CN105960728A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池。燃料电池系统还具备：湿润控制状态判定部，其判定对燃料电池的电解质膜的湿润度进行控制的湿润控制是否被正常执行；合成电容量计算部，其计算燃料电池的合成电容量；以及负极气体浓度控制部，其在判定为湿润控制正常时燃料电池的合成电容量小于规定值的情况下，判定为燃料电池内的负极气体浓度正在降低、或者执行负极气体浓度的上升控制。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种具备接受负极(anode)气体和正极(cathode)气体的供给来进行发电的燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

日本JP2009-210314A公开如下一种燃料电池系统：计算燃料电池的电容器成分的静电容量，基于计算出的静电容量来诊断燃料电池的电解质膜的湿润度(含水量)。

发明内容

另一方面，本申请发明人们发现了：燃料电池的负极电极侧的双电层电容量和正极电极侧的双电层电容量的合成电容量不仅基于电解质膜的湿润度发生变化，还基于燃料电池内的负极气体浓度发生变化。

因此，在未考虑到燃料电池的合成电容量受负极气体浓度的影响的上述燃料电池系统中，无法将燃料电池的电解质膜的干涸(干燥异常)、燃料电池内的负极气体浓度的降低相区别地进行检测。

本发明的目的在于提供如下一种燃料电池系统：能够与燃料电池的电解质膜的湿润度相区别地检测燃料电池内的负极气体浓度的状态，从而能够做出与负极气体浓度状态相应的适当应对。

根据本发明的某个方式，提供一种具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池的燃料电池系统。燃料电池系统具备：湿润控制状态判定部，其判定对燃料电池的电解质膜的湿润度进行控制的湿润控制是否被正常执行；合成电容量计算部，其计算燃料电池的合成电容量；以及负极气体浓度控制部，其在判定为湿润控制正常时燃料电池的合成电容量小于规定值的情况下，判定为燃料电池内的负极气体浓度正在降低、或者执行负极气体浓度的上升控制。

附图说明

图1是本发明的实施方式的燃料电池的立体图。

图2是图1的燃料电池的II-II截面图。

图3是本发明的实施方式的燃料电池系统的概要结构图。

图4是表示燃料电池的等效电路的图。

图5是燃料电池系统的控制器所执行的管理控制的流程图。

图6是表示控制器所执行的湿润度判定用内部阻抗HFR计算处理的流程图。

图7是用于说明燃料电池堆的合成电容量的计算原理的图。

图8是表示控制器所执行的合成电容量C计算处理的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。

燃料电池构成为用作为燃料极的负极电极和作为氧化剂极的正极电极将电解质膜夹在中间。燃料电池使用供给到负极电极的含有氢的负极气体和供给到正极电极的含有氧的正极气体来进行发电。负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。

负极电极：2H₂→4H⁺+4e^-…(1)

正极电极：4H⁺+4e^-+O₂→2H₂O…(2)

通过该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1V(伏特)左右的电动势。

图1和图2是用于说明本发明的一个实施方式的燃料电池10的结构的图。图1是燃料电池10的立体图，图2是图1的燃料电池10的II-II截面图。

如图1和图2所示，燃料电池10具备膜电极组件(MEA)11以及以将MEA 11夹在中间的方式配置的负极隔板12和正极隔板13。

MEA 11由电解质膜111、负极电极112以及正极电极113构成。MEA 11在电解质膜111的其中一面侧具有负极电极112，在另一面侧具有正极电极113。

电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现出良好的电传导性。

负极电极112具备催化剂层112A和气体扩散层112B。催化剂层112A是由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成的构件，设置成与电解质膜111接触。气体扩散层112B配置于催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是由具有气体扩散性和导电性的碳布形成的构件，设置成与催化剂层112A及负极隔板12接触。

与负极电极112同样地，正极电极113也具备催化剂层113A和气体扩散层113B。催化剂层113A配置于电解质膜111与气体扩散层113B之间，气体扩散层113B配置于催化剂层113A与正极隔板13之间。

负极隔板12配置于气体扩散层112B的外侧。负极隔板12具备用于向负极电极112供给负极气体(氢气)的多个负极气体流路121。负极气体流路121形成为槽状通路。

正极隔板13配置于气体扩散层113B的外侧。正极隔板13具备用于向正极电极113供给正极气体(空气)的多个正极气体流路131。正极气体流路131形成为槽状通路。

负极隔板12和正极隔板13构成为使在负极气体流路121中流动的负极气体的流动方向与在正极气体流路131中流动的正极气体的流动方向互为反向。此外，负极隔板12和正极隔板13也可以构成为使这些气体的流动方向为向相同方向流动。

在将这种燃料电池10用作汽车用电源的情况下，由于所要求的电力大，因此作为将数百块燃料电池10层叠而得到的燃料电池堆1来使用。然后，构成向燃料电池堆1供给负极气体和正极气体的燃料电池系统100，取出用于驱动车辆的电力。

图3是本发明的一实施方式的燃料电池系统100的概要图。

燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3、堆冷却装置4、电力系统5以及控制器6。

燃料电池堆1是层叠多块燃料电池10(单位电池)而成的层叠电池。燃料电池堆1接受负极气体和正极气体的供给来发出车辆行驶所需的电力。燃料电池堆1具有负极电极侧端子1A和正极电极侧端子1B作为取出电力的输出端子。

