JP2008166236A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】セル間の含水量のばらつきを解消し、燃料電池の出力性能を向上させて、寿命の劣化を緩和すること。
【解決手段】各セル１００の静電容量を静電容量検出部１０２で検出し、静電容量の検出値が閾値を超えたときには、静電容量検出部１０２から放電回路１０４にオン信号を出力し、セル１００の電力を放電回路１０４を介して放電させ、静電容量の検出値が閾値を超えたセルを含水量が少ないと予想される特定のセルとして、特定のセルだけ発電量を多くして、発電による水量増加を行って、セル１００間の含水量を均一にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素と酸素とを電気化学反応によって発電する燃料電池システムに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層することで構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

ところで、固体高分子型燃料電池においては、スタックの各セル間の含水量がばらつくと、セル間の特性にばらつきが生じ、燃料電池の出力性能や寿命などが低下することがある。

各セルの含水量を測定するに際しては、例えば、燃料電池内部のガス流路中に２つの電極を対向して配置し、電極間の静電容量を計測して水分状態を推定する方法（特許文献１参照）、あるいは、単セルまたはセルブロックごとの電圧の経時変化のパターンを計測し、この計測値から固体電解質膜中の水分過剰を判定したりする方法（特許文献２参照）を採用することもできる。

特開２００４−１４６２３６号公報 特開平９−２４５８２６号公報

しかし、従来技術の方法を採用した場合、各セルの含水量を推定することはできるが、スタックのセル間の含水量を均一にすることはできなかった。

そこで、本発明は、セル間の含水量のばらつきを解消し、燃料電池の出力性能を向上させて、燃料電池の寿命の劣化を緩和することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、セル群が積層された燃料電池を備えた燃料電池システムであって、該セル群の静電容量をそれぞれ検出する静電容量検出部と、該セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えていることを条件に当該セルの電力を放電させる放電回路とを備えた構成を採用したものである。

係る構成によれば、セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えているセルのみの電力を放電させることで、含水量が少ないと予想されるセルだけ発電量を多くして、発電による水量増加を行うことができ、セル間の含水量を均一にすることができ、燃料電池の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になる。

なお、上記静電容量検出部は、セル群を構成するセル単位に設けられていても、一つ以上のセルを選択可能に構成することによって一つだけ設けられていてもよい。また、上記放電回路も、セル群を構成するセル単位に設けられていても、一つ以上のセルを選択可能に構成することによって一つだけ設けられていてもよい。

また、本発明は、セル群が積層された燃料電池を備えた燃料電池システムであって、該セル群の静電容量をそれぞれ検出する静電容量検出部と、該セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えていることを条件に当該セルの電力をエネルギー蓄積手段に移送する移送手段とを備えた構成を採用したものである。

係る構成によれば、セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えているセルのみの電力をエネルギー蓄積手段に移送することで、含水量が少ないと予想されるセルだけ発電量を多くして、発電による水量増加を行うことができ、セル間の含水量を均一にすることができ、燃料電池の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になるとともに、セルの電力を無駄に消費することなく、エネルギー蓄積手段に回収させることができる。

なお、上記静電容量検出部は、セル群を構成するセル単位に設けられていても、一つ以上のセルを選択可能に構成することによって一つだけ設けられていてもよい。また、上記エネルギー蓄積手段も、セル群を構成するセル単位に設けられていても、一つ以上のセルを選択可能に構成することによって一つだけ設けられていてもよい。

セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えているセルのみの電力を放電させたり、エネルギー蓄積手段に移送させたりするに際しては、以下の要素を設けることが望ましい。

好適には、前記静電容量検出部の検出値を基に前記セル群全体の静電容量から得られた閾値と各セルの静電容量とを比較して、前記静電容量の検出値が前記閾値を超えているセルを指定するセル指定手段を備えている。

係る構成によれば、セル群全体の静電容量から得られた閾値と各セルの静電容量とを比較して、静電容量の検出値が閾値を超えているセルを指定することで、セル群の含水量分布を一定にすることができる。

