JP2008198431A - 燃料電池におけるセル電圧算出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱層が形成されているセル積層体におけるセル電圧を正確に算出することを可能とする。
【解決手段】セル積層体に断熱層４が形成されている場合に、算出対象とするセルＣのセル電圧を、断熱層４の接触抵抗による低下分を補正して算出する。例えばセル積層体の端セルＣ_Nから１セル分中央寄りに断熱層４が形成されている場合のセル電圧算出に適用することができる。この場合、当該燃料電池が搭載された車両の走行時間、走行距離、当該燃料電池の温度等をパラメータとして接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正してセル電圧を算出することが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池におけるセル電圧算出方法およびその装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池における発電状況を監視するための手段の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このようにセルが積層されることによって構成されるセル積層体（セルスタック）の端部は、一般に大気との熱交換により温度が低くなりやすいため、当該端部やその近傍に断熱層を設ける構成が知られている。

また、このような燃料電池（燃料電池システム）が電気自動車等に搭載され動力源（発電源）として用いられる場合には、運転時、燃料電池スタックを構成している各セルの発電状況に異常が生じていないことが重要である。従来、各セルの電圧を算出して正常に発電していることを監視するためのモニタ装置として、例えばセル毎に電圧センサを装備し、各セル電圧を順次検出するようにした装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００６−１７９３３８号公報 特開２００６−２３６８０３号公報 特開２００５−１９２２３号公報

しかしながら、従来のセル電圧検出装置あるいはそこで利用されているセル電圧検出方法によっては、上述のように断熱層が形成されているセル積層体におけるセル電圧を正確に求めることができない場合がある。

そこで、本発明は、断熱層が形成されているセル積層体におけるセル電圧を正確に算出することが可能な燃料電池におけるセル電圧算出方法およびその装置を提供することを目的とする。

セル積層体端部の温度低下を抑えるべく設けられる断熱層は、例えば発電セルに対応したセル（断熱セル）の一対のセパレータ間に、膜−電極アッセンブリの代わりに導電板を挟むこと等により構成される。この場合の導電板は断熱性に優れるものが好ましく、一例として導電性多孔質シートなどが利用されている。さらに、反応ガスや冷媒が流通するマニホールドの部分は封止されることによって空気層が形成されていることもある。ところが、このような断熱層が介在している部分のセルの電圧は、他の部位におけるセルとは異なり、当該断熱層（断熱セル）を含んでいることから正確に算出することが困難となっている。

このような点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、燃料電池を構成するセル積層体における各セルの電圧を算出するためのセル電圧算出方法において、前記セル積層体に断熱層が形成されている場合に、算出対象とするセルのセル電圧を、前記断熱層の接触抵抗による低下分を補正して算出するというものである。

上述のように、セル積層体の端部における温度低下を抑える等の観点からすれば断熱層を設けることは重要である。本発明においては、このような構造であることを前提に、断熱層が形成されているセルにおいては当該断熱層の影響を考慮し適宜補正を行ってセル電圧を算出する。したがって、このセル電圧算出方法によれば、断熱層が形成されたセルについてもセル電圧をより正確に算出することが可能である。

このようなセル電圧算出方法は、前記セル積層体の端セルから１セル分中央寄りに前記断熱層が形成されている場合のセル電圧算出に適用して好適である。一般的な燃料電池においては、例えば、セル積層体の負極（本明細書ではこれを総マイナス極ともいう）側の端セル（総マイナスセルともいう）の含水量低減をも目的として当該総マイナスセルの正極（空気極）寄りに断熱層が形成される場合がある。こうした場合、当該断熱層にて生じるＩＲドロップ（抵抗による電圧降下）の影響でセル電圧が低下して正確なセル電圧の検出が困難になるが、本発明によればこの場合の影響を考慮し必要な補正を行ってセル電圧を正確に算出することが可能である。

また、本発明にかかるセル電圧算出方法においては、当該燃料電池が搭載された車両の走行時間をパラメータとして前記接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正して前記セル電圧を算出することができる。

または、当該燃料電池が搭載された車両の走行距離をパラメータとして前記接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正して前記セル電圧を算出することもできる。

あるいは、当該燃料電池の温度をパラメータとして前記接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正して前記セル電圧を算出することとしてもよい。

さらに、本発明は、燃料電池を構成するセル積層体における各セルの電圧を算出するためのセル電圧算出装置において、前記各セルの電圧を検出する電圧センサと、該電圧センサによって検出された前記各セルの電圧値に対応する補正値を格納するメモリと、該メモリに格納された当該補正値を参照し、前記電圧センサによって検出された電圧値に所要の補正を行う補正手段と、を備え、前記補正手段は、前記セル積層体に断熱層が形成されている場合に、算出対象とするセルのセル電圧を、前記断熱層の接触抵抗による低下分を補正して算出するというものである。