正极气体供排装置2向燃料电池堆1供给正极气体，并且将从燃料电池堆1排出的正极排气排出到外部。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路21、正极气体排出通路22、过滤器23、气流传感器24、正极压缩机25、正极压力传感器26、水分回收装置(WRD；Water Recovery Device)27以及正极压力调节阀28。

正极气体供给通路21是流通向燃料电池堆1供给的正极气体的通路。正极气体供给通路21的一端连接于过滤器23，另一端连接于燃料电池堆1的正极气体入口部。

正极气体排出通路22是流通从燃料电池堆1排出的正极排气的通路。正极气体排出通路22的一端连接于燃料电池堆1的正极气体出口部，另一端形成为开口端。正极排气是包含正极气体、通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。

过滤器23是将取入到正极气体供给通路21的正极气体中含有的尘、埃等去除的构件。

正极压缩机25设置于比过滤器23更靠下游侧的正极气体供给通路21。正极压缩机25加压输送正极气体供给通路21内的正极气体来供给到燃料电池堆1。

气流传感器24设置于过滤器23与正极压缩机25之间的正极气体供给通路21。气流传感器24检测供给到燃料电池堆1的正极气体的流量。

正极压力传感器26设置于正极压缩机25与WRD 27之间的正极气体供给通路21。正极压力传感器26检测供给到燃料电池堆1的正极气体的压力。由正极压力传感器26检测出的正极气体压力代表包括燃料电池堆1的正极气体流路等在内的整个正极系统的压力。

WRD 27横跨正极气体供给通路21和正极气体排出通路22地将它们连接。WRD 27回收在正极气体排出通路22中流动的正极排气中的水分，使用所回收的该水分来加湿在正极气体供给通路21中流动的正极气体。

正极压力调节阀28设置于比WRD 27更靠下游的正极气体排出通路22。正极压力调节阀28由控制器6来控制开闭，对供给到燃料电池堆1的正极气体的压力进行调整。

接着，说明负极气体供排装置3。负极气体供排装置3向燃料电池堆1供给负极气体，并且将从燃料电池堆1排出的负极排气排出到正极气体排出通路22。负极气体供排装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、负极压力调节阀33、负极压力传感器34、负极气体排出通路35、缓冲罐36、放气通路37以及放气阀38。

高压罐31是将要向燃料电池堆1供给的负极气体保持为高压状态来贮存的容器。

负极气体供给通路32是将从高压罐31排出的负极气体供给到燃料电池堆1的通路。负极气体供给通路32的一端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池堆1的负极气体入口部。

负极压力调节阀33设置于比高压罐31靠下游的负极气体供给通路32。负极压力调节阀33由控制器6来控制开闭，对供给到燃料电池堆1的负极气体的压力进行调整。

负极压力传感器34设置于比负极压力调节阀33靠下游的负极气体供给通路32。负极压力传感器34检测供给到燃料电池堆1的负极气体的压力。由负极压力传感器34检测出的负极气体压力代表包括缓冲罐36、燃料电池堆1的负极气体流路等在内的整个负极系统的压力。

负极气体排出通路35是流通从燃料电池堆1排出的负极排气的通路。负极气体排出通路35的一端连接于燃料电池堆1的负极气体出口部，另一端连接于缓冲罐36。负极排气中包含电极反应中未被使用的负极气体、从正极气体流路131向负极气体流路121泄漏过来的氮等杂质气体、水分等。

缓冲罐36是暂时蓄积通过负极气体排出通路35流过来的负极排气的容器。积存在缓冲罐36中的负极排气在放气阀38被打开时通过放气通路37排出到正极气体排出通路22。

放气通路37是用于排出负极排气的通路。放气通路37的一端连接于缓冲罐36的上游的负极气体排出通路35，另一端连接于比正极压力调节阀28靠下游的正极气体排出通路22。

放气阀38设置于放气通路37。放气阀38由控制器6来控制开闭，对从负极气体排出通路35排出到正极气体排出通路22的负极排气的放气流量进行控制。

当执行放气阀38为开阀状态的放气控制时，负极排气通过放气通路37和正极气体排出通路22排出到外部。此时，负极排气在正极气体排出通路22内与正极排气混合。通过像这样使负极排气与正极排气混合后排出到外部，混合气体中的负极气体浓度(氢浓度)被设定为排出容许浓度以下的值。

堆冷却装置4是利用作为防冻液等的冷却水对燃料电池堆1进行冷却、将燃料电池堆1调整为适于发电的温度的温度调整装置。堆冷却装置4具备循环通路41、散热器42、旁路通路43、三通阀44、循环泵45、PTC加热器46、入口水温传感器47以及出口水温传感器48。

循环通路41构成为使冷却水循环的环状通路。循环通路41的一端连接于燃料电池堆1的冷却水入口部，另一端连接于燃料电池堆1的冷却水出口部。

散热器42设置于循环通路41。散热器42是将从燃料电池堆1排出的冷却水的热散出到外部的热交换器。

旁路通路43是绕过散热器42地流通冷却水的通路。旁路通路43的一端连接于散热器42的上游的循环通路41，另一端连接于散热器42的下游的循环通路41上设置的三通阀44。

