JP2009043645A - 燃料電池の劣化判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ燃料電池の劣化を精度良く判定することが可能な燃料電池の劣化判断システムを提供する。
【解決手段】制御装置は、燃料電池を構成する各セルの触媒の還元時（例えばリフレッシュ制御時）に、発生した電気量に基づき活性化過電圧を求め（ステップＳ１２０→ステップＳ１３０）、求めた活性化過電圧からＦＣ電圧を推定する（ステップＳ１４０）。そして、推定したＦＣ電圧と電圧センサによって検知される実際のＦＣ電圧とを比較し、比較結果に基づき燃料電池の劣化を判定する（ステップＳ１５０）。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池の劣化を判定する技術に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池が劣化すると、要求電力に応じた出力電力が得られないといった問題が生じるため、従来より燃料電池の劣化を判定する方法が種々提案されている。例えば、下記特許文献１には燃料電池の排ガス流量を検出し、当該排ガス流量が基準値に達する時間を推定して残存寿命を計算する技術が開示されている。

特開平１１−２８３６５３号公報

しかしながら、上記の如く、燃料ガスの流量を測定する方法では、流量計が大きいものとなるため、例えば車載用の燃料電池システムには向かず、また、製造コストが嵩むという問題があった。さらに、該ガス流量が基準値に達する時間を推定しただけでは燃料電池の劣化を精度良く判定することができないという問題もあった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、製造コストを抑えつつ燃料電池の劣化を精度良く判定することが可能な燃料電池の劣化判定システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池の劣化判断システムは、電極触媒を備えた燃料電池と、前記電極触媒の還元処理時に燃料電池の活性化過電圧を導出する導出手段と、導出した前記活性化過電圧に基づき前記燃料電池の出力電圧を推定する推定手段と、前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段と、推定される出力電圧と検知される出力電圧との比較結果に基づき、前記燃料電池の劣化を判定する判定手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池の電極触媒の還元時に、発生した電気量から燃料電池の活性化過電圧を導出し、導出した活性化過電圧から燃料電池の出力電圧を推定する。そして、推定した出力電圧と、電圧センサなどによって検知される実際の燃料電池の出力電圧とを比較し、比較結果に基づいて燃料電池の劣化を判定する。このため、流量計を利用して燃料電池の劣化を判定していた従来に比べて、製造コストを抑えることが可能となる。さらに、推定した出力電圧と、電圧センサなどによって検知される実際の出力電圧とを比較して燃料電池の劣化を判定するため、従来に比して燃料電池の劣化判定の精度を高めることが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記燃料電池の出力電流を検知する電流検知手段をさらに備え、前記推定手段は、導出した前記活性化過電圧と検知される前記出力電流から前記燃料電池の出力電圧を推定する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記判定手段は、検知される出力電圧が推定される出力電圧を下回った場合に前記燃料電池が劣化していると判定する態様がさらに好ましい。

さらにまた、上記構成にあっては、前記燃料電池が劣化していると判定された場合に劣化している旨を報知する報知手段をさらに具備する態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、製造コストを抑えつつ燃料電池の劣化を精度良く検知することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結された同期モータ６１を駆動力源として走行する。同期モータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、同期モータ６１に供給される。同期モータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面にはＰｔ触媒（電極触媒）が塗布されている。なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。

この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。

インバータ６０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。

バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。

上述した各要素の運転は、制御装置１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給減７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。

本実施形態では、燃料電池４０を構成する各セルの触媒の還元時に、発生した電気量からＦＣ電圧を推定し、推定したＦＣ電圧と、電圧センサ９２によって検知される実際のＦＣ電圧とを比較し、比較結果に基づいて燃料電池４０の劣化を判定する点に特徴がある。以下、本実施形態の特徴について詳細に説明する。

＜触媒の酸化・還元プロセス＞
燃料電池システムにおいては、システム要求電力の変動に応じて低電位側での発電、高電位側での発電が繰り返し行われる。この発電動作に伴い、燃料電池４０の触媒の表面では下記式（１）に示す酸化反応、下記式（２）に示す還元反応が行われる。なお、図２は触媒のＣＶ曲線を表し、酸化反応時の変化を実線で示し、還元反応時の変化を点線で示す。 Ｐｔ＋２Ｈ_２Ｏ → Ｐｔ（ＯＨ）_２＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
Ｐｔ（ＯＨ）_２＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｐｔ＋２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