本発明によれば、断熱層が形成されているセル積層体におけるセル電圧を正確に算出することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明の実施形態を示す。本発明にかかるセル電圧算出装置は、燃料電池１を構成するセル積層体３における各セルＣの電圧を算出するための装置であり、各セルＣの電圧を検出する電圧センサＳと、電圧値に対応する補正値を格納するＥＥＰＲＯＭ（メモリ）２４と、当該電圧値に所要の補正を行う補正手段としてのＣＰＵ２１とを備えている（図２参照）。以下においてはまず燃料電池１を構成するセル積層体３等の構成について説明し、その後、このセル電圧算出装置および当該装置によるセル電圧算出方法の内容について説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１の概略構成を示す。なお、このような燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

燃料電池１は、複数のセル（以下、発電セルともいう）２が積層されてなるセル積層体（セルスタック）３を備えているもので、当該セル積層体３の両端に位置する端セルＣの積層方向外側には、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７がさらに設けられている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、発電セルＣに作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。

発電セルＣは、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）と、この膜−電極アッセンブリを外側から挟持する一対のセパレータ（図３において符号２で示す）と、で構成されている。セパレータ２は例えば金属を基材とする導通体であり、各電極に空気等の酸化ガスおよび水素ガス等の燃料ガスを供給するための流体流路を有し、互いに隣接する発電セルＣに供給される異種流体の混合を遮断する役割を果たす。かかる構成により、発電セルＣの膜−電極アッセンブリ内において電気化学反応が生じて起電力が得られることとなる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータ２には燃料電池冷却用の冷媒（例えば冷却水）を流すための流体流路が設けられている。

さらに、当該セパレータ２の例えば両端には、酸化ガス、燃料ガス、冷媒のそれぞれをセル積層方向に流すためのマニホールド（酸化ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、冷媒マニホールド）が形成されている（図示せず）。本実施形態の燃料電池１において、各流体（酸化ガス、燃料ガス、冷媒）は当該燃料電池１の一端にあるエンドプレート７に設けられた各流体供給用の配管（図示せず）から入口側の各マニホールドに供給され、各セルＣのセパレータ２に設けられた各流体流路を流れる。さらに、各流体は出口側の各マニホールドから燃料電池１の他端にあるエンドプレート７に設けられた各流体排出用の配管（図示せず）へと排出される。

断熱セル４は例えば２枚のセパレータ２とシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、発電セルＣにおけるものと同様の一対のセパレータ２に、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある（図１参照）。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。

ここで、本実施形態では、セル積層体３の端セルＣから１セル分中央寄りに断熱セル４を設けている（図１参照）。この場合の断熱セル４（あるいはその内部の断熱部材１０）は、当該端セルＣの含水量を低減させる断熱層として機能しうる。なお、端セルＣとは、例えば複数のセルＣが直列に積層した状態の本実施形態の燃料電池１の場合、ターミナルプレート５に接している両端のセルＣが該当する。

なお、シール部材には、隣接する部材（例えばセパレータ２）との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態ではシール部材として弾性により物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。ただし具体例がこのようなものに特に限定されることはなく、これ以外にも例えばシーラントと呼ばれるシール部材はもちろんのこと、ゲル状の封止材や液状パッキンなどを用いることも可能である。

ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。

インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。また、インシュレータ６の材料として耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを採用した場合には堅牢性の面でも有利であるし、また燃料電池１の軽量化を図るうえでも好適である。

エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。

続いて、本発明にかかるセル電圧算出装置を含むシステム（以下、燃料電池システムという）１１について説明する。図２に燃料電池システム１１のシステム全体図を示す。図２に示すように、この燃料電池システム１１は、上述した燃料電池１のほか、モニタ装置１２、燃料電池制御部１３、ガス供給系１４を備え、さらに、電圧センサＳ、ＥＥＰＲＯＭ（メモリ）２４、ＣＰＵ（補正手段）２１を備えた構成となっている。

燃料電池１のセル積層体３は、それぞれが所定起電力で発電するセルＣ₁〜Ｃ_N（Ｎは任意の自然数）が積層（スタック）されて構成されている（なお、図２においては上述の断熱セル４は示していない）。セルＣ_n（１≦ｎ≦Ｎ）のそれぞれは、膜−電極アッセンブリを、水素ガス、空気、冷媒（例えば冷却水）の流路が設けられた一対のセパレータ２で挟み込んで構成されている。膜−電極アッセンブリは、高分子電解質膜等をアノードおよびカソードの二つの電極で狭み込んだ構造体である。アノードにはアノード用触媒層が多孔質支持層上に設けられ、カソードにはカソード用触媒層が多孔質支持層上に設けられている。