好適には、前記静電容量検出部は、前記静電容量の検出値が前記閾値を超えているか否かを判定する判定回路を備えている。

係る構成によれば、静電容量検出部に、静電容量の検出値が閾値から外れ、閾値を超えているか否かを判定する判定回路を設けることで、静電容量検出部が単独で各セルの静電容量が閾値から外れ、閾値を越えているか否かを判断することができる。

好適には、前記セル群を静電容量検出対象として各セルを順次選択するセル選択手段を備え、前記静電容量検出部は、前記セル選択手段の選択によるセルの静電容量を検出してなる。

係る構成によれば、各セルを静電容量検出対象として選択し、選択したセルの静電容量を静電容量検出部で検出することで、静電容量検出部を各セルで共用することができる。

好適には、前記セル群を静電容量検出対象とするとともに、放電対象または移送対象として各セルを順次選択するセル選択手段を備え、前記静電容量検出部は、前記セル選択手段の選択によるセルの静電容量を検出してなる。

係る構成によれば、各セルを静電容量検出対象とするとともに、放電対象または移送対象として選択し、選択した各セルの静電容量を静電容量検出部で検出することで、静電容量検出部を各セルで共用することができ、さらに、選択したセルの電力を放電または移送することで、放電回路または移送手段を各セルで共用することができる。

好適には、前記セル群は、複数のグループに分けられ、前記静電容量検出部は、各グループ全体の静電容量を検出してなる。
係る構成によれば、複数のグループに分けられたセルの静電容量を各グループ単位で検出することで、セル群の静電容量を迅速に検出することができるとともに、部品点数の低減を図ることができる。

好適には、前記燃料電池は、固体分子型燃料電池である。
係る構成によれば、固体分子型燃料電池を検出対象とすることで、固体分子型燃料電池の品質の向上に寄与することができる。

本発明によれば、セル間の含水量を均一にすることができ、燃料電池の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることできる。

以下、本発明の燃料電池システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
（システム構成）
図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統と、燃料電池２０を冷却するための冷却系統とを備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより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２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（いわゆるＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

なお、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却水の水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス流路４１には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池の燃料ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁４６などが設置されている。燃料ガス供給装置４２は、例えば高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。

循環流路５１には、燃料電池２０からの燃料オフガスを排出する遮断弁５２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器５３、気液分離器５３によって回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁５４、モータによって駆動される循環ポンプ（加圧手段）５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６などが設置されている。

循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づき、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。この燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。

さらに、循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１には排気弁（排気手段）６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだエアに含まれる粉塵などを除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５などから構成され、圧縮エアを酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置されている。

また、酸化ガス供給装置７３の下流に配置された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器７８やマフラ７９などを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。

制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、各流路に設置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して循環ポンプ５５とエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

以上の基本構成において、図１には示していないが、燃料電池２０の各セルにおける含水量を均一にするために、燃料電池２０の各セルに対しては、後の実施形態において説明する静電容量検出部、放電回路、含水量検出部等が設けられている。

次に、燃料電池２０を構成するスタックのセル間の含水量を均一にするための実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本実施形態は、燃料電池２０を構成するスタックのセル群（各セルが互いに直列接続されて積層されたもの）の含水量を測定するに際して、各セルの静電容量を検出してセル間の含水量を推定するとともに、静電容量の検出値が閾値を超えた特定のセルの電力のみを放電するようにしたものである。

具体的には、図２に示すように、燃料電池２０を構成するスタックの各セル１００の両端にそれぞれ静電容量検出部１０２と放電回路１０４を接続し、各静電容量検出部１０２で各セル１００の静電容量を検出し、検出された静電容量が閾値を超えたこと（静電容量が閾値を外れたこと）を条件に、静電容量検出部１０２から放電回路１０４にオン信号を出力して、特定のセル１００の電力のみを放電回路１０４を介して放電させるようになっている。

静電容量検出部１０２としては、例えば、セル１００の静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量式液滴センサを用いることができる。この液滴センサは、所定の間隔を隔てて相対向して配置された一対の電極を有し、各電極間を空気または水素のガスが通過するようになっている。この各電極において相対向している部分の面積を対向面積Ｓとすると、通過するガス中の水分量が多い程対向面積Ｓに占める液滴Ｗの割合が高くなる。そして空気または水素の誘電率よりも液滴Ｗの誘電率の方が高いため、水分量（液滴量）の増加に伴って静電容量が増加するようになっている。この場合、液滴センサの出力と燃料電池２０内部の水分状態の相関関係を予め測定しておくことで、液滴センサの出力による静電容量に基づいてセル１００の含水量を測定することができる。

