(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルが複数積層してなる燃料電池と、
複数セル毎の群電圧を検出することが可能なセルモニタと、
最低セル電圧を推定する推定装置と、を備え、
前記推定装置は、通常発電時における最高セル電圧推定方法と前記燃料電池への酸化ガス供給量が所定値以下である酸化ガス供給不足時における最高セル電圧推定方法のいずれかで最高セル電圧を推定する最高セル電圧推定部を備え、前記群電圧のうち最低電圧値である群の平均電圧を最低群平均電圧と定義した場合に、前記最低群平均電圧と前記最高セル電圧の推定値とを用いて前記最低セル電圧を推定するものであり、且つ、前記通常発電時においては、前記燃料電池の総電圧を前記セルの総数で除算して求められる平均電圧にセル電圧のばらつきを示す定数を加算した値を前記最高セル電圧の推定値とし、前記酸化ガス供給不足時においては、前記燃料電池の温度及び出力電流と、前記燃料電池の電流と電圧との関係を示す電流電圧マップとから前記燃料電池の出力電圧を推定するとともにその推定した出力電圧を前記セルの総数で除算した値を前記最高セル電圧の推定値とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
１つの前記群が２つの前記セルから構成されるものであり、
前記推定装置は、前記最低群平均電圧を２倍した値から前記最高セル電圧の推定値を減算した値を前記最低セル電圧と推定する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１から２のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記セルモニタは、前記燃料電池のセル積層方向両端部にそれぞれ位置する端部セルの各セルのセル電圧も検出可能に構成されており、
前記推定装置は、前記最低群平均電圧と前記最高セル電圧の推定値とを用いて推定した前記最低セル電圧と、前記端部セル中の最低セル電圧とを比較し、それらの最小値を最低セル電圧と推定する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力を制御する出力制御装置を備え、
前記出力制御装置は、前記推定装置が推定した最低セル電圧が所定の低電圧閾値を下回っていることを検知した場合には、セル電圧を回復させるための制御を実施す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、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電するセルが複数積層されてなる燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムに係り、特に、セル電圧を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムとして種々のものが開発されている。その多くは、燃料電池が最小発電単位であるセルを多数積層してなるスタック構造とされている。各セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれ空気極及び燃料極が配置されたＭＥＡ（膜・電極構造体）と、ＭＥＡの両側に配置された一対のセパレータとを備えてなる。【０００３】
スタック構造の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、各セルが所望の発電性能を有しているか否かを常時監視する必要があることから、セルモニタを備えているのが一般的である。ここで、セルは例えば数十から数百という単位で多数積層されるものである。そこで、全てのセルの出力電圧を検出する代わりに、複数のセルで構成される群を１つの単位として、群単位で出力電圧を監視することが行なわれる。【０００４】
しかしながら、群単位での電圧監視では、所定電圧値以下に電圧低下を来たしているセルが存在している群を特定することはできても、最低セル電圧を特定することはできない。その対策として、例えば特許文献１には、最低群電圧から平均セル電圧を差し引いた値を最低セル電圧と推定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０２１６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、セル電圧が所定の閾値よりも低下した場合は、その状態を放置すると、セルが過熱状態となり、電解質膜が溶融して電解質膜に孔が空いてしまうことがあることから、燃料電池の出力電流を制限する等の対応が必要となる。【０００７】