燃料電池１の運転時には、各セルＣ_nにおける電気化学反応によって、一定のセル電圧がアノード−カソード間に生ずる。各セルＣ_nにおいて発電される電圧Ｖｎ（１≦ｎ≦Ｎ）は電圧センサＳによって検出され、検出信号Ｓｖとしてモニタ装置１２に供給されるようになっている。例えば本実施形態における複数のセルＣ_nは直列接続されており、ターミナルプレート５の出力端子５ａには所定の高圧電圧が発生するようになっている。

ガス供給系１４は、この燃料電池１の各セルＣ_nのアノード（燃料極）側に燃料ガスである水素ガスを供給して化学反応を生じさせ、さらに水素オフガスを排出するように構成されている。また、燃料電池１の各セルＣ_nのカソード（空気極）側には酸化ガスである空気を供給して化学反応を生じさせ、酸化オフガスを排出する。より具体的に説明すると、ガス供給系１４は、燃料ガスの供給側では、燃料ガス源である水素タンクや各種遮断弁、調整弁、気液分離器、水素ポンプ、パージ遮断弁等を備えている。また、酸化ガスの供給側では、コンプレッサや加湿器等を備えている。燃料オフガスは、酸化オフガスによって酸化レベル以下に水素ガス濃度が下がるように希釈され、外部へと排出される。

燃料電池制御部（ＦＣ制御部）１３は、上述のモニタ装置１２とは独立して動作するコンピュータ装置であり、当該モニタ装置２が補正したセル電圧の補正値Ｄｃの入力に応じ、その補正値Ｄｃに対応させてシステムに必要な各種制御を行うものである。本実施形態の燃料電池制御部３は、ガス供給系１４のコンプレッサやモータといった補機類４１の動作を制御したり、燃料ガス系や酸化ガス系のガス流通を制御する制御弁類４２の開閉を制御したりするもので、例えばセル電圧の補正値Ｄｃが示すセル電圧に対応した補機類４１や制御弁類４２を制御し、適切な燃料電池１の運転を継続させる。

また、特に図示してはいないが、当該燃料電池システム１１には、冷媒を循環させて燃料電池１を冷却するための冷却系、燃料電池１の発電電力を充電したり負荷に供給したりする電力系が設けられている。

モニタ装置１２は燃料電池１の状態を監視するための装置で、例えば本実施形態の場合にはコンピュータ装置としての構成をとり、内部バス２０、ＣＰＵ２１、ＲＡＭ２２、ＲＯＭ２３、ＥＥＰＲＯＭ２４、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２５，２６を備えている（図２参照）。これらのうちＣＰＵ２１は中央演算処理装置であり、ＲＯＭ２３に格納された制御プログラムを順次読み出して実行することにより、当該装置をモニタ装置１２として機能させる。ＲＡＭ２２はＣＰＵ２１の処理実行時における記憶領域として利用され、ＲＯＭ２３は制御プログラムの格納領域を提供する。インターフェース回路２５，２６は、アウトプットとして機能する場合にはＣＰＵ２１から供給されたデータをラッチして電力増幅して外部に供給し、インプットとして機能する場合には外部から受信したデータをラッチし、適当なタイミングでそのデータを内部バス２０に出力する。ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）２４は、セル電圧値に対する所用の補正値を格納している。このＥＥＰＲＯＭ２４はデータを電気的に消去（書き換え）できるＲＯＭであって、電源を切っただけではデータは消えない。データの消去には読み出し電圧より高い電圧が必要だが、ＥＥＰＲＯＭ内部で電源電圧を昇圧しているため、基板に実装したままデータを消去して書き換えることができる。

また、ＣＰＵ（補正手段）２１は、上述したＥＥＰＲＯＭ２４に格納された補正値を参照し、電圧センサＳによって検出された電圧値に所要の補正を行う。本実施形態のＣＰＵ２１は、断熱セル（断熱層）４が形成されているセル積層体３において、算出対象とするセルＣ_nのセル電圧を、断熱セル４の接触抵抗による低下分を補正して算出するようにしている。