静電容量検出部１０２に閾値を設定することで、静電容量検出部１０２によって検出された静電容量が閾値を超えたとき（静電容量が閾値から外れたとき）には、セル１００の含水量が設定値よりも少ないとして、静電容量検出部１０２から放電回路１０４に、放電開始指令としのオン信号を出力することができる。

各放電回路１０４は、例えば、抵抗器あるいは各種モータなどの補機で構成されており、静電容量検出部１０２からオン信号を受けたときに、セル１００の電力を放電させることができるようになっている。

このように、第１実施形態によれば、セル群の静電容量をそれぞれ静電容量検出部１０２で検出し、静電容量の検出値が閾値を超えた、特定のセル１００の電力のみを放電回路１０４を介して放電させることで、含水量が少ないと予想されるセル１００だけの発電量を多くして、発電による水量を増加させることができ、セル間の含水量を均一にすることができるとともに、燃料電池２０の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になる。

静電容量検出部１０２を構成するに際しては、図３に示すように、各セル１００の両端に接続されたスイッチ１０６と、スイッチ１０６の両端の電圧を検出する電圧計１０８を用いることができる。この場合、スイッチ１０６をオンオフさせると、図４に示すように、セル１００の両端電圧がスイッチ１０６のオンオフ状態によって変化するので、電圧計１０８を用いて、スイッチ１０６がオフになったときの波形からその時定数を算出することで、セル１００の静電容量を測定することができる。すなわち、セル１００の両端電圧の変化から得られた時定数は静電容量にほぼ比例するため、オフ時の波形からセル１００の時定数を算出することで、セル１００の静電容量を測定することができる。この際、そのままではスイッチ１０６には大電流が流れるため、スイッチ１０６の抵抗（例えば、スイッチと直列に所定の抵抗値の抵抗を接続しておく）を大きくすることで、スイッチ１０６が劣化するのを抑制することができる。ただし、スイッチ１０６の抵抗を大きくすると、電力が無駄に消費されるとともに、時定数の算出精度が低下する。

また、セル１００の静電容量は、セル１００のインピーダンスのうち虚部にほぼ反比例するので、セル１００のインピーダンスを測定することで、セル１００の静電容量を求めることができる。インピーダンス測定には公知の交流インピーダンス測定方法を適用可能であり、例えば、２つの正弦波交流をセル出力端子に重畳させ、電圧に対する電流の位相を検出することによってセルのインピーダンスを実部と虚部とからなる複素数として算出する。ただし、セル１００のインピーダンスを測定するに際しては、インピーダンスは実部と虚部を有するので、実部を虚部から切り離す必要がある。

セル１００のインピーダンスの測定結果として、図５（ａ）に、含水量が少ないセルの測定結果を示し、図５（ｂ）には、含水量が多いセルの測定結果を示す。これらは、含水量が異なるセルに対して、印加電圧の周波数を変化させたときのインピーダンスの実部の測定結果である。各セルに対する印加電圧の周波数が５００Ｈｚ以上であれば、各セルのインピーダンスを測定したときの実部はほぼ一定であって、測定結果から実部のみを減算すれば、虚部を算出することができる。

ここで、各セルのインピーダンスを測定するに際して、そのインピーダンス（Ｚ）を式で表すと、次の（１）式のように表すことができる。虚部（Ｘ）は、周波数に反比例することを考慮して、周波数の異なるインピーダンスを２点測定すれば、（２）式にしたがって含水量を推定することができる。もちろん、３点以上測定すれば精度の高い推定値が得られる。

Ｚ＝Ｒ（ｗ）＋ｊＸ（ｗ，ｆ）・・・（１）、
Ｚ１−Ｚ２＝（Ｒ（ｗ）＋ｊＸ（ｗ，ｆ１））−（Ｒ（ｗ）＋ｊＸ（ｗ，ｆ２））
＝ｊＸ（ｗ，ｆ１）−ｊＸ（ｗ，ｆ２）・・・（２）

