電池１０２を含む。さらに、燃料電池１００は、例えば、単電池１０２の両側に設置された１対の集電装置（current collector）１０４ａおよび１０４ｂと、１対の集電装置１０４ａおよび１０４ｂの隣にそれぞれ設置された１対の端板（end plate）１０６ａおよび１０６ｂとを含む。単電池１０２は、膜／電極接合体（membrane electrode assembly, MEA）１０８と、アノード流路板（flow field plate）１１０と、カソード流路板１１２と、アノードガス拡散層（gas diffusion layer, GDL）１１４と、カソードガス拡散層１１６とを含むが、本発明はこれに限定されない。アノード流路板１１０は、例えば、燃料（水素）を運ぶためのアノード流路（flow channel）１１０ａを含み、カソード流路板１１２は、酸化剤（空気）を運ぶためのカソード流路１１２ａを含む。燃料電池１００が作動している時、アノードの水素分子は、水素イオンと電子に解離され、電子は、アノード流路板１１０、集電装置１０４ａおよび負荷（load）１１８を流れて集電装置１０４ｂおよびカソード流路板１１２に進入し、水素イオンは、直接ＭＥＡ１０８を通過してアノードからカソードに到達する。カソードに到達する電子は、酸素と結合して酸素イオンを形成し、酸素イオンは、ＭＥＡ１０８を通過する水素イオンと結合して水分子を形成する。
【００１５】
図１において、予測装置は、上流および下流電圧監視ユニット１２０ａおよび１２０ｂと、データ処理ユニット１２２と、システム制御ユニット１２４とを含む。１つの実施形態において、アノード流路板１１０およびカソード流路板１１２は、総長さＬの３等分の部分を有するものとし、燃料導入マニホールド１２６ａおよび酸化剤導入マニホールド１２８ａ付近のＬ／３長さ領域を上流（upstream）１３０と称し、燃料排出マニホールド１２６ｂおよび酸化剤排出マニホールド１２８ｂ付近のＬ／３長さ領域を下流（downstream）１３２と称す。別の実施形態では、燃料導入マニホールド１２６ａおよび酸化剤導入マニホールド１２８ａ付近のＬ／２〜Ｌ／４長さ領域を上流１３０と称し、燃料排出マニホールド１２６ｂおよび酸化剤排出マニホールド１２８ｂ付近のＬ／２〜Ｌ／４長さ領域を下流１３２と称す。第１実施形態の上流電圧監視ユニット１２０ａは、上流電圧計であり、下流電圧監視ユニット１２０ｂは、下流電圧計である。上流電圧計１２０ａによって監視される電圧の位置は、上流１３０の領域内の任意の位置であり、下流電圧計１２０ｂによって監視される電圧の位置は、下流１３２の領域内の任意の位置である。酸化剤導入マニホールド１２８ａおよび酸化剤排出マニホールド１２８ｂに隣接する位置を監視位置と称す。
【００１６】
第１実施形態のデータ処理ユニット１２２は、データ操作ユニットおよびデータ取得ユニット１３６を有してもよい。上流電圧計１２０ａで測定した上流電圧Ｖusおよび下流電圧計１２０ｂで測定した下流電圧Ｖdsを受信した後、オペアンプ（operational amplifier）１３４、減算器（subtractor）またはソフトウェアをデータ操作ユニットとして使用して、単電池１０２の上流電圧Ｖusと下流電圧Ｖdsの間の差動電圧ＤＶcellを計算し、差動電圧ＤＶcellをデータ取得ユニット１３６に送信することができる。そして、システム制御ユニット１２４は、差動電圧ＤＶcellに基づいて、燃料電池１００に対し異常予測の補正制御を行う。
【００１７】
システム制御ユニット１２４の異常予測の補正制御について、以下に説明する。
【００１８】
外部負荷１１８が作動し始め、負荷電流がゼロから徐々に増加した時、電流計１３８で電流を測定し、第１実施形態の予測装置の上流電圧計１２０ａおよび下流電圧計１２０ｂで段階的に監視する。このようにして、燃料電池１００の差動電圧ＤＶcellおよび電流（ＤＶ‐Ｉ）が得られ、その結果を図２に示す。
