(57)【要約】【課題】燃料電池のＩ−Ｖ特性を計測する際に、異なる送電線長を用いた場合でも基準長のＩ−Ｖ特性に補正する。【解決手段】燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を計測器１２を用いて計測する。計測結果はコンピュータ１６に供給される。コンピュータ１６のメモリには、予め基準長の送電線１４及び他の長さの送電線１４におけるＩ−Ｖ特性の差分値が補正値として記憶されており、任意の長さの送電線１４を用いて得られたＩ−Ｖ特性を記憶された補正値を用いて補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力特性計測方法であって、
基準の送電パラメータにおける前記燃料電池の出力値を基準出力値として検出するステップと、
任意の送電パラメータにおける前記燃料電池の出力値を計測出力値として検出するステップと、
前記基準出力値と計測出力値との相違を算出するステップと、
前記相違を用いて前記計測出力値を前記基準の送電パラメータにおける出力値に補正するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記燃料電池の出力値は、前記燃料電池の電流値及び電圧値であり、前記出力特性は電流電圧特性であることを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記送電パラメータは送電線長であり、
前記基準の送電パラメータは基準送電線長であり、
前記任意の送電パラメータは計測環境に応じて設定される計測送電線長である
ことを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
前記基準送電線長における電流電圧特性を近似式で近似することで基準近似式を算出するステップと、
前記計測送電線長における電流電圧特性を近似式で近似することで計測近似式を算出するステップと、
前記基準近似式と前記計測近似式との差分を電流値毎に算出するステップと、
前記差分を用いて前記計測送電線長における電流電圧特性を補正するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項５】
種々の送電線長を有する計測機器を用いて燃料電池の電流電圧特性を計測する方法であって、
基準送電線長における電流電圧特性、及び前記基準送電線長以外の複数の所定送電線長における電流電圧特性を検出するステップと、
前記基準送電線長における電流電圧特性と、前記所定送電線長における電流電圧特性との差分を電流値毎に算出し、所定送電線長毎の補正値としてメモリに記憶するステップと、
前記所定送電線長における電流電圧特性を検出し、検出値を前記メモリに記憶された対応する補正値で補正するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、
前記所定送電線長以外の任意の送電線長における電流電圧特性を検出し、検出値を前記メモリに記憶された最近補正値の線形補間値で補正するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項７】
燃料電池の出力特性計測方法であって、
予め出力特性を計測する際に用いられる送電線長毎の、基準送電長における値に補正するための補正値をメモリに記憶しておき、
任意の送電線長を用いて得られた出力特性を、前記メモリに記憶された対応する送電線長の補正値を用いて補正する
ことを特徴とする燃料電池の出力特性計測方法。
【請求項８】
燃料電池の出力特性計測装置であって、
予め出力特性を計測する際に用いられる送電線長毎の、基準送電長における値に補正するための補正値を記憶する記憶手段と、
任意の送電線長を用いて得られた出力特性を、前記メモリに記憶された対応する送電線長の補正値を用いて補正して出力する演算手段と、
ことを特徴とする燃料電池の出力特性計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の出力特性、例えば電流電圧特性の計測に関し、特に計測値の補正あるいは校正に関する。
【背景技術】
【０００２】