図６に、インピーダンス虚部の測定結果を示す。図６（ａ）は含水量が少ないセルの測定結果であり、図６（ｂ）は含水量が多いセルの測定結果である。これらの測定結果から、インピーダンスの虚部は、印加電圧の周波数にほぼ反比例していて、インダクタンス成分はほとんど影響ないことが分かる。図６の測定結果から、静電容量を推定すると、実線で示すように、含水量が少ないセルの静電容量は、０．１８Ｆとなり、含水量が多いセルの静電容量は０．６Ｆとなる。

静電容量検出部１０２に静電容量に関する閾値を設定し、静電容量の検出値が閾値を超えた静電容量検出部１０２のみからオン信号を出力させるに際しては、図７に示すように、静電容量検出部１０２に判定回路１１０を設ける構成を採用することができる。

判定回路１１０は、セル１００の両端に接続されたスイッチ１１２、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、比較器１１４を備えて構成されている。この判定回路１１０において、コンデンサＣ１に電荷が充電されている状態でスイッチ１１２をオンにした後、オフに切換えると、図８に示すように、スイッチ１１２のオン時にはセル１００の電力（電荷）がスイッチ１１２を介して放電し、セル１００の電圧Ａが漸次低下する。このときコンデンサＣ１に蓄積されている電荷はダイオードＤ１によってその放電が阻止され、抵抗Ｒ２の両端電圧は、電圧Ｂ（コンデンサＣ１両端の電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分圧した電圧）に維持されている。次にスイッチ１１２がオンからオフに移行すると、セル１００の発電にしたがってセル１００両端の電圧Ａが徐々に増加する。セル１００の両端の電圧Ａが閾値を示す電圧Ｂを超えると、比較器１１４の出力からは、図９に示すように、電圧Ｃによるオン信号１１６が出力される。オン信号１１６のパルス幅は静電容量成分が大きくなれば広くなるので、このオン信号１１６を放電回路１０４で放電することで、静電容量値に応じた時定数を求めることができる。

例えば、セル１００の電圧は既知であり、電圧Ｂも予め定められた抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧により既知となるため、オン信号１１６の出力期間はセル１００の静電容量に対応した長さとなる。予めオン信号１１６の出力期間と静電容量との対比マップを記憶しておけば、容易にセル１００の静電容量を推測できる。

なお、この場合は、時定数を用いて静電容量を測定することになるが、オン信号１１６からインピーダンスを測定することも可能である。

各静電容量検出部１０２に判定回路１１０を設けることで、各静電容量検出部１０２において、各セル１００の含水量が基準値以下か否か（含水量が閾値から外れたか）を判定し、含水量が基準値以下のセル１００に対応した放電回路１０４に対して、単独で放電動作を行わせることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、静電容量の検出値が、セル群全体の静電容量から得られた閾値を超えた特定のセルのみの電力を二次電池などのエネルギー蓄積手段に移送するようにし、全体の含水量を均一に制御可能に構成したものである。エネルギー蓄積手段としては、二次電池（バッテリ）や大容量キャパシタ等を利用可能である。

具体的には、図１０に示すように、各セル１００の両端を、移送回路（移送手段）１２０を介して二次電池（１２Ｖ電源）１２２に接続し、各静電容量検出部１０２を制御部８０に接続する。移送回路１２０は、トランスＴ１、複数個のスイッチ１２４、ダイオードＤ２を備えて構成されている。トランスＴ１は、各セルに対応して、複数の１次巻線Ｌ１を備えているとともに、二次巻線Ｌ２を備え、各１次巻線Ｌ１がスイッチ１２４と直列に接続されている。制御部８０は、各静電容量検出部１０２と各スイッチ１２４に接続されている。