ここで、「補正値」とは、あるセルＣ_nで検出された電圧値に関し、断熱セル４の接触抵抗による低下分を補正して算出するための値である。すなわち、上述したように本実施形態においては、端セルＣから１セル分中央寄りに断熱セル４を設けている関係上（図１参照）、当該断熱セル４を挟んだ箇所で検出されるセル電圧値はその影響を受けるから、当該影響を考慮した補正値をあらかじめ設定することとしている。より詳しくは、断熱セル４が介在した箇所ではＩＲドロップ（断熱セル４の抵抗による電圧降下）が生じるため、その影響でセル電圧が低下して正確な値を算出することが困難なのが一般的である。この点、本実施形態においては適宜補正を行うことによってセル電圧を正確に算出することを可能としている。例えば、負極（つまり燃料極）側の端セル（総マイナスセル）Ｃ_Nから１セル分だけ正極（空気極）寄りに断熱セル４が設けられている場合、当該総マイナスセルＣ_Nと次のセルＣ_N-1との間の電圧センサＳによって検出されたセル電圧は、接触抵抗による低下分を補正することによってより正確な値を算出することが可能となる（図３参照）。このような補正値は、少なくとも断熱セル４の影響を受ける箇所のセル電圧値についてセルＣ_nとの対比でマッピングされている。

また、上述した補正値を設定するにあたっては、各種パラメータを適宜用いて接触抵抗によるセル電圧の低下分を予測することが好ましい。例えば、断熱セル４の特性として、クリープ時間（クリープ現象を生じさせうる荷重が作用している時間）が経つにつれて接触抵抗が増えることが挙げられる（図４参照）。そこで、燃料電池１が例えば車両（燃料電池車）に搭載されるのであれば、当該車両の走行時間をパラメータとして接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正してセル電圧を算出することができる。あるいは、当該燃料電池１が搭載された車両の走行距離をパラメータとして接触抵抗による低下分を予測することもできる。さらには、車両に搭載されるか否かにかかわらず、当該燃料電池１の温度をパラメータとして接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正してセル電圧を算出することとしてもよい。すなわち、電圧センサＳによって検出したセル電圧値をＥ、時間（走行距離に応じて得られる時間を含む）をｔ、温度をＴとおけば、補正後のセル電圧値Ｅ’は
Ｅ’＝Ｅ＋ＩＲ（ｔ，Ｔ）
で表される数式（ただしＩ，Ｒは断熱セル３における電圧降下分の計算に用いられる電流および抵抗値）で求めることができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば図１および図３においては端セルＣから１セル分中央寄りに断熱セル４が設けられている燃料電池１を示したが、これは断熱層の一形態例に過ぎず、これ以外の箇所に断熱セル４等が設けられている場合にも本発明を適用してセル電圧値を正確に算出することが可能である。

本実施形態における燃料電池の構造例を示す側面図である。 燃料電池システム（セル電圧算出装置）の構成例を示すブロック図である。 断熱層（断熱セル）が設けられたセル積層体の一部を概略的に示す図である。 クリープ時間に対応する接触抵抗の変化の概略例を示す断熱セルの特性図である。

符号の説明

１…燃料電池、３…セル積層体、４…断熱セル（断熱層）、１０…断熱部材（断熱層）、１１…燃料電池システム（セル電圧算出装置）、２１…ＣＰＵ（補正手段）、２４…ＥＥＰＲＯＭ（メモリ）、Ｃ…発電セル（セル）、Ｓ…電圧センサ

Claims (6)

1. 燃料電池を構成するセル積層体における各セルの電圧を算出するためのセル電圧算出方法において、
   前記セル積層体に断熱層が形成されている場合に、算出対象とするセルのセル電圧を、前記断熱層の接触抵抗による低下分を補正して算出する
   ことを特徴とする燃料電池におけるセル電圧算出方法。
2. 前記セル積層体の端セルから１セル分中央寄りに前記断熱層が形成されている場合のセル電圧算出に適用される請求項１に記載の燃料電池におけるセル電圧算出方法。
3. 当該燃料電池が搭載された車両の走行時間をパラメータとして前記接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正して前記セル電圧を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池におけるセル電圧算出方法。
4. 当該燃料電池が搭載された車両の走行距離をパラメータとして前記接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正して前記セル電圧を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池におけるセル電圧算出方法。
5. 当該燃料電池の温度をパラメータとして前記接触抵抗による低下分を予測し、当該予測した低下分を補正して前記セル電圧を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池におけるセル電圧算出方法。
6. 燃料電池を構成するセル積層体における各セルの電圧を算出するためのセル電圧算出装置において、
   前記各セルの電圧を検出する電圧センサと、
   該電圧センサによって検出された前記各セルの電圧値に対応する補正値を格納するメモリと、
   該メモリに格納された当該補正値を参照し、前記電圧センサによって検出された電圧値に所要の補正を行う補正手段と、
   を備え、
   前記補正手段は、前記セル積層体に断熱層が形成されている場合に、算出対象とするセルのセル電圧を、前記断熱層の接触抵抗による低下分を補正して算出するものである
   ことを特徴とする燃料電池におけるセル電圧算出装置。

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