三通阀44根据冷却水的温度来切换冷却水的循环路径。具体地说，在冷却水温度高于规定温度的情况下，三通阀44以使从燃料电池堆1排出的冷却水通过散热器42再次供给到燃料电池堆1的方式进行切换。与此相对，在冷却水温度低于规定温度的情况下，三通阀44以使从燃料电池堆1排出的冷却水流过旁路通路43来再次供给到燃料电池堆1的方式进行切换。

循环泵45设置于比三通阀44靠下游的循环通路41，使冷却水循环。

PTC加热器46设置于旁路通路43。PTC加热器46在燃料电池堆1暖机时被通电，使冷却水温度上升。

入口水温传感器47设置于燃料电池堆1的冷却水入口部附近的循环通路41，出口水温传感器48设置于燃料电池堆1的冷却水出口部附近的循环通路41。入口水温传感器47检测流入燃料电池堆1的冷却水温度，出口水温传感器48检测从燃料电池堆1排出的冷却水的温度。根据由入口水温传感器47检测出的入口水温和由出口水温传感器48检测出的出口水温而计算出的平均水温被用作燃料电池堆1的内部温度、所谓的堆温度。

电力系统5具备电流传感器51、电压传感器52、行驶马达53、逆变器54、蓄电池55以及DC/DC转换器56。

电流传感器51检测从燃料电池堆1取出的输出电流。电压传感器52检测燃料电池堆1的输出电压、也就是说负极电极侧端子1A与正极电极侧端子1B之间的端子间电压。电压传感器52既可以构成为检测每块燃料电池10的电压，也可以构成为检测每多块燃料电池10的电压。

行驶马达53是三相交流同步马达，是用于驱动车轮的驱动源。行驶马达53具有作为电动机的功能和作为发电机的功能，该作为电动机的功能是从燃料电池堆1和蓄电池55接受电力的供给来进行旋转驱动，该作为发电机的功能是通过被外力驱动旋转来进行发电。

逆变器54由多个IGBT等半导体开关构成。逆变器54的半导体开关由控制器6控制开关，由此将直流电力变换为交流电力，或者将交流电力变换为直流电力。在使行驶马达53作为电动机而发挥功能的情况下，逆变器54将燃料电池堆1的输出电力与蓄电池55的输出电力的合成直流电力变换为三相交流电力来供给到行驶马达53。与此相对，在使行驶马达53作为发电机而发挥功能的情况下，逆变器54将行驶马达53的再生电力(三相交流电力)变换为直流电力来供给到蓄电池55。

构成为对蓄电池55充入燃料电池堆1的输出电力的剩余部分和行驶马达53的再生电力。充入到蓄电池55的电力根据需要被供给到正极压缩机25等辅机类、行驶马达53。

DC/DC转换器56是使燃料电池堆1的输出电压升降的双向性的电压变换机。通过利用DC/DC转换器56对燃料电池堆1的输出电压进行控制，来调整燃料电池堆1的输出电流等。

控制器6由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。除了来自气流传感器24等各种传感器的信号以外，来自检测加速踏板的踏下量的加速行程传感器61等检测燃料电池系统100的状态的传感器的信号也被输入到控制器6。

控制器6根据燃料电池系统100的运转状态来控制负极压力调节阀33、正极压力调节阀28、正极压缩机25等，对供给到燃料电池堆1的负极气体、正极气体的压力、流量进行调整。

另外，控制器6基于燃料电池系统100的运转状态来计算燃料电池堆1的目标输出电力。控制器6基于行驶马达53的要求电力、正极压缩机25等辅机类的要求电力、蓄电池55的充放电要求等来计算目标输出电力。控制器6基于目标输出电力，参照预先决定的燃料电池堆1的IV特性(电流电压特性)来计算燃料电池堆1的目标输出电流。然后，控制器6通过DC/DC转换器56对燃料电池堆1的输出电压进行控制以使燃料电池堆1的输出电流为目标输出电流，供给行驶马达53、辅机类所需的电流。

另外，控制器6对正极压缩机25、循环泵45等进行控制以使燃料电池10的电解质膜111的湿润度(含水量)为适于发电的状态。控制器6计算与电解质膜111的湿润度之间存在相关关系的燃料电池堆1的内部阻抗HFR，以使湿润度判定用内部阻抗HFR为目标HFR的方式对正极压缩机25、循环泵45等进行控制。在本实施方式中，目标HFR被设定为预先通过实验等决定的适于发电的规定值。也可以根据燃料电池系统100的状态来适当设定目标HFR。

例如基于交流阻抗法来计算湿润度判定用内部阻抗HFR。在使用交流阻抗法的情况下，控制器6以使燃料电池堆1的输出电流和输出电压成为具有湿润度判定用频率(例如1kHz)的交流信号的方式控制燃料电池堆1的输出，基于此时检测的输出电流值和输出电压值来计算湿润度判定用内部阻抗HFR。参照图6来在后面叙述湿润度判定用内部阻抗HFR的计算的一例。此外，也能够使用交流阻抗法以外的手法、例如交流电桥法来计算湿润度判定用内部阻抗HFR。