アノードに水素等の燃料ガス、カソードに酸素を含む空気等を供給し、電気化学的反応により電気エネルギを取り出す燃料電池は、その出力電圧が出力電流の増加とともに低下する特性を有している。燃料電池を駆動エネルギ源として利用する、例えば車両に搭載して駆動モータ用に電力を供給する際には、燃料電池の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を正確に計測しておき、これに基づいて燃料電池の出力電力を制御する必要がある。
【０００３】
下記の特許文献には、燃料電池のＩ−Ｖ特性がその運転条件である運転温度、反応ガス圧、反応ガス濃度等の変動により変化することに鑑み、運転条件の変動に対応した複数のＩ−Ｖ特性を計測してメモリに記憶しておき、燃料電池の出力電圧及び出力電流の実測値との照合により複数のＩ−Ｖ特性から現在の条件に合致する一つの特性曲線を選択し、選択した特性曲線から得られる電力値と電力指令値とを照合して指令電力に対応する目標電流値を推定することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−５８４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、種々の運転条件下でＩ−Ｖ特性を計測する場合、あるいは発電中における燃料電池内の個々のセルの状況を高精度に計測する場合等において、燃料電池の計測環境を変化させる必要が生じる際に、燃料電池の送電線長に相違が生じ、検出値に送電線長の相違によるばらつきが生じて正確なＩ−Ｖ特性を得ることができない問題があった。例えば、ある環境において燃料電池のＩ−Ｖ特性を計測するために燃料電池を配置する環境をコントロールすべく計測器本体までの送電線長をＬ１に設定し、別の環境において送電線長をＬ２（Ｌ１＜Ｌ２）に設定せざるを得ない場合、送電抵抗は送電線長に比例するため、送電線長Ｌ２において検出される電流値は送電線長Ｌ１において検出される値と異なることとなり、異なる環境下におけるＩ−Ｖ特性を正確に求めることができない。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池の出力特性を計測する際に、計測環境、特に送電環境の相違を基準送電環境の値に補正することで正確な出力特性を得ることができ、もって燃料電池の高精度な制御を可能とする方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池の出力特性計測方法であって、基準の送電パラメータにおける前記燃料電池の出力値を基準出力値として検出するステップと、任意の送電パラメータにおける前記燃料電池の出力値を計測出力値として検出するステップと、前記基準出力値と計測出力値との相違を算出するステップと、前記相違を用いて前記計測出力値を前記基準の送電パラメータにおける出力値に補正するステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、種々の送電線長を有する計測機器を用いて燃料電池の電流電圧特性を計測する方法であって、基準送電線長における電流電圧特性、及び前記基準送電線長以外の複数の所定送電線長における電流電圧特性を検出するステップと、前記基準送電線長における電流電圧特性と、前記所定送電線長における電流電圧特性との差分を電流値毎に算出し、所定送電線長毎の補正値としてメモリに記憶するステップと、前記所定送電線長における電流電圧特性を検出し、検出値を前記メモリに記憶された対応する補正値で補正するステップとを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、燃料電池の出力特性計測装置であって、予め出力特性を計測する際に用いられる送電線長毎の、基準送電長における値に補正するための補正値を記憶する記憶手段と、任意の送電線長を用いて得られた出力特性を、前記メモリに記憶された対応する送電線長の補正値を用いて補正して出力する演算手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異なる送電環境下において計測された出力特性を基準特性に補正することができ、これにより燃料電池の出力特性を正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に、本実施形態に係る計測システムの概念構成を示す。燃料電池（ＦＣ）１０のアノード及びカソードに接続された送電線１４は燃料電池１０と異なる位置に設置された計測器１２に接続され、電流（本実施形態では電流密度）及び電圧が検出される。計測器１２はオンラインあるいはオフラインでコンピュータ１６に接続され、検出された電流密度及び電圧はコンピュータ１６に供給される。
