(57)【要約】【課題】実際の最低単位セル電圧に近似した値を容易且つ確実に算出することができ、燃料電池全体の適正な制御が良好に遂行され、信頼性及び耐久性を向上させることを可能にする。【解決手段】複数の単位セル１２ａ〜１２ｊが電気的に直列に接続される燃料電池１４と、前記燃料電池１４を、２つの単位セルを含む５つの群１６ａ〜１６ｅに分割し、分割された各群１６ａ〜１６ｅの群電圧を測定する第１セル電圧モニタ１８ａ〜第５セル電圧モニタ１８ｅと、前記燃料電池１４全体の総電圧を単位セル総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する平均単位セル電圧算出装置２２と、前記各群１６ａ〜１６ｅの群電圧の中、最低群電圧を検出する最低群電圧検出装置２４と、最低群電圧−平均単位セル電圧＝最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する最低単位セル電圧決定装置２６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池と、
前記燃料電池を、２以上の前記単位セルを含む少なくとも２つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する群電圧測定装置と、
前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する平均単位セル電圧算出装置と、
前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する最低群電圧検出装置と、
最低群電圧−平均単位セル電圧×（群の単位セル数−１）＝最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する最低単位セル電圧決定装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池の電圧測定システム。
【請求項２】
請求項１記載の電圧測定システムにおいて、前記群は、２つの前記単位セルを含むことを特徴とする燃料電池の電圧測定システム。
【請求項３】
複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池を、２以上の前記単位セルを含む少なくとも２つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する工程と、
前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する工程と、
前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する工程と、
最低群電圧−平均単位セル電圧×（群の単位セル数−１）＝最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の電圧測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の電圧測定方法において、前記群は、２つの前記単位セルを含むことを特徴とする燃料電池の電圧測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池において、最低単位セル電圧を検出するための燃料電池の電圧測定システム及び電圧測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備え、複数の前記単位セルが電気的に直列に積層されることにより、スタック化された燃料電池（燃料電池スタックともいう）が構成されている。
【０００３】
ところで、この種の燃料電池では、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。いずれかの単位セルの発電性能が低下すると、この単位セルの電圧（最低単位セル電圧）に基づいた制御が必要になるからである。このため、通常、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。
【０００４】
しかしながら、例えば、車載用として使用される燃料電池では、数十〜数百の単位セルを積層しており、全ての単位セル毎にセル電圧を検出することは、現実的ではない。そこで、特許文献１に開示されている燃料電池の性能監視方法及び装置が知られている。
【０００５】
この特許文献１では、図７に示すように、２０個の燃料電池１ａ〜１ｔが電気的に直列に接続されたスタック２を備えるとともに、それぞれ５つの燃料電池１ａ〜１ｅ、１ｆ〜１ｊ、１ｋ〜１ｏ及び１ｐ〜１ｔで構成される４つの群１〜群４に分割されている。各群１〜群４の出力電圧を測定するために、それぞれ独立した電圧測定ユニットＶ１〜Ｖ４を設けている。
【０００６】
電圧測定ユニットＶ１は、群１を構成する５つの直列接続された燃料電池１ａ〜１ｅから発生される電圧を測定し、電圧測定ユニットＶ２は、群２を構成する燃料電池１ｆ〜１ｊによって発生される電圧を測定し、電圧測定ユニットＶ３は、群３を構成する燃料電池１ｋ〜１ｏによって発生される電圧を測定し、さらに、電圧測定ユニットＶ４は、群４を構成する燃料電池１ｐ〜１ｔによって発生される電圧を測定している。
【０００７】
上記のスタック２では、例えば、前記スタック２内の燃料電池１ａ〜１ｔの合計電圧（すなわち、群１〜群４の電圧の和）を、群の数で除算した結果を群基準電圧として使用している。
【０００８】
次いで、電圧測定ユニットＶ１で得られる燃料電池１ａ〜１ｅの電圧が群基準電圧と比較され、さらに、電圧測定ユニットＶ２、Ｖ３及びＶ４の順に、これらで検出される各電圧が群基準電圧と比較されている。
【０００９】
【特許文献１】特表平５−５０２９７３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、群基準電圧との比較によって、例えば、群２の電圧低下が検出されても、燃料電池１ｆ〜１ｋの最低単位セル電圧を正確に算出することができないという問題がある。
【００１１】
具体的に、燃料電池１ｆのセル電圧が０．２Ｖであり、その他の燃料電池１ｇ〜１ｊのセル電圧が０．６Ｖである場合、スタック２全体の保護制御を行うために設定される最低単位セル電圧は、正規化された単位セル電圧であって、（０．２Ｖ＋０．６Ｖ×４）／５＝０．５２Ｖとなる。