しかしながら、最低セル電圧の推定精度が低いと、最低セル電圧が所定の閾値以上であると誤認したまま燃料電池の出力制御が行なわれるため、実際のセル電圧が所定の閾値よりも低下しているにも拘らず、燃料電池の出力電流を下げるなどの制限処理が何ら行なわれない状態が放置されてしまう。【０００８】
特許文献１に開示の技術によれば、最低セル電圧の推定精度をある程度高めることはできるものの、セル電圧が低い側と高い側とでは、低電圧側の方がセル電圧のばらつきが大きくなることから、最低群電圧と平均セル電圧との差からでは、実際の最低セル電圧を高精度に推定することに一定の限界があった。【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、最低セル電圧の推定精度を高めることにより、セル電圧低下による燃料電池の損傷を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルが複数積層してなる燃料電池と、複数セル毎の群電圧を検出することが可能なセルモニタと、最低セル電圧を推定する推定装置と、を備え、前記推定装置は、通常発電時における最高セル電圧推定方法と前記燃料電池への酸化ガス供給量が所定値以下である酸化ガス供給不足時における最高セル電圧推定方法のいずれかで最高セル電圧を推定する最高セル電圧推定部を備え、前記群電圧のうち最低電圧値である群の平均電圧を最低群平均電圧と定義した場合に、前記最低群平均電圧と前記最高セル電圧の推定値とを用いて前記最低セル電圧を推定するものであり、且つ、前記通常発電時においては、前記燃料電池の総電圧を前記セルの総数で除算して求められる平均電圧にセル電圧のばらつきを示す定数を加算した値を前記最高セル電圧の推定値とし、前記酸化ガス供給不足時においては、前記燃料電池の温度及び出力電流と、前記燃料電池の電流と電圧との関係を示す電流電圧マップとから前記燃料電池の出力電圧を推定するとともにその推定した出力電圧を前記セルの総数で除算した値を前記最高セル電圧の推定値とするものである。
【００１１】
本発明の発明者は、最低セル電圧の推定方法について鋭意研究を積み重ねてきた結果、最高セル電圧のばらつきの方が、最低セル電圧のばらつきよりも小さいという知見を得た。本発明はこのような知見に基づきなされたもので、最高セル電圧の推定値を用いて最低セル電圧が推定される。よって、この構成によれば、より高精度に最低セル電圧を推定することが可能となる。また、燃料電池の運転状態に応じて、より推定精度の高い推定方法が選択されて最高セル電圧が推定される。
【００１２】
上記構成において、１つの前記群が２つの前記セルから構成されるものであり、前記推定装置は、前記最低群平均電圧を２倍した値から前記最高セル電圧の推定値を減算した値を前記最低セル電圧と推定してもよい。【００１３】
この構成によれば、２つのセルの組み合わせが、全てのセルの中で最低電圧を出力しているセルと最高セル電圧を出力しているセルとの組み合わせとなる、最も好ましくない組み合わせが考慮され、最低セル電圧の推定値が実電圧よりも高く推定されてしまう不具合の発生が抑制される。【００１８】
前記セルモニタが、前記燃料電池のセル積層方向両端部にそれぞれ位置する端部セルの各セルのセル電圧も検出可能に構成されている場合には、前記推定装置は、前記最低群平均電圧と前記最高セル電圧の推定値とを用いて推定した前記最低セル電圧と、前記端部セル中の最低セル電圧とを比較し、それらの最小値を最低セル電圧と推定してもよい。【００１９】
端部セルでは、他のセルよりも電気化学反応の結果生成される水の量が多く、この生成水が良好に排出されない場合には、他のセルよりもセル電圧が低くなる。
この構成においては、最低セル電圧の推定値と端部セルの最低セル電圧値のうち、より低い方の値が最低セル電圧の推定値に設定されるので、最低セル電圧の推定値が実電圧よりも高く推定されてしまう不具合の発生がより確実に抑制される。【００２０】
前記燃料電池の出力を制御する出力制御装置を備える場合には、前記出力制御装置は、前記推定装置が推定した最低セル電圧が所定の低電圧閾値を下回っていることを検知した場合には、セル電圧を回復させるための制御を実施してもよい。
【００２１】