【００１３】
燃料電池（ＦＣ）１０は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有する。単セルそれぞれのアノードに水素ガスを供給し、カソードに酸素を含有する酸化ガス（空気）を供給する。アノードでは水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソードに移動し、カソードで酸素と反応して水を生成する。この電気化学的反応により電気エネルギが生成される。
【００１４】
燃料電池１０を車両に搭載し、燃料電池１０の電力によりモータを駆動する場合、例えば以下のように制御する。すなわち、車両に搭載された制御ユニット（マイクロコンピュータ）がアクセルポジションセンサで検出された要求入力に応じて必要な供給電力を決定し、電流センサ及び電圧センサで検出された実電力との差分に応じてフィードバック制御する。制御に必要な目標出力電流値は予め計測され制御ユニットのメモリに格納されたＩ−Ｖ特性に基づき決定され、目標出力電流はアノードに供給される水素ガスあるいはカソードに供給される空気量を調整することにより行われる。
【００１５】
燃料電池１０のＩ−Ｖ特性は、上記の特許文献１に記載されているように、運転温度等に応じて種々変化し得る。また、燃料電池１０の発電中の内部現象をより正確に把握すべく、種々の環境下で各セルのＩ−Ｖ特性を計測しておく必要が生じる場合もある。このような場合、計測環境によって送電パラメータが異なる場合があり、特に送電線１４に固有のパラメータが異なる場合がある。例えば、ある計測では送電線１４の長さがＬ１であるが、別の計測では送電線１４の長さがＬ１と異なるＬ２とならざるを得ない場合がある。
特に、燃料電池１０を通常の室温、空気中の環境下ではない特殊な環境下におく場合、燃料電池を外界と遮蔽した環境に配置する必要から送電線長が変化せざるを得ない。送電線１４の抵抗は送電線長に比例するため、長さＬ１の送電線１４と長さＬ２の送電線１４とでは検出電流値が異なってくる。理論的には、長さＬ１の送電線１４と長さＬ２の送電線１４とで材質及び厚さが同一であれば両者のＩ−Ｖ特性は単に電流オフセットが生じた程度の相違であるが、現実には両者の送電線の抵抗率ρの微小な相違等により、単純な電流オフセットとならないのが実情である。
【００１６】
そこで、本実施形態では、各計測毎に送電線１４が異なり、特にその長さが異なるためにＩ−Ｖ特性にばらつきが生じることを防止すべく、任意の長さの送電線１４において得られたＩ−Ｖ特性を、基準長の送電線１４におけるＩ−Ｖ特性に補正することで送電線長の相違によるばらつきを解消してＩ−Ｖ特性の計測毎の整合性を図る。
【００１７】
図２に、燃料電池１０の一般的なＩ−Ｖ特性を模式的に示す。燃料電池１０は、上記の如くその出力電圧が出力電流の増加とともに大幅に低下する特性を示す。したがって、燃料電池１０からの電力供給を停止する必要が生じた場合には、燃料電池１０の運転自体を停止しなくても、例えばＤＣ−ＤＣコンバータにより燃料電池１０の出力電圧をＯＣＶに設定することで実現できる。このような制御は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を正確に計測することで可能である。Ｉ−Ｖ特性は、燃料電池１０のアノードに供給する水素ガスあるいはカソードに供給する空気量を可変調整しながら電流センサ及び電圧センサでそれぞれ電流値（電流密度）及び電圧を検出することで得られる。送電線１４の長さが異なると、計測対象である燃料電池１０のセルが同一であっても異なるＩ−Ｖ特性を示す。本実施形態では、予め既知の長さの送電線１４を複数用意し、いずれかの長さを基準長に設定し、これら複数の送電線長におけるＩ−Ｖ特性を計測してその差分値を演算する。そして、得られた差分値を用いて、任意の長さの送電線１４を用いて得られたＩ−Ｖ特性を、基準長におけるＩ−Ｖ特性に補正する。
【００１８】
図３に、本実施形態のフローチャートを示す。実際の計測に先立ち、コンピュータ１６のメモリに補正値を記憶させるための処理（前処理）である。
【００１９】