【００１２】
従って、実際の最低単位セル電圧（０．２Ｖ）に近い値を設定することができず、実際の最低単位セル電圧に基づいた適正な制御が遂行されないという問題がある。これにより、スタック全体は、実際の最低単位セル電圧よりも高圧側で制御されてしまい、燃料電池１ｆを保護することができないというおそれがある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、実際の最低単位セル電圧に近似した値を容易且つ確実に算出することができ、燃料電池全体の適正な制御が良好に遂行され、信頼性及び耐久性を向上させることが可能な燃料電池の電圧測定システム及び電圧測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池と、前記燃料電池を、２以上の前記単位セルを含む少なくとも２つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する群電圧測定装置と、前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する平均単位セル電圧算出装置と、前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する最低群電圧検出装置と、最低群電圧−平均単位セル電圧×（群の単位セル数−１）＝最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する最低単位セル電圧決定装置とを備えている。
【００１５】
また、群は、２つの単位セルを含むことが好ましい。最低単位セル電圧決定装置の演算処理が一挙に簡素化されるからである。
【００１６】
さらに、本発明は、複数の単位セルが電気的に直列に接続される燃料電池を、２以上の前記単位セルを含む少なくとも２つの群に分割し、分割された各群毎の電圧である群電圧を測定する工程と、前記燃料電池全体の総電圧を前記単位セルの総数で除算することにより、平均単位セル電圧を算出する工程と、前記各群の群電圧の中、最低群電圧を検出する工程と、最低群電圧−平均単位セル電圧×（群の単位セル数−１）＝最低単位セル電圧から前記最低単位セル電圧を算出する工程とを有している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、最低群電圧、平均単位セル電圧及び群の単位セル数に基づいて、最低単位セル電圧が算出されるため、実際の最低単位セル電圧に近似した値を容易且つ確実に算出することができる。これにより、燃料電池全体の適正な制御が良好に遂行され、出力制御等の保護動作が確実に行われて信頼性及び耐久性を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電圧測定システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記電圧測定システム１０の要部概略説明図である。
【００１９】
図２に示すように、電圧測定システム１０は、複数、例えば、１０個の単位セル１２ａ〜１２ｊが電気的に直列に接続される燃料電池１４を備える。なお、実際上、車載型燃料電池では、数十〜数百の単位セルが電気的に直列に接続されているが、説明の簡素化を図るため、便宜的に１０個の単位セル１２ａ〜１２ｊを有する燃料電池１４を採用する。
【００２０】
燃料電池１４は、それぞれ２以上、例えば、２つの単位セル１２ａと１２ｂ、１２ｃと１２ｄ、１２ｅと１２ｆ、１２ｇと１２ｈ及び１２ｉと１２ｊを含む少なくとも２つ、例えば、５つの群１６ａ〜１６ｅに分割される。燃料電池１４には、分割された各群１６ａ〜１６ｅ毎の電圧である群電圧（Ｖａｓｓ）を測定するための第１セル電圧モニタ（群電圧測定装置）１８ａ〜第５セル電圧モニタ（群電圧測定装置）１８ｅが接続される。
【００２１】
第１セル電圧モニタ１８ａ〜第５セル電圧モニタ１８ｅは、制御部２０に接続される。制御部２０は、燃料電池１４全体の総電圧（Ｖａｌｌ）を単位セル１２ａ〜１２ｊの総数で除算することにより、平均単位セル電圧（Ｖａｖ）を算出する平均単位セル電圧算出装置（回路）２２と、各群１６ａ〜１６ｅの群電圧（Ｖａｓｓ）の中、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）を検出する最低群電圧検出装置（回路）２４と、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）−平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）×（群の単位セル数−１）＝最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）から前記最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）を算出する最低単位セル電圧決定装置（回路）２６とを備える。
【００２２】
図１に示すように、単位セル１２ａ〜１２ｊは、それぞれ電解質膜・電極構造体２８を備える。この電解質膜・電極構造体２８は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード側電極３２及びカソード側電極３４とを有する。電解質膜・電極構造体２８は、図示しないセパレータ間に介装されて矢印Ａ方向に積層される。
【００２３】
燃料電池１４には、燃料ガス供給装置３６と、酸化剤ガス供給装置３８とが設けられる。燃料ガス供給装置３６は、制御部２０に接続される水素供給部４０を備え、この水素供給部４０から導出される水素は、水素供給路４２を通って各電解質膜・電極構造体２８を構成するアノード側電極３２に供給される。アノード側電極３２の排出側には、水素排出路４４が接続されるとともに、前記水素排出路４４にパージ弁４６が配設される。パージ弁４６は、制御部２０により開閉制御される。
【００２４】
