JPH11273702A - 燃料電池積層体の監視方法および監視装置 - Google Patents
燃料電池積層体の監視方法および監視装置Info
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Abstract
簡便な方法でかつ精度良く確実に検知し識別する。 【解決手段】選択された群(GA)の燃料電池(bi)の平
均電圧の時間変化を検出し、この値を、他の群の電池
(b11 〜b40 )の電圧の時間変化を少なくとも加味した
基準値と比較することによって、燃料電池積層体(4)
の燃料電池(b1〜b40 )の選択された群(GA)の監視を
行う。
Description
選択された燃料電池群の監視方法ならびに監視装置に関
する。
って水分子が水素(H2 )と酸素(O 2 )に分解するこ
とはよく知られている。燃料電池においては、この過程
が逆向きに起こる。水素(H2 )と酸素(O2 )が電気
化学的に結合して水を生成する際、高い効率で電流が流
れる。このことは純粋な水素(H2 )を燃料ガスとして
導入すれば有害物質や二酸化炭素(CO2 )の放出もな
く起こる。また、例えば天然ガスや石炭ガス等の工業的
な燃料ガスを用い、純粋酸素(O2 )の代わりに空気、
あるいは酸素を付加して酸素濃度を高くした空気を用い
る場合においても、燃料電池は、化石燃料で作動してい
る他のエネルギー発生器に比べて、有害物質や二酸化炭
素(CO2 )の放出量が明らかに少ない。燃料電池の原
理を工業化するためには、種々の課題の解決、しかも、
多種多様な電解質や、80℃から1000℃に達する運転温度
に伴う問題の解決が必要である。
燃料電池、中温燃料電池および高温燃料電池に分類さ
れ、さらにその様々な実施形態に合わせて区別される。
料電池積層体(なお、専門書では燃料電池積層体はスタ
ックとも呼ばれる)においては、高温燃料電池積層体を
覆う上部の結合導電板(インタコネクタ)の下側に、順
に、少なくとも1層の保護層、コンタクト層、電解質・
電極結合体、別のコンタクト層、別の積層導電板等々が
配される。
れらの電極の間に配され膜状に形成された固体電解質と
からなる。このとき、隣り合う結合導電板の間に電解質
・電極結合体を配し、この電解質・電極結合体の両側面
に直接隣接してコンタクト層を配し、さらに、二つの結
合導電板の各々の側面をコンタクト層に直接隣接させて
配することによって高温燃料電池が形成される。この形
式の燃料電池やその他の形式の燃料電池については、
A. J.ApplebyとE. R. Foulkes による著書“ Fuell
Cell Handbook ; 1989 ”の 440〜454 頁により知るこ
とができる。
常少なくとも50個の電池を備えている。積層体中の電
池が故障したか否か、またどの電池が故障したかを知る
ためには、積層体を全運転継続時間に渡って監視しなけ
ればならない。漏洩が生じると、装置に多大の損害を及
ぼし、及び/又は、水素ガスが制御不能となって周囲に
溢れ出て爆発する危険性がある。このとき、漏洩を生じ
た燃料電池は極性の逆転により直ちに電圧が反応する。
したがって、このような事態は即座に検知して、当該電
池を遮断する必要がある。それぞれの電池を個別に監視
することは技術的に多大の労力を要するために不可能で
ある。実用的、機能的に監視するために、それぞれ複数
の電池を一つの群にまとめ、それぞれの群を積層体中の
他の群と比較することが行われる。
直列接続した複数の電池の機能および電力を監視する方
法が示されている。この方法では、まず積層体の電池が
群に細分化される。所定の時点で各群の電圧が求めら
れ、各群の測定値の規格化された電圧が第1の基準電圧
と比較される。このとき基準電圧には予め与えられた電
圧の最小値と同一の値が用いられる。さらに、各群の電
圧は種々の方法で互いに比較される。第1の実施例で
は、選択された群の電圧が他の群の電圧と比較される。
第2の実施例では、隣接する二つの群が順々に選択さ
れ、その間で電圧が比較される。第3の実施例では、そ
れぞれの燃料電池群の電圧の総和を求めて、燃料電池群
の数で割り、得られた値がそれぞれの群の電圧と比較さ
れる。この監視方法においては、個々の電池群の電圧
が、予め設定された監視間隔をおいて、多種多様な方法