まず、計測対象である燃料電池１０あるいはそれを構成するセルを所定の環境下におき、基準長Ｌ０（例えばＬ０＝３０ｃｍ）の送電線１４を設定して（Ｓ１０１）、電流密度及び電圧を検出する（Ｓ１０２）。具体的には、供給水素ガスあるいは空気量を可変調整し、電流密度を変化させながら電圧を検出する。得られた電流密度値と電圧値（Ｉｉ、Ｖｉ）（ｉは自然数）の組は計測器１２からコンピュータ１６にオンラインあるいはオフラインで供給される。以上のようにして、基準長における燃料電池１０のＩ−Ｖ特性が得られる。コンピュータ１６のプロセッサは、得られたＩ−Ｖ特性を近似式で近似し（Ｓ１０３）、近似式のパラメータをメモリに記憶する（Ｓ１０４）。近似方法は任意であり、１次近似あるいは２次以上の近似を用いる。
【００２０】
次に、実際の計測に用いられる、あるいはその可能性の高い長さＬ１の計測用送電線１４を燃料電池１０に設定する。例えば、その長さＬ１が基準長Ｌ０と異なる２．５ｍの送電線１４を設定する（Ｓ１０５）。以後は基準長Ｌ０の送電線１４を設定した場合と同様であり、Ｉ−Ｖ特性を計測し（Ｓ１０６）、その近似式を算出して（Ｓ１０７）、メモリに記憶する。
【００２１】
基準長Ｌ０の送電線１４を用いたＩ−Ｖ特性及び長さＬ１の送電線１４を用いたＩ−Ｖ特性を取得した後、コンピュータ１６のプロセッサは、両特性を電流密度毎に比較し、両特性の差分を演算して補正値を算出する（Ｓ１０８）。差分は、電流密度をｉ、基準長Ｌ０におけるＩ−Ｖ特性近似式をＶｒｅｆ（ｉ）、長さＬ１におけるＩ−Ｖ特性近似式をＶｍ（ｉ）とすると両特性近似式を電流密度ｉ毎に比較し、
差分値（ｉ）＝Ｖｒｅｆ（ｉ）−Ｖｍ（ｉ）
により算出する。プロセッサは、演算して得られた差分値を補正値としてメモリに記憶する（Ｓ１０９）。以上の処理を複数の長さの送電線１４について行い（Ｓ１１０）、補正値をメモリに記憶していく。
【００２２】
図４に、コンピュータ１６のメモリに記憶される補正値を模式的に示す。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は計測用送電線１４の長さであり、例えばＬ１＝２．５ｍ、Ｌ２＝５ｍ、Ｌ３＝８ｍ等である。ｉ１、ｉ２、ｉ３・・は電流密度値である。長さＬ１の計測用送電線１４の補正値は、電流密度ｉ１においてδ１１、電流密度ｉ２においてδ１２、電流密度ｉ３においてδ１３、・・となる。ここに、
δ１１＝Ｖｒｅｆ（ｉ１）−Ｖｍ（ｉ１）
である。同様に、長さＬ２の計測用送電線１４の補正値は、電流密度ｉ１においてδ２１、電流密度ｉ２においてδ２２、電流密度ｉ３においてδ２３・・となる。
【００２３】
以上のようにして予め長さの異なる複数の送電線１４について、基準長さＬ０の送電線１４に対する補正値をコンピュータ１６のメモリに記憶させた後、実際の計測に用いる送電線１４を燃料電池１０に設定し、Ｉ−Ｖ特性を計測する。
【００２４】
図５に、補正値を記憶させた後の、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性計測処理フローチャートを示す。まず、計測用送電線１４を燃料電池１０に設定し（Ｓ２０１）、その送電線１４における電流密度及び電圧を検出してＩ−Ｖ特性を取得する（Ｓ２０２）。Ｉ−Ｖ特性はコンピュータ１６に供給される。コンピュータ１６は、得られたＩ−Ｖ特性を近似式で近似し（Ｓ２０３）、メモリから対応する送電線長の補正値を読み出す（Ｓ２０４）。例えば、送電線１４の長さがＬ１である場合には、メモリに記憶されている補正値のうち、Ｌ１に対応する補正値δ１ｉを順次読み出す。そして、読み出した補正値をＳ２０３で得られたＩ−Ｖ特性近似式に加算することで補正する。補正前のＩ−Ｖ特性近似式をＶｍ１（ｉ）、補正後のＩ−Ｖ特性近似式をＶ’ｍ１（ｊ）とすると、
Ｖ’ｍ１（ｉ）＝Ｖｍ１（ｉ）＋δ１ｉ
である。同様に、送電線１４の長さがＬ２である場合には、メモリに記憶されている補正値のうち、Ｌ２に対応する補正値δ２ｉを順次読み出す。そして、読み出した補正値をＳ２０３で得られたＩ−Ｖ特性近似式に加算することで補正する（Ｓ２０５）。補正前のＩ−Ｖ特性近似式をＶｍ２（ｉ）、補正後のＩ−Ｖ特性近似式をＶ’ｍ２（ｉ）とすると、
Ｖ’ｍ２（ｉ）＝Ｖｍ２（ｉ）＋δ２ｉ
である。Ｖ’ｍ１（ｉ）あるいはＶ’ｍ２（ｉ）は、長さＬ１あるいはＬ２のＩ−Ｖ特性を基準長Ｌ０におけるＩ−Ｖ特性に補正ないし変換したものであることは理解されよう。