【００１９】
図２は、５つのパラメータ２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄおよび２００ｅの曲線を示したものである。図２からわかるように、操作パラメータ２００ａは、最良状態であり、その差動電圧は、どの負荷電流においても０ｍＶ（ＤＶcell≒０ｍＶ）に近く、水制御（すなわち、燃料と酸化剤の相対湿度）およびストイキオメトリー制御がいずれも最良状態であることを示す。
【００２０】
パラメータ２００ａの結果を参考基準とすると、差動電圧が正（ＤＶcell＞０）のパラメータ２００ｂおよび２００ｄである時、上流電圧が下流電圧よりも大きいこと（Ｖus＞Ｖds）を示し、その発展傾向が差動電圧０（ＤＶcell＝０）から離れれば離れるほど、ストイキオメトリー制御が悪くなるため、燃料電池のストイキオメトリーが欠乏（lack in）状態にあることも示す。差動電圧が負（ＤＶcell＜０）のパラメータ２００ｃおよび２００ｅである時、上流電圧が下流電圧よりも小さいこと（Ｖus＜Ｖds）を示し、その発展傾向が差動電圧０（ＤＶcell＝０）から離れれば離れるほど、水制御が悪くなるため、燃料電池が乾燥（dry out）状態にあることも示す。
【００２１】
しかしながら、燃料電池は非常に複雑な電気化学反応場であり、複数のパラメータが燃料電池の性能に影響を及ぼし、水制御やストイキオメトリー制御の他に、構造応力、温度、圧力等の要因も燃料電池の性能に影響を及ぼす可能性がある。そのため、上限（upper limit）ＤＶULと下限（lower limit）ＤＶLLを含む許容差（tolerance interval）ＤＶTIを設定して、予測の信頼度を向上させる。
【００２２】
許容差ＤＶTIの上限ＤＶULおよび下限ＤＶLLに基づくと、図２のパラメータ２００ｂおよび２００ｃは、依然として許容可能な操作パラメータに属する。パラメータ２００ｄは、低電流負荷において許容可能なストイキオメトリーであり、高電流負荷の場合には、燃料電池のストイキオメトリーは欠乏状態から飢餓（starvation）状態に変化する。パラメータ２００ｅも低電流負荷の場合に許容可能な水制御であり、高電流負荷の場合には、燃料電池は乾燥状態から脱水（dehydration）状態に変化する。そのため、パラメータ２００ｄおよび２００ｅは、いずれも異常を起こし、いずれも対応する不適切水制御の補正および対応する不適切ストイキオメトリー制御の補正が必要となる。不適切水制御の補正は、例えば、相対湿度を上げる、燃料電池の温度を下げる、およびストイキオメトリーを減らす措置のうちの少なくとも１つである。不適切ストイキオメトリー制御の補正は、例えば、ストイキオメトリーを増やす、燃料電池の出力電力を減らす、燃料電池の温度を上げる、および相対湿度を下げる措置のうちの少なくとも１つである。上述した複数の措置は、同時に実行してもよく、あるいは、これらの措置のうちの１つのみを実行してもよい。
【００２３】
負荷定電流（constant current）を使用した場合、７つのストイキオメトリーパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５およびＳ６があり、Ｓ０が最適である。Ｓ０を基準とすると、右に行くほどストイキオメトリーが低くなり、左に行くほどストイキオメトリーが高くなる。第１実施形態の予測装置を用いて監視することによって、図３Ａおよび図３Ｂに示した監視結果が得られる。
【００２４】
図３Ａは、異なるストイキオメトリーの下で、時間とともに変化する第１実施形態の燃料電池の上流電圧Ｖusおよび下流電圧Ｖdsの曲線図である。図３Ｂは、時間とともに変化する図３Ａの差動電圧ＤＶcellの曲線図である。
【００２５】