另外，在燃料电池系统100中，将燃料电池堆1内的负极气体浓度(氢浓度)维持为能够高效且稳定地发电的浓度是重要的，必须避免负极气体浓度成为使发电效率降低的浓度。关于燃料电池堆1内的负极气体浓度，本申请发明人们发现：在燃料电池堆1内的负极气体浓度与燃料电池堆1的合成电容量之间存在相关关系。燃料电池堆1的合成电容量是指将各燃料电池10的负极电极112的双电层电容量与正极电极113的双电层电容量合成而得到的电容量。本实施方式的燃料电池系统100构成为基于燃料电池堆1的合成电容量来检测燃料电池堆1中的负极气体浓度的状态。

在燃料电池系统100中，基于使用交流阻抗法得到的合成电容量判定用内部阻抗来计算燃料电池堆1的合成电容量。例如，控制器6以使燃料电池堆1的输出电流和输出电压成为具有比湿润度判定用频率低的合成电容量判定用频率(例如几Hz～几百Hz)的交流信号的方式控制燃料电池堆1的输出。然后，控制器6基于输出电流值和输出电压值来计算合成电容量判定用内部阻抗，基于合成电容量判定用内部阻抗的虚部成分Zim来计算燃料电池堆1的合成电容量。参照图8来在后面叙述合成电容量的计算的一例。

接着，参照图4来说明基于燃料电池10的合成电容量的负极气体浓度状态的检测原理。图4是表示燃料电池10的等效电路的示意图。

如图4所示，构成燃料电池堆1的燃料电池10的等效电路由电解质膜111的膜电阻Rmem、负极电极112的法拉第阻抗Z_Fa(电阻成分)及双电层电容量Ca(电容器成分)以及正极电极113的法拉第阻抗Z_Fc(电阻成分)及双电层电容量Cc(电容器成分)来表示。

在这种等效电路上例如叠加包含上述的合成电容量判定用频率的交流电流(交流信号)的情况下，能够利用交流阻抗法来计算将燃料电池10的负极电极112的双电层电容量Ca与正极电极113的双电层电容量Cc合成而得到的合成电容量。

在此，在负极气体内几乎不含杂质气体等、燃料电池10内的负极气体浓度未降低的情况下，在负极电极112的周边存在足够的量的负极气体。负极气体在负极电极112处的反应性高，因此在燃料电池10内存在足够的负极气体的情况下，负极电极112的法拉第阻抗Z_Fa非常小，合成电容量检测时的交流电流几乎不流入负极电极112的双电层电容量Ca。因此，燃料电池10的合成电容量为不包含负极电极112的双电层电容量Ca的、仅正极电极113的双电层电容量Cc的值。

另一方面，当负极气体内的杂质气体等增加、负极气体浓度降低时，负极电极112的周边的负极气体量减少。在这种情况下，负极电极112处的负极气体的反应性降低，因此负极电极112的法拉第阻抗Z_Fa变大。这样一来，合成电容量检测时的交流电流不仅流入负极电极112的法拉第阻抗Z_Fa还流入双电层电容量Ca。其结果，燃料电池10的合成电容量C如(1)式所示那样为将负极电极112的双电层电容量Ca与正极电极113的双电层电容量Cc合成而得到的值。

[式1]

$C=\frac{C_a{C}_c}{C_a+C_c}\mathrm{...}\left(1\right)$

当负极气体浓度降低时，负极电极112的双电层电容量Ca的影响变大而双电层电容量Ca的表观上的值增大，因此负极气体浓度越低，则通过(1)式计算出的燃料电池10的合成电容量C越小。也就是说，燃料电池10的合成电容量C根据负极气体浓度而变化，负极气体浓度越低则合成电容量C越低。在本实施方式中，利用这种合成电容量的特性，燃料电池系统100构成为基于燃料电池堆1的合成电容量来检测负极气体浓度的状态。

在此，考虑正极气体浓度降低、正极电极113周边的正极气体量减少的情况。正极气体在正极电极113处的反应性低，因此正极电极113的法拉第阻抗Z_Fc大，在合成电容量检测时无法忽视正极电极113的双电层电容量Cc。因此，即使正极气体浓度降低、正极电极113的法拉第阻抗Z_Fc增大，正极电极113的双电层电容量Cc也不会大幅变化。因而，在本实施方式的燃料电池系统100中，即使处于正极气体浓度降低这样的状况，也能够基于燃料电池10的合成电容量来高精度地检测负极气体浓度的状态。

接着，参照图5来说明燃料电池堆1的湿润度和负极气体浓度的管理控制。图5是表示燃料电池系统100的控制器6所执行的管理控制的流程图。该管理控制是在燃料电池系统100启动后到结束为止的期间内以规定的运算周期重复执行的。

在步骤101(S101)中，控制器6执行计算湿润度判定用内部阻抗HFR的处理。湿润度判定用内部阻抗HFR是与燃料电池10的电解质膜111的湿润度之间存在相关关系的指标。电解质膜111的湿润度越低、也就是说电解质膜111越干燥，则湿润度判定用内部阻抗HFR的值越大。此外，参照图6来在后面叙述湿润度判定用内部阻抗HFR计算处理的详情。