制御部８０は、セルの指定手段を備える。この指定手段は、各静電容量検出部１０２から、各セル１００の静電容量の検出値を示す信号を取り込み、セル群全体の静電容量から閾値を設定する。次いで、この閾値と各セルに関する静電容量の検出値とを比較し、静電容量の検出値が閾値を越えた特定のセル１００を指定する。そして、特定のセル１００に対応したスイッチ１２４にオン（閉）信号を出力するものである。特定のセル１００に対応したスイッチ１２４がオンになると、特定のセル１００の電力は、トランスＴ１、ダイオードＤ２を介して２次電池１２２に移送され、二次電池１２２に充電される。

なお、二次電池１２２は、大型のものであるため、上記のように総てのセルに対して一つ設けることが合理的であるが、エネルギー蓄積手段として大容量キャパシタ等を用いる場合には、セル毎にエネルギー蓄積手段を設けても無論よい。

ここで、各セル１００から検出された静電容量は、各セルの含水量に対応している。制御部８０は、各セルについての電力を個別に移送していくことによって、各セル１００の含水量を均一な値にすることが可能である。すなわち、制御部８０は、静電容量の検出値が閾値を超えたセルについて、そのセル１００の電力を二次電池１２２に移送していく。個別にセル１００の電力を移送するということは、セル毎の含水量を変更するということになる。そこで、制御部８０は、個別にセル１００の静電容量、すなわち含水量を検出し、静電容量に応じて二次電池１２２に電力の移送の有無を判断したり移送する電力量を制御したりすることで、結果的に複数のセル１００間における含水量を均一なものに収斂させていくことが可能である。

図１１に、平均値に基づいて各セル１００の含水量を平均化処理するフローチャートを例示する。この処理は例示であり、全セルの平均値に基づき各セルの含水量を等しくする方法は種々に変形して適用可能である。

ステップＳ１０において、制御部８０は、各静電容量検出部１０２から各セル１００の静電容量の検出値を示す信号を取り込んで、それぞれのセル１００の含水量ｑn（ｎはセルを特定する番号）を入力する。次いでステップＳ１１に移行し、制御部８０は、全セル１００から検出した含水量の平均値ｑave（＝Σｑn／ｎ）を算出する。

次いでステップＳ１２に移行し、制御部８０は、各セル１００の含水量ｑnが、算出した含水量平均値ｑaveを下回っているか否かを判定する。その結果、含水量平均値ｑaveを下回っていたセル１００が存在する場合には（ＹＥＳ）、制御部８０は、ステップＳ１３に移行し、対応するスイッチ１２４にオン信号を出力し、トランスＴ１経由で当該セル１００の電力を二次電池１２２に充電し、そのセルから放電させて含水量を上昇させる。放電量は、含水量平均値ｑaveと該当セルの含水量ｑnとの差分に相当する水分量を上昇させるに足りる電力量である。一方、含水量平均値ｑave以上であるセル１００については（ＮＯ）、制御部８０は何もしない。

ステップＳ１４において、総てのセル１００について、各セルの含水量ｑnが含水量平均値ｑaveより低い場合に放電する処理が終了していない限り（ＮＯ）、制御部８０は、ステップＳ１２〜１３を繰り返す。

一方、総てのセル１００について、各セルの含水量ｑnが含水量平均値ｑaveより低い場合に放電する処理が終了していた場合には（ＹＥＳ）、各セルの含水量が平均化されたことを意味している。そこで、制御部８０は、ステップＳ１５に移行し、再び、各セル１００の静電容量の検出値に基づき含水量平均値ｑaveを測定する。

ステップＳ１６において、制御部８０は、再び測定された含水量平均値ｑaveが予め設定された含水量しきい値ｑthより小さいか否かを判定する。この含水量しきい値ｑthは、運転状態における各セル１００の含水量として適当な含水量としてシステム毎に定められるものである。

その結果、再び測定された含水量平均値ｑaveが予め設定された含水量しきい値ｑthより小さい場合（ＹＥＳ）、平均化された各セル１００の含水量がそもそも低いことを意味している。そこで、制御部８０は、ステップＳ１７に移行し、総てのセル１００に対応するスイッチ１２４にオン信号を出力し、トランスＴ１経由で各セル１００の電力を二次電池１２２に充電し総てのセル１００の含水量を上昇させる。ここでの放電量は、予め設定された含水量しきい値ｑthと再測定された含水量平均値ｑaveとの差分に相当する水分量をそれぞれのセルにおいて上昇させるに足りる電力量である。