図３は、触媒の還元処理が行われる場合のＦＣ電圧とＦＣ電流の経時変化を示す図であり、ＦＣ電圧の変化を実線で示し、ＦＣ電流の変化を点線で示す。なお、本実施形態では、燃料電池４０の間欠運転時に触媒の還元処理が行われる場合を想定するが（図３に示すα部分参照）、例えば高負荷状態など（例えばセル電圧が０．８Ｖを下回った場合）など、触媒の表面で還元反応が行われるあらゆる場合に適用可能である。ここで、燃料電池４０の間欠運転とは、燃料電池４０から負荷（補機類５０など）への電力供給を一時的に停止し、バッテリ２０から負荷への電力供給を行うものである。かかる間欠運転時に、残留ガスを利用して燃料電池４０の発電を行うことで（いわゆるリフレッシュ制御を行うことで）、上記触媒の還元処理が行われる。

触媒の還元処理が行われると、図３のβに示すようにＦＣ電圧は低下する一方、ＦＣ電流はいったん上昇した後、再度下降する変化（上に凸の変化）を示す。制御装置１０は、まず、下記式（３）を利用することで、ＦＣ電流Ｉの変化から触媒還元処理に伴う電気量Ｑを求める（図３に斜線で示すβ参照）。
Ｑ＝∫Ｉｄｔ ・・・（３）
Ｉ；ＦＣ電流

そして、制御装置（導出手段）１０は、求めた電気量Ｑから活性化過電圧ηａを導出する。詳述すると、制御装置１０には、予め実験等により求めた電気量Ｑと活性化過電圧ηａとの関係を示すマップ（活性化過電圧導出マップ）が格納されている。制御装置１０は、式（３）を利用して電気量Ｑを求めると、活性化過電圧導出マップを参照して電気量Ｑに対応する活性化過電圧ηａを導出する。

制御装置（推定手段）１０は、求めた活性化過電圧ηａと電流センサ（電流検知手段）９３によって検出されるＦＣ電流Ｉ０を下記式（４）に代入することで、燃料電池４０の出力電圧Ｖ０を推定する。なお、以下の説明では、推定される出力電圧Ｖ０を推定ＦＣ電圧Ｖ０と呼ぶ。
Ｖ０＝ηａ＊Ｉ０ ・・・（４）

制御装置（判定手段）１０は、このようにして求めた推定ＦＣ電圧Ｖ０と、電圧センサ（電圧検知手段）９２によって検出される実際の燃料電池４０のＦＣ電圧Ｖ１（以下、検出ＦＣ電圧Ｖ１）とを比較する。図４は、燃料電池４０のＩＶ特性を示す図であり、各センサなどによって検出される実際のＩＶ特性を実線で示し、式（４）などを利用して推定したＩＶ特性を点線で示す。制御装置（判定手段）１０は、推定ＦＣ電圧Ｖ０と検出ＦＣ電圧Ｖ１とを比較し、検出ＦＣ電圧Ｖ１が推定ＦＣ電圧Ｖ０を下回っていることを検知すると、燃料電池４０が劣化していると判断し、警告ランプ（報知手段）を点灯させたり、スピーカ（報知手段）などから音声メッセージを出力させたりして燃料電池４０が劣化している旨を運転手などに報知する。

燃料電池４０を構成する各セルの触媒の還元時に、発生した電気量からＦＣ電圧を推定し、推定したＦＣ電圧と、電圧センサ９２によって検知される実際のＦＣ電圧とを比較し、比較結果に基づいて燃料電池４０の劣化を判定する。このため、流量計を利用して燃料電池の劣化を判定していた従来に比べて、製造コストを抑えることが可能となる。さらに、推定したＦＣ電圧と、電圧センサ９２によって検知される実際のＦＣ電圧とを比較して燃料電池４０の劣化を判定するため、従来に比して燃料電池４０の劣化判定の精度を高めることが可能となる。以下、本実施形態に係る燃料電池の劣化判定処理について説明する。

図５は、制御装置１０によって実行される燃料電池の劣化判定処理を示すフローチャートである。
制御装置１０は、間欠運転時にリフレッシュ制御を行うことで触媒の還元処理を開始すると（ステップＳ１１０；図２参照）、上記式（３）を利用して触媒還元処理に伴う電気量Ｑを算出する（ステップＳ１２０；図３に示すβ参照）。

そして、制御装置１０は、活性化過電圧導出マップを利用して求めた電気量Ｑから活性化過電圧ηａを求める（ステップＳ１３０）。さらに、制御装置１０は、求めた活性化過電圧ηａと電流センサ９３によって検出されるＦＣ電流Ｉ０を上記式（４）に代入することで、燃料電池４０の出力電圧Ｖ０を推定する（ステップＳ１４０）。