により互いに比較される。したがって、この方法は数多
くの比較処理により成り立っている。
存して生じる電圧の閾値が定められている。各群の電圧
が、順に閾値と比較される。閾値は群の電圧の測定時点
とは異なる時点で測定した電流測定値から求められてい
るので(この方法では比較に先立ちまず閾値を算定する
必要がある)、閾値と群の電圧とが積層体の異なった運
転条件下にある場合には誤りが生じる。
池の故障を、簡便な方法でかつ確実に識別することにあ
る。
れた群の燃料電池の平均電圧の時間変化を求め、得られ
た値を、他の燃料電池の電圧の時間変化を少なくとも加
味した基準値と比較することによって、燃料電池積層体
の燃料電池の選択された群の監視が行われる。
るので、本発明による方法は積層体の負荷変動に対して
高い動的な対応性を備えている。本発明による方法によ
れば、選択された群の電池が故障したか否か、あるい
は、いずれかの理由により所定の電圧が供給されていな
いかどうかを簡便な手段により知ることができる。
直列接続された電池よりなる複数の群に分割し、各群の
最初の電池の入口電圧と最後の電池の出口電圧のみを測
定することとする。各群をそれぞれ、例えば10個の電
池より構成し、その電池電圧を群ごとに、つまり各群の
入口と出口とにおける電圧差によって検出する。この群
のそれぞれ個々の電池の電圧を検出する必要はない。本
発明による方法の検出確立は比較的多数の電池を持つ群
に対しても十分な精度を有している。
の電池の入口電圧と最後の電池の出口電圧の差の相対変
化が検出される。二つの異なった時点でのこの群の電圧
の差が検出される。この二つの時点の間隔は例えば0.5
秒とする。
された群の電池の平均電圧として、測定された電池の電
圧の総和を電池の個数で除した値が用いられる。総電圧
を電池の個数で除することにより、群の大きさ(すなわ
ち、群内の電池の個数)に依存しなくなる。したがっ
て、群をすべて同一個数の電池をもつようにする必要は
ない。
さない積層体の全ての電池の電圧とその変化より得るよ
うにしてもよい。このようにすれば、基準値が選択され
た群の電池の故障に影響されることがなく、またその他
の電池の故障が基準値に僅かしか影響しないので、積層
体の信頼性の高い監視が保証される。
に、選択された群の平均電圧が、積層体の全ての電池あ
るいは少なくとも他の電池の電圧を含む平均値と比較さ
れる。このように選択された群の平均電圧を上記の電圧
の平均値と比較することとすれば、選択された群の電池
の故障が平均値に及ぼす影響は比較的小さく、選択され
た群の電池を含まない場合にはその影響は皆無となるの
で、信頼性の高い監視が保証される。
の選択された群の構成要素として監視されることによっ
て、積層体の全ての電池を同時に監視することができ
る。
二つの選択された群の構成要素として重複して監視する
と好適である。積層体の電池を群に適切に分割すること
によって、故障した電池の位置検出の精度が向上する。
を重複して備えることにより実施することができる。こ
のように監視部を重複して備えれば、1つの監視部が動
作を停止すた場合においても、なお全積層体の監視が保
証される。
層体より取出した電圧差を監視部に取り込み、この監視
部において前の時点で得た電圧差と比較する計算処理を
行うことによって実施される。
このとき、積層体の入口と出口の双方の群を除いて、す
べての群が同数の電池を有すると好ましい。群として得
た電圧差よりこの群の電池の平均電圧が求められ、異な
る時点で得た電圧差を比較することにより平均電圧の時
間変化が求められる。
られる基準値は、他の群、あるいは全ての群より得られ
た電圧差の変化より算定される。燃料電池積層体の直列
接続された燃料電池を予め定めた時点で少なくとも二つ
の監視部で監視する装置は、電池を重複して監視できる
ので好適である。この場合、タップと信号入力端を介し
て各監視部にそれぞれ隣接する燃料電池の間で得た電圧
が取り込まれるが、その際それらのタップは、少なくと
も二つのタップ(二つのタップの間が望ましい)が一方
の(第1の)監視部に接続されている場合、少なくとも
他方の(各第2以降の)監視部用に異なったタップが存
在するように配置される。
複数の電圧差をその前の時点で取り込まれた対応する電
圧差と比較する計算処理ステップが含まれている。
層体の電池の第1の群分割に対応している。同様に、そ