図１の上流電圧計１２０ａによって監視した上流電圧Ｖusの監視結果を図３Ａの曲線３０２に示し、図１の下流電圧計１２０ｂによって監視した下流電圧Ｖdsの監視結果を図３Ａの曲線３００に示す。図３Ａの曲線３００および３０２が図１のオペアンプ１３４によって差動電圧ＤＶcellに変換された時の結果を図３Ｂに示す。
【００２６】
差動電圧ＤＶcellの結果からわかるように、ストイキオメトリーがＳ０の状態では、その差動電圧は、いずれも０ｍＶ（ＤＶcel≒０ｍＶ）に近い最良状態であるため、上限ＤＶULと下限ＤＶLLを含む適切な許容差ＤＶTIが設定される。作動電圧が正（ＤＶcell＞０）の時、燃料電池が低ストイキオメトリー（under-stoichiometry）状態であることを示し、作動電圧が上限よりも大きい（ＤＶcell＞ＤＶUL）時、燃料電池が欠乏状態または飢餓状態に入ったことを示す（例えば、ストイキオメトリーＳ５およびストイキオメトリーＳ６）。反対に、作動電圧が負（ＤＶcell＜０）の時、燃料電池が過剰ストイキオメトリー（over-stoichiometry）状態であることを示し、作動電圧が下限よりも小さい（ＤＶcell＜ＤＶLL）時、システムの周辺機器（balance of plant, BOP）の寄生動力損失が過度であり、システム効果が減少し、燃料電池が徐々に乾燥していることを示す（例えば、ストイキオメトリーＳ１）。そのため、上述した不適切なストイキオメトリー制御の補正を実行することが要求される。
【００２７】
さらに、本実施形態において、燃料電池ストイキオメトリー制御や発展傾向を予測する他に、液体水氾濫（liquid water overflow）も検出することができる。図１の燃料電池１００の作動中に差動電圧が瞬間的なピーク（peak）３０４を有することが監視された時、燃料電池に液体水氾濫が発生したことを示す。振幅３０６およびピーク３０４は、差動電圧の平均振幅３０８の２倍と定義するが、本発明はこれに限定されない。「ピーク」の定義値は、流路板の流路および配置形態によって異なってもよい。
【００２８】
ピークが頻繁に出現し始めた時、図１の燃料電池１００が重度のストイキオメトリー欠乏状態にあることを示す（例えば、ストイキオメトリーＳ５の曲線３１０）。ここで、ピーク出現頻度が０．０１Ｈｚ以上の場合を「頻繁」と定義するが、流路板の流路および配置形態が異なれば、定義値も異なる。ピークが高頻度振動に入った時、図１の燃料電池が飢餓状態にあることを示し、液体水が氾濫する（例えば、ストイキオメトリーＳ６の曲線３１２）。上述した状況は、いずれも燃料異常を起こすため、燃料および酸化剤を燃料電池１００に供給して水を排出するなどの対応する水氾濫の補正を行う必要がある。ここで、ピーク出現頻度が０．０５Ｈｚ以上の場合を「高頻」と定義するが、流路板の流路および配置形態が異なれば、「ピーク」の定義値が異なってもよい。
【００２９】
図１の他に、燃料電池異常の予測装置は、さらに、図４および図５に示した２つの変形例を有する。
【００３０】
図４は、図１の燃料電池異常の予測装置の変形例である。図５は、図１の燃料電池異常の予測装置の別の変形例である。図４および図５では、同じまたは類似する構成要素には図１と同じ符号を使用して示してある。図４は、カソード電圧計４００を上流および下流電圧監視ユニットとして使用して、カソード流路板１１２の上流と下流の間の電圧値（Ｖca）を測定したものである。図５は、アノード電圧計５００を上流および下流電圧監視ユニットとして使用して、アノード流路板１１０の上流と下流の間の電圧値（Ｖan）を測定したものである。
【００３１】
図３Ｂの実施形態と同様に、負荷定電流および７つのストイキオメトリーパラメータＳ０〜Ｓ６を使用して、図６に示した監視結果を得た。カソード差動電圧曲線（Ｖca）６００は、カソード電圧計４００を介して監視した結果であり、その予測傾向は、ストイキオメトリーが徐々に減少するにつれて差動電圧が徐々に増加するため、図３Ｂの傾向と同じである。
【００３２】