酸化剤ガス供給装置３８は、制御部２０に接続されるエアコンプレッサ４８を備え、このエアコンプレッサ４８から導出される空気は、空気供給路５０を通って各電解質膜・電極構造体２８を構成するカソード側電極３４に供給される。カソード側電極３４の排出側には、空気排出路５２が接続されるとともに、前記空気排出路５２に圧力調整弁５４が配設される。圧力調整弁５４は、制御部２０により開度制御される。
【００２５】
燃料電池１４には、例えば、走行用モータ等の負荷５６が接続されており、前記燃料電池１４の発電により得られる電流が前記負荷５６に供給される。なお、燃料電池１４には、図示しないが、冷却媒体を循環供給するための冷却媒体供給装置が設けられる。
【００２６】
このように構成される電圧測定システム１０の動作について、本発明の電圧測定方法との関連で、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００２７】
先ず、制御部２０を介して燃料ガス供給装置３６及び酸化剤ガス供給装置３８が駆動される。燃料ガス供給装置３６では、水素供給部４０から水素供給路４２に水素が導出され、この水素は、燃料電池１４を構成する各電解質膜・電極構造体２８のアノード側電極３２に供給された後、水素排出路４４に排出される。
【００２８】
一方、酸化剤ガス供給装置３８では、エアコンプレッサ４８から空気供給路５０に空気が導出されると、この空気は、各電解質膜・電極構造体２８のカソード側電極３４に供給された後、空気排出路５２に排出される。従って、各電解質膜・電極構造体２８では、アノード側電極３２に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側電極３４に供給される酸化剤ガス（酸素）とが、図示しない電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００２９】
このため、図２に示すように、燃料電池１４を構成する単位セル１２ａ〜１２ｊで発電され、第１セル電圧モニタ１８ａ〜第５セル電圧モニタ１８ｅを介して各群１６ａ〜１６ｅの群電圧（Ｖａｓｓ）が算出される（図３中、ステップＳ１）。
【００３０】
第１セル電圧モニタ１８ａ〜第５セル電圧モニタ１８ｅは、制御部２０に接続されており、これらにより測定された群電圧（Ｖａｓｓ）は、最低群電圧検出装置２４に送られる。この最低群電圧検出装置２４では、全ての群電圧（Ｖａｓｓ）の中、最も電圧が低い最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）が検出される（ステップＳ２）。
【００３１】
また、各群１６ａ〜１６ｅの群電圧（Ｖａｓｓ）は、平均単位セル電圧算出装置２２に送られる。この平均単位セル電圧算出装置２２では、各群１６ａ〜１６ｅの群電圧（Ｖａｓｓ）を総和した燃料電池１４全体の総電圧（Ｖａｌｌ）を単位セル総数（１０）で除算することにより、平均単位セル電圧（Ｖａｖ）が算出される（ステップＳ３）。
【００３２】
次いで、最低単位セル電圧決定装置２６では、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）−平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）×（群の単位セル数−１）＝最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）から前記最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）が算出される（ステップＳ４）。
【００３３】
ここで、第１の実施形態では、各群１６ａ〜１６ｅの各単位セル数が２つであり、実質的に、最低単位セル電圧決定装置２６では、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）−平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）＝最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）から前記最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）が算出される。
【００３４】
さらに、ステップＳ５に進んで、上記の算出された最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）に基づいて、例えば、燃料電池１４の出力制限やエア増量又は減量、増圧又は減圧、水素増量又は減量、増圧又は減圧、アイドル停止判断等の各種スタック保護制御が実施される。
【００３５】
この場合、第１の実施形態では、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）及び平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）に基づいて、最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）が算出されている。このため、実際の最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）に近似した値を容易且つ確実に算出することができる。
【００３６】
具体的には、図４に示すように、例えば、単位セル１２ｄの出力電圧が０．２Ｖに低下していると、群１６ｂに接続された第２セル電圧モニタ１８ｂを介して最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）＝０．８Ｖが検出される。一方、燃料電池１４全体の総電圧（Ｖａｌｌ）＝５．６Ｖが得られ、この総電圧（Ｖａｌｌ）が単位セル総数（１０）で除算されると、平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）＝０．５６Ｖが算出される。次に、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）＝０．８Ｖから平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）＝０．５６Ｖを減ずることにより、最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．２４Ｖが算出される。