れぞれの他の監視部にそれぞれの群分割が所属してお
り、各群の電池は所属する各監視部によって共通に監視
される。各監視部が積層体の最初の電池と最後の電池を
監視しなければならない場合、それぞれの監視部に、積
層体の入口電圧と出口電圧が取り込まれる。
項に記載されている。
易にするために、図を用いていくつかの実施例を説明す
る。図1は、1個の燃料電池積層体を備えた燃料電池発
電装置の一部分を模式的に示したものである。
体4)を備えた燃料電池発電装置2が示されている。積
層体4は40個の燃料電池(電池b1〜b40 )を備えてい
る。一般的に、積層体は50個以上の燃料電池によって構
成される。
まとめられている。第1の群分割6はそれぞれ直列接続
された10個の電池を有する群GA,GB,GC,GD を備えてい
る。群GAは電池b1〜b10 を、群GBは電池b11 〜b20 を、
群GCは電池b21 〜b30 を、群GDは電池b31 〜b40 を有し
ている。第2の群分割8(すなわち、電池b1〜b40 を第
1の群分割6とは異なる方法で分割した別の群分割)は
群Ga,Gb,Gc,Gd,Geを備えている。群Gaは電池b1〜b5を有
し、群Gb,Gc,Gdは、それぞれ電池b6〜b15 、電池b16 〜
b25 、電池b26 〜b35 を、また群Geは電池b36 〜b40 を
有している。いずれの群分割においても、各電池がある
一つの群の構成要素となっている。
Gi(ここで、iはA,B,C,D,a,b,c,d,eに対応する)の電
圧として検出される。このとき、各群Giについて、最初
の電池の入口電圧(例えば、群GAの場合には電池b1の入
口電圧)とこの群Giの最後の電池の出口電圧(例えば、
群GAの場合には電池b10 の出口電圧)が測定される。
0、12により処理される。監視部10は電気的な入力
信号A〜Dを受け、監視部12は電気的な入力信号a〜
eを受ける。入力信号A,B,C,Dによって、第1の
群分割6の群GA,GB,GC,GD の電圧がそれぞれ検出され
る。また、監視部12の入力信号a, b, c, d, eに
よって、第2の群分割8の群Ga,Gb,Gc,Gd,Geの電圧がそ
れぞれ検出される。
となっており、そのうちの一方は第1の群分割6に組込
まれ、他方は第2の群分割8に組込まれている。よっ
て、各電池b1〜b40 は二つの監視部10、12により平
行して電圧が測定される。したがって、燃料電池発電装
置2は、電池b1〜b40 の電圧測定(したがって群Giの電
圧測定)が重複して行われるように構成されている。電
圧の取出しは信号線14により行われる。
を除いて、群Giはいずれも10個の電池を有している。
3個以上備えるように拡張することもできる。その場
合、各電池は、それぞれの監視部において、選択された
群の構成要素としてそれぞれ監視される。
電圧と出口電圧が接続されている。これにより、各監視
部において、積層体4の全電圧差が平均値として検出さ
れる。この平均値は、監視されている選択された群の電
圧のみならず積層体の他の全ての電池に所属している。
積層体4には、2個の燃料電池の間の電気接続部の電圧
をそれぞれ取出す複数のタップが配されており、周期的
に入れ替える方式によって同時に監視部10,12に接
続される。ある監視部(例えば図においては監視部1
0)へ導かれている2つのタップの間に、監視部12用
および他の監視部用の電圧タップが備えられている。例
えば電池b6を監視する場合には、監視部10では、電池
b1〜b10 がこの電池b6のために選択された群にまとめら
れ、入力信号Aにより群として検出される。また、監視
部12では、電池b6〜b15 がこの電池b6のために選択さ
れた群を構成し、その電圧が入力信号bにより共通に検
出される。同様に積層体4をさらに別の区分で個々の群
に分割することができ、それゆえ電池b6は別の監視部の
ためにその区分に応じて選択された群の構成要素とな
る。
視される。入力信号A(もしくはb)と、監視用の基準
値として例えば積層体4の両端より取出された電圧とを
用いる電池b6の監視について、以下においてさらに詳細
に説明する。
る。例えば、電池b16 は電池b11 〜b20 よりなる群の構
成要素であり、それらの電圧は入力信号Bにまとめら
れ、電池b16 を監視するために選択された群を形成す
る。