この構成においては、特定のセルのセル電圧が所定の閾値よりも低下している場合に、セル電圧の回復措置が採られるので、燃料電池の破損を未然に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、最低セル電圧の推定精度が向上し、セル電圧低下による燃料電池の損傷を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略回路図である。
【図２】図１の制御装置２００によって実施される制御内容の一例を示すブロック図である。
【図３】図１の制御装置２００によって実施される制御内容の他の例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池１００を備えている。燃料電池１００は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数のセルを積層したスタック構造となっている。
【００２６】
セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスである空気が供給され、これらの反応ガスが電気化学反応することで電力が発生する。
【００２７】
燃料電池１００には、セル毎及び複数セル毎の群電圧を測定するセルモニタ（出力電圧センサ）１７０が接続されている。例えば、総セル数が２００である場合に、セル積層方向の一方の端部における１０個のセルと他方の端部における１０個のセルについては、各セルにセル電圧端子が設けられており、残り１８０個のセルについては、２つのセル毎に１つのセル電圧端子が設けられている。
【００２８】
つまり、セルモニタ１７０は、セル積層方向の両端部に位置する複数のセル（以下、「端部セル」と称する場合がある。）についてはセル毎にセル電圧を監視することができ、残りのセル（以下、「中央部セル」と称する場合がある。）については２つのセル毎の群電圧及び２つのセルの平均セル電圧（群電圧の平均値）を監視することができる。加えて、セルモニタ１７０は、それらセル毎の電圧と各群電圧とを合計することによって、燃料電池１００の総電圧を監視することができる。
【００２９】
燃料電池１００は、車両を走行させるための駆動モータ（負荷）１３に接続されており、駆動モータ１１０へ電力を供給する。この燃料電池１００から駆動モータ１１０への電力供給経路には、燃料電池１００側から順に、燃料電池１００用の第１の昇圧コンバータ１２０、コンデンサ１３０及び駆動インバータ１４０が接続されている。そして、燃料電池１００で発電された電力が第１の昇圧コンバータ１２０で昇圧され、駆動インバータ１４０を介して駆動モータ１１０へ給電される。
【００３０】
第１の昇圧コンバータ１２０は、例えば複数（例えば、４つ）の昇圧部を備えてなるマルチフェーズ（多相）コンバータであり、各昇圧部は、それぞれリアクトル，トランジスタ及びダイオードを備えている。なお、第１の昇圧コンバータ１２０は、単相のコンバータであってもよい。
【００３１】
駆動モータ１１０は、例えば三相交流モータである。駆動モータ１１０が接続された駆動インバータ１４０は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ１１０に供給する。
【００３２】
燃料電池システム１は、駆動モータ１１０へ電力を放電可能かつ燃料電池１００からの電力を充電可能なバッテリ１５０を備えている。また、バッテリ１５０から駆動モータ１１０への電力供給経路には、バッテリ１５０用の第２の昇圧コンバータ１６０が接続されている。
バッテリ１５０の電力供給経路は、燃料電池１００の電力供給経路に接続されており、バッテリ１５０からの電力が駆動モータ１１０へ供給可能とされている。
【００３３】
第２の昇圧コンバータ１６０は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１５０から入力された直流電圧を調整して駆動モータ１１０側へ出力する機能と、燃料電池１００または駆動モータ１１０から入力された直流電圧を調整してバッテリ１５０に出力する機能と、を有する。このような第２の昇圧コンバータ１６０の機能により、バッテリ１５０の充放電が実現される。
【００３４】
燃料電池システム１は、制御装置（推定装置、出力制御装置）２００を備えている。この制御装置２００には、燃料電池１００、第１の昇圧コンバータ１２０、バッテリ１５０、第２の昇圧コンバータ１６０、駆動インバータ１４０及び駆動モータ１１０が接続されている。制御装置２００は、これら接続機器を統括的に制御する。