在S102中，控制器6判定通过S101计算出的湿润度判定用内部阻抗HFR是否为规定范围内的值。规定范围被设定为电解质膜111的湿润度为适于发电的湿润度的范围。

在湿润度判定用内部阻抗HFR为规定范围内的值的情况下，控制器6判定为湿润控制(湿润度控制)被正常执行，执行S103的处理。另一方面，控制器6在湿润度判定用内部阻抗HFR小于规定范围的下限值的情况下判定为湿润控制异常且电解质膜111处于过干燥状态，在湿润度判定用内部阻抗HFR大于规定范围的上限值的情况下判定为湿润控制异常且电解质膜111处于过湿润状态。在像这样判定为湿润控制异常的情况下，控制器6执行S106以后的处理。

在S102中判定为湿润控制被正常执行的情况下，控制器6在S103中执行计算燃料电池堆1的合成电容量C的处理。燃料电池堆1的合成电容量C是与燃料电池堆1内的负极气体浓度之间存在相关关系的指标，负极气体浓度越低则该合成电容量C的值越小。此外，参照图7和图8来在后面叙述合成电容量C计算处理的详情。

在S104中，控制器6判定通过S103计算出的合成电容量C是否小于判定值Cr。判定值Cr被设定为能够判定燃料电池堆1内的负极气体浓度是否为发电所需的浓度的值。

在计算出的合成电容量C为判定值Cr以上的情况下，控制器6判定为燃料电池堆1内的负极气体浓度正常、向燃料电池堆1供给了发电所需的量的负极气体，结束本管理控制。另一方面，在计算出的合成电容量C小于判定值Cr的情况下，控制器6判定为燃料电池堆1内的负极气体浓度低、负极气体量不足，执行S105的处理。

在S105中，控制器6执行使燃料电池堆1内的负极气体浓度恢复(上升)的控制。在S105的处理后，控制器6结束本管理控制。

在负极气体浓度恢复控制中，控制器6以使负极压力变高的方式控制负极压力调节阀33、或者以排出负极排气的方式控制放气阀38。此外，在燃料电池系统100构成为通过未图示的回流泵使排出到负极气体排出通路35的负极排气回流到负极气体供给通路32的情况下，也可以以使回流的负极排气的流量变多的方式控制回流泵，来使负极气体浓度恢复。

如上所述，控制器6在合成电容量C小于判定值Cr的情况下判定为负极气体浓度正在降低，执行负极气体浓度恢复控制。然而，控制器6也可以构成为：在合成电容量C小于判定值Cr的情况下，不判定负极气体浓度的降低，而是仅执行负极气体恢复控制。另外，控制器6还可以构成为：在合成电容量C小于判定值Cr的情况下，判定出负极气体浓度降低，向驾驶员等通知处于低负极气体浓度状态。

另外，在S102中判定为湿润控制异常的情况下，控制器6执行S106的合成电容量C计算处理，之后在S107中判定合成电容量C是否小于判定值Cr。S106的处理是与S103的处理相同的处理，S107的处理是与S104的处理相同的处理。

在S107中判定为合成电容量C小于判定值Cr的情况下，控制器6执行S108的处理。在S108中，控制器6执行湿润度恢复控制和负极气体浓度恢复控制。在S108的处理后，控制器6结束本管理控制。

已知的是，在湿润控制存在异常的情况下，特别是在电解质膜111的湿润度过干燥的情况下，因湿润度的降低导致燃料电池堆1的合成电容量降低。因此，在湿润控制存在异常而电解质膜111过干燥的状态下，无法判别燃料电池堆1的合成电容量的降低是由湿润度的降低引起的还是由负极气体浓度的降低引起的。其结果，存在以下担忧：基于燃料电池堆1的合成电容量无法检测负极气体浓度的降低。因此，在湿润控制异常时燃料电池堆1的合成电容量C变得小于判定值Cr的情况下，控制器6不仅执行使电解质膜111的湿润度恢复的控制，还同时执行使燃料电池堆1内的负极气体浓度恢复(上升)的控制。

为了在电解质膜111处于过干燥状态的情况下提高湿润度，控制器6以使正极气体流量变少的方式控制正极压缩机25，或者以使堆温度降低的方式控制循环泵45。另一方面，为了在电解质膜111处于过湿润状态的情况下使湿润度降低，控制器6以使正极气体流量变多的方式控制正极压缩机25，或者以使堆温度上升的方式控制循环泵45。此外，S108中的负极气体浓度恢复控制与S105的情况相同。

另一方面，在S107中判定为合成电容量C为判定值Cr以上的情况下，控制器6判断为至少负极气体浓度没有降低，执行S109的处理。在S109中，控制器6仅执行湿润度恢复控制，之后结束本管理控制。此外，S109中的湿润度恢复控制与S108的情况相同。

参照图6来说明在图5的S101中执行的燃料电池堆1的湿润度判定用内部阻抗HFR的计算处理。湿润度判定用内部阻抗HFR的计算处理是基于交流阻抗法的处理。

在S201中，控制器6以使从燃料电池堆1输出的输出电流和输出电压成为具有湿润度判定用频率(例如1kHz)的交流信号的方式控制DC/DC转换器56。

在S202中，控制器6对由电流传感器51检测出的输出电流值(交流电流值)实施已知的傅立叶变换处理，来计算湿润度判定用频率下的电流振幅值。

在S203中，控制器6对由电压传感器52检测出的输出电压值(交流电压值)实施已知的傅立叶变换处理，来计算湿润度判定用频率下的电压振幅值。

在S204中，控制器6将通过S203计算出的电压振幅值除以通过S202计算出的电流振幅值，来计算与电解质膜111的湿润度之间存在相关关系的湿润度判定用内部阻抗HFR。在S204的处理后，控制器6结束湿润度判定用内部阻抗HFR计算处理。