図６のアノード差動電圧曲線（Ｖan）６０２は、アノード電圧計５００を介して監視した結果であり、その予測傾向は、ストイキオメトリーが徐々に減少するにつれて差動電圧も徐々に減少するため、図３Ｂの傾向と反対である。そのため、図５の予測装置を使用し、且つ図２、図３Ａおよび図３Ｂの補正制御を適用した場合、〔Ｖan ×（−１）〕のロジックを使用して同じ予測モードを取得し、電池の状態を判断する。
【００３３】
さらに、負荷定電流および定ストイキオメトリーモードを使用した場合、５つの水制御パラメータＲＨ１、ＲＨ２、ＲＨ３、ＲＨ４およびＲＨ５がある。予測装置を用いて監視し、その監視結果を図７に示す。差動電圧（ＤＶcell）の結果からわかるように、相対湿度ＲＨ１の状態では、その差動電圧は、いずれも０ｍＶ（ＤＶcell≒０ｍＶ）に近い最良相対湿度状況になるため、上限ＤＶULおよび下限ＤＶLLを含む適切な差動電圧許容差ＤＶTIが設定される。許容差ＤＶTI、上限ＤＶULおよび下限ＤＶLLの３つのパラメータの判断基準は、燃料電池１００と同じである（第１実施形態と同じ値を使用することができる）。差動電圧が負（ＤＶcell＜０）で、且つ下限よりも小さい（ＤＶcell＜ＤＶLL）時、燃料電池が乾燥状態にあることを示す（例えば、相対湿度ＲＨ３、ＲＨ４およびＲＨ５）。さらに、本実施形態では、燃料電池水制御と発展傾向を予測するだけでなく、燃料電池の脱水（dehydration）現象も検出することができる。つまり、燃料電池１００の作動過程中に、差動電圧が周期変動７００を有する場合、燃料電池１００が重度の脱水現象を有することを示し、燃料電池１００が異常を起こす可能性があるため、対応する予防措置が必要となる。
【００３４】
図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池異常の予測装置の概略図である。
【００３５】
図８を参照すると、第２実施形態の燃料電池８００は、Ｎ単電池８０２で構成された電池スタック（stack）８０４と、電池スタック８０４の両側に設置された１対の集電装置８０６ａおよび８０６ｂと、１対の集電装置８０６ａおよび８０６ｂの隣にそれぞれ配置された１対の端板８０８ａおよび８０８ｂとを含む。電池スタック８０４の単電池８０２の説明は、第１実施形態の単電池１００の説明を参照することができるが、本発明はこれに限定されない。燃料電池８００が実際に作動した時、各単電池８０２は、１つの上流電圧監視ユニット（例えば、上流電圧計８１０）および１つの下流電圧監視ユニット（例えば、下流電圧計８１２）に対応し、各単電池８０２によってデータ処理ユニット８１４に送信される電圧信号を同期に監視するために使用される。データ処理ユニット８１４は、データ取得ユニット８１６と、データ操作ユニット８１８とを有する。上流および下流電圧計８１０および８１２からの各単電池８０２の電圧信号は、データ操作ユニット８１８に送信され、各単電池８０２の差動電圧（ＤＶcell）を取得した後、信号は、データ取得ユニット８１６に送信される。一方、信号送信ユニット８２０を用いて各単電池の電圧信号をデータ取得ユニット８１６に送信し、単電池８０２のそれぞれの電圧監視を行ってから、システム制御ユニット８２２にデータを送信して、燃料電池８００に対して異常予測の補正制御を行う。
【００３６】
図９は、図８の燃料電池異常の予測方法を示すフローチャートである。
【００３７】
図９を参照すると、図８のシステム制御ユニット８２２が各単電池８０２の上流電圧と下流電圧の差動電圧（ＤＶcell）のデータを受信した後、電池状態の判断を開始する（９００）。
【００３８】
差動電圧が許容差（ＤＶLL≦ＤＶcell≦ＤＶUL）内に維持されている時（９０１）、燃料電池の水制御およびストイキオメトリー制御が良好状態にあることを示し、判断が完了する（９０２）。
【００３９】
差動電圧が許容差内にない時、状態判断が行われる（ＤＶcell≦ＤＶLLまたはＤＶcell≧ＤＶUL）（９０３）。