【００３５】
制御装置２００には、燃料電池１００に接続されたセルモニタ１７０も接続されており、このセルモニタ１７０の検出結果が制御装置２００へ送信される。本実施形態では、セル積層方向の両端部を除く中央部セルについては、１つのチャンネルで２つのセルの群電圧を検出するセルモニタ１７０の例について説明したが、１つのチャンネルで３以上のセルの群電圧を検出することとしてもよい。
【００３６】
次に、図２を参照しながら、最低セル電圧を推定する処理の一例及び最低セル電圧の推定値を用いた電圧回復制御の一例について説明する。これらの処理及び制御は、いずれも制御装置２００によって実施される。
【００３７】
本実施形態においては、最高セル電圧の推定値を用いて最低セル電圧を推定することに第１の特徴があり、また、通常発電時と酸化ガス供給不足時とで最高セル電圧の推定方法を変えることに第２の特徴がある。まず、最高セル電圧の推定方法について、通常発電時と酸化ガス供給不足時とに場合を分けて説明する。
【００３８】
＜通常発電時＞
第１の最高セル電圧推定部２１０においては、まず、燃料電池１００の総電圧が求められる。燃料電池１００の総電圧Ａ１は、セルモニタ１７０によって検出された端部セルの各セル電圧と中央部セルの各群電圧との合計値としてもよいし、燃料電池システム１が燃料電池１００の出力電圧を検出する電圧センサを備えている場合には、この電圧センサの検出値としてもよい。
【００３９】
次に、燃料電池１００の総電圧Ａ１と、制御装置２００内のメモリに予め記憶されている燃料電池１００のセル枚数（本実施形態では、２００となる。）とから、燃料電池１００の平均セル電圧Ｖaveが求められる。具体的には、燃料電池１００の総電圧Ａ１がセル数で除算されることにより、平均セル電圧Ｖaveが求められる。
【００４０】
セル電圧の実測値は、セル毎にバラつくことがあるので、このバラつきを何ら考慮しないと、平均セル電圧Ｖaveよりも低い電圧を出力しているセルが存在するにもかかわらず、その存在が考慮されないまま燃料電池１００の運転制御が不適切に行われるという不都合が生じ得る。
【００４１】
そこで、本実施形態では、２つのセルの組み合わせが、全てのセルの中で最低電圧を出力しているセルと最高セル電圧を出力しているセルとの組み合わせとなる、最も好ましくない組み合わせの可能性を考慮したうえで、まず、平均セル電圧Ｖaveから最高セル電圧を推定することとしている。
【００４２】
例えば、予め実験やシミューレーションの結果が統計的に処理される等してセル電圧のばらつきが所定の定数に定量化され、この定数が制御装置２００のメモリに記憶されている。そして、この定数と平均セル電圧Ｖaveとの加算値が最高セル電圧の第１推定値Ｖmax1に設定される。定数の例としては、適合定数や標準偏差の適用が可能であるが、それらに限定されるわけではない。
【００４３】
セル電圧のばらつきは、例えば正規分布によって表される。セル電圧のばらつきは、燃料電池１００の運転条件、例えば、燃料電池１００の温度あるいは燃料電池１００の冷却水温度、燃料電池１００の出力電流、負荷あるいは燃料電池１００に対する要求電力によって変動するため、燃料電池１００の運転条件毎に設定されたセル電圧のばらつきがマップ化されていて、それらのマップの使い分けが可能とされていてもよい。
【００４４】
＜酸化ガス供給不足時＞
例えば急速暖機運転時や間欠運転時のように、燃料電池１００への酸化ガス供給量が所定値よりも低い場合には、セル電圧のばらつきが顕著になる。なお、急速暖機運転とは、低温始動時（例えば、氷点下指導時）にエアストイキを通常発電時よりも絞ることにより、発電効率を敢えて下げ、その代わりに燃料電池１００の発熱量を増やすことを意図した運転である。間欠運転とは、低負荷運転時（例えば、アイドリング中や渋滞走行中等）に燃料電池１００への酸化ガス及び燃料ガスの供給を一時的に停止させる運転である。
【００４５】
以上のような酸化ガス供給量の不足時は、セルモニタ１７０の検出値が用いられる代わりに、第２の最高セル電圧推定部２２０において、通常発電時における燃料電池１００の出力電流と出力電圧との関係を示す基準ＩＶマップ（電流電圧マップ）が参照される。ＩＶ特性は、燃料電池１００の温度（冷却水温）によって異なるため、この基準ＩＶマップと燃料電池１００の温度（又は冷却水温度）Ａ５及び出力電流Ａ６から、最高セル電圧が推定される。
【００４６】