通过S204计算出的湿润度判定用内部阻抗HFR用于在图5的管理控制的S102中判断湿润控制的状态。

接着，参照图7和图8来说明燃料电池堆1的合成电容量C的计算。图7是用于说明燃料电池堆1的合成电容量C的计算原理的图，图8是表示在图5的S103和S106中执行的合成电容量C计算处理的流程图。

利用交流阻抗法来执行燃料电池堆1的合成电容量C的计算。如图4所示，构成燃料电池堆1的燃料电池10的等效电路由电解质膜111的膜电阻Rmem、负极电极112的法拉第阻抗Z_Fa及双电层电容量Ca以及正极电极113的法拉第阻抗Z_Fc及双电层电容量Cc来表示。在这种等效电路中，燃料电池10的内部阻抗Z(合成阻抗)能够如(2)式那样表示。

[式2]

$Z=R_{mcm}+\frac{Z_{Fa}(1-{\mathrm{j\ωC}}_a{Z}_{Fa})}{1+{\mathrm{\ω}}^2{C}_a^2{Z}_{Fa}^2}+\frac{Z_{Fc}(1-{\mathrm{j\ωC}}_c{Z}_{Fc})}{1+{\mathrm{\ω}}^2{C}_c^2{Z}_{Fc}^2}...\left(2\right)$

ω＝2πf

f：交流信号的频率

当提取内部阻抗Z的虚部成分Zim时，(2)式能够如(3)式那样变形。

[式3]

$Z_{im}=-\frac{{\mathrm{\ωC}}_a{Z}_{Fa}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{C}_a^2{Z}_{Fa}^2}-\frac{{\mathrm{\ωC}}_c{Z}_{Fc}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{C}_c^2{Z}_{Fc}^2}...\left(3\right)$

当对(3)式进一步变形时，如(4)式那样。

[式4]

$\begin{array}{c}-\frac{1}{{\mathrm{\ωZ}}_{im}}=\frac{1}{C_a{Z}_{Fa}^2(1+{\mathrm{\ω}}^2{C}_c^2{Z}_{Fc}^2)+C_c{Z}_{Fc}^2(1+{\mathrm{\ω}}^2{C}_a^2{Z}_{Fa}^2)}\×\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}+\\ \frac{\frac{C_a^2{Z}_{Fa}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_a{C}_c{Z}_{Fa}^2{Z}_{Fc}^2}+\frac{C_c^2{Z}_{Fc}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_a{C}_c{Z}_{Fa}^2{Z}_{Fc}^2}+C_a{C}_c}{\frac{C_a{Z}_{Fa}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_a{C}_c{Z}_{Fa}^2{Z}_{Fc}^2}+\frac{C_c{Z}_{Fc}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_a{C}_c{Z}_{Fa}^2{Z}_{Fc}^2}+C_a+C_c}\end{array}\mathrm{...}\left(4\right)$

当将(4)式整理为ω＝∞时，如(5)式那样。

[式5]

$\underset{\mathrm{\ω}\⇒+\mathrm{\∞}}{\lim }(-\frac{1}{{\mathrm{\ωZ}}_{im}})=\frac{C_a{C}_c}{C_a+C_c}...\left(5\right)$

该(5)式的右边表示构成燃料电池堆1的负极电极112与正极电极113的双电层电容量的串联合成电容量。另外，当将横轴设为1/ω²并将纵轴设为-1/(ω·Zim)时，(4)式为表示图7的实线(特性图)的线。如图7所示，特性图示出根据负极电极内的负极气体浓度(氢浓度)而不同的趋势，而这些实线的截距为负极电极112与正极电极113的双电层电容量的串联合成电容量(C_aC_c/(C_a+C_c))。

在此，在负极电极侧的负极气体浓度足够高、燃料电池堆1上叠加的交流电流的频率足够低的情况下，对燃料电池堆1进行模型化而得到的等效电路为省略了图4所示的等效电路的负极电极112的电路。

在这种等效电路中，作为与内部阻抗Z的虚部成分Zim有关的式子，能够得到(6)式。

[式6]

$-\frac{1}{{\mathrm{\ωZ}}_{im}}=\frac{1}{C_c{Z}_{Fc}^2}\×\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}+C_c...\left(6\right)$

(6)式表示在将横轴设为1/ω²并将纵轴设为-1/(ω·Zim)的情况下斜率为1/(C_c·Z_Fc ²)且截距为C_c的直线。该(6)式的截距表示合成电容量C。在负极电极侧的负极气体浓度足够高、燃料电池堆1上叠加的交流电流的频率足够低的情况下，负极电极112的双电层电容量Ca不会反映到合成电容量C中，正极电极113的双电层电容量Cc即为合成电容量C。也就是说，表示以下含义：在图7的特性图L_A中，在低频率区域相切的切线A的截距即为合成电容量C。