ステップＳ１６において、含水量平均値ｑaveが含水量しきい値ｑth以上である場合には、制御部８０は何もしない。

ステップＳ１８において、制御部８０は、各セル１００についての含水量測定タイミングであるか否かを検査し、測定タイミングが来るまでは（ＮＯ）待ち、測定タイミングが来たら（ＹＥＳ）、制御部８０は、再びステップＳ１０からの各セルの含水量平均化処理を実行する。

本実施形態によれば、セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えているセル１００のみの電力をトランスＴ１、ダイオードＤ２を介して二次電池１２２に移送することで、含水量が少ないと予想されるセル１００だけ発電量を多くして、発電による水量を増加させることができ、セル群の含水量分布を一定にすることができ、燃料電池２０の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になるとともに、セル１００の電力を無駄に消費することなく、二次電池１２２に回収させることができる。

また、本実施形態によれば、セル毎の静電容量、すなわち含水量に応じて電力の移送量を一括制御することで、制御部８０はセル群を構成する各セル１００の含水量を想定した含水量に均一化することが可能である。

また、セル１００の電力を移送するに際しては、トランスＴ１の代わりに、コンデンサを用いることもできる。さらに、１２Ｖ電源となる二次電池１２２を用いる代わりに、燃料電池２０が駆動している動力系統にエネルギー（セル１００の電力）を移送することも可能である。この場合、電力系統の電圧が高電圧であるときには、トランスＴ１の巻数比を変えることで、高電圧にも対応することができる。

また、制御部８０において、各静電容量検出部１０２から、各セル１００の静電容量の検出値を示す信号を取り込み、各セル１００の静電容量と予め設定された閾値とを比較し、静電容量の検出値が閾値を越えた特定のセル１００を指定し、特定のセル１００に対応したスイッチ１２４にオン（閉）信号を出力する構成を採用することもできる。

（第３実施形態）
本実施形態は、燃料電池２０を構成するスタックのセル群の含水量をそれぞれ検出し、含水量の少ないセルのみの電力を放電して、含水量を増加させるようにしたものである。

具体的には、図１２に示すように、燃料電池２０を構成するスタックの各セル１００にそれぞれ含水量検出部１１８を接続し、各セル１００の両端に放電回路１０４を接続し、各含水量検出部１１８で各セル１００の含水量を検出し、検出された含水量が少なく、閾値から外れたことを条件に、含水量検出部１１８から放電回路１０４にオン信号を出力して、特定のセル１００の電力のみを放電回路１０４を介して放電させるようになっている。

本実施形態によれば、セル群の含水量をそれぞれ検出し、含水量の少ないセルのみの電力を放電して、含水量を増加させるようにしたので、含水量が少ないセル１００だけの発電量を多くして、発電による水量を増加させることができ、セル間の含水量を均一にすることができるとともに、燃料電池２０の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になる。

（第４実施形態）
本実施形態は、含水量検出部１１８で各セル１００の含水量が閾値から外れたか否かを単独で判定する代わりに、制御部８０で各セル１００の含水量が閾値から外れたか否かを統一して判定し放電制御することで、全体の含水量を均一に制御可能に構成したものであり、他の構成は、第３実施形態と同様である。

すなわち、図１３に示すように、制御部８０は、各含水量検出部１１８から含水量の検出値に関する信号を取り込み、各セル１００の含水量が閾値から外れているか否かを判定し、含水量の少ないセル１００に対応した放電回路１０４に対して、放電指令を出力するようになっている。放電指令を受けた放電回路１０４はセル１００の電力を放電させる放電動作を実行する。

ここで、制御部８０は、各含水量検出部１１８によって検出された含水量の検出値に基づいて各セルについて個別に放電を制御していくことによって、各セル１００の含水量を均一な値にすることが可能である。すなわち、制御部８０は、含水量の検出値が閾値から外れ含水量が少なくなっていると推測されるセルについて、放電回路１０４に個別に接続して電力を放電させる。この処理を全部のセルに対して実施することにより、制御部８０は、結果的に複数のセル１００間における含水量を均一なものに収斂させていくことが可能である。