具体的には、基準ＩＶマップから推定された燃料電池１００の出力電圧Ｖがセル数で除算された値が最高セル電圧の第２推定値Ｖmax2に設定される。なお、基準ＩＶマップは、制御装置２００内のメモリに記憶されている。
【００４７】
次に、以上のようにして推定された最高セル電圧を用いて最低セル電圧が推定されるプロセスについて説明する。
【００４８】
最低セル電圧推定部２３０においては、まず、中央部セルにおける各群の中から、最も平均セル電圧の低い最低チャンネル電圧（最低群平均電圧）Ａ２が特定される。次に、この最低チャンネル電圧Ａ２を２倍した値から、燃料電池１００の運転状態に応じてスイッチ２４０によっていずれか一方が選択される最高セル電圧の第１推定値Ｖmax1又は第２推定値Ｖmax2が減算され、最低セル電圧の暫定推定値が求められる。
【００４９】
つまり、通常発電時は、図２に示すように、最低チャンネル電圧Ａ２を２倍した値から最高セル電圧の第１推定値Ｖmax1が減算されることにより、最低セル電圧の暫定推定値Ｖmin1が求められる。また、酸化ガス供給不足時は、図３に示すように、最低チャンネル電圧Ａ２を２倍した値から最高セル電圧の第２推定値Ｖmax2が減算されることにより、最低セル電圧の暫定推定値Ｖmin2が求められる。
【００５０】
しかる後に、比較設定部２５０において、このようにして求められた最低セル電圧の暫定推定値Ｖmin1又はＶmin2と、端部セルの各セル電圧Ｖcとが比較され、最終的に、それらの最小値が選択されて最低セル電圧推定値Ａ３に設定される。
【００５１】
そして、制御装置２００は、最低セル電圧推定値Ａ３が所定の低電圧閾値よりも低下したことを検知した場合には、燃料電池１００の出力電流の上限値に制限を課す、或いは、酸化ガス供給量を増量する（エアブロー）等の電圧回復制御を実施する。これにより、特定のセルのセル電圧が所定の閾値よりも低下していることによる燃料電池１００の破損を未然に防止することが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態では、最高セル電圧の推定値（Ｖmax1又はＶmax2）を用いて最低セル電圧を推定している。これは、最高セル電圧のばらつきの方が、最低セル電圧のばらつきよりも小さいという本発明の発明者の知見に基づくものである。
【００５３】
この知見によれば、最低チャンネル電圧Ａ２をそのまま最低セル電圧の推定値とする場合や、上記特許文献１に開示されている技術と比較して、より高精度に最低セル電圧を推定することができる。よって、本実施形態では、燃料電池１００の破損防止をより確実にすることが可能になることに加えて、上記電圧回復制御の実施を極力抑制することも可能になる。
【００５４】
さらに、本実施形態では、通常発電時と酸化ガス供給不足時とで、最高セル電圧の推定方法を変えている。これにより、セル電圧のばらつきの比較的小さい通常発電時においては、セル電圧の実測値、すなわち、セルモニタ１７０による検出電圧を最高セル電圧の推定に用いることで、基準ＩＶマップを参照して最高セル電圧を推定する場合と比較して、高精度の最低セル電圧の推定が可能になっている。
【００５５】
一方、セル電圧のばらつきの比較的大きい酸化ガス供給不足時においては、セルモニタ１７０による検出電圧を最高セル電圧の推定に用いる代わりに、基準ＩＶマップを参照して最高セル電圧を推定することで、実測値を用いる場合よりも高精度の最低セル電圧の推定が可能になっている。
【００５６】
上述した実施形態においては、２つのセルで１つの群を構成する場合を例に説明したが、３つ以上の任意の数のセルで１つの群を構成し、３つ以上のセルのセル電圧を１つのチャンネルで監視してもよい。
【００５７】
例えば、１つの群を構成するセル数をＮとした場合には、最低セル電圧推定部２３０においては、最低セル群電圧Ａ２をＮ倍した値から、最高セル電圧の第１推定値Ｖmax1又はＶmax2を（Ｎ−１）倍した値を減算することにより、最低セル電圧の推定値あるいは暫定推定値が求められる。
【符号の説明】
【００５８】
１…燃料電池システム、１００…燃料電池、１７０…セルモニタ（出力電圧センサ）、２００…制御装置（推定装置、出力制御装置）、２１０…第１の最高セル電圧推定部、２２０…第２の最高セル電圧推定部、２３０…最低セル電圧推定部、２４０…スイッチ、２５０…比較設定部
【図１】
0005884833.tif 000002
【図２】
0005884833.tif 000003
【図３】
0005884833.tif 000004