因而，能够根据图7的实线所示的特性图的在低频区域相切的切线A～D的截距来求出各负极气体浓度下的燃料电池堆1的合成电容量C。在负极气体浓度高的正常状态下，合成电容量C为正极电极113的双电层电容量Cc(切线A的截距)。而且，在发生异常等而负极气体浓度越低时，合成电容量C(切线B～D的截距)越接近串联合成电容量(C_aC_c/(C_a+C_c))。这样，随着负极气体浓度降低，燃料电池堆1的合成电容量C降低。

如上所述，能够根据图7的实线所示的特性图的在低频区域相切的切线的截距来求出各负极气体浓度下的燃料电池堆1的合成电容量。然而，为了描绘针对实线L_A～L_D的特性图的切线，需要多个频率下的实测值。

因此，本实施方式的燃料电池系统100构成为计算预先设定的一个合成电容量判定用频率f下的-1/(ω·Zim)来作为燃料电池堆1的合成电容量。

如图7所示，合成电容量判定用频率f是基于每个负极气体浓度的频率f_A～f_D而设定的，该每个负极气体浓度的频率f_A～f_D是根据在预先准备的每个负极气体浓度的特性图(实线L_A～L_D)以及与各特性图相切的切线(虚线A～D)中、特性图的纵轴的值同与该特性图对应的切线的截距的值相等的位置处的特性图的横轴的值而得到的。具体地说，将每个负极气体浓度的频率f_A～f_D的平均值、中央值等设定为合成电容量判定用频率f。合成电容量判定用频率f为比湿润度判定用内部阻抗HFR计算时的湿润度判定用频率(例如1kHz)低的频率(几Hz～几百Hz)。而且，能够将这样设定的合成电容量判定用频率f下的-1/(ω·Zim)的值视作容许误差范围内的燃料电池堆1的合成电容量。

参照图8来说明在图5的S103和S106中执行的燃料电池堆1的合成电容量C的计算处理。合成电容量C计算处理是基于交流阻抗法的处理。

在S301中，控制器6以使从燃料电池堆1输出的输出电流和输出电压成为具有合成电容量判定用频率f的交流信号的方式控制DC/DC转换器56。

在S302中，控制器6对由电流传感器51检测出的输出电流值(交流电流值)实施已知的傅立叶变换处理，来计算合成电容量判定用频率下的电流振幅值。

在S303中，控制器6对由电压传感器52检测出的输出电压值(交流电压值)实施已知的傅立叶变换处理，来计算合成电容量判定用频率下的电压振幅值。

在S304中，控制器6将通过S303计算出的电压振幅值除以通过S302计算出的电流振幅值，来计算合成电容量判定用内部阻抗Z。

在S305中，在控制器6对由电流传感器51检测出的输出电流值和由电压传感器52检测出的输出电压值实施傅立叶变换处理之后，计算输出电压值相对于输出电流值的相位延迟θ。

在S306中，控制器6基于合成电容量判定用内部阻抗Z和相位延迟θ来计算合成电容量判定用内部阻抗Z的虚部成分Zim。

在S307中，控制器6根据合成电容量判定用频率f和合成电容量判定用内部阻抗的虚部成分Zim，基于(7)式来计算与负极气体浓度之间存在相关关系的燃料电池堆1的合成电容量C。在S307的处理后，控制器6结束合成电容量C计算处理。

[式7]

$C=-\frac{1}{\mathrm{\ω}\·Z_{im}}...\left(7\right)$

ω＝2πf

通过S307计算出的燃料电池堆1的合成电容量C用于在图5的管理控制的S104和S107中判断负极气体浓度的状态。

根据上述的本实施方式的燃料电池系统100，能够得到以下的效果。

燃料电池系统100具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池堆1以及控制燃料电池堆1的发电状态等的控制器6。控制器6包括：湿润控制状态判定部(S102)，其判定对电解质膜111的湿润度进行控制的湿润控制是否被正常执行；以及合成电容量计算部(S103)，其计算燃料电池堆1的合成电容量。并且，控制器6包括负极气体浓度控制部(S105)，该负极气体浓度控制部(S105)在判定为湿润控制正常时合成电容量小于规定值的情况下，判定为燃料电池堆1内的负极气体浓度正在降低或者执行负极气体浓度的上升控制。这样，在湿润控制被正常执行的情况下，基于燃料电池堆1的合成电容量来检测负极气体浓度的状态，因此能够与电解质膜111的湿润度相区别地检测负极气体浓度的状态。其结果，能够更可靠地执行负极气体浓度的降低判定、负极气体浓度的恢复控制(上升控制)。

在判定出负极气体浓度降低的情况下，能够通知燃料电池堆1处于低负极气体浓度状态、或者使燃料电池系统100的运转停止。另一方面，在执行负极气体浓度的恢复控制的情况下，能够使燃料电池堆1中的发电效率等恢复。

此外，在以往手法中，想到了将负极气体浓度的变化作为燃料电池的输出电压的变化来进行检测等。然而，如燃料电池系统100那样基于负极气体浓度变化的合成电容量的变化量比基于负极气体浓度变化的输出电压的变化量大。因此，在如燃料电池系统100那样基于燃料电池堆1的合成电容量来检测负极气体浓度的状态的情况下，能够高精度地检测负极气体浓度的状态。