本実施形態によれば、セル群の含水量をそれぞれ検出し、各検出値が閾値から外れているか否かを制御部８０で判定し、含水量の少ないセル１００のみの電力を、放電回路１０４を介して放電して、含水量を増加させるようにしたので、含水量が少ないセル１００だけの発電量を多くして、発電による水量を増加させることができ、セル間の含水量を均一にすることができるとともに、燃料電池２０の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になる。

そして本実施形態によれば、セル毎の含水量の検出値に基づき放電の有無を判定したり放電量を調整したりすることを制御部８０において一括制御するので、セル群を構成する各セル１００の含水量を想定した含水量に均一化することが可能である。

（第５実施形態）
本実施形態は、図１４に示すように、セル群に対して、単一の静電容量検出部１０２、単一の放電回路１０４を設けるとともに、静電容量検出部１０２と各セル１００との間に各セル１００の出力電圧を順番に静電容量検出部１０２に取り込むスイッチ１２６、１２８を設けたものであり、他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、スイッチ１２６、１２８を順次切換えると、各セル１００の静電容量が静電容量検出部１０２で順次検出され、検出された静電容量が閾値を超えたときには、静電容量検出部１０２から放電回路１０４にオン信号が出力され、静電容量が閾値を超えたセル１００の電力が放電回路１０４を介して放電される。この場合、スイッチ１２６、１２８は、セル群を静電容量検出対象および放電対象として、各セル１００を順次選択するセル選択手段を構成することになる。

なお、スイッチ１２６、１２８を図１０の第２実施形態に適用したときには、スイッチ１２６、１２８は、セル群を静電容量検出対象および移送対象として、各セルを順次選択するセル選択手段を構成することになる。

本実施形態によれば、含水量が少ないと予想されるセル１００だけの発電量を多くして、発電による水量を増加させることができ、セル間の含水量を均一にすることができるとともに、燃料電池２０の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になる。

さらに、本実施形態によれば、各セル１００の静電容量を、スイッチ１２６、１２８を切換えることによって、単一の静電容量検出部１０２を用いて、各セル１００の静電容量を検出することができるとともに、単一の放電回路１０４を用いて、静電容量が閾値を超えたセル１００の電力を放電させることができ、静電容量検出部１０２と放電回路１０４を各セル１００で共用でき、部品点数の低減およびコスト低減に寄与することができる。

（第６実施形態）
本実施形態は、図１５に示すように、セル群を２つのグループに分け、各グループに対応して、静電容量検出部１０２と放電回路１０４を設けたものであり、他の構成は、第１実施形態と同様である。なお、各静電容量検出部１０２における閾値は、各グループに属するセル１００の数に対応して設定されている。

本実施形態においては、各グループに属するセル１００の静電容量、すなわち、直列接続された２個のセル１００の合計の静電容量が各静電容量検出部１０２で検出され、検出された静電容量が閾値を超えたときには、静電容量検出部１０２から放電回路１０４にオン信号が出力され、静電容量が閾値を超えたグループに属するセル１００の電力が放電回路１０４を介して放電される。

本実施形態によれば、含水量が少ないと予想されるグループに属するセル１００だけの発電量を多くして、発電による水量を増加させることができ、セル間の含水量を均一にすることができるとともに、燃料電池２０の出力性能の向上および寿命の劣化の緩和を図ることが可能になる。

また、本実施形態によれば、グループ単位でセル１００に関する静電容量の検出と放電を行うことができるので、グループ単位で静電容量検出部１０２と放電回路１０４を設けることができ、部品点数の低減およびコスト低減に寄与することができる。さらに、グループ単位でセル１００に関する静電容量の検出と放電を行うことで、温度や含水量は隣り合うセル１００で近い値を示すと考えられるため、各セル１００を個々に監視する必要はなくなる。

また、セル群の各グループと静電容量検出部１０２との間にスイッチ１２６、１２８を設け、スイッチ１２６、１２８をグループ単位で順次切換えることで、静電容量検出部１０２と放電回路１０４を一つにすることができる。この場合、直列のセル数が多く、スイッチの数が多くなりすぎるときには、例えば、１００セルであれば、５セルを１グループとして、各回路を２０個にすることもできる。