【００２５】
なお、Ｓ２０１で実際に用いた送電線１４の長さＬに対応する補正値がメモリに記憶されていない場合には、Ｌに最も近い両端の長さに対応する補正値を線形補間して用いることができる。例えば、Ｌ２＜Ｌ＜Ｌ３である場合、Ｌの補正値はδ２ｉとδ３ｉの線形補間値を算出し、得られた補間値を実測のＩ−Ｖ特性近似式に加算すればよい。
【００２６】
以下、本実施形態をより具体的に説明する。
【００２７】
図６に、同一燃料電池（同一セル）で送電線長のみを変えて計測したＩ−Ｖ特性を示す。図において、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）、縦軸は電圧（Ｖ）であり、タイプＡ（基準）、タイプＢ、タイプＣ、タイプＤの４種類の送電線１４を用いた場合である。タイプＡ、Ｂ，Ｃ，Ｄの順に送電線長が長くなる。各タイプの送電線の厚さ（径）は同一である。それぞれのタイプにおいてＩ−Ｖ特性を２回計測している。タイプＢはタイプＡとほとんど同様のＩ−Ｖ特性が得られているが、タイプＣ、ＤはタイプＡと大きく異なるＩ−Ｖ特性となっている。
【００２８】
図７に、基準であるタイプＡのＩ−Ｖ特性の近似式と、タイプＣのＩ−Ｖ特性の近似式の差分を演算することにより得られる補正値を示す。図において、縦軸は差分値としての補正係数電圧（Ｖ）である。タイプＤについても同様に補正値を算出できる。
【００２９】
図８に、図７の補正値を用いてタイプＣのＩ−Ｖ特性を補正した結果を示す。図中「Ａ」はタイプＡのＩ−Ｖ特性、「Ｃ」はタイプＣの補正前のＩ−Ｖ特性、「Ｃ’」はタイプＣの補正後のＩ−Ｖ特性である。タイプＡのＩ−Ｖ特性によく一致している。このことから、各タイプ毎（送電線毎）に基準タイプ（基準送電線）との差分を補正値としてメモリに格納しておき、あるタイプにおいて得られたＩ−Ｖ特性に対し、メモリから対応する補正値を読み出して補正することで、基準タイプに換算したＩ−Ｖ特性が簡易にかつ高精度に得られることが分かる。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず種々の変形が可能である。
【００３１】
例えば、本実施形態では、計測毎に異なる送電パラメータとして送電線１４の長さを用いているが、計測毎に用いる送電線１４の径が異なる場合には、送電パラメータとして送電線１４の径を用いてもよい。送電線１４の径毎に補正値をコンピュータ１６のメモリに記憶しておき、任意の径の送電線１４を用いて得られたＩ−Ｖ特性を基準径のＩ−Ｖ特性に補正する。
【００３２】
また、本実施形態では、Ｉ−Ｖ特性として電流密度を用いているが、もちろん電流値を用いてもよい。
【００３３】
また、本実施形態では、計測器１２で得られた計測値をコンピュータ１６にオンラインあるいはオフラインで供給し、コンピュータ１６で補正値を演算するとともにＩ−Ｖ特性を補正しているが、計測器１２自体が差分演算及び補正演算を行うプロセッサ並びに補正値を記憶するメモリを有していてもよい。さらに、計測対象である燃料電池１０の出力電流値、出力電圧値をそれぞれセンサで検出し、センサ出力を計測器１２に取り込む態様でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態の計測システム概念図である。
【図２】燃料電池の一般的なＩ−Ｖ特性説明図である。
【図３】実施形態の処理フローチャートである。
【図４】実施形態の補正値説明図である。
【図５】実施形態の処理フローチャートである。
【図６】実施形態の種々の送電線下でのＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。
【図７】実施形態の補正値を示すグラフ図である。
【図８】実施形態の補正後のＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  燃料電池（ＦＣ）、１２  計測器、１４  送電線、１６  コンピュータ。
【図１】
2006236638.tif 000003
【図２】
2006236638.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006236638.tif 000009
【図８】
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