制御装置１０は、このようにして求めた推定ＦＣ電圧Ｖ０と、電圧センセ９２によって検出される検出ＦＣ電圧Ｖ１とを比較する（ステップＳ１５０；図４参照）。制御装置１０は、推定ＦＣ電圧Ｖ０と検出ＦＣ電圧Ｖ１とを比較し、検出ＦＣ電圧Ｖ１が推定ＦＣ電圧Ｖ０以上であることを検知した場合には、燃料電池４０は劣化していない（正常である）と判断し（ステップＳ１５０；ＮＯ）、処理を終了する。一方、検出ＦＣ電圧Ｖ１が推定ＦＣ電圧Ｖ０を下回っていることを検知すると（ステップＳ１５０；ＹＥＳ）、燃料電池４０が劣化していると判断し、警告ランプ（図示略）の点灯や音声メッセージの出力などにより、燃料電池４０が劣化している旨を運転手などに報知した後（ステップＳ１６０）、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池４０を構成する各セルの触媒の還元時に、発生した電気量からＦＣ電圧を推定し、推定したＦＣ電圧と、電圧センサ９２によって検知される実際のＦＣ電圧とを比較し、比較結果に基づいて燃料電池４０の劣化を判定する。このため、流量計を利用して燃料電池の劣化を判定していた従来に比べて、製造コストを抑えることが可能となる。さらに、推定したＦＣ電圧と、電圧センサ９２によって検知される実際のＦＣ電圧とを比較して燃料電池４０の劣化を判定するため、従来に比して燃料電池４０の劣化判定の精度を高めることが可能となる。

Ｂ．変形例
（１）上述した実施形態では、検出ＦＣ電圧Ｖ１が推定ＦＣ電圧Ｖ０を下回っている場合に燃料電池４０が劣化していると判断したが、例えば検出ＦＣ電圧Ｖ１と推定ＦＣ電圧Ｖ０の差分ｄ１（＝Ｖ０−Ｖ１；図４参照）が設定された差分閾値ｄｓ以上である場合に燃料電池４０が劣化していると判断しても良く、どのような基準に基づいて燃料電池４０が劣化していると判断するかはシステム設計などに応じて適宜変更可能である。

（２）上述した実施形態では、通常運転時モードにおいて触媒を還元する場合について説明したが、低効率運転モードにおいて触媒を還元する場合にも適用可能である。ここで、低効率運転モードとは、通常運転モードに比して通常運転に比して反応ガスを不足気味にして電力損失を大きくする運転モードをいい、別言すれば、通常運転モードは比較的発電効率の高い運転モードであり、低効率運転モードは比較的発電効率の低い運転モードをいう。このように、本発明は触媒を還元するあらゆる場合に適用可能である。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 触媒のＣＶ曲線を示す図である。 触媒の還元処理が行われる場合のＦＣ電圧とＦＣ電流の経時変化を示す図である。 燃料電池のＩＶ特性を示す図である。 燃料電池の劣化判定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・電源システム、１０・・・制御装置、２０・・・バッテリ、３０・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、４０・・・燃料電池、４１・・・高分子電解質膜、４２・・・アノード極、４３・・・カソード極、４４・・・膜・電極接合体、５０・・・補機類、６０・・・インバータ、７０・・・燃料ガス供給源、８０・・・酸化ガス供給源、９２・・・電圧センサ、９３・・・電流センサ、１００・・・燃料電池システム。

Claims (4)

1. 電極触媒を備えた燃料電池と、
   前記電極触媒の還元処理時に燃料電池の活性化過電圧を導出する導出手段と、
   導出した前記活性化過電圧に基づき前記燃料電池の出力電圧を推定する推定手段と、
   前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段と、
   推定される出力電圧と検知される出力電圧との比較結果に基づき、前記燃料電池の劣化を判定する判定手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池の劣化判定システム。
2. 前記燃料電池の出力電流を検知する電流検知手段をさらに備え、
   前記推定手段は、導出した前記活性化過電圧と検知される前記出力電流から前記燃料電池の出力電圧を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の劣化判定システム。
3. 前記判定手段は、検知される出力電圧が推定される出力電圧を下回った場合に前記燃料電池が劣化していると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の劣化判定システム。
4. 前記燃料電池が劣化していると判定された場合に劣化している旨を報知する報知手段をさらに具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池の劣化判定システム。
   

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