【００４０】
ＤＶcell≦ＤＶLLの時、電池水制御が不適切（相対湿度が不十分）であることを示し（９０４）、（Ａ）相対湿度を上げる、（Ｂ）電池スタックの温度を下げる、（Ｃ）ストイキオメトリーを減らす等の湿度補正手段を行う（９０５）。差動電圧ＤＶcellが許容差（ＤＶLL≦ＤＶcell≦ＤＶUL）に戻った時（９０６）、補正措置が終了する（９０２）
【００４１】
ＤＶcell≧ＤＶULの時、電池ストイキオメトリー制御が不適切（ストイキオメトリーが不十分）であることを示し（９０７）、まず、ピークが出現しているかどうかを判断する（９０８）。ピークが出現している時（振幅および周波数が予め設定された状況に達している時）、大量の燃料および酸化剤を使用してピークの出現が停止するまで液体水を排出する。そして、（Ａ）ストイキオメトリーを増やす、（Ｂ）電池スタックの出力電力を減らす、（Ｃ）電池スタックの温度を上げる、または（Ｄ）相対湿度を下げる等のストイキオメトリーの補正手段を行う（９１０）。差動電圧ＤＶcellが許容差（ＤＶLL≦ＤＶcell≦ＤＶUL）に戻った時（９１１）、補正手段が終了する（９０２）。
【００４２】
上述した燃料電池異常予測および予防措置を循環して行う。
【００４３】
以上のように、本発明は、電気化学流れ場の上流と下流の間の差動電圧および各単電池の発展傾向を監視することによって、燃料電池の不適切な水制御およびストイキオメトリー制御を補正し、高速、正確、鋭敏、単純、安価、オンライン、リアルタイム、その場、そして非進入の検出方法により電池異常を予測して、監視する。
【００４４】
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【符号の説明】
【００４５】
００、８００    燃料電池
１０２、８０２    単電池
１０４ａ、１０４ｂ、８０６ａ、８０６ｂ    集電装置
１０６ａ、１０６ｂ、８０８ａ、８０８ｂ    端板
１０８    膜／電極接合体
１１０    アノード流路板
１１０ａ    アノード流路
１１２    カソード流路板
１１２ａ    カソード流路
１１４    アノードガス拡散層
１１６    カソードガス拡散層
１１８    負荷
１２０ａ、８１０    上流電圧監視ユニット
１２０ｂ、８１２    下流電圧監視ユニット
１２２、８１４    データ処理ユニット
１２４、８２２    システム制御ユニット
１２６ａ    燃料導入マニホールド
１２６ｂ    燃料排出マニホールド
１２８ａ    酸化剤導入マニホールド
１２８ｂ    酸化剤排出マニホールド
１３０    上流
１３２    下流
１３４    オペアンプ
１３６、８１６    データ取得ユニット
１３８    電流計
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ    パラメータ
３００、３０２、３１０、３１２    曲線
３０４    ピーク
３０６、３０８    振幅
４００    カソード電圧計
５００    アノード電圧計
６００、６０２    電圧曲線
７００    周期変動
８０４    電池スタック
８１８    データ操作ユニット
８２０    信号送信ユニット
ＤＶTI    許容差
ＤＶUL    上限
ＤＶDL    下限
Ｌ    長さ
ＲＨ１〜ＲＨ５    相対湿度
Ｓ０〜Ｓ６    ストイキオメトリー
Ｖus    上流電圧
Ｖds    下流電圧
Ｖca    カソード差動電圧曲線
Ｖan    アノード差動電圧曲線
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014116288.tif 000010
【図８】
2014116288.tif 000011
【図９】
2014116288.tif 000012
【外国語明細書】
2014116288000001.pdf