合、各電池が選択された群の構成要素となる。また、監
視部が複数の場合、各電池が各監視部のために定められ
る選択された群の構成要素となる。全ての群が各監視部
によって請求項1に記載の方法により同時に監視される
ので、図1の監視装置の場合、全ての電池が同時にかつ
重複して監視されることとなる。
部(例えば監視部10)で監視する場合には、電池biが
属する群Gi(すなわち電池b16 のとき群GB)が選択され
る。電池b16 のために選択された群GBの連続して直列接
続された電池b11 〜b20 の平均電圧の時間変化が検知さ
れ、他の電池(すなわち、例えば積層体4のすべての電
池b1〜b40 、あるいは場合によっては群GBの電池b11 〜
b20 とは異なる電池)の測定電圧ならびにその時間変化
より得られた基準値と比較される。
積層体4の電池の平均電圧 0は、次式(1)で与えられ
る。
応する入力信号の電圧、またu0 は積層体4の出口電圧
と入口電圧との差であり、ni は選択された群Giの電池
の個数、n0 は積層体4全体の電池の個数である。この
場合、個々の群の個数ni は異なっていてもよい。ui
とu0 はそれぞれui (t) 、u0(t),u i (t')、u
0(t') として連続した時点で測定される。選択された群
Giの全電圧の相対値Ui (rel) は次式で与えられる。
変化として、これらの時点で測定された電圧の差が異な
る形式で定められ、全電圧u0 と、時点tとt' の間の
u0 の変化とから予め求められた基準値DBと比較され
る。この基準値DBは全体の群Giの全電圧の相対変化とし
て次式で与えられる。
総和として、次式で与えられる。
に対して平均電圧の変化Δiは、百分率表示で以下のご
とくとなる。
た電池に対する評価基準は、以下のごとくとなる。
値で、例えば50%とする。
体の群の電圧の変化と比較する動的な方法として、この
監視は、ある燃料電池電池が故障したときの変化が速い
場合には感度が高いが、電池の電圧が緩やかに変化する
緩慢な変化に対しては感度が低い。これに対して、冒頭
に述べたような、群の電圧を他の群あるいは全体の群の
電圧と比較する公知の静的な方法は、時間の経過ととも
に群の電圧の変化が多大となる電圧変化に対しては感度
が高い。
わせて用いられると好ましい。したがって、選択された
群の電池の平均電圧が、他の群あるいは全体の群の電池
の電圧より求められた電圧基準値と比較され、同時に、
それらの電圧の変化が比較される。これにより、以下の
ごとく、もう一つの評価基準が導かれる。
(8)のQとしては例えば100 mVが用いられ、式
(9)のQとしては例えば20%が用いられる。
れる群Giの電池について、漏洩の発生に伴って生ずるが
ごとき急速な電圧変化と、構成部品が徐々に損傷するこ
とによって生じる緩やかな電圧変化を同時に検出するこ
とができる。
き方法により監視することとしたので、燃料電池積層体
の燃料電池の故障が、簡便な方法で、かつ精度よく確実
に識別されることとなった。 (2)また、請求項13または14に記載のごとき監視
装置を用いれば、請求項1乃至12に記載のごとき方法
により監視できるので、燃料電池積層体の燃料電池の故
障を、簡便な方法でかつ精度よく確実に識別する監視装
置として好適である。
基本構成を示す要部の模式図
Claims (14)
- 【請求項1】選択された群(GA)の燃料電池(bi)の平
均電圧の時間変化を求め、得られた値を、他の燃料電池
(b11 〜b40 )の電圧の時間変化を少なくとも加味した
基準値と比較することによって、燃料電池積層体(4) の
燃料電池(b1〜b40 )の選択された群(GA)の監視を行
うことを特徴とする燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項2】燃料電池積層体(4) の全電池(b1〜b40 )
を、連続して直列接続された電池(bi)よりなる複数の
群(Gi)に分割し、選択された群(GA)の平均電圧の時
間変化と他の群の平均電圧とを検出し、かつ、2つの互
いに連続する時点で測定された各群(GA,Gi)の最初の
電池の入口電圧値と最後の電池の出口電圧値より各群
(GA,Gi)の平均電圧を得ることを特徴とする請求項1
記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項3】群(Gi)の電圧の時間変化として、この群