控制器6包括：输出控制部(S201、S301)，其以使燃料电池堆1的输出电流和输出电压成为具有规定频率的交流信号的方式控制燃料电池堆1的输出；以及阻抗计算部(S204、S304)，其计算燃料电池堆1的内部阻抗。然后，控制器6基于根据湿润度判定用频率下的燃料电池堆1的输出电流和输出电压所计算出的湿润度判定用内部阻抗HFR来判定湿润控制的状态。另外，控制器6基于根据被设定成比湿润度判定用频率低的合成电容量判定用频率下的燃料电池堆1的输出电流和输出电压所计算出的合成电容量判定用内部阻抗来计算燃料电池堆1的合成电容量C。像这样将交流阻抗法中的测定频率分为湿润度判定用频率和合成电容量判定用频率来使用，因此能够将湿润控制的状态和负极气体浓度的状态相区别地进行检测。

在将合成电容量判定用频率设为f、将合成电容量判定用内部阻抗的虚部成分设为Zim的情况下，控制器6基于上述的(7)式来计算燃料电池堆1的合成电容量C。这样，根据燃料电池系统100，能够使用合成电容量判定用频率f和合成电容量判定用内部阻抗的虚部成分Zim来简单且迅速地计算燃料电池堆1的合成电容量C。

合成电容量判定用频率f是基于每个负极气体浓度的频率而设定的，该每个负极气体浓度的频率是根据在将横轴设为1/ω²并将纵轴设为-1/(ω·Zim)的预先准备的每个负极气体浓度的特性图以及于各特性图的低频率区域与该特性图相切的切线中、特性图的纵轴的值同与该特性图对应的切线的截距的值相等的位置处的特性图的横轴的值而得到的。更具体地说，每个负极气体浓度的频率的平均值、中央值等被设定为合成电容量判定用频率f。通过使用这样设定的一个合成电容量判定用频率f和合成电容量判定用内部阻抗的虚部成分Zim，能够简单且迅速地计算燃料电池堆1的合成电容量C。

控制器6在判定为湿润控制异常时，在燃料电池堆1的合成电容量小于规定值的情况下，执行负极气体浓度的恢复控制(上升控制)并且执行提高燃料电池堆1的电解质膜111的湿润度的控制。在湿润控制异常时燃料电池堆1的合成电容量降低的情况下，无法判别合成电容量的降低是由湿润度的降低引起的还是由负极气体浓度的降低引起的。因此，通过同时执行湿润度恢复控制和负极气体浓度恢复控制这两方，即使处于无法明确地判别负极气体浓度的降低的状态，也能够使燃料电池系统100的运转继续。

以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定成上述实施方式的具体结构。

本实施方式的燃料电池系统100的控制器6构成为使用湿润度判定用内部阻抗来检测湿润控制的异常。然而，控制器6也可以构成为不使用湿润度判定用内部阻抗、而使用燃料电池系统100的其它状态信息来检测湿润控制的异常。

另外，图8表示燃料电池堆1的合成电容量C的计算方法的一例，合成电容量C的计算方法不限定于图8的手法。

本申请基于2014年1月30日向日本专利局申请的专利申请No.2014-15772要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备接受负极气体和正极气体的供给来进行发电的燃料电池，该燃料电池系统还具备：

湿润控制状态判定部，其判定对所述燃料电池的电解质膜的湿润度进行控制的湿润控制是否被正常执行；

合成电容量计算部，其计算所述燃料电池的合成电容量；以及

负极气体浓度控制部，其在判定为所述湿润控制正常时所述燃料电池的合成电容量小于规定值的情况下，判定为所述燃料电池内的负极气体浓度正在降低、或者执行负极气体浓度的上升控制。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：

输出控制部，其以使所述燃料电池的输出电流和输出电压成为具有规定频率的交流信号的方式控制所述燃料电池的输出；

阻抗计算部，其基于规定频率下的所述燃料电池的输出电流和输出电压来计算所述燃料电池的内部阻抗，

其中，所述湿润控制状态判定部基于根据湿润度判定用频率下的所述燃料电池的输出电流和输出电压所计算出的内部阻抗，来判定湿润控制的状态，

所述合成电容量计算部基于根据被设定为比湿润度判定用频率低的合成电容量判定用频率下的所述燃料电池的输出电流和输出电压所计算出的内部阻抗，来计算所述燃料电池的合成电容量。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

在将合成电容量判定用频率设为f、并将该合成电容量判定用频率f下的内部阻抗的虚部成分设为Zim的情况下，所述合成电容量计算部根据(1)式来计算所述燃料电池的合成电容量C，

$C=-\frac{1}{\mathrm{\ω}\·Z_{im}}...\left(1\right)$

ω＝2πf。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述合成电容量判定用频率是基于每个负极气体浓度的频率而设定的，所述每个负极气体浓度的频率是根据在将横轴设为1/ω²并将纵轴设为-1/(ω·Zim)的每个负极气体浓度的特性图以及于各特性图的低频率区域与该特性图相切的切线中、所述特性图的纵轴的值同与该特性图对应的所述切线的截距的值相等的位置处的所述特性图的横轴的值而得到的。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，

在判定为所述湿润控制异常时所述燃料电池的合成电容量小于规定值的情况下，所述负极气体浓度控制部执行负极气体浓度的上升控制并且执行提高所述燃料电池的电解质膜的湿润度的控制。