【００３７】
これに対して、第１セル電圧モニタ１８ａ〜第５セル電圧モニタ１８ｅにより検出されたそれぞれの群電圧（Ｖａｓｓ）を単位セル１２ａ〜１２ｊ毎の電圧に正規化すると、単位セル１２ａ、１２ｂ、１２ｅ〜１２ｊでは、それぞれ１．２Ｖ／２＝０．６Ｖとなる一方、単位セル１２ｃ、１２ｄでは、０．８Ｖ／２＝０．４Ｖとなる。従って、最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．４Ｖとなってしまう。
【００３８】
従って、第１の実施形態では、実際の最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．２Ｖに近似した値（０．２４Ｖ）が得られ、従来の正規化する方式に比べて、高精度な最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）の算出処理が遂行される。これにより、燃料電池１４全体の適正な制御が良好に遂行され、出力制限等の保護動作が確実に行われて、前記燃料電池１４の信頼性及び耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電圧測定システム６０の要部概略説明図である。なお、第１の実施形態に係る電圧測定システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
電圧測定システム６０は、複数、例えば、２０個の単位セル１２ａ〜１２ｔが電気的に直列に接続される燃料電池６２を備える。燃料電池６２は、２以上、例えば、それぞれ４つの単位セル１２ａ〜１２ｄ、１２ｅ〜１２ｈ、１２ｉ〜１２ｌ、１２ｍ〜１２ｐ、１２ｑ〜１２ｔを含む５つの群６４ａ〜６４ｅに分割される。
【００４１】
燃料電池６２には、分割された各群６４ａ〜６４ｅ毎の電圧である群電圧（Ｖａｓｓ）を算出するための第１セル電圧モニタ（群電圧測定装置）６６ａ〜第５セル電圧モニタ（群電圧測定装置）６６ｅが接続される。
【００４２】
このように構成される電圧測定システム６０は、図６に示すフローチャートに沿って動作する。
【００４３】
単位セル１２ａ〜１２ｔから発生する電圧を具体的に例示して、以下に説明すると、前記単位セル１２ａ〜１２ｔの中、例えば、単位セル１２ｅの電圧が０．２Ｖであって、他の単位セル１２ａ〜１２ｄ、１２ｆ〜１２ｔの電圧が０．６Ｖである。
【００４４】
先ず、各群６４ａ〜６４ｅの群電圧（Ｖａｓｓ）が算出された後（ステップＳ１１）、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）＝２．０Ｖが検出される（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１３に進んで、燃料電池６２全体の総電圧（Ｖａｌｌ）２．４Ｖ×４＋２．０Ｖ＝１１．６Ｖが算出され、この総電圧１１．６Ｖが単位セル数である２０により除算されて、最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．５８Ｖが算出される。
【００４５】
さらに、ステップＳ１４に進み、最低群電圧（Ｖａｓｓｌｏｗ）−（平均単位セル電圧（Ｖｕａｖ）×（群の単位セル数−１）＝２．０Ｖ−０．５８Ｖ×３＝０．２６Ｖ、すなわち、最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）が算出される。次いで、上記の最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．２６Ｖに基づいて、各種スタック保護制御が実施される（ステップＳ１５）。
【００４６】
ここで、例えば、群６４ｂを構成する単位セル１２ｅ〜１２ｈを正規化すると、２．０Ｖ÷４＝０．５Ｖとなり、最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．５Ｖとなり、実際の値０．２Ｖに比べて相当に大きくなってしまう。
【００４７】
従って、第２の実施形態では、実際の値２．２Ｖに近似した最低単位セル電圧（Ｖｕｌｏｗ）＝０．２６Ｖが得られ、燃料電池６２全体の適正な保護制御が良好に遂行され、信頼性及び耐久性の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の電圧測定システムの概略構成説明図である。
【図２】前記電圧測定システムの要部概略説明図である。
【図３】前記電圧測定システムによる電圧測定方法を説明するフローチャートである。
【図４】前記電圧測定方法の具体例の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の電圧測定システムの要部概略説明図である。
【図６】前記電圧測定システムによる電圧測定方法を説明するフローチャートである。
【図７】特許文献１に開示されている燃料電池の性能監視方法及び装置の説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０、６０…電圧測定システム        １２ａ〜１２ｔ…単位セル
１４、６２…燃料電池                １６ａ〜１６ｅ、６４ａ〜６４ｅ…群
１８ａ〜１８ｅ、６６ａ〜６６ｅ…セル電圧モニタ
２０…制御部                        ２２…平均単位セル電圧算出装置
２４…最低群電圧検出装置            ２６…最低単位セル電圧決定装置
２８…電解質膜・電極構造体          ３０…固体高分子電解質膜
３２…アノード側電極                ３４…カソード側電極
３６…燃料ガス供給装置              ３８…酸化剤ガス供給装置
【図１】
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【図２】
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【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】
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