の最初の燃料電池の入口電圧と最後の燃料電池の出口電
圧との差の相対変化を用いることを特徴とする請求項2
記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項4】選択された群(GA)の燃料電池(bi)の平
均電圧として、これらの燃料電池の電圧の総和の測定値
を燃料電池(bi)の個数により除した値を用いることを
特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載のに燃料電池
積層体の監視方法。 - 【請求項5】選択された群(GA)の燃料電池の平均電圧
の変化として、選択された群(GA)の燃料電池(bi)の
電圧の総和の測定値の相対変化を用いることを特徴とす
る請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池積層体の
監視方法。 - 【請求項6】基準値が、少なくとも、選択された群(G
A)に属しないすべての燃料電池の電圧ならびにその変
化を加味したものであることを特徴とする請求項1乃至
5のいずれかに記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項7】基準値として、測定電圧の相対変化の総和
が用いられることを特徴とする請求項1乃至6のいずれ
かに記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項8】基準値として、測定電圧の総和の相対変化
が用いられることを特徴とする請求項1乃至6のいずれ
かに記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項9】選択された群(Gi)の燃料電池の平均電圧
を、全燃料電池の電圧より得られたあるいは積層体(4)
の少なくとも他の燃料電池の電圧より得られた平均電圧
と比較することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか
に記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項10】燃料電池積層体(4) のすべての燃料電池
(bi)の電圧を同時に検出し、それぞれの燃料電池(b
i)を選択された群(Gi)の構成要素として監視するこ
とを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の燃料
電池積層体の監視方法。 - 【請求項11】燃料電池積層体(4) のそれぞれの燃料電
池(bi)を、少なくとも二つの選択された群(Gi)の構
成要素として、重複して監視することを特徴とする請求
項1乃至10のいずれかに記載の燃料電池積層体の監視
方法。 - 【請求項12】重複する監視が、重複して設けられた測
定電圧監視部(10,12)により行われることを特徴
とする請求項11記載の燃料電池積層体の監視方法。 - 【請求項13】燃料電池積層体(4) の直列接続された燃
料電池(b1〜b40 )の監視装置において、少なくとも二
つの監視部(10,12)を備え、予め定められた時点
でそれぞれの監視部(10,12)に全燃料電池積層体
(4) の入口電圧と出口電圧が導入され、かつ、隣接する
燃料電池の間からそれぞれ取出された複数の電圧がタッ
プと信号入力端を介してそれぞれの監視部(10,1
2)に導入され、さらに一方の監視部(10)に接続さ
れた二つのタップの間に、他の監視部(12)へ導かれ
る信号線(14)を備えたタップが少なくとも1個配さ
れ、それぞれの監視部(10,12)において、その時
点で導入された複数の電圧差を先行する時点で導入され
た対応する電圧差と比較する計算処理が行われることを
特徴とする燃料電池積層体の監視装置。 - 【請求項14】同一の監視部(10)に接続された二つ
のタップの間に、他の監視部(12)に接続されるタッ
プがそれぞれ1個配されていることを特徴とする請求項
13記載の燃料電池積層体の監視装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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