（変形例）
本発明は、上記各実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、前記各実施形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いたものについて述べたが、他の形式の燃料電池にも本発明を適用することも可能である。また、各実施形態のものをそれぞれ組み合わせることも可能である。

また、図１０に示す第２実施形態においては、静電容量検出部１０２の代わりに、含水量検出部１１８を用いることもできる。この場合、制御部８０は、各含水量検出部１１８から含水量の検出値に関する信号を取り込み、各セル１００の含水量が閾値から外れ、含水量が閾値よりも小さいか否かを判定し、含水量の少ないセル１００に対応したスイッチ１２４に対して、オン（閉）信号を出力することになる。一方、各含水量検出部１１８として、含水量が閾値を超えたときに、オン信号１１６が出力されるものを用いたときには、そのままでは、含水量の多いセル１００がより余分に発電して、水の発生が多くなり、水量が増加することになる。この場合、制御部８０でオン信号１１６に対して逆の変換処理を行い、制御部８０が、オン信号１１６が発生した含水量検出部１１８に対応したスイッチ１２４をオフとし、それ以外のスイッチ１２４をオンにすることで、含水量の少ないセル１００に対応したスイッチ１２４のみをオン（閉）させることができる。

本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 セル間の含水量を均一にするための第１実施形態を示す回路構成図である。 静電容量検出部の他の実施形態を示す回路構成図である。 スイッチのオンオフに伴うセルの電圧特性図である。 （ａ）は含水量が少ないセルに対して印加電圧の周波数を変化させたときのインピーダンス実部の測定結果を示す図、（ｂ）は含水量が多いセルに対して印加電圧の周波数を変化させたときのインピーダンス実部の測定結果を示す図である。 （ａ）は含水量が少ないセルに関するインピーダンス虚部の測定結果を示す図、（ｂ）は含水量が多いセルに関するインピーダンス虚部の測定結果を示す図である。 判定回路の回路構成図である。 判定回路におけるスイッチのオンオフ状態とセルの出力電圧との関係を示す図である。 オン信号の波形図である。 セル間の含水量を均一にするための第２実施形態を示す回路構成図である。 第２実施形態におけるセル間の含水量を平均化するための処理フローチャートである。 セル間の含水量を均一にするための第３実施形態を示す回路構成図である。 セル間の含水量を均一にするための第４実施形態を示す回路構成図である。 セル間の含水量を均一にするための第５実施形態を示す回路構成図である。 セル間の含水量を均一にするための第６実施形態を示す回路構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、８０ 制御部、１００ セル、１０２ 静電容量検出部、１０４ 放電回路、１０６ スイッチ、１０８ 電圧計、１２０ 移送回路、１２２ 二次電池、１２４、１２６、１２８ スイッチ

Claims (8)

1. セル群が積層された燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   該セル群の静電容量をそれぞれ検出する静電容量検出部と、
   該セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えていることを条件に当該セルの電力を放電させる放電回路と
   を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. セル群が積層された燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   該セル群の静電容量をそれぞれ検出する静電容量検出部と、
   該セル群のうち静電容量の検出値が閾値を超えていることを条件に当該セルの電力をエネルギー蓄積手段に移送する移送手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記静電容量検出部の検出値を基に前記セル群全体の静電容量から得られた閾値と各セルの静電容量とを比較して、前記静電容量の検出値が前記閾値を超えているセルを指定するセル指定手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記静電容量検出部は、前記静電容量の検出値が前記閾値を超えているか否かを判定する判定回路を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記セル群を静電容量検出対象として各セルを順次選択するセル選択手段を備え、
   前記静電容量検出部は、前記セル選択手段の選択によるセルの静電容量を検出してなることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記セル群を静電容量検出対象とするとともに、放電対象または移送対象として各セルを順次選択するセル選択手段を備え、
   前記静電容量検出部は、前記セル選択手段の選択によるセルの静電容量を検出してなることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記セル群は、複数のグループに分けられ、前記静電容量検出部は、各グループ全体の静電容量を検出してなることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、固体分子型燃料電池であることを特徴とする燃料電池システム。

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